Mathematische Analyse des Dopplersignals zur quantitativen Bestimmung des Blutflusses.

Radiologische Bildgebungsmethoden haben heute den Anspruch, neben einer morphologischen Darstellung auch über funktionelle quantitative Parameter, wie z. B. die Durchblutung, Aussagen zu treffen. Die Dopplersonographie ermöglichte bislang nur die Messung von Blutflussgeschwindigkeiten. Hierbei wurde entweder das Geschwindigkeitsspektrum nach einer Fast Fouriertransformation (FFT) als fortlaufende xy-Grafikhelligkeitskodiert auf dem Bildschirm des Ultraschallgerätes dargestellt oder beim farbkodierten Dopplerultraschall (FKDS) als Farbbild dem B-Bild überlagert. Beide Methoden ließen bestenfalls nur einen semiquantitativen Rückschluss auf den tatsächlichen Blutfluss zu. Kann durch eine spezielle Analyse des Dopplersignals eine Aussage über den Blutfluss gewonnen werden, sodass der Untersucher nichtinvasiv quantitative Informationen über die Durchblutung des Gewebes bekommt im Gegensatz zu den geräteeigenen semiquantitativen Parametern? Im Blut reflektieren hauptsächlich die Erythrozyten das Ultraschallsignal. In dieser Arbeit wird untersucht, in wieweit die gemessene Gesamtintensität vom Blutfluss als auch vom Hämatokrit abhängig ist. Durch die Kenntnis dieser Korrelationen sollte es auch umgekehrt möglich sein, von der gemessenen Gesamtintensität bei bekanntem Hämatokrit auf den Bruttofluss zu schließen. Dies sollte auch bei unterschiedlichen Flussprofilen möglich sein. Zunächst wurde ein Flussmodell entwickelt, das physiologische und pathophysiologische Flussprofile reproduzierbar generieren konnte. Bruttofluss und Flussprofil waren unabhängig voneinander frei einstellbar. Ein Katheter (Innendurchmesser 0,7mm) wurde in einem Bassin mit entgastem Butandiol positioniert. Butandiol hat eine dem menschlichen Gewebe ähnliche Impedanz. Als Flussmedium wurde erst der Signalkontrastverstärker SonoVue® und später Blut in unterschiedlichen Verdünnungsserien eingesetzt. Mit einer Perfusionspumpe wurde ein konstanter Fluss aufgebaut und dahinter der mikroprozessorgesteuerte Flussmodulator geschaltet. Mit diesem Flussmodell war es möglich, zuverlässige und reproduzierbare Flussprofile zu erstellen. Die Dopplersignale des Ultraschallgerätes wurden als RF-Rohdaten gespeichert und mittels des Ultrasound Research Interface® direkt hinter dem Beamformer auf einen externen Computer übertragen. Die Datenanalyse erfolgte ausschließlich in der Frequenzdomäne und wurde in der Softwareentwicklungsumgebung MATLAB® programmiert. Für die Auswertung der RF-Dateien wurde das von der UC Davis entwickelte URI-OPT® Paket für MATLAB® verwendet. Die darin enthalten Algorithmen mussten wesentlich modifiziert und weiterentwickelt werden. Auf einem PC wurde das RF-Signal offline mit einer Fast Fouriertransformation in seine spektralen Bestandteile quantitativ zerlegt und dreidimensional dargestellt. Das Dopplerspektrum wurde sowohl über den Frequenzbereich als auch über die Zeit integriert, wodurch die durchschnittliche Gesamtintensität pro Sekunde berechnet werden konnte. Diese Gesamtintensität wurde anschließend in Abhängigkeit des Hämatokrits und des Flusses gesetzt und die Signifikanz der Korrelationen bewertet. Weiter konnten Algorithmen entwickelt werden, durch die die Signale der noch vorhandenen Luftbläschen mathematisch eliminiert wurden. Diese Luftbläschen, deren Entstehen in der gesamten Kette von der Blutentnahme bis zur Messstrecke nicht vollständig verhindert werden konnten, hatten auf Grund ihrer hohen Echogenität zunächst zu einer Verfälschung der Messergebnisse geführt. Für die gemessenen Gesamtintensitäten pro Sekunde wurde die Abhängigkeit zum Hämatokrit und zum voreingestellten Bruttofluss des Modells berechnet. Hierbei zeigten sich eindeutige Korrelationen bezüglich des voreingestellten Bruttoflusses. Auf Grund der Rollenbildung der Erythrozyten ist jedoch die Intensität nicht linear korreliert zum Hämatokrit. Die Intensität des Dopplersignals ist bei einem Hämatokrit von ca. 0,15 maximal. Da der Hämatokrit bei nativen Blut zwischen 0,3 und 0,5 liegt wurde verdeutlicht, dass die Ergebnisse aus den Verdünnungsserien nicht auf physiologische Situationen zu übertragen sind. Auf Grund des Auflösens der Rollenbildung verlaufen die Regressionsgeraden der Intensität bei nativem Blut deutlich flacher als bei verdünnten Blut. Auch konnte gezeigt werden, dass das Flussprofil und die damit verbundenen Turbulenzen in der Suspension einen erheblichen Einfluss auf die gemessene Signalintensität hat. Sind jedoch Flussprofil und Hämatokrit bekannt, so ist es anhand der Erfahrungswerte trotzdem möglich, das Bruttoflussvolumen zu bestimmen. Zusammenfassend wurde im Rahmen dieser Arbeit ein kostengünstiges und verlässliches Flussmodell entwickelt, das es ermöglicht, unterschiedliche Effekte singulär auszublenden. Hierdurch ist es auch bei unterschiedlichsten Fragestellungen einsetzbar. Schließlich wurde es durch die hier gezeigten Korrelationen möglich, unter Kenntnis des Flussprofils und des Hämatokrits den Bruttodurchfluss anhand der gemessenen Intensität zu bestimmen. Aus den Ergebnissen wird gefolgert, dass die quantitative Bestimmung des Blutflusses mittels Ultraschall auf Basis der entwickelten Algorithmen durchführbar ist und es konnten Konstanten zur Berechnung abgeleitet werden. Die im Modell gemessenen Ergebnisse können nun für den klinischen Gebrauch umgesetzt werden