Choroby układu krążenia zajmują pierwsze miejsce w statystykach dotyczących zachorowalności i stanowią główną przyczynę zgonów. Aby móc je skutecznie rozpoznawać i leczyć, potrzebne są nowoczesne narzędzia diagnostyczne, umożliwiające ocenę parametrów hemodynamicznych układu krążenia. Istnieje wiele metod oceny funkcji układu krążenia, a najprościej można podzielić je ze względu na stopień agresywności na: metody inwazyjne, mniej inwazyjne (o ograniczonej inwazyjności) i nieinwazyjne. Do metod inwazyjnych związanych z koniecznością cewnikowania prawego lub lewego serca zaliczamy: bezpośrednią metodę Ficka, pośrednią metodę Ficka, metodę rozcieńczeń barwnika, metodę termodilucji (PATD, PAC-CO), metodę ciągłego pomiaru rzutu serca (PAC-CCO) czy wentrykulografię. Do metod mniej inwazyjnych zaliczamy te oparte na analizie fali tętna (PWA): analizę konturu fali tętna (ang. pulse contour analysis – PICCO), analizę mocy fali tętna (ang. pulse power analysis – LIDCO) i algorytm APCO (Vigileo). Ostatnia grupa to metody nieinwazyjne, a wśród nich: rezonans magnetyczny, echokardiografia, fotoakustyczna ocena gazów oddechowych, elektryczna bioimpedancja klatki piersiowej (TEB) czy kardiometria elektryczna (ang. electrical velocimetry – EV). Każda z tych metod ma swoje zalety i wady. Metody inwazyjne są czasochłonne, skomplikowane, kosztowne, obarczone ryzykiem zakażenia i wymagają przeszkolonego personelu, a wyniki nie zawsze są powtarzalne. Niestety również wśród metod nieinwazyjnych nie ma jednej idealnej. Nawet stosunkowo tania echokardiografia wymaga dużego doświadczenia od osoby wykonującej badania, a jej dostępność bywa bardzo różna (1).

Obiecująco prezentują się dwie spośród metod nieinwazyjnych. Są to elektryczna bioimpedancja klatki piersiowej (TEB), zwana też kardiografią impedancyjną (ICG), i kardiometria elektryczna (EV). Wśród zalet TEB i EV są wymieniane: możliwość długotrwałego i ciągłego pomiaru rzutu serca (CO), systemowego oporu naczyniowego (SVR), płynu w klatce piersiowej (TFC), łatwość stosowania, niskie koszty eksploatacyjne, praktycznie brak ograniczeń stosowania co do miejsca, czasu, stanu czy wieku chorego. Ograniczeniem tych metod jest niedokładność pomiarów u pacjentów z zaburzeniami rytmu i z niedomykalnością zastawki aortalnej (1, 2).

Warto też wspomnieć, że w naszym kraju znaczący wkład w rozwój nieinwazyjnych metod monitorowania hemodynamicznego serca wniósł dr hab. inż. Gerard Cybulski. Skonstruował on polski przenośny kardiograf impedancyjny typu Holtera (3). W wielu polskich ośrodkach kardiografia impedancyjna od lat jest z powodzeniem wykorzystywana do monitorowania parametrów hemodynamicznych w leczeniu nadciśnienia tętniczego, zespołu metabolicznego, niewydolności serca czy w testach z próbą Valsalvy (3-6).

Kardiometria elektryczna jest nieinwazyjną metodą oceny hemodynamicznej układu krążenia, u podstaw której leży elektryczna bioimpedancja klatki piersiowej (TEB).

TEB polega na określeniu bezpośredniej zależności między zmianą oporności tkanek (bioimpedancją) a przepływem krwi przez duże naczynia tętnicze w badanej okolicy ciała (np. w klatce piersiowej). Mięsień sercowy cyklicznie kurczy się i rozkurcza, powodując pulsacyjny przepływ krwi. W czasie skurczu krew jest wrzucana z prawej komory do pnia płucnego, a z lewej komory do aorty. Objętość komór w skurczu maleje, a prędkość i objętość przemieszczanej krwi narasta, powodując rozszerzenie aorty wstępującej i tętnic płucnych (ryc. 1). Poszczególne tkanki ludzkiego ciała mają własny opór elektryczny (impedancję), który wynika z ich budowy (rodzajów pierwiastków, atomów), gęstości i temperatury. Impedancja jest odwrotnością przewodności. Klatka piersiowa składa się z tkanek o wysokim oporze – tkanka tłuszczowa, mięśnie, kości, płuca (R = 2000-5000 Ω-cm), i krwi, która jest dobrym przewodnikiem (R = 130 Ω-cm). Najlepszym przewodnikiem prądu elektrycznego jest osocze krwi (R = 65 Ω-cm), w którym są zawieszone elementy morfotyczne mające dużo większą oporność elektryczną. Spośród elementów morfotycznych istotne znaczenie mają tylko erytrocyty. Krwinki czerwone mają kształt dwuwklęsłego dysku. Podczas skurczu lewej komory dochodzi do szybkiego przepływu krwi do aorty. Szczyt tego przepływu występuje tuż po otwarciu zastawki aortalnej, wymuszając równoległe układanie się erytrocytów względem siebie i ściany naczynia. Takie ustawienie krwinek czerwonych ułatwia przepływ prądu elektrycznego, czyli spada mierzone napięcie prądu, a wzrasta przewodność (maleje impedancja). W czasie rozkurczu lewej komory serca zastawka aortalna jest zamknięta i w aorcie nie ma przepływu krwi. Sytuacja ta powoduje, że erytrocyty układają się chaotycznie, stanowiąc dodatkowy opór, który musi pokonać przyłożony prąd elektryczny. Skutkiem tego jest wzrost mierzonego napięcia prądu elektrycznego i spadek przewodności (wzrost impedancji) (ryc. 2) (1, 2, 7, 8).

TEB jest metodą nieinwazyjną, ciągłą, a zastosowanie małych prądów 2-4 mA o częstotliwości 20-100 Hz jest całkowicie nieodczuwalne i bezpieczne. W ciągłym pomiarze elektrycznej bioimpedancji klatki piersiowej rejestrowany sygnał przedstawiony jest jako fala bioimpedancyjna. Krzywa ta stanowi głównie odzwierciedlenie zmian zachodzących w aorcie wstępującej, a więc jest zależna od cyklu pracy mięśnia sercowego i swoim kształtem przypomina kształt fali ciśnienia tętniczego. Tak więc podstawą kardiografii impedancyjnej jest model interpretacji sygnału bioimpedancji, zakładający, że bezpośrednio po otwarciu zastawki aortalnej i wzroście objętości (rozszerzenie objętościowe) w podatnej aorcie wstępującej dochodzi do gwałtownego wzrostu przewodności elektrycznej w klatce piersiowej, czyli spadku bioimpedancji (1, 2, 7, 8).

W 2001 roku Bernstein i Osypka zaproponowali inny model interpretacji sygnału bioimpedancji, na którym została oparta nowa metoda zwana kardiometrią elektryczną (ang. electrical velocimetry) (9, 10). Jest to model elektrycznego pomiaru prędkości przepływu (EV), którego podstawą są zmiany przewodności krwi w aorcie. Zakłada on, że zmiana ustawienia erytrocytów z chaotycznego (brak przepływu) na ukierunkowanie zgodne (równoległe do kierunku przepływu) po otwarciu zastawki aortalnej wywołuje gwałtowny wzrost przewodności (z gwałtownym spadkiem impedancji).

Urządzenia wykorzystujące metodę kardiometrii elektrycznej AESCULON^® i ICON^® dokonują pomiaru elektrycznej bioimpedancji klatki piersiowej (TEB) – głównie zmian bioimpedancji zależnie od cyklu pracy serca, dzięki którym wyliczają objętość wyrzutową serca (SV).

Pomiar dokonywany jest przez układ czterech elektrod EKG umieszczanych na skórze. Dwie elektrody przykleja się po lewej stronie na szyi (jedna pod drugą), a kolejne dwie – na klatce piersiowej w linii środkowo-pachowej lewej, na wysokości wyrostka mieczykowatego (też jedna pod drugą) (ryc. 3). Przez parę zewnętrznych elektrod przepływa prąd zmienny (AC) o stałej amplitudzie, wytwarzany przez aparat. Prąd ten płynie w klatce piersiowej przez tkanki o najniższym oporze (krew jest najlepszym przewodnikiem), pokonując jak najkrótszą drogę, którą jest aorta wstępująca i zstępująca. Para wewnętrznych elektrod rejestruje powstałe napięcie i wytwarza powierzchniowy zapis EKG (9, 11).

Wskaźnik podanego prądu i zmierzonego napięcia jest równy przewodności, która jest odwrotnością impedancji. Na bioimpedancję mierzoną w czasie Z(t) składają się trzy wartości: impedancja podstawowa Z₀, która jest pseudostatyczną częścią impedancji, a jej wielkość wynika głównie z objętości płynów w klatce piersiowej, do których wliczana jest też krew; zmiany impedancji zależne od oddychania ΔZ_R; zmiany impedancji zależne od cyklu pracy serca ΔZ_C:

Z(t) = Z₀ + ΔZ_R + ΔZ_C

W prezentowanej metodzie przy obliczaniu objętości wyrzutowej serca (SV) zmiany impedancji zależne od oddychania ΔZ_R traktowane są jako artefakt i zostają wytłumione (12).

Przebieg zapisu zmian impedancji zależnych od cyklu pracy serca ΔZ_C w czasie ma kształt fali sygnału zbliżony do kształtu fali ciśnienia tętniczego.