BME 251
advertisement
BME 251 KAN AKIŞ VE HACMİNİN ÖLÇÜLMESİ KAN AKIŞ VE HACMİNİN ÖLÇÜLMESİ • Bir hekimin hastada yapılmasını arzu ettiği temel ölçümlerden birisi, hücrelerdeki oksijen ve besin maddeleri yoğunluklarının belirlenmesidir. • Bu ölçümleri yapmak çok zor olduğundan doktorlar, çoğu kez, besin maddeleri yoğunlukları ile ilişkili ikinci sınıf bir ölçüm olan kan akışı ve kan hacmi değişimi ölçümleri ile yetinirler. • Bu ölçümlerin de zor olması durumunda üçüncü sınıf bir ölçüm olan ve kan akışı ile doğrudan ilgisi bulunan kan basıncının ölçümü ile yetinilir. • Kan basıncı ölçümünün de yapılamadığı durumlarda kan basıncı ile orantılı dördüncü sınıf bir ölçüm olan EKG ve kalp vuru hızı ölçümü ile yetinilmektedir. KAN AKIŞ VE HACMİNİN ÖLÇÜLMESİ • Oksijen, enerji üretiminin ana elemanlarından birisidir ve hücrelerdeki oksijen yoğunluğu ile net oksijen alımı arasında yakın bir ilişki vardır. • Net oksijen alımı, solunumda alınan ve atılan gazlardaki oksijen yoğunluklarının ölçümü ile yapılır. • Bu işi yapan düzene solunummetre denir. • Solunummetre, yüz maskesi, burun kıskacı ve solunumda dışarıya atılan havanın toplanması için kullanılan bir torbadan oluşur, ölçüm sonunda, torbadaki gazın analizi yapılarak solunan hava hacmi ve oksijen miktarı hesaplanır. KAN AKIŞ VE HACMİNİN ÖLÇÜLMESİ • Kalbin bir tarafından, bir dakikada, atar damarlara pompalanan kan miktarına kalp debisi ("cardiac output", CO) denir. Kalp debisinin değeri yetişkinlerde 3-5 Litre/dakikadır. CO, kalp debisi, CO = SV.R – SV, kalbin bir vuruda arterlere verdiği kanın hacmi (stroke volume) ve R ise kalbin dakikadaki vuru sayısıdır. KAN AKIŞ VE HACMİNİN ÖLÇÜLMESİ • Kalb debisinin ve bazı organlara giden kanın ölçülmesinde genellikle, – a) İndikatör seyreltme yöntemi – b) Elektromanyetik yöntem – c) Ultrasonik yöntem – d) Empedans pletismografisi yöntemi kullanılır. KAN AKIŞ DİNAMİĞİ (HEMODİNAMİK) • Damarlar içerisindeki kan akışı laminer bir akış olarak kabul edilebilir. Laminer akışta damar çeperlerine temas eden bölgedeki kan akış hızı sıfır, ortada ise maksimumdur. Şekilde, damar içerisindeki laminer akışın hız profili gösterilmiştir. Bu profil, parabol şeklindedir. • Bir damarın içerisinden bir saniyede geçen kan hacmi (Q), bahis konusu damar parçasının her iki uç noktalarındaki basınçların farkı ve damar direnci, R tarafından belirlenir. • Q = (P2 - P1) / R KAN AKIŞ DİNAMİĞİ (HEMODİNAMİK) • Mekanik Büyüklükler • ElektrikselBüyüklükler • Q, Akış miktarı • P, Basınç • R, Direnç • I, Akım • V, Gerilim • R, Direnç KAN AKIŞ DİNAMİĞİ (HEMODİNAMİK) • Kan akımı, dolaşımın belirli bir noktasından, belirli bir zamanda geçen kan miktarıdır. • Genellikle dakikada mililitre veya litre olarak ifade edilir. • Kan akışına karşı damarın gösterdiği R direncinin boyutu 1 R = 1 mmHg/cm3/s • olur. Burada kan basıncı, P, milimetre civa sütunu (mmHg) olarak ifade edilmektedir. KAN AKIŞ DİNAMİĞİ (HEMODİNAMİK) • İstirahat halinde bir kimsede dolaşım sisteminde kan akış miktarı Q=100ml/s kadardır. • Sistemik arterlerle sistemik venler arasındaki basınç farkı 100 mmHg kadardır. • Tüm sistemik dolaşımdaki dirence toplam periferik direnç adı verilir ve değeri yukarda belirtilen değerler için 1 PRU (Periferik Direnç Birimi) dur. • Bu değer kan damarlarının son derece gevşemiş durumunda 0.25 PRU'ya kadar düşer, kasılma halinde ise 4 PRU'ya kadar çıkar. • İstirahat halinde 0.09 PRU, hastalık durumunda ise 1 PRU kadar olabilir. • Ağır çalışma durumunda bu değer 0.03 PRU kadar olabilmektedir. KAN DOLAŞIM SİSTEMİ KAN AKIŞ DİNAMİĞİ (HEMODİNAMİK) • Damarların kan akışına karşı gösterdikleri direncin tersi iletkenlik, (G) olarak isimlendirilir. • Dirençleri (iletkenlikleri) farklı damarların seri veya paralel bağlanmaları halinde elde edilen sistemin direnç veya iletkenliği, aynı elektriksel devrelerde olduğu gibi hesaplanır. • İletkenlik r, damar çapının dördüncü kuvvetiyle orantılıdır » G ∞ r4 • Damar içersinde akan kanın ortalama hızını, V ve damar boyunca basınç düşümünü ΔP ile gösterirsek • Burada η, viskoziteyi gösterir. L ise damarın uzunluğudur. KAN AKIŞ DİNAMİĞİ (HEMODİNAMİK) • Kalbin vura hızının kontrolü: İstirahat halinde, normal bir insanda, kalbin bir dakikada 5 litre kadar kan pompalamasına karşın, eksersiz durumunda bu miktar 5-6 kat artabilir. • Kalp bu değişik yük koşullarına iki kontrol mekanizması yardımıyla uyum sağlar. – a) Kalbin otoregülasyonu: Kalp, toplardamarlardan gelen kan otomatik olarak arterlere pompalar. – b) Otonom sinirler yardımıyla kalp atım hızı kontrol edilir. SÜREKLİ ENJEKSİYON İNDİKATÖR SEYRELTME YÖNTEMİ SÜREKLİ ENJEKSİYON İNDİKATÖR SEYRELTME YÖNTEMİ • mo, miktarında bir indikatör, V hacmindeki bir sıvıya ilave edilirse C, konsantrasyon, » C = mo / V • bağıntısıyla hesaplanır. Şekilde, sıvının açık ve kapalı çevrimlerde dolaşmasıdurumunda ve indikatör maddesinin sürekli ve darbesel enjekte edilmesi durumunda konsantrasyonun zamana göre değişimi verilmiştir. • Eğer m miktarında indikatör maddesi bu ortama ilave edilirse, ΔC, konstrasyonda değişme, » ΔC = m / V • bağıntısıyla hesaplanır SÜREKLİ ENJEKSİYON İNDİKATÖR SEYRELTME YÖNTEMİ • Fick Yöntemi: Akışı veren bağıntıdan yararlanarak kalpten çıkan kan miktarı (kalp çıkışı), aşağıdaki bağıntı yardımıyla hesaplanabilir. Burada; – – – – F : Kan akışı, litre/dak. dm/dt : Tüketilen O2 litre/dak. Ca : Arter O2 konsantrasyonu litre/dak. Cv : Ven O2 konsantrasyonu litre/dak. • Bu yöntemde indikatör maddesi olarak zaten ortamda bulunan O2 alınmıştır. • İndikatör maddesinin miktarı bir spirometre ile ölçülür. Ca ve Cv ise sırasıyla arter ve sağ atriyumda kateter yardımıyla ölçülür. SÜREKLİ ENJEKSİYON İNDİKATÖR SEYRELTME YÖNTEMİ ELEKTROMAGNETİK YÖNTEM • Çapı 1 mm. veya daha büyük damarlardaki kan akışı elektromagnetik yöntemle ölçülebilir. Bu işlem için Şekilde görüldüğü gibi bir ameliyatla damara ulaşılması gerekmektedir. • Kan, B magnetik akı yoğunluğuna dik doğrultuda akmaktadır. Damar çeperine yerleştirilen iki elektrod yardımıyla U, gerilimi algılanır. V, ortalama kan akış hızı, • 10 -2 Tesla değerindeki magnetik akı yoğunluğunda, 10uV mertebesinde gerilim ölçülmektedir. ULTRASONİK YÖNTEM • Damar içerisindeki kan akışının ölçülmesinde iki farklı yöntem kullanılır. Birinci yöntem, kan içerisinde ters yönlerde propagasyon yapan ultrasonik dalganın, belirli bir mesafeyi alma süreleri arasındaki farkın ölçülmesi prensibine (Geçiş Zamanı Farkı prensibine) dayanmaktadır. • Önce A kristali verici, B kristali alıcı olarak çalışsın. Sonra B kristali verici, A ise alıcı olarak çalışsın. D mesafesini kateden dalganın bu aralığı geçiş süreleri arasındaki ΔT zaman farkı ölçülsün V ortalama kan akış hızı, c, kan içerisinde ultrasonik dalganın hızıdır ULTRASONİK YÖNTEM II • Şekilde kandan saçılan ultrasonik dalgada oluşan Doppler kaymasının ölçülmesi prensibine dayanan ikinci yöntem (Doppler Yöntemi) görülmektedir. • A dönüştürücüsü verici, B ise kan içerisinde kan ile birlikte hareket eden kırmızı kan hücrelerinden saçınan ultrasonik dalgayı algılayan alıcı kristal olarak çalışmaktadır. • Gönderilen ve yansıyan ultrasonik dalga frekanstan arasında Δf Doppler frekans kayması, bağıntısıyla hesaplanır. LASER DOPPLER KAN AKIŞ ÖLÇERİ • Bir laser ışını incelenen bir doku üzerine gönderildiğinde soğrulma ve saçınma meydana gelir. • Kırmızı hücreler gibi hareketli parçacıklardan saçınan ışının frekansı, Doppler olayı nedeniyle kayar. • Hareketsiz yumuşak dokudan saçınan ışının ise frekansı değişmez. • Saçınan toplam radyasyon bir fotodetektör üzerine düşürülür. • Efektif radyasyon penetrasyon derinliği yumuşak dokularda liran kadar olup saçınma ve soğrulma etkisi papilla ve altındaki corium tabakalarda oluşur (deri kılcal damarları bu tabakadadır). LASER DOPPLER KAN AKIŞ ÖLÇERİ • Bu amaçla geliştirilmiş sistemlerde ışık, düşük güçlü bir He-Ne laseri ile sağlanır. • Bu ışık, bir quartz optik fiberi yardımıyla deri üzerine gönderilir: Saçınan ışık (hareketli ve hareketsiz hedeflerden yansıyan) fotodiyotta karıştırılır. • Doppler frekans kaymalı çıkış işareti kuvvetlendirilir, hem DC ve hem de RMS değerleri hesaplanır, ölçülen DC değer toplam algılanan gücün bir endeksi olacak şekilde, geriye saçınan ışık şiddetine karşı ağırlaştırılır. • Çıkış, akış hızını verir. LASER DOPPLER KAN AKIŞ ÖLÇERİ • He-Ne laseri 632.8 nm. dalga boyunda bir ışın yayınlar. • Bu ışın, bir mercek ve fiber optik bağlantı üzerinden deri üzerine düşürtülür. • Alıcı taraftaki fiber optik bağlantı yardımıyla algılanan saçınmış ışın, akım-gerilim bağıntısı karesel olan fotodiyot (üzerine düşen ışığın şiddetiyle orantılı olarak iletkenliği değişen diyot) üzerine düşürülür. • Fotodiyot çıkışı, üzerine düşen ışının şiddeti ve dolayısıyla frekansı kaymış ve kaymamış işaretlerin girişimiyle oluşan işaretlerdeki vuru frekanslanyla orantılıdır. • Çıkış işareti kuvvetlendirilir. Sistem çıkışı, toplam işaretin RMS değeri, ışının olmaması durumundaki gürültüden ayrılarak ("dark current") ve toplam yansıyan ışına göre normalize edilerek elde edilir. • RMS dönüşümünden önce bir ses frekanslı çıkış, akışı duyabilmek amacıyla kullanılır. LASER DOPPLER KAN AKIŞ ÖLÇERİ • Bu düzen, akışın ölçüldüğü kılcal damarın kesiti ve ışının damarla yaptığı açının bilinememesi nedeniyle gerçek kan akışını değil, kırmızı kan hücrelerinin ortalama hızını ölçer. • Non-invasive bir yöntemdir. Seçiciliğinin düşük olması, taban hattındaki kararsızlık ve ölçüm noktasındaki sınırlandırmalar, klinik kullanımını sınırlamaktadır. EMPEDANS PLETİSMOGRAFİSİ • Dokulara gelen kan akışının darbesel özellikte olması ve bazı dokuların nefes alıp verme esnasında içerilerindeki hava miktarının değişmesi gibi nedenlerle canlı dokuların elektriksel empedansları, zamanın fonksiyonu olarak değişir. • Bu değişim organın uygun yerlerine elektrodlar bağlanarak, bilinen klasik empedans ölçme yöntemleriyle ölçülebilir. • Böyle bir ölçüm sonucu elde edilen eğriler Empedans Pletsimogramı olarak isimlendirilir. • Çok çeşitli uygulama alanı olan bir yöntemdir. Örneğin her iki bacağa uygun şekilde yerleştirilen elektrodlar yardımıyla ölçülen empedansı değerlendirilmesiyle, bacakların bir tanesini besleyen arterde tıkanıklık olup olmadığı veya tıkanıklığın her iki damarı besleyen arter üzerinde olup olmadığı bulunabilir, ölçüm sonuçları çok hassas olmayıp, sorunla ilgili kaba bir değerlendirme yapma imkanı verir. EMPEDANS PLETİSMOGRAFİSİ • Bu modelde üzerinde ölçüm yapılan uzuv, silindir şeklinde düşünülmektedir. • Bağıntıların çıkarılmasında üç kabul yapılmaktadır. Uzuv, uzunluğu L ve kesit alanı A olan bir silindir olarak dikkate alınmaktadır. Her kalp vuruşunda, kesit, ΔA ve Z empedansı da seri eşdeğer durumunda ΔZ, paralel eşdeğer durumunda ise Zb kadar değişmektedir. EMPEDANS PLETİSMOGRAFİSİ EMPEDANS PLETİSMOGRAFİSİ • Şekilde sabit akım kaynağı ile beslenen, dört elektrodlu bir empedans pletismograf ölçüm düzeni görülmektedir. • Ölçülecek empedansındeğerinden bağımsız olarak, bu empedans üzerinden sabit bir akım akar. • Pratikte, kablo ve kaçak kapasiteler nedeniyle paralel bir Zi empedansı oluşur. • f=100 KHz ve 15 pF için bu empedans 100 Kohm olur ve i akımının bir kısmı Zi üzerinden akar. • Uygulamada Z1, ΔZ ve Z4'ün küçük olması ve iyi bir tasarımda Zi'nin yeteri kadar büyük tutulabilmesi nedeniyle bu durum, önemli bir sorun oluşturmaz. • Ayrıca Z, ve Zi'nin aralarındaki faz açısının 90°'ye yakın olması, sorunu daha da önemsiz yapar. EMPEDANS PLETİSMOGRAFİSİ • ΔZ'in ölçülmesi, aşağıda belirtilen nedenlerle 100 KHz mertebesindeki frekanslarda yapılır. • 1. Ölçüm düzeninde, işaret gürültü oranının yüksek olabilmesi için 1 mA'den büyük akımlar kullanılması gereklidir. Alçak frekanslar kullanılması durumunda, bu değerdeki akım hasta üzerinde rahatsız edici bir etki yapmaktadır. • 2. Frekansın artmasıyla deri-elektrod empedansı önemli ölçüde azalır. 100 KHz mertebesindeki frekansların kullanılmasıyla, derielektrod empedansı iş ve hastanın hareketi sonucu bu empedansta oluşabilecek değişimler azalmış olacaktır. • Frekansın 100 KHz'in çok üzerinde tutulması ise ölçüm düzenindeki kaçak kapasitelerin etkili olmaları nedeniyle istenmez. Fotoelektrik Pletismografisi • Işık, kılcal damarların bulunduğu bir uzuvdan geçebilir. • Kalbin her bir vurusunda bu damarlardaki kanın hacmi değişir. • Böylece, ortamın ışığı geçirgenliği, refleksiyonu ve ışığın uğradığı saçınım değişir. • Işığın, uğradığı değişikliğin detekte edilmesi prensibine dayanan bu yöntem basittir ve kan hacmini kabaca belirler. Şekilde bir fotopletismograf düzeni gösterilmiştir Fotoelektrik Pletismografisi • • • • Şekildeki devrede ışık kaynağı bir LED, dedektör ise bir fotodirençtir. I, sabit akımı, fotodirenci beslemektedir. Fotodirenç, ışık yoğunluğundaki değişimle orantılı bir değişim gösterir. Fotodirenç üzerinden akan akım sabit olduğundan, çıkış gerilimi, Eo değişir. Arterlerde kanın darbesel akışı, parmaktaki kanın hacmini değiştirir. • Böylece arterial vuru, kandan geçen ışığın yoğunluğunu modüle eder. • Bu yöntem, yalnızca kalp vuru hızını saptamada, parmakta kan akışının varlığı ile kaba bir bilgi edilmesi amacıyla kullanılmaktadır.
