HÄMODYNAMISCHE ÜBERWACHUNG:
PHYSIKALISCH-MATHEMATISCHE METHODEN VS. STATISTISCHE METHODEN

JOSÉ MIGUEL ALONSO IÑIGO

Die hämodynamische Überwachung ermöglicht Ärzten, den hämodynamischen Zustand von Patienten zu erfassen und die Behandlung entsprechend der spezifischen Bedürfnisse anzupassen. Aufgrund der Vielzahl von Pulskonturmessgeräten auf dem Markt gestaltet es sich jedoch schwierig, zwischen den verschiedenen Optionen zu wählen. Der Anästhesiologe Dr. José Miguel Alonso Iñigo erläutert wichtige Hintergründe, um bei der Entscheidungsfindung zu helfen und mögliche Zweifel auszuräumen.

WINDKESSEL-MODELL

Das physikalische Modell des „Windkessels“ wird verwendet, um die Bewegung des Blutes durch das Herz-Kreislauf-System zu erklären und das systolische Volumen anhand einer Blutdruckwelle zu beurteilen.

Der Begriff „Windkessel“ stammt aus dem Deutschen und bezeichnet einen Luftspeicher oder Kessel. Ursprünglich wurde dieses Modell im 18. Jahrhundert von deutschen Feuerwehrleuten genutzt, um Brände zu löschen. Dabei wurde ein pulsierender Wasserstrom in einen kontinuierlichen Fluss umgewandelt, indem das Wasser aus einem Tank in eine Luftkammer oder einen „Windkessel“ gepumpt wurde. Dadurch wurde sichergestellt, dass der Wasserstrom, der schließlich aus dem Schlauch austrat, konstant war.

Stephen Hales nutzte dieses Konzept, um zu erklären, wie der pulsierende Blutfluss vom Herzen allmählich in einen kontinuierlichen Fluss in den Kapillaren übergeht. Später entwickelte Otto Frank das Konzept weiter und schuf eine solide mathematische Grundlage für die Erklärung des Windkesseleffekts.

Windkessel-Modell-bild1

Für eine Übertragung des Modells auf das Herz-Kreislauf-System, werden die verschiedenen Komponenten als Kompartimente betrachtet. Dazu gehören:

  • Reservoirsystem: Venen.
  • Pulsierende Pumpe: Herz.
  • Elastisches/dynamisches Element: große Arterien wie die Aorta oder die Femoralarterie. Diese großen Gefäße absorbieren einen Teil der Energie des Herzschlags, um einen kontinuierlichen Fluss während des gesamten Herzzyklus aufrechtzuerhalten, nachdem die Aortenklappe geschlossen wurde.
  • Restriktives Element: statisches Element, das in den peripheren Arteriolen zu finden ist
Windkessel-Modell-bild2
Sowohl die pulsatile (elastische) Komponente, als auch die resistive Komponente sind Teil der kardiovaskulären Impedanz, die eine wichtige Rolle bei der Schätzung des Herzzeitvolumens anhand der Analyse der arteriellen Druckkurve spielt.

Im 19. Jahrhundert entwickelte Otto Frank eine Formel zur Berechnung des systolischen Volumens (SV) aus einer arteriellen Druckwelle. Diese Formel lautet: SV = Asys/Z(t), wobei Asys die Fläche des systolischen Abschnitts der arteriellen Druckkurve darstellt und Z die arterielle Impedanz repräsentiert.

Grundform-des-arteriellen-Pulses-2

Arterielle oder kardiovaskuläre Impedanz

Die arterielle Impedanz umfasst die physikalischen Eigenschaften der Arterien, die direkte Auswirkungen auf den Blutfluss haben. Sie kann als Maß für den Widerstand eines Stromkreises gegen einen Strom beim Anlegen einer Spannung definiert werden. In der Physiologie bezieht sich die arterielle Impedanz auf den Widerstand des Arterienbaums gegenüber dem vom Herzen angetriebenen Blutfluss. Sie umfasst neben dem Widerstand auch andere Elemente wie die arterielle Elastizität, die arterielle Reflexion, die Kontraktilität und die Widerstände selbst.

Arterielle-Impedanz-z

Die Schätzung der Impedanz ist entscheidend für die Berechnung des systolischen Volumens und bildet die Grundlage für die mathematischen Algorithmen der verschiedenen Pulskonturanalyseverfahren.

Die Schätzung der Impedanz war aus Sicht der Wissenschaft eine der Grenzen für die Entwicklung von Monitoren, deren Herzzeitvolumen auf der Pulskontur basiert. Wir müssen uns darüber im Klaren sein, dass Z, die kardiovaskuläre Impedanz, das entscheidende und grundlegende Element für die Schätzung des systolischen Volumens ist.

Die Schätzung von Z stellte lange Zeit eine Herausforderung bei der Konstruktion von Monitoren dar, die das Herzzeitvolumen auf der Grundlage der Pulskontur bestimmen. Erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts wurde es möglich, Z zu bestimmen.

WAS KANN DIE ARTERIELLE IMPEDANZ BEEINFLUSSEN?

Die arterielle Impedanz ist ein fester Bestandteil des Blutflusses im kardiovaskulären System und stellt eine dynamische Größe dar, die sich von Schlag zu Schlag ändert und die Anpassung des Systems an den Blutflussbedarf des Organismus widerspiegelt.

Die arterielle Impedanz wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter

  • die linksventrikuläre Auswurfkraft
  • die arterielle Compliance (die einen Teil der erzeugten kinetischen Energie absorbiert)
  • der Widerstand der peripheren Gefäße
  • reflektierte Wellen

Die Schätzung der arteriellen Impedanz (Z) ist von großer Bedeutung, da das Wissen über diese Variable eine zuverlässige Schätzung des systolischen Volumens ermöglicht.

Z ist eine komplexe Variable, die die Beziehung zwischen Druck- und Volumenänderungen im Zeitverlauf darstellt. Durch die Schätzung von Z können wir das Schlagvolumen zuverlässig bestimmen.

MONITORING-SYSTEME

Die Theorie von Otto Frank hat bis heute Bestand und bildet die Grundlage für Herzzeitvolumenmessgeräte, die auf der Pulskonturanalyse (PCM) basieren. Diese PCM-Messgeräte werden je nach der Methode, die zur Schätzung der arteriellen Impedanz verwendet wird, klassifiziert:

  • Externe Kalibrierung durch Thermodilution oder Indikatorverdünnung
  • Interne Kalibrierung auf der Grundlage der demografischen und physischen Merkmale des Patienten
  • Weder eine externe Kalibrierung noch Nomogrammdaten

Externe Kalibrierung: Diese Methode erfordert eine externe Kalibrierung mithilfe von Thermodilution oder Indikatorverdünnung. Dabei wird die Stewart-Hamilton-Formel zur Berechnung des Herzzeitvolumens verwendet, um einen Punktwert der Impedanz abzuleiten. Dieser Wert wird dann in den Pulskonturanalysealgorithmus übertragen, um eine kontinuierliche Schätzung des Schlagvolumens/Herzzeitvolumens zu ermöglichen.

Interne Kalibrierung: Bei dieser Methode werden die Impedanzdaten aus einer Patientendatenbank gewonnen, die statistische Parameter enthält und als Nomogramm für Referenzzwecke dient. Die interne Kalibrierung basiert auf demografischen und physischen Merkmalen des Patienten. Die Genauigkeit dieser Methode ist geringer als bei physikalischen Methoden oder externer Kalibrierung, da die Schätzungen nicht auf den individuellen Daten des Patienten basieren.

Keine Kalibrierung oder statistische Daten: Der MostCare-Monitor ist der einzige Monitor, der weder eine Kalibrierung noch statistische Daten für die Schätzung der Impedanz benötigt. Dieser Monitor verwendet eine fortschrittliche physikalisch-mathematische Methode, die als PRAM-Methode bezeichnet wird. Mit dieser Methode können Z-Werte auf einer Schlag-zu-Schlag-Basis ermittelt werden.

Monitore, die auf statistischen Methoden basieren und für die Schätzung einer basalen kardiovaskulären Impedanz Daten auf der Grundlage von demografischen und physischen Merkmalen heranziehen, beziehen sich auf eine bestimmte Gruppe von Patienten. Dies bedeutet, dass solche Monitore in Situationen, in denen sich die kardiovaskuläre Impedanz häufig ändert, nicht in der Lage sind, eine zuverlässige Schätzung der Impedanz vorzunehmen. Als Folge können die Werte des systolischen Volumens und des Herzzeitvolumens erheblich von der Realität abweichen.

P.R.A.M.-METHODE: HÄMODYNAMISCHER MONITOR AUF DER GRUNDLAGE PHYSIKALISCHER METHODEN

Die P.R.A.M.-Methode, entwickelt von Mario Romano Ende des 20. Jahrhunderts, ist ein Monitorverfahren, das einen a priori physikalisch-mathematischen Ansatz zur Schätzung der Impedanz des Herz-Kreislauf-Systems und zur Bestimmung des systolischen Volumens verwendet.

pram-deutsch

Mario Romano analysierte die Formel von Otto Frank aus einem anderen Blickwinkel und erweiterte sie. Dabei berücksichtigte er nicht nur die pulsatile Komponente, sondern auch die kontinuierliche Komponente bei der Analyse der Pulskontur. Um dies zu ermöglichen, entwickelte er eine erweiterte Version der ursprünglichen Otto-Frank-Formel. Diese besagt, dass das systolische Volumen direkt proportional zur Fläche des systolischen Anteils der arteriellen Druckkurve in beiden Komponenten – der pulsatile und der kontinuierliche Anteil – und umgekehrt proportional zur Impedanz des Herz-Kreislauf-Systems in beiden Komponenten ist.

Der Schlüssel zur P.R.A.M.-Methode liegt darin, dass sie in der Lage ist, die Impedanz des kardiovaskulären Systems aus der Analyse der arteriellen Druckwellenform zu extrahieren.

Die P.R.A.M.-Methode basiert auf der Anwendung fortschrittlicher mathematischer Theorien, die sich von dem traditionellen, auf der Newtonschen Physik basierenden Ansatz entfernen. Insbesondere stützt sie sich auf die Störungstheorie, um die Impedanz des Herz-Kreislauf-Systems anhand der Analyse der arteriellen Druckwelle zu schätzen.

STÖRUNGSTHEORIE

Die Störungstheorie, die in der Quantenmechanik und Astrophysik häufig zur Analyse von Planetenbahnen verwendet wird, ist eine fortgeschrittene physikalische Theorie, die aus einer Reihe von Näherungsschemata besteht. Diese Schemata ermöglichen es, komplexe Quantensysteme durch einfachere Systeme zu beschreiben.

Der P.R.A.M.-Ansatz für die Analyse der arteriellen Hämodynamik unterscheidet sich grundlegend von anderen Pulskonturanalysemethoden. Bei kalibrierten Methoden werden Z- oder kardiovaskuläre Impedanzdaten aus Thermodilution, Lithiumverdünnung oder statistischen Daten gewonnen. Im Gegensatz dazu ist die P.R.A.M.-Methode in der Lage, den Wert der kardiovaskulären Impedanz von Schlag zu Schlag direkt aus der Analyse der arteriellen Wellenform abzuschätzen.

Die Störungstheorie ermöglicht es, Näherungen für die Eigenwerte und Eigenfunktionen eines Systems zu erhalten, indem ein Referenzsystem als Ausgangspunkt genommen wird. Wenn im Bezugssystem geringfügige Abweichungen in den quantifizierten Werten auftreten, wird erwartet, dass ihre Lösungen nicht stark voneinander abweichen. In diesem Fall kann dieser Unterschied als eine kleine Störung des Bezugssystems betrachtet werden.

WIE WIRD MIT DER P.R.A.M.-METHODE DIE KARDIOVASKULÄRE IMPEDANZ ERMITTELT?

Die P.R.A.M.-Methode führt zur Ermittlung der kardiovaskulären Impedanz eine präzise Analyse der arteriellen Druckwelle mit einer Abtastfrequenz von 1.000 Hz durch. Dabei erkennt sie die auftretenden Störungen in der arteriellen Druckwelle, die auf Impedanzänderungen im kardiovaskulären System zurückzuführen sind. Durch die kontinuierliche Analyse dieser Störungen ist das System in der Lage, jegliche Veränderungen in der Morphologie der arteriellen Druckwelle zu erkennen und die Impedanz Schlag für Schlag zu schätzen.

Die P.R.A.M.-Methode ist ein genaues und präzises Verfahren, das eine schnelle Reaktion auf die Messung von Schlag zu Schlag ermöglicht. Es ist unabhängig von der Intervention des Bedieners, da lediglich eine Blutdruckwelle für die Messung benötigt wird. Die Methode ist einfach anzuwenden, misst kontinuierlich und zeichnet sich durch Effizienz aus. Ein besonders beeindruckendes Merkmal ist ihre Universalität, da sie die Analyse der Pulskontur sowohl bei erwachsenen, pädiatrischen als auch neugeborenen Patienten ermöglicht.

Es ist wichtig, stets eine optimale Blutdruckkurve zu gewährleisten, da unsaubere Aufzeichnungen die Genauigkeit der Daten beeinträchtigen können, was zu ungenauen Diagnosen führt.

Ein Aspekt, den Ärzte an der P.R.A.M.-Methode besonders hervorheben, ist ihre Vielseitigkeit, da sie unabhängig von der Patientenart eine präzise Pulskonturanalyse ermöglicht.

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Die P.R.A.M.-Methode ermöglicht eine zuverlässige Überwachung der hämodynamischen Parameter bei erwachsenen, neugeborenen und tierischen Patienten ohne Kalibrierungsbedarf, indem sie die arterielle Impedanz direkt aus der Druckkurve ableitet und somit das Potenzial hat, die herkömmliche Pulskonturanalyse zu revolutionieren.

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