Der er masser af store medikotekniske udfordringer for kommende civilingeniører inden for medicin og teknologi.
Læs 1. del af originalartiklen her
Læs 2. del af originalartiklen her
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 9, 2004 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Jesper H. Wandrup, dr.med., cand.scient. (kemi), speciallæge i Klinisk Biokemi, Radiometer Medical Aps
Omkostningerne på hospitalerne i forbindelse med klinisk biokemiske undersøgelser i USA er hastigt og uhensigtsmæssigt stigende. I Europa og herhjemme ser man samme tendens i mindre omfang.
Håndholdte små medikotekniske måleinstrumenter baseret på biosensorer på tyndfilm (mikrochips) kan analytisk erstatte en del af funktionen af store laboratoriers analyserepertoire. Brugen af disse er hastigt stigende i USA.
Nye »Point-of-Care« medikotekniske virksomheder med meget stor årligt vækst skyder op i USA. Herhjemme er der dog stadig relativt langt imellem nystartede medikotekniske virksomheder. Meget ofte spejler udviklingen i USA dog en tilsvarende udvikling i Europa med en 4-5 års forsinkelse.
I dette medicinsk/teknologiske grænseland bliver det kommende medikotekniske ingeniørers opgave at fremstille og medvirke til innovation af omkostningsdæmpende måleinstrumenter, der dels er relativt små, og dels kan anvendes i fuldblod uden centrifugering og isolering af plasma eller serum. Dermed kan de med fordel anvendes i forbindelse med akut diagnose og behandling af kritisk syge patienter.
Men hvilke problemer skal disse nye medikotekniske udviklinger imødegå? Her beskrives hvilke problemstillinger man står over for på en multidisciplinær intensivafdeling. Endvidere gøres der generelt rede for opbygning og funktionalitet af nogle af de vigtigste organsystemer.
Problemstillinger på en intensivafdeling
På en multidisciplinær intensivafdeling skal man være i stand til at observere (monitorere), diagnosticere og behandle og pleje patienter med svigt af et eller flere organsystemer.
Ordet monitorere kommer fra det latinske verbum »monere« – at advare. I intensiv medicin og behandling af kritisk syge patienter spiller intensivlægernes teknologiske og måletekniske muligheder for at monitorere et akut sygdomforløb en meget afgørende rolle for diagnosticering samt effektiv behandling af diverse akutte sygdomstilstande.
De primære betingelser for at holde patienter i live er basalt knyttet til et detaljeret klinisk kendskab til funktionerne af lunger, hjertekredsløb samt nyre. I den forbindelse er det vigtigt at have let adgang til måleresultater eller andet medikoteknisk apparatur, der kan hjælpe lægerne til at stille rigtige diagnoser og give livsnødvendig optimal behandling.
De vigtigste organsystemer
Funktionen af menneskets individuelle organsystemer udgør tilsammen kroppens normale såvel som patologiske funktioner.
Ved monitorering og behandling af kritisk syge patienter er det meget vigtigt med et basalt medicinsk kendskab til både organsystemer, men også et indgående kendskab til naturvidenskabelige fordele og begrænsninger ved anvendelse af diverse medikotekniske måleinstrumenter.
Praktisk intensivbehandling og monitorering af kritisk syge patienter er en slags lægefaglig strategisk »krig«, der skal sikre, at vigtige organsystemer ikke stopper (dør) eller holder op med at fungere adækvat, så patienternes livskvalitet forringes unødvendigt.
Det respiratoriske system
Systemet består af luftvejene (luftrør og bronkier) samt selve lungevævet. Lungernes overfladeareal til udskiftning af ilt og carbondioxid med omgivelserne svarer til ca. 100 m2.
Åndedrættet reguleres af åndedrætscentret, der befinder sig i hjernen, mens arbejdet udføres af åndedrætsmusklerne i mellemgulvet og musklerne mellem ribbenene. Ved indånding trækker disse muskler sig sammen. Derved udvides brystkassen, og der skabes et undertryk i brysthulen og luft suges ind i lungerne. Luften strømmer ud igen, når de samme muskler slapper af. Luftens ilt optages i blodet af hæmoglobin i blodets røde blodceller – erythrocytterne.
Det iltede blod pumpes af hjertet ud til samtlige organismens celler, hvor næringsstofferne forbrændes – primært glucose. Herved dannes affaldsstoffet carbondioxid, der med blodet føres tilbage til lungerne, hvor det udskilles med udåndingsluften.
Manglende tilstrækkelig respiration er en af de vigtigste grunde til, at visse patienter havner på intensivafdelingen og får brug for måling af diverse eksisterende akutte syre-base (pH)-, og blodgasparametre (pCO2 og pO2).
Det kardiovaskulære system
Organsystemet består af hjertet, blodkarrene og blodet. Hjertet er en stor muskel med pumpefunktion, der sikrer, at blodet transporteres rundt i kroppen. Hjertet er inddelt i fire kamre. Højre og venstre side af hjertet er normalt adskilt af en skillevæg og er endvidere forbundet via lungekredsløbet. Hjertet og kredsløbets hovedfunktion er konvektiv transport af:
1. gasserne ilt og carbondioxid
2. næringsstoffer
3. affaldsstoffer
4. varme
5. hormoner
6. hvide blodlegemer og antistoffer (forsvarssystemet)
Normalt pumper hjertet ca. 5 liter blod rundt i kredsløbet pr. minut. Opretholdelse af et tilstrækkelig blodtryk: diastole (hjertets fyldningstryk) og systole (hjertets pumpetryk) er en meget vigtig hjertefunktion.
Kredsløbet
Kredsløbet og karrenes funktion består af arteriesystemet, der fører blod fra hjertet, og venesystemet, der fører blodet tilbage til hjertet. De mindre arterier kaldes arterioler og slutter i kapillærsystemet.
Især i den vestlige verden spiller udvikling af åreforkalkning en vigtig rolle ved en lang række sygdomme, der medvirker til akut kritisk sygdom, som skal behandles på intensivafdelingen.
Blodet
Blodprøver er uhyre nyttige og kan anvendes til udredning og monitorering af et væld af sygdomme og medicinske behandlinger. Blod er en slags kompliceret biologisk »væske«. Det består af røde og hvide blodlegemer samt blodplader, der flyder rundt i en »væske« kaldet plasma. Blodet udgør omkring 7% af et menneskes vægt. De røde og hvide blodlegemer udgør ca. 45% af blodmængden og plasma udgør de resterende 55%. Blodet er det medium, der transporterer ilt og biokemiske byggesten samt affaldsstoffer rundt til de forskellige organsystemer og disses celler. Det indeholder desuden to systemer, der dels kan holde blodet flydende, og dels få det til at størkne (koagulere).
Koagulationsforstyrrelser samt akutte blødninger postoperativt (efter kirurgi) er et interessant »nyt« område inden for intensivbehandling.
Hjerne- og nervesystemet
Nervesystemet består af en masse nerveceller, der ligger i forlængelse af hinanden, så de kan overføre impulser fra den ene til den anden. På den måde kan impulserne nå helt op i hjernen. Dvs. at hjernen kan opfatte, at det er koldt, selv om det »kun« er elektriske impulser, den modtager. Hjernen kan også sende beskeder tilbage igennem nervesystemet.
Nervesystemet består af hjernen og rygmarven. Tilsammen udgør de to systemer centralnervesystemet. Overordnet deler man nervesystemet op i centralnervesystemet og det perifere nervesystem. Nervesystemet kan opfattes som en slags kontrolcenter for en lang række af kroppens vigtige funktioner. Det perifere nervesystem, der tager sig af bevægelser og følesansen, består af motoriske og af sensoriske nerver. Overordnet styres de motoriske nerver af hjernen. Nervesystemet spiller en meget vigtig rolle i behandlingen af kritisk syge patienter, idet det kan påvirkes med forskellige specifikke medikamenter.
Nyrefunktionen
Også et yderst vigtigt organsystem, der sørger for at udskille væske, diverse affaldsstoffer og medikamenter i urinen. Fejler nyrerne noget, må patienten i dialyse to til tre gange om ugen. Her renses blodet kunstigt for affaldsstoffer. Der tales om to typer dialyse: hæmodialyse og peritoneal-dialyse.
Klinisk udredning af kritisk syge patienter
Ved en klinisk udredning af kritisk syge patienter samles tilstrækkelige kliniske informationer, dels ved en objektiv klinisk undersøgelse (almene kliniske observationer, blodtryk, puls, respirationsfrekvens etc.) (evt. sygehistorie), og dels ved at rekvirere diverse diagnostiske undersøgelser af diverse biomarkører i udtagne biologiske væsker (blod, urin, rygmarvsvæske) på centrallaboratoriet, mikrobiologisk-, røntgen-, blodbank-, patologisk afdeling.
De praktiske og teoretiske udredningsopgaver prioriteres af den modtagende læge, dennes kollegaer og assisterende personale (sygeplejerskerne). I akutfasen opretholdes og sikres basale livsvigtige organfunktioner såsom vejrtrækning, hjertefunktion og optimal kredsløbsfunktion. Samtidig indsamles diagnostiske testinformationer for at få en basal status og evt. diagnose for patienten og for at monitorere effektiviteten af en iværksat behandling. Ud fra et samlet billede vurderer den behandlende læge ligeledes prognosen for den pågældende kritisk syge patients tilstand.
En adækvat klinisk behandling af kritisk syge patienter er et meget komplekst og multi-faktorielt scenario, hvis udfald og kliniske håndtering meget sjældent er bestemt af svaret på en enkelt parameter, men i langt højere grad er et komplekst billede af tidsrelaterede informationer og observationer. Ud fra teoretiske såvel som kliniske erfaringer bruger den behandlende læge i den akutte fase disse informationer til at optimere og understøtte patientens vitale organfunktioner, såsom lunge-, hjerte-, nyre, hjernefunktion. Målet er at stabilisere og føre patienten gennem den kritiske sygdomstilstand uden mén af diverse organfunktioner.
Klinisk baggrund for anvendelse af akutte parametre
Udredning af kritisk syge på baggrund af biokemiske parametre målt i blodet har tre vigtige kliniske fokusområder, som den behandlende læge regulerer under hele sygdomsforløbet:
– Diagnose (udredning af korrekt diagnose til et ethvert tidspunkt samt vigtige differentialdiagnoser (alternative diagnoser) mhp. alternativ behandling af patienterne, hvis den iværksatte behandling ikke har den tiltænkte effekt.
– Monitorering (vurdering af kliniske behandlinger og generel observation af sygdomforløbet)
– Prognose (ved sikker diagnose vurderes sygdomsforløbets mortalitet (dødelighed) samt morbiditet (komplikationer) på basis af teoretiske og personlige kliniske erfaringer
Akutte parametre bruges primært til at vurdere følgende fysiologiske og pato-fysiologiske funktioner hos den kritisk syge patient:
Lungestatus: Vejrtrækning (frekvens, kvalitet)
Hjertestatus: Hjertets rytme og funktion som velfungerende pumpe for kredsløbet
Nyrestatus: Nyrernes evne til at udskille væske og affaldsstoffer og bevare vand- og elektrolytstatus i legemet
Koagulationsstatus: Blodets evne/manglende evne til at koagulere
Brugen af akutte biokemiske prøver i klinikken
Den kliniske og biokemiske baggrund, for at anvende analyser i blod til at stille diagnoser og at monitorere kritisk syge patienter, har ofte en meget kompleks struktur baseret på et indgående kendskab til biokemi, specifikke sygdomsforløb og personlige kliniske erfaringer.
Rekvirerede analyser er oftest et panel af forskellige analyser, som anvendes til at udelukke alvorlige tilstande, der skal og bør behandles intensivt og til at overvåge effektiviteten eller uheldige bivirkninger af en evt. iværksat behandling.
Generelt tolkes analyseresultaterne ud fra en sammenligning med en klinisk referenceramme (kliniske og biokemiske erfaringer). Klinikernes opfattelse, af hvad man må opfatte som kritiske værdier for en given parameter, er desværre ikke entydigt defineret. Analyseresultatet kan derfor have en værdi der er for lav, normal eller for høj.
Eksempel på en relativt ny biomarkør for akut hjerteinfarkt
I USA henvender ca. 6 mio. patienter sig med symptomer på akut hjerteinfarkt om året.
Proteinet Troponin I findes i hjertemuskulatur. Det bruges til specifik påvisning af Akut Myocardie Infarkt (AMI). Sammen med Troponin T er det udpeget som den bedste markør for AMI. Troponin I ses 4-12 timer efter symptomdebut på AMI. Forbliver abnorm 4-10 dage efter AMI. Værdier 5-10 gange øvre grænse ses ved AMI.
Klinisk anvendes en cut-off værdi på ca 0.1-0.2 mg/L som øvre grænse for diagnose af AMI. Værdier over dette niveau ved smerter i brystet med udstråling til armen indikerer, at der er tale om et akut hjertetilfælde (AMI).
Fremtidige medikoteknologier
I fremtidens akademiske forsknings- og industrielle udviklingsmiljø bliver der dog ikke kun brug for »vampyringeniører« med hang til blodmålinger, men også i høj grad DTU-ingeniører, der kan frembringe teknologi som taget ud af en scene fra »Star Trek«. Således kan man spå, at en non-invasiv glucosemonitor med samme præcision som tilsvarende blodglucosemålinger bliver et multibillion $ hit.
Det optimale fremtidsperspektiv set ud fra en patients synspunkt er en fremtid med non-invasive teknologier a la sensorer fra »Star Trek«, der registrerer kvantitative og kvalitative analyseinformationer om eventuelle sygdomsprocesser ved et lille »bip« i en lampe med samme medicinske sensitivitet og specificitet, som analyser i blod.
Man kan nu blive uddannet som civilingeniør i Medicin og Teknologi. Uddannelsen er femårig og udbydes af Københavns Universitet og DTU. Læs mere om uddannelsen på: http://www.medicin-ing.dk
Figur 1. Lungernes anatomiske opbygning.
Figur 2. Hæm-enhed af hæmoglobin.
Figur 3. Hjertet med afgående store pulskar.
