• No results found

Computer models in bedside physiology - Thesis

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Computer models in bedside physiology - Thesis"

Copied!
130
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (https://dare.uva.nl)

UvA-DARE (Digital Academic Repository)

Computer models in bedside physiology

Zhang, Y.

Publication date

2013

Document Version

Final published version

Link to publication

Citation for published version (APA):

Zhang, Y. (2013). Computer models in bedside physiology.

General rights

It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Disclaimer/Complaints regulations

If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.

(2)
(3)

COMPUTER MODELS IN BEDSIDE PHYSIOLOGY

ACADEMISCH PROEFSCHRIFT

ter verkrijging van de graad van doctor

aan de Universiteit van Amsterdam

op gezag van de Rector Magnificus

prof. dr. D.C. van den Boom

ten overstaan van een door het college voor promoties ingestelde

commissie, in het openbaar te verdedigen in de Agnietenkapel

op vrijdag 20 september 2013, te 12:00 uur

door

Yanru Zhang

(4)

Promotor: Prof.dr. J.H.R. Ravesloot

Copromotor: Dr. J.M. Karemaker

Overige leden: Prof.dr. E.T. van Bavel

Prof.dr.ir. C. Ince

Dr. R.W. Koster

Prof.dr. J.J. van Lieshout

Prof.dr. R.J.G. Peters

Faculteit der Geneeskunde

This thesis has been prepared in the department of Anatomy, Embryology and Physiology

of the Academic Medical Center, Amsterdam, The Netherlands

(5)

Table of contents

Chapter 1    General Introduction; aims of the thesis ... 5 

Chapter 2    Optimal Cardiopulmonary Resuscitation as Identified by Computer 

Modeling ... 11 

Chapter 3    Abdominal counter pressure in CPR: What about the lungs?    An in 

silico study ... 33 

Chapter 4    Search for HRV‐parameters that detect a sympathetic shift in heart 

failure patients on ß‐blocker treatment ... 51 

Chapter 5    A subgroup of Brugada patients shows low orthostatic blood pressures 

as a sign of decreased sympathetic outflow ... 75 

Chapter 6    Dynamics of Pulse Pressure Variability and the Difficulty of Predicting 

Fluid Responsiveness. ... 91 

Chapter 7    Summary and general conclusions ... 121 

Nederlandse samenvatting ...125 

Curriculum Vitae ... 127 

Acknowledgements and colophon ... 128 

(6)
(7)

Chapter 1

General Introduction; aims of the thesis

I have been trained in Biomedical Engineering (BME), a field that is, broadly speaking, geared  to putting engineering methods to the assistance of clinical diagnosis and therapy. Biomedical  engineering methods cover a wide range – from chemical engineering (tissue engineering and  biomaterials) to electrical and mechanical engineering, as in the development of medical  devices (12). In this thesis I apply bioelectrical (BME‐) methods to solve several medical  problems.    The thesis consists of two parts: the first part is about cardiovascular modeling and  simulation; the second about analysis of beat‐to‐beat heart rate and blood pressure  variability. 

1. Modeling and simulation of the human cardiovascular system

Models of the circulation are constructed to help understand physiological problems or to  simulate interventions which are difficult or impossible to perform in real life. In this thesis  we have reduced a number of aspects of the human cardiovascular model to a computer  program. A good model can accurately describe (some of) the behavior of a particular system;  use of the computer model may reduce experiment time and cost, avoid unnecessary injuries  and ethical controversies.  Since the first two‐element Windkessel (arteries) model was developed in 1899 by Otto Frank  (11), until the overall circulation regulation model developed in 1972 by A. C. Guyton(5), the  cardiovascular models went from very simple to very complex. Today circulation models are  developed simple or complex according to the research requirements. In the following two  sections the medical background of our specific cardiovascular model is introduced. Modeling  or simulation can never replace real experiments, but it can always make real experiments  better, or smarter.  a. Cardiopulmonary Resuscitation simulation Cardiopulmonary arrest (CPA, also called cardiac arrest, CA) is a condition in which the heart  suddenly and unexpectedly stops beating. Data from the Sudden Cardiac Arrest Association  (www.suddencardiacarrest.org) show that in the U.S.A more than 300,000 people suffer a  CPA each year, only 8% of whom survive. When CPA occurs, cardiopulmonary resuscitation  (CPR) is an emergency procedure to preserve brain function (and that of other vital organs)  until further measures are taken to restore spontaneous circulation and breathing. No matter 

(8)

where CPA occurs: on the street or in a hospital, in‐time and proper CPR and advanced life  support can dramatically improve the survival rate to 50%! The International Liaison  Committee on Resuscitation (www.ilcor.org ) holds consensus meetings and publishes  updated CPR guidelines every five years since the first in 2000. There are also free training  courses (in hospitals, on websites, and in TV programs).    In Chapter 2 the question to be answered is: which CPR technique is the best one to improve  cardiac output and organ perfusion? We compared five different CPR techniques, from  conventional to innovative methods, by way of a cardiovascular circulation model.  In Chapter 3 the question to be answered is: if we apply all those efforts described in chapter  2 to improve cardiac output and organ perfusion, is that really the best we can do for the  patient? When we pushed this CPR optimization we found that with high pressures of thorax  and abdomen compression and large venous returns, we had to consider the lungs as well.  With improved mechanical techniques, ‘faster and harder’ compressions are not difficult to  obtain (in‐hospital that is, with bare hands it is still difficult); the question is: can the lungs  take it?  b. Pulse Pressure Variation simulation Cardio‐pulmonary interaction is in the spotlight again. Over the last 20 years pulse pressure  variation (PPV) has proven itself as an accurate predictor of volume responsiveness (1, 2, 4, 7,  9, 10): lower PPV implies that the volume status has pushed cardiac filling to the plateau of  the Frank‐Starling curve to a saturation state(9). PPV is in clinical use to steer volume infusion  for instance during surgery. However PPV does not work in situations like low tidal volume or  spontaneous respiration(9). The question when PPV may reliably be used as indicator of  volume responsive is still in discussion.  In Chapter 6 we use a cardiovascular circulation model, with respiration and ANS control to  simulate how PPV changes with changes in circulating volume, whether PPV can predict  volume responsiveness in different situations. We compare these results to recordings in  healthy test subjects who received a large intravenous saline infusion. 

2. Analysis of beat‐to‐beat heart rate and blood pressure variability

Before going into heart rate variability (HRV) and blood pressure variability (BPV), we have to 

(9)

Introduction; aims of the thesis

contraction, constriction and dilatation of blood vessels, contraction and relaxation of  smooth muscle in various organs, visual accommodation, pupillary size and secretions from  exocrine and endocrine glands.  The ANS consists of two separate divisions: the parasympathetic and sympathetic systems,  distinguished on the basis of anatomical and functional differences. The sympathetic nervous  system aids in the control of most of the body's internal organs. Stress—as in the  flight‐or‐fight response—is thought to counteract the parasympathetic system, which  generally works to promote maintenance of the body at rest.  Disturbances of the autonomic nervous system can be the cause of serious health problems.  Autonomic nervous system disorders can occur alone or as the result of another disease,  such as Parkinson's disease, alcoholism and diabetes. Therefore evaluation of the condition  of the autonomic nervous system can be of diagnostic or predictive value.  a. Heart rate variability (HRV) in CHF patients Heart rate variability (HRV) has emerged as a simple, noninvasive method to evaluate ANS  activity. Reduced heart rate variability (HRV) is a powerful and independent predictor of an  adverse prognosis in patients with heart disease and in the general population.  In Chapter 4 we test which analysis method for HRV discriminates Chronic Heart Failure (CHF)  patients on beta‐blocker treatment from healthy control subjects; next we test which of  these parameter(s) detects the situation where such a patient would ‘slip into’ a more  sympathetic condition.    b. Challenge: Active standing up in Brugada patients When we stand up blood tends to shift towards the lower part of the body, sympathetic  activity will raise heart rate, peripheral resistance, cardiac performance etc. to maintain  blood pressure, at the same time parasympathetic activity will withdraw.  Active standing‐up from supine or sitting is clinically used to test ANS function in control of  blood pressure and heart rate (3, 6, 8, 13).  In Chapter 5 we compare the change of beat‐to‐beat parameters like heart rate, blood  pressure from supine to upright position in healthy control subjects and Brugada patients.  The Brugada syndrome (BrS) is a genetic disease that is characterized by abnormal  ECG‐findings and an increased risk of sudden cardiac death. The stand test is used to test the 

(10)

function of the ANS in Brugada patients and, ultimately, to find predictors for the risk of  sudden cardiac death. 

3. Chapter overview

In all there are seven chapters, as follows:    1. General introduction and aims of the thesis;    2. Optimal cardiopulmonary resuscitation as tested by computer modeling;    3. Abdominal counter pressure in CPR: What about the lungs? An in silico study;    4. Search for HRV‐parameters that detect a sympathetic shift in heart failure patients on  β‐blocker treatment  5. A subgroup of Brugada patients shows low orthostatic blood pressures as a sign of  decreased sympathetic outflow  6. Dynamics of pulse pressure variability and the difficulty of predicting fluid  responsiveness;    7. Summary and general conclusions  See the flowchart in Figure 1.   

References

1. Bendjelid K, Suter PM, and Romand JA. The respiratory change in preejection period: a  new method to predict fluid responsiveness. J Appl Physiol 96: 337‐342, 2004. 

(11)

Introduction; aims of the thesis

3. Den Heijer JC, Bollen WL, Reulen JP, van Dijk JG, Kramer CG, Roos RA, and Buruma OJ.  Autonomic nervous function in Huntington's disease. Arch Neurol 45: 309, 1988.  4. Freitas F, Bafi A, Nascente A, Assunção M, Mazza B, Azevedo L, and Machado F. Predictive  value of pulse pressure variation for fluid responsiveness in septic patients using  lung‐protective ventilation strategies. Br J Anaesth 110: 402‐408, 2013.  5. Guyton AC, Coleman TG, and Granger HJ. Circulation: overall regulation. Annu Rev Physiol  34: 13‐46, 1972.  6. Hägglund H, Uusitalo A, Peltonen JE, Koponen AS, Aho J, Tiinanen S, Seppänen T, Tulppo  M, and Tikkanen HO. Cardiovascular autonomic nervous system function and aerobic  capacity in type 1 diabetes. Front Physiol 3, 2012.  7. Kramer A, Zygun D, Hawes H, Easton P, and Ferland A. Pulse pressure variation predicts  fluid responsiveness following coronary artery bypass surgery. Chest 126: 1563‐1568,  2004.  8. Martinmäki K, Rusko H, Saalasti S, and Kettunen J. Ability of short‐time Fourier transform  method to detect transient changes in vagal effects on hearts: a pharmacological  blocking study. Am J Physiol‐Heart C 290: H2582‐H2589, 2006.  9. Michard F. Changes in arterial pressure during mechanical ventilation. Anesthesiology  103: 419‐428, 2005.  10. Michard F, Boussat S, Chemlad D, Anguel N, Mercat A, Lecarpentier Y, Richard C, Pinsky  MR, and Teboul J‐L. Relation between respiratory changes in arterial pulse pressure and  fluid responsiveness in septic patients with acute circulatory failure. Am J Resp Crit Care  162: 134‐138, 2000.  11. Sagawa K, Lie RK, and Schaefer J. Translation of Otto Frank's paper "Die Grundform des  Arteriellen Pulses" Zeitschrift fur Biologie 37: 483‐526 (1899). J Mol cell cardiol 22:  253‐254, 1990.  12. Wikipedia. Biomedical engineering. Last updated :2013 31 May, [cited 2013 15 June];  Available from: http://en.wikipedia.org/wiki/Biomedical_engineering.  13. Ziemssen T and Reichmann H. Cardiovascular autonomic dysfunction in Parkinson's  disease. J Neurol Sci 289: 74‐80, 2010. 

(12)
(13)

Chapter 2

Optimal Cardiopulmonary Resuscitation as Identified by Computer

Modeling

Yanru Zhang, Xiaoming Wu, Hengxin Yuan, Lin Xu and John M.Karemaker    Most of the work in this chapter has been the subject of 2 congress papers (2009 and 2010) on  one of which Ms. Zhang was co‐author; moreover a full paper was published:  Xu, L, Wu, X, Zhang, Y and Yuan, H.: The Optimization Study on Time Sequence of Enhanced  External Counter‐Pulsation in AEI‐CPR. J. Computers 4; 1243‐1248 (2009)    In view of this publication history and the fact that chapter 3 originated from the study reported  here (as a warning not to ‘overdo’ the combination of abdominal and chest compression) an  extensive discussion of the findings has been deferred to chapter 3.  The appendix of chapter 2 (modeling details) applies to both the chapters 2 and 3. 

(14)

Abstract

Objective and Design: We aimed to find the optimal mode of cardiopulmonary resuscitation  (CPR) in a computer model of the circulation. At least four variants of the simple compression  of the heart between sternum and spine exist. For several reasons the efficacy of these  modes is difficult to compare in clinical trials. In order to identify the optimal mode we  conducted in silico experiments.  Setting and Interventions: A Matlab® computer model of the circulation was developed. At  simulated cardiac arrest the model was subjected to the various modeled CPR‐variants. The  effects on cardiac output and perfusion of critical organs were compared.  Measurements and Main Results: We compared Chest Only CPR (CO‐CPR), Active  Compression‐Decompression CPR (ACD‐CPR), Interposed Abdominal Compression CPR  (IAC‐CPR), thoracic‐abdominal compression‐decompression CPR (Lifestick‐CPR) and chest  compression assisted with Enhanced External Counterpulsation on the legs and abdomen  (EECP‐CPR). They were combined with the action of an Impedance Threshold Valve (ITV) to  support venous return in the chest decompression phase. The three techniques that involve  abdominal compression were at least twice as effective as the two that only apply force to  the chest, independent of which parameter was used to quantify the result. Compression of  the abdominal veins played a more important role than arterial compression in generating  cardiac output and organ perfusion.  Conclusions: In this in silico study Lifestick‐CPR was the most effective of the CPR techniques  tested. 

(15)

Optimal cardiopulmonary resuscitation

Introduction

Sudden cardiac arrest is the most critical manifestation of cardiac disease, requiring  immediate action to save the patient’s life. Outside a hospital this will mostly be done by  cardiopulmonary resuscitation (CPR). This aims to keep the perfusion of heart, brain and  lungs going while the heart is in arrest. Since the introduction of closed‐chest CPR several  improvements to the classical, or Chest Only CPR (CO‐CPR) have been proposed (5, 11, 12,  19). These have in common that they either require the availability of equipment, or the  presence of a second person assisting the one that delivers CPR. Therefore, the application of  improved CPR is normally limited to a medical setting such as an ambulance or emergency  room.    The first variant is the combination of chest compression with Interposed Abdominal  Compression (IAC‐CPR) (11). This involves the application of abdominal pressure during the  relaxation phase of chest compression in otherwise classical CO‐CPR. This requires the  presence of a second rescuer or a dedicated machine. In a second variant, chest compression  is combined with active thorax expansion by the Active Compression‐Decompression CPR  (ACD‐CPR) (5). This variant uses a suction device to actively compress and decompress the  chest. A third variant involves machine‐driven, phased thoracic‐abdominal  compression–decompression CPR (Lifestick‐CPR) (17). Lifestick‐CPR combines IAC and  ACD‐CPR by alternately compressing and decompressing the chest and the abdomen through  adhesive pads. And finally, a G‐suit like device has been designed to ‘milk’ the venous blood  by inflatable cuffs wrapped around legs and buttocks. This variant is knows as Enhanced  External Counterpulsation (EECP‐CPR) (8, 21).    An inspiratory impedance threshold valve (ITV) has been proven as a beneficial adjunct (15).  The valve closes the airways while the chest is being decompressed, with the objective to  improve venous return due to the enhanced subatmospheric intrathoracic pressure during  the recoil phase of chest compression. In our modeling ITV is combined with the  aforementioned five CPR variants (Fig. 1) mentioned.  At present there is no decisive evidence which one of the alternative CPR‐techniques is  superior to Chest Only CPR (10, 20). In 2010 International Consensus on Cardiopulmonary  Resuscitation and Emergency Cardiovascular Care Science with Treatment Recommendations  emphasizes CO‐CPR as the only accepted resuscitation method (7). Clinical evidence is lacking 

(16)

since for obvious reasons, it is not feasible to compare the various CPR techniques under the  same condition. We therefore turned to computer models of the circulation.  Otto Frank’s computational model of cardiac function in conjunction to the Windkessel  concept conceived in the late 19th century (13), paved the way for the current era. In our  time, with ever increasing calculation speed, computer modeling of circulation has shaped a  new avenue of research to investigate medical problems (6, 16). A computer model may  avoid the major disadvantages of animal and clinical experiments such as ethical issues, high  costs, complexity, influence of external factors and operator‐dependent effects. Furthermore,  it overcomes time and space limitations. We argue that to conquer the difficulties inherent to  finding ‘evidence‐based’ best practice in an emergency situation like CPR, computer modeling  is an obvious choice. This approach can quantify and evaluate the effects of the different  components of the various CPR‐techniques to help decide which ones are effective and which  are of little consequence.  In this paper a circulatory model has been used as an experimental platform to test the five  CPR techniques. In silico experiments do not put a critically ill patient at risk, and allow  comparison of the various CPR techniques under highly‐defined conditions. We extended the  model developed by Charles F. Babbs (1‐3) to simulate CO‐CPR, ACD‐CPR, IAC‐CPR, Lifestick  CPR and EECP‐CPR. In all experiments we assumed that an ITV was in place. We focused on  their hemodynamic effects to identify the optimal CPR technique. Here we report that  Lifestick‐CPR is the most effective of the five CPR techniques. 

(17)

Optimal cardiopulmonary resuscitation

   

(18)

Methods

Model description The model we adopted for this study is largely based on the work of Babbs et al. (1‐3). The  model is an electrical equivalent circuit and has sufficient details to allow simulation of the  five CPR techniques except for the initial blood volumes immediately after the cardiac arrest  (CA). These blood volumes were estimated by us (Table 1).  The model has 14 compartments, including four heart chambers, the pulmonary circulation,  the thoracic aorta feeding an upper body and an abdominal compartment (Fig. 2). The  structure of each lumped artery and vein compartment is the same, including a resistance  followed by a capacitance (compliance). The peripheral circulation for each compartment is a  simple resistance. Each ventricle has two valves. Each vein outside the trunk has one valve to  ensure unidirectional blood flow. In view of the low blood velocity in CPR, inertial effects  were neglected. The initial pressure of all systemic compartments in simulated CA is set to  5 mmHg, and to 8mmHg in the pulmonary part. Finally, it was assumed that coronary  perfusion stopped during the compression phase.   

(19)

Optimal cardiopulmonary resuscitation

  Figure 2. Bottom (detail): model of the chest pump including heart and pulmonary circulation.  Relevant parameter values of the model are listed in the appendix. To help understand Fig. 2  a list of symbols and subscripts is given in Table 1  Table 1. Symbols and subscripts used in Fig. 2 

Symbol  Electrical  Mechanical 

C  capacitor    Compliance (i.e. compliant compartment) 

i  current  (blood) flow 

R  resistance  resistance to flow 

Subscript  Definition  Subscript  Definition 

aa  abdominal aorta    la  left atrium and central pulmonary 

ao  thoracic aorta    lv  left ventricle   

c / car  carotid arteries    mv  mitral valve 

cppa  central to peripheral pulm aa.  pa  pulmonary arteries   

cppv  peripheral to central pulm vv.  pc  pulmonary capillary 

fa  femoral arteries    ppa  peripheral pulmonary arteries   

fv  femoral veins    ppv  peripheral pulmonary veins   

h  head vasculature  pv  pulmonary valve 

ht  heart (coronary)  ra  right atrium 

iv  iliac veins  rv  right ventricle   

ivc / v  inferior vena cava  s  splanchnic 

(20)

CPR description CPR chest compression theoretically has two mechanically distinct effects on the central  circulation. In the thoracic pump mechanism compression of lungs and mediastinal organs,  including atria and great vessels (pulmonary trunk, ‐ arteries and aorta) causes blood to flow.  In the cardiac pump mechanism compression of the heart causes blood to flow. Which one of  the two mechanisms prevails remains controversial (18). In our model we left the controversy  alone. Like in Babb’s model (2) we defined a factor ftp (0 ≤ ftp ≤ 1) to allocate the relative  contribution of both mechanisms: ftp = 0 denotes pure cardiac pump mechanism, ftp = 1  denotes pure thoracic pump mechanism. Values between 0 and 1 denote a mixture of the  two mechanisms.  Every CPR technique involves chest compression. In our in silico experiments chest  compression is modeled as described earlier (2, 4). Briefly, the resistance of the chest to  external compression is represented by a simple spring and damper system defined by spring  constant k and damping µ. During chest compression the force applied, F(t), leads to  downward movement of both sternum and anterior chest wall over a distance x1 (cm). The  reactive force due to damping depends on the speed of movement (x´1).    We can now  define F(t) as follows  ' 1 1

)

(

t

k

x

x

F

      (1)  During the decompression phase F(t) will, initially, expand the cardiac chambers by filling  with blood over a distance x2 (cm). The compression effects on the organs in the thorax can  be expressed by x1 and x2 directly. For example, when V is the blood volume in a particular  heart chamber and A its cross sectional area, then 

A

V

x

2

/

      (2)  The mechanical effects of chest compression are translated in equivalent electrical events  and applied to our model. The equations are presented in the appendix. For example, in  IAC‐CPR, Lifestick CPR when the abdomen is compressed, the pressure to the abdomen is  taken as a voltage source in series with the appropriate compliances (Civc and Caa in Fig.2). In 

(21)

Optimal cardiopulmonary resuscitation

allows positive pressure ventilation but prevents inspiration caused by subatmospheric  airway pressures.    Following the 2010 International Consensus on CPR and ECC Science with Treatment  Recommendations (14), the compression frequency was set to 100 times/min. As  compression/decompression waveforms we adopted sine waves or rather half‐sine waves as  suggested by Babbs (2005) and Noordergraaf et al. (2005) (2, 9); the pressure patterns for the  various CPR‐techniques are shown in Fig. 3A‐E.  The model was solved using MAT LAB/Simulink. The solver was ODE4. To make the model  reach steady state in a convenient time frame, step size was set at 0.0001s; simulation time  was 40 s. The model reached a steady state after 8 seconds. 

(22)

  Figure 3 Pressure waveforms: A: CO‐CPR; chest compression only; B: ACD‐CPR; chest compression and  decompression combined; C: IAC‐CPR; chest compression and abdomen compression  combined (abdomen: red dashed line); D: Lifestick CPR; chest compression and decompression,  combined with abdomen compression and decompression. E: EECP‐CPR; chest compression  and decompression, combined with abdomen and lower body compression (green line). Peak 

(23)

Optimal cardiopulmonary resuscitation

Results

Comparison of the five CPR techniques To compare the relative effects of CO‐CPR, ACD‐CPR, IAC‐CPR, Lifestick CPR and EECP‐CPR  (combined with ITV), we chose to present Cardiac Output (CO), carotid artery flow (Qcar) and  myocardial flow (Qheart). Qcar reflects global cerebral perfusion, while Qheart reflects  coronary perfusion. The results are summarized in Fig. 4.    Figure 4 Comparison of the five different CPR techniques: A: CO cardiac output (L/min). B: Qcar average  carotid blood flow and Qheart average coronary blood flow (ml/s). These three parameters  are considered the most important parameters for CPR. The effects of IAC‐CPR, LIFESTICK CPR  and EECP‐CPR give great improvement over CO‐CPR and ACD‐CPR  Compared to CO‐CPR and ACD‐CPR, the three techniques that involve abdominal and/or  lower body compression (IAC‐CPR, LIFESTICK CPR and EECP‐CPR) produce at least a two times  higher CO. The same holds for Qcar and Qheart which are at least doubled compared to  CO‐CPR and ACD‐CPR. Of the three superior variants Lifestick CPR has the best efficacy in  terms of cardiac output and cerebral perfusion. Finally, in our model, ACD‐CPR is only slightly  better than CO‐CPR.  The aforementioned experiments were conducted with ftp = 0.75. To test for the sensitivity  of our results for ftp we repeated the in silico experiments with ftp = 0, which represents the 

(24)

pure cardiac pump mechanism, and ftp = 1 which represents the thoracic pump mechanism.  The results are summarized in Fig. 5.    Figure 5 Comparison of CO between pure cardiac pump (Ft=0) and pure thoracic pump (Ft=1.  Compared to CO‐CPR, IAC‐CPR, LIFESTICK CPR and EECP‐CPR give a higher CO irrespective of  ftp. Of the three superior variants Lifestick CPR again has the best efficacy in terms of cardiac  output regardless of ftp. Furthermore, except for EECP‐CPR, CO is higher when a cardiac  pump mechanism is operative. Another striking result is the large difference between cardiac  pump mechanism CO and thoracic pump mechanism CO in CO‐CPR and ACD‐CPR but not the  other three.  Veins/ Arteries‐only compression in abdomen and limbs IAC‐CPR, LIFESTICK CPR and EECP‐CPR have abdominal compression during chest  decompression in common. Next, we aimed to analyze which aspect of this maneuver is more  important, compression of the abdominal veins or compression of the abdominal arteries.  Such an analysis, of course, is only possible in computer models of the circulation.    Venous  compression pushes blood towards the heart, thus favoring a higher cardiac output.    Arterial compression raises the resistance of the vessels and tends to trap blood in the  proximal arteries. This mechanism resembles the action of a balloon pump. Arterial  compression potentially limits the arterial pressure fall upon chest decompression in the  phase of diastolic runoff.  To address this question we first determined CO, Qcar and Qheart when both the arteries  and veins were compressed (V + A)compr. Next we determined the same three parameters if  only the veins are compressed (Vonly) or if only the arteries are compressed (Aonly). Finally 

(25)

Optimal cardiopulmonary resuscitation

Table 2. Ratios of veins‐ or arteries‐only compression to compression of both 

  IAC‐CPR  LIFESTICK CPR  EECP‐CPR 

  Veins‐  Arteries‐  Veins‐  Arteries‐  Veins‐  Arteries‐ 

CO    (%)  94  52  93  43  89  46  Qcar   (%)  91  45  94  41  92  41  Qheart (%)  71  86  76  67  57  93    Regardless of the CPR technique used, CO benefits most from venous compression.    89‐94%  of the CO is preserved when only the veins are compressed.    In contrast, CO halves (43 –  52%) when only the arteries are compressed.    Similar observations were made for Qcar.    Qheart, on the other hand, benefits most from arterial compression in IAC‐CPR and EECP‐CPR  but not so much in Lifestick CPR.    This follows directly from the assumption of stopped  coronary flow during chest compression.  These results explain to why IAC‐CPR, Lifestick CPR and EECP‐CPR are superior to CO‐CPR with  regard to the resulting CO. The inferior vena cava (as simple model for the abdominal venous  pool) is the largest vein in the body and a large amount of blood can be stored here.  Compressing this vein restores a considerable venous return, thus favoring CO. 

Discussion

In this paper CO‐CPR, ACD‐CPR, IAC‐CPR, Lifestick CPR and EECP‐CPR have been assessed  using a computer model of the circulation. We reasoned that this model offers a uniform and  unique platform to evaluate the different CPR techniques. We observed that abdominal and  lower body compression in counter phase with thorax compression lead to substantially  improved hemodynamic results and is therefore recommended. We concluded that Lifestick  CPR gave the best effects in cardiac output, blood flow to brain and heart, EECP‐CPR  increased mainly CO and Qcar. EECP‐CPR and Lifestick CPR produced better effects, but they  are mechanical CPR techniques, which require the appliance at hand and trained  professionals, which limits their use. IAC‐CPR can be performed just by hand, and the effects  are tightly following EECP‐CPR and Lifestick CPR. If cardiac arrest happens in a public space,  IAC‐CPR presumably is the best choice.  Our model is restricted to the hemodynamic effects of CPR. Ventilation effects and oxygen  saturation of the blood, important for survival, are not included. Another limitation is that the 

(26)

compression pressure is set to fixed values, according to the recommendations of the  Guidelines or clinical empirical setting. However, it is very likely that during actual  resuscitation the compression pressure vary. Finally, our model is based on a ‘standard’ 70‐kg  ‘textbook’ human subject, this potentially limits generalizability of our results. 

References

1. Babbs CF. CPR techniques that combine chest and abdominal compression and  decompression: hemodynamic insights from a spreadsheet model. Circulation 100:  2146‐2152, 1999.  2. Babbs CF. Effects of an impedance threshold valve upon hemodynamics in Standard CPR:  studies in a refined computational model. Resuscitation 66: 335‐345, 2005.  3. Babbs CF. Efficacy of interposed abdominal compression‐cardiopulmonary resuscitation  (CPR), active compression and decompression‐CPR, and Lifestick CPR: Basic physiology in  a spreadsheet model. Crit Care Med 28, 2000.  4. Babbs CF, Weaver JC, Ralston SH, and Geddes LA. Cardiac, thoracic, and abdominal pump  mechanisms in cardiopulmonary resuscitation: studies in an electrical model of the  circulation. Am J Emerg Med 2: 299‐308, 1984.  5. Cohen TJ, Tucker KJ, Lurie KG, Redberg RF, Dutton JP, Dwyer KA, Schwab TM, Chin MC,  Gelb AM, Scheinman MM, and . Active compression‐decompression. A new method of  cardiopulmonary resuscitation. Cardiopulmonary Resuscitation Working Group. JAMA  267: 2916‐2923, 1992.  6. Guyton AC, Coleman TG, and Granger HJ. Circulation: overall regulation. Annu Rev Physiol  34:13‐46.: 13‐46, 1972.  7. Hazinski MF, Nolan JP, Billi JE, Bottiger BW, Bossaert L, de Caen AR, Deakin CD, Drajer S,  Eigel B, Hickey RW, Jacobs I, Kleinman ME, Kloeck W, Koster RW, Lim SH, Mancini ME,  Montgomery WH, Morley PT, Morrison LJ, Nadkarni VM, O'Connor RE, Okada K, Perlman  JM, Sayre MR, Shuster M, Soar J, Sunde K, Travers AH, Wyllie J, and Zideman D. Part 1:  Executive summary: 2010 International Consensus on Cardiopulmonary Resuscitation  and Emergency Cardiovascular Care Science With Treatment Recommendations.  Circulation 122: S250‐275, 2010.  8. Yuan HX, Zheng ZS, Zhong HF, Liao XX, Du ZM and Huang X. “Double Pump”  Cardiopulmonary Resuscitation: The Hemodynamic Study of the Inflational VEST with  External Counterpulsation (II). J of Jinan Univ (Nature Science & Medicine Edition): S1,  1997  9. Noordergraaf JG, Dijkema JT, Kortsmit WJPM., Schilders WHA, Scheffer GJ, and  Noordergraaf A. Modeling in Cardiopulmonary Resuscitation: Pumping the Heart. 

(27)

Optimal cardiopulmonary resuscitation

11. Ralston SH, Babbs CF, and Niebauer MJ. Cardiopulmonary Resuscitation with Interposed  Abdominal Compression in Dogs. Anesth Analg 61: 645‐651, 1982.  12. Safar P. Closed chest cardiac massage. Anesth Analg 40: 609‐613, 1961.  13. Sagawa K, Lie RK, and Schaefer J. Translation of Otto Frank's paper "Die Grundform des  Arteriellen Pulses" Zeitschrift fur Biologie 37: 483‐526 (1899). J Mol Cell Cardiol 22:  253‐277, 1990.  14. Sayre MR, Koster RW, Botha M, Cave DM, Cudnik MT, Handley AJ, Hatanaka T, Hazinski  MF, Jacobs I, Monsieurs K, Morley PT, Nolan JP, Travers AH, and Adult Basic Life Support  Chapter C. Part 5: Adult basic life support: 2010 International Consensus on  Cardiopulmonary Resuscitation and Emergency Cardiovascular Care Science With  Treatment Recommendations. Circulation 122: S298‐324, 2010.  15. Shuster M, Lim SH, Deakin CD, Kleinman ME, Koster RW, Morrison LJ, Nolan JP, Sayre MR,  Techniques CPR, and Devices C. Part 7: CPR techniques and devices: 2010 International  Consensus on Cardiopulmonary Resuscitation and Emergency Cardiovascular Care  Science With Treatment Recommendations. Circulation 122: S338‐344, 2010.  16. Snyder MF, Rideout VC, and Hillestad RJ. Computer modeling of the human systemic  arterial tree. J Biomech 1: 341‐353, 1968.  17. Tang W, Weil MH, Schock RB, Sato Y, Lucas J, Sun S, and Bisera J. Phased chest and  abdominal compression‐decompression. A new option for cardiopulmonary resuscitation.  Circulation 95: 1335‐1340, 1997.  18. von Planta M and Trilló G. Closed chest compression: a review of mechanisms and  alternatives. Resuscitation 27: 107‐115, 1994.  19. W.B.Kouwenhoven, R.Jude J, and Knickerbocker GG. Closed‐chest cardiac massage. JAMA  173: 1064‐1067, 1960.  20. Ward KR. Possible reasons for the variability of human responses to IAC‐CPR. Acad Emerg  Med 1: 482‐489, 1994.  21. Yuan H, Zheng Z, and Jiang S. The Hemodynamic Study of The Chest Compression Assisted  with Enhanced External Counterpulsation. Chinese J Emerg Med 4: 140‐144, 1995. 

(28)

Appendix ‐ modeling details

Table 1A Definitions and values of resistances    Definition  R i t f S b l H /L/ carotid arteries  Rc  60  head vasculature  Rh  5520  jugular veins  Rj  30  tricuspid valve  Rtv  5  pulmonic valve  Rpv  10  path from central to peripheral pulmonary arteries  Rcppa  10  path from peripheral to central pulmonary veins  Rcppv  5  mitral valve  Rmv  5  aortic valve  Rav  10  pulmonary capillary bed  Rpc  105  coronary vessels (heart)  Rht  15780  aorta  Ra  25  inferior vena cava  Rv  25  splanchnic vasculature  Rs  1800  iliac arteries  Ria  360  iliac veins  Riv  180  leg vasculature  Rl  8520  airways to ventilation  Rairway  1.2 

(29)

Optimal cardiopulmonary resuscitation

Table 1B Definitions and values of compliances    Definition  Compliance of the …..  Symbol  L/mmHg  Initial  volume (L)  Unstressed  volume (L)  arrested right ventricle  Crv  0.01600  0.150  0.070  large pulmonary arteries  Cpa  0.00420  0.109  0.076  peripheral pulmonary arteries  Cppa  0.00042  0.160  0.157  peripheral pulmonary veins  Cppv  0.00128  0.300  0.290  central pulmonary veins and left atrium  Cla  0.01280  0.250  0.148  arrested left ventricle  Clv  0.00800  0.150  0.086  carotid arteries  Ccar  0.00020  0.132  0.131  jugular veins  Cjug  0.01200  0.216  0.156  thoracic aorta  Cao  0.00080  0.078  0.074  right atrium and intrathoracic great veins  Crh  0.00950  0.367  0.320  abdominal aorta  Caa  0.00040  0.114  0.112  inferior vena cava  Civc  0.02340  1.930  1.813  femoral arteries  Cfa  0.00020  0.078  0.078  femoral veins  Cfv  0.00470  0.267  0.244  combined lung‐chest wall  Clung  0.15800  ‐  ‐  Initial conditions: 5 mmHg filling pressure in the systemic, 8 mmHg in the pulmonary  circulation. Valves are supposed to be ideal, driven by pressure differences with the  resistances as indicated, immediately closing when reverse flow would occur. Compliances  are supposed to behave as follows: For positive pressures, volumes are increasing linearly  above the unstressed volume as indicated by the index of compliance; for negative pressures  volumes are supposed to be zero and the unstressed volume is emptied. For more details the  reader is referred to: Koeken, Y, Aelen P, Noordergraaf GJ et al. The influence of nonlinear  intra‐thoracic vascular behaviour and compression characteristics on cardiac output during  CPR. Resuscitation 2011; 82: 538‐544. 

(30)

Table 2 Miscellaneous: Abbreviations and definitions 

Abbreviation  Definition 

Value

 

Al  Cross section area of lung squeezed by sternal compression 100 cm2  Ara Ala Arv Alv  Cross section area of cardiac chambers in front to back  20 cm2  Frequency  Number of cycle per minute for chest and abdominal pressure 100/min  Duty cycle  Fraction of cycle time for chest compression 0.5  ftp  Thoracic pump factor  (0.75=adult, 0.25=child, 1.0=emphysema, 0=open chest)  0 ‐ 1.0  Pinit  Initial equilibrium pressure of arrested circulation 5 mmHg  Fmax_chest  Maximum external force on sternum 400 N  X0  Effective compression threshold 2 cm  Table 3 Blood flow Abbreviations and definitions 

Abbreviation  Definition 

ic  Blood flow in both carotid arteries ih  Blood flow in the head vasculature ij  Blood flow in both jugular veins ii  The input blood flow to thoracic io  The output blood flow from thoracic iht  Blood flow in coronary vessels(heart) ia  Blood flow in the aorta  is  Blood flow in residential systemic vasculature iv  Blood flow in the inferior vena cava ifa  Blood flow in both femoral arteries ifv  Blood flow in both femoral veins i2  Blood flow in the pulmonary veins i3  Blood flow between central and peripheral pulmonary arteries i4  Blood flow in the pulmonary capillaries  i5  Blood flow in between central and peripheral pulmonary veins

(31)

Optimal cardiopulmonary resuscitation

Table 4 Volumes and pressures: Abbreviations and definitions 

Abbreviation  Definition 

Blood volume  Vaa  Blood volume in the abdominal aorta Vivc  Blood volume in the inferior vena cava Via  Blood volume in both iliac arteries Vfa  Blood volume in both femoral arteries Vfv  Blood volume in both femoral veins Blood pressure  Pao  Blood pressure of thoracic aorta Paa  Blood pressure of the abdominal aorta Pivc  Blood pressure of the inferior vena cava Pfa  Blood pressure of both femoral arteries Pra  Blood pressure of the right atrium Pfv  Blood pressure of the femoral veins Peecp  Compression pressure to lower body Pabd  compression pressure    to the abdomen

(32)

There are 14 compartments in the model; there are 14 pairs of formulas to describe the  relationship between pressure and volume. ‘P’ stands for pressure, ‘V’ stands for volume, and  Subscripts indicate which compartment the formulas describe.  ( ) [ ] car c h car jug ao car c h car car car V i i t P P P P t R R V P C                  (1) ( ) [ max(0, )] jug h j

car jug jug ra

h j jug jug jug V i i t P P P P t R R V P C              (2) When the chest is compressed, the organs in the chest pump undergo different pressure  weights. ‘F(t)’ is the chest compression force, ‘PM’ is the pressure to the mediastinum, ‘Plung’ is 

the pressure to the lungs. ‘ftp’ is thoracic pump factor; more information in references 2, 3.  1 1 ( ) 0 F tkx x (3) 1 2 0

(

)

M

E x

x

P

d

(4) 1 [ lung month] lung L lung airway P P dt dP x A C R     (5) 3 4 ( ) [ ] ppa pa ppa ta tv cppa pa ppa ppa lung ppa V i i t P P P P t R R V P P C                    (6)

(33)

Optimal cardiopulmonary resuscitation

4 5 ( ) [ ] ppv ppa ppv ppv la pc cppv ppv ppv lung ppv V i i t P P P P t R R V P P C                   (7) 1 0 ( ) [max(0, ) ] ao o c a ht lv ao ao car ao car ao ra av c a ht pa ao lung tp pa V i i i i t P P P P P P P P t R R R R V E P P f x t C d                          (8) 2 3 1 0 ( ) [max(0, ) ] pa rv pa pa ppa pv cppa pa pa lung tp pa V i i t P P P P t R R V E P P f x t C d                      (9) 1 0

(

)

[max(0,

)

max(0,

)]

(

)

ra j v ht i jug ra ivc ra ao ra ra rv j v ht tv ra ra ra lung tp ra ra

V

i

i

i

i

t

P

P

P

P

P

P

P

P

t

R

R

R

R

V

E

V

P

P

f

x t

C

d

A

   



 

 



(10) 2 1 0 ( ) [max(0, ) max(0, )] ( ) rv i rv pa ra rv tv pv rv rv rv lung rv rv V i i t P P P P t R R V E V P P x t C d A                       (11) 5 6 1 0 ( ) [ max(0, )] ( ) la ppv la la lv cppv mv la la la lung tp la la V i i t P P P P t R R V E V P P f x t C d A                   (12)

(34)

6 1 0

(

)

[max(0,

) max(0,

)]

(

)

lv o la lv lv ao mv av lv lv lv lung lv lv

V

i

i

t

P

P

P

P

t

R

R

V

E

V

P

P

x t

C

d

A

 



   

 



(13)

When the abdomen is compressed in IAC-CPR, the abdominal aorta and inferior vena cava are directly exposed to the compression pressure.

( ) [ ] aa a s ia aa fa ao aa aa ivc a s ia aa aa abd aa V i i i t P P P P P P t R R R V P P C                     (14)

(

)

[

) max(0,

)]

ivc s v fv fv ivc aa ivc ivc ra s v iv ivc ivc abd ivc

V

i

i

i

t

P

P

P

P

P

P

t

R

R

R

V

P

P

C

 



 



(15)

When the lower body is compressed in EECP-CPR, it undergoes the compression pressure directly. )] , 0 max( [ ) ( 1 ] [ ) ( 1 iv ivc fv l fv fa fv l fv l fv l fv l fv fa ia fa aa fa l l ia fa l fa R P P R P P C t P t i i C P P R P P R P P C t P t i i C P P                           (16)  

(35)

Chapter 3

Abdominal counter pressure in CPR: What about the lungs?

An in silico study

  Yanru Zhang and John M. Karemaker      This chapter had been published as:  Zhang Y and Karemaker JM. Abdominal counter pressure in CPR: What about the lungs? An in  silico study. Resuscitation 83: 1271‐1276, 2012.    The appendix of chapter 2 equally applies to the model used in this chapter. 

(36)

Abstract

The external pumping action in CPR should generate sufficient flow and pressure, but the  pump must also be ‘primed’ by ongoing venous return. Different additions to standard CPR  are in use just for this purpose. Active decompression of the thorax (ACD‐CPR) to ‘suck in’  venous blood has proven successful, but, theoretically, compression of venous reservoirs in  the abdomen should be even more effective. We compared different techniques for  improved CPR with specific attention to the pulmonary circulation. We did our comparisons  ‘in silico’ rather than ‘in vivo’ in a well‐evaluated computer model.  Methods: We used an adapted version of Babb’s computer model for CPR, reprogrammed in  Matlab®. 1) We compared standard chest compression‐only CPR (CO‐CPR) and ACD‐CPR to  CPR with interposed abdominal compression (IAC‐CPR). 2) Since the thorax/heart  configuration differs between patients, and consequently the way blood is propelled by the  chest compressions, we checked the influence of the ratio thoracic/cardiac pump  effectiveness.  Results: 1) Only IAC‐CPR leads to physiological values for mean aortic pressure and cardiac  output. 2) However, since the whole heart is in the pressure chamber of the compressed  thorax, pulmonary artery pressure rises to about the same level as aortic pressure. In practice,  this might lead to pulmonary edema during and after CPR, unless 3) Intra‐abdominal  compression pressure is strictly limited; simulations indicate that intra‐abdominal pressure  should not exceed 30‐40 mmHg.  Conclusions: IAC‐CPR outperforms the other techniques in achieving good aortic pressure  and cardiac output. However, abdominal pressure should be limited. 

(37)

CPR-optimisation and the lungs

Introduction

Mechanical adjunct devices which do more than just compressing the thorax to improve CPR  have been proposed and tried in various studies (1‐6).Despite the initial high hopes of the  inventors, to date these CPR techniques fail to give consistently better outcomes than  standard CPR (S‐CPR) (7‐9). In 2010 the AHA published its updated guidelines (10) for how  and when to perform Cardiopulmonary Resuscitation (CPR). The new guidelines devote only  1.5 out of 330 pages to the option of more complex, possibly machine‐supported, modalities  of CPR in view of the lack of supporting clinical evidence (10,11).One wonders why praxis is  lagging behind, since it makes perfect sense, theoretically, to improve venous return by  intermittent abdominal in counter phase with thoracic compressions (IAC‐CPR).  In early 2011 the Lancet published a large randomized, multicenter trial that shows improved  outcome of CPR when the effect of chest compressions is supported by mechanical devices  (12), these are: A hand‐held suction cup with handle placed on the thorax to support active  thoracic recoil in the relaxation phase (ACD‐CPR) and an impedance‐threshold valve (ITV) to  connect to a facemask or advanced airway access that would not open until intrathoracic  pressure would fall below – 16 cm H2O pressure. The latter was in place to promote venous  return during the supported chest recoil phase. The Lancet study thus encourages adjuncts to  S‐CPR. It showed that ACD‐CPR with ITV gave the same survival rate, but better neurological  function than S‐CPR (12). The only significant adverse effect where intervention‐ and S‐CPR  groups differed was in the prevalence of pulmonary edema: 11% in the intervention group  (94/840) compared to 8% (62/813) in the SCPR group. This inspired us further to elaborate on  our earlier modeling work (13), looking more specifically into the pulmonary effects of  increased venous return during CPR.  For the present study, we used a computer model to simulate compression‐only (CO‐CPR)  following the new (2010) guidelines, i.e. 100 compressions per minute, no breaks for chest  inflation; next ACD‐CPR with and without ITV and, additionally, CPR with Interposed  abdominal compression (IAC‐CPR). The aim was to explore favorable and potentially  unfavorable hemodynamic changes produced by augmented CPR techniques compared to  standard manual CPR, specifically looking at the effects of improved venous return. For the  purpose of this theoretical study, we used a well‐known mathematical model of the  circulation and the application of CPR, which has been developed and extensively published  by Babbs (14‐16). A computer model allows analyzing the effects of alternative CPR  techniques on many aspects of the cardiovascular and respiratory systems at the same time. 

(38)

In the experimental laboratory, this would require sacrificing many experimental animals and  in the clinic, it would be next to impossible. In the model we checked the effects on systemic  and pulmonary pressures, ventricular pressures, flow to vital organs and so on. Our working  hypothesis was that the CPR techniques with supported venous return may have side effects  which prevent them from reaching their full beneficial effect. 

(39)

CPR-optimisation and the lungs

Methods

Model description The computer model used is essentially Babbs’ circulatory model, programmed in Matlab® as  we used it in earlier studies; details are in (13,15). In short, the model simulates a 70‐kg adult,  it includes four heart chambers, the pulmonary circulation, the thoracic aorta feeding an  upper body compartment and an abdominal compartment, the latter feeds the lower body  (legs, buttocks) compartment. CPR is modeled by the application of external forces to the  various compartments. Figure1A gives a mechanical representation of the model, Figure1B its  electrical analogue as used in the calculations; Table 1 in the Appendix to chapter 2  summarizes the most important model parameters; Table 1A gives the resistances in the  model, Table 1B the compliances, initial volumes and unstressed volumes in all  compartments. The model supposes a constant blood volume of 4.36 liters, the subject starts  in the condition of cardiac arrest, where blood flow has stopped and the blood volume is  distributed over the various compartments in relation to their volume compliance. The mean  filling pressure in the systemic circulation was chosen to be 5 mmHg (17) that of the  pulmonary circulation 8 mmHg while supine.    Figure 1 A: Schematic of the circulation under CPR. ACD: Alternating Compression‐Decompression, IAC:  Interposed Abdominal Compression, ITV: Impedance threshold valve, impeding inflow of air at negative  intrathoracic pressures. NV: Niemann’s valve, preventing reverse venous flow from the thorax to head  and neck. VV: venous valves in the legs, preventing reverse venous flow from the abdominal  compartment. The (upper) arterial side is connected by lumped Starling resistors to the (lower) venous  side. 

(40)

  Figure 1 B: Electrical analogue of the circulation as used in the calculations. Top: the whole circulation;  Bottom: the details inside the chest pump. Symbols as explained in Appendix: Table 1. 

(41)

CPR-optimisation and the lungs

‘circulatory pumps’ to the generation of flow and blood pressure. We followed Babbs’ model  in attributing 75% of the CPR effect to the ‘thoracic pump’ and ‘25% to the ‘cardiac pump’  effects (15). As this choice influences the result, we also checked various other values of this  factor.  Abdominal compression is supposed to lead to an immediate pressure increase within the  abdomen, compressing in particular the capacity veins feeding the right heart, but also the  abdominal aorta, giving the effect of an aortic balloon pump, and changing diastolic runoff.  Babbs’ original model does not include abdominal wall mechanics, which in general is much  less of a hindrance to externally applied pressures. Therefore, we assumed a homogeneous  pressure in the abdominal cavity, following the set time pattern not bothering about how  much pressure was applied to the outside to generate this inside pressure.  The model does not take displacement of the diaphragm into account, neither during  thoracic nor abdominal compression. Computed pressures in the aorta (minus right atrial  pressure) lead to organ flow, depending on the estimated resistances of the various organs  (brain in particular). To get a realistic estimate of coronary flow, we suppose that no flow  passes while the heart is being compressed.    CPR techniques We simulated three different CPR techniques: first chest‐compression only CPR (CO‐CPR) as  applied by one rescuer and Active Compression‐Decompression CPR (ACD‐CPR) with and  without an impedance–threshold valve (ITV) as in the Lancet study (12). Furthermore, we  implemented one technique that combines thorax ‐ with abdomen compression in the  relaxation phase to support venous return, i.e. Interposed Abdominal Compression CPR  (IAC‐CPR). Two rescuers together, one administering thorax compression and the other one  compressing the abdomen in counter phase, can administer this (3,18).  In keeping with the new guidelines, a compression frequency of 100/min is used for all  techniques; no time is devoted to ventilation. The chest is compressed by a force of 400 N, or  around 40 kilo’s, which clinically relates to a depth of 5.1 cm; non‐overlapping half‐sinusoids  with 50% duty cycle are used (15,19) as external pressure waveforms. A force of 150 N  supports active decompression of the thorax in ACD‐CPR; abdominal compression is  supposed to result in (up to) 100 mmHg intra‐abdominal pressure in IAC‐CPR. The latter two  are also shaped as half‐sinusoids, with 50% duty cycle in exact counter phase to the thorax  compressions. 

(42)

Results

Effects of various CPR techniques The successive columns of Table 1 show that with increasing complexity of the applied  technique the numbers get better: higher aortic pressures, higher CO. Indeed, by using  IAC‐CPR almost physiological levels for mean aortic pressure and cardiac output can be  reached. Figure 2 demonstrates how this is obtained: in the phase of abdominal compression,  thoracic aortic pressures rise again due to increased systemic vascular resistance during  diastolic runoff. In line with the definitions for the working heart, we have defined diastolic  pressures as those pressures at the start of thorax compression.   

Figure 2: Aortic (Pao fat –red‐ line) and peripheral pulmonary venous pressures (Pppv thin –blue‐ line) 

during Interposed Abdominal Compression CPR (IAC‐CPR) at a compression rate of 100/min, abdominal  compression pressure: 40mmHg, thoracic pump factor of 0.75.   

 

(43)

CPR-optimisation and the lungs

for ventricular end‐diastolic and pulmonary artery pressures. All numbers indicate that  pulmonary capillary pressures will be above normal plasma colloid osmotic pressures (around  25‐30 mmHg (20)), which may cause acute pulmonary edema. However, one may well ask to  what extent these results are due to choices made in the modeling process, in particular the  division between cardiac pump and thoracic pump. In the computations for Table 1 a thoracic  pump factor of 0.75 was used.  Table 1. Blood pressures and flows for the tested CPR‐techniques. Thoracic pump factor is 0.75 

Ventilation/ITV  CO‐CPR‐  ACD‐CPR 

No ITV  ACD‐CPR  With ITV  IAC‐CPR  No ITV  IAC‐CPR  No ITV  IAC‐CPR  No ITV  AC‐CPR    No ITV  Chest comp/decomp  (force in N)  400/‐  400/150  400/150  400/‐  400/‐  400/‐  400/‐  Abdominal  compression  ‐  ‐  ‐  40  80  100  Continuo us 40  Pao (sys/dia; mean)  47/22; 30  52/27; 35  55/28; 37  61/34; 46  75/45; 62  83/52; 71  66/41; 49  Plv (sys/end‐dia)  48/7  53/8  56/10  62/26  76/44  84/53  67/27  CO (l/min)  1.3  1.5  1.7  2.0  2.8  3.2  1.4  Ppa (sys/dia; mean)  41/7; 18  41/7; 17  42/6; 18  62/27; 39  82/47; 58  92/57; 68  62/27; 39  Prv (sys/end‐dia)  42/4  41/4  43/1  63/25  83/47  93/57  62/22  Pppv (sys/dia; mean)  33/7; 16  31/7; 14  34/5; 15  53/26; 35  72/44; 53  81/53; 62  53/27; 36  Qheart (ml/s)  0.8  0.9  1.0  1.0  1.2  1.4  0.8  Qhead (ml/s)  5.3  6.0  6.6  8.5  11.8  13.6  6.1  All pressures are in mmHg. Pao: aortic pressure; Plv: left ventricular pressure; Ppa: pulmonary  arterial pressure; Prv: right ventricular pressure; Pppv: peripheral pulmonary veins; sys: systolic  pressure; dia: diastolic pressure; end‐dia: end‐diastolic pressure. CO: cardiac output; Qheart:  coronary blood flow; Qhead: blood flow to neck and head; AC‐CPR: abdominal compression CPR (the  pressure is no longer interposed, but continuous). 

(44)

Cardiac vs thoracic pump The ‘cardiac pump’ theory supposes that forward blood flow is caused by direct compression  of the heart under the sternum (with blood flow similar to an intact circulation); while the  ‘thoracic pump’ theory supposes that blood flow is secondary to changes in intrathoracic  pressure (21). The exact contribution of either pump mechanism in a specific case is unknown  (21‐24),and may depend on thorax‐heart configuration: a deep thorax translating  CPR‐pressure more into a thoracic pump effect, a flat (or child’s‐) thorax more into a cardiac  pump effect. Therefore, we tested how the alternative attribution of ‘thoracic pump’ or  ‘cardiac pump’ might influence the results. In the model a thoracic pump factor 0 implies a  pure cardiac pump, 1 a pure thoracic pump.    Figure 3 Top: Effects of  thoracic pump factor in  CO‐CPR (cardiac pump  factor + thoracic pump  factor = 1); a higher  thoracic pump fraction  leads to lower aortic  pressures and higher  pulmonary pressures. A  thoracic pump factor = 0  is comparable to direct  cardiac massage. Chest  compression force: 400  N.    Bottom: Effects of  thoracic pump factor in  IAC‐CPR; a higher  thoracic pump factor  has little effect on aortic  pressures and leads to  higher pulmonary  pressures. Chest  compression Force: 400  N; abdominal  compression pressure:  100 mmHg. 

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

In this section we have designed a value chain map that easily adopts the changes made to the fresh fruit lychee in Luc Ngan and at the same time a chain would enable

The village heads had just received news that from January 2016, women needed to pay for maternity services in the nearby health centre, run by the Christian Health Association

These results show that two years after the income change, children from families who lost the transfer are still undernourished and that the strong effects of negative income

The Complex Automata Simulation Technique (COAST) Project (http://www.complexautomata .org) aims to help filling this gap by developing a multi-scale, multi-science framework,

Next, intake counselors assessed clinical characteristics using the European version of the Addiction Severity Index (EuropASI) 5th edition (Kokkevi & Hartgers, 1995).

It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly

It is clear after examining the evidence for ritualized human sacrifice practices amongst the ancient Germanic tribes of Pre-Roman Iron Age and Iron Age Northwest Europe that

De Winter: ‘Ze moesten dus niet focussen op het eten zelf, maar op dat het van dichtbij is.’ Ze ontdekte ook dat het begrip regio consumenten meer aanspreekt dan lokaal..