Bioimpedantsi katsetest täiuslikuma südamerütmurini

Andres Kink räägib südame bioimpedantsi uurimisest

Bioimpedantsi katsed sigade südamete peal

Bioimpedantsi puhul määratakse kudede ja organite elektrilist takistust. TTÜ laboreis, kus uurimistööd tegid kõrvuti arstid, bioloogid ja elektroonikud, kasutati tapamajast saadud sigade südameid. Tänu neile südametele, mis laboris uuesti tuksuma pandi, töötati välja ka uudne impedantsipõhine meetod südamerütmuri täiustamiseks.

Südamerütmur

Kui süda töötab liiga nõrgalt või liiga aeglaselt, saab seda aidata üks väike seade – südamerütmur.  Eestis paigaldatakse aastas tuhatkond rütmurit, maailmas elab rütmuriga üle kümne miljoni inimese.

Siirdatav südamestimulaator ehk südamerütmur on teeninud inimkonda juba üle viiekümne aasta. Täna on ka Eesti teadlastel oma originaalne lahendus uudse südamerütmuri loomiseks. Südamerütmur on generaator, mis tekitab millisekundi lähedase pikkuse ja mõnevoldise amplituudiga elektripinge impulsse. Need impulsid ärgitavad südamelihast kokku tõmbuma. Niisugune tehisstimuleerimine on tarvilik siis, kui südame enda looduslik elektrisignaalide generaator – siinussõlm – töötab liiga nõrgalt või aeglaselt või ei tööta üldse. Mõnikord juhtub sedagi, et siinussõlm töötab küll normaalselt, ent selle impulsid ei kandu südamelihasele edasi vajalikul määral või on ülekandetee kogunisti katkenud.

Südamerütmuris tekitatud impulsid juhitakse südamesse mööda juhet, mis paigutatakse veeni. Juhe lõpeb stimuleeriva ankur-elektroodiga. Lihtsamal juhul pannakse see elektrood parempoolse vatsakese tippu ehk apeksisse. Keerukamal juhul on kasutusel kaks juhet – lisaks paremale vatsakesele viiakse stimuleerimisimpulss elektroodile, mis on kinnitatud parema koja seinale. Uuemates rütmurites kasutatakse vajadusel ka lisaelektroodi, mis kinnitatakse paremat ja vasakut vatsakest lahutava seina külge. Nii saavutatakse südame parema poole pealt rakendatava stimulatsiooni tugevam ergutusmõju vasaku vatsakese lihasele.

Esimeste südamestimulaatorite rütmisagedust muuta ei saanud, neid kutsuti staatilisteks rütmuriteks. Samas on impulssidega ergutamise sagedus ehk rütm ainuke mõjutus, millega südame tööd reguleerida; mitmeelektroodilise stimuleerimise korral on seda ka impulsside ajastus. Stimulatsiooni mõjukust on üritatud reguleerida ka impulsi amplituudiga, kuid selle toime on olnud vähene ning meetod pole poolehoidu leidnud.

Tänased lahendused

Praegu on kasutatavate rütmurite töörütmi reguleerivad mitmed lihtsad ja töökindlad vahendid. Üks neist on kehalise aktiivsuse andurpiesokristall-rütmuri kesta siseküljel. See andur reageerib elektripinge genereerimisegainimese mis tahes, aga eriti just käeliigutustele. Lisaks on kasutusel elektroonne kiirendusandur, mis reageerib füüsilise tegevusega kaasnevale keha rappumisele.

Mõlemast mehaanilise aktiivsuse andurist on kasu, kuid nendega kaasneb ka hulk segadusi. Näiteks tühipaljas kätega vehkimine registreeritakse kõva tööna ning trepist allatuleku rappumist tõlgendatakse palju vägevama töö pähe kui aeglasemat ja sujuvamat trepist üles ronimist. Sirgjoonelisema tulemuse annab elektritakistuse mõõtmine stimuleerimiselektroodi tipust kuni rütmuri metallkestani. Nii saab mõõta kopsu elektritakistuse ehk bioimpedantsi muutusi, mille järgi on võimalik välja selgitada sisse- ja väljahingamise rütm ning  sügavus. Tulemuste põhjal arvutatakse hingamismaht, mis on heas kooskõlas hapniku tarbimisega organismis, seega ka tehtud tööga. Ning mitte ainult füüsilise, vaid ka vaimse tööga, sest arvesse läheb ka ajus kulutatud hapnik.

Eesti teadlaste panus

Eesti teadlased lülitusid südamerütmurite arendamisse elektrilise bioimpedantsi mõõtmise  ja analüüsi osas  1996. aastal. Tehnikaülikooli uurimisgrupi edu aluseks oli oskus eraldada impedantsi kopsusignaaliga ZR kaasnev südamelihase kokkutõmmetest tekitatud signaaliosa ZC ning nutikus selle võimaluse ärakasutamisel.

Nad leidsid, et südamelihase tekitatud impedantsisignaali kaudu saab ligilähedaselt hinnata südamelöögi mahtu, mis aga peaasi – anda hinnangu südame enda tööle ehk energiakulutusele vere pumpamisel. Energiakulutus väljendub hapniku kulu ekvivalendis, kuna südamelihas ei suuda hapnikku arvestatavas hulgas talletada ning peab seda vereringe kaudu pidevalt juurde hankima. Nii saadi hinnata kahte asja: kui palju vajab energiat keha, kuhu süda energiat kulutades verd pumpab, ning missugune on südame enda energiaga varustatus. Kui südame töö ületab energiavarustuse määra, siis on südamelihas isheemiline ehk väheverene. Sellise seisundi jätkudes on infarkt vältimatu. Nad leidsid energiabalansi tunnused ja selle täitmise tingimused, samuti mehhanismi, kuidas patsiendi konkreetse tegevuse tingimustes määrata automaatselt maksimaalne ja minimaalne rütm. Kuid südame löögisageduse füsioloogilised piirid on muutlikud ning sõltuvad patsiendi tervislikust hetkeseisundist, elustiilist ja paljudest muudest tingimustest, mida pole võimalik ette näha. TTÜ teadlased jätsid stimuleerimise rütmi piirid jäigalt määramata ja lasksid rütmil vabalt joosta. Seejuures lõid nad superviisor-juhtimise ja andmehõive süsteemi SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), mis iga järgneva südamelöögi juures jälgib südamelihase energiabalansi tingimuste täitmist. Kui balansitingimusi on rikutud, siis ahendatakse rütmipiire, kui mitte, lastakse piirid vabamaks. Patsient tunneb ennast tänu sellele vähem aheldatuna, südame isheemia oht on aga välditud. St Jude Medical kontrollis loomkatsetega nende seisukohti ning kaitses need kahe patendiga nii Euroopas kui Ameerika Ühendriikides, mõlema autoriteks eestlased.

Rütmur ja veresoonkond

Rütmuri töö edukus ei sõltu aga ainult südame omadustest, tähtis on ka veresoonkonnasuutlikkus hakkama saada pulseeruva voolutuse edasiandmisega elunditesse ja lihastesse. Segab veresoonte jäigastumine ning eriti just ahenemine. Hiljutiste uuringute tulemusena leidsime impedantsipõhise meetodi, mis võimaldab rütmuri töökorralduses arvestada ka veresoonkonna omadusi. Edu aluseks oli oskus arvestada üksnes impedantsi suhtelisi muutusi. Bioimpedantsiga halvasti mõõdetavaid absoluutseid mõõteväärtusi õnnestus täielikult vältida. Peale selle oskame südametöö juures arvestada nii väljutusele kuluvat kasulikku tööd kui ka energiakulu, mis kaasneb südamelihase tööjõus hoidmisega. 2010. aasta suvel oli meeldiv teada saada, et Ameerika Ühendriikide patendiamet otsustas anda Eesti meedikute initsiatiivil loodud firmale Smartimplant vastava meetodi peale patendi. Kuna Tallinna Tehnikaülikooli ja selle spin-off firma Smartimplant koostöö tulemusena välja töötatud elektrilise bioimpedantsi mõõtmise meetodid on patenteeritud juba varem, on nüüd ka Eestis olemas originaalne lahendus uudse südamerütmuri loomiseks. Viimane peaks vältima südame nn ületreenitust ehk hüpertroofiat.

Loe lisaks:  “Südamerütmurid aitavad elada: kus tuleb mängu elektriline bioimpedants” Mart Min.