DE69228974T2

DE69228974T2 - Ultraschall-Doppler-Anordnung zur Messung der Blutströmung

Info

Publication number: DE69228974T2
Application number: DE69228974T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Akamatsu; Yuji Kondo
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-10-23
Filing date: 1992-10-23
Publication date: 1999-08-26
Anticipated expiration: 2012-10-24
Also published as: EP0538885B1; DE69229802D1; EP0670146B1; DE69229802T2; EP0670146A1; DE69228974D1; US5339816A; EP0538885A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschall-Doppler- Blutstromüberwachungssystem, und insbesondere ein Blutstromüberwachungsystem, wie etwa einen Katheter, der mit Ultraschallwandlern oder -vibratoren versehen ist und in ein Blutgefäß eingeführt wird, um ein Ultraschallwellensignal in das Blut auszusenden und aus diesem zu empfangen, welches durch das Blutgefäß fließt, um die Geschwindigkeit des strömenden Bluts auf Grundlage der Ultraschall-Doppler-verschobenen Signale zu messen und außerdem die Menge des strömenden Bluts zu berechnen.

Beschreibung des Standes der Technik

Zusammen mit dem Fortschritt der Medizintechnik sind verschiedene, chirurgisch schwierig zu behandelnde ernsthafte Erkrankungen seit neuem operierbar und beseitigbar geworden. Bei den für diese Krankheiten durchgeführten komplizierten Operationen ist damit zu rechnen, daß eine lange Operationszeit erforderlich ist. Es ist deshalb für den Operierenden sehr wichtig, die Herzfunktionen eines Patienten genau zu überwachen, d. h. den Zustand des Patienten zu jeder Zeit während der langdauernden Operation zu erfassen.
Aktuell ist ein Verfahren zum Gewinnen der Herzleistung (der aus dem Herzen zugeführten Blutmenge) in Übereinstimmung mit dem Thermodilutionsmeßverfahren bekannt, bei dem es sich um das Verfahren zum Überwachen der Herzfunktion eines Patienten während und nach der Operation handelt. Bei diesem Thermodilutionsmeßverfahren wird ein Katheter von der Vene durch den rechten Vorhof des Herzens in die Pulmonalarterie eingeführt; Kühlwasser wird in den rechten Herzvorhof durch den Katheter eingespritzt, und die Herzleistung kann auf Grundlage der Temperaturänderung in der Pulmonalarterie erfaßt werden. Dieser Katheter ist an seiner distalen Spitze mit einem Ballon versehen. Wenn dieser Ballon aufgeblasen wird, ist es möglich, den Katheter aus dem rechten Herzvorhof zu den Kapillarabschnitten der Pulmonalarterie auf dem Blutstrom zu überführen. Der vorstehend genannte Katheter wird als SWAN-GANZ-Katheter bezeichnet und weit verbreitet eingesetzt. Da kein vaskulares Kontrastmittel eingespritzt wird, kann der Katheter selbst problemlos in das Blutgefäß risikofrei eingeführt werden.
Da im Fall des vorstehend angeführten Thermodilutionsmeßverfahrens das Kühlwasser jedoch in den rechten Herzvorhof eingespritzt werden muß, muß die Herzleistung mit Zeitintervallen von etwa 1 Stunde maximal überprüft werden. Infolge davon besteht das Problem, daß es unmöglich ist, die Herzleistung über mehrere Stunden hinweg kontinuierlich zu überwachen. In dem Thermodilutionsmeßverfahren besteht mit anderen Worten das Problem, daß eine plötzliche Änderung des Zustands des operierten Patienten nicht sofort ermittelt werden kann, weshalb geeignete Gegenmaßnahmen verzögert ergriffen werden. Die hauptsächlichsten Funktionen, die durch Anästhesisten, Internisten und Herzchirurgen erfüllt werden müssen, bestehen darin, die Herzfunktionen kontinuierlich über mehrere Stunden hinweg zu überwachen. Aus diesem Blickwinkel heraus stellt das Thermodilutionsmeßverfahren kein Verfahren dar, welches die Erfordernisse dieser Ärzte erfüllen kann.
Um die beim Thermodilutionsmeßverfahren angetroffenen vorstehend genannten Probleme zu überwinden, hat die CARDIOMETORICS Corp. ein DOPCOM/FLOWCATH (Handelsname) genanntes System entwickelt, welches Herzfunktionen kontinuierlich zu überwachen vermag. In dieses Überwachungssystem ist ein Katheter einbezogen, welcher mit Ultraschall-Doppler-Wandlern versehen ist. Der Katheter wird in eine Pulmonalarterie eingeführt und die auf dem Katheter vorgesehenen Ultraschall-Doppler-Wandler emittieren Ultraschallwellen in das Blutgefäß und empfangen Echos, die daraus zurückkehren. Auf Grundlage der aus den Echos resultierenden empfangenen Ultraschall-Doppler-Signalen werden der Innendurchmesser der Pulmonalarterie und die Blutströmungsgeschwindigkeit beide gemessen, um die Menge des strömenden Bluts zu berechnen, d. h. die Herzleistung, so daß die Herzfunktionen überwacht werden können.
Der Katheter gemäß dem Stand der Technik, der für das vorstehend genannte Überwachungssystem ausgelegt ist, wird nachfolgend unter bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Fig. 1(A) und (B) zeigen den wesentlichen Teil eines Katheters 80 für das Überwachungssystem. Der Katheter 80 ist mit einem ersten Ultraschallwandler (Ultraschallvibrator) 81, einem zweiten Ultraschallwandler 82 und einem dritten Ultraschallwandler 83 versehen. Der erste Ultraschallwandler 81 ist in dem Katheter 80 so angeordnet, daß eine Ultraschallwelle unter einem vorbestimmten Winkel relativ zu der Blutstromrichtung (V) ausgesendet und übertragen werden kann. Die zweiten und dritten Ultraschallwandler 82 und 83 sind in dem Katheter 80 voneinander wegweisend derart angeordnet, daß die Ultraschallwellen in der radialen Richtung des Katheters 80 ausgesendet und empfangen werden können. Bei diesem Überwachungssystem gemäß dem Stand der Technik wird die Geschwindigkeit des strömenden Bluts auf Grundlage von ausschließlich demjenigen Ultraschall-Doppler-Signal gewonnen, das durch eine Ultraschallwelle erhalten wird, die in der einzigen Richtung ausgesendet und empfangen wird. Mehr im einzelnen wird die Geschwindigkeitskomponente (vα) in der Aussende- und Empfangsrichtung der ersten Ultraschallwelle auf Grundlage der Ultraschall-Doppler- Verschiebungsfrequenz berechnet, die durch den ersten Ultraschallwandler 81 erhalten wird; die berechnete Geschwindigkeitskomponente (vα) wird außerdem auf Grundlage des Einfallswinkels (α) der Ultraschallwelle relativ zu der Blutstromrichtung (V) korrigiert, um einen Absolutwert (v) der Geschwindigkeit des strömenden Bluts zu berechnen. In der vorstehend angeführten Berechnung wird die Annahme gemacht, daß der Katheter 80 parallel zu der Blutstromrichtung angeordnet ist, weshalb der Einfallswinkel (α) der Ultraschallwelle gleich dem Installationswinkel des ersten Ultraschallwandlers 81 relativ zu dem Katheter 80 ist. Die vorstehend angeführte Beziehung kann wie folgt wiedergegeben werden:
v = vα / cos α
Die zweiten und dritten Ultraschallwandler 82 und 83 senden Ultraschallwellen aus und empfangen diese, um die zwei Radialabstände d&sub1; und d&sub2; zu der Wand 91 des Blutgefäßes zu messen. Der Blutgefäßdurchmesser (D) kann ausgedrückt werden durch Addition der Abstände d&sub1; und d&sub2; und ein Radialabstandintervall d&sub0; zwischen den zweiten und dritten Wandlern 82 und 83 wie folgt:
D = d&sub1; + d&sub2; + d&sub0;
Auf Grundlage des Blutgefäßdurchmessers D kann die Querschnittsfläche des Blutgefäßes berechnet werden als
A = π D² / 4
Auf Grundlage von sowohl der Querschnittsfläche (A) wie der Geschwindigkeit (v) des strömenden Bluts kann die Menge des strömenden Bluts (Q) wie folgt berechnet werden:
Q = v · A
Wie vorstehend erläutert, wird in dem DOPCOM/FLOWCATH-System die Geschwindigkeit des strömenden Bluts unter der Annahme berechnet, daß die Orientierung des Katheters 80 parallel zu der Blutstromrichtung (V) verläuft, und außerdem wird die Menge des strömenden Bluts unter der Annahme berechnet, daß die Summe der gemessenen Radialabstände d&sub1; und d&sub2; zwischen jedem Wandler und der Blutgefäßwand und des Abstands d&sub0; zwischen den Wandlern ungefähr gleich dem Blutgefäßdurchmesser (D) ist. In dem Fall jedoch, daß der Katheter 80 in einem gebogenen Abschnitt des Blutgefäßes angeordnet ist, verläuft die Orientierung des Katheters nicht stets parallel zu der Blutstromrichtung (V), wie in Fig. 2 gezeigt. In dem Fall, daß der Katheter 80 in dem Blutstrom versetzt vom Zentrum des Blutgefäßes angeordnet ist, wie in Fig. 3 gezeigt, können außerdem die zweiten und dritten Wandler 82 und 83 nicht notwendigerweise den Blutgefäßdurchmesser genau messen. Die Querschnittsform des Blutgefäßes ist nicht stets kreisförmig.
Wenn bei dem Überwachungssystem gemäß dem Stand der Technik, wie vorstehend erläutert, die Orientierung des Katheters 80 nicht parallel zu der Blutstromrichtung (V) verläuft, ist der Einfallswinkel (α) des Ultraschallwellensignals nicht konstant. Infolge davon ist die Geschwindigkeit (v) des strömenden Bluts, berechnet auf Grundlage der vorstehend genannten Werte, unvermeidlich fehlerhaft. Wenn der Katheter 80 versetzt vom Zentrum des Blutgefäßes angeordnet ist, wird außerdem deshalb, weil der gemessene Innendurchmesser des Blutgefäßes einen Wert (D1) annimmt, der kleiner ist als der tatsächliche Innendurchmesser (D), wie in Fig. 3 gezeigt, die Querschnittsfläche (A), berechnet auf Grundlage des gemessenen Innendurchmessers des Blutgefäßes unvermeidlich mit einem Fehler behaftet sein. Die Menge des strömenden Bluts (Q), berechnet als Produkt der Geschwindigkeit (v) des strömenden Bluts mit der Querschnittsfläche (A) des Blutgefäßes, ist unvermeidlich mit einem Fehler behaftet.
Ein Hauptteil der bislang gewonnenen klinischen Daten hängt außerdem von dem Thermodilutionsmeßverfahren ab, und die durch das DOPCOM/FLOWCATH-System gewonnenen klinischen Daten liegen noch in geringer Zahl vor. Die Verwendung des DOPCOM/FLOWCATH- Systems für die tatsächliche Operation ist deshalb nicht ausreichend zuverlässig.
Zusammenfassend ist das Verfahren zum Messen der Menge strömenden Bluts unter Verwendung des DOPCOM/FLOWCATH-Systems mit den folgenden Problemen behaftet:
(1) Da die berechnete Geschwindigkeit des strömenden Bluts und der berechnete Querschnittsdurchmesser des Blutgefäßes mit einiger Wahrscheinlichkeit fehlerhaft sind, ist die Menge des strömenden Bluts, berechnet auf Grundlage dieser Werte nicht ausreichend genau.
(2) Die bislang durch dieses System gewonnenen klinischen Daten sind von geringer Anzahl, weshalb klinische Daten zum Überwachen der Herzfunktionen während der Operation bislang noch nicht gesammelt wurden.
Eine ähnliche Vorrichtung und ein ähnliches Verfahren zum Messen eines Flüssigkeitsvolumenstroms ist aus der EP 0 363 156 A3 bekannt. Dieses System umfaßt drei Ultraschallwandler, von denen ein Wandler vorgesehen ist, um die Geschwindigkeit des strömenden Bluts zu messen, und von denen die zwei anderen Wandler in dem Katheter voneinander wegweisend derart angeordnet sind, daß die Ultraschallwelle in der radialen Richtung des Katheters zum Messen der Querschnittsfläche des Gefäßes ausgesendet und empfangen werden kann, durch welche das Blut strömt. In diesem System wird die Geschwindigkeit des strömenden Bluts auf Grundlage des Ultraschall-Doppler-Signals berechnet, das durch eine Ultraschallwelle gewonnen wird, die in einer einzigen Richtung ausgesendet und empfangen wird. Die Geschwindigkeitskomponente in der Sende- und Empfangsrichtung der Ultraschallwelle wird demnach auf Grundlage einer Ultraschall-Doppler-verschobenen Frequenz berechnet, die durch einen einzigen Ultraschallwandler gewonnen wird. Die berechnete Geschwindigkeitskomponente wird außerdem auf Grundlage des Einfallswinkels der Ultraschallwelle in bezug auf die Blutstromrichtung korrigiert, um einen Absolutwert der Geschwindigkeit des strömenden Bluts zu berechnen.
Außerdem ist es aus der EP 0 363 156 A3 bekannt, eine Winkelunschärfe aufgrund der Variabilität der menschlichen Anatomie zu korrigieren, demnach die Verwendung von zwei Wandlern der Winkelpositionsfehler genau gemessen und verwendet werden kann, um die Volumenstromberechnung zu korrigieren. Ein Winkelfehler wird dabei auf Grundlage von zwei sich schneidenden Strahlen in einem einzigen Bereichs-Gate bzw. -Gatter berechnet. Ein Winkelfehler wird daraufhin in die Formel für den Volumenstrom eingesetzt, so daß der Winkelfehler der Volumenstromberechnung kompensiert wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Ultraschall-Doppler-Blutstromüberwachungssystem zu schaffen, welches die Geschwindigkeit von strömendem Blut kontinuierlich zu messen vermag, ohne daß es einer Änderung des Einfallswinkels der Ultraschallwelle in bezug auf die Blutstromrichtung unterliegt.
Die Aufgabe wird durch das Ultraschall-Doppler-Blutstromüberwachungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Da in Übereinstimmung mit dem Ultraschall-Doppler-Blutstromüberwachungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung die Menge von strömendem Blut auf der Grundlage der Ultraschall-Doppler- verschobenen Frequenzsignale gemessen werden kann, ohne einer Änderung des Einfallswinkels jeder Ultraschallwelle relativ zur Blutstromrichtung zu unterliegen, ist es selbst dann, wenn der Katheter nicht parallel zu der Blutstromrichtung in einem gebogenen Abschnitt des Blutgefäßes angeordnet ist, möglich, die Geschwindigkeit des strömenden Bluts exakt zu messen.
In dem Ultraschall-Doppler-Blutstromüberwachungssystem sind die zwei Ultraschallwandler derart angeordnet, daß zwei Ultraschallwellen unter zwei unterschiedlichen Einfallswinkeln re lativ zu der Blutstromrichtung ausgesendet und empfangen werden. Außerdem sind die zwei Ultraschallwandler derart angeordnet, daß die zwei Ultraschallwellen, die von dem jeweiligen Ultraschallwandler in Richtung auf den Blutstrom ausgesendet werden, senkrecht zueinander verlaufen und einander nicht schneiden.
Die Aufgabe, der Aufbau und die Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der folgenden Beschreibung unter bezug auf die beiliegenden Zeichnungen. Die Konstruktion bzw. Aufbauten, die nicht in Übereinstimmung mit der Erfindung stehen, sind lediglich der Illustration wegen erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1(A) zeigt eine schematische Seitenansicht eines Katheters des Ultraschall-Doppler-Blutstromüberwachungssystems gemäß dem Stand der Technik im in ein Blutgefäß eingeführten Zustand;
Fig. 1(B) zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des in Fig. 1(A) gezeigten Katheters;
Fig. 2 zeigt eine ähnliche schematische Seitenansicht zur Förderung der Erläuterung des Problems, das in dem Katheter gemäß dem Ultraschall-Doppler-Blutstromüberwachungssystem gemäß dem Stand der Technik angetroffen wird;
Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht zur Förderung der Erläuterung des Problems, das in dem Katheter des Ultraschall-Doppler-Blutstromüberwachungssystems gemäß dem Stand der Technik angetroffen wird;
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm der gesamten Systemkonfiguration des Ultraschall-Doppler-Blutstromüberwachungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines distalen Abschnitts des Katheters, das nicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung steht;
Fig. 6 zeigt schematisch den Zustand, unter welchem der distale Abschnitt des Katheters die Pulmonalarterie erreicht;
Fig. 7(A) und (B) zeigen Seitenansichten zur Förderung der Erläuterung von Anordnungen der Ultraschallwandler des Ultraschall-Doppler-Blutstromüberwachungssystems, das nicht in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung steht;
Fig. 7(C) zeigt die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE ERLÄUTERUNG

Fig. 4 zeigt den Gesamtaufbau des Systems. Ein Katheter 1, der in ein Blutgefäß einführbar ist, ist mit zwei Ultraschallwandlern (Vibratoren) 10 und 12 versehen, von welchen jeder ein einziges Wandlerelement umfaßt. Zwei Sender 14a und 14b jeweils zum Senden eines Ultraschallwandlererregungssignals sind mit den zwei Ultraschallwandlern 10 und 12 verbunden. In Übereinstimmung mit den Erregungssignalen, welche durch die Sender 14a und 14b ausgesendet werden, sendet jeder der Ultraschallwandler 10 und 12 eine Ultraschallwelle in ein Blutgefäß aus bzw. empfängt eine reflektierte Ultraschallwelle (ein Echo), reflektiert von einer Blutzelle, in einem sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Blut innerhalb des Blutgefäßes. In diesem Fall unterscheidet sich die Frequenz der ausgesendeten Ultraschallwelle von derjenigen der reflektierten Ultraschallwelle aufgrund des Dopplereffekts. Die Differenz zwischen den Frequenzen wird als Dopplerverschiebung bezeichnet. Die reflektierte Ultraschallwelle mit der Dopplerverschiebung wird in ein elektrisches Signal in jedem Wandler 10, 12 umgesetzt.
Die derart erzeugten Ultraschall-Doppler-verschobenen Frequenzsignale in den Wandlern 10 und 12 werden zwei Empfängern 16a und 16b zugeführt, die mit den zwei Wandlern 10 und 12 verbunden sind, und außerdem zu zwei Doppler-Verschiebungsfrequenzberechnungsabschnitten 20a und 20b übertragen (die in einem Blutstromgeschwindigkeitsmeßabschnitt 18 enthalten sind), welche beide mit den Empfängern 16a und 16b verbunden sind. Beide der Doppler-Verschiebungsfrequenzberechnungsabschnitte 20a und 20b haben denselben Aufbau. Lediglich der Berechnungsabschnitt 20a wird deshalb nachfolgend näher erläutert.
In dem Doppler-Verschiebungsfrequenzberechnungsabschnitt 20a ermittelt ein Quadraturdetektor 22 das empfangene Signal, um ausschließlich ein Doppler-verschobenes Frequenzsignal von der reflektierten Ultraschallwelle zu ermitteln, und überträgt das ermittelte Doppler-verschobene Frequenzsignal zu einer Abtast- Halteschaltung 24. Bei dieser Verarbeitung wird das ermittelte Ausgangssignal in zwei Kanäle unterteilt und auf Grundlage der zwei Bezugswellensignale mit 90º Phasenverschiebung in bezug aufeinander beispielsweise wie folgt verarbeitet: Die Abtast- Halteschaltung 24 extrahiert ein Doppler-verschobenes Frequenzsignal beliebiger Tiefe aus dem Ausgangssignal des Quadraturdetektors 22 und überträgt das extrahierte Signal zu einem Hochpaßfilter 26 und daraufhin in Abfolge zu einem Tiefpaßfilter 28. Das Dopplerermittlungsausgangssignal umfaßt nicht nur ein Signal, welches von einem sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Blutstrom reflektiert wird, sondern auch ein unerwünschtes Signal (auf welches als Störfleck bezug genommen wird), welches von einer sich mit langsamer Geschwindigkeit bewegenden Substanz (beispielsweise der Herzwand) reflektiert wird. Das durch die Abtast-Halteschaltung 24 extra hierte Signal wird demnach durch die Hochpaß- und Tiefpaßfilter 26 und 28 geleitet, die in Reihe geschaltet sind, um den Störfleck zu entfernen, bevor es zu zwei A/D-Wandlern 30 übertragen wird, die parallel zueinander angeordnet sind.
Die A/D-Wandler 30 wandeln die zwei Analogsignale, von welchen jeweils der Störfleck entfernt ist, jeweils in zwei Digitalsignale und übertragen die jeweiligen Digitalsignale von zwei Kanälen zu einem Phasenberechner 32. Der Phasenberechner 32 gewinnt eine Phase des Digitalsignals für jeden Kanal und überträgt das derart gewonnene Phasensignal zu einem Phasendifferenzberechner 34. Der Phasendifferenzberechner 34 berechnet eine Phasendifferenz zwischen den beiden auf Grundlage der Phasen der jeweiligen Kanäle und berechnet dadurch die Geschwindigkeitskomponente in der Ultraschallwellenaussende/empfangsrichtung in jedem Impuls auf Grundlage der berechneten Phasendifferenz. Der Phasendifferenzberechner. 34 überträgt die derart gewonnenen Daten zu einer Mittelwertbildungsschaltung 36. Die Mittelwertbildungsschaltung 36 berechnet einen Mittelwert der Geschwindigkeitskomponenten auf Grundlage der Geschwindigkeitskomponentendaten, welche in jedem Impuls gewonnen wurden und überträgt daraufhin die berechneten Ergebnisse zu einem Absolutwertberechner 38. Der Absolutwertberechner 38 berechnet einen Absolutwert der Geschwindigkeit des strömenden Bluts auf Grundlage des Mittelwerts der Geschwindigkeitskomponenten, berechnet auf Grundlage der Geschwindigkeitskomponente in jedem Impuls auf Grundlage der Signale, welche durch die jeweiligen Ultraschallwandler 10 und 12 gewonnen werden, und gibt das berechnete Ergebnis an den Anzeigeabschnitt 40 aus.
Fig. 5 zeigt im einzelnen den distalen Abschnitt eines Katheters 1, welcher nicht in Übereinstimmung mit der Erfindung steht. Wie in der Zeichnung gezeigt, ist der Katheter 1 mit zwei Ultraschallwandlern 10 und 12 zum Messen der Geschwindigkeit des strömenden Bluts versehen. Die zwei Wandler 10 und 12 sind so ausgelegt, daß zwei Ultraschallwellen unter zwei unterschiedlichen Einfallswinkeln in bezug auf die Blutstromrichtung emittiert werden. In dieser Anordnung weist jede Ultraschallwelle dieselbe Frequenz auf. Die Frequenz ist bevorzugt gewählt von 5 MHz bis 20 MHz. Es ist jedoch theoretisch möglich, die Wandler derart auszubilden, daß sie in bezug aufeinander unterschiedliche Frequenzen haben.
Außerdem ist der Katheter mit einem Ballon 42 versehen, damit der Katheter 1 problemlos in die Pulmonalarterie 95 durch den rechten Herzvorhof 93 des Herzens derart eingeführt werden kann, daß er durch den Blutstrom mitgetragen wird. Dieser Ballon 42 ist aus einem erweiterbaren bzw. aufweitbaren und kontrahierbaren bzw. zusammenziehbaren Material, wie etwa aus Gummi, gebildet und normalerweise in engen Kontakt mit dem Katheter 1 gebracht. Wenn ein Arbeitsfluid, wie etwa Luft von der Außenseite in dem Ballon 42 durch ein Lumen eingetragen wird, welches in dem Katheter gebildet ist, wird der Ballon 42 derart aufgeblasen, daß er einen durchmessergroßen Abschnitt in der Nähe der distalen Spitzen des Katheters 1 ausbildet, wie in Fig. 5 gezeigt. Wenn die distale Spitze des Katheters 1 in die Jugularvene oder die Femoralvene eingeführt und der Ballon 42 daraufhin aufgeblasen wird, wird der Katheter 1 zu dem Herzen durch den Blutstrom mitgetragen, d. h. durch den rechten Herzvorhof 93 und die rechte Ventrikel 94 hinauf zu der Pulmonalarterie 95. Daraufhin wird der Ballon 42 druckfrei gemacht, um den Katheter 1 in Position zu fixieren. Fig. 6 zeigt denjenigen Zustand, unter welchem der Katheter 1 in einer vorbestimmten Position fixiert ist.
Unter diesen Bedingungen sind die Ultraschallwandler 10 und 12, die auf dem Katheter 1 vorgesehen sind, in der Pulmonalarterie 95 derart angeordnet, daß sie Ultraschallwellen zu dem Blut aussenden und außerdem die Ultraschallwellen empfangen, welche von dem Blutstrom reflektiert werden.
In der vorstehend angeführten Anordnung sind die zwei Ultraschallwandler 10 und 12 auf dem Katheter 1 derart angeordnet, daß die Einfallswinkel (α, α + θ) der zwei Ultraschallwellen, ausgesendet von den jeweiligen Wandlern 10 und 12 relativ zu der Blutstromrichtung (V) sich voneinander unterscheiden, wie in Fig. 7(A) gezeigt.
Die reflektierten Ultraschallwellensignale, welche durch diese Wandler 10 und 12 empfangen werden, werden ferner in elektrische Signale gewandelt und daraufhin den jeweiligen Empfängern 16a und 16b zugeführt. Die zwei Frequenzen dieser zwei reflektierten Ultraschallwellensignale sind aufgrund des Doppler- Verschiebungseffekts ansprechend auf die Geschwindigkeit des strömenden Bluts jeweils verschoben. Diese Frequenzverschiebungen werden durch die zwei Doppler-Verschiebungsfrequenzberechnungsabschnitte 20a und 20b unabhängig berechnet. Die Beziehung zwischen den Doppler-verschobenen Frequenzen bzw. Doppler-Verschiebungsfrequenzen (Δf&sub1;, Δf&sub2;) und dem Absolutwert der Blutstromgeschwindigkeit (v) kann wie folgt dargestellt werden:
Δf&sub1; = (2 fc / c) v cos α (1)
Δf&sub2; = (2 fc / c) v cos (α + θ) (2)
wobei
fc: Frequenz der ausgesendeten Ultraschallwelle
c: Schallgeschwindigkeit eines lebenden Körpers
v: Absolutwert der Geschwindigkeit des strömenden Bluts
α: Einfallswinkel der ausgesendeten Ultraschallwelle in bezug auf die Blutstromrichtung
θ: Winkel zwischen zwei Ultraschallwellen
Durch Ersetzen von α unter Verwendung der zwei Gleichungen (1) und (2) kann damit folgende Gleichung erhalten werden.
v = {c / (2 fc sin θ)} · {(Δf&sub1;)² - 2Δf&sub1; Δf&sub2; cos θ + (Δf&sub2;)²}1/2 (3)
Auf Grundlage der vorstehend angeführten Gleichung (3) berechnet der Absolutwertberechner 38 den Absolutwert der Geschwindigkeit (v) des strömenden Bluts ohne einer Änderung des Einfallswinkels der Ultraschallwellen zu unterliegen. Da in dieser Anordnung die Ultraschallwellen in zwei unterschiedlichen Richtungen ausgesendet und empfangen werden, ist es möglich, den Absolutwert der Geschwindigkeit (v) des strömenden Bluts selbst dann zu berechnen, wenn der Katheter 1 in einem gebogenen Abschnitt des Blutgefäßes angeordnet ist und damit die Orientierung des Katheters 1 nicht parallel zur Richtung des Blutstroms verläuft.
Um, wie vorstehend erläutert, den Absolutwert der Geschwindigkeit des strömenden Bluts ungeachtet des Einfallswinkels der Ultraschallwellen relativ zu der Blutstromrichtung zu messen, werden zumindest zwei Ultraschallwellen zu dem strömenden Blut ausgesendet und von diesen empfangen, und zwar in zwei unterschiedlichen Richtungen. Die Anordnung mit den zwei Wandler 10 und 12 in dem Katheter 1, wie in Fig. 7(A) gezeigt, ist deshalb hinreichend, die absolute Geschwindigkeit des strömenden Bluts zu messen. Um den Herstellungsprozeß für den Katheter 1 bei Aufrechterhaltung der Präzision zu erleichtern, ist es jedoch bevorzugt, die zwei Wandler 10 und 12 in positionsmäßiger Schnittbeziehung rechtwinklig zueinander anzuordnen, wie in Fig. 7(B) in der nicht der Erfindung entsprechenden Anordnung und in der Ausführungsform gemäß der Erfindung dargestellt, die in Fig. 7(C) gezeigt ist. Da in diesem Fall der Winkel θ zwischen den zwei Wandlern 90º beträgt, kann die vorstehend genannte Gleichung 3 wie folgt vereinfacht werden:
v = {c / (2 fc)} · ((Δf&sub1;)² + (Δ&sub2;)² 2)1/2 (4)
In den vorstehend angeführten Anordnungen der zwei Wandler ist es unmöglich, die jeweiligen Probenahmepunkte der zwei Wandler miteinander abzugleichen. Da die Aufgabe dieses Systems jedoch darin besteht, die Geschwindigkeit des strömenden Bluts in dem Blutgefäß zu messen, beträgt die Tiefe des Probenahmepunkts maximal etwa 1 cm. Wenn ein Wandler mit einer Fläche von 1 mm² verwendet wird, ist es deshalb möglich, den Abstand zwischen den Probenahmepunkten der jeweiligen Wandler auf so wenig wie 2 cm oder weniger zu reduzieren. Wenn der Abstand zwischen den zwei Probenahmepunkten auf ein derartiges kleines Ausmaß verringert werden kann, kann davon ausgegangen werden, daß die Richtung des Blutstroms grob dieselbe ist, weshalb selbst dann kein spezielles Problem auftritt, wenn die Geschwindigkeit des Blutstroms in Übereinstimmung mit der vorstehend genannten Gleichung (4) berechnet wird.
Im Fall der in Fig. 7(B) gezeigten Wandleranordnung schneiden sich die zwei Ultraschallwellen, die von den zwei Wandlern ausgesendet werden miteinander. Es ist deshalb notwendig, die zwei Wandler abwechselnd derart zu aktivieren, daß die jeweiligen Ultraschallwellen ausgesendet und empfangen werden, um eine Interferenz zwischen den Ultraschallwellen zu vermeiden. Im Fall der in Fig. 7(C) gezeigten Wandleranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es andererseits möglich, obwohl der Abstand zwischen den zwei Probenahmepunkten zusätzlich vergrößert ist, da die zwei Ultraschallwellen, die von den Wandlern ausgesendet werden, sich nicht jeweils miteinander schneiden, die zwei Ultraschallwellen auszusenden und zu empfangen, so daß es möglich ist, eine höhere Geschwindigkeit des strömenden Bluts im Vergleich zu dem Fall zu messen, der in Fig. 7(A) und (B) gezeigt ist.
Da in dem vorstehend erläuterten System gemäß der vorliegenden Erfindung der Absolutwert der Geschwindigkeit des strömenden Blut gemessen werden kann, ohne einer Änderung des Einfallswinkels der Ultraschallwellen zu unterliegen, die von den Ultraschallwandlern in bezug auf die Blutstromrichtung ausgesendet werden, ist es möglich, die Geschwindigkeit des strömenden Bluts mit hoher Genauigkeit selbst dann zu messen, wenn der Katheter 1 in einem gebogenen Abschnitt des Blutgefäßes und nicht parallel zu der Blutstromrichtung angeordnet ist.

Claims

1. Ultraschall-Doppler-Blutstromüberwachungssystem, aufweisend:

Einen in ein Blutgefäß einzuführenden Katheter (1), ein Paar von Ultraschallwandlern (10, 12), das auf dem Katheter (1) zum Übertragen von Ultraschallwellen in Richtung auf einen Blutstrom vorgesehen ist, der in einem Blutgefäß in einer bestimmten Richtung fließt, und zum Empfangen der Ultraschallwellen, die von diesem reflektiert und durch den Blutstrom Doppler-verschoben sind, und eine Rechnereinrichtung (18) zum Berechnen einer Geschwindigkeit des Blutstroms auf Grundlage der Doppler-verschobenen Frequenzsignale, die aus den durch die Ultraschallwandler (10, 12) empfangenen Ultraschallwellen gewonnen werden, und

dadurch gekennzeichnet, daß

die Ultraschallwandler (10, 12) zum Gewinnen von Information vorgesehen sind, die erforderlich ist, die Geschwindigkeit des Blutstroms, der in dem Blutgefäß fließt, zu messen, und die Ultraschallwandler (10, 12) auf dem Katheter (1) so angeordnet sind, daß die Ultraschallwellen in Richtung auf zwei beabstandete Probenahmepunkte in dem Blutstrom über einen Winkel von 90º übertragen werden, der dazwischen festgelegt ist, ohne einander zu schneiden, wodurch diese Ultraschallwellen in Richtung auf den Blutstrom aus unterschiedlichen zwei Richtungen mit unterschiedlichen Winkeln α und α + 90º in bezug auf die Blutstromrichtung übertragen werden,

wobei die Rechnereinrichtung, die Geschwindigkeit des fließenden Bluts in Übereinstimmung mit der nachfolgenden Gleichung 3 unter Verwendung der Doppler-verschobenen Ultraschall-Frequenzsignale berechnet, die von dem Paar von Ultraschallwandlern gewonnen werden und durch die folgenden Gleichungen 1 und 2 wiedergegeben sind, ohne auf die Winkelbeziehung zwischen der Blutfließrichtung und der Längsrichtung des Katheters anzusprechen:

Gleichung 1: Δf&sub1; = (2fc/c) v cos α

Gleichung 2: Δf&sub2; = (2fc/c) v cos (α + 90º)

Gleichung 3: v = {c/(2fc)} · {(Δf&sub1;)² + (Δf&sub2;)²}1/2

wobei fc: Frequenz der übertragenen Ultraschallwelle

c: Schallgeschwindigkeit eines lebenden Körpers

v: Geschwindigkeitsabsolutwert des fließenden Bluts

α: Winkel der übertragenen Ultraschallwelle in bezug auf die Blutstromrichtung