מדידות עכבה של בית החזה בתהליך של ניטור מטופלים

Catherine Redmond,
Analog Devices Ltd.

מערכות ניטור של מטופלים מודדות ומציגות את הסימנים החיוניים השונים של המטופל המחובר אליהן. החשוב ביותר בהם, הוא האות שמתקבל בבדיקת אלקטרוקרדיוגרמה (א.ק.ג.) שמתקבל מהמטופל, אך בין הפרמטרים הנוספים, אשר גם הם ראויים לציון ובעלי חשיבות, נכללים חום גוף, לחץ דם וקצב נשימה. מאמר זה עוסק במהות של מדידת הנשימה בהתבסס על עכבה (אימפדאנס) של בית החזה.
מערכת הנשימה מספקת לדם שלנו חמצן בכמות מתאימה דרך נשימה. כל תאי הגוף זקוקים לחמצן על מנת להתקיים, להתפתח ולהפוך מזון לאנרגיה. כאשר אנו נושמים, אנו שואפים חמצן ופולטים דו תחמוצת פחמן ואדי מים כתופעת לוואי של תהליך נשימה של התאים. תהליך הנשימה ברובו הוא תהליך בלתי רצוני – וברוב המקרים גם נעשה ללא מאמץ – תחת שליטה של מערכת העצבים העצמאית, שמעוררת התכווצות והרפיה של הסרעפת והשרירים סביב לריאות. תהליך זה של התכווצות והרפיה יוצר קצב ותבנית מחזוריים של נשימה. נשימה רגועה תהיה קבועה ויהיו שזורים בה פיהוקים ואנחות לפרקים. במצב מנוחה, רק שרירי הנשימה נמצאים בשימוש, עם הנשיפה שהיא בדרך כלל תהליך פסיבי, שכן הריאות חוזרות למצבן הקודם לאחר ההתמתחות שבאה בעקבות השאיפה.
נשימה רגילה תלויה בכמה גורמים, כגון גיל, כושר גופני ומתח נפשי, ובדרך כלל, היא מתרחשת בקצב ובנפח קבועים. שאיפת האוויר אצל תינוקות בני יומם יכולה להיות בטווח שבין 30 שאיפות ל-60 שאיפות בדקה, לעומת קצב הנשימה הרגיל בקרב מבוגרים, שיכול להגיע ל-12 עד 20 נשימות, באותה מסגרת זמן של דקה אחת, ולגדול עם עלייה ברמת מתח נפשי, במצב מחלה ובעת עלייה ברמת הפעילות הגופנית. אנשים רגועים יותר שמאמצים לעצמם טכניקות נשימה או כאלו הנמצאים במצב מדיטציה, יכולים להגיע לקצבי נשימה נמוכים עד כדי בקושי 3 עד 5 נשימות בדקה.
בסביבת בתי חולים, תצפיות פיזיולוגיות של הדופק, לחץ דם, חום (טמפרטורה) של הגוף, נשימה ורמות ערנות של מי שנתון במעקב, מאפשרות לרופאים ולאחיות לקבל מידע מעודכן בזמן לגבי בריאותו של המטופל. מבין הפרמטרים האלו, קצב הנשימה – אשר נחשב לסימן חיוני קריטי שמספק מידע חשוב בנוגע למצוקה של המטופל או לבעיות נשימה שלו – לא פעם אינו מנוצל במידה מספקת. קצב נשימה לא רגיל (חורג מהערכים המופיעים בטבלה 1), שינויים בקצב הנשימה או נשימה שנעשית במאמץ יתר, עלולים להצביע על אי יציבות פיסיולוגית כלשהי, ויכולים לעזור באבחון מטופלים שנמצאים בסיכון של בעיה לבבית, כגון אי ספיקת לב כרונית (CHF).
המפתח לקביעת קצב הנשימה של המטופל הוא במדידת העכבה המשתנה של חלל החזה, שהיא משתנה גם עם כל שאיפה ונשיפה. העכבה גדלה כאשר המטופל שואף, והיא קטנה כאשר הוא נושף. מעגל שתוכנן לגלות את ההשתנות הזו של העכבה – המבוסס על מדידת תנועות החזה (פנאומוגרפיה) של העכבה – מספק זרם הפרשי בתדירות גבוהה ש”נדחף” אל המטופל דרך צמד אלקטרודות. השתנות העכבה, שנגרמת כתוצאה מהנשימה, יוצרת שינוי במתח המתאים, שאותו אפשר למדוד על אותן אלקטרודות (מדידת נשימה ב-2 חוטים), או בעזרת זוג אחר של אלקטרודות (מדידת נשימה ב-4 חוטים).
קבלת מדידה אופטימלית של נשימה יכולה להיות תלויה במידה רבה במצבו של המטופל. לדוגמה, אם המטופל ישן או נמצא במצב שכיבה, הנשימה נוטה להיות באזור הבטן, לכן, ייתכן שמוליך II או מוליך III יספקו את המדידה ב-2 חוטים, הטובה ביותר. לחלופין, אם המטופל נמצא במצב זקוף, ייתכן שאות טוב יותר יהיה זמין בזוג האלקטרודות של מוליך I. בנוסף, למתח נפשי יש נטייה לגרום לנו לנשום רק בחלק העליון של החזה, ולכן, מוליך II או מוליך III יכולים עדיין להיות בחירה מתאימה לאנשים הרגועים יותר מבינינו. מעגל נשימה שמתוכנן לזוגות רבים ושונים של אלקטרודות, יכול להבטיח כיסוי מקיף, שבעזרתו אפשר לקבל את מדידת הנשימה הטובה ביותר.

מעגל הדחיפה
סידור אופייני מתבסס על מעגל דחיפה ומדידה. חלק הדחיפה יכול להיות DDS או ממיר DAC שמספקים את שני הזרמים בצימוד חילופין (AC) שאינו במופע, בתדר המתוכנת, אל זוג האלקטרודות. הזרם נדחף אל המטופל, בעזרת שימוש בנגדים ובקבלים טוריים. הצימוד במתח חילופין משמש כדי לבודד את המטופל ממתח ישר, ומשכך בכך כל בעיה הנובעת מחשש שמא המטופל יקבל מתח מצב משותף (common mode). הערך של הקבלים בצימוד מתח חילופין קובע את המשרעת (האמפליטודה) של הזרם. ערכי קבל גדולים יותר מגדילים את זרם הדחיפה, אשר גורם להפרשי מתח גדולים יותר, שיכולים להגדיל את יחס האות לרעש. איור 2 מדגים שרשרת אותות אופיינית ומראה את מעגלי הדחיפה והמדידה של הנשימה.
תקנים רפואיים מכתיבים מהו הזרם המרבי המותר, שאותו אפשר לחבר באופן בטוח למטופל, החל ב-50 מיקרו אמפר rms מזרם ישר ועד 1 קילו הרץ. הזרם המותר מוכפל עבור כל הכפלה בתדירות, ובכך מתאפשר לו לגדול ל-1 מילי אמפר ב-100 קילו הרץ, ולאחר מכן להישאר קבוע.
תדירות הדחיפה בדרך כלל תהיה מעל 20 קילו הרץ, מפני שעכבת העור לאלקטרודה מופחתת פי 100 בערך, ככל שהתדירות עולה מערכים נמוכים עד לערכים של 100 קילו הרץ. תדירויות שמעל 100 קילו הרץ אינן מקובלות לדחיפת נשימה, מפני שהשליטה בקיבולים מבוזרים (stray) עלולה להיות קשה, והפרעות, כגון אלו שמקורן בציוד כירורגי, הופכות להיות בעייתיות.
העכבה שבין האלקטרודות המובילות היא הסיכום של התנגדות הכבלים, וזה כולל נגדים כלשהם להגנה מפני פרפור (דפיברילציה) שקיימים בכל אלקטרודה (ההתנגדות Rcable, שהיא בדרך כלל 1 קילו אוהם עד 10 קילו אוהם, גדולה יותר עבור סוגים מסוימים של כבלים), את עכבת הממשק של האלקטרודה אל העור (50 אוהם עד 700 אוהם) ואת העכבה של נפח הרקמה העיקרי של הגוף בין האלקטרודות (ההתנגדות Rthoracic היא בערך 100 אוהם עד 500 אוהם). בנוכחותם של עכבות סטטיות גדולות אלו, מעגל המדידה חייב להתגבר על שינויים קטנים בערכי תת-אוהם בעכבת הגוף, שמופיעות במהלך הנשימה (הפרש ההתנגדות ΔR האופייני הוא 0.2 אוהם עד 5 אוהם משיא לשיא). איור 3 מתאר את העכבות התורמות שמפוזרות לאורך הנתיב אל המטופל.

מעגל המדידה
חלק המדידה של מעגל זה מורכב מסינון מעביר גבוהים, הגברה, מבטל עיוותי קיפול תדרים (anti-aliasing), המרה מאנלוגי לספרתי, ופענוח אפנון סינכרוני במישור הספרתי, כפי שאפשר לראות באיור 2. האות הנרכש הוא אות נושא מאופנן משרעת בתדירות הדחיפה, עם מעטפת אפנון רדודה בתדירות הנשימה. איור 4 מציג כיצד אות כזה יכול להיראות במישור הזמן. אפנון האות הנושא קטן ומציב מגבלות הדוקות על התרומה של מקורות רעש, ומצריך יצירה של האות הגדול ביותר האפשרי. העוצמה של האות הנושא ושל מעטפת הנשימה תלויים במתח המופק על ידי מעגל הדחיפה, בערך של עכבות הנשימה הסטטית והדינמית של בית החזה, ובהתנגדות הכוללת שבין היציאות של מעגל הדחיפה. רזולוציית המדידה מוגבלת על ידי היחס הקיים של אות לרעש. כפי שנאמר כבר, העכבה החשמלית של חלל בית החזה משתנה במהלך הנשימה, עם שינויים של כ-0.2 אוהם סביב קו הבסיס ועד כדי 10 קילו אוהם (עכבת כבל כוללת בנתיב הדחיפה ובנתיב ההחזרה). בדרך זו מפיקים שינוי של 2 מקרו וולט בערך מאות של 300 מילי וולט, ולכן, יש צורך בממיר ADC בעל רזולוציה גבוהה מאוד או בדגימת יתר גבוהה מאוד.
האלקטרודות שבאות במגע עם העור, אשר יוצרות סוללה פשוטה, יכולות להציג פוטנציאלים של חצי-תא של עד כדי 300 מילי וולט כל אחד. מסנן מעביר גבוהים מסיר את רכיב האות במתח ישר ומאפשר הגבר מתח חילופין גבוה יותר. לאחר מעגל ביטול עיוותי קיפול תדרים, ממיר ADC הופך את האותות לספרתיים. האות שעבר המרה לספרתי מוכפל במופעי I ו-Q (במופע ובניצב) של מחולל האותות, והתוצאות עוברות דרך מסנן מעביר נמוכים, עד להשגת העוצמה של רכיבי האות שנמצאים במופע וברביע עם מחולל האותות. מאחר שנשימה מתרחשת גם בתדירויות נמוכות, למסנני מעבירי נמוכים אלו יכולה להיות תדירות קיטעון בטווח של עשרות הרצים. את אות I-Q אפשר להמיר לתבנית עוצמה – מופע או להשתמש בו ישירות, על ידי המעבד המארח לסינון נוסף, לחילוץ קצב נשימה ולניתוח.
הרכיבים של Analog Devices – ADAS1000 – עונים על רבים מבין האתגרים שבהם נתקלים במהלך תכנון מעגל למדידת נשימה. השבב הזה, שהוא בעיקרו מעגל החזית (front end) של מכשיר א.ק.ג. בריבוי ערוצים, מציע גם מעגל נשימה שלם עם פונקציונליות של מעגל דחיפה ומעגל מדידה. הרכיב ADAS1000 מספק מערכת נשימה גמישה, ומאפשר למתג את הדחיפה ואת המדידה על פני הנתיבים השונים (מוליך I, II ומוליך III), על מנת להבטיח שאפשר יהיה לגלות את אות הנשימה הטוב ביותר האפשרי. הרכיב גם תומך באפשרות של הפרדת נתיבי “דחיפת” הנשימה” ו”קבלת הנשימה”, כפי שאפשר לראות באיור 5, במטרה לספק דחיפה רבה יותר מזו שאפשר לקבל דרך כבלי א.ק.ג. פעולה כזו יכולה להיות שימושית בעת מדידת נשימה תוך כדי תנועה, כאשר המדידה יכולה להפיק תועלת מדחיפה בקבוצה אחת של אלקטרודות ומדידה בקבוצה אחרת. גישה כזו יכולה להשתמש, למשל, במערכת שבה האות הנושא מחובר למוליך I, בזמן שהמדידה נעשית על קבוצה אחרת של אלקטרודות (סידור ב- 4 חוטים).
מדידה ב-4 חוטים/אלקטרודות יכולה לשפר באופן משמעותי את הרזולוציה הכוללת באותם מקרים שבהם יש צורך ברזולוציה גבוהה יותר (גדולה מ-0.2 אוהם). חיבור אות הנושא למדידת עכבה למוליך I עם קבלי דחיפה חיצוניים ומדידת אות הנשימה על קבוצה אחרת של אלקטרודות, כמו למשל LL ביחס ל-RL, מעניקה את היכולת לפענח רמות נמוכות יותר בהרבה של עכבות. קונפיגורציות אחרות יכולות לנצל את היתרון של שילובים אחרים של אלקטרודות.

מסקנה
מדידת נשימה של מטופל היא פרמטר עיקרי בין סימנים חיוניים חשובים אחרים, שמשמשים את אנשי המקצוע העוסקים בטיפול רפואי. במאמר זה הגדרנו את האות החשוב ותיארנו גישה אחת למדידה של אות חיוני זה. הרכיב ADAS1000 שיצא לשוק לאחרונה, מציע פתרון משולב למדידה, לא רק של אותות א.ק.ג., אלא גם למדידת נשימה, כשהוא מוסיף ערך לציוד ניטור סימנים חיוניים ומפשט את תהליך התכנון של ציוד זה.

אודות המחברת
קתרין רדמונד היא מהנדסת יישומים בחברת Analog Devices, באירלנד. היא בוגרת המכון הטכנולוגי בקורק, אירלנד, ובעלת תואר ראשון בהנדסה אלקטרונית. מאז היא עובדת בתפקידים יישומיים בחברת Analog Devices.