DE2758039B2

DE2758039B2 - Vorrichtung zur fortlaufenden und quantitativen Bestimmung der hämodynamischen Parameter wie Blutströmungsgeschwindigkeit, Blutdruck, Herzschlag-Volumen

Info

Publication number: DE2758039B2
Application number: DE19772758039
Authority: DE
Inventors: Horst Prof. Dr.-Ing. 7250 Leonberg Chmiel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-12-24
Filing date: 1977-12-24
Publication date: 1981-01-15
Also published as: DE2758039C3; DE2758039A1

Description

2. Vorrichtung nach Patentanspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der an der Spitze der Katheter-Sonde angebrachte Ultraschallwandler derart gesteuert ist, daß er Ufcraschall-Impulspakete aussendet, z. B. von 1,5 us Breite mit einer Wiederholungsquote von 50 kHz.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Spitze der Katheter-Sonde angebrachte Ultraschallwandler divergent abstrahlend ausgel'det ist

4. Vorrichtung nact Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ύ αϊ an der Spitze der Katheter-Sonde angebrachten Ultraschallwandler eine Einrichtung zugeordnet ist, die Echo-Impulse nur in einem vorbestimmten zeitlichen Bereich auswertet (Tiefenfenster).

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerpinrichtung vorgesehen ist, durch die die ringförmig an der Katheter-Sonde angeordneten UltraschallwandltT nacheinander erregt werden und dabei zur Laufzeitmessung je einen sehr kurzen Impuls von z. B. 10 nsec aussenden.

6. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine: Einrichtung vorgesehen ist, die von der Rückflanke eines Sendeimpulses getriggert wird und einen ebenfalls sehr kurzen Impuls, von z. B. 10 nsec, mit umgekehrter Phasenlage auf den zugehörigen Ultraschallwandler schaltet.

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur fortlaufenden und quantitativen Bestimmung der hämodynamischen Parameter wie Blutströmungsgeschwindigkeit, Blutdruck, Herzschlag-Volumen. Bei der Beurteilung der Hämodynamik kommt der Bestimmung des Schlagvolumens bzw. des Herzminutenvolumens (HZV) große Bedeutung zu.

Für die Bestimmung dieses Parameters sind bereits mehrere, insbesondere Indikator-Verfahren bekannt; sie werden routinemäßig bei der klinischen Untersuchung mit mehr oder weniger großer Genauigkeit eingesetzt Allen diesen bekannten Verfahren, sowohl den invasiven als auch den noninvasiven, haften aber Mängel an, da sie für einen bestimmten Bereich bzw. ab einem bestimmten Bereich der Diagnosestellung ungeeignet sind bzw. werden.

So sind z.B. elektromagnetische Flowmeter nicht anwendbar, da hierbei das zu untersuchende Blutgefäß auf orperativem Wege freigelegt werden muß, um den dabei verwendeten Meßkopf außerhalb des Blutgefäßes

ίο um dieses anlegen zu können.

Die noninvasive Bestimmung des H erzschlag-Volumens mittels Ultraschall eignet sich aus Gründen der Ungenauigkeit ebenfalls nicht Bei diesem Verfahren wird nämlich ein Schallwandler auf das Präkordium

ig appliziert und die Aona detektiert Hiermit läßt sich zwar das zeitliche Strömungsprofil und die mittlere Geschwindigkeit durch das eingebaute Tiefenfenster relativ gut ermitteln, jedoch ist die Bestimmung des Gefäßdurchmessers nicht möglich, da der jeweilige Winkel zwischen Schallwandler und Gefäß als Meßgröße nicht erfaßbar ist Die HZV-Bestimmung mittels der Impedanzkardiographie ist vorwiegend Patienten vorbehalten, deren Insuffizienz nicht primär dynamisch ist also z. B. Probanden der Sportmedizin, Schrittmacher patienten, Patienten mit pulmonarer Hypertonie.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Mängel der bisher bekannten Vorrichtungen zu vermeiden und efcg quantitative Messung des Herzschlag-Volumens zu ermöglichen, ohne erst auf operativem Wege ein Blutgefäß an dem eine Messung vorgenommen werden soll, freizulegen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 transkutan unter Anwendung der bekannten Insertionstechnik ohne Arteria sectio gelöst

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist also als eine direkt in das zu untersuchende Blutgefäß ohne operative Freilegung einführbare Kathetersonde ausgebildet, die sich von derartigen an sich bekannten Sonden dadurch unterscheidet, daß an ihr mindestens zwei, gegebenenfalls also auch alle drei der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Vorrichtungen gemeinsam hintereinander angeordnet sind. Die Arbeitsweise dieser dabei verwendeten Vorrichtungen ist zwar an sich bekannt, nicht aber die gemeinsame Anwendung dieser Vorrichtungen zur Erfüllung besonderer Aufgaben an einer in ein zu untersuchendes Blutgefäß einführbaren Kathetersonde:

a) es ist bekannt, Ultraschallwandler zu verwenden, um nach dem Prinzip der Doppler-Frequenzverschiebung Geschwindigkeiten zu messen; es ist aber zweifellos nicht bekannt und bisher auch in keiner Weise nahegelegt, an der Spitze einer Kathetersonde einen Ultraschallwandler zum Erfassen der Geschwindigkeit des unmittelbar am Ultraschallwandler vorbeiströmenden Blutes anzuordnen.

b) Einen Druck-Aufnehmer zum Messen des intravasalen Blutdruckes an einer in das zu untersuchende Blutgefäß einführbaren Kathetersonde anzuordnen, ist aus der DE-OS 21 50 378 bekannt.

c) es ist bekannt, bei Verwendung von Ultraschallwandlern mit Hilfe von Laufzeitmessungen an den

6·> ausgesandten Impulsen, Entfernungsmessungen

vorzunehmen; es ist aber keineswegs bekannt und auch nicht nahegelegt, an einer Kathetersonde mehrere ringförmig angeordnete Ultraschallwand-

ler anzuordnen, die es ermöglichen, fortlaufend den sich pulsartig ändernden intravasalen Gefäßdurchmesser zum Ermitteln des instantanen Herzschlag-Volumens zu messen.

Diese 3 hintereinander an einer in das zu untersuchende Blutgefäß einführbaren Kathetersonde angeordneten und gleichzeitig arbeitenden Vorrichtungen ermöglichen in sehr einfacher und sehr zuverlässiger Weise das fortlaufende Messen des Herzschlag-Volumens. ig

Wenn es aber für bestimmte Messungen genügt, die Kathetersonde jeweils nur mit zwei der genannten Vorrichtungen auszurüsten, dann ergibt sich eine durchaus wünschenswerte Verkleinerung der erfindungsgemäßen Kathetersonde, ζ. Β.

nur Vorrichtungen a und b: bei Messung der Aortenklappen-Insuffizienz,

nur Vorrichtungen a und c. zur HZV-Bestimmung in der Sportmedizin,

nur Vorrichtungen b und c. bei Messung der maximalen Dehnbarkeit von Gefäßen.

Die am besten geeignete Meßstelle (1 in Fig. 1) zur Messung des Herzschlag-Volumens ist derjenige Teil der Aorta ascendens (2), an der vor der ersten Verzweigung der Kopf-Blutgefäße (3) und in genügender Entfernung von der Aorta-Klappe (4) mit einer möglichst gleichmäßigen Blutströmung gerechnet werden kann. ^o

Die auf Anwendung von Ultraschall basierende erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine genaue und klinisch routinemäßig anwendbare Bestimmung des Herzschlag-Volumens mit Hilfe eines modifizierten Tip-Katheters, mit dem im Bedarfsfall gleichzeitig die Blutströmungsgeschwindigkeit, der Blutdruck und der pulsartile Gefäßdurchmesser fortlaufend ermittelt werden kann. Aus diesen Meßwerten wird dann das instantane Herzschlag-Volumen berechnet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand des Ausführungsbeispiels erörtert. Es zeigt

F i g. 2 die erfindungsgemäße Katheter-Sonde sowie mehrere Einzelheiten dieser Sonde.

Die in F i g. 2 dargestellte erfindungsgemäße Kätheter-Sonde zeigt die Wandler-Elemente zur Ermittlung der hämodynamischen Parameter Blutströmungsgeschwindigkeit, intravasalen Blutdruck und pulsatilen Durchmesser eines Blutgefäßes. Die Katheter-Sonde 5, die aus einem an sich bekannten Millar-Tip-Katheter so mit einer Druckmembri.n 6 zur örtlichen Messung des Blutdrucks besteht, trägt an ihrer Spitze einen Blei-Zirkonat-Titanat-Sch-.vinger 7, durch den die Blutströmungsgeschwindigkeit nach der Doppler-Effekt-Methode erfaßt werden kann.

Für die Messung des Durchmessers des untersuchten Blutgefäßes nach der Methode der Ultraschall-Laufzeit-Messung sind — von der Katheter-Spitze aus gesehen — hinter der Druckmembran 6 ringförmig um die Sonde in gleichen Winkelabständen mindestens 4 Schwingelemente 8 aus Blei-Zirkonat-Titanat angebracht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht also aus drei voneinander unabhängigen Meßsystemen für:

a) den pulsatilen Gefäßdurchmesser und Gefäß-Quer- μ schnittFft),

b) die Strömungsgeschwindigkeit v(l),

c) den Blutdruck.

Der Blutfluß ζ) in einem Gefäß errechne! sich danach aus dem Strömungsquerschnitt und der über diesen Querschnitt gemittelten Strömungsgeschwindigkeit:

Q=F(I)- V(I)

Diese Meßwerte werden dann in an sich bekannter, hier aber nicht näher dargestellten Weise elektronisch weiterverarbeitet und angezeigt

Die Bestimmung des intravasalen Gefäßdurchmessers basiert auf der bekannten Laufzeitmessung von Ultraschall und erfordert extrem kurze Impulse von z. B. 10 ns Breite bei einer Amplitude von z. B. 120 V.

Die Interferenzschwingungen, die unvermeidbar dabei am Schwingerelement auftreten, werden durch eine spezielle Schaltung unwirksam gemacht, d. h. von der Rückflanke des Sendeimpulses wird eine Einrichtung getriggert, die einen lOns-breiten Impuls mit umgedrehter Phasenlage auf den Schallwandler schaltet Dadurch wird eine Dämpfung auf akustische Art erreicht Dies ist notwendig, da der Katheter nie zentral in einem Gefäß placiert werden Wann, sondern mit größter Wahrscheinlichkeit auf einer Seite, d. ii. mindestens 1 oder 2 Elemente haben dann Kontakt mit der Gefäßwandung. Würde diese akustische Dämpfung nicht durchgeführt, so käme es bereits zu einem Echoeinlauf, bevor der Sendeimpuls beendet ist Eine Auswertung wäre somit nicht möglich. Bei der Einrichtung werden alle mindestens 4 Segmente, die zirkulär um den Katheter angeordnet sind, im Uhrzeigersinn erregt Darunter ist folgendes zu verstehen: nach Abgabe des Sendeimpuises auf eines der Schwingelemente wird nach 100 μ5 der Wandler auf Empfang geschaltet, um einlaufende Echos von den Gefäßwänden aufzunehmen und in der nachgeschalteten Elektronik zu verarbeiten. Nach Beendigung eines derartigen Semdeempfangsvorganges wird über die Elektronik auf das nächste Segment geschaltet, wo sich dieser Vorgang wiederholt usw., wie angeführt im Uhrzeigersinnumlauf. Auf Grund der Schall-Laufzeit von 1560m/sec in Blut bei 37° wird z.B. vorteilhaft hierzu ein Quarzoszillator mit einer Frequenz von 7,8 MHz entsprechend dem Reziprokwert der doppelten Schall-Laufzeit für 0,1 mm im Blut für die Verrechnung verwendet Dies erfolgt dadurch, daß mit Abgabe des Sendeimpulses das Gate für den nachgeschalteten Zähler und Rechenspeicher geöffnet und mit Eintreffer, des ersten Echos geschlossen wird. Das in digitaler Form angezeigte Zählergebnis entspricht somit dem Gefäßinnendurchrnesser mit einer Auflösungsgenauigkeit von 0,1 mm. Nach Umwandlung dieser Zahlendarstellung in eine analoge Form kann eine fortlaufende Gefäßdurchmesserdarstellung in Form einer analogen Kurve erfolgen.

Die durch den sehr kurzen Sendeimpuls angeregten starken mechanischen Eigenschwingungen (Interferenzschwingungen) des Wandler-Elementes worden also durch einen gegenphasigen Impuls unterdrückt. In einem Ausführungsbeispiel wurde für die ringförmig angeordneten Wandler-Elemente 8 eine Frequenz von 15MHz und lü·· das Wandler-Element 7 an der Katheter-Spitze eine Frequenz von 5 MHz verwendet.

Die Messung der Blutströmungs-Gesehwindigkeit erfolgt nach dem Prinzip der Dopplsr-Fiequenzverschiebung in an sich bekannter Weise durch Abstrahlung von Ultraschall-Sendeimpuls-Paketen von z. B. 1.5 μ$ Breite mit e ner Wiederholungsquote von z.B. 50 kHz.

Zur eindeutigen Messung werden nur F.chn-Imniikp

5 6

in einem vorbestimmten zeitlichen Intervall hcrangezo- Ein Ausführungsbeispiel eine·, Her/.-Kaiheters

gen. Wegen der im allgemeinen nicht achssymmetri- erfindungsgemäßer Sonde hat eine Länge von e

sehen Lage der Katheter-Sonde im Blutgefäß ist es 120 cm bei einer Sonden-Länge von etwa 8 mm

vorteilhaft, «inen divergent abstrahlenden Wandler 7 zu einem Sonden-Durchmesser von 2,8 mm.

verwenden. '>

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Vorrichtung zur fortlaufenden und quantitativen Bestimmung der hämodynamischen Parameter wie Blutströmungsgeschwindigkeit, Blutdruck, Herzschlag-Volumen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als eine direkt in das zu untersuchende Blutgefäß einführbare Katheter-Sonde ausgebildet ist, an der mindestens zwei der nachstehend genannten Vorrichtungen — von der Katheterspitze aus gesehen — hintereinander angeordnet sind:

a) an der Katheterspitze ein Ultraschallwandler zum Erfassen der Geschwindigkeit des unmittelbar am Ultraschallwandler vorbeiströmenden Blutes,

b) ein Druck-Aufnehmer zum Messen des intravasalen/intracardialen Blutdrucks,

c) mehrere ringförmig am Sonden-Umfang angeordnete Ultraschallwandler mit einer Resonanzirequenz, die sich von derjenigen des an der Sondenspitze angebracviien Schaüwandlers deutlich unterscheidet