Если у пациентов, получающих интенсивную терапию или перенесших серьезную операцию, развивается чрезмерно высокое или низкое артериальное давление, они могут страдать от серьезной дисфункции органов. Их лечащей бригаде недостаточно знать, что давление ненормальное. Чтобы выбрать правильный препарат для лечения проблемы, врачи должны знать, почему изменилось артериальное давление. Новое исследование Массачусетского технологического института представляет математическую структуру, необходимую для точного и в режиме реального времени получения этой важной информации.

Математический подход, описанный в недавнем исследовании в журнале IEEE Transactions on Biomedical Engineering , позволяет получить пропорциональные оценки двух критических факторов, лежащих в основе изменений артериального давления: скорости выброса крови сердцем ( сердечный выброс ) и сопротивления артериальной системы этому кровотоку (системное сосудистое сопротивление).

Применяя новый метод к ранее собранным данным с животных моделей, исследователи показывают, что их оценки, полученные с помощью минимально инвазивных измерений периферического артериального давления, точно соответствуют оценкам с использованием дополнительной информации от инвазивного зонда потока, помещенного на аорту. Более того, оценки точно отслеживают изменения, вызванные у животных различными препаратами, которые врачи используют для коррекции аномального артериального давления.

«Оценки сопротивления и сердечного выброса, полученные с помощью нашего подхода, предоставляют информацию, которую можно легко использовать для принятия решений по лечению гемодинамики в режиме реального времени», — пишут авторы исследования.

По словам авторов, после дальнейших испытаний, которые приведут к одобрению регулирующих органов, метод можно будет применять во время операций на сердце, трансплантации печени, лечения в отделениях интенсивной терапии и многих других процедур, влияющих на работу сердечно-сосудистой системы или объем крови.

«Это может понадобиться любому пациенту, которому предстоит операция на сердце », — сказал старший автор исследования Эмери Н. Браун, профессор медицинской инженерии и вычислительной нейронауки им. Эдварда Худа Тэплина в Институте обучения и памяти Пикауэра, Институте медицинской инженерии и науки и кафедре мозговых и когнитивных наук Массачусетского технологического института. Браун также является анестезиологом в Массачусетской больнице общего профиля и профессором анестезиологии в Гарвардской медицинской школе.

«То же самое может произойти с любым пациентом, перенесшим обычную операцию, но имеющим проблемы с сердечно-сосудистой системой, например, ишемическую болезнь сердца. Нельзя допускать, чтобы артериальное давление колебалось».

Ведущим автором исследования является аспирант факультета электротехники и информатики (EECS) Тейлор Баум, соруководителями которого являются Браун и Мунтер Далех, профессор факультета электротехники и информатики имени Уильяма А. Кулиджа.

Алгоритмическое развитие
Идея о том, что сердечный выброс и системное сопротивление являются двумя ключевыми компонентами артериального давления, исходит из двухэлементной модели Виндкесселя.

Новое исследование не является первым, в котором модель используется для оценки этих компонентов из измерений артериального давления, но предыдущие попытки столкнулись с компромиссом между быстрыми обновлениями оценок и точностью оценок; методы либо давали более ошибочные оценки при каждом ударе, либо более надежные оценки, обновляемые в минутных масштабах времени. Под руководством Баума команда MIT преодолела компромисс с помощью нового подхода применения статистических и сигнальных методов обработки, таких как моделирование «пространства состояний».

«Наши оценки, обновляемые с каждым ударом, не просто информируются о текущем ударе; они также включают то, где были вещи в предыдущих ударах», — сказал Баум. «Именно эта комбинация прошлой истории и текущих наблюдений дает более надежную оценку, при этом сохраняя временную шкалу удар за ударом».

Примечательно, что полученные оценки сердечного выброса и системного сопротивления являются «пропорциональными», что означает, что каждый из них неразрывно связан в математике с другим сопутствующим фактором, а не оценивается сам по себе. Но применение нового метода к данным, собранным в более раннем исследовании шести животных, показало, что пропорциональные оценки из записей с использованием минимально инвазивных катетеров предоставляют сопоставимую информацию для управления сердечно-сосудистой системой.

Одним из ключевых выводов стало то, что пропорциональные оценки, полученные на основе показаний артериального давления с помощью катетеров, введенных в различные места вдали от сердца (например, в ногу или руку), отражают оценки, полученные с помощью более инвазивных катетеров, введенных в аорту.

Значимость открытия заключается в том, что система, использующая новый метод оценки, в некоторых случаях может полагаться на минимально инвазивный катетер в различных периферических артериях, тем самым избегая необходимости более рискованного размещения катетера центральной артерии или катетера легочной артерии непосредственно в сердце, что является золотым клиническим стандартом для оценки состояния сердечно-сосудистой системы.

Другим ключевым открытием было то, что когда животные получали каждый из пяти препаратов, которые врачи используют для регуляции системного сосудистого сопротивления или сердечного выброса, пропорциональные оценки правильно отслеживали полученные изменения. Таким образом, открытие предполагает, что пропорциональные оценки каждого фактора точно отражают их физиологические изменения.

В сторону клиники
По словам Баума и Брауна, с этими обнадеживающими результатами текущий метод может быть легко внедрен в клинических условиях для информирования бригад периоперационного ухода о глубинных причинах критических изменений артериального давления. Они активно добиваются одобрения регулирующих органов на использование этого метода в клиническом устройстве.

Кроме того, исследователи проводят дополнительные исследования на животных, чтобы подтвердить эффективность передового подхода к контролю артериального давления, использующего этот метод.

Они разработали замкнутую систему, основанную на этой оценочной структуре, для точного регулирования кровяного давления в модели животных. После завершения исследований на животных они подадут заявку на получение разрешения регулирующих органов для тестирования системы на людях.

Помимо Баума, Далеха и Брауна, авторами статьи являются Эли Адам, Кристиан Гуэй, Габриэль Шамберг, Мохаммадреза Каземи и Томас Хельдт.