Kenichi Yamakoshi

Indirect Measurement of Instantaneous Arterial Blood Pressure in the Human Finger by the Vascular Unloading Technique

For the indirect measurement of beat-to-beat systolic and diastolic pressure in the human finger, a new hydraulic servocontrol system was designed to maintain the vascular volume in the unloaded state. The servocontrol system consists of a compression chamber equipped with an occluding cuff and a photoelectric plethysmograph, an electromagnetic shaker, and a volume servo circuit. The shaker connected to a diaphragm actuator is used for controlling the cuff pressure. The vascular volume change in the finger is detected by the photoelectric plethysmograph. The plethysmographic signal is fed into the servo circuit to control the cuff pressure, which is clamped at a proper value corresponding to the unloaded vascular volume. At this state the controlled cuff pressure follows the intraarterial pressure. The accuracy of this method was evaluated using an in vitro vascular model of the finger. Comparisons with direct measurement were carried out successfully in four normotensive and six hypertensive subjects.

Noninvasive Measurement of Hematocrit by Electrical Admittance Plethysmography Technique

A new method for the noninvaive measurement of hematocrit by means of electrical admittance plethysmography was developed. The pninciple of this method is based on the evidence that the elecical admittance variation in a finger segment inmersed in an electrolyte solution disappears when the resistivity of the solution is equal to that of the blood flowing into the segment. Thus, the blood resistivity and, therefore, the hematocrit can be noninvasively determined from the electrolyte resistivity. The hematocrit values determined by this method (HctY) were compared with those by the capillary method (Hctc) in 16 subjects: the linear regression equation was HctY = 1.02Hctc-0.35 with a correlation coefficient r = 0.981.

Physiological and fluid-dynamic investigations of the transthoracic impedance plethysmography method for measuring cardiac output. Part II—Analysis of the transthoracic impedance wave by perfusing dogs

By perfusing the aorta and the pulmonary artery of dogs with a controlled sinusoidal or pulsatile flow, the source of the transthoracic impedance variation and the relationship between the actual blood volume flow and the stroke volume value calculated by Kubiceks impedance method s.v.z were investigated. The results are as follows: (a) the main component of the transthoracic impedance waveform from which the s.v.z value is calculated originates from the systemic blood flow rather than from the pulmonary blood flow; (b) not the absolute but the relative value of the stroke volume can be calculated by Kubiceks equation; and (c) the s.v.z value is greatly affected by the hydraulic frequency of the actual sinusoidal blood flow.SommaireEn perfusant laorte et lartère pulmonaire des chiens dun débit sinusoïdal ou pulsatile régulé, on a étudié lorigine de la variation dimpédance transthoracique et la relation entre le débit volumétrique réel du sang et la valeur du volume de la course calculée par la méthode des impédances de Kubicek (SVz). Les résultats étaient les suivants: (1) le composant principal de la forme donde de limpédance transthoracique qui est à la base du calcul de la valeur SVz a son origine dans le débit du sang du système plutôt que dans le débit du sang pulmonaire; (2) léquation de Kubicek permet de calculer la valeur relative de SV, non la valeur absolue; (3) la fréquence hydraulique du débit sinusoïdal réel du sang a une grande incidence sur la valeur SVz.ZusammenfassungDie Quelle der transthorakalen Impedanzschwankung und das Verhältnis zwischen eigentlichem Blutvolumenfluß und Hubvolumenwert, die durch das Kubiceksche Impedanzverfahren (HVz) berechnet wurden, wurden untersucht, indem Aorta und Pulmonalarterie bei Hunden mit einem gesteuerten sinusähnlichen oder pulsähnlichen Durchfluß durchströmt wurden. Dabei wurden folgende Ergebnisse erzielt: (1) der Hauptbestandteil der transthorakalen Impedanzwellenform, aus dem der HVz-Wert errechnet wird, stammt nicht aus dem pulmonalen Blutstron, sonderm aus dem großen Blutkreislauf; (2) durch die Kubiceksche Gleichung kann nicht der absolute, sondern der relative Hubvolumenwert errechnet werden; und (3) die Hydraulikfrequenz des eigentlichen sinusähnlichen Blutstroms wirkt sich stark auf den HVz-Wert aus.

Evaluation of the theory of cardiac-output computation from transthoracic impedance plethysmogram.

To analyse the limit of the stimation of stroke volume by thoracic impedance plethysmography (SVz), we considered an elastic tube forced with a trapezoidal flow input as a model of the aorta, and, based on Kubiceks equation, the volume input (SVa) was related to its impedance change via the model system parameters such as elasticity, fiuid inertia, peripheral resistance, total impedance across the tube and the rise and fall time of the input. SVz is equal to SVa only when the inflow is a square wave. The ratio SVz/SVa decreases with increasing input rise time, while it increases with increasing fall time, if the maximum flow rate and ejection time of the inflow are held constant. SVz hardly changes in association with changes in elasticity, fluid inertia, peripheral resistance or total impedance. A part of the results, the relationship between SVz, transthoracic total impedance and aortic flow waveform, was also demonstrated in dogs.SommaireAfin danalyser la limite de lévaluation du volume des battements par la pléthysmographie (SVz) à impédance trans-thoracique, nous avons considéré lusage dun tube élastique forcé à laide dune entrée découlement trapézoidale en tant que modèle daorte et, sur la base de léquation de Kubicek, lentrée volumétrique (SVa) fut associée à son changement dimpédance (dZ/dt) par lintermédiaire des paramètres de système du modèle tels que lélasticité (E), linertie du fluide (La), la résistance périphérique (Rs), limpédance totale à travers le tube (Z0) et la montée/descente du temps de lentrée (t. andtr). Or,SVz nest égale àSVa que lorsque lécoulement dentrée est une onde carrée. Le rapportSVz/SVa décroît en fonction de laccroissement detr, alors quil augmente en fonction de laccroissement de tf à condition que le dèbit découlement maximum et le temps déjection de lécoulement dentrée soient maintenus constants.SVz ne change pour ainsi dire pas en association avec les changements deE, La,Rs etZ0. En plus de ces résultats, la relation existante entreSVz, limpédance totale transthoracique et la forme donde du débit aortique, furent également démontrés sur des chiens.ZusammenfassungUm die Grenze zur Schätzung des Hubvolumens durch thorakale Impedanz-Plethysmographie (SVz) zu analysiren, wurde von einer elastischen Röhre ausgegangen, die von einem trapezförmigen Durchfluß als Modell der Aorta belastet wurde. Beruhend auf der Kubicek-Gleichung wurde die Volumeneingabe (SVa) auf ihre Impedanzänderung (dZ/dt) über die Parameter des Modellsystems wie (E), Trägheitsmoment der Flüssigkeit (La), peripherer Widerstand (Rs), Gesamtimpedanz über die Röhre (Z0) sowie Zeit zum Steigen und Senken der Eingabe (tr &tf) aufeinander in bezug gebracht.SVa entsprichtSVr nur dann, wenn der zugeführte Fluß eine Rechteckwelle ist. Das VerhältnisSVz/SVa nimmt mit steigendemtr ab, währrend es bei steigendentf zunimmt, wenn maximaler Durchfluß und Ausstoßzeit des zugeführten Flusses konstat gehalte werden.SVz ändert sich in Verbindung mit der Änderung vonE, La,Rs undZ0 kaum. Als Teil der Ergebnisse wird ferner das Verhältnis zwischenSVz, der transthorakalen Gesamtimpedanz und der Wellenform des Aortendurchflusses bei Hunden darestellt.

Physiological and fluid-dynamic investigations of the transthoracic impedance plethysmography method for measuring cardiac output: Part I—A fluid-dynamic approach to the theory using an expansible tube model

The method of Nyboer and Kubicek for measuring stroke volume (s.v.) was used with an expansible tube model to analyse the relationship between the impedance variation and the actual flow. A preliminary correlation study between the method and electromagnetic flowmetry was conducted on 28 dogs: The correlation coefficient and the percentage of decentralisation within a ±25% error for the individual dogs were 0·79 and 53·5%, while those for a dog whose s.v. was controlled by drugs were 0·88 and 82·4%. The s.v. value and volume flow rate of a sinusoidal flow, as well as of a pulsatile flow, in the tube with an occluded outflow can be measured exactly by Nyboers equation. In the tube with an opened outflow the s.v. value of the pulsatile flow can be measured only approximately by Kubiceks equation. In both tubes, the hydraulic frequency of the flow and the tube length are the most important factors governing the working frequency range of the method. Based on the results, we have discussed how to utilise the theory with a living subject.SommaireLes méthodes Nyboer et Kubicek utilisées pour mesurer le volume de course (sv) ont été utilisées avec un modèle de tube dilatable afin danalyser la relation entre la variation de limpédance et le débit réel. Une étude de corrélation préliminaire entre cette méthode et la débitmétrie électromagnétique a été faite sur 28 chiens. Le coefficient de corrélation et le pourcentage de décentralisation dans une plage derreur de ±25% pour les chiens individuels étaient de 0·79 et 53·5%; pour des chiens dont le SV était régulé par des drogues les valeurs étaient de 0·88 et 82·4%. Léquation de Nyboer permet de faire des mesures précises de la valeur SV et le débit volumétrique dun débit sinusoïdal, et dun débit pulsatile, dans un tube à sortie fermée. Dans un tube à sortie ouverte léquation de Kubicek ne permet quune mesure approximative de la valeur SV du débit pulsatile. Dans les deux tubes la fréquence hydraulique du débit et la longueur du tube sont les facteurs déterminants en ce qui concerne la plage de fréquences de fonctionnement de la méthode. Nous nous sommes basés sur ces résultats pour discuter le moyen dutiliser la théorie sur un sujet vivant.ZusammenfassungDie Verfahren von Nyboer und Kubicek zum Messen des Hubvolumens (HV) wurden mit einem dehnbaren Röhrenmodell verwendet, um das Verhältnis zwischen Impedanzschwankung und eigentlichem Durchfluß zu analysieren. Eine vorläufige Korrelationsuntersuchung zwischen dem Verfahren und der elektromagnetischen Durchflußmessung wurde an 28 Hunden durchgeführt: der Korrelationskoeffizient und der Dezentralisationsprozemtsatz bei einer Regelabweichung von ±25% lagen bei den einzelnen Hunden bei 0·79 und 53·5%, während sie bei Hunden, deren HV durch Drogen gesteuert wurde, bei 0·88 bzw. 82·4% lagen. Der HV-Wert und die Volumendruchflußmenge eines sinusähnlichen sowie eines pulsähnlichen Durchflusses in der Röhre mit verstopftem Ausgang können mit Hilfe der Nyboerschen Gleichung genau gemessen werden. In der Röhre mit offenem Abfluß läßt sich der HV-Wert des pulsähnlichen Durchflusses durch die Kubiceksche Gleichung nur ungefähr messen. In beiden Röhren waren Hydraulikfrequenz des Durchflusses und Röhrenlänge die wesentlichsten Faktoren, die sich auf den Betriebsfrequenzbereich des Verfahrens auswirkten. Auf Grund der Ergebnisse wurde besprochen, wie die Theorie auf einen lebenden Patienten Anwendung finden kann.

A Model Study of Stroke Volume Values Calculated from Impedance and Their Relation to the Waveform of Blood Flow

By means of a computer simulation, cardiac stroke volume measured with Kubiceks impedance method (SVz) was evaluated against aortic flow waveform. SVz varied remarkably with the change in the shape of aortic flow-wave whose stroke volume was held constant. SVz was equal to the stroke volume only when the flow-wave was square.

Reduction of the duration of isovolumic relaxation in the ejecting left ventricle of the dog: residual volume clamping

1. The individual effects of stroke volume and speed of ejection on the duration of the isovolumic relaxation phase were analysed in the canine left ventricle with a constant end‐systolic residual volume.

Measurement of aortic compliance from the transthoracic admittance plethysmogram in the living dog

An attempt was made to measure the compliance and elastic modulus of the thoracic aorta from simultaneous recordings of the transthoracic admittance plethysmogram and intra-aortic pressure in living dogs. Initially, the compliance values determined by this method were correlated with those measured from the volume-pressure relationships in three different silicone-rubber tubes; these two groups of values were consistent with each other within the error range of ±10%. The mean value of the compliance of the thoracic aortae in four normal dogs (13–15 kg) measured by this method was 0·00387±0·00100 ml/mmHg cm. The elastic modulus E and velocity v of the pulse wave were calculated from this value; E=2·71±0·79×105 dN/m2 and v=4·52±2·44 m/s. These data were compared with those reported previously by other investigators. Taking simplicity, safety and practicability into consideration, it was concluded that this method would only be useful in clinics for the rough estimation of the elastic properties of the thoracic aorta.SommaireUn essai a été entrepris pour mesurer le comportement et le coéfficient délasticité de laorte thoracique à partir denregistrements simultanés du pléthysmogramme dadmission transthoracique at de la pression intra-aortique dans des chiens vivants. Initialement, les valeurs de comportement déterminées par cette méthode furent associées à celles qui étaient mesurées à partir des rapports volume-pression dans trois tubes en caoutchouc de silicone différents. Ces deux groupes de valeurs étaient compatibles les unes avec les autres dans les limites de la gamme derreur de ± 10%. La valeur moyenne du comportement de laorte thoracique dans quatre chiens normaux (13–15 kg), relevée par cette méthode, était de 0,00387±0,00100 ml/mm Hg-cm. Le coéfficient délasticitéE et la vitesse de londe dimpulsion ν furent également déterminés à partir de cette même valuer, à savoir: E=2,71±0,79×106 dynes/cm2 et ν=4,52±2,44 m/s. Ces données furent ensuite comparées à celles qui avaient été précédemment formulées par dautres enquêteurs. En tenant compte des facteurs de simplicité, sécurité et praticabilité, on en a conclu que cette méthode ne serait utile que dans les cliniques pour les évaluations approximatives des propriétés élastiques de laorte thoracique.ZusammenfassungEs wurde ein Versuch gemacht, die Übereinstimmung und das Elastizitätmodul der thorakalen Aorta durch gleichzeitiges Aufnehmen eines transthorakalen Admittanz-Plethysmogramms und Druck in der Aorta an lebenden Hunden zu messen. Anfänglish wurden die Übereinstimmungswerte, die durch dieses Verfahren bestimmt wurden, auf die mit Volumen-/ Druckverhältnis in drei verschiedenen Silikongummischläuchen gemessenen aufeinander in bezug gebracht. Diese beide Wertegruppen waren im Fehlerbereich von ±10% einheitlich. Der Mittelwert der Übereinstimmung der thorakalen Aorta bei vier normalen Hunden (13–15 kg), der mit diesem Verfahren gemessen wurde, betrug 0,00387±0,00100 ml/mm Hg/cm. Das ElastizitätsmodulE und die Geschwindigkeit der Impulswelle ν wurden von diesem Wert berechnet. E 3 2,71±0,79×106 Dyn/cm2 undv 3 4,52±2,44 m/s. Diese Daten wurden mit den schon früher von anderen Untersuchern vorgestellten verglichen. Unter Berücksichtigung von Einfachheit, Sicherheit und Durchführbarkeit wurde geschlossen, daß dieses Verfahren nur in der Klinik zur groben Schätzung der elastischen Eigenschaften der Thoraxaorta nützlich sein würde.

Three-channel telemetry system for monitoring e.c.g. cardiac output, rate of respiration and basal transthoracic admittance

A three-channel frequency-modulation telemetry system for the noninvasive measurement of cardiac output, rate of respiration, e.c.g. and basal transthoracic admittance of the unconstrained human subject is described. Tetrapolar admittance plethysmography has been employed to obtain the transthoracic admittance and its variations corresponding to the cardiac cycle and respiratory changes. Pulse duration modulation has been used in the transmitter system. The nonlinearity of the system is less than ±2·0%. The telemetry transmitter has a range of about 100 m, it weights approximately 200 g and is contained in a box measuring 150×100×50 mm. The batteries used provide a continuous life of 20 h. The system has been used to obtain data from normal subjects in different postures with breath hold and during normal respiration.