Klinisk sirkulasjonsfysiologi

Klinisk sirkulasjonsfysiologi

Research activity

Aktuell forskning

Aktuell forskning

Sirkulasjonen drives av hydraulisk energi levert i pulser. Effektiviteten av energileveransen avhenger av den ventrikuloarterielle koblingen, samspillet mellom hjertets kontraktilitet og karsengens motstand mot blodstrøm. Den totale arterielle motstanden, vaskulær impedans, utgjøres både av statiske og dynamiske elementer; den avhenger både av aortas og de store karenes elastisitet, perifer motstand i små arteriegreiner, reflekterte trykkbølger, blodets viskositet og hjertefrekvensen. Den vaskulære impedansen kan endres betydelig av sykdom eller medisiner. Et misforhold i samspillet mellom hjertet og karsengen kan redusere energi-leveransen og den kardiovaskulære effektiviteten dramatisk.

Klinisk overvåking av kardiovaskulær funksjon hos kritisk syke er i dag oftest basert på øyeblikks tallverdier for blodtrykk og blodstrøm. Dermed bruker man kun en brøkdel av all den informasjonen som ligger i de kontinuerlige, pulsatile kurvene for blodtrykk og blodstrøm. Dette gjør at viktig informasjon om pulsatiliteten og den perifere regulering av sirkulasjonen, som i fysiologiske dyrestudier har vist seg å ha stor betydning, faller bort.

Vår forskningsgruppe har i samarbeid med ultralydmiljøet ved NTNU utviklet software for helt samtidig måling av kontinuerlig blodtrykk og ultralydmålt blodstrøm. Systemet, kalt Ultra Power (uPWR - ultralydbasert Cardiac Power), gir flere muligheter:

  • Multiplikasjon av blodtrykkskurven med kurven for blodstrøm ut av venstre ventrikkel gir en effektkurve (Cardiac Power) som beskriver mengden hydraulisk energi som overføres til sirkulasjonen per tidsenhet.
  • Kalkulasjon av andelen av denne energien som er knyttet til pulsasjonene i blodtrykk og blodstrøm (Oscillatory Power) er et mål for dynamisk ventrikuloarteriell kobling
  • Impedansanalyser som indikerer om endringer i impedansen har opphav sentralt eller perifert i sirkulasjonssystemet.  

Dette nye verktøyet åpner for spennende klinisk forskning, utvikling av nye kliniske monitorerings-modaliteter og etablering av nye behandlingsmål hos kritisk syke. Så langt har Cardiac Power-prosjektet gitt opphav til to ph.d.-prosjekt:

  • Audun Eskeland Rimehaug: «Beat-to-beat cardiac power – minimally invasive assessment of overall cardiovascular performance” (avsluttet, Rimehaug disputerte 02.12.2016)
  • Tomas Dybos Tannvik: “Ultrapower, from experimental physiology to patient monitoring. The exploration of a novel Doppler based assessment of human cardiovascular function” (pågår).

Det er imidlertid rom for ytterligere rekker av enkeltstudier og / eller ph.d.-prosjekt.  
 

Septisk sirkulasjonssvikt skyldes i hovedsak tre forhold; dilatasjon av motstandsregulerende kar på arteriesiden, økt kapillær-permeabilitet med væskelekkasje fra blodbanen, og septisk kardiomyopati med senket kardial kontraktilitet. I klinisk medisin overvåkes sirkulasjonen ofte ved måling av blodtrykk, men ved alvorlig sirkulasjonssvikt er forholdet mellom blodtrykk og vevsperfusjon variabelt og uforutsigbart. I slike situasjoner brukes ofte blodstrømsmålinger i tillegg for å sikre organperfusjonen, men behandling av sirkulasjonssvikt basert på slik overvåking med bruk av f.eks. pulmonalarteriekateter har ikke vist seg å endre mortalitet eller lengde på intensiv- eller sykehusopphold.

Vi deltar i et større samarbeidsprosjekt, kalt Sepcease, med professor Hans Torp ved Ultralydgruppen ved Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk ved NTNU og professorene Erik Solligård og Jan Kristian Damås, Midt-Norsk senter for sepsisforskning. Planene for dette prosjektet er dels å bruke nyutviklet ultralydteknologi for å se på septiske endringer i perifer/ miro-sirkulasjon, dels å bruke vårt ultra-power verktøy (se nærmere beskrivelse av det under «Ultra Power») for å studere om sepsis påvirker energioverføringen fra hjertet til sirkulasjonen. Kombinasjonen av disse to tilnærmingene kan også gi muligheter for å studere sammenhengen mellom makro- og mikro-sirkulasjon ved sepsis.

Sepcease-prosjektet fokuserer både på mulighetene for tidligere deteksjon av sepsis og for bedret monitorering av etablert sepsis. Siden sepsis er en heterogen tilstand, vil vi se etter mønstre som kan brukes til å klassifisere pasientene og individualisere behandlingen. Likedan vil vi studere effekten av terapeutiske intervensjonene for å se om de nye verktøyene kan brukes til å optimalisere behandlingen.

Svekket regulering av nyregjennomblødningen er et tidlig tegn på akutt nyresvikt, men er vanskelig å måle klinisk siden nyrene beveges med pusten. Vi bruker maskinlæring for å måle nyreblodstrøm uavhengig av pustebevegelsene.

Bakgrunn

Akutt nyresvikt er en fryktet komplikasjon ved store operasjoner og alvorlig sykdom. Den både forlenger sykeleiet og øker dødeligheten. Fordi nyrene har stor reservekapasitet oppdages nyresvikten seint. Undersøkelse av autoreguleringen av nyrens blodstrøm gir tidligere diagnose og kan bidra til redusert sykelighet og død. Dette krever imidlertid lengre registrering av nyreblodstrømmen enn hva som er mulig med konvensjonell ultralyd.

Metode

Utvikling av dype lærings algoritmer for automatisk segmentering og tracking av nyrearterier for ultralydopptak av blodstrømsdata av flere minutters varighet. Estimering av blodstrømshastigheter med flere ulike metoder, samt kombinering av blodtrykks- og blodstrømsdata.

Status og fremdrift

Prosjektet befinner seg i en teknisk utviklingsfase. Nyetablerte algoritmer og metoder må valideres ved datasimulering, testing i modeller og forsøksdyr. Parallelt med dette starter vi innsamling av et større datamateriale fra pasienter med sikte på videreutvikling og optimalisering av metodene.

Resultater

Vi har lyktes med å definere en bevegelig «Region of interest» for innhenting av blodstrømsdata og metoder for akvisisjon av komplekse hastighetsssignal fra denne.

Et ultralydbilde med en markering for "Region of interest". På høyre side, komplekst flowhastighetssignal.

Gevinster

Maskinlæring kan gi robuste målinger av blodstrømshastigheter over lengre tid enn det som er mulig med konvensjonell ultralyd. Dermed kan utvikling av en klinisk anvendbar metode for undersøkelse av autoreguleringen av nyrens blodstrøm være mulig.

Hvert år gjøres det forsøk på gjenoppliving hos ca. 2500 personer utenfor sykehus i Norge, og (trolig) hos ca. 1500 pasienter innlagt på norske sykehus. Når hjertet stanser helt opp skyldes dette enten sykdom i hjertet (for eksempel hjerteinfarkt) eller ytre faktorer (for eksempel drukning). Tiden er avgjørende, og umiddelbare tiltak i de første minuttene (HLR, defibrillering, medikamenter) er avgjørende for prognosen. Vår gruppe har – i nært samarbeid med medisinske og tekniske forskere i Norge og i utlandet – undersøkt den dynamiske utviklingen under pågående HLR, fasen som avgjør om pasienten dør eller får tilbake stabil egensirkulasjon.

Ved å bruke moderne statistiske metoder for levetidsanalyse, såkalte multi-state modeller, har vi beskrevet forløpet under HLR (f or eksempel sannsynligheten for at pasienten får tilbake egensirkulasjonen eller «mister» egensirkulasjonen når den først er gjenvunnet). Videre undersøker vi hvilke faktorer som påvirker dette forløpet (for eksempel hjertestansens årsak), og hvordan pasientens EKG endrer seg underveis.

Arbeidet har så langt gitt opphav til en rekke publikasjoner og fire PhD-prosjekter:

  • Trond Nordseth (2014): «Clinical state transitions during the provision of advanced life support (ALS) to patients in cardiac arrest»
  • Daniel Bergum (2016): «In-hospital cardiac arrest - causes, recognition and survival»
  • Gunnar Waage Skjeflo (2019): «PEA development in cardiac arrest»
  • Anders Norvik (pågår): “Adrenalin ved resuscitering fra Pulsløs elektrisk aktivitet (PEA)»

Vi har særlig satt søkelyset på pulsløs elektrisk aktivitet (PEA) som første rytme, da dette rammer mange pasienter og er dårlig undersøkt; og på hjertestans på sykehus fordi muligheten for observasjoner av det dynamiske forløpet er best når akuttpersonell er raskt tilstede. 
Vi vil arbeide videre med analyse av hvilken umiddelbar effekt medikamentet adrenalin har under forløpet, og tilsvarende analyser av hjertestans og resuscitering av barn.

Innhold kommer

Tilhørende grupper:

Tilhørende grupper: