Impedance plethysmography: Can it measure changes in limb blood flow

Abstract

Electrical-impedance changes can be recorded between electrodes placed on the body, but the origin of these changes is still subject to debate. In this work impedance changes in segments of human limb have been measured using the e.c.g. as a trigger for an averager. The waveform of the changes have been compared with a record of arterial flow velocity obtained from an ultrasonic Doppler instrument. There is an excellent agreement between the integrated flow records and the electrical-impedance changes; this is consistent with the hypothesis that the impedance changes reflect segmental volume changes. Experiments have been performed, using 2-, 3- and 4-electrode systems, which show that the measured impedance changes are unlikely to be electrode artefacts as some authors have suggested. A simple theoretical analysis shows that the calculation of segmental volume from impedance changes requires assumptions as to the manner in which the limb expands. If the type of expansion is constant, then changes in volume may be determined.

Changes in segmental blood flow may be determined from the volume changes only if the steady component of arterial flow is known. The size of the impedance pulse cannot be used to compute flow. However, as in many cases arterial flow in late diastole is zero, the slope of the impedance curve at this point may be used to calculate the venous return flow.

Sommaire

Des variations d'impédance électrique peuvent être enregistrées entre des électrodes placées sur le corps, mais l'origine de ces variations demeure un sujet à discussions. Dans ces travaux, on a mesuré les changements d'impédance sur des segments de membres humains en utilisant l'électrocardiogramme pour déclencher un moyenneur. On a comparé la forme des ondes changements avec les résultats de vitesse d'écoulement artériel obtenus à l'aide d'un instrument Doppler à ultrasons. On trouve un accord excellent entre les résultats d'écoulement intégré et les changements d'impédance électrique; ceci est compatible avec l'hypothèse que les changements d'impédance reflètent les changements de volume segmentaux. Des expériences utilisant des systèmes à deux, trois, et quatre électrodes,montrent que les changements d'impédance mesurés sont peu probablement attribuables à des artefacts causés par les électrodes comme l'ont suggéré certains auteurs. Une analyse théorique simple montre que les calculs de volume segmental à partir de changements d'impédance font appel à des suppositions concernant la façon dont le membre grossit. Si le type d'expansion est constant, les changements de volume peuvent alors être déterminés. Les variations d'écoulement sanguin segmental peuvent être déterminées à partir des changements de volume seulement si la composante stable de l'écoulement artériel est connue. La grandeur de la pulsation d'impédance ne peut pas être utilisée pour calculer l'écoulement. Cependant, comme dans de nombreux cas l'écoulement artériel en fin de diastole est zéro, la pente de la courbe d'impédance à de point peut servir à calculer l'écoulement au retour dans la veine.

Zusammenfassung

Zwischen am Körper angebrachten Elektroden können Impedanzänderungen aufgezeichnet werden. Der Ursprung der Änderungen ist jedoch noch zweifelhaft. Bei dieser Arbeit wurden Impedanzänderungen in Teilen menschlicher Gliedmaßen gemessen, wobei ein EKG als Auslöser für ein Mittelwertgerät verwendet wurde. Die Wellenform der Änderungen wurde mit einer Aufzeichnung der arteriellen Durchflußgeschwindigkeit verglichen, die über ein Ultraschall-Dopplerinstrument erhalten wurde. Zwischen integrierten Durchflußaufzeichnungen und den elektrischen Impedanzänderungen besteht eine ausgezeichnete Übereinstimmung. Das entspricht der Hypothese, daß die Impedanzänderungen Änderungen im Volumen des Segments widerspiegeln. Es wurden Experimente mit zwei, drei und vier Elektroden ausgeführt, was zeigt, daß die gemessenen Impedanzänderungen wahrscheinlich keine durhe die Elektroden hervorgerufenen Artefakte sind, wie einige Autoren anregten. Eine einfache theoretische Analyze zeigt, daß für die Berechnung des Segmentvolumens aus Impedanzänderungen Annahmen über die Ausdehnung des Gliedes erforderlich sind. Wenn die Ausdehnung konstant ist, können Volumenänderungen bestimmt werden. Änderungen in der Durchblutung des Segments können nur aus den Volumenänderungen bestimmt werden. wenn die ständige Komponente des arteriellen Dirchflusses bekannt ist. Die Stärke des Impedanzimpulses kann nicht zur Berechnung des Durchflusses benutzt werden. Da jedoch in vielen Fällen der arterielle Durchfluß am Ende der Diastole Null beträgt, kann der Abfall der Impedanzkurve an dieser Stelle zur Berechnung des venösen Rückflusses benutzt werden.