Bc. Magdaléna Najbrtová syndromu Analýza a vyhodnocení preklinických testů z měření na bioimpedančním analyzátoru compartment

Analýza a vyhodnocení preklinických testů z měření na bioimpedančním analyzátoru compartment

syndromu

Analysis and evalution of preclinic tests from measurements on a bioimpedance analyser of compartment syndrome

Bc. Magdaléna Najbrtová

Diplomová práce

Vedoucí práce: prof. Ing. Marek Penhaker, Ph.D.

Ostrava, 2021

Abstrakt

Cílem této práce je vyhodnotit průkaznost preklinického testu měřícího nástup compartment syndromu bioimpedanční metodou. Konstrukce přístroje a průběh měření čerpaly ze studií, které ověřily, že při vzniku ischemie, která compartment syndrom provází, dochází ke změně elektrických vlastnosti tkáně, které lze bioimpedanční metodou měřit. Navržený přístroj měří současně změnu impedance, fázového úhlu a okysličení referenční a zatížené končetiny. Tyto výsledky jsou upraveny a vyhodnoceny pomocí statistického testování. Výsledky statistického testu určily procentuální úspěšnost měření, u kterých došlo ke změně parametrů právě v cyklu zatížení končetiny simulující nástup compartment syndromu ale také spolehlivost a použitelnost navrženého přístroje.

Klíčová slova

compartment syndrom, měření bioimpedance, neinvazivní měření, statistické testování, ANOVA test

Abstract

The aim of this work is to evaluate the demonstration of a preclinical test measuring the onset of compartment syndrome by the bioimpedance method. The design of instruments and continuous measurement of drawing from studies that verify that in the event of ischemia that accompanies the compartment syndrome, determines the change in electrical properties of the tissue, which allow the bioimpedance method to measure. The designed device measures the changing impedance, phase angle and oxygenation of the reference and controlled limb. These results are adjusted and evaluated by statistical testing. The results of a statistical test determining the percentage success of measurements in which the parameters changed just in the cycle of limb loading simulating the onset of compartment syndrome but also the reliability and usability of the proposed device.

Key words

compartment syndrome, bioimpedance measurement, non-invasive measurement, statistical testing, ANOVA test

Poděkování

Ráda bych poděkovala prof. Ing. Marek Penhakerovi, Ph.D. za odbornou pomoc a konzultaci při vytváření této diplomové práce.

- 5 -

Obsah

Seznam použitých zkratek ... - 8 -

Seznam ilustrací ... - 9 -

Seznam tabulek ... - 11 -

Úvod ………- 12 -

1 Compartment syndrom ... - 13 -

1.1 Lokalizace CS u dolní končetiny ... - 13 -

1.2 Patofyziologie compartment syndromu ... - 14 -

1.3 Klinické příznaky ... - 15 -

1.4 Diagnostika ... - 16 -

1.5 Terapie a léčba ... - 16 -

1.5.1 Fasciotomie... - 16 -

1.6 Metody měření compartment syndromu ... - 17 -

1.6.1 Invazivní metody compartment syndromu ... - 18 -

1.6.2 Neinvazivní metody měření compartment syndromu ... - 21 -

1.6.3 Diskuse ... - 28 -

2 Impedance lidského těla ... - 29 -

2.1 Bioimpedance v tkáních ... - 29 -

2.2 Frekvenční disperze ... - 30 -

2.3 Elektrody a jejich zapojení při měření bioimpedance ... - 32 -

2.4 Bioimpedanční analýza ... - 33 -

2.4.1 Elektrická impedanční analýza ... - 34 -

2.4.2 Elektrická impedanční spektroskopie ... - 34 -

2.4.3 Elektrická impedanční pletysmografie ... - 34 -

2.4.4 Elektrická impedanční myografie ... - 35 -

2.5 Využití bioimpedanční analýzy pro detekci patologických změnách v DK .. - 35 -

2.6 Popis přístroje pro měření bioimpedance ... - 36 -

2.6.1 Měřící obvod ... - 36 -

2.6.2 Měření impedance ... - 37 -

2.7 Přístroje pro měření nasycení krve kyslíkem ... - 37 -

- 6 -

2.7.1 Neinvazivní regionální oxymetrický systém Masimo ... - 37 -

2.7.2 Systém pro měření SpO2 Masimo ... - 38 -

2.8 Průběh měření ... - 38 -

2.8.1 Měřená skupina ... - 39 -

2.8.2 Umístění měřících senzorů. ... - 39 -

2.8.3 Průběh měření ... - 39 -

2.8.4 Ukládání naměřených dat ... - 40 -

3 Zpracování a vyhodnocení dat ... - 41 -

3.1 Úprava dat v prostředí Matlab ... - 42 -

3.1.1 SpO2 ... - 43 -

3.1.2 Korekce fáze ... - 43 -

3.1.3 Korekce impedance ... - 44 -

3.1.4 Úprava dat k dalšímu zpracování ... - 44 -

3.2 Vyhodnocení dat zprůměrováním jednotlivých cyklů ... - 46 -

3.3 Statistické testování souboru dat ... - 51 -

3.3.1 ANOVA ... - 53 -

3.3.2 Jednosměrná ANOVA ... - 58 -

3.3.3 Kruskal-Wallisovu test ... - 58 -

3.3.4 Welch ANOVA ... - 58 -

3.3.5 Post-hoc test ... - 58 -

3.4 Výsledky statistického testování ... - 60 -

3.4.1 Změna impedance ... - 60 -

3.4.2 Změna fázového úhlu ... - 62 -

3.4.3 Změna parametrů okysličení krve ... - 63 -

3.5 Soubor dat z doplňujícího experimentu ... - 66 -

3.5.1 Vyhodnocení dat metodou zprůměrování jednotlivých cyklů měření ... - 66 -

3.5.2 Statistické testování nových dat ... - 68 -

3.5.3 Statistické testování nových dat ... - 71 -

3.6 Porovnání výsledků původního souboru dat a dat nových ... - 78 -

Závěr ………- 79 -

Použitá literatura ... - 80 -

- 7 - Seznam příloh ………. ... - 84 -

- 8 -

Seznam použitých zkratek

Zkratka Význam

IP Intrafasciální prostor

CPL Kreatinfosfokináza

JIP Jednotka intenzivní péče

STIC Transduktoru v pevném stavu

pH Potenciál vodíku

NIRS Blízké infračervené spektroskopie I2C Sběrnice s dvoudrátovým rozhraním

SCL Linka hodinového signálu

SDA Datová linka

rSO2 Regionální saturace kyslíkem SpO2 Celková nasycenost krve kyslíkem

ST Cyklus stání na obou nohách

SP Cyklus stání na levé špičce

ST2 Cyklus druhého stání na obou nohách

SE Cyklus sezení na židli

- 9 -

Seznam ilustrací

Obrázek 1.1. IP prostory bérce [1] ... - 14 -

Obrázek 1.2. Vedení řezu při fasciotomii u končetiny s kompartemn syndromem [9] ... - 17 -

Obrázek 1.3. Měření intramuskulárního tlaku pomocí jehlového manometru [10] ... - 18 -

Obrázek 1.4. Štěrbinový katetr [10] ... - 19 -

Obrázek 1.5. Měření intramuskulárního tlaku pomocí Strykleru [11] ... - 20 -

Obrázek 1.6. Měření compartment syndromu pomocí tlakové sonografie [19] ... - 23 -

Obrázek 1.7. Střední amplituda pulzně synchronních oscilací se zvýšila s absolutní úrovní intramuskulárního tlaku [27] ... - 27 -

Obrázek 2.1. Model buňky [29] ... - 30 -

Obrázek 2.2. Průchod střídavého proudu buňkou [29] ... - 30 -

Obrázek 2.3.Coleův-Coleův diagram [36] ... - 31 -

Obrázek 2.4. Frekvenční závislost relativní permeability a specifické vodivosti komplexní biologické tkáně [31] ... - 31 -

Obrázek 2.5.Bipolární a transpolární zapojení elektrod [29] ... - 32 -

Obrázek 2.6.Bipolární zapojení [29] ... - 33 -

Obrázek 2.7.Transpolární zapojení [29] ... - 33 -

Obrázek 2.8.Průchod nízkofrekvenčního a vysokofrekvenčního proudu zdravou a ischemickou tkání [31] ... - 35 -

Obrázek 2.9.Průchod signálu regionálního oximetru [40] ... - 38 -

Obrázek 2.10.Schéma zapojení senzorů pro měření bioimpedance a okysličení ... - 39 -

Obrázek 2.11.Schéma zapojení senzorů pro měření bioimpedance a okysličení ... - 40 -

Obrázek 3.1. Průběh změny fázového úhlu zatížené a referenční končetiny ... - 45 -

Obrázek 3.2. Průběh měření po úpravě dat ... - 46 -

Obrázek 3.3.Zobrazení výsledného procentuálního rozdílu cyklu SP-ST... - 50 -

Obrázek 3.4.Zobrazení výsledného procentuálního rozdílu cyklu ST2-ST ... - 51 -

Obrázek 3.5. Zobrazení výsledného procentuálního rozdílu cyklu SE-ST ... - 51 -

Obrázek 3.6. Zobrazení průběhu jednoho z měření po zprůměrování každé 5, 10 a 20 s. ... - 52 -

Obrázek 3.7.Průběh upravených dat pro dva vybrané subjekty ... - 53 -

Obrázek 3.8. Diagram postupu zpracování dat ANOVA testem. ... - 54 -

Obrázek 3.9. Ggplot rozložení dat ... - 55 -

Obrázek 3.10. QQ plot rozložení dat ... - 56 -

Obrázek 3.11.Zobrazení odlehlých pozorování ... - 57 -

Obrázek 3.12.Vizualizace post-hoc testu ... - 59 -

Obrázek 3.13.Odhadovaného diagramu mezního průměrného rozdílu s 95 % intervalem spolehlivosti - 60 - Obrázek 3.14. Průběhy měření u subjektu č.13 všech měřených frekvencích ... - 64 -

Obrázek 3.15.Průběhy měření u subjektu č.1 ve všech měřených frekvencích ... - 64 -

- 10 -

Obrázek 3.16. Průběhy všech měření měřené při frekvenci 10 kHz ... - 65 -

Obrázek 3.17.Průběhy všech měření měřené při frekvenci 90 kHz ... - 65 -

Obrázek 3.18. Vizualizace dat prvního a druhého typu ... - 69 -

Obrázek 3.19. QQ plot prvého a druhého typu dat ... - 70 -

Obrázek 3.20. Vizualizace post-hoc testu pro první a druhý typ dat ... - 71 -

Obrázek 3.21. Vizualizace post-hoc testu druhého typu dat pro změnu impedance ... - 73 -

Obrázek 3.22. Vizualizace post-hoc testu druhého typu dat pro změnu impedance ... - 75 -

Obrázek 3.23. Vizualizace post hoc testu pro parametry okysličení a BPM pro první subjekt ... - 76 -

Obrázek 3.24. . Vizualizace post hoc testu pro parametry okysličení a BPM pro druhý subjekt ... - 77 -

- 11 -

Seznam tabulek

Tabulka 3.1.Výsledky změny impedance metodou zprůměrování jednotlivých cyklů měření ... - 48 -

Tabulka 3.2.Výsledky změny fázového úhlu metodou zprůměrování jednotlivých cyklů měření .... - 49 -

Tabulka 3.3.Výsledky změny lokálního okysličení a celkové saturace krve kyslíkem metodou zprůměrování jednotlivých cyklů měření ... - 50 -

Tabulka 3.4.Výsledné hodnoty ANOVA testování pro změnu impedance ... - 61 -

Tabulka 3.5.Procentuální shoda metody vyhodnocení dat pomocí zprůměrování jednotlivých cyklů a ANOVA testování pro změnu impedance ... - 62 -

Tabulka 3.6.Výsledné hodnoty ANOVA testování pro změnu fázového úhlu ... - 62 -

Tabulka 3.7.Procentuální shoda metody vyhodnocení dat pomocí zprůměrování jednotlivých cyklů a ANOVA testování pro změnu fázového úhlu ... - 63 -

Tabulka 3.8.Výsledné hodnoty ANOVA testování pro změnu fázového úhlu ... - 63 -

Tabulka 3.9.Výsledná změna impedance jednotlivých cyklů měření pro subjekt 1 a 2 ... - 67 -

Tabulka 3.10. Výsledná změna fázového úhlu jednotlivých cyklů měření pro subjekt 1 a 2 ... - 67 -

Tabulka 3.11.Výsledná změna lokálního okysličení, celkové saturace a BPM jednotlivých cyklů měření pro subjekt 1 a 2 ... - 68 -

Tabulka 3.12.Statistické vyhodnocení změny impedance pro první typ dat ... - 71 -

Tabulka 3.13.Statistické vyhodnocení změny fázového úhlu pro první typ dat ... - 72 -

Tabulka 3.14.Statistické vyhodnocení změny parametrů okysličení a PBM pro první typ dat ... - 72 -

Tabulka 3.15.Statistické vyhodnocení změny impedance pro druhý typ dat ... - 72 -

Tabulka 3.16.Statistické vyhodnocení změny fázového úhlu pro druhý typ dat ... - 74 -

Tabulka 3.17.Statistické vyhodnocení změny parametrů okysličení a PBM pro druhý typ dat ... - 75 -

- 12 -

Úvod

Tato práce se zabývá vyhodnocením preklinického testu měřícího nástup compartment syndromu bioimpedanční metodou. Compartment syndrom je stav zvýšení intercelulárního tlaku v uzavřeném prostoru (compartmentu), vedoucí k vaskulární okluzi způsobující ischemii tkáně. V klinické praxi je tento syndrom monitorován převážně invazivně, a to měřením intramuskulárního tlaku. Toto měření může způsobit komplikaci jako infekci či poranění okolní tkáně, a proto by bylo vyvinutí nové neinvazivní metody měření nástupu compartment syndromu v této problematice klíčové.

Bioimpedanční metoda je metoda měření elektrických vlastností tkáně, které se mění se stupňující se ischemií tkáně. Navržený přístroj měřil změnu impedance, fáze, lokálního okysličení a saturace kyslíkem v několika cyklech měření, zahrnující jak zatížení končetiny, které mělo simulovat nástup compartment syndromu, tak relaxaci.

Výsledky měření jsou následně upraveny a vyhodnoceny pomocí statistického testování, které určí průkaznost a funkčnost navrženého přístroje.

- 13 -

1 Compartment syndrom

Compartment syndrom, je i přes známé nedozírné následky podceňovaný a vysoce rizikový stav, který není adekvátně monitorován a léčen, a proto počet postižených pacientů tímto syndromem stoupá.

Compartment syndrom je stav, při němž zvýšený intrafasciální tlak způsobí vaskulární okluze, které vedou k ischemizaci končetiny.

Na základě zvýšeného tlaku v těsně uzavřeném anatomickém prostoru dojde ke zpomalení až zastavení normální krevní perfuse, která vede k lokální ischemii. Zvýšení tlaku je po nějakou dobu kompenzován díky poddajnosti fascie. Po vyčerpání fascie dochází k rozvoji lokální ischemie, kterou provází řada klinických projevů označovány jako compartment syndrom. [1]

Ačkoli je compartment syndrom popsán ve všech oblastech těla od hlavy až po patu, etiologie, diagnóza, léčba a prevence jsou nejlépe charakterizovány pro čtyři klíčové oblasti těla. První oblastí jsou končetina, druhá je dutina břišní, třetí jsou syndromy hrudního compartmentu a čtvrtou oblastí je hlava. Dále se budeme zabývat pouze compartment syndromem dolních končetin. [2]

Compartment syndrom lze klasifikovat buď jako primární, tedy compartment syndrom způsobený patologii v rámci compartmentu, nebo sekundární, u kterého nedochází k žádnému patologickému stavu. Dalším parametrem, kterým můžeme compartment syndrom klasifikovat je hledisko etiologie.

Etiologie se zabývá příčinami vzniku. Například vznik compartment syndromu způsobený traumatem, dlouhodobým namáháním končetiny nebo sepsí. [2]

Lokalizace compartment syndromu

S compartment syndromem se z hlediska anatomické lokalizace můžeme setkat tam, kde jsou svaly a nervové cévní svazky uzavřeny ve faciálním obalu.

1.1 Lokalizace CS u dolní končetiny

V prostorách dolních končetin se compartment syndrom vyskytuje stejně často jako na horních končetinách. Příčinou bývají těžké zhmožděniny.

Na dolní končetině je compartment syndrom nejčastěji diagnostikován v oblasti bérce. Důvodem jsou nejspíš anatomické predispozice, ale také kvůli častějšího výskytu zranění. Některé studie uvádí, že se compartment syndrom vyskytuje až u 20 % zlomenin bércové kosti. Stejně tak je zde nejčastěji lokalizován compartment syndrom po cévních operacích, po embolektomii, po akutní trombóze ale také po intenzivní svalové činnosti.

Na bércové kosti může lokalizovat čtyři intrafasciální prostory dále IP.

Rozlišujeme přední IP, která obsahuje m. thibialis anterior, m. extensordigitorum longus a m. extensor halucis longus a případě také m. peroneus tertius, jenž se odděluje z m. thibialis anterior. Skupina svalů ležících mezi thibií a fibulou na membrana interossea a je inervována od n.peroneus profundus, který zde probíhá spolu s a. thibialis anterior.

Prostor je poměrně velmi těsně uzavřen a riziko vzniku compartment syndromu je zde, především při přímém poranění IP prostoru, velmi vysoké.

- 14 - Laterální IP prostor obsahuje pouze dva svaly, m. peroneus brevis a m. peroneuslongus, které jsou inervovány z n. peroneus superficialis. Tento prostor bývá poškozen při zlomenině v oblasti proximální fibuly. Compartment syndrom je zde ale o něco méně častý než v předním prostoru.

Povrchový zadní IP prostor obsahuje m. gastrocenemium a m. soleus, dále n. suralis, v. saphenu. Svaly tohoto prostoru jsou klíčové pro flexi v koleně a pohyb v talocrulálním kloubu, distální část přechází v Achillovu šlachu.

Hluboký zadní IP prostor obsahuje m. tibialis posterior, m. flexor digitorum longus a m. flexor hallucis longus, které jsou inervovány z n. tibialis a prochází zde a. tibialis posterior. [1]

Obrázek 1.1. IP prostory bérce [1]

1.2 Patofyziologie compartment syndromu

Patofyziologie působení zvýšení tkáňového tlakuje je dána vzájemnou souvislostí mezi tkáňovým tlakem v IP prostoru, žilním tlakem, arteriálním lokálním a celkovým tlakem a metabolickými nároky tkáně. V postupném rozvoji compartment syndromu dochází v důsledku zvýšení tlaku v IP prostoru k omezení této perfuse, což má za následek insuficienci metabolismu tkání s následnou poruchou funkce.

Normální tlak v IP prostoru se pohybuje okolo 3–4 mm Hg a zvýšení tlaku nad 30–40 mmHg bývá spojeno se vznikem compartment syndromu. Hodnoty mezi 20–40 mm Hg se nazývají tzv. šedou zónou a jsou pro vznik compartment syndromu velmi nebezpečné. V dětském věku je hodnota okolo 30 mm Hg hraniční, jelikož dětská buňka má nižší hypoxickou odolnost než buňky u dospělých. [1]

Vnitřní komprese souvisí se zvýšením intramuskulárního tlaku ve fasciálním compartmentu. Fascie obklopující svaly nejsou zcela pružné a neumožňuje tak reagovat na zvyšující se tlak. Teorie arteriovenózního gradientu je nejčastěji příjmaný model toho, jak poškození oběhu vede ke svalové nekróze. Arteriovenozní gradient vyjadřuje poměrný rozdíl mezi arteriální a žilním tlakem. Pokut se pohybuje v pozitivních hodnotách, znamená to, že krev může proudit ve směru A-V a vyživovat tkáň. V opačném případě, tedy pokuď roste arteriální i žilní tlak, snižuje se také hodnota gradientu. To zhoršuje

- 15 - tok okysličené krve do svalu a okysličené krve ze svalů. To vede ke zvyšující se metabolické potřebě kyslíku, která je neuspokojivá.

Bludný kruh se navíc uzavírá tím, že krevní stázou nastává větší přestup intravazální tekutiny do IP, která způsobuj poruchu odtoku lymfy. To nadále zvyšuje tlak v IP prostoru a prohlubuje patologický stav. [1] [4]

Jedna z příčin vzestupu tlaku v compartmentu je otok vznikající po poranění compartmentu. Tlak uvnitř compartmentu může překročit kapilární hydrostatický tlak a způsobit vaskulární stagnaci, která vede k anaerobnímu metabolismu kosterních svalů. Kyslíkový dluh v kosterních svalech může vyvolat zvýšenou kapilární permeabilitu a zahájit zánětlivé procesy. Další častou příčinou zvýšení tlaku je krvácení, které můžeme vidět u poškození cév po chirurgických zákrocích nebo u zlomenin. Zvláštní pozornost je třeba věnovat pacientům trpícím koagulopatii nebo pacientům pod striktní antikoagulací.

U těchto pacientů muže ke krvácení dojít i bez zjevného traumatu. [3]

Extravaskulární přítomnost krve způsobuje také další poškození tkáně různými biochemickými a buněčnými procesy, které zhoršují tkáňovou ischemii. Muže také dojít k takzvanému Crush syndromu, který je charakterizován náhlým selháním ledvin v důsledku sražení myoglobinu uvolněného z poškozeného svalu. Z poškozeného svalu se také uvolňuje kyselá a hyperkalemická krev, která má za následek srdeční arytmie a další srážení myoglobinu v ledvinách. Rozsáhlé ireverzibilní poškození svalu může také vést k amputaci a v některých případech ke ztrátám na životech. [2]

Méně frekventovanými příčinami zvýšení tlaku jsou popáleniny, intoxikace, toxické reakce, uštknutí hadem, nebo intenzivní cvičení. Řadíme zde ale také příčiny v důsledku omezení prostoru jako například špatné nebo těsné umístění obvazu, sádry nebo dlahy. [2] [4]

1.3 Klinické příznaky

Klinické symptomy compartment syndromu jsou velice typické. První fází je myoneurální bolest v postižené oblasti, která sílí se svalovým tonusem. Postupně také dochází k periferním nervovým poruchám, která se projevuje jako parestézie, dysestesie až anestezie. Zásadním projevem je edém.

Stav pokračuje poruchou motorických funkcí. Muže dojít také ke změněn barvy postižené oblasti.[1]

Posledním stupněm je necitlivost celé postižené oblasti a rozvoj ischemických svalových příznaků, které mohou vést až k myoglobinurickému selhání ledvin a smrti.

Všechny předem zmíněné symptomy mají při stanovení diagnózy inherentní nevýhody. Bolest je nespolehlivý a proměnlivý indikátor. Může se pohybovat od velmi mírné po těžkou a u pacientů kteří byli podrobeni nedávnému traumatu je již přítomná. To znamená že bolest poranění může blížící se compartment syndrom maskovat. [1] [3]

Hmatatelná napjatost je hrubým indikátorem zvýšeného tlaku v compartmentu, jelikož pouze malá část compartmentů nohy jsou dostatečně povrchové, aby byly hmatatelné pod kůží.

Paralýza jde velmi obtížné zjistit u pacienta po traumatu a prokazatelnou paralýzu muže vyvolat také poranění nervu. Pokud je syndrom akutního compartmentu tak pokročilý, že způsobit zjistitelnou

- 16 - svalovou paralýzu, plně funkční zotavení je velmi ojedinělé. Ve studiích se hovoří pouze o 13 %. Včasná a správná diagnostika je tedy velmi zásadní a může zachránit život. [8]

1.4 Diagnostika

Včasné stanovení diagnózy je základem terapeutického úspěchu. Je šest bodů, které vedou k časné a správné diagnóze:

• Trvalé povědomí o možnosti vzniku této komplikace.

• Přítomnost možného etiologického faktoru.

• Pečlivé sledování pacienta.

• Klinická symptomatologie.

• Pomocné vyšetření (oxymetrie, laboratorní vyšetření apod.).

• Monitorování intrafasciálních tlaků. [1]

Mít stále na paměti možnost vzniku compartment syndromu, je hlavním vodítkem k úspěchu v terapii.

U pacientů, kteří prodělali některý z výše uvedených faktorů, které vedou ke compartment syndromu, je sledování průběhu zcela nezbytné.

Pokud by se při sledování objevil symptomy jako bolest, bledost, bezmocnost, paralýza a parestézie musí lékař neprodleně zasáhnout.

Vyšetření oxymetrií a laboratorní vyšetření (CPL-kreatinfosfokináza, CRP-C-reaktivní protein, fibrin- degradační produkt apod.) jsou pouze pomocné vyšetřovací metody. Není totiž přípustné se spoléhat pouze na jejich výsledky, neboť bývají často zavádějíc.

Monitorace intrafasciálních tlaků je suverénní diagnostickou metodou. Hodnoty IP spolu s klinickým nálezem jednoznačně vypovídá o diagnóze a následné terapii. [1] [3]

1.5 Terapie a léčba

Pokut existuje podezření na compartment syndrom, které se při diagnostice potvrdí, je jediným cílem postiženou končetinu zachránit. Stěžejní je snížit tlak v IP prostoru před tím, než dojde k ireverzibilním ischemickým změnám. Tato doba je velmi odlišná, hovoří se o 6-8 hodinách. Po této době dochází k nenávratným ischemickým změnám končetiny. Při opakovaném změření zvýšeného IP tlaku se lékaři rozhodují mezi třemi různými metodami léčby. [1] [4]

1.5.1 Fasciotomie

Pro provedení fasciotomie je doporučení hodnota IP nad 30 mm Hg. Samotná léčba založená na tomto měření však může vést ke zbytečnému chirurgickému zákroku. Zvýšené specificity lze dosáhnout kombinací zvýšeného tlaku v IP s přítomností klinických příznaků.

Fasciotomie vede k dekompresi intrafasciálního prostoru. Při compartment syndromu bérce je zásadní otevření všech IP prostor. Provádět fasciotomie na napjaté, oteklé končetině může být skličující a obtížný úkol. Doporučenou technika jsou dva řezy. Povrchové a hluboké zadní oddíly jsou dekomprimovány prostřednictvím mediálního podélného řezu umístěného 1–2 cm za středním

- 17 - okrajem holenní kosti. Druhý podélný řez 2 cm laterálně od přední tibiální hranice dekomprimuje přední a laterální oddíl. Přesné umístění řezů je zásadní. Mediální řez musí být před zadní tibiální tepnou, aby nedošlo k poranění perforujících cév, které zásobují kůži končetiny. [1] [9]

Palpace podkožních okrajů holenní kosti může být v oteklé noze problémem, a proto se doporučuje před provedením řezů označit anatomické orientační body. Při dekompresi hlubokého zadního compartmentu je třeba postupovat opatrně, kvůli možnému poranění zadního tibiálního neurovaskulárního svazku. Postranní řez neúmyslně provedený přes lýtkovou kost může odhalit okostici a prodloužení řezu distálním směrem může odhalit perineální šlachy. Odhalení kosti nebo šlach, zvyšuje riziko opožděného hojení, infekce a může vést až amputací. Po dekompresi je pečlivě posouzena životaschopnost svalu a radikálně vyříznuta veškerá neživotaschopná tkáň.

Obrázek 1.2. Vedení řezu při fasciotomii u končetiny s kompartemn syndromem [9]

Po provedení fasciotomie je pacient umístěn na oddělení JIP a nadále klinicky sledován. Rány se pokrývají sterilním obvazem a jsou opakovaně převazovány. Po třech dne se provádí důkladná revize rány a veškerá nekrotická tkáň je vyříznuta. [9]

1.6 Metody měření compartment syndromu

Monitorování tlaku v compartmentu se pokouší objektivně posoudit tlak v každém svalovém oddílu, ale kolem jeho rutinního používání se vedou kontroverze, zejména pokud jde o hodnotu údajů o tlaku ve srovnání s pravidelným klinickým hodnocením a o prahové tlaky, při nichž je třeba chirurgicky zasáhnout. Ve studiích se objevují odlišné hraniční hodnoty, u kterých je nutný chirurgický zákrok. Jako zlatý standard považuji hodnotu vyšší než 30 mmHg jelikož byla ve studiích zmíněna nejčastěji.

K dispozici je řada zařízení pro monitorování tlaku, včetně tradiční jehlové manometrie, snímačů a víceparametrových monitorů, které se obvykle používají ke sledování arteriálního krevního tlaku a vyhrazené monitory tlaku v komoře. Měření tlaku získaná kterýmkoli z těchto zařízení jsou výrazně

- 18 - citlivější a specifičtější pro diagnostiku compartment syndromu než samotné klinické vyšetření.

Všechny tyto metody, které se běžně používají, jsou spíše invazivní a pro pacienta nepříjemné.

S otázkami týkajícími se diagnostické užitečnosti monitorování tlaku v oddílech pokračuje výzkum zaměřený na zkoumání alternativních metod, které se méně zaměřují na tlak a více na parametry, které patologii dolních končetin provází. Mezi tyto parametry patří především změny hemodynamiky a metabolismu tkáně. [8] [10]

1.6.1 Invazivní metody compartment syndromu

Tlak v komoře lze měřit několika metodami. Tyto metody lze rozdělit na systémy naplněné tekutinou, které používají mimotělní snímač a systémy zakončené snímačem. Systémy naplněné tekutinou, které se aktuálně používají, jsou například štěrbinový a knotový katetr a systém Strykler.

Katetry zakončené sondou zahrnují intra-compartmentový katetr transduktoru v pevném stavu (STIC), katetr s optickým vláknem zakončeným měničem a katetrový systém se zakončením měniče.

Metody naplněné tekutinou vyžadují infuzi nebo malé injekce fyziologického roztoku, aby byl zachován průchodnost katétru. Rovněž je třeba je kalibrovat a upravit s ohledem na úroveň špičky katetru ve vztahu k mimotělnímu měniči. Kapalina, která je součástí těchto systému může při měření způsobuje tlakové artefakty. Naopak katetry zakončené sondou jsou systémy s nízkou poddajností a pro svou funkci nepotřebují tekutinu. [8] [10]

1.6.1.1 Měrení intramuskulárního tlaku pomocí jehlového manometru

Metoda podle Whitesidesna a spol. využívá ruční jehlový manometr, který se používá pro jednorázové měření tlaku. Systém se skládá z jehly o průměru 18 mm a rtuťového manometru. Tato metoda spočívá v zasunutí jehly do svalové komory, přičemž je třeba dbát na to, aby pronikla do fascie, a aplikovala do ní 1-2 cm3 solného roztoku, aby nedošlo ke sražení krve a tím i k neprůchodnosti jehly.

Pro správou aplikaci jehly stačí základní znalost anatomie. Jehla se vpichuje jak do předního, bočního tak i do povrchového zadního IP prostoru.

Obrázek 1.3. Měření intramuskulárního tlaku pomocí jehlového manometru [10]

Probléme této metody je možné ucpaní jehly, a to jak svalem, tak krevní sraženinou. Dalším problémem této metody je nemožnost kontinuálního měření, které nám přesněji určí, změnu tlaku v

- 19 - IP prostoru. Ve srovnání s knotovými a polovodičovými katetry, je jehlový manometr nejméně přesný.

Tento systém produkuje falešně vysoké hodnoty při měření nízkých tlaků a falešně nízké hodnoty při měření vysokých tlaků. [10]

1.6.1.2 Měření intramuskulárního tlaku pomocí katetru

Pro překonání některých výše zmíněných nedostatků byli vyvinuty dva typy katétrových systémů po měření tlaku v IP prostoru. Mubarak a kol. přestavili knotový katetr, který vedl k přesnějšímu měření tlaku. Knotová vlákna na ústí katetru zabraňují možnému ucpání katetru, ale také poskytují větší kontaktní plochu.

Mezi nevýhody knotového katétru patří možné koagulace kolem špičky, měření pouze jednoho IP prostoru a možnost zanechání materiálu v ráně.

Rorabeck a kol. představil štěrbinový katetr, který je ve srovnání s knotovým katetrem méně náchylný ke koagulaci na špičce katetru. Jeho použití je relativně snadné a jeho výroba není náročná. Jeho nevýhodou je možná deformace špička štěrbinového katétru.

Obrázek 1.4. Štěrbinový katetr [10]

Zvětšení povrchu špičky u měřeni pomocí katetru uvnitř svalové tkáně, zlepšuje přesnost měření.

Špičky nejsou rovnoměrné, vlákna se prodlužují od konce knotového katétru a špička štěrbinového katétru má několik řezů na konci, aby se snížila pravděpodobnost zablokování hematomem nebo okolním svalem.

Velkou výhodou těchto systémů je nepřetržitý záznam tlaku po dobu až 24 h. Přesnost měření také závisí na správném umístění externího měniče. Ve studiích se uvádí že štěrbinový katetr je nejpřesnější metoda pro dlouhodobé měření tlaku v IP prostoru. [8] [10] [11]

1.6.1.3 Měření intramuskulárního tlaku pomocí Strykleru

Asi nejvíce rozšířeným systémem pro měření tlaku v IP prostoru je tzv. Stryker. Stejně jako u předchozích typů se jedná o systémy naplněné kapalinou a je vhodný i pro dlouhodobé měření tlaku v IP prostoru. Stryker používá jehlu s bočními otvory, ale lze jí vyměnit i za výše zmíněné katetry.

Při měření je nutno aplikovat fyziologický roztok, aby nedošlo ke sraženině krve což může vést k nepřesnému měření. Další nevýhodou tohoto systému je to, že se s ním v průběhu měření nesmí hýbat.

Pohyb by mohl vyvolat reakci ve sloupci roztoku, což může vést k artefaktům v měření. I přes tyto nevýhody je tento systém nejčastěji používaným v klinické praxi. [11]

- 20 - Obrázek 1.5. Měření intramuskulárního tlaku pomocí Strykleru [11]

1.6.1.4 Měření intramuskulárního tlaku pomocí optického vlákna

Další metodou, která by byla schopna omezit nedostatky předchozích systému je měření tlaku, pomocí katetru zakončeným otickým vláknem. Systém s optickým vláknem zakončeným měničem nabízí oproti běžným systémům plněným tekutinou výrazné výhody. Neprodukuje artefakty hydrostatického tlaku a pro dlouhodobé měření nevyžaduje aplikace fyziologického roztoku.

Tento systém obsahuje katetr, kterým jsou vedeny dvě optická vlákna. Jedno vlákno vyzařuje světlo na membránu senzoru, která je v kontaktu s měřeným IP prostorem. Druhé vlákno přenáší odražené světlo zpět do měřicího přístroje. Odražené světlo se mění v závislosti na tvaru membrány senzoru, který je ovlivňován tlakem v měřeném IP prostor. Systém obsahuje také převodník optických vláken.

Tento převodník je relativně velký a musí být připevněn k pouzdru umístěného uvnitř IP prostoru, které pacientovi způsobuje nepohodlí.

Výhodou tohoto systému je dlouhodobý a přesný záznam tlaků, a to po dobu až 3 dnů. Další výhodou oproti předchozích systémů je eliminace artefaktů vzniklých přítomností kapaliny a absence nutnosti aplikace fyziologického roztoku. [11] [12]

1.6.1.5 Měření intramuskulárního tlaku pomocí STIK katetru

Dalším systémem, který se pokusil eliminovat chyby jsou katetry zakončené sondou. Zde se budeme zabývat intra-compartmentovým katétrem s transduktorem v pevném stavu (STIC). Tento typ katetru se používá především pro okamžité měření tlaku. Při vývoji STIC katetru, byly provedeny následující úpravy a vylepšení, aby se zamezilo artefaktům způsobené přítomností tekutiny. Byl použit transduktor pevné fáze s vysokofrekvenční odezvou. Další konstrukční prvky, které vedly k lepšímu zaznamenání tlaku bylo zkrácení vzdálenosti mezi špičkou katetru a převodníkem a zvětšení poloměru lumenu katétru. Dále byla vyvinuta technika intra – compartmentového umístění katétru, aby se snížilo poškození svalů.

Naopak problémem tohoto systému je větší průměr katetru, který může způsobit větší narušení svalu a tím i větší bolest při aplikaci. Proto je třeba do místa aplikovat anestetikum které může způsobit změnu myotoxicity svalové tkáně. [13]

- 21 - 1.6.2 Neinvazivní metody měření compartment syndromu

V klinické praxi by vývoj přesné, reprodukovatelné a neinvazivní technika pro měření intramuskulárního tlaku u pacientů s podezřením na compartment syndromy usnadnil nejen diagnostiku lékařům, ale především eliminoval nepříjemnosti spojené s invazivními metodami. Oproti invazivním metodám by nedocházelo ke komplikacím jako bolest, krvácení, poškození svalové tkáně a možnou infekcí.

Neinvazivní metody oproti těm invazivním neměří přímo intramuskulární tlak, ale měří jiné parametry, které jsou pro compartment syndrom typické, například pohyb svaloviny, pulzaci arterie zásobící končetinu, poměr pružnosti a kontrakce svalů. Mezi neinvazivní metody patří například diagnostika compartment syndromu pomocí ultrazvukového měření, pozorování okysličování svalů, pomocí radiofrekvenčních vln a sonografie.

I přes to, že veškeré neinvazivní metody pro měření intramuskulárního tlaku jsou relativně levné a pro pacienta přijatelnější, jedná se o metody, které jsou ve fázi klinického zkoumají a v praxi se zatím běžně nepoužívají. [15] [21]

1.6.2.1 Měření compartment syndromu pomocí PPLL

Neinvazivní ultrazvuková měření pohybu svalového oddílu poskytují slibnou alternativu k současným, invazivním metodám. Digitální PPLL je nízkoenergetický ultrazvukový přístroj, který využívá algoritmus pulzního fázového závěsu k detekci a nepřetržitému monitorování velmi malých změn ve vzdálenosti mezi ultrazvukovými měniči a podkožní tkání, které jsou schopné odrážet ultrazvukový puls. Každá arteriální pulzace způsobí, že se compartment přechodně rozpíná. Tím se vytvoří charakteristický průběh, který se zaznamenává v reálném čase a odráží přizpůsobení a odskočení svalové fascie v důsledku pulzu arteriálního tlaku. Fasciální posuny v compartmentech se zvýšeným intramuskulárním tlakem jsou významně větší než fasciální posuny v normálních compartmentech se základním perfuzním tlakem.

Toto zařízení vysílá akustický signál o intenzitě 2 MHz převodníkem, spojeným s povrchem kůže. Signál se šíří kůží a svalovou tkání a odráží se od podkladových tkání zpět do převodníku. PPLL je schopno se

„uzamknout“ na specifický odraz a specifikované hloubce ve tkáni. Tento uzamykací bod slouží jako referenční bod měření. Tímto místem bývá například membrána mezi holenní a lýtkovou kostí. PPLL porovnává fázi vysílaného puls s pulzem přijatým a pomocí zpětnovazební smyčky udržuje konstantní fázi 90 °a měří změnu frekvence každého následujícího pulzu.

PPLL je schopno detekovat křivky faciálního posunutí v přední část nohy, která odpovídá tepnové pulzaci. Tyto křivky mají charakteristický tvar jak ve zdravé končetině, tak v končetině se zvýšeným intramuskulárním tlakem. [15] [16]

Wiemann a spol. pro simulaci komartment syndromu využili stehenní škrtidlo, které bránilo žilnímu návratu a vyvolávalo přechodnou okluzi končetiny. Testování se zúčastnilo 8 dobrovolníku, kteří leželi na operačním lehátku. Vyfouknuté škrtidlo bylo aplikováno na levou polovinu stehna. Do levé končetiny byla aplikována lokální anestezie a do svalu na levé končetině byl umístěn štěrbinový katetr, který sloužil jako kontrolní prvek pro měření tlaku v IP prostoru. Na levou končetinu bylo také umístěno

- 22 - PPLL zařízení. Spektrum odrazu ultrazvuku bylo sledováno na osciloskopu a uzamykací bod PPLL byl nastaven na membránu mezi holenní a lýtkovou kostí.

V prvním krku měření byl provedeno základní měření intramuskulárního tlaku po dobu nejméně dvou minut. Poté se manžeta nafukovala od 40 do 100 mmHg v krocích po 20 mmHg, vždy po čtyřech minutách.

Subarteriální tlak na stehenní manžetu způsobil přechodné zvýšení intramuskulárního tlaku, které sloužilo jako simulace compartment syndromu. PPLL bylo schopno detekovat průběhy fasciálního posunu odpovídající arteriální pulzaci a dále rozlišil mezi normálním a zvýšeným intramuskulárním tlakem. Mezi měřením PPLL a invazivním měřením intramuskulárního tlaku pomocí štěrbinového katetru, existovala lineární korelace.

Implementace zařízení PPLL by přineslo revoluci ve způsobu měření intramuskulárního tlaku a usnadnila by diagnostiku compartmentových syndromů. Měření by bylo neinvazivní, bezbolestné a bylo by možno jej používat dlouhodobě. [16]

1.6.2.2 Měření compartment syndromu pomocí ultrasonografie

Sellei a spol. se ve své studii zabývali korelací tlaku a objemu svalového compartmentu. Cílem této studie bylo prokázat proveditelnost tlakově zesíleného ultrazvukového měření pro neinvazivní hodnocení snižování elasticity compartmentu při zvyšování tlaku v compartmentu. Předpokladem bylo to, že existuje měřitelná korelace mezi compartmentovým tlakem a jeho elastickým chováním.

V této studii byla použita lineární ultrazvuková sonda v režimu B pro zobrazení měkkých tkání. Systém byl vylepšen zařízením pro měření tlaku připojeným k hlavici sondy. Měření bylo prováděno na nádobě naplněnou vodou, s rozměry mužského předního tibiálního svalového oddílu.

Převodník citlivý na tlak v hlavici sondy určoval manuální nízkofrekvenční kompresi ručního držáku.

Byly pořízeny ultrazvukové snímky při tlaku 0 mmHg až 100 mmHg.

V pohledu na řez svalové oddílu z ultrazvukového záznamu, byla patrná úzká korelace tlaku a objemu.

Bylo také prokázáno významné zvýšení tloušťky svalového oddílu. Tato korelace tlaku a objemu svalového compartmentu implikuje úzkou korelaci mezi tlakem a elasticitou compartmentu. Hypotéza, že existuje potenciální měřitelná korelace mezi tlakem compartmentu a jeho elastickým chováním pomocí ultrazvukové sondy byla potvrzena. [18]

Alternativou je kompresní sonografie. Jedná se o neinvazivní technika umožňující kvalitativní vizualizace a kvantitativní měření mechanických vlastností tkáně.

Testování bylo provedeno na zvířecím modelu, konkrétně na 3 prasatech. Pro zvýšení intramuskulárního tlaku byl do měřené končetiny aplikován roztok v podobě prasečí krve, který byl upraven tak, aby nedocházelo k hemostázi. Na úrovni největšího průměru lýtka se zvýšeným intramuskulárním tlakem, byla umístěná lineární ultrazvuková sonda (5,5–10 MHz). Průměr oddílu byl měřen mezi tibií a fascií, nejprve bez vnější aplikace tlaku a poté při působení vnějšího tlaku zatlačením na sondě. Poměr pružnosti byl vypočten jako poměr průměrů oddílů bez aplikace a s aplikací vnějšího talku. Použitý vnější tlak byl monitorován pomocí systém Veinpress1, který byl vyvinut pro neinvazivní měření centrálního žilního tlaku.

- 23 - Byl aplikován vnější tlak o hodnotách 15, 30, 40, 50, a 100 mmHg. Pro každý externě aplikovaný tlak byla vytvořena křivka poměru pružnosti.

Poměr pružnosti se významně zvýšil s rostoucím intramuskulárním tlakem a umožnil rozlišovat klinicky významné rozdíly tlaku v IP prostoru. Použití většího vnějšího tlaku mělo za následek strmější křivky poměru pružnosti.

Bylo potvrzeno že kompresivní sonografii může být použita jako citlivá neinvazivní metoda k detekci zvýšeného intramuskulárního tlak u syndromu compartmentu dolní končetiny. Ke shromáždění údajů o poměru pružnosti jsou ale zapotřebí další studie na lidech a klinické ověření sonografii pro měření tlaku v compartmentu. [19]

Obrázek 1.6. Měření compartment syndromu pomocí tlakové sonografie [19]

V další studii byl zjištěn robustní lineární vztah mezi TFA a intramuskulárním tlakem.

Každý stupeň rozdílu v TFA mezi postiženou nohou a zdravou nohou je spojen se zvýšením intramuskulárního tlaku přibližně o 4 mmHg. Například při intramuskulárním tlaku 30 mmHg, TFA kolísala od 45 °až do 89 °, při 50 mmHg od 50 ° do 94 °. Tato variace může být pravděpodobně způsobena odlišnou stavbou těla a svalovou hmotou mezi malou kohortou vyšetřovaných subjektů.

Tato studie byla omezená na mrtvoly průměrného věku 81let, u kterých je pravděpodobné snížení svalové hmoty což mohlo vést k systematicky nižším hodnotám TFC. Výsledky této studie naznačují, že neinvazivní měření TFA je reálně použitelné, ale nálezy jsou příliš předběžné na to, aby je bylo možné, před dalším testováním, použít v klinické praxi. [20]

1.6.2.3 Měření compartment syndromu pomocí fonomyografie

Tato studie se zabývá neinvazivní metodou měření ischemických změn ve svalové tkáni, pomoci fonomyografie. Fonomyografie zaznamenává akustický signál produkovaný svalovou kontrakcí. Hlavní předpokladem této studie je, že akutní ischemie rychle poškozuje svalovou kontrakci, která lze detekovat pomocí fonomyografie, Fonomyografie používá speciální mikrofony k detekci nízkofrekvenčních zvuků vydávané svalovou kontrakcí.

K ověření této studie byl použit zvířecí model, konkrétně se jednalo o 15 krys. Pomocí mikro cévní svorky byl krysám v celkové anestezii zamezen průtok krve do levé dolní končetiny. To způsobilo ischemii svalů levé končetiny. Pravá noha sloužila jako referenční. Mikrofon byl umístěn a přilepen na zadní straně lýtka. Ischemie levé končetiny byla potvrzena okamžitou ztrátou pulzního oxymetrického signálu. Po potvrzení ischemie levé končetiny byl zaznamenán pokles signálu svalových kontrakcí.

Při tomto měření byla simulovaná šestihodinová ischemie levé končetiny. Měření bylo zaznamenáváno po celou dobu trvání testu. Výsledkem byl procentuální pokles signálu na ischemické končetině oproti

- 24 - signálu na referenční končetině. Pro kontrolu probíhající ischemie byly každou hodinu odebíraný vzorky ischemické tkáně, které byly následovně histologicky vyhodnoceny.

Ve všech časových bodech došlo ke statisticky významnému snížení fonomyografického signálu ischemické končetiny. Po 30 minutách ischemie se signál snížil o 55,5 %, což odpovídá 1 % nekrózy svalů a těžkého nervového poškození stupně 1. Po 1 hodině ischemie se signál snížil o 65,6 %, což odpovídá 5–10 % svalové nekrózy a těžkému nervovému poškození stupně 1. Po 2 hodinách ischémie se signál snížil o 68,4 %, což odpovídá 100 % svalové nekrózy a těžkého nervového poškození stupně 1. Po 4 hodinách ischemie se signál snížil o 72,4 % což odpovídá 100 % svalové nekrózy a těžkého nervového poškození stupně 4. Po 6 hodinách ischemie se signál snížil o 92,8 %, což odpovídá 100 % poškození svalů a nevratného poškození nervu.

V této studii byla poprvé použita fonomyografie, která se prokázala jako vhodná metoda pro neinvazivní kontinuální monitorovací k diagnostice ischemických změn u zvířecího modelu a mohla by vést k možné diagnostice akutního compartment syndromu. [21]

1.6.2.4 Měření compartmentu pomocí radiofrekvenčních vln.

Tato práce si kladla za cíl představit novou metodu, koncepci designu a numerickou realizaci neinvazivní radiofrekvenční detekce compartment syndromu. Navrhovaná metoda využívá radiofrekvenčních vlny produkované malou anténou o frekvenci 300 MHz pro identifikaci compartment syndromu. Předpokladem této studie je fakt, že každá tkáň má jiné frekvenční vlastnosti.

Tato studie byla aplikována na matematický model dolní končetiny, přesněji na lýtko, a byl u něj namodelován otok končetiny. Otok byl namodelován pro 0 ml tedy bez edémů, pro 5, 10 a 15 ml s edémem končetiny.

Při měření byla použita anténa produkující elektromagnetickou vlnu o intenzitě 300 MHz. Tato elektromagnetická vlna dopadá na povrch kůže, kde se na rozhraní část odráží. Nereflektovaná část se šíří do kůže, tuku a svalů, a nakonec znovu do kůže, dokud není zachycen přijímací jednotkou na druhé straně.

Modelu končetiny, sestaven z kůže, tuku, kosti a svalů s jejich reálnými elektrickými vlastnostmi mají významný vliv na procházející vysokofrekvenční vlnu. Vlastnosti tkáně řídí šíření, odraz a útlum vlny.

Pro veškerou výpočtovou analýzu byly použity reálné elektrické vlastnosti tkání lidského těla tedy kůže, tuk, sval, kost a mozkomíšní mok, který se svými frekvenčními vlastnostmi nejvíce podobá edému.

Všechny tyto hodnoty byly zaznamenány při frekvenci 300 MHz.

Výsledek ukázal, že při průchodu modelem simulující jednotlivé stádia compartment syndromu se procházející vysokofrekvenční vlna zeslabuje. U modelu s objemem edému 5 ml ve svalové tkáni, dochází ke změně amplitudy koeficientu přenosu ve srovnání se svalovou tkání bez otoku o–0,3 dB. U modelů, které simulují vývoj compartment syndromu během několika hodin, tedy se zvyšujícím se objemu edému na 10 ml a poté na 15 ml je patrná změna amplitudy oproti zdravé končetině o–

1,3 dB.[22]

1.6.2.5 Měření compartment syndromu pomocí změny okysličení tkáně

V další studii se na problematiku compartment syndromu zaměřili z pohledu změny průtoku svalové mikro vaskulární krve, okysličování a pH, které mohou působit jako náhradní ukazatele perfuzního

- 25 - tlaku. Spektroskopie blízkého infračerveného záření a fotopletysmografie byly zmíněny již v předešlých studiích, ale nebyly klinicky implementovány. Jedna studie ukázala, že okysličování svalů významně pokleslo s vnější kompresí končetiny

Ke zvýšení intramuskulárního tlaku byl použit externí pneumatická tlaková komora kombinovaná s venózní stázovou stehenní manžetou. Vzduch byl čerpán do komory, aby stlačil končetinu subjektu, a tlak byl monitorován pomocí měřidla připojeného ke komoře.

Mikro vaskulární průtok krve byl měřen neinvazivně pomocí fotopletysmografie, která se skládá z diody emitující světlo a fotodetektoru. Když dioda emitující světlo, osvětlí oblast pokožky a fotodetektor zaznamená míru zeslabení odraženého světla, protože je část světla absorbována a rozptýlena podkladovou tkání. Toto zeslabení, zaznamenané ve voltech, odpovídá průtoku krve.

Okysličení svalů a pH byly měřeny neinvazivně pomocí továrně kalibrovaného zařízení blízké infračervené spektroskopie-pH. Do této studie byli zahrnuti jedinci se širokou škálou pigmentace kůže a u všech subjektů byl pomocí sondy blízké infračervené spektroskopie-pH získán dostatečný signál.

Této studie se zúčastnilo osm zdravých subjektů, 5 mužů a 3 ženy. Fotopletysmografie a senzory blízké infračervené spektroskopie-pH byly dobrovolníkům umístěny na přední compartment tibie, manžeta byla umístěna kolem pravého stehna, přibližně 10 cm nad kolenem. Experimentální (levá) končetina byla poté umístěna do tlakové komory. Pravá končetina, která nebyla vystavena žádnému tlaku, byl použit jako referenční.

Základní měření byla shromážděna jak na fotopletysmografii, tak na zařízeních s blízkou infračervenou spektroskopií a pH. Poté byly do komory aplikovány tlakové podmínky 40, 50 a 60 mmHg v náhodném pořadí po dobu 11minut. Tlak škrtidla na stehně byl 65 mmHg, za účelem vyvolat žilní stázi.

Bylo zjištěno že po 5minutách měření, kdy se pokles intramuskulárního tlaku ustálil došlo k poklesu mikro vaskulárního průtoku krve ve svalech, okysličení i pH.

Problémem měření compartment syndromu pomocí fotopletysmografie je extrémní citlivost sondy na rušení okolním světlem i na variabilitu umístění senzorů. Optimalizované umístění fotopletysmografických senzorů a minimalizace interference okolním světlem mohou zajistit spolehlivé neinvazivní metodu pro měření compartment syndromu. [23]

Následující studie se zabývá podobnou metodou diagnostiky compartment syndromu, a to diagnostikou pomocí změny okysličení tkáně. Neinvazivní NIRS model využívá stejnou technologii jako pulzní oxymetrie. K průchodu tkání využívá infračervené světlo a měří míru jeho absorpce ze které určí okysličení tkáně. Infračervené světlo je absorbováno tkáňovými chromofory (okysličený a neokysličený hemoglobin). Relativní absorpce různých vlnových délek infračerveného světla závisí na relativních koncentracích okysličeného a neokysličeného hemoglobin.

Detekce syndromu akutního compartmentu pomocí NIRS je založena na skutečnosti, že reakce těla na poranění spočívá ve zvýšení průtoku krve do místa traumatu, které by měl NIRS detekovat. Absence tohoto zvýšení průtoku krve tedy naznačuje hypoperfuzi, která by mohla být způsobena vaskulárním poškozením nebo compartment syndromem. [24]

- 26 - 1.6.2.6 Měření compartment syndromu pomocí bioimpedance

Měření bioelektrické impedance, se v posledních letech stále více využívá k měření strukturálních změn tkáně. Oblíbenost této metody stoupá zejména kvůli její jednoduchosti a finančně nenáročné konstrukci. Tato metoda slouží k vyšetření tkáňové struktury a měření fyziologických jevů probíhajících ve tkáni. Proto by mohla být užitečná při diagnóze compartment syndromu.

Hlavním cílem této studie byla včasná indikace ischemických změn v dolní končetině měřená pomocí bioimpedance. Předpokladem bylo to, že compartment syndrom způsobuje ischemii dolních končetin, která často vede k patologickým změnám na svalové tkáni. Tyto změny jsou doprovázeny závažnou změnou oběhu a zvýšením tlaku v IP prostoru. Svalová ischemie vede k degeneraci svalového svazku s edémem buněk, množení nukleolů, ke ztenčení, a nakonec k rozpadu buněčné membrány. Všechny tyto patologické změny vedou k impedančním změnám tkáně.

V této studii bylo použito měření impedance ve frekvenčním rozsahu od 100 Hz do 1 MHz, s použitím bipolární techniky a čtyř měřících kanálů umístěných na postiženou končetinu. Referenční hodnota tlaku byla měřena pomocí knotový katetru, který byl umístěn do zatížené končetiny. Testování se zúčastnilo 29 dobrovolníků, kteří byli rozděleni do tří skupin podle závažnosti compartment syndromu.

V této studii se podařilo ověřit předpoklad, že při zvyšujícím se intramuskulárním tlaku klesá impedance tkáně. U skupiny, která vykazovala nejvyšší stupeň compartment syndromu, tedy nejvyšší intramuskulární tlak, byla naměřena bioimpedance poškozené končetiny oproti končetině zdravé o 346 Ω nižší. Naopak u skupiny s mírným průběhem compartment syndromu, tedy u které byl intramuskulární tlak nejnižší, byl rozdíl u postižené a zdravé končetině nižší pouze o a 29,9 Ω. [25]

Stejný tým, který pracoval na předchozí studii představil přístroj, u kterého bylo možno přesně nastavit požadovanou frekvenci a fázový úhel. Přístroj měří ve frekvenčním rozsahu od 100 Hz do 1 MHz s možností přesného nastavení frekvence. Impedanční rozsah byl od 10 Ω do 20 000 Ω a fázový úhel měl rozsah od 0 do 60 °.

Tento ruční přístroj byl napájený z baterie, měl snadnou obsluhu a přímou paměť.

Oproti minulé studii sledovali nejen impedanci, ale také změny fázového úhlu u postižené končetiny.

Zatímco velikost impedance většinou charakterizuje odolnost tkáně proti procházejícímu proudu, fázový úhel charakterizuje kapacitanci svalových buněk. Pokut známe aplikovanou intenzitu proudu a velikost fáze je snadné dopočítat výsledné změny impedance a fázového uhlu v postižené končetině.

Funkčnost zařízení byla ověřena na pacientech a naměřené hodnoty byly porovnány s bioimpedančním přístrojem, který byl použit v předchozí studii. Naměřené hodnoty a hodnoty naměřené bioimpedančním přístrojem použitým v předchozí studii měli korelační koeficient 0.96.

Přístroj použitý v této studii by mohl sloužit k detekci akutního compartment syndromu. Problémem je, že při měření je zapotřebí měřit i bioimpedanci referenční končetiny, což by mohl být problém u pacientů s compartment syndromem postihující obě končetiny. [26]

1.6.2.7 Diagnostika compartment syndromu pomocí změny amplitudy pulzně synchronních oscilací IP prostor

Tato studie se zabývá arteriální pulzací jež vytváří oscilace v IP prostoru u pacientů se sníženou poddajností a abnormálně zvýšeným intramuskulárním tlakem. Neexistovala však žádná studie, která

- 27 - by určovala potenciální vztah mezi amplitudou oscilací a úrovní intramuskulárního tlaku. Účelem této studie bylo vyšetřit amplitudu pulzně synchronních oscilací IP prostoru k absolutnímu intramuskulárnímu tlaku pomocí špičkového systému pro měření tlaku z optických vláken na modelu simulovaného compartment syndromu.

Studie se zúčastnilo 7 zdravých subjektů (4 ženy a 3 muži). Compartment syndrom byl simulován pomocí stehenního škrtidla. Kolem stehna byl umístěn pneumatický škrtidlo nafouknuto na 75 mmHg, aby navodilo cévní stázi. Oscilace byly měřeny pomocí ultrazvukové sondy. Intramuskulární tlak byl zaznamenán po celou dobu měření pomocí převodníku tlaku z optických vláken. Dále byl k měřeni intramuskulárního tlaku použit Stryker katetr. Stryker katetr byly použit jen jako reference a nebyl dále analyzován. Během simulovaném compartment syndromu se intramuskulární tlak snižoval ze 75 mmHg na 33 mmHg. Po celou dobu měření, které trvalo 10 minut, byl nepřetržitě monitorován intramuskulární tlak a zaznamenávány oscilace IP prostoru

Zvýšený intramuskulární tlak během simulovaného compartment syndromu snížil svalovou poddajnost a arteriální pulzace se poté odrazila na pulzně synchronních oscilacích v IP prostoru. Tvar těchto oscilací byl podobný typickým pulzacím, které lze pozorovat při klinických invazivních měřeních intraarteriálního tlaku. Amplituda pulzně synchronních oscilací se zvýšila s absolutní úrovní intramuskulárního tlaku.

Obrázek 1.7. Střední amplituda pulzně synchronních oscilací se zvýšila s absolutní úrovní intramuskulárního tlaku [27]

Jedním z omezení této studie bylo, že amplituda oscilací nebyla studována v hodnotách, kdy se intramuskulární tlak blížil 0 mmHg. [27]

- 28 - 1.6.3 Diskuse

Compartment syndrom je stav, který při špatné či pozdní diagnostice vede k nezvratnému poškození končetiny, nebo dokonce smrti pacienta. Compartment syndrom má řadu klinických příznaků, které mohou být přes možné komplikace se zraněním skryty a přehlédnuty. Hlavním indikátorem compartment syndromu, který se dá měřit, je zvýšení intramuskulárního tlaku. Při podezření na zvýšení intramuskulárního tlaku se v klinické praxi většinou provádí invazivní měření pomocí katetru. Toto měření je pro pacienta nepříjemné a mnohdy bolestivé.

Neinvazivní metodou měření compartment syndromu se zabývalo již mnoho studií. Oproti invazivní metodě, která se zabývá především intramuskulárním tlakem se neinvazivní metody zaměřují na patologické změny spojené s ischemií, které compartment syndrom provází. Mezi patologické změny patří například změny v arteriální pulzaci, změny kontrakce svaloviny nebo změny elektrických vlastností poškozené tkáně.

Tato rešerše se zabývá několika metodami neinvazivního měření. Některé z metod popsaných v rešerši by mohly způsobit revoluci jak v přesnosti a rychlosti metody, tak jednoduchosti použití a nízkých finančních nákladů. Jednou z těchto metod je měření compartment syndromu pomocí bioimpedance.

Tato metoda je vhodná zejména kvůli časné detekci ischemických změn na tkáni a tím i rychlé diagnostice compartment syndromu. Navíc je tato metoda jednoduchá a snadno dostupná.

Dalšími vhodnými metodami jsou tlaková sonografie a PPLL, které jsou velmi citlivé a přesné. Za zmínku stojí také detekce pomocí radiofrekvenčních vln, fotopletysmografie a fonomyografie. Tyto metody jsou také velice přesné, ale nejsou tak pohotové jako ty předchozí. Nevýhodou metody, která k detekci compartment syndromu využívá fotopletysmografie je extrémní citlivost sondy na okolní prostředí a problém se správným umístěním senzorů.

Všechny zmíněné metody jsou ve fázi vývoje. Pouze některé byli aplikovány na živém modelu, a proto je před jejich uvedením do praxe nutné další testování a zkoumání. Vývoj přesné, rychlé a reprodukovatelné neinvazivní měřící metody by bylo pro klinickou praxi revoluční.

- 29 -

2 Impedance lidského těla

V lidském těle nalezneme několik druhů tkání. Tyto tkáně jsou tvořeny z buněk, které obsahující intracelulární tekutiny a buněčné membrány s buněčnou stěnou nebo bez ní. Buňky jsou suspendovány v extracelulárních tekutinách vykazující chování závislé na frekvenci střídavého elektrického signálu.

Při střídavé elektrické excitaci produkují biologické buňky a tkáně komplexní bioelektrickou impedanci nebo elektrickou bioimpedanci, která závisí na složení tkáně a frekvenci aplikovaného střídavého signálu. Proto je frekvenční odezva elektrické impedance biologických tkání velmi ovlivněna jejich fyziologickým a fyziochemickým stavem. Dokonce i bioelektrická impedance tkání u konkrétního subjektu se mění také se změnou jeho zdravotního stavu v závislosti na fyziologických a fyziochemických změnách, ke kterým dochází při patologických změnách tkání. Studie komplexní bioimpedance tkáně tedy mohou poskytnout mnoho informací o její anatomii a fyziology. [29] [30]

2.1 Bioimpedance v tkáních

Tkáně jsou složeny z odlišných druhů buněk, které mají své odlišné elektrické vlastnosti, a proto každá z těchto buněčných a tkáňových složek reaguje odlišně na signál střídavého proudu. Intracelulární tekutiny se skládají z cytoplazmy a jádra. Cytoplazma a jádro jsou většinou tvořeny roztokem bílkovin, chemickými sloučeninami, solí a vodou, a proto jsou tyto materiály elektricky vodivé. Mimobuněčné tekutiny jsou stejně jako intracelulární tekutiny elektricky vodivé. Protože intracelulární a extracelulární tekutiny v biologických tkáních jsou složeny z iontového roztoku a vysoce vodivých materiálů, poskytují vysoce vodivé cesty (cesty s nízkým odporem) k aplikovanému proudovému signálu. Naopak buněčné membrány buněk v biologické tkáni jsou složeny z elektricky nevodivých lipidových dvojvrstev vložené mezi dvě vodivé proteinové vrstvy a tvoří struktury protein-lipid-protein.

Sendvičová struktura PLP poskytuje kapacitu aplikovanému signálu střídavého proudu a slouží jako izolant. [30]

Buňky lze modelovat jako skupinu elektronických součástek. Jeden z nejjednodušší metod používá pouze tři součástek. Extracelulární prostor je reprezentován jako rezistor (Rm) a intracelulární prostor a membrána je modelována jako odpor (Ri) a kondenzátor (Cm). Jak extracelulární prostor, tak intracelulární prostor jsou vysoce vodivé, protože obsahují ionty solí. Lipidová membrána buněk je izolátor, který zabraňuje vstupu proudu s nízkými frekvencemi do buňky. Při nižších frekvencích protéká téměř veškerý proud pouze v extracelulárním prostoru, takže celková impedance je do značné míry odporová a je ekvivalentní extracelulárnímu prostoru. Na vyšší frekvence, může proud pronikat buněčnou membránou a vstoupit také do intracelulárního prostoru. Proud má tedy přístup k vodivým iontům v extra – i intracelulárních prostorech, tedy celkově je impedance nižší. [29] [36]

Celková reakce biologických tkání na střídavý elektrický signál, vytváří komplexní impedanci Z.

Impedance Z se liší podle struktury tkáně, složení tkáně, stavu tkáně a frekvenci signálu což nám umožnuje jednotlivé tkáně rozlišit. [29]

- 30 - Obrázek 2.1. Model buňky [29]

Vedení střídavého elektrického proudu v těle spočívá v jeho obsahu vody nebo přesněji v roztoku elektrolytů v těle. Pro bioelektrickou impedanční analýzu se používá střídavý proud, protože proniká do těla při nízké úrovni napětí a proudu. Ve složité elektrické struktuře, jako je lidské tělo, je část objemu tekutiny měřená bioelektrickou impedancí ovlivněna aktuální frekvence elektrického proudu.

[29]

Obrázek 2.2. Průchod střídavého proudu buňkou [29]

Celková reakce biologických tkání na střídavý elektrický signál, vytváří komplexní impedanci Z.

Impedance Z se liší podle struktury tkáně, složení tkáně, stavu tkáně a frekvenci signálu což nám umožnuje jednotlivé tkáně rozlišit. [29]

2.2 Frekvenční disperze

Pohyb proudu v různých oddílech buňky na různých frekvencích a související hodnoty odporu a reaktance se zaznamenává do tzv. Coleův-Coleův diagram. Diagram zobrazuje odpor a reaktance v komplexní rovině. Místo jediného bodu pro měření na jedné frekvenci, jsou frekvence superponovány.

Při nízkých frekvencích je měřen pouze rezistivní charakter, který odpovídá extracelulárnímu odporu.

Při zvyšující se frekvenci se zvyšuje také fáze, která souvisí s tím, že se proud přesouvá z extracelulárního prostoru a přechází přes buněčnou membránu do intracelulárním prostoru. Při vysokých frekvencích se kapacita stává zanedbatelnou, takže proud vstupuje do intracelulárního a

- 31 - extracelulárního prostoru. Reaktance buněčné membrány je nyní nulová, takže celá buňka má opět rezistivní charakter jako na začátku. Hodnota frekvence, při níž je kapacita na nejvyšší hodnotě, se nazývá centrální frekvence a je užitečnou měřitelnou vlastností modelu impedance. [36]

Obrázek 2.3.Coleův-Coleův diagram [36]

Pozoruhodnou vlastností živé tkáně je mimořádně vysoká kapacita, která je až 1000krát větší než u anorganických materiálů. Je to proto, že kapacita je poskytována i přilehlými buněčnými membránami jiných buněk, z nichž každá se chová jako malý kondenzátor. Existují určitá frekvenční pásma, kde se fázový úhel zvětšuje, protože do hry vstupují mechanismy, které poskytují větší kapacitu. Tyto pásma mohou být považovány za oblasti se zvýšeným se poklesem rezistence a označují se jako „disperze“.

Disperzi můžeme rozdělit do tři oblasti alfa (α), beta (β) a gama (γ) při nízkých, středních a vysokých frekvencích. Jak se zvyšuje frekvence měření, zvyšuje se vodivost tkáně a klesá permitivita

Obrázek 2.4. Frekvenční závislost relativní permeability a specifické vodivosti komplexní biologické tkáně [31]

Každá z těchto disperzí je způsobena fyzickým procesem. Alfa disperze je první, které zmizí, když tkáň nekrotizuje. Tato disperze se vyskytuje pod 10 kHz, je způsobena iontovou difúzí ve buňkách. Alfa

- 32 - disperze je menší než beta, je závislá na složitých povrchových strukturách membrány. Alfa disperze je také více citlivá na věkový faktor a prostředí než disperse beta.

V oblasti beta disperze, od 10 kHz do 100 MHz začíná elektrické pole pronikat dovnitř buňky. Disperse beta popisuje dielektrické vlastnosti buněčných membrán a jejich interakci s extra a intracelulárními elektrolyty. [31] [36]

2.3 Elektrody a jejich zapojení při měření bioimpedance

Pro záznam bioelektrických potenciálů je k dispozici celá řada elektrodových materiálů. Nejběžnější jsou povrchové elektrody Ag/AgCl, které jsou k dispozici v opakovaně použitelných i nevratných formách. Suché povrchové elektrody (např. plechové elektrody) jsou další alternativou, které nabízejí tu výhodu, že nezpůsobí neúmyslný kontakt mezi sousedními elektrodami, sekundárně ke gelu unikajícímu zpod elektrod. Nízké náklady a krátké vzdálenosti dosažitelné mezi kovovými elektrodami z nich činí atraktivní řešení při měření malých svalů. Dalším materiálem použitým pro měření bioimpedance jsou suché textilní elektrody, které lze integrovat do oděvů obsahujících nositelnou elektroniku a lze je použít k dlouhodobému monitorování během každodenních činností; mohou však trpět nižší impedancí kůže-elektrod, interferenčním šumem a pohybovými artefakty. [30] [32]

Proces měření bioimpedance je prováděn buď bipolárním nebo tetrapolárním zapojením. U obou metod se používají povrchové elektrody, kterými je aplikován proud. Těmto elektrodám říkáme proudové nebo hnací elektrody (značené modrou barvou). Elektrody, na kterých se měří frekvenčně závislý střídavý potenciál, se nazývají napěťové nebo snímací elektrody (značené červenou barvou).

[29]

Obrázek 2.5.Bipolární a tetrapolární zapojení elektrod [29]

Bipolární zapojení

Jak název napovídá, metoda bipolárního zapojení používá pro měření impedance pouze dvě elektrody.

Aplikace proudu a měření úbytku napětí se provádění na stejných elektrodách.

Problémem této metody je to, že při měření se k neznámé impedanci do série přidávají i dvě impedance na rozhraní elektrod a pokožky. Pro správné naměření hodnot neznámé impedance pomocí této metody je nutné, aby součet obou impedancí elektrod byl výrazně nižší než měřená impedance.

Impedance elektrod bývají ale až několikrát větší než impedance tkáně, obzvlášť na nízkých