FORTSCHRITTE BEIM NICHT-INVASIVEN MONITORING OBJEKTIVER KARDIOVASKULÄRER PARAMETER UNTER HOHEN Gz-BELASTUNGEN

Obwohl invasive Methoden nach wie vor den Goldstandard beim hämodynamischen Monitoring darstellen, sind sie unter hohen Gz-Beschleunigungen zu belastend und durch die mögliche gesundheitliche Schädigung zu gefährlich für die Probanden. Umso mehr gilt es, Fortschritte auf dem Gebiet der nicht-invasiven Herz-Kreislauf-Diagnostik schnell in die Beschleunigungsphysiologie zu integrieren, um objektive, zuverlässige und valide Kriterien für die Wirksamkeit von Anti-G-Schutz-Maßnahmen zu erhalten und die Luftfahrzeugführer verlässlich vor einem drohenden sogenannten G-induzierten Bewusstseinsverlust (G-LOC) zu schützen.

Während eine Reihe von klinisch etablierten Verfahren wie die transkranielle Ultraschall Doppler-Sonographie (TCD) und die transthorakale Echokardiogaphie insbesondere wegen der notwendigen präzisen Sondenplatzierung für die Anwendung in der Zentrifuge als eher nicht geeignet erscheinen, haben sich in den letzten Jahren Methoden wie die Elektrokardiographie, Photoplethysmographie und Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) sowie, mit gewisser Einschränkung, auch die kontinuierliche Blutdruckmessung als zweckmäßig herauskristallisiert, um Aussagen zur Herz-Kreislaufbelastung und zur Effektivität von Anti-GSchutzausrüstungen und -maßnahmen bei Luftfahrzeugführern tätigen zu können.

Daneben gibt es weitere, vielversprechende methodische Entwicklungen, z.B. auf dem Gebiet der Impedanzkardiographie, die zukünftig erwarten lassen, Schlüsselgrößen der Herz-Kreislauf- Funktion auch unter hohen G_z-Beschleunigungen verlässlich erfassen und damit zum Verständnis der Beschleunigungsphysiologie und zur Vorhersage eines drohenden G-LOC beitragen zu können. Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick zum „state of the art“ der Forschung am Flugmedizinischen Institut der Luftwaffe.

New advances in non-invasive monitoring of objective cardiovascular parameters during high G_z loads

Summary

Both, modern 4th-generation fighter aircraft and human-use centrifuges (HZF) expose the airman to high G_z loads. Thus, it is difficult to gather valid cardiovascular parameters. Despite invasive methods still being the gold standard for hemodynamic monitoring, operational and safety concerns demand non-invasive methods. In a high G_z environment, invasive methods are too wearing posing a potential health risk to airman.

These conditions strongly encourage the fast transfer of the non-invasive cardiovascular monitoring to acceleration physiology. The goal is to obtain objective, reliable and valid data allowing the characterization and the improvement of the anti-G gear used by aircrews to protect them from a G-induced loss of consciousness (G-LOC).

While some clinically established methods like transcranial Doppler (TCD) and transthoracic echocardiography are difficult to use in a HZF because of the required accuracy placing the ultrasound probes, other methods like electrocardiography, photoplethysmography or near infrared spectroscopy (NIRS) have proven to be quite practical. The same applies, with some limitations, to continuous blood pressure monitoring. These methods, applicable in a HZF, are helpful in quantifying the cardiovascular efficiency of anti-G garments and methods used by aircrews. Moreover, there are further developments of promising methods, like impedance cardiography, which might allow measuring key parameters of the cardiovascular system even under high-G conditions. All these improvements will contribute to a better understanding of acceleration physiology and might enable an early detection of an approaching G-LOC.

This paper gives an insight into the state-of-theart research at the German Air Force Institute of Aviation Medicine.

1. Einführung

Um die Leistungsfähigkeit des Luftfahrzeugführers (LFF) unter hohen G_z-Belastungen* im Luftfahrzeug zu sichern, muss in allererster Linie seine Herz- Kreislauf-Funktion verlässlich aufrechterhalten werden. Deshalb lässt sich die Güte eines Anti-G-Schutzsystems beziehungsweise -manövers objektiv am ehesten daran festmachen, inwiefern es in der Lage ist, die Herz-Kreislauf- Funktion zu sichern. Invasive (lat. invadere = eindringen, einbrechen) Messmethoden gelten zwar nach wie vor als Goldstandard bei der Messung kardiovaskulärer Größen, sind jedoch unter Beschleunigungsbedingungen zu belastend für die Probanden, bergen Gefahren der gesundheitlichen Schädigung und scheiden somit hierfür aus. Nicht-invasive, das heißt die Integrität des Körpers intakt lassende Methoden, benötigen dagegen keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen für die Versuchsperson selbst und sind daher das Mittel der Wahl.

Insofern kommt der Beurteilung der Herz-Kreislauf-Funktion unter G_z-Belastungen mittels nicht-invasiver Diagnostik eine Schlüsselfunktion zu. Eine Bewertung dieser Funktion unter hohen G_z-Belastungen, das heißt die Erhebung von nicht-invasiv messbaren hämodynamischen physiologischen Parametern zur Einschätzung der Kreislauffunktion unter hohen G_z-Belastungen ist jedoch auch heute noch ein Problem [2, 5, 10]. Auch dadurch sind die Charakterisierung von Anti-GSchutzausrüstungen und -manövern hinsichtlich ihrer Wirksamkeit und die Vorhersage eines eventuell drohenden Gz-bedingten Bewusstseinsverlustes (GLOC = G-induced loss of consiousness) des LFF mittels objektiver physiologischer Meßmethoden nach wie vor nicht allumfassend und verlässlich möglich.

Die Ableitung eines EKG gelingt auch unter hohen G_z-Belastungen relativ störungsfrei und erlaubt damit die Beurteilung von Herzrhythmus und Herzrate. Dagegen sind Aussagen zu anderen Stellgrößen der Kreislaufregulation, wie zum Beispiel Blutdruck, Volumenangebot oder venöser Rückstrom, bei G_z-Belastungen gegenwärtig nur sehr begrenzt und wenn, dann nur im unteren G_z-Bereich oder aber gar nicht möglich.

Ziel der hier vorliegenden Arbeit soll es daher sein, den Stand der Technik auf dem Gebiet des nicht-invasiven Keislaufmonitorings unter Hyper-G_z-Bedingungen vorzustellen und Aspekte ihres Wertes für die Beurteilung von Anti-G-Schutzanzügen und -manövern näher zu beleuchten.

2. Methoden

Folgende Methoden wurden dazu hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit unter hohen G_z-Belastungen im Einzelnen betrachtet, analysiert und beurteilt:

1. Elektrokardiographie
2. Photoplethysmographie
3. Nahinfrarotspektroskopie
4. Impedanzkardiographie
5. Kontinuierliche Blutdruckmessung

Dazu wurden sowohl eine Literaturrecherche durchgeführt, als auch eigene Versuche aus vorangegangenen Untersuchungsserien ausgewertet.

3. Ergebnisse und Diskussion

3.1 Elektrokardiographie (EKG)

Die Ableitung eines EKG, eine Grundvoraussetzung für die Sicherheit des Piloten bei Ausbildungs- und Forschungsfahrten, ist selbst unter hohen G_z-Belastungen und bei zusätzlich durchgeführten Anti-G-Straining-Manövern relativ rauscharm und artefaktfrei möglich [Abb 1].
 

Schon ein einkanaliges EKG (Brustwandableitung V5) ist ausreichend und vom methodischen Aufwand überschaubar, um für die einzelnen Belastungsstufen Aussagen zur minimalen, maximalen und mittleren Herzrate machen und Variationen des Herzrhythmus und Herzrhythmusstörungen erkennen und bewerten zu können [Abb 1 und2]. Dabei lassen sich aus dem Verhalten der maximalen und mittleren Herzrate während einzelner G_z-Belastungsstufen Aussagen zur Beanspruchung des Piloten und zu seinem Trainingszustand ableiten.

Darüber hinaus tragen EKG-Ableitungen auch zum besseren Verständnis von physiologischen Antwortreaktionen auf die verschiedenen Arten von G_z-Belastungen bei und können obendrein ein wichtiges Untersuchungsinstru-ment in der Flugmedizin zur Deutung atypischer oder pathologischer Befunde sein.

Bei geeigneten Beschleunigungsprofilen und entsprechend hoher Abtastrate ist es darüber hinaus möglich, die Herzratenvariabilität (HRV) zu ermitteln, die Aussagen zur autonomen Kontrolle des Herzens durch den Sympathikus und Parasympathikus erlaubt. Die Herzratenvariabilität (HRV) gilt in der Fachwelt als quantitativer Marker für Aktivitätsänderungen des vegetativen Nervensystems und wird daher im klinischen Bereich zur Risikostratifizierung und Gesundheitsprognose eingesetzt. In neuerer Zeit ist man dazu übergegangen, diese Methode auch einzusetzen, um Tonusänderungen des autonomen Nervensystems, die mit physischer Belastung einhergehen, zu beschreiben und diese als Kenngröße in der Leistungsdiagnostik und zur Trainingssteuerung zu benutzen.

Der bei G_z-Beschleunigungen in der Humanzentrifuge auftretende Stress mit der damit einhergehenden. Volumenverschiebung, Herzverlagerung und -dehnung etc. ist in seinen Auswirkungen auf den Organismus und den damit verbundenen reflektorischen Kompensationsmechanismen und Antwortreaktionen bisher nach wie vor noch nicht endgültig verstanden. Die Bestimmung der HRV mittels klassischer Methoden der linearen HRV-Analyse (Zeitbereichs- und Spektralindizes) könnte dabei unter Beachtung bestimmter Kautelen (Wahl entsprechend langer Aufzeichnungsperioden mit weitgehender Stationarität des Systems) ein Baustein zum tieferen Verständnis der physiologischen Antwortreaktionen auf G_z-Belastungen sein und dabei Informationen über die autonome Kontrolle des Herzens liefern, die über jene, die man aus dem Verhalten der Herzrate allein ableiten könnte, hinausgehen.

Um diese Annahme zu überprüfen, wurden in unserer Abteilung in einem Versuch mit 20 Probanden, die je zwei Zentrifugenläufe auf der Humanzentrifuge in Königsbrück mit jeweils 1-minütigen Belastungsabschnitten von +2,5, +3,0, +3,5 und +4,0 Gz sowie isochronen Ruhephasen bei 1,4 Gz zwischen den einzelnen Belastungs-stufen absolviert haben, die Zeitbereichs- und Frequenzbereichsindizes der Herzratenvariabilität bestimmt. Die bei dem vorgegebenen G_z-Belastungsmuster erhobenen Daten sprechen dafür, dass es mit wachsender G_z-Belastung insgesamt zu einer zunehmenden Prädominanz des Sympathikus sowie einer begleitenden Reduktion der efferenten vagalen Aktivität gekommen ist.

Dies war zum einen ablesbar an dem Abfall von Totaler Frequency Power (= Flächeninhalt des gesamten Leistungsdichtspektrums in ms2) und der Low Frequency Power (LF = 0,04 – 0,15 Hz) und zum anderen an der Verminderung der High Frequency Power (HF = 0,15 - 0,4 Hz) und der Zeitbereichsindizes [beispielhaft in Abb 3erkennbar]. Damit konnte demonstriert werden, dass sich das Instrument der Herzratenvariabilitätsanalyse auch sinnvoll zur Beurteilung der Herz-Kreislauf-Funktion auf der Zentrifuge einsetzen lässt.

Nach Kenntnis der Autoren gibt es im zugänglichen Schrifttum nur eine Arbeit, die ähnliche Untersuchungen in der Zentrifuge, allerdings bei einer geringeren Gz-Belastung, durchgeführt hat. Inwieweit robustere, nichtlineare HRV-Methoden unter diesen Bedingungen von Vorteil wären, bleibt zu klären.

3.2 Photoplethysmographie

Bei der in der Klinik etablierten Methode der Pulsoximetrie, die zu Beginn der siebziger Jahre von Takuo Aoyagi [18] entwickelt wurde, wird die arterielle Sauerstoffsättigung auf der Basis eines pulswellenabhängigen spektralphotometrischen Verfahrens bestimmt. Das bedeutet, dass herkömmliche Pulsoximeter zur Bestimmung der Sauerstoffsättigung des arteriellen Blutes (SaO2) die Photoplethysmographie (PPG) benutzen, ein Verfahren, dass in den 1930iger Jahren von Hertzmann zur Messung von Volumenänderungen im Kreislauf entwickelt wurde [9].

Herkömmliche Pulsoximeter sind üblicherweise 2-Wellenlängengeräte, die das zu untersuchende Gewebe mit rotem und infrarotem Licht durchleuchten, während ein Photodetektor die Absorption erfasst. Damit finden sich in dem Detektorsignal von Pulsoxymetern neben der SaO2 auch noch andere physiologische Funktionen, wie zum Beispiel die Pulsfrequenz, Veränderungen der Kontraktilität des Herzens sowie der Füllung des Gefäßbettes. Man könnte die PPG auch als Methode zum hämodynamischen Monitoring verwenden. Dabei lassen sich die vom Sensor des Pulsoxymeters gelieferten Signale im Rot- und Infrarot-Bereich in zwei verschiedene Anteile, den pulssynchronen AC-Anteil (AC: engl. alternating current = Wechselstrom) und den sog. DCoder Gleichstrom-Anteil (DC: engl. direct current = Gleichstrom) [Abb 4] zerlegen und einer systematischen Auswertung zuführen.

Die AC-Schwankungen gehören zu den Signalmodulationen, die als erstes im photoplethysmographischen Signal identifiziert wurden. Sie werden als Maß des peripheren Volumenpulses gedeutet. Die Signalstärke lässt sich dabei am einfachsten anhand der Amplitude der pulssynchronen ACSchwankungen ausmessen [1, 9].

Das DC-Signal einer PPG-Messung wird dagegen vornehmlich von der durchschnittlichen Füllung des Gefäßbettes beeinflusst [1, 7]. Eine Abnahme der Füllung, wie sie bei +G_z-Belastungen im Kopfbereich zu erwarten ist, führt demzufolge zu einer Zunahme der durch das Gewebe durchtretenden Lichtintensität.

Damit hätte man bei Bestimmung des AC-Anteils ein Maß für den Volumenausstoß des Herzens, die sogenannte Vis a tergo oder auch afterload genannt und mit der Bestimmung des DCAnteils ein Maß für Veränderungen der venösen Füllung in der Hand und könnte so zwei sehr bestimmende Faktoren der Kreislaufsituation erfassen.

Erste Untersuchungen zu dieser Thematik, die unsere Abteilung im Rahmen von Vergleichsuntersuchungen verschiedener Anti-G-Schutzanzüge durchgeführt hat, haben zeigen können, dass sich das Photoplethysmo-gramm tatsächlich zur besseren Beurteilung der Kreislaufsituation eignet [12]. Dabei wurde ein nach dem Reflexionsprinzip arbeitender Stirnsensor der Firma NONIN, Plymouth MN, USA verwendet, dessen Signal zum einen der Überwachung der Probanden während der Zentrifugenfahrt diente, aber zum anderen auch aufgezeichnet und systematisch ausgewertet werden konnte.

Dabei zeigte sich, dass die bekannte Anfälligkeit von Pulsoxymetriesensoren gegenüber Bewegungsartefakten in der Humanzentrifuge keine Rolle spielte. Bei insgesamt 600 absolvierten Zentrifugenläufen gab es nur am Ende eines einzigen Laufes einen Datenausfall, weil sich der Sensor gelöst hatte. In allen anderen Fällen konnte das Sensorplethysmogramm am Steuerstand der Humanzentrifuge (HZF) zugänglich gemacht und darüber hinaus aufgezeichnet und ausgewertet werden [12]. Damit hat der Sensor seine Tauglichkeit zur Überwachung von Probanden im Rahmen von HZF-Untersuchungen erfolgreich nachgewiesen. Im Folgenden sollen beispielhaft die beobachteten Veränderungen von Wechselund Gleichanteilen bei sogenannten Gradual Onset Runs (= Linearprofile), die Luftfahrzeugführer (LFF) oder Novizen (ohne vorangegangene Zentrifugenerfahrung) in der Humanzentrifuge absolviert haben, dargestellt werden.

3.2.1 Verhalten der Wechselanteile - als Maß für die Kontraktilität des Herzens

Abbildung 5 zeigt exemplarisch die Vergrößerung der Pulswellenamplitude im beginnenden Anstiegsteil eines Linearprofils. Diese beobachteten Zunahmen der Amplitude und Anstiegssteilheit des AC-Signals in der Phase des Gz-Anstiegs werden in der Literatur als Ausdruck von Veränderungen der Kontraktilität des Herzens, des Gefäßtonus oder einer Kombination dieser Faktoren gewertet.

Sie können quantifiziert werden, indem man zunächst den Zeitpunkt t0, der den Beginn des Linearprofils darstellt, und die Größe der Amplitude der Pulswelle zu diesem Zeitpunkt bestimmt. Danach werden der Zeitpunkt und die Amplitude des Pulswellenmaximums bestimmt und der prozentuale Anstieg der Amplitude im Vergleich zum Zeitpunkt t0 berechnet [Abb 6].

In Abbildung 7 sind das Verhalten der sogenannten „natürlichen“ und „relaxierten“ G_z-Toleranzen (Abb 7: linker Teil) und die Änderungen der Amplitude der Wechselanteile für das Rot- und Infrarot-Signal zum Zeitpunkt des Maximums der Pulswelle im Vergleich zur Ausgangslage (Abb 7: rechter Teil) bei einer Gruppe von Novizen bei Durchlaufen eines Linearprofils dargestellt. Bei Benutzung eines pneumatischen Anti-G-Schutz-Anzuges (AEA, Fa. BAeS) wurden dabei signifikant höhere relaxierte G_z-Toleranzen als bei Benutzung eines hydraulischen Anti-GSchutz- Systems (Libelle G-Multiplus®, Fa. Autoflug) oder ohne Zuhilfenahme eines zusätzlichen Anti-G_z-Schutzes erzielt.

Mit zunehmender G_z-Belastung kam es unter allen Bedingungen (ohne Benutzung eines Anti-G-Schutzanzuges, mit Benutzung des hydraulischen oder pneumatischen Anzuges) zu einer im Vergleich zur Ausgangslage vor Beginn des Linearprofils deutlichen Vergrößerung der Pulswellenamplitude. Dabei war das Ausmaß dieses Anstieges bei Benutzung des pneumatischen Anti-G-Anzuges, mit dem auch die höchste relaxierte G_z-Toleranz erreicht werden konnte, am größten. Ohne Inanspruchnahme eines Anti-G-Schutzanzuges war die Steigerung der Amplitude erwartungsgemäß am geringsten (Abb 7: rechter Teil, linker Balken) [12].

3.2.2 Verhalten der Gleichanteile - als Maß für den venösen Rückstrom

Die Quantifizierung der Änderungen der Gleichanteile ist erfolgt, indem beginnend vom Zeitpunkt t0 bis zum Abbruch des Linearprofils jeweils die Differenz der Gleichanteile zur Ausgangslage ermittelt worden ist [Abb 8]. Sie ist ein Maß für die Füllung des entsprechenden Gefäßgebietes [1, 15].

Erwartungsgemäß kam es mit zunehmender Gz-Belastung zu einer zunehmenden Entleerung des Gefäßgebietes im Stirnbereich, zu einer Volumenverschiebung in die abhängigen Partien und damit zu einem Anstieg der Gleichanteile [Abb 9]. Diese Volumenverschiebung wies insbesondere am Ende des Linearprofils auch quantitativ deutliche Unterschiede bei den betrachteten Systemen (Libelle G-Multiplus ®) und AEA) auf. Bei den Personen, die die höchsten G_z-Toleranzen erreichen konnten, war die beobachtete Volumenverschiebung nicht nur in ihrem Ausmaß geringer, sondern vollzog sich auch deutlich langsamer [Abb 10].

Nach Einteilung der AEA- und Libelle- Gruppe jeweils in eine Gruppe mit hoher und niedriger „relaxed G-Toleranz“ (Einteilungskriterium: Medianwert der „relaxierten“ G-Toleranz“), trat dieser Unterschied noch wesentlich deutlicher hervor. Die Personen, die die geringste Entleerung im Gefäßgebiet der Stirn aufwiesen, hatten die besten „relaxierten“ G-Toleranzwerte - ablesbar auch an der zeitlich deutlich längeren Kurve [Abb 10] [12].

Insgesamt lässt sich feststellen, dass die G_z-Belastungen zu einer Zunahme der Amplitude der Pulswelle und zu einem Anstieg der Gleichanteile geführt haben, was mit einem vermehrten Volumenausstoß des Herzens und einer Entleerung des venösen Gefäßbettes im Kopfbereich zu erklären ist. Damit sprechen die vorliegenden Ergebnisse dafür, dass die Photoplethysmographie eine neue Möglichkeit eröffnet, unter G_z-Belastungen nicht-invasiv und wenig belastend für den Probanden, differenzierte Aussagen zum Verhalten von Kreislaufparametern zu machen und diese zur Bewertung der Güte von Anti- G-Schutzanzügen heranzuziehen.

3.3 Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)

Die Nahinfrarotspektroskopie ist bereits seit drei Jahrzehnten Gegenstand intensiver medizinischer Forschung und hat insbesondere in den letzten Jahren deutliche Fortschritte erfahren. Das nah infrarote Spektrum des Lichtes ist deshalb in den Mittelpunkt des Interesses gerückt, weil Licht zwischen 780 nm und 1 400 nm biologisches Gewebe besonders gut zu durchdringen vermag. Aufgrund der Eigenschaft des nahinfraroten Lichtes, die Schädelkalotte zu durchdringen und aufbauend auf der Tatsache, dass oxygenierungsabhängige Chromophoren wie oxy-Hb, deoxy-Hb und die Cytochrom-Oxidase charakteristische und spezifische Absorptionsspektren aufweisen, ist eine Analyse der Durchblutung von tieferen Gewebeschichten nicht nur grundsätzlich möglich, sondern auch gerätetechnisch verwirklicht worden.

Inzwischen ist in der Literatur unbestritten, dass die NIRS in der Lage ist, kortikale Oxygenierungsänderungen nachzuweisen [13]. Daher wird die NIRS zunehmend auf der Intensivstation und bei Notfällen sowie bei Operationen, Durchblutungsstörungen und in der Sportmedizin zur Überwachung der Sauerstoffversorgung verschiedener Gewebe wie Gehirn, Muskeln oder Thorax angewandt. Es ist absehbar, dass sie bald einen festen Platz im Instrumentarium der neurologischen und intensivmedizinischen Diagnostik einnehmen wird. Da auch bei Zentrifugenbelastungen die Sauerstoffversorgung des Gehirns von herausragender Bedeutung ist, wurde das Verfahren der NIRS an sich, bereits unter Zentrifugenbelastungen erprobt und ergab brauchbare Signale [3, 14, 17].

Allerdings war durch den recht geringen Abstand von Emitter und Detektor die Eindringtiefe immer noch nicht groß genug, um in die wirklich interessierenden tieferen Schichten des Gehirns vorzudringen. Sollte es gelingen, den Abstand zwischen Emitter und Detektor soweit zu vergrößern, dass damit die Durchblutung wesentlich tieferer Schichten des Gehirns erfasst und unter Zentrifugenbedingungen störungsfrei aufgezeichnet werden könnte, ließe sich dieses Verfahren bei Piloten wahrscheinlich auch für die Vorhersage eines Gz-bedingten Bewußtseinsverlustes (Englisch: G induced loss of consciuosness (G-LOC)) verwenden.

3.4 Impedanzkardiographie

Das Herzminutenvolumen - die bestimmende Größe für die kardiovaskuläre Leistungsfähigkeit - ist eine Schlüsselgröße, um die systolische Funktion des linken Ventrikels und des peripheren Widerstandes des Gefäßsystems zu beurteilen. Die Möglichkeit der Messung dieser Größe unter G_z-Belastungen wäre damit von unschätzbarem Wert für die Beurteilung der kardiovaskulären Leistungsfähigkeit des Luftfahrzeugführers und der Effizienz seiner Anti-G-Schutzausrüstung. Allerdings ist eine direkte Messung des Herzminutenvolumens weder invasiv noch nicht-invasiv möglich.

In der Klinik existiert inzwischen aber eine Reihe von indirekten, invasiven (Bestimmung nach dem FICKschen Prinzip, Indikatorverdünnungsmethoden, Thermodilutionsmethoden) aber auch nicht-invasiven Verfahren (Gasrückatmungsmethode mit Acetylen, Dual-Strahl Doppler Echoaortographie, Mechanosphygmographie, Echokardiographie, Impedanzkardiographie), die das Herzminutenvolumen verlässlich ermitteln können [4]. Dabei scheint das Verfahren der Impedanzkardiographie am ehesten unter den Bedingungen einer Human-zentrifuge anwendbar zu sein und soll daher in der Humanzentrifuge in Königsbrück erstmals auch unter höheren G_z-Belastungen geprüft werden.

Die Impedanzkardiographie beruht auf der Bestimmung der Thoraximpedanz (elektrischer Wechselstromwiderstand des Thorax), die von dem darin befindlichen Blutvolumen abhängt und sich pulssynchron verändert. Zwischen Systole und Diastole ändert sich das Blutvolumen im Thorax. Diese Volumenänderung führt zu einer entsprechenden Impedanzvariation, die über Bandelektroden erfasst werden kann und die Rückschlüsse auf das Schlagvolumen und damit das Herzzeitvolumen erlaubt.

Bei der eigentlichen Messung wird ein physiologisch unbedenklicher Wechselstrom durch den Thorax geschickt und der zur Impedanz proportionale Spannungsabfall erfasst. Insgesamt handelt es sich hierbei um ein einfaches und risikoloses, nicht-invasives und vor allem objektives Verfahren. Erste plausible Messwerte konnten bei einem Gemeinschaftsprojekt vom DLR (Arbeitsgruppe Johannes) und unserer Arbeitsgruppe unter Parabelflugbedingungen sowohl im Zero-G- als auch im Hyper-G-Bereich (ca. 2,5 - 3 G_z) abgeleitet werden [Unveröffentlichte Ergebnisse aus laufender Untersuchung].

3.5 Kontinuierliche Blutdruckmessung

Blutdruckmessungen unter G_z-Belastungen sind problematisch und mit den zurzeit zur Verfügung stehenden Methoden immer noch nur eingeschränkt möglich. Am häufigsten wird zur Blutdruckmessung unter Hyper-G_z-Bedingungen ein nicht-invasives, kontinuierliches (Schlag-zu-Schlag-) Verfahren nach Penaz verwendet. Es wurde 1973 in Prag erstmals vorgestellt und von der Arbeitsgruppe um Wesseling weiterentwickelt und verfeinert [16, 11]. Diese Methode gilt unter Ruhebedingungen als eine brauchbare und ausreichend genaue Alternative zu intraarteriellen Messungen.

Sie beruht auf dem Verfahren nach Penaz, das auch als Servo-Plethysmo-Manometrie bekannt ist. Bei dieser Methode wird der Druck einer pneumatischen Fingermanschette während des gesamten Pulszyklus mittels transmissionsplethysmographischer Rückkopplung dem Druck in den Arterien des Fingers angepasst. Wie bei dem Verfahren nach Riva-Rocci, wird der Fingerblutdruck auf Herzhöhe bezogen. Insgesamt zeigt diese Methode eine sehr gute Korrelation zur blutigen Vergleichsmessung, ist aber gegen Bewegungsartefakte relativ empfindlich [6]. Zumindest im unteren G_z-Bereich lassen sich mit diesem Verfahren allerdings verlässliche Blutdruckwerte ermitteln [Abb 11], im höheren G_z-Bereich kommt es häufig zum Verlust des Signals [Abb 11] [2].

Gerätetechnisch wurde dieses Verfahren zunächst in dem stationären Finapress System (Ohmeda, Madison, Wisconsin), später jedoch mit der portablen Variante eines alternierend an zwei Fingern kontinuierlich messenden und mit einem automatischen Höhenausgleich versehenen PORTAPRES®-Gerätes (TNO Biomedical Instrumentation, Amsterdam) verwirklicht.

4. Schlussfolgerungen

Ein funktionierendes kardiovaskuläres System schafft überhaupt erst die physiologische Basis für die Toleranz des menschlichen Organismus gegenüber G-Kräften. Die Möglichkeit des Monitorings der Herz-Kreislauf-Funktion unter G-Belastungen ist daher eine conditio sine qua non, um objektive, zuverlässige und valide Aussagen zum Wohlbefinden des Piloten und zur Wirksamkeit bestimmter Anti-G-Schutzanzüge und - maßnahmen tätigen zu können. In den letzten Jahren hat die Entwicklung nicht-invasiver Techniken auf dem Gebiet der klinischen Herz-Kreislauf-Diagnostik große Fortschritte gemacht. Diese gilt es nun, wo möglich, an die Bedingungen in der Humanzentrifuge zu adaptieren.  

* In der Fliegerei wird die Beschleunigungskraft (oder genauer: die ihr entgegenwirkende Trägheitskraft), nicht wie allgemein bei einer Kraft in Newton, sondern in einem Vielfachen der Erdbeschleunigung, die auf der Erdoberfläche (genau in Meereshöhe) identisch ist mit der Gewichtskraft G eines Körpers, angegeben, das ihn zum Erdmittelpunkt hin mit der Erdbeschleunigung g von 9,81 m/s2 anzieht. Die Beschleunigung, als vektorielle Größe, ist dabei durch ihre Größe (Betrag) und ihre Richtung definiert. Hinsichtlich der Richtung und bezogen auf den menschlichen Körper wird seit 1961 ein einheitliches Drei-Achsen-System verwendet, bei dem die z-Achse der Körperlängsachse entspricht, die x-Achse in sagitaler Richtung (vorwärts-rückwärts) und die y-Achse in seitlicher Richtung (durch die Schultern von rechts nach links gehend) senkrecht auf der Wirbelsäule steht. In der Fliegerei sind dabei die Gz-Beschleunigungen, das heißt die in Richtung der Körperlängsachse auftretenden Beschleunigungen, von besonderer Bedeutung.

Literatur:

1. Abicht, J-M: Computergestützte Analyse photoplethysmographischer Signale. Von der Medizinischen Fakultät der Ludwig-Maximilian-Universität München genehmigte Dissertation, 2003
2. Balldin, U: New advances in physiological measurements during high-G: Technology. In: AGARD Lecture Series AGARD 1995, No. 202: current concepts on G-Protection research and development. Chapter 7, 7-1 – 7-10.
3. Benni, PB, Li JK, Chen B, Cammarota J, Amory DW: NIRS monitoring of pilots subjected to Gz acceleration and G-induced loss of consciousness (G-LOC). Correlation of NIRS determined cerebral oxygenation with severity of pilot +Gz acceleration symptoms. Adv Exp Med Biol 2003; 530: 371- 389.
4. Breithaupt K, Erb KA, Neumann B, Wolf GK, Belz GG: Comparison of four noninvasive techniques to measure stroke volume: Dual-Beam Doppler Echoaortography, Electrical Impedance Cardiography, Mechanosphygmography and M Mode Echocardiography of the left ventricle. Am J Noninvas Cardiol 1990; 4: 203-209.
5. Buick F, Wood EH, Pecaric M, Maloan J: Methods for Measuring physiological responses and protection in man exposed to high +Gz. AGARD Lecture Series AGARD 1995No. 202: current concepts on G-Protection research and development. Chapter 8, 8-1 - 8-15.
6. Elter P: Methoden und Systeme zur nichtinvasiven, kontinuierlichen und belastungsfreien Blutdruckmessung. Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Fridericiana Karlsruhe genehmigte Dissertation, 2001
7. Fronek A: Photoplethysmography in the diagnosis of venous disease. Dermatol Surg 1995; 21(1): 64-66.
8. Gens A, Kuehn-Winkelmann M, Knobloch A, Ledderhos C: Changes of Heart Rate Variability under Gz-acceleration. Aviat Space Environ Med 2010; 81(3): 278
9. Hertzmann AB, Spealman CR: Observations on the finger volume pulse recorded photo-electrically. Am J Physiol 1937; 119: 334-335.
10. Krutz RW, Burton RR, Forster EM: Physiologic correlates of protection afforded by anti-G suits. Aviat Space Environ Med 1990; 61: 106-111.
11. Langewouters, GJ, Settels JJ, Roelandt R, Wesseling KH: Why use Finapres or Portapres rather than intra-arterial or intermittent non-invasive techniques of blood pressure measurement? J Med Eng Technol 1998; 22(1): 37-43.
12. Ledderhos C, Gens A, Westphal S, Lindner P, Rall G: Hemodynamic monitoring during Gz loads using photoplethysmography. Aviat Space Environ Med 2008; 79(3): 179.
13. Obrig H: Nahinfrarotspektroskopie des Gehirns. Von der Medizinischen Fakultät Charité der Humboldt-Universität zu Berlin genehmigte Habilitationsschrift, 2002.
14. Onozawa A, Kikukawa A, Miyamoto Y: A new evaluation method for +Gz tolerance with loratadine by using near-infrared spectroscopy. Dyn Med 2008; 28(7): 3.
15. Partridge BL: Use of pulse oximetry as a non invasive indicator of intravascular volume status. J Clin Monit 1987; 3: 263-268.
16. Penaz J: Photoelectric measurement of blood pressure, volume and flow in the finger. Digest of 10th International Conference on Medical and Biological Engineering. Dresden, 104, 1973.
17. Ryoo HC, Sun HH, Shender BS, Hrebien L: Consciousness monitoring using near-infrared spectroscopy (NIRS) during high +Gz exposures. Med Eng Phys 2004; 26(9): 745-753.
18. 1Severinghaus, JW: Takuo Aoyagi: Discovery of pulse oximetry. Anesth Analg 2007; 105(6): 51-54.

Erklärung:

Bei allen in dieser Arbeit vorgestellten Versuchen wurde vor Beginn der Untersuchungen stets ein Votum der zuständigen Ethikkommission eingeholt.
 

Datum: 15.09.2011

Quelle: Wehrmedizinische Monatsschrift 2011/5-6