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Die
Erfindung betrifft allgemein die Detektierung bzw. Erkennen arterieller
Stenose und insbesondere eine Hochgeschwindigkeitsvorrichtung zur
Reihenuntersuchung in bezug auf arterielle Stenose, bei der ein Doppler-Ultraschallsystem
automatisch Parameter ermittelt, die im Geschwindigkeitsprofil des
Blutflusses über
die Länge
einer Arterie eine Stenose anzeigen, ohne Bilddaten zu analysieren.
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Arteriosklerose
ist eine chronische Krankheit, die gekennzeichnet ist durch unnormale
Verdickung und Verhärtung
der Arterienwände.
Vom medizinischen Standpunkt ist Arteriosklerose, die die Koronararterien
befällt,
von größter Bedeutung.
Viele koronare Herzerkrankungen, einschließlich Arteriosklerose, Angina,
Myokardinfarkt (MI) und plötzlicher
Tod sind zum großen
Teil von der Schwere und Verteilung der obstruktiven Koronarläsionen abhängig, die
sich langsam über
eine Periode von Jahren entwickeln und die zu stenotischen Arterien
führen.
Infolgedessen ist eine periodische Untersuchung von Patienten zur
Erkennung und Bewertung obstruktiver Koronarläsionen äußerst wichtig für die Diagnose,
Behandlung und Verhinderung einer Koronarerkrankung.
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Es
ist bekannt, daß der
Blutfluß durch
ein Segment einer gesunden Arterie ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil
hat. Beim Eintritt in ein verengtes Segment einer Arterie beschleunigt
sich jedoch der Blutfluß,
wodurch der Impuls und die kinetische Energie des Flusses erhöht werden.
Ein wesentlicher Energieverlust tritt beim Austritt aus dem engen
Segment der Arterie auf, der Turbulenzen und Strudel an den Rändern der
Arterie bewirkt. Diese Phänomene
nehmen bei einer Zunahme der Stärke
der Stenose und der Größe der normalen
Fließgeschwindigkeit
durch die Arterie zu.
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Die
Blutfließgeschwindigkeit
einer Person im Ruhezustand liegt normalerweise im Bereich von 30
bis 50 cm/s bei gesunden Koronararterien mit einem Durchmesser zwischen
1 und 3 mm. Im allgemeinen beginnt der Blutfluß einer Person im Ruhezustand
bei einer Durchmesserreduzierung von 80 bis 90 Prozent beeinträchtigt zu
werden. Bei einer Person, die einen maximalen Blutfluß hat, normalerweise
während
einer anstrengenden Körperübung, kann
der Blutfluß bei
einer Durchmesserreduzierung von nur 45 Prozent beeinträchtigt werden.
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Ein
Bilderzeugungsverfahren zur direkten Erkennung einer Koronarstenose
ist die Koronararteriographie. Dies ist eine teure invasive Bildsyntheseprozedur,
die für
eine routinemäßige Reihenuntersuchung
nicht praktisch ist. Andere nichtinvasive Bilderzeugungsverfahren
zur Durchführung
von Herz-Reihenuntersuchungen
sind u. a. computergestützte
Axialtomographie (CAT) und Magnetresonanztomographie (MRI). Diese
Prozeduren verwenden Standbilder, um zu bestimmen, ob ein bestimmter
Teil der Arterie sichtbar verstopft ist. Diese Prozeduren sind zwar
nicht invasiv, aber teuer und können
normalerweise nicht als Teil einer regelmäßigen medizinischen Untersuchung
durchgeführt
werden.
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Insbesondere
in jüngster
Zeit sind Ultraschallbilderzeugungssysteme verwendet worden, um
eine Stenose in der Halsschlagader durch Abbildung des Blutflusses
in der Arterie zu erkennen und zu messen. Gegenwärtig verfügbare Ultraschallsysteme verwenden
das Doppler-Prinzip. In herkömmlichen
Doppler-Ultraschallsystemen
richtet ein Wandler einen Ultraschallenergiestrahl auf ein Blutgefäß, in dem
Blutflußinformation erwünscht ist.
Die sich bewegenden Blutzellen reflektieren die Ultraschallenergie,
als Echos bezeichnet, und erhöhen
oder verringern die Frequenz der reflektierten Energie je nach der
Richtung des Blutflusses und dem Einfallswinkel des Strahls. In
Dauerwellensystemen empfängt
ein zweiter Wandler das Echo und ermittelt die Frequenzverschiebung,
aus der die Geschwindigkeit des Blutflusses berechnet werden kann.
In Pulswellensystemen wird ein einziger Wandler verwendet, um den
Strahl zu richten und das Echo zu empfangen, und zwar mit einem
Filter, der die Signale aussortiert, um die Frequenzverschiebung
und somit die Blutfließgeschwindigkeit
zu bestimmen.
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US-A-4
476 874 offenbart zum Beispiel ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Diagnose von kardiovaskulären
Erkrankungen. Darin wird eine Puls-Ultraschall-B-Scan-Bilderzeugung
bereitgestellt und ein Puls-Doppler-System, das für Volumenflußmessungen
in einem Blutgefäß verwendet
wird.
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Eine
Einschränkung
der Doppler-Ultraschalltechnologie besteht darin, daß solche
Systeme nur die Projektion der Fließgeschwindigkeit in der Richtung
des Strahls messen können.
Wenn der Ultraschallstrahl senkrecht auf die Fließrichtung
gerichtet ist, wird kein Fluß aufgezeichnet.
Wenn der Strahl in einem bestimmten Winkel auf den Fluß gerichtet
ist, ist die aufgezeichnete Geschwindigkeit niedriger als die tatsächliche
Geschwindigkeit, und zwar in einem Grad, der proportional des Kosinus
des Winkels ist. Um diese Einschränkung zu überwinden, werden Duplex-Doppler-Ultraschallsysteme
verwendet, die es ermöglichen,
daß die
Bilderzeugung zusammen mit herkömmlichen
Doppler-Ultraschallsystemen verwendet wird, so daß ein interessierender Bereich
von einem Ultraschalltechniker genau betrachtet werden kann und
der Strahl entweder in einem entsprechenden Winkel positioniert
oder der Meßwinkel
aufgezeichnet werden kann.
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Ein
weiteres Problem bei der Verwendung von Ultraschallsystemen ist
das Vorhandensein von "Rausch"-Komponenten in der
Doppler-Verschiebungsfrequenz. Die Wände von Blutgefäßen sind
insofern dynamisch, als sie sich phasengleich mit einem schlagenden
Herzen bewegen. Während
des systolischen Teils des Herzzyklus bewegen sich die Wände nach
außen,
und während
des diastolischen Teils bewegen sich die Wände nach innen. Diese Bewegungen
führen
zu niedrigfrequenten und hochfrequenten Rauschkomponenten, die mit
dem Echo des Doppler-Signals zurückkehren.
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Trotz
der auf dem Gebiet erreichten Fortschritte können alle vorliegenden Verfahren
und Vorrichtungen nicht in der Praxis verwendet werden, um die Herzregion
nach potentiellen Stenosebereichen periodisch abzusuchen. Im allgemeinen
stützen
sich diese Verfahren und Vorrichtungen auf optische Bilderzeu gungssysteme,
die Schwierigkeiten haben, Bilder der komplexen menschlichen Anatomie
herzustellen, und eine langsame optische Analyse jedes Bildes durch
den Menschen erfordern. Deshalb besteht Bedarf an einer einfachen
preiswerten Vorrichtung zur nichtinvasiven Überprüfung auf arterielle Stenose
unter Verwendung eines Doppler-Ultraschallsystems, das sich nicht
auf optische Bilderzeugung stützt
und durch die Nachteile bisheriger Ultraschallsysteme relativ unbeeinträchtigt ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
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Die
Erfindung ist eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Erkennung und
Messung des Grades einer Koronar- und anderer Arterienstenosen,
ohne eine Bilderzeugung in bezug auf die Arterie durchführen zu
müssen.
Erfindungsgemäß tastet
ein Doppler-Ultraschallsystem zahlreiche Segmente von Arterien ab,
um Geschwindigkeitsprofile des Blutflusses an jedem Segment herzustellen.
Der Weg der Arterie wird auf der Grundlage der topographischen Lage
der arteriellen Strömungsquerschnitte
bestimmt, und die Form und der Anstieg der Geschwindigkeitsprofile
werden gemessen. Ein Delta-Geschwindigkeitsprofil, das die Geschwindigkeitsänderung
entlang der Länge
der abgebildeten Arterie darstellt, kann auch gemessen werden. Das
Geschwindigkeitsprofil und das Delta-Geschwindigkeitsprofil werden
dann analysiert, um potentielle Stenosebereiche in der Arterie zu
bestimmen.
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Ein
Referenzkoordinatensystem wird anhand des Patienten definiert, so
daß die
Lage des Doppler-Ultraschallsystems und potentieller Stenosebereiche
genau bestimmt werden können.
Bei Bedarf kann ein optisches Doppler-Bild potentieller Stenosebereiche
der Arterie nach Ermittlung von Stenosebereichen oder am Ende des
Abtastprozesses angezeigt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform
werden Geschwindigkeitsprofilparameter, die aus der Gruppe gewählt sind,
die aus v, dh, b, n, s und w (jeweils nachstehend beschrieben) oder
V, DH, B, N, S, einzeln oder in einer beliebigen Kombination daraus,
bestehen, mit vorher definierten Schwellwerten verglichen, um potentielle
Stenosebereiche in der Arterie zu bestimmen.
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Nach
der Rekonstruktion der Arterienwege werden Änderungen der oben angegebenen
Parameter entlang des Weges der Arterie mit vorher definierten Schwellwerten
verglichen, um potentielle Stenosebereiche zu bestimmen. In einer
alternativen Ausführungsform
können
Parameter sowohl in der diastolischen wie auch in der systolischen
Phase gemessen werden, so daß ihre
Differenz sowie ihre einzelnen Werte bewertet und mit vorher definierten
Schwellwerten verglichen werden können. Die Abtastung durch das
Doppler-Ultraschallsystem kann auf der Grundlage der Erkennung eines
gewünschten
Zeitpunkts in einem EKG des Patienten ausgelöst werden.
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Das
Doppler-Ultraschallsystem weist eine Vielzahl von Scannern auf.
Der Schritt des Definierens eines Referenzkoordinatensystems weist
den folgenden Schritt auf: Wählen
eines Referenzpunkts am Patienten und bei Bedarf Messen von Referenzwinkeln
zwischen den Scannern des Doppler-Ultraschallsystems und dem gewählten Referenzpunkt.
Das Doppler-Ultraschallsystem kann an einem Roboterarm getragen
werden, um eine genauere Ermittlung der Position des Ultraschallscanners
zu erleichtern.
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Verschiedene
Parameter des Geschwindigkeitsprofils können analysiert werden, um
die potentiellen Stenosebereiche zu bestimmen, nämlich:
- i)
die mittlere Geschwindigkeit (v) des Geschwindigkeitsprofils;
- ii) die maximale Geschwindigkeitsänderung (dh) über das
Geschwindigkeitsprofil;
- iii) das Vorhandensein und der Grad der stumpfen Strömung (b),
die im Geschwindigkeitsprofil auftritt;
- iv) das Vorhandensein und der Grad der Turbulenz (N), die im
Geschwindigkeitsprofil auftritt;
- v) der Grad des Anstiegs (s) im Geschwindigkeitsprofil; und
- vi) die Breite (w) des Geschwindigkeitsprofils.
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Nach
Rekonstruktion des Weges der Arterie auf der Grundlage der einzelnen
gemessenen Geschwindigkeitsprofile wird die Änderung jedes der Parameter
(v, dh, b, n, s und w) entlang der Länge der Arterie geprüft, um potentielle
Stenosebereiche zu bestimmen. Diese zusätzlichen Parameter können jeweils
folgendermaßen
definiert werden: (Δv/ΔL)a, (Δdh/ΔL)a, (Δb/ΔL)a, (Δn/ΔL)a, (Δs/ΔL)a und (Δw/ΔL)a, wobei ΔL
der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Geschwindigkeitsprofilen
entlang des Weges einer Arterie und a die Position entlang der Arterie
ist.
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Eine
alternative Vorrichtung zur Erkennung einer Arterienstenose weist
die Schritte auf: Verwenden eines Doppler-Ultraschallsystems, um eine Vielzahl
von Parametern zu messen, die eine potentielle Stenosearterie anzeigen;
Bestimmen des Grades der Stenose in der Arterie aus den gemessenen
Parametern; und Bewerten des Grades der Stenose und Bestimmen der
Koordinaten der potentiellen Stenosearterie.
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Eine
weitere alternative Vorrichtung zur Ermittlung einer Arterienstenose
weist die Schritte auf: Ermitteln eines Signals, das die Geschwindigkeit
des Blutflusses in einer Arterie darstellt; Erzeugen einer Serie
von Geschwindigkeitsprofilen des Blutflusses in der Arterie; Rekonstruieren
des Weges der Arterie auf der Grundlage der Geschwindigkeitsprofile;
und Identifizieren potentieller Stenosebereiche in der Arterie auf
der Grundlage der Geschwindigkeitsprofile, ihrer Koordinaten und Änderungen
des Geschwindigkeitsprofils entlang des Weges der Arterie. Die Geschwindigkeitsprofile
werden verwendet, um Parameter zu bestimmen, die aus der Gruppe
gewählt
sind, die aus v, dh, b, n, s und w besteht, und ein oder mehrere
der Parameter werden mit vorher definierten Schwellwerten verglichen,
um potentielle Stenosebereiche in der Arterie zu bestimmen. Die Delta-Geschwindigkeitsprofile
werden verwendet, um Parameter zu bestimmen, die aus der Gruppe
gewählt sind,
die aus Δv/ΔL, Δdh/ΔL, Δb/ΔL, Δn/ΔL, Δs/ΔL und Δw/ΔL besteht,
und ein oder mehrere der Parameter werden mit vorbestimmten Schwellwerten
verglichen, um potentielle Stenosebereiche in der Arterie zu bestimmen. Änderungen
dieser Parameter entlang der Länge
der Arterie (Δv/ΔL)a, (Δdh/ΔL)a, (Δb/ΔL)a, (Δn/ΔL)a, (Δs/ΔL)a und (Δw/ΔL)a können
auch mit Schwellwerten verglichen werden, um Stenosebereiche zu
bestimmen.
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Eine
weitere Vorrichtung zur Erkennung einer Arterienstenose weist die
Schritte auf: Bestimmen eines definierten Zeitpunkts in einem EKG;
nach Ermittlung des definierten Punkts Abtasten eines interessierenden Bereichs
unter Verwen dung eines Doppler-Ultraschallsystems, um eine Serie
von Geschwindigkeitsprofilen des Blutflusses über die Länge der vorliegenden Arterien
aufzubauen; Rekonstruieren des Weges der Arterien; Analysieren der
Geschwindigkeitsprofile; und Analysieren von Delta-Geschwindigkeitsprofilen,
um potentielle Stenosebereiche in den Arterien zu bestimmen.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Erkennung einer Stenose in einer Arterie weist auf: ein Doppler-Ultraschallsystem
zum Abtasten eines Segments der Arterie und zum Empfangen von Echos
des Doppler-Ultraschallsignals; und einen Prozessor zum Empfangen
der Echos und zum Aufbauen von Geschwindigkeitsprofilen des Blutflusses
durch den interessierenden Bereich. Der Prozessor analysiert die
Geschwindigkeitsprofile, um potentielle Stenosebereiche in der Arterie
zu bestimmen. Das System weist eine Einrichtung zum Definieren eines
Referenzkoordinatensystems relativ zum interessierenden Bereich
auf, wobei der Prozessor einen Ort des Doppler-Ultraschallsystems im Referenzkoordinatensystem
nach Ermittlung potentieller Stenosebereiche in der Arterie bestimmt.
Eine Anzeige ist vorgesehen zum Anzeigen eines Doppler-Bildes eines
potentiellen Stenosebereichs der Arterie nach Ermittlung solcher
Stenosebereiche.
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Eine
alternative Vorrichtung zur Erkennung einer Arterienstenose weist
auf: ein Doppler-Ultraschallsystem zum Messen einer Vielzahl von
Parametern, die eine potentielle Stenosearterie anzeigen; und einen Prozessor
zum Bestimmen des Grades der Stenose in der Arterie aus den gemessenen
Parametern. Der Prozessor bewertet den Grad der Stenose und bestimmt
die Koordinaten der potentiellen Stenosearterie.
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Eine
weitere alternative Vorrichtung zur Ermittlung einer Arterienstenose
weist auf: eine Einrichtung zum Ermitteln eines Signals, das die
Blutfließgeschwindigkeit
in einer Arterie darstellt; eine Einrichtung zum Aufbauen eines
Geschwindigkeitsprofils und/oder eines Delta-Geschwindigkeitsprofils
des Blutflusses in der Arterie; und eine Einrichtung zum Identifizieren
potentieller Stenosebereiche in der Arterie auf der Grundlage des
Geschwindigkeitsprofils und/oder von Änderungen des Geschwindigkeitsprofils
entlang der Länge
einer Arterie.
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Die
Erfindung wird nachstehend ausführlich
in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf
die nachstehenden anschaulichen Figuren beschrieben, so daß sie besser
verstanden werden kann.
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Mit
besonderem Bezug nunmehr auf die Figuren im einzelnen sei hervorgehoben,
daß die
dargestellten Einzelheiten Beispielcharakter haben und lediglich
dem Zweck dienen, die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
anschaulich zu beschreiben, und sind zu dem Zweck dargestellt, zu
vermitteln, was man für
die am besten geeignete und ohne weiteres verständliche Beschreibung der Prinzipien
und Grundgedanken der Erfindung hält. In dieser Hinsicht wird
kein Versuch unternommen, um die konstruktiven Einzelheiten der
Erfindung ausführlicher
als notwendig für
ein grundsätzliches
Verständnis
der Erfindung darzustellen, wobei die Beschreibung zusammen mit
den Zeichnungen dem Fachmann verdeutlicht, wie die verschiedenen Formen
der Erfindung in die Praxis umgesetzt werden können.
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In
den Zeichnungen ist folgendes gezeigt:
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1 ist
ein Blockschaltbild des Initialisierungsschritts des erfindungsgemäßen Systems;
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2 ist
ein Blockschaltbild des Untersuchungsschritts des erfindungsgemäßen Systems;
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3 ist
eine schematische Darstellung und zeigt Änderungen eines Geschwindigkeitsprofils
an einer Stenosearterie mit entsprechenden Delta-Geschwindigkeitsprofilen;
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4 zeigt
Beispielgeschwindigkeitsprofile, die unter Verwendung das erfindungsgemäßen Systems abgeleitet
sind;
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5A–5C sind schematische Darstellungen, die Änderungen
von Geschwindigkeitsprofilen infolge einer Krümmung und Verzweigung in einer
Arterie zeigen;
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6A–6D sind
schematische Darstellungen, die die Fließrichtung in einer gesunden
Arterie im Vergleich zu einer verschlossenen Arterie während der
diastolischen und der systolischen Phase des Herzzyklus zeigen;
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7 ist
ein Ablaufdiagramm des Untersuchungsschritts des erfindungsgemäßen Systems;
und
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8 ist
eine schematische Darstellung einer Robotervorrichtung, die verwendet
wird, um das erfindungsgemäße System
zu tragen.
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Die
Erfindung stellt eine Vorrichtung zur nichtinvasiven und routinemäßigen Überprüfung auf
Stenose unter Verwendung eines Doppler-Ultraschallsystems 12 bereit.
Um das Vorhandensein und den Grad einer Stenose in Blutgefäßen nichtinvasiv
zu erkennen, z. B. in den Koronararterien, ermittelt das Doppler-Ultraschallsystem 12 im
allgemeinen die Blutfließgeschwindigkeit
in einem gewählten
interessierenden Bereich und erzeugt eine Serie von Geschwindigkeitsprofilen
des Blutflusses in der Arterie oder den Arterien in dem interessierenden
Bereich. Die Serie der gemessenen Geschwindigkeitsprofile wird später verwendet,
um den Weg der Arterie und die Delta-Geschwindigkeitskurve (die Änderung
der Geschwindigkeit entlang der Länge der Arterie) zu rekonstruieren.
Bestimmte Parameter, die potentielle Stenosesegmente anzeigen, werden
automatisch dadurch identifiziert, daß das Geschwindigkeitsprofil
und das Delta-Geschwindigkeitsprofil des Blutflusses in einem Segment
der Arterie analysiert werden. Der Grad der Stenose, der im allgemeinen
mit spezifischen Änderungen
des Geschwindigkeitsprofils entlang der Länge der Arterie verbunden ist,
kann aus den gemessenen Parametern geschätzt werden. Als Hochgeschwindigkeitsuntersuchungswerkzeug
nimmt das System zahlreiche Doppler-Werte des zu beobachtenden Bereichs
in verschiedenen Orientierungen und unter Verwendung mehrerer Scanner
und identifiziert automatisch potentielle Stenosebereiche, ohne
sich auf optische Bilderzeugung oder Anwendereingriff zu stützen. Diese
Bereiche können
dann weiter von einem Techniker oder Arzt unter Verwendung viel
langsamerer herkömmlicher
optischer Bilderzeugungsverfahren betrachtet werden.
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Im
allgemeinen beschleunigt sich die Blutfließgeschwindigkeit in einer Arterie,
wenn sie ein eingeengtes Segment einer Arterie erreicht. Diese Beschleunigung
führt zu
verschiedenen Charakteristiken des Blutflusses, die vom vorliegenden
System ermittelt werden können,
einschließlich
i) ein Strahlstrom, der aus einer Erhöhung der Doppler-Verschiebungsfrequenzen
ermittelt wird; ii) eine Erhöhung
der Stumpfheit des Geschwindigkeitsprofils am Arterienquerschnitt,
iii) eine Erhöhung
der Differenz der Höhe
zwischen der Geschwindigkeit nahe der Gefäßwand und der maximalen stumpfen
Strömung
und iv) eine Turbulenz des poststenotischen Segments der Arterie
infolge der abrupten Öffnung
des poststenotischen Arteriensegments. Diese Fließcharakteristiken
können
entweder in der diastolischen Phase, der systolischen Phase oder
durch Vergleich der Fließcharakteristiken
in den verschiedenen Phasen des Herzzyklus ermittelt werden.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung schließt
drei funktionelle Schritte ein:
- 1) eine Initialisierungsprozedur,
die im allgemeinen in 1 beschrieben ist, während der
der Doppler-Scanner in einem Referenz-Koordinatensystem positioniert
ist, mit dem die Doppler-Scanner bewegt werden können, während ihre Position und die
Lage der Echos, die relativ zum Patienten empfangen werden, genau
ermittelt werden;
- 2) eine Untersuchungsprozedur, die im allgemeinen in 2 beschrieben
ist, während
der zahlreiche Doppler-Werte des zu beobachtenden Bereichs automatisch
aus vielen verschiedenen Orientierungen übernommen werden; und
- 3) eine Diagnoseprozedur, die im allgemeinen in 7 beschrieben
ist und bei der das System automatisch die Doppler-Werte analysiert,
um den Weg der Arterien zu rekonstruieren und potentielle Stenosebereiche zu
ermitteln.
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Das
Doppler-Ultraschallsystem 12 ist vorzugsweise ein herkömmliches
Puls-Doppler-System, das einen Sender aufweist, der hochfrequente
elektronische Signale erzeugt, die über mindestens einen piezoelektrischen
Wandler verstärkt
und ausgegeben werden. Der Wandler setzt das Signal vom Sender in
eine Ultraschallenergiewelle um, die auf ein Blutgefäß gerichtet
ist, für
das Blutflußinformation
gewünscht
wird. Die sich bewegenden Blutzellen reflektieren die Ultraschallenergie
und erhöhen
oder verringern die Frequenz der reflektierten Energie in Abhängigkeit
von der Blutfließrichtung
und dem Einfallswinkel des Strahls.
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Obwohl
jedes geeignete Doppler-System verwendet werden kann, ist das Doppler-System 12 vorzugsweise
ein B-Mode- und n-Gate-Puls-Doppler-System, das ein bidirektionales
Doppler-Signal bereitstellt. Das
Doppler-Ultraschallsystem 12 weist eine Vielzahl von Wandlern
auf. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Wandlern werden mehrere
Echosignale bereitgestellt, die es ermöglichen, daß das Geschwindigkeitsprofil in
der Arterie im wesentlichen gleichzeitig aus mehreren Winkeln gemessen
wird. Dadurch kann das System das Geschwindigkeitsprofil mit verringertem
Fehler bestimmen, und außerdem
kann das System schneller den zu beobachtenden Bereich abtasten,
um den Untersuchungsprozeß zu
beschleunigen. Jeder der Wandler ist geeignet, Ultraschallwellen
normalerweise in der Größenordnung
von 3–10
MHz abzugeben, obwohl nach Bedarf jede geeignete Frequenz oder alle
geeigneten Frequenzen verwendet werden können, um eine verbesserte Systemleistung
und Erkennung zu ermöglichen.
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Initialisierungsprozedur
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Während der
Initialisierungsprozedur wird ein Referenzkoordinatensystem (13)
relativ zum Körper
des Patienten definiert, und zwar zum Zwecke der Aufzeichnung der
Position des Doppler-Scanners für
jedes Echo, das aufgenommen wird, und der Lage des empfangenen Echos.
Dies ist wichtig, um die Lage der potentiellen Stenosearterien identifizieren
zu können
und während
des Untersuchungsprozesses speichern zu können. Bei einem bekannten Referenzkoordinatensystem
können
die Testergebnisse unter Verwendung des Systems bei Bedarf reproduziert
werden, und potentielle Stenosebereiche können für eine Bildverarbeitung durch
einen Techniker nach Untersuchung und Diagnose lokalisiert werden.
Die Wege der zu untersuchenden Arterien werden später auf
der Grundlage der Lage und des Anstiegs jedes gemessenen Geschwindigkeitsprofils
rekonstruiert.
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Das
Referenzkoordinatensystem ist vorzugsweise dadurch definiert, daß es eine
Markierung oder Marker auf der Haut des Patienten plaziert, der
relativ zu einem bekannten anatomischen Merkmal am Patienten, z.
B. das Schlüsselbein,
eine Rippe oder der Apex des Herzens, genau positioniert sind. Vorzugsweise werden
zumindest zwei Markierungen oder anatomische Merkmale verwendet,
um das Referenzkoordinatensystem zu defi nieren, um sicherzustellen,
daß das
Doppler-System bei Bedarf in der gleichen Position und Orientierung
relativ zum Patienten positioniert werden kann. Als Alternative
kann das Referenzkoordinatensystem relativ zu einem anatomischen
Merkmal definiert werden, das auf der Anzeige des Doppler-Systems 12 gesehen
werden kann, so daß der
Doppler-Scanner anfänglich
von einem Techniker auf der Grundlage der Lage des anatomischen
Merkmals in dem vom Scanner erzeugten Doppler-Bild positioniert
wird.
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Wenn
das Referenzkoordinatensystem definiert ist, müssen Bewegungen des/der Doppler-Scanner(s) genau
in Bezug auf das Koordinatensystem gemessen werden. Obwohl die Scanner
des Doppler-Systems 12 manuell positioniert und bewegt
werden können,
wird vorzugsweise ein Robotersystem verwendet, um die Scanner zu
positionieren.
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Mit
Bezug auf 8 wird ein potentielles Trägersystem
für den
Doppler-Scanner 12 als Beispiel im US-Patent 4 975 856
ausgeführt.
Dieses Patent offenbart einen Roboterarm mit einem Servo- oder Schrittmotor,
der den Scanner ohne menschlichen Eingriff schrittweise auf einem
bestimmten Weg bewegt. Jedes Gelenk am Arm hat einen oder mehrere
Motoren und mindestens ein Potentiometer. Die Motoren werden verwendet,
um den oder die Scanner auf einem vorbestimmten Weg während der
Untersuchungsprozedur zu bewegen, während die Potentiometer gleichzeitig
die Position der Gelenke messen. Die Motoren werden mit einem Computersystem
gesteuert, das über
Kabel mit dem Roboterarm verbunden ist. Der Scanner wird an der
Spitze des Roboterarms gehalten.
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Der
Scanner kann als Alternative ein Hand-Scanner mit Positionssensor
sein, der die Position des Scanners gleichzeitig mit der Datenerfassung
mißt.
Die Werte von den Potentiometern oder vom Hand-Scanner werden an
das Computersystem übertragen
und zum Messen und Aufzeichnen der Position jeder Abtastung verwendet.
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Das
Robotersystem wird anfänglich
genau relativ zum Referenzkoordinatensystem positioniert. Das Robotersystem
bewegt sich dann automatisch oder ändert die relativen Winkel
der Scanner über
dem Körper des
Patienten während
der Abtastung.
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Zum
Zwecke der Definition des Referenzkoordinatensystems können Referenzwinkel,
die an den Potentiometern des Roboterarms gemessen werden, aufgezeichnet
und im Speicher 17 gespeichert werden. Als Alternative
kann jedes geeignete System zum Messen der Bewegung der Doppler-Scanner
benutzt werden. Die Koordinaten jedes gemessenen Geschwindigkeitsprofils
werden vorzugsweise auf der Grundlage der Position des Scanners
und der Abrufperiode des Doppler-Echos bestimmt.
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Mit
Bezug auf 1 wird der Herzschlagzyklus
eines Patienten durch ein herkömmliches
Echokardiogramm-(EKG-)System 10 überwacht. Der EKG-Monitor 10 zeigt
vorzugsweise den Herzschlagzyklus in vorher festgelegten periodischen
Zeitrahmen an. Ein Triggersystem 11 ist mit dem EKG-Monitor 10 und
dem Doppler-System 12 verbunden. Das Triggersystem 11 ist
vorzugsweise eine herkömmliche
Steuereinrichtung oder mikroprozessorgestützte Vorrichtung, die in der
Lage ist, vorgegebene Punkte entlang des EKG-Signals des EKG-Monitors 10 zu
ermitteln. Das Triggersystem 11 ist für die Untersuchungsprozedur,
die nachstehend ausführlich
beschrieben wird, so programmiert daß das Doppler-System 12 an
einem oder mehreren spezifisch gewählten Zeitpunkten entlang des
Herzschlagzyklus des Patienten ausgelöst wird, wie er vom EKG-Monitor 10 überwacht
wird.
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Der
Punkt, an dem das Herz seine maximale Expansion hat und der als
diastolische Phase bezeichnet wird, ist auch der Punkt, wo das Herz
am stärksten
elektrisch neutral ist. Die in der diastolischen Phase des Herzschlagzyklus
definierten Punkte gelten im allgemeinen wegen des großen meßbaren Bereichs
des Herzens als zum Messen des Blutflusses in den Koronararterien
mittels Doppler-Ultraschall am besten geeignet. Um Echos in einer
spezifischen Phase des Herzschlagzyklus aufzuzeichnen, kann ein
Zeitpunkt im EKG-Zyklus, der einen spezifischen Abstand von der
Spitze der R-Welle entfernt ist und der diese spezifische Phase im
Herzschlagzyklus anzeigen würde,
als Auslösungspunkt
für das
Doppler-Ultraschallsystem 12 verwendet werden.
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Während des
Initialisierungsprozesses werden ein oder mehrere gewählte Punkte
im EKG und vorzugsweise in der diastolischen Phase vom Techniker
oder Arzt aus einer EKG-Kurve 16 gewählt und im Speicher 17 gespeichert.
Diese gewählten
Punkte werden verwendet, um den Doppler-Scanner 12 während der Untersuchungsprozedur
auszulösen.
Als Alternative kann das Triggersystem 11 vorher so programmiert
werden, daß das
Doppler-System 12 an
einem beliebigen gewählten
Punkt 15 im EKG-Zyklus aktiviert wird. Der Punkt oder die
Punkte 15, 16, die während der Initialisierungsprozedur
gewählt
werden, werden im Speicher 17 zur Verwendung während der
Untersuchung gespeichert. Die gewählten Punkte können auch
vorher definiert werden ohne Anwendereingriff in dem Fall bereits
durchgeführter
Prozeduren, wo die gewählten
Punkte entlang des Herzschlagzyklus im Speicher 17 gespeichert
wurden oder in dem Fall, wo die Auslösung immer am gleichen Auslösungspunkt
im EKG erwünscht
ist.
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Untersuchung
und Diagnose
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Mit
allgemeinen Bezug auf 2 führt der Doppler-Scanner 12 während der
Untersuchungsprozedur automatisch wiederholte Hochgeschwindigkeitsabtastungen
eines Bereichs mit Arterien im Referenzkoordinatensystem durch.
Diese Abtastungen werden durchgeführt an sich ändernden
Positionen und Orientierungen relativ zu dem Patienten, um die Wahrscheinlichkeit
zu maximieren, daß Stenosearterien
aus einem Winkel betrachtet werden, mit dem ein genaues Geschwindigkeitsprofil
und Delta-Geschwindigkeitsprofil
bestimmt werden kann. Da diese Bestimmung ohne Anwendereingriff
und ohne daß die
Anzeige und/oder optische Analyse von Doppler-Bildern erforderlich
ist, erfolgt, kann die Abtastprozedur mit hohen Geschwindigkeiten
durchgeführt
werden. Die Diagnoseanalyse zur Bestimmung der Parameter, die potentielle
Stenosearterien anzeigen, wird entweder während oder nach der Untersuchungsprozedur
durchgeführt,
vorzugsweise ohne Anwendereingriff.
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Mit
Bezug auf 2 weist das System vorzugsweise
zwei Prozessoren auf, nämlich
einen ersten Prozessor 13 und einen zweiten Prozessor 14.
Der erste Prozessor 13 empfängt die Echosignale von diesen
zahlreichen Hochgeschwindigkeitsabtastungen und bestimmt automatisch
das Geschwindigkeitsprofil (siehe 3) des Blutflusses
in der Arterie und eine Serie von Parametern, die potentielle Stenosesegmente
von Arterien anzeigen. Während
der Diagnosephase werden diese Parameter vom ersten Prozessor 13 mit
gewählten
Schwellwerten verglichen, der den Grad der Stenose auf der Grundlage
der gemessenen Parameter und der relevanten Schwellwerte automatisch
schätzt.
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Der
zweite Prozessor 14 stellt zahlreiche Funktionen bereit.
Der zweite Prozessor 14 wirkt als Bildprozessor, durch
den der Anwender farbige Doppler-Ultraschallbilder unter Verwendung
herkömmlicher
Verfahren sehen kann, einschließlich
der Verwendung beliebiger verfügbarer
Algorithmen, die verwendet werden, um Herzbewegung einzufrieren.
Das vorliegende System ermittelt jedoch potentielle Stenosebereiche,
ohne sich auf Bildverarbeitung durch einen Techniker zu stützen. Somit
wird die optische Bildverarbeitung nur für sekundäre Funktionen verwendet, z.
B. für
die Positionierung des Doppler-Scanners im Referenzkoordinatensystem und
zur manuellen Bilderzeugung von Arterien, die vom System als potentiell
stenotisch bestimmt werden.
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Der
zweite Prozessor 14 wird auch verwendet, um das Referenzkoordinatensystem
und andere Parameter, die während
der Initialisierung definiert werden, zu definieren und aufzuzeichnen.
Während
der Untersuchungsprozedur zeichnet der zweite Prozessor 14 die
Position des Scanners für
jede durchgeführte
Abtastung auf und rekonstruiert den Weg der Arterien auf der Grundlage
der Koordinaten und weiterer vom ersten Prozessor 13 für jedes
Geschwindigkeitsprofil gemessener Parameter. Schließlich definiert
der zweite Prozessor 14 die Punkte im Herzschlagzyklus,
die verwendet werden, um das Doppler-System auszulösen und zu aktivieren, und
zeichnet diese auf.
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Sowohl
der erste Prozessor 13 als auch der zweite Prozessor 14 ist
vorzugsweise ein herkömmlicher Mikroprozessor,
obwohl bei Bedarf spezialisierte Steuereinrichtungen verwendet werden
können.
Auch der erste Prozessor 13, der zweite Prozessor 14,
das Triggersystem 11 und/oder andere Komponenten des Systems
können
unter Verwendung eines geeigneten Computersystems kombiniert werden.
-
Bei
Verwendung ermittelt das Triggersystem 11 die gewählten Punkte
im Herzschlagzyklus, die in der Initialisierungsphase definiert
wurden, und aktiviert das Doppler-System 12 am definierten
Punkt im Herzschlagzyklus. Der erste Prozessor 13 empfängt das
Doppler-Signal vom Doppler-System 12 und identifiziert die
Parameter v, dh, b, n, s und w sowie V, DH, B, N und S im Geschwindigkeitsprofil
für die
in Betracht kommenden Blutgefäße, wie
nachstehend ausführlich
beschrieben wird. Die Koordinaten werden vom zweiten Prozessor 14 bestimmt
und im Speicher 17 gespeichert. Nach Beendigung jeder Abtastung
verschiebt der zweite Prozessor 14 vorzugsweise durch Ausgabe
entsprechender Befehle an den Roboterarm die Position des Doppler-Scanners 12 geringfügig, wobei
dann vom Triggersystem 11 eine weitere Abtastung ausgelöst wird. Die
Abtastung der gesamten in Betracht kommenden Region erfolgt unter
Verwendung eines beliebigen erwünschten
Abtastmusters, z. B. von einer Seite zur anderen, Ablenkwinkel usw.,
bis der gesamte in Betracht kommende Bereich von zahlreichen Positionen
und Orientierungen abgetastet worden ist. Die Koordinaten zusammen
mit den gemessenen Parametern für
jedes Geschwindigkeitsprofil werden verwendet, um den Weg der Arterien,
die in dem interessierenden Bereich vorhanden sind, zu rekonstruieren.
Nachfolgend können
Parameter Δv/ΔL, Δdh/ΔL, Δb/ΔL, Δn/ΔL, Δs/ΔL und Δw/ΔL und (Δv/ΔL)a, (Δdh/ΔL)a, (Δb/ΔL)a, (Δn/ΔL)a, (Δs/ΔL)a und (Δw/ΔL)a bestimmt und auf das Vorhandensein einer
Stenose in den Arterien analysiert werden. In einer alternativen
Ausführungsform
kann nach Beendigung jeder Abtastung das gemessene Doppler-Signal
im Speicher 17 mit seinem entsprechenden Koordinatenpunkt
gespeichert werden, der vom zweiten Prozessor 14 bestimmt
wurde. Bei Beendigung der Abtastprozedur werden alle Parameter für jeden
Punkt im Koordinatensystem analysiert, um Stenosebereiche zu bestimmen.
-
Während oder
nach Beendigung des Abtastprozesses bestimmt und analysiert der
erste Prozessor 13 automatisch das Geschwindigkeitsprofil
in jeder ermittelten Arterie, um Parameter zu identifizieren, die
eine Stenose anzeigen, wie nachstehend beschrieben. Die Lage potentieller
Stenosebereiche werden durch einen Techniker oder Arzt im Speicher 17 für eine spätere manuelle
Analyse gespeichert.
-
Da
vorzugsweise für
die Ersterkennung der Stenose keine Bilderzeugung verwendet wird,
ist die Abtastprozedur sehr schnell und das System ist in bezug
auf die Menge der Abtastungen, die es während der Prüfprozedur
durchführen
kann, nicht begrenzt. Wenn drei Doppler-Strahlen gleichzeitig verwendet
werden, um die Geschwindigkeit in einer Arterie mit verschiedenen
Winkeln aufzuzeichnen, kann der echte Blutflußwinkel mit hoher Genauigkeit
und hoher Geschwindigkeit berechnet werden, und der Grad der Stenose
kann auf der Grundlage der durchgeführten Messungen prozentual
bestimmt werden. Wiederholte Abtastungen des interessierenden Bereichs
mit verschiedenen Winkeln verringern die Fehler bei den Geschwindigkeitsprofil-
und Delta-Geschwindigkeitsprofilmessungen bei einem gegebenen Arteriensegment,
wodurch die Effizienz der Diagnose erhöht wird.
-
Parameter, die eine Stenose
anzeigen
-
Wie
in 3 gezeigt, ist eine typische Stenose 21 zusammen
mit Änderungen
des Geschwindigkeitsprofils gezeigt, während Blut durch eine Arterie 20 fließt. Wie
aus der Laminarstromtheorie bekannt, hat ein stabiler Fluß in einer
geraden gesunden Koronararterie im allgemeinen ein parabolisches
Geschwindigkeitsprofil. Wenn sich die Arterienwände infolge einer Stenose verengen,
erhöht
sich die Blutfließgeschwindigkeit
in einem Maß,
das proportional zur Verringerung des Durchmesserquadrats ist. Beispielsweise
führt eine Stenose
von etwa 80 bis 85 Prozent zu einer 25fachen Geschwindigkeitserhöhung. Diese Änderung
kann ohne weiteres ermittelt werden, wenn die Geschwindigkeit entlang
der Länge
des Gefäßes geprüft wird
(siehe 3, Profil C). Ebenfalls dargestellt unter jedem
der Geschwindigkeitsprofile (siehe 3, Profile
AA bis EE) sind die Geschwindigkeitsänderungen über jedes Geschwindigkeitsprofil
in bezug auf die Breite des Geschwindigkeitsprofils. Die differentiellen Änderungen
der Geschwindigkeit über
das Geschwindigkeitsprofil CC haben eine ausgeprägtere Höhenänderung infolge der Stenose
im Vergleich zu den Geschwindigkeitsprofilen, von denen sie abgeleitet
sind.
-
Aus
der Blutfließgeschwindigkeit
in einer Arterie, die vom Doppler-System 12 ermittelt wird,
erzeugt der erste Prozessor 13 ein Geschwindigkeitsprofil
des relevanten Arterien segments. Durch Analyse des Geschwindigkeitsprofils
erzeugt der erste Prozessor 13 bestimmte Parameter, die
potentielle Stenosesegmente der Arterie anzeigen, von denen keiner
allein notwendigerweise eine Stenose anzeigt, die aber in Kombination eine
Stenose anzeigen können.
-
Die
mittlere Geschwindigkeit v, die als der Betrag der mittleren Geschwindigkeit über das
gemessene Geschwindigkeitsprofil definiert ist, ist ein solcher
Parameter, der verwendet werden kann, um eine Stenose zu ermitteln.
Dieser Parameter kann normiert werden, wie mit dem Parameter V definiert,
indem die gemessene mittlere Geschwindigkeit v durch die Breite
des Geschwindigkeitsprofils w geteilt wird. Als Alternative kann die
maximale Geschwindigkeit oder eine gewichtete mittlere Geschwindigkeit über das
gemessene Geschwindigkeitsprofil als ein Parameter zur Ermittlung
einer Stenose verwendet werden. Während Blut durch eine Stenose
fließt,
erhöht
sich die Geschwindigkeit, und die Breite des Profils verringert
sich. Der Parameter V ist in der Gleichung (1) folgendermaßen definiert: V = v/w (1)
-
Je
nach Form und Größe der Stenose
werden bedeutende Änderungen
des Profils zunächst
durch eine Erhöhung
des Betrags der Geschwindigkeiten des parabolischen Profils ermittelt,
wie er mit dem Parameter V gemessen wird, und später auch durch eine Änderung
der Form. Die Beschleunigung, die durch die Stenose auftritt, bewirkt,
daß das
Geschwindigkeitsprofil zur Mitte stumpfer wird mit einer steileren
Geschwindigkeitsänderung
zwischen der Grenzschicht und der stumpfen Strömung. Dies ist deutlich zu
erkennen, wenn man die Geschwindigkeitsänderung über das Geschwindigkeitsprofil
CC heranzieht, das in 3 dargestellt ist. Der Fluß in der
gesunden Arterie ist in diesen Profile als zwei flache Dreiecke
gekennzeichnet, positiv und negativ, die zusammenhängen, wie
man im Profil AA in 3 sehen kann. Wenn die Gefäßwände infolge
der Stenose enger werden, werden die Dreiecke steiler (Profil BB).
Der maximale absolute Höchstwert,
der durch den Parameter dh definiert ist, ist ein Maß für die maximale Änderung
der Geschwindigkeit zwischen der Grenzschicht und der stumpfen Strömung. Dieser
Parameter kann normiert werden, in dem er durch die Breite w des
Geschwindigkeitsprofils geteilt wird. Die Gleichung (2) definiert
den normierten Parameter DH folgendermaßen: DH = dh/w (2)
-
Wenn
das Geschwindigkeitsprofil stumpfer wird, trennen sich die zusammenhängenden
Dreiecke getrennt und zwei getrennte Maxima, positiv und negativ,
erscheinen. Dies ist in den Profilen CC und DD zu sehen. Der Abstand
zwischen den beiden getrennten Dreiecken b kann verwendet werden,
um die stumpfe Strömung
zu charakterisieren. Dieser Parameter kann normiert werden, indem
er durch die Breite des Geschwindigkeitsprofils geteilt wird, und
ist durch den Parameter B folgendermaßen definiert: B = b/w (3)
-
Die
typische schnelle Erweiterung des poststenotischen Lumens führt zu einer
Turbulenz in der poststenotischen Region. Die Turbulenz, die normalerweise
nahe der Arterienwand auftritt und die am Austritt der Stenose erfolgt,
ist durch ein Rauschsignal nahe der Arterienwand gekennzeichnet,
das man sowohl am Geschwindigkeitsprofil D wie auch an der Änderung
der Geschwindigkeit über
das Geschwindigkeitsprofil DD erkennen kann. Die kleine Amplitude
des Rauschsignals, die im Geschwindigkeitsprofil D gezeigt ist,
wird jedoch verstärkt
und ist ohne weiteres in den Delta-Geschwindigkeitsprofilen DD sichtbar.
Der Grad der Turbulenz n, die nahe der Arterienwand auftritt, kann
durch das quadratische Mittel (RMS) der Amplitude des Rauschsignals gekennzeichnet
sein, das im Grenzbereich der Geschwindigkeitsprofile gemessen wird.
n kann als Alternative in der Frequenzdomäne durch RMS der Amplitude
des Leistungsspektrums des Rauschsignals gekennzeichnet sein. Dieser
Parameter kann normiert werden, indem er durch die Breite des Geschwindigkeitsprofils
geteilt wird, wie folgt: N = n/w (4)
-
Somit
kann die Fließcharakteristik
in einer Stenose unter Verwendung der vier oben beschriebenen Parameter
definiert werden:
- V
- definiert die Erhöhung der
Geschwindigkeit in einer Stenose.
- DH
- definiert die Erhöhung der
Höhe zwischen
der Geschwindigkeit der Grenzschicht und der maximalen Geschwindigkeit
infolge der Stenose.
- B
- mißt die Stumpfheit des Geschwindigkeitsprofils
in der Stenose.
- N
- definiert den Turbulenzpegel
in der Grenzschicht am Austritt der Stenose.
-
Wenn
einer dieser Parameter einen definierten Schwellwert überschreitet,
gilt der Bereich als potentiell stenotisch. Eine Kombination der
relativen Werte dieser Parameter und/oder Veränderungen dieser Parameter entlang
der Länge
einer Arterie kann auch dazu dienen, eine verdächtige stenotische Region zu
definieren.
-
Wenn
ein Doppler-Ultraschallstrahl 22, der in 4 gezeigt
ist, vom Doppler-Sender 23 in einem bestimmten Winkel in
Bezug auf die Blutfließrichtung
gerichtet wird, ist das Geschwindigkeitsprofil, das ermittelt wird,
die Projektion der im Blutfluß gemessenen
Geschwindigkeit. In diesem Fall wird die Amplitude des Geschwindigkeitsprofils
infolge der Projektion nicht nur geringer, sondern kann auch "unscharf" werden, da die Form
der Geschwindigkeit sich deutlich ändert, wenn das Blut durch
die Stenose 21 fließt.
Ein Beispiel dafür ist
in 4 gezeigt. Wenn bei einer Versetzung von 20° gemessen
wird, wird die allgemeine Form des aufgezeichneten Geschwindigkeitsprofils
im verengten Abschnitt der Stenose beibehalten, wie man aus dem
Profil A sehen kann. Die Amplitude wird jedoch auf einen Grad reduziert,
der proportional cosθ ist,
und die Breite des Profils wird auf einen Grad erhöht, der
proportional 1/cosθ ist.
Wenn, wie in 4 gezeigt, der Versetzungswinkel
sich erhöht,
erhöht
sich die Breite des gemessenen Geschwindigkeitsprofils, während die
Amplitude geringer wird. Dies ist in den Profilen B und C gezeigt.
Beispielsweise kann ein Profil seine Breite um etwa 50 Prozent erhöhen, wenn
es mit einem Versetzungswinkel von 60° gemessen wird, wie im Profil
C gezeigt. Wenn der Versetzungswinkel zunimmt, beginnt das Profil
außerdem "unscharf" zu werden, und Daten
von breiteren und schmaleren Abschnitten der Stenose werden in das
eine Profil mit einbezogen. Dies ist in den Profilen B und C gezeigt.
Die Profile, die die Änderung
der Geschwindigkeit anzeigen, AA bis CC, zeigen, daß die Maxima
solange auftreten, wie ein Abschnitt des Strahlstroms erfaßt wird.
Die Profile erscheinen jedoch infolge des Versetzungswinkels unscharf.
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Profile
mit den Strahlversetzungen von 20° und
45° (Profil
AA bzw. BB) können
durch Messung der Höhe
der Maxima (positiv und negativ) in der Krümmung identifiziert werden,
was zeigt, wie die Geschwindigkeit sich über das Geschwindigkeitsprofil ändert, während bei
60° (Profil
CC) das Maximum nicht ohne weiteres identifiziert werden kann. Obwohl
eine Stenose nicht bei allen Strahlversetzungen erkannt werden kann,
ist das System so ausgeführt,
daß es
den gleichen Prüfbereich
mit einer Anzahl verschiedener Winkel und aus einer Anzahl verschiedener
Positionen abtastet, so daß in
mindestens einer Position die Stenose identifiziert werden kann,
d. h. der Versetzungswinkel ist dann ausreichend klein, und als
potentielle Stelle für
eine Stenose markiert werden kann.
-
Geschwindigkeitsprofile
werden nicht nur auf ihre Amplitude überprüft, sondern auch auf ihre Breite und
allgemeine Form. Dies stellt sicher, daß das System zwischen verschiedenen
Koronararterien unterscheiden kann. Gesunde Koronararterien mit
Durchmessern von etwa 1 bis 3 mm haben bei einem parabolischen Geschwindigkeitsprofil
eine Durchflußrate
von 30 bis 50 cm/s. Anderen größeren Arterien
kann ein Blutfluß mit höheren Geschwindigkeiten
und mit stumpferen Geschwindigkeitsprofilen zugeordnet werden, aber
bei Durchmessern, die deutlich größer sind als die von Koronararterien.
Eingeengter Fluß in
einer Stenosearterie kann von einem Fluß in einer gesunden Arterie
mit einem Durchmesser ähnlich
der Stenoseregion unterschieden werden, indem die Form der Geschwindigkeitsprofile
und der Größe der maximalen
Geschwindigkeiten verglichen werden. Wenn das Blut danach in kleinere
Arterien fließt,
verringert sich die Blutfließgeschwindigkeit
infolge einer Erhöhung
des Gesamtquerschnitts der zum Bluttransport benutzten Gefäße. In einer
Stenoseregion erhöht
sich die Geschwindigkeit durch den eingeengten Bereich. Zusätzlich führt, wie
bereits oben erwähnt, der
Strahlstrom, der in einer Stenoseregion auftritt, zu einem Geschwindigkeitsprofil,
das im Vergleich zu der para bolischen Geschwindigkeit, die in gesunden
Koronararterien vorliegt, stumpf ist.
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Das
bekannte parabolische Geschwindigkeitsprofil, das in gesunden Arterien
auf einem geraden Weg auftritt, kann bei gekrümmten Arterien deutlich verändert sein.
Koronararterien neigen dazu, sich zu krümmen, wenn sie entlang der
Oberfläche
des Herzens verlaufen und von den Hauptarterien wegführen, um
das Myokard zu versorgen. 5A zeigt
eine schematische Darstellung von Änderungen des Geschwindigkeitsprofils infolge
der Krümmung
des Blutgefäßes. Das
Geschwindigkeitsprofil 27 vor der Krümmung gilt als parabolisch. Wenn
sich der Blutfluß 33 dem
gekrümmten
Segment nähert,
ist das Geschwindigkeitsprofil (28, 29, 30)
zur Außenwand
des Gefäßes 25 ansteigend,
während
die Innenwand 26 mit relativ geringer Wandscherbelastung verbleibt.
Wenn das Blut aus dem gekrümmten
Segment austritt, beginnt das Geschwindigkeitsprofil 31 sich zur
Mitte hin wiederum zu neigen und kehrt schließlich zu seiner ursprünglichen
parabolischen Form 32 zurück. Obwohl sich die Form des
Geschwindigkeitsprofils deutlich ändern kann, wenn das Blut durch
einen gekrümmten
Abschnitt eines Gefäßes fließt, bleibt
der Fluß normalerweise
laminar. Die relativ höhere
Wandbelastung, die durch eine scharfe Änderung der Geschwindigkeit
zu erkennen ist und die in der Außenwand in einem gekrümmten Bereich
während
des Laminarflusses auftritt, kann von den viel höheren Wandbelastungen oder schärferen Geschwindigkeitsänderungen
unterschieden werden, die auftreten, wenn ein Strahlstrom des Blutes
ein Stenosesegment des Gefäßes passiert.
Eine ähnliche
Erscheinung ist an einem Verzweigungspunkt erkennbar, der in 5B gezeigt ist. Das Geschwindigkeitsprofil
nach einem Verzweigungspunkt (39, 40) ist zu den
Innenwänden
der kleineren Gefäße 36 bzw. 37 ansteigend.
Die Form des Geschwindigkeitsprofils hängt vom Krümmungswinkel ab. Strömungskurven 43 sind
in 5C gezeigt. Bei einem großen Krümmungswinkel
kann nahe der Außenwand 42 der
kleineren Gefäße ein Rückfluß 44 auftreten.
Dieser Bereich ist ein potentieller Bereich, wo das Auftreten einer
Stenose möglich
ist, ist aber keine Indikation für
eine Stenose selbst.
-
Ein
Anstiegsgradparameter s kann definiert werden, der ein Maß dafür ist, wie
weit die maximale Geschwindigkeit von der Mittellinie des Flusses
in einem gekrümmten
Gefäß beabstandet
ist. Ein Anstieg zur rechten Seite der Mittellinie kann als ein
positiver Anstieg betrachtet werden, und ein Anstieg zur linken
Seite der Mittellinie kann als ein negativer Anstieg betrachtet
werden. Dieser Parameter kann normiert werden, indem er durch die
Breite des gemessenen Geschwindigkeitsprofils w geteilt wird. Der
normierte Parameter S ist deshalb folgendermaßen definiert: S = s/w (5)
-
Der
Anstiegsgradparameter zusammen mit anderen Parametern, die der Form
jedes gemessenen Geschwindigkeitsprofils zugeordnet sind, kann verwendet
werden, um die Blutfließrichtung
zu definieren, die wiederum verwendet werden kann, um den Weg jeder
Arterie auf der Grundlage der Blutfließrichtung an verschiedenen
Punkten in dem definierten Koordinatensystem zu rekonstruieren.
Wenn die Rekonstruktion des Arterienweges beendet ist, kann die Änderung
der Parameter v, dh, b, n, s und w über die Länge der Arterie definiert werden.
Die Maxima oberhalb eines definierten Schwellwerts in irgendeinem
oder in einer Gruppe von Parametern Δv/ΔL, Δdh/ΔL, Δb/ΔL, Δn/ΔL, Δs/ΔL und Δw/ΔL und (Δv/ΔL)a,
(Δdh/ΔL)a, (Δb/ΔL)a, (Δn/ΔL)a, (Δs/ΔL)a und (Δw/ΔL)a können
als Indikation einer Stenose verwendet werden. Die Breite eines
Maximums, das identifiziert wird, kann verwendet werden, um die
Breite einer potentiellen Stenoseregion zu definieren.
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Eine
Arterie, die vollständig
verstopft ist, kann dadurch identifiziert werden, daß die Fließrichtungen
im Bereich der Verstopfung während
der diastolischen und der systolischen Phase verglichen werden. 6A–6D zeigen
schematisch die Fließrichtung
in einer gesunden Arterie im Vergleich zu einer verstopften Arterie
während
der diastolischen und systolischen Phase des Herzzyklus. Bei einer
gesunden Arterie 6 fließt das Blut während der
diastolischen Phase in der abfließenden Richtung 7, 8,
und 9 durch alle Kanäle. Das
gleiche tritt während
der systolischen Phase auf, obwohl der Durchmesser der Arterien
infolge der Kontraktion des Myokards, wo die Koronararteri en eingebettet
sind, abnimmt. Wo ein Teil einer Arterie infolge einer Stenose 59 verstopft
ist, fließt
das Blut in der abfließenden
Richtung 77 und 88 durch die offenen Arterien. Wenn
in diesem Fall nur der Fluß während der
diastolischen Phase beobachtet wird, kann die Verstopfung nicht
ermittelt werden, da kein Fluß durch
die verstopfte Arterie erfolgt. Jedoch an der gleichen Stelle 66' führt die
Kontraktion des Myokards während
der systolischen Phase zu einem Rückfluß 99' im Bereich des Verschlusses 59.
Ein solcher Rückfluß während der
systolischen Phase, der in der diastolischen Phase nicht vorhanden
ist, kann eine Indikation eines Koronarverschlusses in der Arterie
sein.
-
7 zeigt
ein Ablaufdiagramm, das die Prozedur zur Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur
Durchführung
einer Stenoseuntersuchung beschreibt. Das System wird zuerst verwendet,
um eine Abtastung oder Abtastungen des Zielbereichs durchzuführen, wie
oben beschrieben. Diese Abtastungen können entweder gespeichert und
dann in einem Stapelbetrieb analysiert werden oder so verarbeitet
werden, wie die Abtastungen erfolgen. Bei jedem abgetasteten Zielbereich
ermittelt der erste Prozessor 13 das Vorhandensein des
Flusses in dem Bereich (47). Wenn ein Fluß ermittelt
ist, erzeugt der erste Prozessor 13 ein Geschwindigkeitsprofil
(48) der relevanten Arterie, und die Lage der Abtastung
wird vom zweiten Prozessor 14 identifiziert (49).
Daten, die das Geschwindigkeitsprofil definieren, und die Koordinaten
der zu überprüfenden Arterie
werden für
eine spätere
Abfrage gespeichert (50). Nach Beendigung der Untersuchungsprozedur
(51) werden die Daten, die das Geschwindigkeitsprofil jedes
Echos definieren, anhand der Lage (52) im definierten Koordinatensystem
sortiert. Wenn mehr als ein Echo in einer spezifischen Lage aufgezeichnet
wurde, wird das Echo gewählt,
das das Geschwindigkeitsprofil an diesem Punkt am besten darstellt.
Diese Bestimmung kann beruhen auf der Grundlage der Amplitude und
der Kohärenz
des Geschwindigkeitsprofils, die aus den verschiedenen aufgezeichneten
Echos erzeugt werden, aus dem Signal-Rausch-Verhältnis oder aus bestimmten anderen Kriterien.
Beginnend mit einem Punkt im definierten Koordinatensystem wird
der angrenzende Bereich auf ein zweites Geschwindigkeitsprofil abgetastet,
das in bezug auf Fließrichtung,
Anstieg oder andere charakteristische Merkmale des Geschwindigkeitsprofils
sehr gut mit der vorherigen Abtastung übereinstimmt. Diese Prozedur
wird nach Bedarf wiederholt, um einen Weg der in Betracht kommenden
Arterie (54) zu bestimmen. Das System bestimmt dann einen
oder alle der oben beschriebenen Parameter in bezug auf die einzelnen
gemessenen Geschwindigkeitsprofile und ihrer Änderungen entlang der Länge der
Arterie (55). Bewertungen in bezug auf potentielle Stenosebereiche
werden dann auf der Grundlage der gemessenen Parameter (56)
durchgeführt.
Potentielle Stenosebereiche und ihre entsprechenden Bewertungen
werden gespeichert (57) und für eine Anzeige für eine weitere
Analyse vorbereitet (58).
-
Eine
Bewertung des Grades einer Stenose kann unter Verwendung einer geeigneten
Technik durchgeführt
werden. Beispielsweise kann die Bewertung (56) mit dem
Parameter DH, wobei dh in Zentimetern je Sekunde, bezogen auf Millimeter,
gemessen wird, und mit der Breite des Geschwindigkeitsprofils w,
gemessen in Millimetern, definiert werden. Ein alternatives Bewertungssystem
kann der Parameter V sein, wobei v in Zentimetern je Sekunde und
w in Millimetern gemessen wird.
-
Unter
Verwendung eines mittleren Durchmessers für eine gesunde Koronararterie
von 2 mm und einer mittleren gesunden Durchflußrate von 40 cm/s würde eine
gesunde V-Bewertung im Bereich von 20 liegen. Eine Stenose, die
kürzer
als 5 mm ist und mit 50 Prozent Blockierung definiert ist, würde eine
Geschwindigkeit nahe 160 cm/s und eine Breite von nahe 1 mm haben.
Dies würde
zu einer Bewertung nahe 160 führen.
Eine Stenose, die mit 80 Prozent Blockierung definiert ist, würde bei
einer Breite von etwa 0,4 mm zu einer Geschwindigkeit von etwa 1000
cm/s führen.
Dies würde
zu einer Bewertung von etwa 25000 führen. Unter Verwendung eines
solchen Bewertungssystems kann beispielsweise eine Bewertung, die
eine Stenose unter 25% darstellt, als schwache Stenose gelten. Eine
Bewertung, die eine Stenose zwischen 25% und 65% darstellt, kann
als erhebliche Stenose gelten. Eine Bewertung, die eine Stenose
von über
65% darstellt, kann als schwere Stenose gelten. Natürlich kann
jede gewünschte
Kategorisierung von Stenosen benutzt werden. Tabelle 1 führt Bewertungen
auf, die das oben beschriebene Bewertungssystem verwenden, das Stenosen
mit verschieden prozentualen Graden entspricht.
-
-
Diese
Bewertungen sind gültig,
wenn man einen Versetzungswinkel null annimmt. Es ist jedoch realistischer,
eine Normalverteilung von Versetzungswinkeln zwischen 0 und 90 Grad
mit einem mittleren Versetzungswinkel von 45° anzunehmen. Um diesem Versetzungswinkel
Rechnung zu tragen, wird angenommen, daß die gemessenen Geschwindigkeiten
um cos(45°)
reduziert werden und die Breiten des gemessenen Profils um 1/cos(45°) vergrößert werden.
In diesem Falle muß bei
dem oben beschriebenen Bewertungssystem das Verhältnis zwischen Geschwindigkeit
und Breite des Profils mit cos2(45°) oder 0,5
multipliziert werden, bevor die Bewertungen in Gruppen, nämlich schwache,
erhebliche und schwere Stenose, eingeteilt werden. Wenn der Parameter
DH verwendet wird, um die Stenose zu bewerten, ist die Differenz
zwischen den Bewertungen für
verschiedene Grade von Stenosen noch ausgeprägter. Der Grund dafür ist, daß die Änderung
der Amplitude, wie sie in 3 und 4 gezeigt
ist, viel ausgeprägter
ist, und daher kann die Auflösung
höher sein.
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Eine
Analyse der Daten kann durchgeführt
werden, während
die Abtastprozedur erfolgt und nachdem die Abtastprozedur erfolgt
ist. Das Delta-Geschwindigkeitsprofil kann als Änderung eines der Parameter
(v, dh, b, n, s, w) definiert sein, die in bezug auf die Länge oder
Breite der rekonstruierten Arterie entsprechend gemessen werden,
nämlich über die
Arterie oder entlang derselben. Es können Bewertungen zusammen mit
allen gemessenen Parametern angezeigt und/oder die Abtastungen vorübergehend
im Speicher gespeichert werden, bis die Analyse durchgeführt wird.
Doppler-Ultraschallbilder der im Speicher gespeicherten Bereiche können auch
angezeigt und visuell überprüft werden,
um die Schwere der Stenose zu bestimmen.
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Außer daß man den
ersten Prozessor 13 automatisch den Grad der Stenose des
zu betrachtenden Arteriensegments bestimmen läßt, kann eine herkömmliche
Bildverarbeitung unter Verwendung eines Monitors 15 verwendet
werden, um den Grad der Stenose weiter zu analysieren und seine
Auswirkung auf den Blutfluß am
Ende der Untersuchungsprozedur. Der Monitor 15 ist vorzugsweise
ein einfacher PC-Monitor zum Betrachten von Bildern, die vom Doppler-System 12 geliefert
werden. Unter Verwendung des Monitors 15 kann der Anwender
auf verschiedene Positionen auf dem Bild zeigen, und die Position
im Referenzkoordinatensystem kann im Speicher 17 aufgezeichnet
werden oder als Alternative visuell auf dem Bildschirm markiert
werden. Am Ende der Untersuchungsprozedur können die gespeicherten Punkte
einer Abnormalität
oder andere markierte Positionen aus dem Speicher 17 abgerufen
und für
eine weitere direkte Prüfung
auf dem Monitor 15 angezeigt werden. Alle relevanten Daten,
die in dem interessierenden Bereich aufgezeichnet sind, können im Bild
auf dem Monitor 15 angezeigt werden, einschließlich der
gemessenen Parameter, der Koordinaten, eines Punkts im Herzschlagzyklus,
der auf dem EKG-Monitor 10 beobachtet wird, des Grades
der Stenose usw. Der Anwender kann auch entscheiden, die interessierenden
Bereiche für
eine weitere Analyse manuell erneut abzutasten.
-
Man
wird anerkennen, daß,
obwohl das erfindungsgemäße System
in bezug auf die Ermittlung der Parameter V, DH, B, N, S, v, dh,
b, n, s und w und ihre Änderung
entlang der Länge
der Arterie Δv/ΔL, Δdh/ΔL, Δb/ΔL, Δn/ΔL, Δs/ΔL und Δw/ΔL und (Δv/ΔL)a, (Δdh/ΔL)a, (Δb/ΔL)a, (Δn/ΔL)a, (Δs/ΔL)a und (Δw/ΔL)a beschrieben worden ist, diese Parameter
nur Beispiele für
Parameter sind, die eine Stenose anzeigen und die erfindungsge mäß benutzt
werden können,
und beliebige andere solche Parameter im Schutzbereich der Erfindung liegen.
Das heißt,
obwohl die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen
und Beispiele beschrieben worden ist, gibt es Varianten, die im
Schutzbereich der Erfindung liegen, wie er in den beigefügten Ansprüchen beschrieben
ist.
