Beschreibung der echten volumetrischen Blutflussmessung in der Vena jugularis interna mit PixelFlux 4D-Messungen

Die Messung des Flussvolumens in der Vena jugularis interna kann mit 2D- oder 3D-Sonographieverfahren nicht exakt durchgeführt werden. Aus diesem Grund haben wir (mein Sohn, Prof. Dr. rer. nat. habil Jakob Scholbach, jetzt Professor für Mathematik an der Universität Padua in Italien, und ich) die vierdimensionale Volumenstrommessung mit der PixelFlux-Technik entwickelt. Vierdimensional bedeutet, dass wir ein dreidimensionales Bild des Blutgefäßes in Echtzeit für ein paar Herzzyklen aufnehmen. Die Zeit ist also die vierte Dimension.

Warum ist das notwendig?

Die Messung des Volumenstroms in Blutgefäßen mit Ultraschall muss eine Reihe von technischen Schwierigkeiten überwinden.

1. Das Flusssignal spiegelt aufgrund des Winkels zwischen der Ultraschallwelle und der Richtung des Blutflusses (dem so genannten Dopplerwinkel) nur einen Teil des Flussvektors wider. Das aufgezeichnete Signal ist das echte Flussgeschwindigkeitssignal multipliziert mit dem Kosinus des Dopplerwinkels. Daher müssen beim herkömmlichen zweidimensionalen Ultraschall alle Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb eines Blutgefäßes mit dem Kosinus des Dopplerwinkels neu berechnet werden.
2. Der zweidimensionale Ultraschall kann den Blutfluss jedoch nur in einer einzigen Bildebene darstellen, nämlich in der Mittelachse des Blutgefäßes. Die Farbsignale in dieser Ebene zeigen jedoch viel schnellere Geschwindigkeiten als in den Bildebenen an der Peripherie des Gefäßes zu sehen wären. Einfache zweidimensionale Messungen überschätzen daher das Blutflussvolumen, indem sie die schnellsten Flusssignale zur Berechnung einer mittleren Flussgeschwindigkeit verwenden, die auf das gesamte Blutgefäß angewendet wird.
3. Die Gefäßgröße ändert sich während des Herzschlags und der Atmung. Herkömmliche Flussvolumenmessungen verwenden jedoch eine feste Gefäßgröße, um die Querschnittsfläche des Gefäßes zu berechnen, wobei davon ausgegangen wird, dass das Gefäß eine streng kreisförmige Form hat.
4. Eine korrekte Flussvolumenmessung muss jedoch die sich ständig ändernde Größe des Blutgefäßes berücksichtigen, was nur möglich ist, wenn die Zeitachse nicht nur für die Spektralanalyse der Geschwindigkeiten, sondern auch für die Darstellung des Blutgefäßes selbst, die die Grundlage für die Flächenberechnung ist, einbezogen wird. Dies ist notwendig, weil das Flussvolumen durch Multiplikation der momentanen Fläche des Blutgefäßes mit der tatsächlichen mittleren Flussgeschwindigkeit aller roten Blutkörperchen berechnet wird.
5. Venen sind viel weicher als Arterien und lassen sich daher durch äußeren Druck leicht verformen. Daher eignen sie sich nicht für einfache Berechnungen des Flussvolumens unter der Annahme einer kreisförmigen Gefäßform.
6. Der venöse Fluss zeigt oft einen Rückfluss neben einem antegraden Fluss, zum Beispiel im inneren Teil eines gekrümmten Gefäßsegments. Dies erfordert die Subtraktion des retrograden Flussvolumens vom antegraden Flussvolumen. Das Verhältnis der beiden Flussvolumina ändert sich jedoch mit der Atmung oder Pulsation der angrenzenden Arterien. Auch hierfür ist die Zeitachse für die Messungen erforderlich.
7. Die korrekte Messung des Flussvolumens erfordert eine pixelweise Messung der Flussgeschwindigkeit jedes Pixels und der von dem Pixel eingenommenen Fläche, um das Flussvolumen jedes Pixels zu berechnen. Das Gesamtdurchflussvolumen des Blutgefäßes ist dann die Summe der Durchflussvolumina aller einzelnen Pixel innerhalb des Gefäßes.
8. Die gleichzeitige Messung aller Pixel innerhalb des Blutgefäßes erfordert einen Querschnitt des Beckens und die Darstellung aller fließenden Blutzellen.
9. In einer horizontalen Bildebene vergrößert der räumliche Winkel des Blutgefäßes zu einer horizontalen Ebene die Fläche, reduziert aber den Teilvektor, der die Geschwindigkeit repräsentiert, um den gleichen Faktor – den Kosinus des Dopplerwinkels. Messungen aus der horizontalen Ebene erlauben daher die gleichzeitige Berechnung der sich ändernden Fläche des Gefäßes und der sich ändernden Geschwindigkeit über das gesamte Blutgefäß.
10. Nur das PixelFlux-Verfahren ist in der Lage, die pixelkorrigierte Strömungsgeschwindigkeit und Fläche von solchen pulsierenden Blutgefäßen zu berechnen, die von einem Matrixwandler in einer horizontalen Ebene geschnitten werden.

Das hier verfügbare Video zeigt ein praktisches Beispiel dieser bilateralen Jugularvenen-4D-Flussmessung mit der PixelFlux-Technik. Es beschreibt einen Patienten mit wiederkehrenden rechtsseitigen Kopfschmerzen und begleitenden rechtsseitigen Nackenschmerzen.

Mit der PixelFlux-Messung konnte eine starke Diskrepanz des transportierten Volumens zugunsten der rechten Jugularvene mit geringer Variation bei Mehrfachmessungen zuverlässig festgestellt werden. Da der Patient eine beidseitige Jugularvenenkompression und eine Kollateralroute hatte, die die komprimierte linke Nierenvene (Nussknackersyndrom) in Richtung Wirbelkanal entwässert, beeinflusst das Flussvolumen dieser Kollateralroute den Druck im Wirbelkanal erheblich.

Da der Schädel hauptsächlich über die Jugularvenen, aber auch über die Wirbelvenen und den Plexus epiduralis entwässert wird, ist die Stauung des Plexus epiduralis bei diesem Patienten kritisch. Wenn sich die Stauung aufgrund eines erhöhten Abflussvolumens aus der linken Niere in Richtung Wirbelkanal verstärkt, z. B. nach einer Mahlzeit. Der sich ausdehnende Magen und Darm üben dann zusätzlichen Druck auf die linke Nierenvene aus. In der Folge wird die Kompression der Vena jugularis symptomatisch, da der kompensatorische Abfluss über den Plexus epiduralis bei steigendem intraabdominalen Druck reduziert wird.

Die rechte Jugularvene, die eine viel größere Transportkapazität hat – bei diesem Patienten ist sie fünfmal größer als die linke – reagiert stärker. Die Folge ist ein stärkerer Druckanstieg in der rechten Jugularvene, die mehr Volumen über den Plexus epiduralis abführen muss als die linke, da die rechte Jugularvene zunächst ein größeres primäres Transportvolumen hat. Wird dann der sekundäre Abfluss über den Plexus epiduralis reduziert, ist ein schnellerer Druckanstieg auf der rechten Schädelseite zu erwarten, der Schmerzen in der unter Druck stehenden rechten Vena jugularis interna und der rechten Schädelhälfte verursacht. Ein großer Volumenstrom in einem Blutgefäß reagiert empfindlicher auf plötzliche Druckveränderungen. Größere Volumina stauen sich und es baut sich sehr schnell ein höherer Druck auf. So reagiert der Transport durch die große rechte Jugularvene empfindlicher auf plötzliche Druckveränderungen im Bauchraum als die linke, was die rechtsseitige Migräne und die Nackenschmerzen bei diesem Patienten erklärt.