30.11.2023

Vierdimensionale (4D) farbdoppler-sonographische Flussvolumenmessungen – ein neues vielversprechendes Instrument zur Lösung ungeklärter Krankheitsfälle

Ein gestörter Blutfluss zu oder von einem Organ kann zu erheblichen Schmerzen und Funktionsstörungen des Organs führen und eine Kollateralzirkulation erfordern, die für Symptome in entfernten Gebieten verantwortlich sein kann. Diese Situationen können nur mit einer quantitativen Blutflussvolumenmessung in allen betroffenen Teilen des Kreislaufs richtig diagnostiziert werden.

Die herkömmliche Technik besteht darin, die lokale Flussgeschwindigkeit mit der Fläche des untersuchten Gefäßes zu multiplizieren, um das Flussvolumen zu ermitteln. Nur diese spiegelt die Krankheitsverhältnisse realistisch wider – Flussgeschwindigkeiten und Druckgradienten stellen nur Teilaspekte dar.

Das Ultraschallgerät ist mit einem virtuellen Messgerät – der so genannten Dopplersonde- ausgestattet, die in der Mitte des Gefäßes platziert wird. Dort zeichnet sie kontinuierlich die Strömungsgeschwindigkeit auf. Anschließend wird der Querdurchmesser des Gefäßes an der Untersuchungsstelle gemessen und die Fläche des Gefäßes mit der Kreisformel berechnet.

Die Multiplikation von Fläche und Ströumungsgeschwindigkeit ergibt dann das Flussvolumen.

Dieser Ansatz hat einige grundsätzliche Nachteile.
1. Die in der Mitte des Gefäßes gemessene Strömungsgeschwindigkeit ist keineswegs repräsentativ für den gesamten Querschnittsbereich des Gefäßes, da die Strömung in der Mitte des Gefäßes immer schneller ist als in der Peripherie. Die Reibung des Blutes an der Gefäßwand bewirkt einen Geschwindigkeitsabfall vom Zentrum zur Peripherie. Die Verteilung der Geschwindigkeit innerhalb des Gefäßes lässt sich daher nur schwer vorhersagen. Bei dieser traditionellen Methode sind viele Annahmen erforderlich, die während der Untersuchung nicht überprüft werden können. Der Geschwindigkeitsabfall von der Mitte zur Peripherie ist abhängig von der Größe des Gefäßes, der Strömungsgeschwindigkeit, der Viskosität des Blutes, der Form des Gefäßes und den Kurven des Gefäßes.
2. Die Folge ist ein inhärenter, nicht vorhersehbarer Fehler, der das Messergebnis und damit die diagnostischen Schlussfolgerungen erheblich beeinflussen kann.

Diese Unwägbarkeiten sind bei Venen noch stärker ausgeprägt als bei Arterien. Während Arterien in der Regel rund sind, sind Venen häufig nicht rund.

Die Messung des venösen Flussvolumens ist daher eine große Herausforderung. Die Diagnostik von Venenerkrankungen bleibt daher oft unzureichend. Gewebsperfusionsmessung gar sind mit der herkömmlichen Methode unmöglich.

Wir haben eine Lösung für dieses Problem entwickelt – die PixelFlux-Technik.

Die PixelFlux-Technik misst die Strömungsgeschwindigkeiten pixelweise und berücksichtigt damit auf sehr realistische Weise die individuelle Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten im Gefäß. Damit öffnet die Anwendung von PixelFlux das Fenster zu vielen Diagnosen, die mit herkömmlichen bildgebenden Verfahren übersehen werden.

Ein Problem ist aber noch geblieben: Die Farbe eines Pixels kodiert die Geschwindigkeit des Blutstroms an der Stelle des Pixels. Da aber der Dopplereffekt, der der Berechnung des Farbtons durch das Ultraschallgerät zugrunde liegt, winkelabhängig ist, spiegelt die Farbe des Pixels auf dem Ultraschallbildschirm in der Regel nicht exakt die Strömungsgeschwindigkeit wider, sondern nur den Teilvektor des gesamten Strömungsvektors, der auf den Ultraschallwandler gerichtet ist.
In den meisten Fällen verläuft das Blutgefäß nicht direkt senkrecht zum Ultraschallwandler, sondern in unterschiedlichen Winkeln. Es ist daher notwendig, den Winkel zwischen dem Ultraschallwellenstrahl und dem untersuchten Gefäß zu korrigieren. Außerdem ist ein Querschnitt des Gefäßes erforderlich, um nicht nur die Blutflussgeschwindigkeit in der zentralen Ebene des Gefäßes, sondern auch in den peripheren Schichten links und rechts der Bildebene darzustellen.

Wird das Gefäß jedoch mit einem herkömmlichen Schallkopf transversal geschnitten, ist nicht klar, in welche Richtung das Gefäß verläuft. Daher kann dann mit der traditionellen Farbdoppler-Messtechnik keine Winkelkorrektur vorgenommen werden.

Dieses Dilemma wird nun durch die 4D-Flussvolumenmessung mit der PixelFlux-Technik gelöst.
Wir haben uns jahrelang auf diesen diagnostischen Durchbruch vorbereitet, aber die Ultraschallfirmen waren erst kürzlich in der Lage, ausreichend entwickelte Ultraschallwandler zu liefern, um diese revolutionäre Technik anzuwenden.
Der unangefochtene Pionier auf diesem Gebiet ist Philips® mit der Einführung der so genannten Matrix-Schallköpfe.
Matrix-Schallköpfe in ihrer neuesten Entwicklungsstufe ermöglichen nun eine gleichzeitige Aufzeichnung mehrerer orthogonaler (rechtwinklig zueiander liegender) Schichten – vergleichbar mit der gleichzeitigen Aufzeichnung mehrerer Schallköpfe.
Das Ultraschallsignal wird in Echtzeit und herzschlaggetriggert gleichzeitig in 3 orthogonalen Bildebenen dargestellt. Damit ist es erstmals in der medizinischen Diagnostik möglich, ein Blutgefäß in einem transversalen Schnitt in der horizontalen Ebene zu erfassen, der genau die Geschwindigkeitsvektoren darstellt, die auf den Ultraschallwandler gerichtet sind.
Das bedeutet, dass die in der horizontalen Ebene des Gefäßes dargestellte Farbe direkt in die Geschwindigkeitswerte übersetzt werden kann. Darüber hinaus ist PixelFlux nun in der Lage, jeden einzelnen winzigen Farbpunkt, der die Strömungsgeschwindigkeit genau an dieser Stelle im Gefäß widerspiegelt, in Echtzeit zu messen. Damit werden die Einschränkungen der traditionellen Messungen überwunden.

Video

Dieses 4D-Sonographievideo zeigt die Frontalansicht (links), die Sagittalansicht (oben rechts) und die wichtigste und technisch anspruchsvolle Horizontalansicht (unten rechts) der Vena mesentrica. Die Farbe kodiert den Teilgeschwindigkeitsvektor, der auf den Ultraschallwandler gerichtet ist. Der Hauptvektor ist die Richtung des Gefäßes im Raum. Der horizontale Schnitt ist also der einzige, der die wahren Geschwindigkeitswerte abbildet, da das Gefäß in dieser Ansicht direkt auf den Schallkopf zuläuft. PixelFlux kann also direkt die Fläche und die Geschwindigkeit aller Farbpixel berechnen, um das tatsächliche Durchflussvolumen in einem nicht runden Gefäß zu ermitteln. Für runde Gefäße haben wir bereits echte Flussvolumenmessungen mit einer Datenextraktion aus 2D-Videos durchgeführt. Aber Venen sind normalerweise nicht rund. Für die Quantifizierung des venösen Flussvolumens ist das neue 4D-Verfahren ein echter Durchbruch.

4D-PixelFlux-Messungen bieten jetzt beispiellose Möglichkeiten zur Diagnose komplizierter Erkrankungen mit gestörtem Blutfluss, unabhängig davon, welche Arten von Gefäßen betroffen sind. Die Diagnostik komplexer venöser Erkrankungen, Gewebeperfusionsmessungen in ml/s und anspruchsvoller arterieller Erkrankungen steht uns nun zur Verfügung.