Foucault' kardiograafia

Foucault' kardiograafia on mitteinvasiivne impedantsmeetod inimese südame mehaaniliste protsesside uurimiseks. See põhineb südamepiirkonna sondeerimisel raadiosageduslike pöörisvooludega, mis tekitatakse induktori vahendusel vahelduva magnetvälja abil. Pöörisvoolude energia muundub inimkehas soojuseks. Vastava energiakao iseloomustamiseks saab anduri vahendusel tekitada sellele vastava elektrilise signaali. Kuna ajas muutuv signaal saadakse organite ja kudede elektrilise bioimpedantsi kaudu, täpsemalt küll integraalse tulemusena selle varieeruvustest ruumi eri osades ajas, kuulub Foucault’ kardiograafia elektrilise bioimpedantsi meetodite hulka. Esimene pöörisvoolude uurija oli Lèon Foucault, mistõttu kannab meetod just tema nime. Meetodit tuntakse ka induktsioon- ja pöörisvoolukardiograafiana. 1960. aastatel, kosmosetehnika võidukäigu ajal, tekkis nii USA-l kui ka NSV Liidul üha suurem vajadus välja töötada meetod astronautide ja kosmonautide südametegevuse jälgimiseks. USA-s töötati sellel otstarbel välja impedantskardiograafia Kubiceki meetod. Üsna pea selgus, et Kubiceki meetod ei anna siiski õigeid tulemusi südame löögimahu osas. Meetodi kaasautor ja tehnilise poole teostaja Robert Patterson on selles osas hiljem meetodi seletusele olulisi täiendusi lisanud. Selliseid projekte algatati ka Nõukogude Liidus. Üks selline projekt sai riikliku rahastuse Tartu Riiklikus Ülikoolis, kus avatud biomeditsiinifüüsika labori tehtud uurimistööd pälvisid üleliidulist tähelepanu. Esimeste selletaoliste bioimpedantsmeetodi arendajate seas Tartus oli Leo-Henn Humal (1940). Ta hakkas meetodit uurima 1960. aastate keskel, kusjuures idee sai ta sarnase teemaga artiklist ajakirjas Медицинская техника (Meditsinskaja Tehnika, rahvusvahelises süsteemis ka Medicinskaja Tehnika). 1968. aastal lõpetati Tartus selle meetodi uurimine. Põhjuseks oli artikli "Electrodeless Mea­sure­ment of the Effective Resistivity of the Human Torso and Head by Magnetic Inductions" ilmumine (mille kirjutasid ameeriklased P. P. Tarjan ja R. McFee). Selle peale arvati, et USA-s tegeletakse juba taolise meetodi uurimisega, ning ei peetud mõistlikuks teemaga jätkata. Aastal 1994 hakati Baltimaades jälle meditsiinifüüsika arengut soosima. Selgus ka, et ameeriklased polnud peale nimetatud 1968. aasta artikli rohkem publikatsioone sellel teemal avaldanud. Sellega seoses tõusis taas huvi meetodi vastu ning samal aastal hakati sellega uuesti Tartus tegelema (Jüri Vedru). Sellest ajast alates hakati meetodit kutsuma Foucault’ kardiograafiaks. Esmased uuringud olid paljulubavad, sest kardiograafist saadud signaal meenutas arteriaalse rõhu kõverat (millega pöörisvooludel küll otsest seost teada ei ole). Foucault’ kardiograafiaga on põhiliselt tegeletud Eestis, kuid praegusel ajal tegeletakse sellega ka Saksamaal ja USA-s. Foucault’ süsteemi lihtsaim lahendus on kahe elektromagnetiliselt sidestatud pooliga, mis paiknevad uuritava objekti vahetus läheduses. Esimese nn. induktorpooli poolt teises ehk detektorpoolis indutseeritud elektromotoorjõud sõltub objektis neelduva energia hulgast. Objekt võib ruumiliselt paikneda nende kahe pooli vahel. Foucault’ meetodiga on sobiv uurida elektriliselt hästi juhtivat objekti halvasti juhtivas keskkonnas. Näiteks saab uurida suhteliselt suure elektrijuhtivusega verega täidetud südant, mis paikneb rindkeres suhteliselt väiksema elektrijuhtivusega kuid mahult oluliselt suuremate kopsude vahel. Induktorpool on väljastpoolt elektriliselt varjestatud, et vältida mahtuvuslike häiringute mõjusid mõõtmistulemustele. Lisaks on induktorpool jagatud mitmeks sektsiooniks, et vähendada pooli vooluringi omamahtuvuslikku lühistumist, ja nii tõsta võnkesüsteemi resonantssagedust. Teises võimalikus lahenduses kasutatakse ainult ühte pooli. Induktorpooli ja kondensaatori abil moodustatakse selles rööpvõnkering, mis on ühendatud piikdetektoriga (pinge tippväärtuse detektoriga). Võnkeringi toidetakse elektroonse kõrgsagedusvoolu generaatoriga, mis on häälestatud võnkeringi omavõnkesagedusele, ja tekitab selles elektrivoolu võnkumise resonantssagedusel. Induktorpoolil ja temaga paralleelselt ühendatud kondensaatoril tekkiv raadiosageduslik pinge on sellises olukorras võrdelised võnkeringi hüveteguriga Q. Sellises lülituses toimib induktorpool üheaegselt nii signaali tekitaja kui ka vastuvõtja osas. Sellele pingele vastav on ka vahelduvpinge detektori alalisvooluline väljund (väljundpinge). Kui induktor viia vaadeldava objekti lähedusse, neeldub osa võnkeringi energiast objektis, mistõttu võnkeringi hüveteguri Q väärtus muutub algsest väiksemaks, ehk siis objekt moduleerib hüvetegurit Q vähenemise suunas. Kui objektis toimuvad ajas muutused, näiteks muutub vere hulk pooli magnetvälja intensiivse osa poolt haaratud ruumi mõnes osas (näiteks südames), siis muutub vastavalt ka hüvetegur Q ja vastavalt sellele ka kõrgsagedusliku võnkumise amplituud. Amplituudi detekteerimisega saadakse sellele olukorra muutusele vastav ajas muutuv signaal. Sedasi saadakse südame töötamisel niisugune südame töö rütmis muutuv signaal, nagu on kujutatud artiklis toodud pildil. Üldjuhul on väljundsignaalis selgesti eristatavat kaks komponenti – kopsutekkeline hingamissageduslik ehk aeglane signaal (umbes 10 korda minutis ehk sagedusega 0,15 Hz kandis) ja südametekkeline löögisageduslik ehk kiire signaal (tavaliselt sagedusega vahemikus 1...3 Hz ehk 60...180 lööki minutis). Kopsutekkeline signaal tekib peamiselt kopsude õhu ja verega täitumisest ja ruumala muutumisest tingituna. Südametekkeline signaal tekib peamiselt südames oleva vere koguse muutusest (keskmiselt 100 g muutumisega kuni 50 g nii vähenemise kui suurenemise suunas ehk löögimahuga kuni 100 g) ja samuti südame asukoha mõningasest muutumisest südamelöögi jooksul. Pildil on toodud Foucalt' kardiogramm, mille registreerimise ajal on hinge kinni hoitud, et kopsutekkelist komponenti minimeerida. Foucault’ kardiograafi põhikomponentideks on induktorpool, kõrgsageduslik generaator ja detektor. Generaatoriga tekitatakse induktorpoolis sinusoidaalset raadiosageduslikku elektrivoolu. Pooli ümber tekib sellest ajas muutuv magnetväli, mis indutseerib rindkeres Foucault’ voolud. Tsükliliselt muutuv verekogus südames ja teistes elundites põhjustab ajas muutuva bioimpedantsi. Elundite takistusest sõltuvalt on määratud Foucault’ vooludest tingitud kadu, mis avaldub pingeamplituudi muutusega induktorpoolis. Pinge amplituudi muutumist ajas käsitletakse kui amplituudmodulatsiooni. Pinge amplituudi suurust (väärtust) mõõdetakse amplituudväärtuse detektori abil, ja selle modulatsioonist tingitud vahelduvkomponent eraldatakse aplituudmodulatsiooni detektori abil ning registreeritakse ajalise kõverana. Selleks detekteeritud kõrgsagedussignaali amplituudist kõrgpääsfiltri abil eraldatud ja võimendatud signaal muundatakse analoog-digitaalmuunduri abil digitaalseks ja salvestatakse andmeid töötlevasse arvutisse. Parima tulemuse saavutamiseks peavad Foucault' kardiograafi puhul olema täidetud järgmised tingimused: Foucault’ kardiograafis kasutatav induktorpool peab olema väikese induktiivsusega, suure hüveteguriga ning elektriliselt hästi varjestatud, et saada parim võimalik kasuliku kardioloogilise signaali ja mahtuvuslike häiringute suhe (signaali-müra suhe). Generaatori genereerimissagedus peab olema piisavalt stabiilne. Töösagedus peaks olema valitud vahemikus 5 kuni 30 MHz. Meditsiinis on vaja mitteinvasiivset, automatiseeritud meetodit südametegevuse pidevaks jälgimiseks – täpsemalt südamelöögimahtu määravat aparatuuri. Eelkõige vajatakse sellist tehnikat kardiokirurgia intensiivravi osakondades, kus ravitakse tõsiste südameprobleemidega inimesi. Impedantspletüsmograafia meetod, mis põhineb inimkeha elektrilisel juhtivusel, võimaldab vaid suurusjärguliselt hinnata vere voogu. Paralleelselt Foucault’ kardiograafiaga arendatakse ka impedantstomograafiat, millel ilmnevad samuti probleemid. Mõõtmiseks on vaja patsiendi kehale kinnitada mitmeid elektroode, mis peavad olema väga täpselt paigutatud ja ühendatud. Lisaks võivad elektroodid segada nii patsiendi hingamist kui ka arstide tööd, jäädes rindkerele ette. Peale selle ei tungi sondeerivad pöörisvoolud piisavalt sügavale, et jõuda piisaval määral südameni. Ultrahelikardiograafiga töötamiseks on vaja kogenud operaatorit, kes oskab ultrahelikiiri suunata täpselt õigesse kohta ning neid seal stabiilselt hoida kogu töö vältel. Lisaks on ultrahelitehnika seadmed kallid ning ei anna väga häid tulemusi. Foucault’ kardiograafia eelis nende impedantsmeetodite ees, kus sondeeriv vool juhitakse südamepiirkonda elektroodide kaudu, on see, et voolud tekitatakse südamepiirkonnas kohapeal. See tähendab, et signaali mõjutab ainult uuritava piirkonna takistus, mitte rindkere väliskihi oma. Lisaks ei neeldu Foucault’ kardiograafi kõrgsageduslik magnetväli patsienti ümbritsevates mitteferromagneetilistes mittejuhtivates materjalides ja keskkondades. Seetõttu ei pea andur olema patsiendiga vahetus kontaktis. Ka riietus ei mõjuta oluliselt mõõtmistulemusi, lisaks on seadet kerge kasutada ning see on suhteliselt odav. Siiski on Foucault’ kardiograafial ka omad puudused. Meetod ei kõlba veel igapäevaseks kasutamiseks. Rindkerelt saadud signaal on küll südamega seotud, kuid ei ole mõningal juhul teoreetiliselt lubatud, st eirab Starlingi südameseadust. Foucault’ kardiograaf tekitab inimkehas nõrgad pööriselised Foucault’ voolud, mille energia muundub kehas soojuseks. Neelduva elektromagnetvälja võimsus on kuni 0,5 mW (ligikaudu 10 000 korda väiksem südame enda võimsusest). See tähendab, et kardiograafi mõju on peaaegu märkamatu. Ka neelatava võimsuse ruumtihedus jääb alla 1 μW/cm3 (mitmeid suurusjärke väiksem kui USA standardite kohaselt lubatud 1600 μW/cm3). Seega on Foucault’ kardiogrammi registreerimine patsiendile ohutu. Foucault’ kardiogrammist saadud signaal on keerulise koostisega, st see koosneb paljudest komponentidest. Signaali saab jagada kolmeks: hingamis- ja südamesünkroonseks komponendiks ning müraks. Hingamissünkroonne osa sõltub omakorda kopsutekkelisest komponendist ning südame asukoha muutusest ja selle täitumisest tekkinud signaalist. Südamesünkroonne osa koosneb südametekkelisest ja arteriaalsest komponendist. Üheks põhiliseks uurimissuunaks on kõikidest nimetatud komponentidest eraldada vajaminevad. Põhiliselt ollakse huvitatud südametekkelisest komponendist. Teine aktuaalne uurimissuund on rindkere, kopsude ja südame matemaatiliste mudelite arendamine. Oluline on ka Foucault’ kardiogrammidest saadud informatsiooni interpreteerimine ja võrdlemine teiste meetoditega. Tartus tegeletakse andurit rindkerel nihutamisest tekkinud signaalide erinevuse minimeerimisega (saadud signaal sõltub anduri paiknemisest rindkerel), rindkere ja südame simuleerimisega ning Foucault' kardiograafi uuendamisega (Leo Humal, Jüri Vedru jt). Tallinna Tehnikaülikooli elektroonikainstituudis on arendatud Foucault' kardiograafi kasutamiseks peamiselt hingamise mittemeditsiinilise (igapäevases tegevuses toimuva) monitooringu eesmärgil (Jaan Ojarand jt.). Pooli impedantsi mõõtmise meetodina kasutati selle juures pooli komplekstakistuse ehk impedantsi otsese mõõtmise vahendeid (komplekstakistuse sagedussõltuvuse ehk impedants-spektri vektormõõtmise vahendeid ehk impedants-spektroskoope). J.Trolla, J.Vedru (2001) "On the safety of Foucault' cardiography" J. Vedru (1997) "Foucault' principle based measurement of cardiac activity" Robert P. Patterson. The Early History of Impedance Cardiography and Reflections on its Current State. - In: Proc. of the 10th Internat. Conf. on  Bioelectromagnetism, Tallinn, Estonia, 2015, 4 pp. J. Vedru, L. H. Humal (2000) "Physiological Measurement Based on Foucault Principle: Set-up of the Problem" H. Vaher (2008) "Foucault' kardiogrammist andurpaari abil hingamise mõju elimineerimise võimaluste uurimine" M. Ernits (2013) "Südame- ja hingamiskomponendi Foucault’ kardiogrammist lahutamise uurimine" J. Vedru (2013) "2008–2013 Foucault’ kardiograafia arendamisest" Ojarand, J. jt. (2015). Magnetic Induction Sensor for the Respiration Monitoring. - In: Proc. of 10th Internat. Conf. on Bioelectromagnetism (ICBEM2015). Tallinn, Estonia, 2015. (International Society of Bioelectromagnetism, 1−4). P. P. Tarjan, R. McFee "Electrodeless Mea­sure­ment of the Effective Resistivity of the Human Torso and Head by Magnetic Inductions" – IEEE Trans. on Bio-Medical Eng., 1968. – Vol. BME-15, No.4, Pp. 266–278. A. Korjenevsky, V. Cherepenin "INDUCTION TOMOGRAPHY: THEORY, COMPUTER SIMULATION AND ELEMENTS OF MEASRING SYSTEM". World Congr. on Medical Physics and Biomed. Eng.- Sept. 1997, Nice, France. – Med. & Biol. Eng. & Comput., 1997. – Vol. 35, Suppl. Part I, P. 330. Lynn W. Hart, Harvey W. Ko, James H. Meyer, Jr., David P. Vasholz, Richard I. Joseph "A Non­in­va­sive Electro­magnetic Con­duc­tivity Sensor for Biomedical Appli­cations" – IEEE Trans. on Bio-Medical Eng., 1988. – Vol. BME-35, No.12, Pp. 1011–1021.