Klinische Anwendung extracorporaler Membran-Oxygenisierung
(ECMO) beim Neugeborenen mit respiratorischer Insuffizienz
D. Arnold, W. Kachel, W. Rettwitz, P. Lasch, W. Brands………………… 129
Buchbesprechung…………………………………………………………………………..134
Biokompatibilitätsstudie von Oxygenatoren mit
hochempfindlichen, hämostasiologischen Parametern
W. Heller……………………………………………………………………………………………136
Die transkranielle Doppler-Sonographie
A. Thiel……………………………………………………………………………………………..142
Pressemitteilungen……………………………………………………………………….. 146
104
Referat
Aus der Klinik für Herz- und Gefäßchirurgie, Deutsches Herzzentrum München
(Direktor: Prof. Dr. F. Sebening)
Blutdruckmessung mit Einweg-Sensoren:
Kriterien für den Entwurf von Meßsystemen
N. Mendler, B. Wiederholt, G. Feil
Summary
l r
l
The use of disposable transducers for blood pressure monitoring becomes increasingly popular. To evaluate the performance to be
exspected from these devices, 7 disposable sensors of different origin were physically characterized as compared to transducers of
conventional design. Static testing revealed higher compliance for the disposables but well standardized electrical sensitivity and
excellent linearity. Dynamic testing was performed by forced sine-wave oscillations (100 + 20 mmHg, 1—90 Hz) from a pressure
generator on 252 complete monitoring sets of various configurations. Damped resonant frequencies and damping coefficients
were determined. The influence of monitoring line length as well as compliance and internal diameter on dynamic response cha
racteristics were demonstrated and design criteria for monitoring lines were derived. It is concluded that careful adjustments will
result in satisfactory pressure transfer properties of monitoring lines with disposable transducers.
Herzchirurgische Eingriffe stellen besondere Ansprüche
an die Überwachung der Hämodynamik des Patienten
während der Operation und auf der Intensivstation. Eine
zentrale Stellung besitzt dabei die fortlaufende intravasa
le Messung des arteriellen und zentralvenösen Blut
drucks, die in vielen Fällen durch die direkte Druckmes
sung im linken Vorhof oder die Bestimmung des pulmo
nal-kapillären Verschlußdrucks ergänzt werden muß (4,
8). Der gleichzeitige Betrieb von vier intravasalen Druck
meßsystemen ist daher keine Seltenheit. Aufbau, Kon
trolle und Pflege von Sensoren und Leitungen verlangen
Sorgfalt und Erfahrung und sind arbeits- und kostenin
tensiv. Mit zunehmender Tendenz kommen daher fertige
Sets zur Druckmessung zum Einsatz, bei denen auch der
Wandler selbst als Wegwerfartikel ausgeführt ist. Es soll
te daher geprüft werden, wie sich die meßtechnische
Qualität dieser Einmalprodukte mit der herkömmlicher
Sensoren vergleicht. Darüber hinaus war darzustellen,
wie sich die Konfiguration der druckübertragenden Lei
tung auf das Meßverhalten auswirkt, um dem Anwender
Hinweise für den Entwurf von Sets zu geben, die seine
spezifischen Anforderungen erfüllen.
Statische Druckprüfung
Zum Zeitpunkt der Untersuchung waren 7 Einweg-
Druckwandler verfügbar, die vergleichend gegenüber 6
herkömmlichen Sensoren untersucht wurden (Tab. 1).
Zunächst wurde die statische Volumendehnbarkeit
(Compliance) aller Wandler bestimmt. Dazu wurde di
rekt am allseits verschlossenen Druckdom mit einer Mi
kropipette das Volumen gemessen, das bei einem Druck
von 100 mmHg zur Auslenkung der Membran erforder
lich ist. Im Vergleich zu herkömmlichen wiederverwend
baren Wandlern erwiesen sich die Einweg-Sensoren in
der Mehrzahl als deutlich nachgiebiger (Abb. 1). Wie
später gezeigt wird, beeinträchtigt diese hohe Complian
ce das dynamische Übertragungsverhalten und erfordert
Konventionelle Bauart
Einweg-Sensoren
Statham P 23 Gb
Abbott Transpac II
Gould P 23 Id
Braun Combitrans
Gould P 23 XL
Cobe
Gould P 10 EZ-1
Edwards Trantec
Gould P 50
Gould DTX/plus
Trantec Mk 800
Peter von Berg
Medex SX 8024 R-DPT
Tabelle I: Untersuchte Blutdruck-Sensoren
wiederverwendbar
einweg
Abbildung 1: Volumendehnbarkeit (Compliance) in p.1/100
mmHg für 6 wiederverwendbare und 7 Einmal-Drucksensoren.
deshalb besondere Sorgfalt bei der Zusammenstellung
der weiteren Komponenten des Meßsystems.
Die Messung des Eingangswiderstandes ergab für 11 der
13 untersuchten Sensoren Werte von 260—390 Ohm.
Damit ist eine problemlose Anpassung (automatischer
Nullabgleich) an die meisten handelsüblichen Monitore
gewährleistet.
Sodann wurden elektrische Empfindlichkeit, Linearität
und Hysterese bestimmt. In Vorversuchen hatte sich ge
zeigt, daß klinikübliche Monitore hierzu nicht geeignet
sind, da ihr Linearitätsfehler von Verstärkung und An
zeige größer ist als die Abweichungen im Nutzsignal der
geprüften Wandler. Daher wurde zur Speisung mit 10 V
Kardiotechnik 11. Jahrgang/Heft 3/1988
Referat
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Abbildung 2: Prozentuale Abweichung vom Sollwert der elektri
schen Empfindlichkeit (5 uV/V/mmHg) für 6 wiederverwend
bare und 7 Einweg-Druckwandler verschiedener Hersteller.
Prüfdrucke erzeugt durch Wassermanometer. Eingegrenzt ist
der Bereich von ± 1 % vom Meßwert.
Abbildung 3: Linearitätsverhalten derselben Druckwandler wie
Abb. 1 nach Kalibration gegen einen physikalischen Standard
(100 mmHg). Eingegrenzt ist der Bereich von ± 1 % vom Meß
wert.
eine Konstantspannungsquelle (Tektronix PS 503A) und
zur direkten Messung des Nutzsignals ein Mikrovoltme
ter (Philipps PM 2421) verwendet.
Die Ablesung bei 20° C erfolgte wegen der besseren Auf
lösung gegen ein Wassermanometer von 272 cm Höhe
entsprechend 200 mmHg. Nach internationaler Überein
kunft soll unter diesen Bedingungen das Nutzsignal 50
pV/mmHg betragen. Die Abb. 2 zeigt die Meßwerte für
die untersuchten Wandler als prozentuale Abweichung
von diesem Sollwert. Bei 100 und 150 mmHg lag der
Fehler für die herkömmlichen Sensoren immer unter 1 %,
während 2 der 7 Einwegwandler ein maximal 2°/o zu nie
driges Nutzsignal abgaben. Für die Praxis bedeutet die
ses Ergebnis, daß die Mehrzahl der Sensoren direkt aus
der Verpackung entnommen und angeschlossen werden
können, sofern ein Fehler dieser Größe akzeptiert wird
und die Verstärkung aller Monitore einer Abteilung prä
zise auf die Norm eingestellt ist. Eine Verbesserung der
Genauigkeit und größere Sicherheit ergibt sich naturge
mäß durch Abgleich gegen einen physikalischen Druck
standard von 100 mmHg. Dadurch wird der Fehler bei
diesem Druck eliminiert (Abb. 3). Es darf dann im Be
reich von 0 bis 150 mmHg mit weit unter 1% Abwei
chung von der Linearität für alle Wandler gerechnet wer
den. Lediglich bei 200 mmHg überschätzen alle geprüf
ten Sensoren systematisch den aufgegebenen Prüfdruck,
wobei jedoch nur 4 der 13 Transducer einen Fehler über
1 % aufwiesen. Eine Hysterese, also unterschiedliche
Meßwerte unter auf- und absteigendem Druck, war im
Bereich der Prüfgenauigkeit von 0,2% niemals festzustel
len. Über diesem vorzüglichen Ergebnis sollte nicht ver
gessen werden, daß sich in der Praxis im abgelesenen
Druck die Fehler von Wandler, Verstärkung und Anzei
ge addieren können und Temperatureffekte in dieser
Üntersuchung unberücksichtigt bleiben.
Dynamisches Übertragungsverhalten
Die naturgetreue Wiedergabe eines intravasalen Druck
pulses setzt neben einer korrekten statischen Kalibrie
rung voraus, daß alle formbestimmenden Merkmale des
Signals unverzerrt, also in „high fidelity“ auf dem Moni
tor oder dem Registriergerät abgebildet werden (1, 2).
Nur dann sind markante Punkte wie systolischer und
diastolischer Druck bestimmbar und eine pathophysiolo-
gische Interpretation, etwa von Anstiegssteilheit und
Klappenschluß, ist möglich. Theoretisch wird dazu ge
fordert, daß dynamische Signalinhalte bis zum Achtfa
chen der Grundfrequenz naturgetreu übertragen werden
(6, 7). Für Herzschlagfolgen bis zu 3 Hz (180/min.)
müssen also „Feinheiten“ der Druckkurve mit Frequen
zen bis 24 Hz unverfälscht zur Darstellung kommen. In
der Praxis ist dieses Ziel nicht leicht zu erreichen:
Der komplexe Aufbau eines Druckmeßsystems aus Ka
nüle, Verlängerungsleitungen, Dreiwegehähnen, Spülsy
stem, Druckdom und Wandler beeinträchtigt seine physi
kalischen Übertragungseigenschaften, und jeder der Bau
steine leistet dazu einen unterschiedlichen Beitrag. Das
Resultat ist häufig eine verzerrte Druckkurve, wofür
Abb. 4 ein Beispiel gibt.
Eine Optimierung der Druckmessung gelingt nur, wenn
die gesamte Meßanordnung physikalisch charakterisiert
und die relative Wirkung der einzelnen Komponenten
analysiert wird (6).
Allgemein gilt, daß die flüssigkeitsgefüllte Leitung zwi
schen Blutgefäß und der Membran des Sensors ein
Kardiotechnik 11. Jahrgang/Heft 3/1988
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Referat
180 |-
mmHg
180 r-
mmHg
Abbildung 4: Verlauf des Blutdrucks in der A. radialis (oben)
und verzerrte Wiedergabe durch ein Monitoring-System (unten)
mit mangelhaften Übertragungseigenschaften (Fr = 13 Hz,
d = 0,2).
Abbildung 5: Überhöhung der Druckamplitude (A/Ao) durch
ein Meßsystem mit einer ungedämpften Resonanzfrequenz von
16 Hz in Abhängigkeit von den Frequenzanteilen des Signals bis
20 Hz. Im Bereich des 8fachen der Grundfrequenz 1-2 Hz tre
ten starke Überhöhungen des Signals auf. Durch Einführung
zunehmender Dämpfung verringert sich die Resonanzfrequenz
(Punkte), jedoch wird der Fehler bis zur optimalen Bedämpfung
(d = 0,64) immer kleiner.
schwingungsfähiges hydraulisches System bildet. Im un
günstigen Fall wird dieses durch den Druckpuls zu Ei
genschwingungen angeregt, die sich dem ursprünglichen
Signal überlagern und die Verformung hervorrufen (1,
7). Besonders ausgeprägt wird diese Erscheinung, wenn
die Eigen- oder Resonanzfrequenz des Meßsystems in
einem Bereich liegt, in dem auch das Signal ausgeprägte
Frequenzanteile besitzt, also unterhalb 20 Hz.
In seiner Eigenfrequenz schwingt ein Körper bei einmali
ger Anregung: Ein leeres Weinglas tönt beim Anschlägen
mit einem charakteristischen Klang. Ein stimmgewaltiger
Sänger kann das Glas durch Ansingen in eben dieser
Tonhöhe zu so heftigen Resonanzschwingungen anre
gen, daß es zerplatzt (Caruso-Matzerath-Effekt [3, 5]).
Das gefüllte Glas tönt dagegen tiefer, der Klang verebbt
schneller und ein Versuch des Sängers bliebe bei aller
Anstrengung erfolglos, da die Eigenschwingungen nun
durch die Füllung gedämpft werden. Der prinzipielle Zu
sammenhang zwischen Schwingungsamplitude, Anre
gungsfrequenz und Dämpfung ist in Abb. 5 am Beispiel
eines Druckmeßsystems der Eigenfrequenz 16 Hz darge
stellt. Zunehmende Dämpfung reduziert wirkungsvoll
die auftretenden Signalüberhöhungen, und obwohl die
Resonanzfrequenz dabei abnimmt, verbessert sich das
Übertragungsverhalten bis zum theoretisch optimalen
Dämpfungsfaktor von 0,64. Jede reale Meßanordnung
kann daher durch die Bestimmung von Resonanzfre
quenz und Dämpfungsfaktor physikalisch charakterisiert
werden und die Auswirkung konstruktiver Änderungen
der einzelnen Komponenten lassen sich so objektiv erfas
sen.
Generator Referenz
Abbildung 6: Versuchsanordnung zur dynamischen Prüfung
von Druckmeßsystemen.
Sinus
i___________ i___________ i___________ i
1
30
60
90 Hz
Eigenschaften realer Meßsysteme
Die dazu benützte Meßanordnung ist in Abb. 6 darge
stellt. In einer flüssigkeitsgefüllten Druckkammer, die
den Intravasalraum simuliert, werden durch einen elek
tromechanischen Generator (Modell 601A, Bio-Tek In
struments, Winooski, USA) Druckpulse definierter Am
plitude, Frequenz und Kurvenform erzeugt (Sinus,
Rechteck, physiologische Pulse). Über einen direkt ange
schlossenen Aufnehmer wird das Referenzsignal gewon
nen und registriert. Gleichzeitig erfolgt die Aufzeich
nung der Druckübertragung durch das jeweils zu prüfen
de System, mit dessen Kanüle die Druckkammer durch
ein Septum punktiert wird. Alle Leitungen waren vor der
Füllung mit frisch abgekochtem destilliertem Wasser mit
CO2 gespült, um Blasenfreiheit zu gewährleisten. Die Sy
steme wurden mit einem sinusförmigen Druck von 100
± 20 mmHg beaufschlagt, wobei die Frequenz jeweils
stetig von 1 bis 90 Hz gesteigert wurde. Die Resonanz
frequenz (Fr) wurde aus der Lage der maximalen Ampli
tude (Amax) abgelesen, der Dämpfungsfaktor errechnete
sich (7) aus dem Verhältnis der maximalen zur Referenz
amplitude (A/Ao). Als typische Beispiele sind in Abb. 7
die Antwortkurven für ein sehr gutes, ein befriedigendes
und ein mangelhaftes Übertragungsverhalten der Refe
renzkurve gegenübergestellt. Ebenfalls gezeigt sind die
Antworten dieser Systeme auf einen rechteckigen Druck
sprung. Daraus lassen sich Resonanzfrequenz und
Dämpfung ebenfalls einfach ermitteln (1, 6). Während
des Einsatzes der Druckmessung am Patienten kann
durch plötzliches Unterbrechen der Schnellspülung
(snap) mit manchen Spülsystemen der Druckkurve ein
Rechteckimpuls überlagert werden, wodurch das Über
tragungsverhalten qualitativ überprüft werden kann
(2,7).
Kardiotechnik 11. Jahrgang/Heft 3/1988
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108
Referat
Resonanzverhalten von Drucksystemen
Fr > 100 Hz
Amax = 1.0
Aus dem gleichen Grund sollten kommerziell angebotene
mechanische Dämpfungsgleider (Resonance Overshoot
Eliminator) nicht unkritisch eingesetzt werden. Es muß
in jedem Fall zuvor durch Messung ermittelt werden, ob
das betreffende System sie überhaupt benötigt, und an
welchen Ort es nach dem Einbau im Diagramm der Abb.
8 rückt.
Fr = 43 Hz
Amax = 2.5
Fr = 30 Hz
Amax = 3.3
1
30
60 Hz
Fr = 17 Hz
Amax = 4.2
Abbildung 7: Beispiele von Frequenzgang der Amplitude und
Antwort auf einen rechteckigen Drucksprung für das Referenz
system (oben) sowie klinische Meßsysteme mit guten, befriedi
genden und mangelhaften Übertragungseigenschaften.
Abbildung 8: Resonanzfrequenz und Dämpfungsfaktor (d) für
252 Druckmeßsysteme unterschiedlicher Konfiguration. Einge
grenzt ist der zulässige Bereich nach Gardner (2).
Frequenzgang und Dämpfung
Durch die Kombination der zu prüfenden Systeme mit
unterschiedlichen Leitungen wurden 252 Einzelsysteme
hergestellt und vermessen. Untersucht wurden der Ein
fluß von Länge, Querschnitt und Dehnbarkeit der Lei
tung und der Punktionskanüle. Die Ergebnisse aller Ein
zelmessungen sind in Abb. 8 zusammengefaßt, wobei der
Dämpfungsfaktor gegen die Resonanzfrequenz aufgetra
gen ist. Aus der theoretischen Forderung, daß der Dämp
fungsfaktor um so höher sein soll, je niedriger die Eigen
frequenz des Systems ist, wurde von Gardner (2) in die
sem Diagramm ein Bereich definiert, innerhalb dessen
befriedigendes Übertragungsverhalten erwartet werden
kann. M