Konstruktion av mätinstrument för analys av aortas karaktäristiska impedans Examensarbete, 30 hp Huvudhandledare: Anna Bjällmark Bihandledare: Anders Sahlén and Dennis Sturm

Projektbeskrivning

Vår grupp erbjuder nu två studenter att som examensarbete konstruera: A.

En kontrollenhet till en arteriell tonometer (Millar SPT-301; www.adinstruments.com), vilken med hög samplingsfrekvens samlar information om det tryck tonometern utövar emot artärväggen. B.

Ett användargränssnitt där tryckdata presenteras i realtid simultant med patientens EKG. C.

Metod för att digitalisera hastighet (flöde) från visuellt presenterad Doppler-data från hjärtultraljud. Detta kan göras exv. med interpolation efter att användaren manuellt anger flödesprofil i bilden, eller med bildanalytisk teknik där flödesprofilen detekteras automatiskt eller halv-automatiskt. D.

Analys av hemodynamiska variabler baserad på ovan nämnda indata, såsom aortas karaktäristiska impedans Z C och systemiska vaskulära resistansen SVR. E.

Validering av data mot invasiva tryck och flöden uppmätta på patienter som genomgår klinisk kranskärlsröntgen och studeras inom ramen för befintligt etiskt tillstånd.

Målsättning

Projektet syftar till att studenterna skall utveckla förmåga till självständigt och kreativt arbete med specifika problemställningar rörande applikationer för fysiologisk och fysikalisk forskning.

Tidsplan

Projektet skall utföras under våren 2011.

Bakgrund

Centralt och perifert blodtryck

Högt blodtryck är mycket vanligt och utgör en ledande riskfaktor för insjuknande i hjärt-kärlsjukdom såsom stroke, hjärtsvikt och hjärtinfarkt. Traditionellt mäts blodtrycket med blodtrycksmanschett på överarmen. Emellertid har forskning på senare år visat att viktig information går att få genom uppmätning av det blodtryck som föreligger i kroppens stora artärer (särskilt inuti stora kroppspulsådern,

aorta

): så kallat ”centralt” blodtryck. Det centrala blodtrycket förefaller viktigare än det ”perifera” (som uppmäts på överarmen) då det tillför viktig information ur både diagnostisk och prognostisk synvinkel. Trots att vetenskapssamhället har fokuserat alltmer på kroppens centrala blodtryck under de sista åren har en begränsande faktor varit att centralt blodtryck är svårt att mäta, då man fram till helt nyligen var tvungen att invasivt införa katetrar i aorta (efter artärpunktion i ljumske eller underarm).

Betydelsen av aortas elasticitet

Aorta är kroppens största kärl och är den artär som tar emot hjärtkammarens slagvolym när denna lämnar hjärtat. Aorta är normalt ett mycket elastiskt kärl, och har till uppgift att agera som en reservoar eller så kallad

windkessel

när kammarens slagvolym kommer. Syftet är bl.a. att minska den

pulsvåg som varje hjärtslag ger upphov till, då starka vågor har förmåga att skada vävnader perifert i organ såsom hjärna och njurar. Aorta behöver även föra ut blodet i riktning emot kroppens vävnader. Detta sker under hjärtats slagfas, då aorta ’laddas upp’ med slagvolymen. När hjärtats slagfas är över upphör flödet ur kammaren och aortaklaffen stängs, vilket förhindrar backflöde av blod ner i kammaren. Då aorta dock fortfarande är utspänd kommer buffrat blod i detta kärl nu att tryckas ut emot perifera vävnader. Kroppens organ kommer därför att erhålla blod även under hjärtats vilofas. Kroppens åldrande såväl som olika sjukdomsprocesser (exv. högt blodtryck) leder med tiden till att aorta förlorar sin elasticitet. Detta har ett antal mycket viktiga konsekvenser som samtliga bidrar till att försämra hjärt-kärlsystemets funktion: (1) blodet som hjärtat levererar med vart slag kan då inte längre buffras då reservoarfunktionen hos aorta sviker. Det gör att arteriellt blodtryck under hjärtats slagfas stiger. När tryckbelastningen ökar på känsliga vävnader i perifer vävnad uppstår sjukdomar som stroke och njursvikt. (2) Då hastigheten hos artärträdets pulsvåg i hög grad är bestämd av kärlens elasticitet kommer hastigheten att stiga i takt med att artärstelheten tilltar. Det gör att pulsvågor når ut i kroppens periferi med hög energi där dessa reflekteras tillbaka emot hjärtkammaren. Till följd av hög pulsvågshastighet når vågreflektionerna dit redan innan aortaklaffen hunnit stänga. Därför kommer varje pågående slags egen vågreflektion att öka det tryck hjärtat måste arbeta emot för att förflytta blodvolymen ut i aorta. Detta är mycket ogynnsamt för hjärtats slagarbete och leder till förtjockning av hjärtmuskeln och ökat syrebehov i hjärtat, vilka båda ökar risken för död och hjärtinfarkt. (3) Till följd av sänkt reservoarfunktion kommer det centrala blodtrycket att sjunka under hjärtats vilofas. Detta försämras ytterligare genomblödningen av hjärtmuskeln och gör att blod kommer transporteras ut emot kroppen endast under hjärtats slagfas, vilket är mycket ineffektivt. (4) När aorta stelnar ökar även det motstånd hjärtkammaren måste övervinna för att leverera blod till aorta, den s.k. karaktäriska impedansen (nedan).

Karaktäristisk impedans

Flödet genom hjärt-kärlsystemet sker emot flera motstånd. Det kontinuerliga flödet (främst under hjärtats vilofas) som sker från aorta i riktning mot vävnaderna bromsas främst av små reglerande muskler i perifera kärlbäddar: den s.k. systemiska vaskulära resistansen (SVR). Det pulsatila flödet däremot (främst under hjärtats slagfas) sker emot två huvudsakliga motstånd: de ovan nämnda vågreflektioner som uppstår i stela artärsystem, samt emot en stel aortas egen resistans, dess s.k. karaktäristiska impedans (Z C ). Vår grupp har nyligen studerat aortas karaktäristiska impedans på patienter med hjärtsvikt och kunde bekräfta att stegrad Z C är av betydelse för den patologiska interaktion som ses mellan hjärta och kärlträd vid detta vanliga tillstånd (Sahlén Artery Society 2010; Sahlén EuroECHO 2010).

Karaktäristisk impedans – metodologiska aspekter

Aortas karaktäristiska impedans har traditionellt kvantifierats i frekvensdomänen, efter Fourier transformation av aortas tryck och flöde. Analys av genomsnittlig impedans inom ett visst intervall av spektrumet (t.ex. 2 – 15 Hz) ger upphov till Z C medan ratio mellan tryck och flöde vid 0 Hz ger ett mått på SVR. Det är även möjligt att genomföra analys av Z C i tidsdomänen som ett ratio mellan tryck och flöde, vilket validerats mot mätning i frekvensdomänen i såväl människa som djur. Sådan analys måste dock utföras under den allra första inledningen av hjärtats slagfas—innan eventuella reflekterade vågor når tillbaka.

Vid ultraljud av hjärtat erhåller man information om hastigheten hos flödet från hjärtats kammare in i aortaroten. Efter mätning av tvärsnittsarean hos kammarens utflödestrakt multipliceras denna area med hastigheten varvid slagvolymen erhålls. Vår grupp har tidigare visat att 3-dimensionellt hjärtultraljud har förmåga att ge en mer exakt mätning av denna tvärsnittsarea då detta eliminerar eventuella geometriska antaganden om att utflödestrakten skulle vara cirkulär. (Shahgaldi 2009) Trycket i aorta kan approximeras med trycket inuti halspulsådern då detta kärl utgör en av de första grenarna från aorta. Halspulsåderns tryck kan mätas med hjälp av tonometri, varvid en pennformig transducer läggs emot kärlet från halsens framsida. Artärpulsens vågform registreras och kalibreras emot manschettblodtryck mätt på överarmen. Vår grupp har erfarenhet av mätningar med tonometer då denna teknik använts i de ovan citerade arbetena (Millar SPT-301; www.adinstruments.com). Doppler-mätningen av flödet görs vid utträdet av blod från kammaren till aortaroten. Denna plats är belägen ca. 15 – 20 cm från mätstället längs halspulsådern. Vid en typisk pulsvågshastighet på exv. 5000 cm/s kommer denna avståndsskillnad att ge upphov till en ca. 3 – 4 ms förskjutning i registreringen av flöde vs. tryck. Vid analys i tidsdomänen är ett typiskt tidsintervall för att beräkna Z C : t = 10 – 30 ms. Under detta intervall är tryck och flöde linjärt relaterade. Därför kan 3 – 4 ms utgöra en källa till betydande fel vid mätning i tidsdomänen. Följaktligen är analys i frekvensdomänen sannolikt att föredra eftersom eventuell förskjutning saknar betydelse då Z C ej påverkas av fasförskjutning. Vår grupp har stor erfarenhet av forskning om arteriell hemodynamik och metoder som används inom detta område. Tidigare forskning har utforskat betydelsen av reflekterade vågor och kvantifierat den energi vågor bär med sig inom artärträdet (Bjällmark 2010, Larsson 2009, Abdula Artery Society 2010) och även undersökt betydelsen av karaktäristisk impedans och arteriell stelhet i olika patientpopulationer (Sahlén EuroECHO 2010, Sahlén Artery Society 2010).

Handledarkompetens

Huvudhandledare:

Anna Bjällmark, Tek Dr, MSc Anna Bjällmark disputerade år 2010 inom ultraljudbaserade tekniker för kvantifiering av hjärt- och kärlfunktion vid avdelningen för Medicinsk teknik på Skolan för Teknik och hälsa på KTH, men har en bakgrund som civilingenjör i Teknisk fysik och elektroteknik med inriktning mot medicinsk teknik. Hon forskar numera på ett kontastmedel som i framtiden ska kunna användas inom tre bildgivande system; ultraljud, nuklearmedicin och magnetkamera. Kontakt: Mail: [email protected] Telefonnummer: 08-790 48 22

Bihandledare 1:

Anders Sahlén, Leg Läk, Med Dr Anders Sahlén disputerade år 2009 inom området arbetsfysiologi, på Enheten för Kardiologi /Institutionen för Medicin vid Karolinska Institutet. Han är verksam på Karolinska Institutet med metodologisk och fysiologisk forskning inom arteriell hemodynamik och är specialistläkare i Kardiologi och Internmedicin på Karolinska Universitetssjukhuset Huddinge.

Bihandledare 2:

Dennis Sturm, MSc Dennis Sturm är doktorand på Skolan för Teknik och Hälsa (KTH) där han forskar om sensorer och mikroelektroniska applikationer inom hälsa och idrott. Han har en civilingenjörsexamen från RWTH Aachen, Tyskland, inom elektronik och informationsteknologi.