Echo-contrast enhanced ultrasound analysis of cerebral hemodynamics - basic principles and clinical application

Titelblatt und Inhaltsverzeichnis Einleitung Zerebrale Zirkulationszeit gesunde Probanden Zerebrale Zirkulationszeit Klinische Anwendung Globales zerebrales Blutvolumen gesunde Probanden und klinische Anwendung Diskussion und Zusammenfassung LiteraturverzeichnisDie vorliegenden Arbeiten beschreiben die neue Möglichkeit der ultraschallgestützten Analyse des An- und Abflutverhaltens eines Kontrasmittelbolus in den hirnversorgenden bzw. hirnblutableitenden Gefäßen des Menschen. Schwerpunkt der dargestellten Arbeiten ist die Bestimmung der globalen zerebralen Zirkulationszeit und des unter Einbeziehung des globalen zerebralen Blutflusses daraus erstmals mittels eines Ultraschallverfahrens abgeleiteten globalen zerebralen Blutvolumens. In den Untersuchungsansätzen zur Zirkulationszeitbestimmung erfolgte die Boluskinetikanalyse entweder dopplersonographisch oder duplexsonographisch zwischen extrakranieller Arteria carotis interna und Vena jugularis. Die systematische Untersuchung gefäßgesunder Kontrollen mit beiden Verfahren zeigte eine exzellente Praktikabilität und Verträglichkeit sowie Reproduzierbarkeit der Tests mit Ergebnissen, die im Vergleich mit z.B. angiographischen oder szintigraphischen Untersuchungen gut im zu erwartenden physiologischen Bereich lagen. Änderungen des endexpiratorischen Kohlendioxidpartialdrucks, z.B. durch kontrollierte Hyperventilation führten zu einer deutlichen Zirkulationszeitverlängerung und belegen damit die Funktion und Robustheit des vorgeschlagenen Testverfahrens. Die Anwendung der Zirkulationszeitbestimmung bei Patienten mit intrazerebralen arteriovenösen Malformationen und duralen arteriovenösen Fisteln zeigte im Vergleich zu den Kontrollen eine signifikante Verkürzung, im Falle der duralen Fisteln mit einer sehr hohen Sensitivität und Spezifität, und damit einer hohen Trennschärfe in Abgrenzung zu gesunden Kontrollen. Erste Daten zur Verlaufsuntersuchung unter, bzw. nach erfolgter Behandlung bestätigen eine Normalisierung der Zirkulationszeit nach Verschluss des jeweiligen arteriovenösen Kurzschlusses. Im Untersuchungsansatz zur Bestimmung des globalen zerebralen Blutvolumens wurde die Zirkulationszeitbestimmung mit der ultraschallgestützten Volumenflussanalyse aller hirnversorgenden Arterien kombiniert. Auch hier ergaben sich bei gefäßgesunden Kontrollen plausible und mit der Literatur von PET, SPECT und MRT-Untersuchungen vergleichbare Normwerte. Physiologische Modifikationen des endexpiratorischen Kohlendioxidpartialdrucks führten zu allenfalls kleinsten zerebralen Blutvolumenänderungen. In einer kombinierten Analyse von Zirkulationszeit-, Volumenfluss- und Blutvolumenanalyse bei Patienten mit einer Demenz vom Alzheimer Typ im Vergleich zu Patienten mit einer vaskulären Demenz zeigten beide Gruppen im Vergleich zu Kontrollen ohne Demenz eine Verlängerung der CCT und Verminderung des CBF bei unverändertem CBV, suggestiv für eine vaskuläre Komponente bei beiden Erkrankungstypen. Die ultraschallgestützte Untersuchung der globalen zerebralen Zirkulationszeit und des globalen zerebralen Blutvolumens erweitern die bisher vorhandenen diagnostischen Möglichkeiten des Studiums von Physiologie und Pathophysiologie der zerebralen Durchblutung. Die einfache Untersuchungsdurchführung, die geringe Inva¬sivität und die beliebige Wiederholbarkeit zur Verlaufsbeobachtung krankhafter vaskulärer Prozesse bei nahezu ubiquitär verfügbaren Ultraschallgeräten stellen dabei einen besonderen Vorteil dar. Zukünftig vorstellbare Anwendungsbereiche in Forschung und klinischer Routine sind Erkrankungen, wie z.B. das Schädel-Hirn-Trauma oder die zerebrale Hypoxie nach Reanimation, die zu einer globalen Änderung der zerebralen Perfusion führen.The presented manuscripts describe the new diagnostic opportunity to use contrast-enhanced ultrasound bolus kinetic analysis in arteries and veins of the human brain. The main focus is the establishment and evaluation of the global cerebral circulation time and in combination with the global cerebral blood flow the determination of the global cerebral blood volume. Assessment of the global cerebral circulation time was performed using a Doppler or duplex ultrasound-based bolus kinetic analysis in the internal carotid artery and the internal jugular vein. A systematic circulation time analysis in healthy controls yielded an excellent feasibility, reproducibility and a good tolerance by the patients. Compared with angiographic or scintigraphic approaches the results were well within the expected physiological range. Changes of end-tidal pCO2 using controlled hyperventilation led to a clear circulation time prolongation which further validates the proposed diagnostic approach. Application of the circulation time analysis in patients with intracerebral arteriovenous malformations and dural arteriovenous fistulas yielded a significant shortening if compared with healthy controls. In dural fistulas a diagnostic cut-off could be defined which allows to discriminate patients and controls. Preliminary follow-up data suggest a circulation time normalisation after successful occlusion of the arteriovenous shunt. If the circulation time analysis is combined with the ultrasound based analysis of the blood volume flow in all four brain supplying arteries, a global cerebral blood volume can be calculated. Data in healthy controls yielded results well within the range of previously published data from PET, SPECT and MRI analyses. Alterations of end-tidal pCO2 resulted in only small changes of global cerebral blood volume. In a combined analysis of circulation time, blood volume flow and cerebral blood volume in patients with Alzheimer s dementia and patients with vascular dementia, both patient groups yielded a significant prolongation of circulation time, a reduction in cerebral blood flow but an unchanged cerebral blood volume if compared with controls. These results are suggestive for a vascular pathology in both types of dementia. In conclusion, the ultrasound derived analysis of the global cerebral circulation time and the global cerebral blood volume increase the diagnostic opportunities to analyse physiology and pathophysiology of the cerebral perfusion. A particular advantage of the techniques is the widespread availability of ultrasound systems, the simple accomplishment of the tests as well as the opportunity to perform serial measurements as required. Future topics of interest will be the analysis of patients with acute head trauma or global cerebral hypoxia, e.g. after cardiopulmonary resuscitation which lead to global alterations of the cerebral perfusion