BRPI1003244A2 - método e aparelho para avaliação de função hemodinámica e respiratória de pacientes - Google Patents

Abstract

MéTODO E APARELHO PARA AVALIAçãO DE FUNçãO HEMODINáMICA E RESPIRATóRIA DE PACIENTES. Método e aparato para avaliação de função hemodinâmica e respiratória de pacientes usando tomografia por impedância elétrica (EIT), compreendendo as etapas de medir, ao longo do tempo, os sinais de impedância de ao menos uma região do tórax e analisar as oscilações dos sinais de impedância causadas pelos fenómenos de batimento cardíaco em ao menos uma região de interesse, derivando desta análise parâmetros de hemodinâmica, tais como: frequência cardíaca, variação da frequência, amplitude da oscilação, variação da amplitude da oscilação, pico máximo, pico mínimo, fase, variação do pico máximo da oscilação, harmónicas da oscilação, composição das frequências da oscilação, inicio do batimento cardíaco, fim do batimento cardíaco, instante da diástole, offset da curva, débito cardíaco. A análise compreende ainda a identificação e caracterização do fenómeno de respiração nas oscilações dos sinais de impedância medidos em pelo menos uma região, bem como a correlação dos parâmetros hemodinâmicos com as oscilações dos sinais causadas pelo fenómeno de respiração. O aparato compreende, além dos equipamentos associados à tomografia por impedância elétrica, uma unidade de processamento para caracterizar (quantificar) as oscilações dos sinais de impedância causadas pelos fenómenos de batimento cardíaco e respiração em ao menos uma região de interesse, derivando desta análise parâmetros de hemodinâmica, bem como uma interface de usuário que mostra graficamente as regiões do tórax onde há oscilações dos sinais de impedância causadas pelo fenómeno de batimento cardíaco.

Description

"MÉTODO E APARELHO PARA AVALIAÇÃO DE FUNÇÃO HEMODINÂMICA E RESPIRATÓRIA DE PACIENTES"

Campo da invenção

Monitoração de pacientes por meio de tomografia por impedância elétrica (EIT), particularmente funções associadas à hemodinâmica e respiração. Descrição do estado da técnica

O uso de imagens geradas com o uso de tomografia por impedância elétrica de uma parte do organismo de um paciente já é conhecido e amplamente divulgado, em virtude das vantagens apresentadas tais como: não invasivo, monitoração em tempo real, possibilidade de tratamento do sinal por algoritmos específicos de modo a permitir o controle visual e instrumental da região monitorada, etc.

Exemplo disso é o documento WO 00/33733 intitulado Method and apparatus for determining alveolar opening and closing, que permite determinar as condições dos pulmões dos pacientes no que se refere à ventilação, mais especificamente, à perda da função dos alvéolos em determinadas regiões dos pulmões. Esta perda pode ser causada por edema ou por colapso, e o uso de EIT permite determinar as partes do pulmão em que isso ocorre.

Sucede, porém que a ventilação é apenas um dos fatores que influencia a função cardio-respiratória, ou seja, a troca do gás carbônico do sangue pelo oxigênio do ar. Com efeito, para que esta função seja executada de forma adequada, é necessário inclusive uma adequada perfusão sangüínea da região alveaolar. O documento citado não contempla este requisito, bem como não contempla o uso de EIT para a avaliação hemodinâmica, limitando- se à monitoração da ventilação.

O documento de patente US 2007/0179386 intitulado Apparatus for evaluating a patienfs hemodynamic status using heart-lung interaction permite obter os valores dos parâmetros hemodinâmicos, baseando-se no diagrama de variações respiratórias em pacientes submetidos a ventilação mecânica. A Fig. 1, reproduzida da ilustração de mesmo número do documento em tela, mostra o arranjo utilizado, que compreende um ventilador 2 acoplado a um sensor de pressão ou de volume e um transdutor de pressão intra-arterial 4 associado a um cateter 3 que é introduzido numa artéria, cujos sinais são encaminhados a equipamento que determina a curva de pressão arterial em função do ciclo respiratório e um monitor 5. O aparato e método apresentados nesse documento permitem avaliar os parâmetros hemodinâmicos do paciente como um todo, todavia não permitem individualizar regiões do organismo onde poderão ocorrer condições patológicas localizadas. Outrossim, a medição invasiva de pressão intra- arterial mediante cateter fornece dados nos quais ocorre a sobreposição dos efeitos da ventilação sobre ambos os ventrículos, direito e esquerdo.

Objetivos da invenção

Em vista do exposto, tem por objetivo a presente invenção o provimento de um método não invasivo de coleta de dados para determinação das condições hemodinâmicas e respiratórias do paciente.

Outro objetivo consiste na determinação da influência do fenômeno de ventilação sobre a atividade cardiocirculatória.

Outro objetivo consiste na determinação das condições cardiorrespiratórias em regiões específicas do tórax.

Outro objetivo consiste na determinação dos efeitos da ventilação apenas sobre o ventrículo direito, uma vez que somente este é diretamente afetado pelo retorno venoso sistêmico.

Outro objetivo consiste no provimento de um método e aparato que possa ser utilizado em pacientes não submetidos a respiração mecânica.

Descrição resumida da invenção

O método ora proposto baseia-se na possibilidade oferecida pelas técnicas de tomografia por impedância elétrica - EIT - de determinar as variações de impedância ao longo do tempo em regiões específicas do organismo do paciente.

De acordo com outra característica da invenção, ditas variações de impedância são submetidas a tratamento por meio de software específico de modo a identificar as contribuições dos fenômenos causados pela atividade cardíaca e pela ventilação nas referidas oscilações dos sinais de impedância.

De acordo com outra característica da invenção, o referido tratamento permite identificar e isolar as oscilações de impedância resultantes da ventilação do paciente em pelo menos uma região.

De acordo com outra característica da invenção, o referido tratamento permite identificar e isolar as oscilações de impedância resultantes da atividade cardíaca do paciente em pelo menos uma região.

De acordo com outra característica da invenção, o referido tratamento é realizado no domínio do tempo.

De acordo com outra característica da invenção, o referido tratamento é realizado no domínio da freqüência.

De acordo com outra característica da invenção, o referido tratamento é realizado em valores derivados ou gerados a partir dos valores de impedância ou seus equivalentes.

De acordo com outra característica da invenção, o aparato proposto compreende um equipamento de tomografia por impedância elétrica complementado por uma unidade de processamento incluindo software específico para tratamento das oscilações dos sinais de impedância causadas pelos fenômenos da atividade cardíaca e ventilação e derivação dos parâmetros hemodinâmicos do paciente em pelo menos uma região de interesse.

De acordo com outra característica da invenção, o aparato compreende uma interface gráfica através da qual são exibidas imagens das regiões do tórax onde ocorrem as ditas oscilações dos sinais de impedância, ditas regiões podendo ser visualmente destacadas e as oscilações causadas pela atividade cardíaca e de ventilação representadas, por exemplo, mediante colorações específicas indicando determinadas condições.

De acordo com outra característica da invenção, a referida exibição consiste de um mapa V/Q, no qual são indicadas, mediante colorações diferentes, as regiões onde ocorrem as oscilações causadas pela atividade cardíaca e as oscilações causadas pela ventilação, ou apenas uma das anteriores, podendo-se identificar condições anormais de ventilação ou circulação.

Descrição das figuras

As demais características e vantagens da invenção ficarão mais evidentes através da descrição de uma concretização preferida, não limitativa, da invenção e das figuras que a ela se referem, nas quais:

A figura 1 constitui uma representação simplificada de um corte horizontal 10 de uma caixa torácica.

As figuras 2-a, 2-b e 2-c exemplificam as formas de onda dos sinais de impedância em função do tempo, referentes a uma região 11 da caixa torácica.

As figuras 3-a, 3-b e 3-c exemplificam as formas de onda dos sinais de impedância em função do tempo, referentes a uma região 12 da caixa torácica.

A figura 4 ilustra as oscilações do sinal de impedância causadas pelo pela atividade cardíaca.

A figura 5 ilustra a variação do sinal de impedância causada pelo fenômeno da respiração.

A figura 6 ilustra a influência do fenômeno da respiração sobre as oscilações do sinal de impedância referentes à atividade cardíaca. O conjunto de figuras 7-a, 7-b, 8-a e 8-b ilustra a influencia de características regionais no sinal de impedância correspondente à atividade cardíaca.

A figura 9 exemplifica uma imagem exibida pela interface gráfica do aparato, de acordo com os princípios da invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

Em pacientes críticos com sinais de má perfusão tecidual, um dilema freqüente é necessidade ou não de ressuscitação volêmica, ou seja, a dúvida entre aumentar a infusão de drogas vasoativas (por exemplo noradrenalina), ou aumentar a oferta de líquidos intravenosos, ofertando uma maior "pré-carga" ao coração.

Esta segunda opção apresenta riscos consideráveis, uma vez que uma maior oferta de líquido num paciente que não necessita de dita pré- carga acarreta uma maior possibilidade de formação de edema pulmonar.

A variação da pressão de pulso durante ventilação mecânica, obtida através da análise das oscilações de pressão arterial medida por métodos invasivos, conforme o já citado documento US 2007/0179386, tem sido o método de escolha para tomada de tal decisão. Pacientes apresentando grandes oscilações na pressão de pulso em sincronia com os ciclos respiratórios são considerados como "pré-carga dependentes" e, portanto, bons candidatos à ressuscitação volêmica.

A presente invenção propõe a análise das oscilações de impedância elétrica nas regiões torácicas, após separação das perturbações de impedância causadas pela ventilação, como equivalente da análise da pressão de pulso arterial.

Como vantagens desta nova abordagem, cita-se o caráter não invasivo desta análise (diminuindo a chance de complicações infecciosas), além da expectativa teórica de uma sensibilidade/especificidade mais apurada, decorrente do fato das ondas perfusionais pulmonares serem fundamentalmente dependentes da performance do ventrículo direito. Pelo contrário, quando as variações da pressão de pulso são obtidas mediante métodos invasivos intra-arteriais, ocorre a sobreposição de efeitos da respiração sobre o ventrículo direito e o ventrículo esquerdo. Todavia, do ponto de vista teórico, o que interessa é apenas a performance do ventrículo direito, pois somente este se encontra diretamente afetado pelo retorno venoso sistêmico, ou seja pela "pré-carga" sistêmica.

As figuras 1, 2 e 3 se referem ao método ora proposto, sendo a Fig. 1 uma representação simplificada de uma secção horizontal 10 da caixa torácica de um paciente monitorado através de um equipamento EIT. Nesta secção, foram destacadas, mediante tratamento dos sinais utilizando o software embutido na unidade de processamento, duas regiões 11 e 12, cujos sinais de impedância ao longo do tempo serão analisados. A Fig. 2-a mostra o sinal de oscilações de impedância conforme extraído do equipamento EIT, referentes à região 11. Segundo se observa, este sinal apresenta duas componentes que podem ser separadas mediante filtragem, a primeira componente, ilustrada na Fig. 2-b, constituindo a oscilação de impedância devido à atividade respiratória e a segunda componente, ilustrado na Fig. 2-c, constituindo a oscilação de impedância devido a atividade cardíaca. No sinal da Fig. 2-b, a maior impedância ocorre na fase inspiratória, devido à maior quantidade de ar nos alvéolos pulmonares, uma vez que o ar possui elevada impedância. Por sua vez, o sinal exemplificado na Fig. 2-c está relacionado à perfusão sangüínea.

As oscilações de impedância que ocorrem na região 12 estão ilustradas nas figuras 3-a, 3-b e 3-c, observando-se que estas diferem daquelas que se verificam na região 11. A comparação entre os sinais extraídos dessas regiões permite determinar eventuais anomalias funcionais. Assim, por exemplo, na região 12 a amplitude da oscilação de impedância devida à atividade respiratória é menor do que na região 11, indicando uma possível redução da capacidade ventilatória. De forma semelhante, nota-se nesta área que as amplitudes das oscilações de impedância devido à atividade cardíaca comportam-se diferentemente das amplitudes observadas na região 11.

A Fig. 4 mostra alguns detalhes do sinal associado ao fenômeno da atividade cardíaca, após filtragem e eliminação do sinal devido à atividade respiratória. Alguns dos dados extraídos desse sinal são a variação da amplitude, obtida mediante a subtração da amplitude mínima 14 da amplitude máxima 13, e a variação da pressão sistólica, que se obtêm subtraindo-se o valor mínimo de pico durante a expiração do valor máximo de pico durante a inspiração. Essas variações de amplitude da impedância estão relacionadas às variações da pressão arterial que, por sua vez, se correlaciona com a fase do ciclo respiratório, segundo será comentado em conjunto com as figuras 5 e 6. Outros parâmetros de importância que podem ser derivados do sinal ilustrado na Fig. 4 são o período entre batimentos Tl e T2, dos quais podem ser derivadas as freqüências cardíacas fl e £2, respectivamente correspondentes às maiores e menores amplitudes do valor de impedância.

Observando a relação entre o ciclo respiratório e a forma de onda correspondente à atividade cardíaca, figuras 5 e 6, verifica-se que a maior amplitude desta última 17 ocorre durante a fase de inspiração 15, e a menor amplitude 18 durante a fase de expiração 16. Os valores absolutos e a relação entre as amplitudes 17 e 18 dependem ainda das variações no volume e pressão de ar inspirado e expirado, como evidenciado nas figuras 2-b, 2-c e 3-b, 3-c. Segundo mostram estas figuras, as diferenças entre amplitudes máxima e mínima no sinal de batimento cardíaco está relacionada com a amplitude do sinal do fenômeno respiratório. Em outras palavras, a diferença entre ditas amplitudes no sinal da Fig. 2-c é também conseqüência da maior amplitude do sinal da Fig. 2-b, quando se compara estas amplitudes com os sinais das figuras 3-b e 3-c.

Além de ser influenciada pela quantidade e pressão do ar inspirado e expirado, a amplitude do sinal correspondente à atividade cardíaca, bem como a variação desta amplitude ao longo do ciclo respiratório é, ainda, função da perfusão do tecido pulmonar na região considerada. Esta dependência da perfusão encontra-se exemplificada nos conjuntos de figuras 7-a/7-b e 8-a/8b. Segundo ilustrado, são iguais as amplitudes 19 e 20 dos sinais correspondentes ao fenômeno da respiração, respectivamente numa primeira e numa segunda regiões diferentes do tórax do paciente. Todavia, na segunda região, correspondente ao diagrama da direita, a amplitude do sinal associado ao batimento cardíaco, Fig. 8-b, é substancialmente menor do que naquela da primeira região, ilustrada na Fig. 7-b, o que pode indicar uma condição patológica na dita segunda região, tal como, por exemplo, uma menor perfusão sangüínea.

Finalmente, além de ser influenciada pela quantidade e pressão do ar inspirado e expirado, e por características específicas da perfusão em uma determinada região do tórax, a amplitude do sinal correspondente à atividade cardíaca, bem a variação desta amplitude ao longo do ciclo respiratório é, ainda, função do estado hemodinâmico do paciente, em particular de sua dependência à pré-carga.

A figura 9 exemplifica a imagem de uma secção do tórax de um paciente, exibida pelo monitor acoplado à interface gráfica do aparato proposto, onde as tonalidades escuras indicam as regiões nas quais as oscilações dos sinais de impedância são causadas pela atividade cardíaca, e as tonalidades mais claras, aquelas em que as oscilações dos sinais de impedância são causadas pelo fenômeno da ventilação. Esta imagem consiste no mapa V/Q, com o qual é possível exibir as regiões pulmonares onde há espaço morto (há ventilação, mas baixa perfusão) e shunt (há perfusão, mas baixa ventilação). Ambas são situações indesejáveis, que devem ser endereçadas e de preferência revertidas. Ainda com relação à Fig. 4, nas oscilações do sinal causadas pela atividade cardíaca pode-se determinar o momento do batimento t, ou seja, o momento da sístole, no caso de estar monitorando uma área adjacente ao coração. Ao se efetuar a monitoração de uma área pulmonar mais afastada, verificar-se-á que o sinal equivalente apresenta um retardo com relação ao sinal anterior, ou seja, o pico da onda ocorrerá num instante t' φ t. Este retardo traz informações relevantes sobre o estado hemodinâmico do paciente e é função da resistência vascular na região do pulmão considerada, podendo este valor ser expresso em termos de fase do sinal na região mais afastada.

As oscilações causadas pela atividade cardíaca podem também ser determinadas e caracterizadas fazendo-se pausas respiratórias de alguns segundos, durante as quais somente serão observados os sinais devidos ao fenômeno da atividade cardíaca. Tais pausas podem ser inspiratórias e expiratórias, resultando valores de amplitudes máxima e mínima, respectivamente, para servirem de referência para comparação com os sinais obtidos durante os períodos normais.

Ademais, as oscilações causadas pela atividade cardíaca e regiões perfundidas podem ser mais bem caracterizadas, se necessário, através da injeção de contrastes, por exemplo de um bolus salino, que por possuir condutividade diferente da do sangue, permite que sua circulação seja rastreada e quantificada. Este procedimento pode gerar parâmetros de contorno e de calibração, usados na avaliação hemodinâmica e respiratória.

Outros parâmetros hemodinâmicos, como débito cardíaco e pré-carga podem também ser estimados a partir das oscilações causadas pela atividade cardíaca e regiões perfundidas.

O aparato ora proposto permite armazenar as informações coletadas em determinados períodos de tempo, por exemplo, a cada 6 horas, possibilitando verificar a evolução favorável ou desfavorável do quadro clinico do paciente ao longo do tempo, em regiões selecionadas do tórax.

Claims (26)

1. Método para avaliação de função hemodinâmica e respiratória de pacientes usado tomografia por impedância elétrica, caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas básicas: a. medir, contínua e ciclicamente, de acordo com o método de tomografia por impedância elétrica, os sinais de impedância de ao menos uma região do tórax; b. quantificar as oscilações dos sinais de impedância causadas pelos fenômenos de batimento cardíaco e de respiração em ao menos uma região de interesse, derivando desta análise parâmetros de hemodinâmica e respiratórios.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dita análise compreender a identificação do fenômeno de batimento cardíaco nas oscilações dos sinais de impedância medidos.

3. Método de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a análise das oscilações é realizada no domínio do tempo.

4. Método de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a análise das oscilações é realizada no domínio da freqüência.

5. Método de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os parâmetros hemodinâmicos caracterizados compreendem pelo menos um dos seguintes parâmetros: freqüência cardíaca, variação da freqüência, amplitude da oscilação, variação da amplitude da oscilação, pico máximo, pico mínimo, fase, variação do pico máximo da oscilação, harmônicas da oscilação, composição das freqüências da oscilação, início do batimento cardíaco, fim do batimento cardíaco, instante da diástole, offset da curva, débito cardíaco.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que são comparados ao menos um dos parâmetros hemodinâmicos calculados a partir das oscilações dos sinais em duas ou mais regiões de interesse.

7. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que são comparados ao menos um dos parâmetros hemodinâmicos de uma ou mais regiões com parâmetros pré-definidos ou pré-configurados.

8. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que são comparados ao menos um dos parâmetros de pelo menos uma região os mesmos parâmetros de dita região, caracterizados em um instante anterior.

9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dita análise compreender a identificação do fenômeno de respiração nas oscilações dos sinais de impedância medidos em pelo menos uma região.

10. Método de acordo com as reivindicações 1 ou 9, caracterizado pelo fato de em que os parâmetros caracterizados compreenderem ao menos um dos seguintes parâmetros: freqüência respiratória, variação da freqüência, respiratória, variação de freqüência cardíaca, amplitude da oscilação, variação da amplitude da oscilação, variação do pico máximo da oscilação, harmônicas da oscilação, composição das freqüências da oscilação, início da respiração, fim da respiração, offset da curva, fase inspiratória, fase expiratória.

11. Método de acordo com as reivindicações 1 ou 9, caracterizado pelo fato de serem correlacionados os parâmetros hemodinâmicos com as oscilações dos sinais causadas pelo fenômeno respiração em ao menos uma região de interesse.

12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que as oscilações dos sinais de impedância causadas pelo fenômeno de batimento cardíaco são analisadas considerando-se as oscilações dos sinais causadas pelo fenômeno da respiração em ao menos uma região de interesse.

13. Método de acordo com as reivindicações 1, 9 ou 12, caracterizado pelo fato de serem calculados parâmetros hemodinâmicos a cada ciclo respiratório.

14. Método de acordo com as reivindicações 1, 9 ou 12, caracterizado pelo fato de ser calculado ao menos um dos seguintes parâmetros: variação do pico e variação da amplitude das oscilações causadas pelo batimento cardíaco em fases semelhantes de diferentes ciclos respiratórios, variação do pico e variação da amplitude das oscilações causadas pelo batimento cardíaco em fases distintas do mesmo ciclo respiratório, variação da pressão sistólica e variação da pressão de pulso.

15. Método de acordo com as reivindicações 1, 9 ou 12, caracterizado pelo fato de compreender a identificação de pelo menos uma região onde as oscilações dos sinais causados pelo batimento cardíaco e as oscilações causadas pela respiração são consideradas normais.

16. Método de acordo com as reivindicações 1, 9 ou 12, caracterizado pelo fato de serem mapeadas regiões comprometidas no tórax do paciente.

17. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de serem indicadas as regiões de espaço morto pulmonar mediante a identificação de regiões onde as oscilações dos sinais causados pelo batimento cardíaco são relativamente baixas enquanto que as oscilações dos sinais causados pela respiração são relativamente elevadas.

18. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de serem indicadas as regiões de shunt pulmonar mediante a identificação de regiões onde as oscilações dos sinais causados pelo batimento cardíaco são relativamente elevadas enquanto que as oscilações dos sinais causados pela respiração são relativamente baixas.

19. Aparato para avaliação de função hemodinâmica e respiratória de pacientes segundo o método definido por qualquer uma das reivindicações de 1 a 18, caracterizado pelo fato de compreender: a. uma pluralidade de eletrodos que são aplicados ao redor do tórax; b. um equipamento de tomografia por impedância elétrica para controle e leitura da impedância através dos eletrodos, a fim de obter a impedância de uma ou mais regiões do tórax; c. uma unidade de processamento para caracterizar (quantificar) as oscilações dos sinais de impedância causadas pelos fenômenos cardiorrespiratórios em ao menos uma região de interesse, derivando desta análise parâmetros de hemodinâmica.

20. Aparato de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de compreender uma interface de usuário que mostra graficamente as regiões do tórax onde há oscilações dos sinais de impedância causadas pelo fenômeno de batimento cardíaco.

21. Aparato de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato da interface gráfica em que as regiões do tórax onde há oscilações dos sinais de impedância causadas pelo fenômeno de batimento cardíaco serem visualmente destacadas regionalmente indicando a magnitude de pelo menos um dos parâmetros hemodinâmicos caracterizados em cada região de interesse.

22. Aparato de acordo com as reivindicações 20 ou 21, caracterizado pelo fato de compreender uma interface de usuário para mostrar graficamente as regiões do tórax onde há oscilações dos sinais de impedância causadas pelo fenômeno de batimento cardíaco e as regiões do tórax onde há oscilações dos sinais de impedância causadas pelo fenômeno de respiração.

23. Aparato de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de compreender uma interface de usuário para mostrar graficamente e simultaneamente as regiões do tórax onde há oscilações dos sinais de impedância causadas pelo fenômeno de batimento cardíaco e as regiões do tórax onde há oscilações dos sinais de impedância causadas pelo fenômeno de respiração.

24. Aparato de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de compreender uma conexão para dispositivo para medida de eletrocardiograma.

25. Aparato de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de compreender uma conexão para dispositivo de medida da pressão sangüínea.

26. Aparato de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de compreender uma conexão para dispositivo de medição parâmetros da ventilação mecânica do paciente.