Paehler , Jan: Kontinuierliche Messung des Herzzeitvolumens aus der rechtsventrikulären Druckkurve Validierung einer neuen Methode

Kapitel 3. Material und Methoden


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Die folgenden Tiermodelle waren Teil eines Großprojektes, an dem zahlreiche biologische Parameter auf ihr Verhalten unter den gegebenen Interventionen untersucht wurden. So wurden die Druckparameter des rechten und linken Herzens gemessen ( RAP , RVP , PAP , LVP , AoP ), sowie die Druckanstiegsgeschwindigkeit des rechten und linken Ventrikels ( dP/dt ) abgeleitet.

Darüberhinaus wurde das Herzzeitvolumen über den Fluß in der Pulmonalarterie, die Koronardurchblutung durch die Flußmessung der Koronarien ( LAD , RCX , RCA ) bestimmt.

Das Tierversuchsvorhaben wurde am 21.5.91 von der Regierung Oberbayern (Aktenzeichen 211-2531-66/90) genehmigt.

3.1. Versuchstiere

Die Untersuchungen wurden an 16 männlichen Läuferschweinen mit einem Durchschnittsgewicht von 41,6 kg (26 - 63 kg) durchgeführt. Die Tiere entstammten einem staatlichen Zuchtbetrieb und wurden auf Streßstabilität (Halothan negativ) geprüft. Die Schweine wurden in Gruppenboxen zu maximal drei Tieren gehalten. Die Raumtemperatur betrug 22°C, die Luftfeuchtigkeit zwischen 50 - 80%, im Mittel 60%. Die Beleuchtung wurde von 6 - 18 Uhr eingeschaltet, den Tieren stand eine Wärmeplatte zur Verfügung. Die Fütterung wurde täglich von 7 - 9 Uhr mit pelletiertem Futter (Deuka® gekörnt für Absatzferkel) in einer Menge von 50 g/kg KG pro Tag durchgeführt. Trinkwasser stand den ganzen Tag aus einer Selbsttränke zur Verfügung.

3.2. Anästhesie

Den Schweinen wurde 24 Stunden vor der Operation das Futter entzogen, die Wasseraufnahme war weiterhin gestattet. Zur Prämedikation wurde 30 Minuten vor Operationsbeginn Azaperon (Stresnil) in der Dosierung 2 mg/kg KG i.m. verabreicht. Zur Einleitung der Narkose wurde über eine Ohrvene Ketamin (Ketavet) (1 mg/kg KG ) injiziert. Daraufhin wurde das Schwein in Rückenlage auf dem gewärmten Operationstisch plaziert und die Trachea präpariert. Die Trachea wurde inzidiert und ein Tubus (28-32 Ch) eingelegt. Anschließend wurde mit der maschinellen kontrollierten Beatmung (Siemens Servo 900 C) begonnen, die aus Sauerstoff und Lachgas im Verhältnis von 1:2 und einer FIO2 von 33 % bestand.

Bei Eröffnung des Thorax wurde ein positiv endexpiratorischer Druck ( PEEP ) von 5 cm H20 eingestellt und die Sauerstoffkonzentration auf 50 % erhöht.

Die Ventilation erfolgte mit einem Atemzugvolumen von 15 ml/kg KG bei einer Atemfrequenz von 12/min, was zu einem Atemminutenvolumen von durchschnittlich 6,88 l (4,68 - 11,34 l) führte. Nach einer arteriellen Blutgasanalyse wurde die Beatmung an den Gasaustausch angepaßt.

Die Tiere erhielten eine Neuroleptanalgesie mit Fentanyl und Droperidol (Thalamonal, 0,1-0,5 mg/kg/h), zusätzlich wurde den Beatmungsgasen Ethrane (Enfluran) in einer Dosierung


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von 0,5-2 Vol % beigemischt. Zur Muskelrelaxierung wurde Pancuroniumbromid (Pancuronium Curamed) halbstündig in einer Dosierung von 0,07-0,1 mg/kg KG appliziert.

3.3. Tiermodell zur Variation des Schlagvolumens durch Atmung, Frequenzmodulation und Applikation von Dobutamin

An 8 männlichen Läuferschweinen mit einem Durchschnittsgewicht von 39,9 kg (26-63 kg) wurden Untersuchungen unter verschiedenen Interventionen vorgenommen. So wurden zum einen die Atmungsparameter variiert, zum anderen der Herzrhythmus durch atriale und ventrikuläre Frequenzmodulation verändert, sowie das Schlagvolumen durch Gabe von Dobutamin beeinflußt.

Abb. 3: Versuchsanordnung zur Schlagvolumenvariation durch Atmung, Frequenzmodulation und Applikation von Dobutamin


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3.3.1. Operatives Vorgehen

Nach Narkoseeinleitung wurde in lateraler Thorakotomie ein Ultraschall-Transit-Time-Flowmeter ( Fa. Transonic) um die A. pulmonalis angebracht. Danach wurden auf den rechten Vorhof und den rechten Ventrikel Stimulationsdrähte ( Fa. Ethicon) aufgenäht. Die Anschlußkabel wurden subkutan verlegt.

Nach einer Woche wurde erneut in Allgemeinnarkose rechtsseitig die A. carotis communis und die V. jugularis externa freigelegt und Kathethereinführungsschleusen (8F, Fa. Cordis) eingebracht. Darüber wurden unter Röntgensicht ein Doppeltipmanometer (Sensodyn®, Fa. Braun) über die A. carotis communis in den linken Ventrikel und Aorta, sowie ein weiterer Doppeltipmanometer über die V. jugularis externa in den rechten Vorhof und Ventrikel eingelegt.

Die kardiorespiratorischen Funktionen wurden durch stündliche arterielle Blutgasanalysen, die renale Ausscheidung durch Bilanzierung nach Anlage eines suprapubischen Blasenkatheters kontrolliert.

3.3.2. Versuchsanleitung

Nun wurden in drei Schritten die Beatmungsparameter variiert. Zunächst wurde das Atemminutenvolumen ( AMV ) konstant gehalten und das Atemzugvolumen ( AZV ) in dreiminütigen Abständen auf 75, 150, 50 und 200% des Ausgangswertes verändert. Die Atemfrequenz ( AF ) änderte sich entsprechend gegensinnig.

Daraufhin wurde die Atemfrequenz konstant gehalten und das Atemminutenvolumen ebenfalls im Abstand von drei Minuten auf 75, 150, 50, 200% des Ausgangswertes variiert. Das Atemzugvolumen änderte sich gleichsinnig.

Schließlich wurde bei Verwendung der Ausgangswerte für AF , AZV und AMV Messungen unter Erzeugung eines positiv endexpiratorischen Druckes ( PEEP ) von 5 und 10 cm H2O vorgenommen.

Unter diesen Veränderungen der Respiration wurden nun zusätzliche Interventionen vorgenommen, um das Schlagvolumen zu variieren.

So wurde über die implantierten Stimulationsdrähte die Herzfrequenz verändert. Dies geschah über die beiden Stimulationsmodi:

Atriale Einkammerstimulation (A00)

Ventrikuläre Einkammerstimulation (V00)

Die beiden Stimulationssmodi wurden jeweils bei Frequenzen von 90, 120 und 150/min durchgeführt. Auf jeder Frequenzstufe wurde über drei Minuten stimuliert.

Über Frequenzmodulation wurden durch frühzeitig einfallende Impulse unter Verkürzung der Diastolendauer Extrasystolen induziert. Die Modulationsgrade erstreckten sich jeweils um
± 10, 20, 30 %.

Weiterhin wurden die Schlagvolumina durch Stimulation der beta1-Rezeptoren durch Dobutamin (Dobutrex) in den Dosierungen 5 - 20 µg/kg KG /min angehoben.


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3.4. Tiermodell Ischämie und Reperfusion

Acht Läuferschweine mit einem Durchschnittsgewicht von 43,4 kg (36-54 kg) wurden während einer halbstündigen Koronarischämie und anschließender Reperfusion untersucht.

Abb. 4: Versuchsanordnung zur Schlagvolumenvariation durch Myokardischämie


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3.4.1. Operatives Vorgehen

Nach der Intubation wurden zunächst die Arteria carotis dextra, die Vena jugularis dextra und Vena axillaris dextra freigelegt. In die drei Gefäße wurden Einführungsschleusen (8F, Fa. Cordis) eingenäht und darüber die Druckkatheter eingeführt. Ein Doppel-Tip-Manometer (Sensodyn®, Fa. Braun) wurde über die A. carotis in die Aorta und den linken Ventrikel gelegt, ein weiterer durch die V. jugularis in den rechten Vorhof und den rechten Ventrikel. Durch die Vena axillaris wurde ein Tipmanometer in der Pulmonalarterie plaziert. Entsprechend einer arteriellen Blutgasanalyse, die in der Folge stündlich wiederholt wurde, wurde die Atmung angepaßt.

In die Harnblase wurde ein suprapubischer Katheter eingelegt und fixiert.

Anschließend wurde eine laterale Thorakotomie in Höhe des 4. Interkostalraums durchgeführt. Nach Entfernung der 4. Rippe wurden die Pleurablätter eröffnet und die Lungenanteile zurückgedrängt. Nun wurde die rechte Koronararterie aufgesucht und eine Flowprobe ( Fa. Transonic) angebracht.

Das Ultraschall-Transit-Time-Flowmeter ( Fa. Transonic) wurde um die Arteria pulmonalis drei Zentimeter nach Abgang des Gefäßes aus dem rechten Ventrikel gelegt. Anschließend wurden auch um LAD und RCX Flowprobes gelegt.

3.4.2. Versuchsanleitung

Nach Abschluß der operativen Präparation wurde die linke Koronararterie ( LAD ) unterhalb des Abgangs des ersten Diagonalastes durch eine Klemme okkludiert. Diese Klemme wurde nach der Okklusionszeit von 30 Minuten wieder gelöst und die Reperfusionsphase über einen Zeitraum von 300 Minuten beobachtet. Drei Tiere überlebten diese Periode, die anderen erreichten Reperfusionszeiten zwischen 70 und 250 Minuten. In unseren Auswertungen wurde die beobachtete Reperfusionsphase auf eine Stunde begrenzt.

3.5. Bestimmung und Verarbeitung der Meßwerte

Da die vorliegende Arbeit sich auf die Parameter rechtsventrikulärer Druck ( RVP ) und Flußrate der Arteria pulmonalis konzentrierte, sollen die hierzu eingesetzten Meßsysteme näher beschrieben werden.

3.5.1. Meßsysteme

Zur Messung des Herzzeitvolumens wurde ein Ultraschall-Transit-Time-Flowmeter ( Fa. Transonic) verwendet, das im Gegensatz zu den elektromagnetischen Flowmetern keinen störenden Einflüssen durch die elektrische Stimulation unterworfen ist.

Der linksventrikuläre und der Aortendruck sowie der atriale und ventrikuläre Druck des rechten Herzens wurden mit einem Doppel-Tipmanometer-Katheter (Sensodyn®, Fa. Braun),


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der pulmonalarterielle Druck mit einem Tipmanometer-Katheter (Sensodyn®, Fa. Braun) gemessen.

Wurde dieser Doppel-Tipmanometer-Katheter mit seiner Spitze im rechten Ventrikel ungefähr einen Zentimeter unterhalb der Trikuspidalklappe plaziert, lag der proximale Drucksensor im Vorhof, der distale im Ventrikel des rechten Herzens.

Die Druckmessung erfolgte mit piezoresistiven Sensoren, deren Sensitivität bei 20µV/mmHg lag. Eine ca. 15 µm dünne Membran trennt hier den Meßraum (Blut) vom Referenzraum (Luftkammer). Um diese Membran sind vier Widerstände nach dem Prinzip der Wheatstone-Brücke symmetrisch angeordnet. Druckänderungen des Meßraumes deformieren die Membran. Die proportional dazu auftretende Änderung der Widerstandswerte kann nun gemessen werden. Die Steife der Membran ist dabei so gewählt, daß ein optimaler Kompromiß zwischen Sensitivität und Frequenzantwort gefunden werden kann. Bei einer Abtastfrequenz von 2 kHz und einer Amplitude von1,2 mV können mit diesem Meßverfähren statische und dynamische Druckverläufe im Herzen erfaßt werden.

Die Druckwandlersysteme nach dem Prinzip der Wheatstone-Brücke werden derzeit am häufigsten verwendet, da sie sich durch eine geringe Temperaturabhängigkeit und große Druckempfindlichkeit auszeichnen [ 60 ].

3.5.2. Meßwertverarbeitung

Die Meßwerte wurden in einem computergestützten Meßsystem erfaßt, gespeichert und dann weiterverarbeitet. Die analogen Signale wurden zunächst in eine Analog/Digital-Wandlerkarte gespeist, die diese mit einer Abtastfrequenz von 400 Hz digitalisierte und auf einer Festplatte ablegte.

Hier wurde ein 24-Kanal-A/D-Wandler (Astromed®) eingesetzt, der die Signale automatisch auf einer 2-GigaByte-Festplatte ablegte, in Echtzeit auf einem Monitor darstellte und gleichzeitig auf Endlospapier ausdruckte.

Die Datensätze der einzelnen Versuche wurden auf CD-ROM gespeichert und konnten nun offline mit einer speziell entwickelten Software bearbeitet werden. Dies geschah mit den leistungsfähigsten zur Verfügung stehenden Rechnern (IBM Pentium 133).

Die weitere Signalbearbeitung bestand zunächst in einer automatischen Determinierung der R-Zacken im EKG, die manuell kontrolliert wurde. Anschließend erfolgte eine Datenreduktion, sodaß je Signal pro RR-Intervall nur noch ein Wert (z.B. Frequenz, Maximum, Minimum, Differential, Integral) bestimmt wurde. Diese errechneten Werte (z.B. Schlagvolumen, systolischer Druck, Herzfrequenz) konnten nun graphisch dargestellt und vermessen werden.

3.5.3. Statistische Verfahren

Für die Werte des nach der Ultraschall-Transit-Time bestimmten Schlagvolumens ( SV ) und des nach der Pulskonturmethode bestimmten Schlagvolumens ( SVRVP ) wurde eine lineare Regression durchgeführt, in der jeweils die Regressionsgerade, der Standardfehler ( SE ), der Korrelationskoeffizient ( R ) und das Signifikanzniveau ( p ) errechnet wurde.

Alle Berechnungen wurden mit dem Statistikprogramm SigmaPlot 4.0 (SPSS, Inc.) durchgeführt.


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Thu May 25 17:49:08 2000