DE102016001658A1 - Method for detecting organ perfusion - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Organperfusion auf Grundlage von sonografischen Methoden nach dem Dopplerprinzip unter Verwendung eines Systems zur Positionserkennung, welches mit einem auf das zu untersuchende Blutgefäß ausgerichteten Schallkopf ausgestattet ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine diesbezügliche technische Lösung zu schaffen, mit der ein Winkel zwischen dem zu untersuchenden Blutgefäß und dem jeweils zugeordneten Ultraschallkopf gemessen werden kann. Dabei soll erreicht werden, dass nicht nur einzelne Gefäße punktuell einer Untersuchung unterzogen werden, sondern dass alle Gefäße eines Gewebes simultan untersucht werden können. Auf diese Weise kann man die tatsächliche mittlere Flussgeschwindigkeit und, in Kombination mit der ermittelten Querschnittsfläche in jedem einzelnen Gefäß, die exakten Flussvolumina nach Winkelkorrektur zu bestimmen. Diese Aufgabe wird gelöst, indem das System zur Positionserkennung auf der Hautoberfläche der zu untersuchenden Person nacheinander an mindestens zwei unterschiedlichen Positionen angeordnet wird, wobei die in diesen beiden Positionen von Schallkopf und Positionserkennungssystem detektierten Parameter einer rechentechnischen Auswertung zugeführt werden, indem der Volumenstrom (V) anhand der Parameter Querschnittsfläche, Geschwindigkeit und des ermittelten Schallwinkels mittels Vektorbestimmung entlang der Gefäßachse berechnet wird.The invention relates to a method for detecting the organ perfusion on the basis of sonographic methods according to the Doppler principle using a system for position detection, which is equipped with an aligned on the blood vessel to be examined transducer. The object of the invention is to provide a related technical solution with which an angle between the blood vessel to be examined and the respective associated ultrasound head can be measured. It should be achieved that not only individual vessels are selectively subjected to a study, but that all the vessels of a tissue can be examined simultaneously. In this way one can determine the actual mean flow velocity and, in combination with the determined cross-sectional area in each individual vessel, the exact flow volumes after angle correction. This object is achieved by arranging the system for detecting the position on the skin surface of the person to be examined successively at at least two different positions, wherein the parameters detected in these two positions of the transducer and the position detection system are fed to a computational evaluation by the volume flow (V). is calculated on the basis of the parameters cross-sectional area, velocity and the determined sound angle by means of vector determination along the vessel axis.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Organperfusion auf Grundlage von sonografischen Methoden nach dem Dopplerprinzip unter Verwendung eines Systems zur Positionserkennung (z. B. Kamera-Marker-Systeme, elektromagnetische Positionserkennung) welches mit einem auf das zu untersuchende Blutgefäß ausgerichteten Schallkopf ausgestattet ist.The invention relates to a method for detecting organ perfusion based on sonographic methods according to the Doppler principle using a system for position detection (eg camera marker systems, electromagnetic position detection) which is equipped with a transducer aligned with the blood vessel to be examined.
Die als Perfusion bezeichnete Durchblutung von Organen des menschlichen Körpers bewirkt eine Versorgung des Körpergewebes mit Sauerstoff und weiteren Blutbestandteilen sowie eine Entsorgung von Stoffwechselprodukten und dergleichen. Funktionelle Mängel der Organperfusion, umgangssprachlich als Durchblutungsstörung bezeichnet, können akute oder chronische Beeinträchtigungen verschiedener Organ- bzw. Gewebefunktionen hervorrufen. Deshalb ist es für verschiedenartige medizinische Aufgaben notwendig, die Organperfusion des menschlichen Körpers zu erfassen.The perfusion referred to as perfusion of organs of the human body causes a supply of body tissue with oxygen and other blood components and disposal of metabolic products and the like. Functional deficiencies of organ perfusion, colloquially referred to as a circulatory disorder, can cause acute or chronic impairment of various organ or tissue functions. Therefore, it is necessary for various medical tasks to detect the organ perfusion of the human body.
Eine diesbezüglich typische Anwendung ist beispielsweise die Untersuchung während einer Schwangerschaft. Für die normale Funktion aller Organe und für die normale Entwicklung der Organfunktion im Laufe der Schwangerschaft ist eine adäquate Blutversorgung eine unerlässliche Voraussetzung. Störungen der notwendigen Blutversorgung von Organen führen, insbesondere während der embryonalen und fetalen Entwicklung, zu einer Wachstumshemmung und Störung des Organaufbaus und/oder der Organfunktion. Beide Abweichungen von der Norm führen bei einem Großteil der mit einer solchen Störung behafteten Patienten zu Komplikationen kurz vor, während oder unmittelbar nach der Geburt. Weiterhin gehen viele pathophysiologische Prozesse (Veränderungen der Körperfunktionen) mit einer Veränderung der Organ- und Gewebsdurchblutung einher. So sind beispielsweise entzündliche Erkrankungen regelmäßig mit einer Steigerung der Gewebsdurchblutung verbunden, wohingegen zahlreiche chronische Erkrankungen mit einer verminderten Gewebsdurchblutung und dem Untergang der kleineren Blutgefäße innerhalb eines Organs verbunden sind.A typical application in this respect is, for example, the examination during pregnancy. For the normal functioning of all organs and for the normal development of organ function in the course of pregnancy, an adequate blood supply is an indispensable prerequisite. Disruptions of the necessary blood supply of organs lead, especially during embryonic and fetal development, to growth inhibition and disruption of organ structure and / or organ function. Both deviations from the norm lead to complications shortly before, during or immediately after birth in the majority of patients with such a disorder. Furthermore, many pathophysiological processes (changes in bodily functions) are accompanied by a change in organ and tissue perfusion. For example, inflammatory diseases are regularly associated with an increase in tissue perfusion, whereas many chronic diseases are associated with decreased tissue perfusion and the onset of smaller blood vessels within an organ.
Deshalb wird sowohl für eine Einschätzung der embryonalen und fetalen vorgeburtlichen Entwicklung eines Kindes als auch für eine spätere Bewertung zahlreicher Erkrankungen angestrebt, dass die Organperfusion gemessen werden kann.Therefore, both for an assessment of the embryonic and fetal prenatal development of a child as well as for a later evaluation of numerous diseases, it is desired that the organ perfusion can be measured.
Hierfür sind in der Medizin bereits verschiedene Verfahren verfügbar, die allerdings mit jeweils spezifischen Nachteilen behaftet sind.For this purpose, various methods are already available in medicine, which, however, each have specific disadvantages.
So sind die Magnetresonanztomografie und die Computertomografie sehr geräteaufwendig und kostenintensiv, so dass ein Einsatz dieser Verfahren überwiegend nur bei speziellen Fragestellungen erfolgt. Außerdem sind die Computertomografie und andere radiologische Verfahren, wie die angiografische Darstellung von Gefäßen, mit einer Strahlenbelastung für den Patienten verbunden und erfordern die Injektion eines Kontrastmittels. Dies kann z. B. bei Funktionseinschränkungen der Niere zu einer weiteren Verschlechterung der Nierenfunktion führen, so dass dieses Verfahren insbesondere bei vielen älteren Patienten nicht anwendbar ist. Ferner sind diese Verfahren naturgemäß invasiv und erfordern neben der Injektion eines Kontrastmittels auch die Punktion einer Vene oder Arterie und teilweise auch eine Katheterisierung bestimmter Gefäßgebiete.For example, magnetic resonance tomography and computer tomography are very expensive and expensive, so that these methods are used predominantly only for specific questions. In addition, computed tomography and other radiological procedures, such as angiographic imaging of vessels, are associated with radiation exposure to the patient and require injection of a contrast agent. This can be z. B. lead to functional impairment of the kidney to a further deterioration of renal function, so that this method is not applicable in particular in many elderly patients. Furthermore, these methods are inherently invasive and require in addition to the injection of a contrast agent, the puncture of a vein or artery and sometimes also a catheterization of certain vascular areas.
Weitere Möglichkeiten zur Erfassung der Organperfusion bieten szintigrafische Verfahren, also bildgebende Verfahren unter Anwendung von Gammastrahlen. Wesentlicher Nachteil ist hierbei die schlechte Ortsauflösung und die somit fehlende Möglichkeit einer Zuordnung der Perfusionssignale zu bestimmten Gewebsformationen.Further possibilities for the detection of the organ perfusion offer scintigraphic procedures, ie imaging techniques using gamma rays. The main disadvantage here is the poor spatial resolution and the thus missing possibility of assigning the perfusion signals to certain tissue formations.
Eine Alternative stellen Verfahren unter Nutzung der Sonografie dar. Diese haben gegenüber den oben benannten Verfahren den wesentlichen Vorteil, dass die Anwendung für Patienten völlig unschädlich ist. Dabei kann mithilfe des kostengünstigen und an sich breit verfügbaren Verfahrens der Farbdopplertechnik die Durchblutung nicht-invasiv dargestellt werden. Ferner ist keine Injektion von Kontrastmitteln erforderlich, was die Anwendbarkeit dieser Methode weiter steigert. Die sonografischen Verfahren, insbesondere der Farbduplexsonografie, gestatten daher auch im ambulanten Sektor eine beliebig oft wiederholbare Darstellung der Durchblutung in den vom Ultraschall erreichbaren Organen und Geweben.An alternative are methods using sonography. These have the significant advantage over the above-mentioned methods that the application is completely harmless to patients. It can be displayed non-invasively using the cost-effective and widely available method of color Doppler technique, the circulation. Furthermore, no injection of contrast agents is required, further increasing the applicability of this method. The sonographic methods, in particular the color duplex sonography, therefore also allow in the outpatient sector an arbitrarily often repeatable representation of the blood flow in the organs and tissues that can be reached by the ultrasound.
Daher wird in der vorgeburtlichen Diagnostik die Farbdopplersonografie zur Beurteilung von Blutflussphänomenen in der Nabelschnur und im ungeborenen Kind selbst eingesetzt und außerdem auch bei einer Durchblutungsbeurteilung von verschiedenen Erkrankungen nach der Geburt. Allerdings besteht ein Nachteil der bislang bekannten farbduplexsonografischen Verfahren darin, dass hiermit keine tatsächliche Quantifizierung der Blutflussvolumina vorgenommen werden kann. Vielmehr handelt es sich bei den sog. Durchblutungsmessungen um die punktuelle Ableitung von Flussgeschwindigkeitsspektren über mehrere Herzaktionen. Dabei werden ganz überwiegend lediglich zwei Messwerte, nämlich der systolische (Blut-Ausströmungsphase des Herzens) und der diastolische (Blut-Einströmungsphase des Herzens) Geschwindigkeitswert ermittelt und zueinander ins Verhältnis gesetzt, um einen sog. Gefäßwiderstandsindex auf Grundlage folgender Formel ”RI = (Vmax – Vmin)/Vmax” zu berechnen, wobei ”RI” den Gefäßwiderstandsindex, ”Vmax” die systolische maximale Flussgeschwindigkeit und ”Vmin” die enddiastolische minimale Flussgeschwindigkeit während eines Herzzyklus beschreiben.Therefore, in prenatal diagnosis, color Doppler sonography is used to assess blood flow phenomena in the umbilical cord and in the unborn child itself and also in a blood circulation assessment of various postpartum disorders. However, a disadvantage of the hitherto known color duplex sonographic methods is that no actual quantification of blood flow volumes can be undertaken hereby. Rather, the so-called blood flow measurements are the punctual derivation of flow velocity spectra over several cardiac actions. In this case, only two measured values, namely the systolic (blood outflow phase of the heart) and the diastolic (blood inflow phase of the heart) speed value are predominantly determined and set in relation to one another in order to obtain a so-called. To calculate - "(V min V max) / V max RI =" where "RI" vascular resistance index, "V max" systolic maximum flow velocity and "V min" end-diastolic minimum flow rate during a cardiac cycle describe vascular resistance index based on the following formula ,
Eine derartige Gefäßwiderstandsberechnung beschreibt jedoch lediglich die Änderung der Blutflussgeschwindigkeit während einer Herzaktion. Dabei wird insbesondere bei kleineren Gefäßen darauf verzichtet, den Winkel zwischen dem Blutgefäß und dem Ultraschallkopf zu messen. Eine exakte – hier allerdings nicht erfolgende – Schallwinkelbestimmung ist nach dem Dopplerprinzip die unabdingbare Voraussetzung für die Korrektur der gemessenen Geschwindigkeiten, um nach deren Division durch den Kosinus des Gefäßwinkels die tatsächliche Flussgeschwindigkeit errechnen zu können. Die bisherigen Verfahren zur Messung der Organperfusion liefern daher keine exakte Flussgeschwindigkeitsmessung.However, such a vascular resistance calculation merely describes the change in blood flow velocity during a heart action. In this case, it is dispensed with, especially for smaller vessels, to measure the angle between the blood vessel and the ultrasound head. An exact - but not taking place here - sound angle determination is according to the Doppler principle the indispensable prerequisite for the correction of the measured velocities in order to be able to calculate the actual flow velocity after their division by the cosine of the vessel angle. The previous methods for measuring organ perfusion therefore do not provide accurate flow velocity measurement.
Der Stand der Technik beschreibt bisher auch weitere weniger verbreitete Verfahren. Eine Methode wird durch eine Ultraschallaufnahme in 3D durch einen Matrix- oder Linearschallkopf realisiert. Die Ermittlung der Organperfusion erfolgt durch Schnitt in der Horizontalebene in Verbindung mit der Ermittlung der Fläche durch das Auszählen der Pixel und somit die Bestimmung der Perfusion. Ausgehend von einem ideal runden Gefäß ergibt sich im schrägen Querschnitt eine Ellipse. Die Parameter werden nach folgenden Formeln berechnet:
Flächeninhalt Ellipse: A = π·a·b → areal = bgemessen/cosα → blgemessen = areal·cosα Volumenstrom/fluss:
Blutflussgeschwindigkeit: VBlut = vMess/cosαThe prior art also describes other less common methods. A method is realized by an ultrasound image in 3D by a matrix or linear sound head. The determination of the organ perfusion is made by cutting in the horizontal plane in conjunction with the determination of the area by counting the pixels and thus determining the perfusion. Starting from an ideally round vessel, an oblique cross-section results in an ellipse. The parameters are calculated according to the following formulas:
Area ellipse: A = π · a · b → a real = b measured / cosα → b length = a real · cosα volume flow / flow:
Blood flow velocity: V = v measuring blood / cos
Es ergibt sich:
Diese Verfahrensweise wird durch Software (z. B. eine unter der Bezeichnung „PixelFlux” von Chameleon bekannte Software) ermöglicht, wobei entsprechende Berechnungen von Prof. Scholbach bekannt sind, siehe hierzu beispielsweise „Ultraschall in der Medizin/Impact Factor 3.260/E122 bis E127”. Ein Nachteil dieser Methode besteht allerdings darin, dass sie auf Grundlage von inhomogenen, da zeitlich versetzt zur Herzaktion aufgenommenen, Ultraschallaufnahmen des 3D-Würfels erfolgt.This procedure is made possible by software (eg a software known under the name "PixelFlux" by Chameleon), whereby corresponding calculations by Prof. Scholbach are known, see for example "Ultrasound in Medicine / Impact Factor 3.260 / E122 to E127 ". A disadvantage of this method, however, is that it takes place on the basis of inhomogeneous, because temporally offset to the heart action, recorded ultrasound of the 3D cube.
Bei den aus
Beim einem Verfahren gemäß
Weiterhin sind „Freihandverfahren mit Positionssensor” bekannt, wobei jedoch ebenso wie bei dem Verfahren mittels der oben erwähnten Software „PixelFlux” (Horizontalschnitt) die Dopplersignale in der auswertbaren Rekonstruktion inhomogen sind, da die Aufnahmen der Gefäßquerschnitte unabhängig von der Herzaktion durchgeführt werden. Das führt zwangsläufig zu falschen Werten in pulsatilen Gefäßen.Furthermore, "hands-free method with position sensor" are known, however, as in the method by means of the aforementioned software "PixelFlux" (horizontal section), the Doppler signals in the evaluable reconstruction are inhomogeneous, since the images of the vessel cross-sections are performed independently of the heart action. This inevitably leads to false values in pulsatile vessels.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine technische Lösung zur winkelkorrigierten exakten Messung der Perfusion in Gefäßen und Organen zu schaffen. Dabei soll der Winkel zwischen dem Blutgefäß und dem Ultraschallgerät mittels System zur Positionserkennung gemessen werden. Es soll erreicht werden, dass nicht nur einzelne Gefäße punktuell einer Untersuchung unterzogen werden, sondern dass alle Gefäße eines Gewebes simultan untersucht werden können, um die tatsächliche mittlere Flussgeschwindigkeit in jedem einzelnen Gefäß nach einer Winkelkorrektur zu bestimmen. Außerdem soll die Querschnittsfläche aller Gefäße in einem Gewebe ermittelt werden und zum gesamten Gewebsquerschnitt ins Verhältnis gesetzt werden.The object of the invention is to provide a technical solution for angle-corrected exact measurement of perfusion in vessels and organs. In this case, the angle between the blood vessel and the ultrasound device is to be measured by means of a position detection system. It is to be achieved that not only individual vessels are punctually examined, but that all the vessels of a tissue can be examined simultaneously to determine the actual mean flow velocity in each individual vessel after an angle correction. In addition, the cross-sectional area of all vessels in a tissue is to be determined and set in relation to the total tissue cross-section.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch benannten technischen Merkmalen gelöst, die in einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert werden.This object is achieved with the technical features specified in the claim, which will be explained in more detail in an embodiment.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann jeder beliebige am Markt erhältliche 2D-Farbdoppler-Schallkopf verwendet werden. Lediglich eine Adaptierung des Positioniersystems am Ultraschallkopf muss angepasst werden. Dabei genügt ein einzelner Schallkopf, welcher parallel zur Hautoberfläche bewegt wird. Somit werden unter gewohnter Handhabung beide Referenzpositionen, welche zur Berechnung des Gefäßwinkels notwendig sind, mit dem Schallkopf angefahren.With the solution according to the invention, any 2D color Doppler transducer available on the market can be used. Only an adaptation of the positioning system on the ultrasound head must be adjusted. It is sufficient single transducer, which is moved parallel to the skin surface. Thus, with the usual handling both reference positions, which are necessary for the calculation of the vessel angle, approached with the transducer.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein einziger manueller Schwenk durchgeführt, gefolgt von der Auswertung anhand mindestens zwei daraus aufgenommener Positionen auf der Haut des Patienten. Die entstandene Sequenz wird demnach im Nachgang, also nicht in Echtzeit, ausgewertet.When using the method according to the invention, a single manual swivel is performed, followed by evaluation based on at least two positions taken therefrom on the skin of the patient. The resulting sequence is therefore subsequently evaluated, ie not in real time.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert:An exemplary embodiment is explained below with reference to the drawing:
Die oben genannte Inhomogenität bisheriger Lösungen entfällt, da nur eine initiale Sequenz des quer geschnittenen Gefäßes D mit allen Herzaktionen C notwendig ist – wobei der Schallkopf dazu nicht bewegt wird – gefolgt von mindestens einer weiteren Aufnahme an einer zweiten Position (Einzelaufnahme oder Einzelbild aus Sequenz), die zur Lagebestimmung des jeweiligen Gefäßes im Raum benötigt wird. Dabei werden auf Grundlage der Vektorbestimmung im Raum die für eine Aussage zur Organperfusion relevanten Daten ermittelt.The above inhomogeneity of previous solutions is eliminated, since only one initial sequence of the cross-sectioned vessel D with all cardiac actions C is necessary - the transducer is not moved to - followed by at least one further recording at a second position (single shot or frame from sequence) , which is needed for determining the position of the respective vessel in the room. On the basis of the vector determination in space, the data relevant for a statement on organ perfusion are determined.
Hierfür wird der Volumenstrom (V) in der initialen Sequenz anhand der Parameter Querschnittsfläche, mittlere Geschwindigkeit und des ermittelten Schallwinkels α durch Vektorbestimmung entlang der Gefäßachse anhand mindestens zwei Positionen in einem definierten Abstand in einem oder mehreren Gefäßen nach folgender Formel berechnet:
Somit wird gewährleistet, dass bei einer Messung der Organperfusion der Winkel zwischen dem zu untersuchenden Blutgefäß und dem jeweils zugeordneten Ultraschallkopf gemessen werden kann. Dabei wird erreicht, dass nicht nur einzelne Gefäße und diese punktuell einer Untersuchung unterzogen werden, sondern dass alle Gefäße eines Gewebes simultan untersucht werden können, um die tatsächliche Flussgeschwindigkeit in jedem einzelnen Gefäß nach einer Winkelkorrektur zu bestimmen.This ensures that the angle between the blood vessel to be examined and the respective associated ultrasound head can be measured during a measurement of the organ perfusion. It is achieved that not only individual vessels and these are selectively examined, but that all the vessels of a tissue can be examined simultaneously to determine the actual flow rate in each vessel after an angle correction.
Außerdem kann die Querschnittsfläche von allen Gefäßen in einem Gewebe ermittelt werden und zum gesamten Gewebsquerschnitt ins Verhältnis gesetzt werden.In addition, the cross-sectional area of all vessels in a tissue can be determined and compared to the total tissue cross-section.
Des Weiteren sind nunmehr bisher nur schwer durchführbare Messungen in verwundenen und unsymmetrischen Gefäßen, z. B. der Nabelschnur, möglich. Das wird dadurch begründet, dass auch ein nicht ideal rund geformtes Gefäß im Querschnitt aufgrund eines Schallwinkels < 90° im Bild eine höhere Fläche aufweist als ein orthogonal zur Flussrichtung geschnittenes Gefäß, aber zusammen mit der veränderten Geschwindigkeit durch den Dopplereffekt und dem Tangens des Schallwinkels keine Korrektur der Fläche an sich notwendig ist. Durch das automatische Auszählen der Pixel und die programmatische Interpretation der Farbinformationen anhand einer Skala am Rande des Ultraschallbildes kann man die in mm2 umgerechnete Fläche des Gefäßes im Bild direkt mit der ermittelten mittleren Geschwindigkeit und mit dem durch die genannte Vorrichtung exakt ermittelten Schallwinkel multiplizieren und man erhält das ebenso exakte Flussvolumen.Furthermore, hitherto difficult to carry out measurements in twisted and unbalanced vessels, z. As the umbilical cord, possible. This is justified by the fact that even a not ideally round shaped vessel in the cross section due to a sound angle <90 ° in the image has a higher area than a vessel orthogonal to the flow direction, but together with the changed speed by the Doppler effect and the tangent of the sound angle none Correction of the surface itself is necessary. By automatically counting the pixels and the programmatic interpretation of the color information on the basis of a scale on the edge of the ultrasound image you can multiply the converted in mm 2 surface of the vessel in the image directly with the determined average speed and with the precisely determined by said device sound angle and one gets the same exact flow volume.
Mit der vorgeschlagenen technischen Lösung können durch eine sehr genaue Ermittlung der Perfusionsmenge wesentlich genauere Aussagen zur Organdurchblutung getroffen und die Risiken von Störungen der Organfunktion und der Organmorphologie besser eingeschätzt werden. Dies ist für zahlreiche medizinische Anwendungen relevant, wobei als bevorzugte Anwendung diesbezügliche Untersuchungen während der Schwangerschaft zu nennen sind.With the proposed technical solution can be made by a very accurate determination of the perfusion amount significantly more accurate statements on organ perfusion and the risks of disorders of organ function and organ morphology are better assessed. This is relevant to many medical applications, with the preferred use being related studies during pregnancy.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 8622913 B2 [0015] US 8622913 B2 [0015]
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