DE102004040732A1

DE102004040732A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Simulation von Strömungsverhältnissen in einem System von Blutgefäßen

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Publication number: DE102004040732A1
Application number: DE102004040732A
Authority: DE
Inventors: Florian C Roessler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-02-23

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist u. a. ein Verfahren zur Simulation von Strömungsverhältnissen in einem System (10) von Blutgefäßen (11a, 11b, 11c, 11d, 11e), umfassend die Schritte: DOLLAR A a) Erfassen von Parametern mehrerer Blutgefäße, insbesondere der geometrischen Anordnung (16, 17) der Blutgefäße, der Gefäßdurchmesser (d¶1¶, d¶2¶, d¶3¶, d¶4¶. d¶5¶), der Gefäßlängen (I) und der Gefäßwandelastizität; DOLLAR A b) Messen des Blutflusses oder der Blutflussgeschwindigkeit durch wenigstens eines dieser Gefäße, insbesondere mittels Duplex-Sonografie; DOLLAR A c) Berechnen der Strömungsverhältnisse an wenigstens einer bestimmten Stelle (15) in dem System (10) von Blutgefäßen aus den zuvor erfassten Parametern und der wenigstens einen Blutfluss- oder Blutflussgeschwindigkeitsmessung mittels eines Algorithmus; DOLLAR A d) Messen der Strömungsverhältnisse wenigstens an der bestimmten Stelle (15); DOLLAR A e) Vergleichen der berechneten Strömungsverhältnisse an der bestimmten Stelle (15) mit den gemessenen Strömungsverhältnissen an der bestimmten Stelle (15); DOLLAR A f) Verändern des Algorithmus und/oder der Parameter in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleiches.

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Simulation von Strömungsverhältnissen in einem System von Blutgefäßen. Es kann sich dabei um ein System von Blutgefäßen des menschlichen aber gleichermaßen auch des tierischen Körpers handeln.

Von besonderer Bedeutung ist die Abschätzung und Berechnung von Strömungsverhältnissen im Vorfeld eines chirurgischen oder interventionellen Eingriffs, beispielsweise im Bereich des menschlichen Gehirns. Der Einfachheit halber wird im Folgenden jeder chirurgische oder interventionelle Eingriff sowie jede invasive Therapie als Operation bezeichnet.

Ist es beispielsweise zur Durchführung einer Operation erforderlich, eines oder mehrere der Blutgefäße zumindest zeitweise abzuklemmen, beispielsweise um Blutverluste während einer Operation zu vermeiden oder um die Operation überhaupt durchführen zu können, so besteht bei derartigen Eingriffen grundsätzlich die Gefahr, dass Bereiche des Gehirns nicht ausreichend mit Blut und damit z.B. nicht ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden. Um Schädigungen, insbesondere um irreversible Schädigungen zu vermeiden, wird derzeit vor Durchführung der Operation probeweise eine Stenose gesetzt, d.h. das betreffende Blutgefäß wird abgeklemmt oder teilweise verschlossen. Als Stenose im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung wird eine teilweise Verengung oder ein vollständiger Verschluss eines Blutgefäßes verstanden.

Alternativ kann in das Gefäß auch ein Medikament injiziiert werden, das zu einem vorübergehenden Funktionsausfall des Gewebes führt, das durch das Gefäß mit Blut versorgt wird.

Anschließend wird überprüft, ob stromabwärts der Stenose befindliche Gewebebereiche durch das verengte Blutgefäß hindurch oder, falls das Blutgefäß vollständig verschlossen ist, über redundante, d.h. parallele Blutgefäße, ausreichend mit Blut versorgt werden oder ob die Gefahr einer Unterversorgung besteht. Sollten im Zuge dieser invasiven, diagnostischen Testverfahren Funktionsausfälle am Patienten klinisch nachgewiesen werden, kann anhand der Qualität und Schwere dieser Funktionsausfälle indirekt die verbleibende Blutversorgung des Gewebes bewertet und das Risiko des Patienten, unter dem geplanten Eingriff Schaden zu nehmen, abgeschätzt werden. Wird festgestellt, dass die Blutversorgung eines Gewebebereiches stromabwärts der Stenose nicht ausreichend ist, wird die Stenose aufgehoben und der geplante chirurgische Eingriff nicht durchgeführt bzw. nicht in der ursprünglich geplanten Form durchgeführt.

Die bekannten invasiven Testverfahren sind auf Grund eines tatsächlich erfolgenden Eingriffs in das Blutgefäßsystem für die Patienten mit großen gesundheitlichen Risiken behaftet. Zudem sind die mit den bekannten invasiven Testverfahren gewonnenen Ergebnisse fehlerbehaftet und lassen sich nicht immer ausreichend oder eindeutig interpretieren.

Um einen invasiven, probeweisen Eingriff in das Blutgefäßsystem zur Abschätzung möglicher Risiken durch die geplanten operativen Änderungen an dem Blutgefäßsystem zu vermeiden und um eine nicht-invasive Einschätzung der Risiken zu erreichen, ist bereits ein Simulationsverfahren bekannt, bei dem Parameter mehrerer Blutgefäße, wie beispielsweise die geometrische Anordnung der Blutgefäße, die Gefäßdurchmesser und die Gefäßlängen erfasst werden. Außerdem wird der Blutfluss oder die Blutflussgeschwindigkeit durch wenigstens eines dieser Gefäße gemessen. Mittels eines Algorithmus werden die Strömungsverhältnisse an einer bestimmten Stelle in dem System von Blutgefäßen berechnet. Die Berechnung wird mittels eines Algorithmus durchgeführt, in den die zuvor erfassten Parameter und der wenigstens eine gemessene Blutfluss- oder Blutflussgeschwindigkeitswert eingehen.

Das bekannte Verfahren ist beschrieben in Computer-aided simulations for non-invasive preoperative risk-minimization in cerebral vascular surgery, F.C. Roessler et. al., V. Blažek und U. Schultz-Ehrenburg (Hrg.), Computer-aided Noninvasive Vascular Diagnostics, Proceedings of the 10th International Symposium, CNVD'01, Verlag Mainz Aachen, 2003, Volume 2, Seite 91 bis 96.

Eine detailliertere Erläuterung des bekannten Verfahrens geht hervor aus F.C. Roessler, Verfahren zur Analyse von peripheren Druckpulskurven in Verbindung mit einem Herz-Kreislauf-Modell zur klinischen Diagnoseunterstützung, Diplomarbeit an der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der RWTH-Aachen, Dezember 1996. Diese vorveröffentlichte Druckschrift wird im folgenden der Einfachheit halber als Diplomarbeit bezeichnet.

Das bekannte Verfahren erfüllt seinen Zweck bereits in zufriedenstellender Weise. Es erscheint jedoch verbesserbar. Bei dem bekannten Simulationsverfahren ist die Erfassung der Gefäßdurchmesser, der Gefäßlängen und der geometrischen Anordnung der Blutgefäße mittels der verwendeten bildgebenden Verfahren sowie die erforderliche Auswertung der Bilddatensätze zum Teil fehlerhaft bzw. ungenau. Derartige Fehler bzw. Ungenauigkeiten können allerdings auch nicht systematisch ausgeschaltet oder herausgerechnet werden sondern sind individuell unterschiedlich, was beispielsweise in unterschiedlichen Problemen bei der Bildaufnahme, wie Bewegungsartefakte oder ungünstige Winkeleinstellungen des Aufnahmegerätes in Bezug auf das zu erfassende Gefäßsystem begründet liegen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren derart weiterzubilden, dass eine verbesserte Berechnung der Strömungsverhältnisse möglich wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Simulation von Strömungsverhältnissen in einem System von Blutgefäßen umfasst demnach die Schritte:

a) Erfassen von Parametern mehrerer Blutgefäße, insbesondere der geometrischen Anordnung der Blutgefäße, der Gefäßdurchmesser, der Gefäßlängen und der Gefäßwandelastizität;
b) Messen des Blutflusses oder der Blutflussgeschwindigkeit durch wenigstens eines dieser Gefäße, insbesondere mittels Duplex-Sonografie;
c) Berechnen der Strömungsverhältnisse an wenigstens einer bestimmten Stelle in dem System von Blutgefäßen aus den zuvor erfassten Parametern und der wenigstens einen Blutfluss- oder Blutflussgeschwindigkeitsmessung mittels eines Algorithmus;
d) Messen der Strömungsverhältnisse wenigstens an der bestimmten Stelle;
e) Vergleichen der berechneten Strömungsverhältnisse an der bestimmten Stelle mit den gemessenen Strömungsverhältnissen an der bestimmten Stelle;
f) Verändern des Algorithmus und/oder der Parameter in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleiches.

Das Prinzip der Erfindung besteht somit im wesentlichen darin, die Strömungsverhältnisse an einer bestimmten Stelle in dem System von Blutgefäßen zu berechnen und zusätzlich eine Messung der Strömungsverhältnisse an dieser Stelle durchzuführen. Die Messung der Strömungsverhältnisse kann vor oder nach der Berechnung der Strömungsverhältnisse oder zeitgleich mit der Berechnung der Strömungsverhältnisse stattfinden. Die Reihenfolge der Schritte c) und d) ist unerheblich.

Von Vorteil ist unter Umständen, wenn die Messung der Strömungsverhältnisse an der bestimmten Stelle gemäß Schritt d) vor der Berechnung der Strömungsverhältnisse an dieser Stelle vorgenommen wird. Die Messung der Strömungsverhältnisse an der bestimmten Stelle kann dabei vorteilhafterweise mit der gleichen Messeinrichtung vorgenommen werden, mit der bereits die Parameter erfasst worden sind oder mit der der Blutfluss oder die Blutflussgeschwindigkeit durch wenigstens eines der Gefäße gemessen worden ist. Auf diese Weise, kann, falls die Messungen fehlerbehaftet sind, davon ausgegangen werden, dass alle Messungen mit einem vergleichbaren Fehler behaftet sind.

Die Messung der Strömungsverhältnisse an der bestimmten Stelle stellt eine Referenzmessung zu den berechneten, theoretischen, modellhaften Strömungsverhältnissen dar. Damit wird eine Validierung des Algorithmus bzw. der in den Algorithmus eingehenden Parameter möglich.

Die zusätzlich durchgeführte Referenzmessung führt zu einer mathematischen Überbestimmung des Systems. Es sind daher mehr Größen erfasst worden, als für eine Berechnung der Strömungsverhältnisse erforderlich sind. Die zusätzliche Messung, die die Überbestimmung des Gleichungssystems verursacht, kann nun dafür verwendet werden, die Berechnung der Strömungsverhältnisse zu verbessern. Je mehr Referenzmessungen durchgeführt werden, desto genauer kann eine Optimierung des generierten Modelles des Systems von Blutgefäßen erfolgen.

Durch einen Vergleich des berechneten mit dem gemessenen Wert der Strömungsverhältnisse, beispielsweise des Blutflusses, kann festgestellt werden, ob die Berechnung hinreichend genau ist. In der Regel wird man bei einem derartigen Vergleich eine Diskrepanz zwischen dem berechneten und dem gemessenen Wert feststellen. Diese Diskrepanz kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verringert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht die Möglichkeit, durch einen Vergleich der gemessenen mit den berechneten Strömungsverhältnissen das Modell des Systems von Blutgefäßen zu optimieren, bevor diagnostische oder therapeutische Maßnahmen simuliert werden, um so die entsprechenden Risiken, die sich bei der tatsächlichen Durchführung dieser Maßnahmen an dem realen System von Blutgefäßen, also beispielsweise bei einem Patienten, ergeben, vorher abschätzen zu können.

Die Erfindung erkennt dabei, dass bestimmte, zu erfassende Parameter individuell für ein bestimmtes System von Blutgefäßen unterschiedlich sind. Beispielsweise ist die Gefäßwandelastizität individuell verschieden und hängt vom Geschlecht, Alter und Gesundheitszustand des Patienten ab. In diesem Zusammenhang ist auch anzumerken, dass probandenabhängig unterschiedliche Gefäßwanddicken bzw. unterschiedliche Elastizitätsmodule der Gefäßwände zu beachten sind.

Die Erfassung der Gefäßdurchmesser, der Gefäßlängen und der geometrischen Anordnung der Blutgefäße mittels der verwendeten bildgebenden Verfahren sowie die erforderliche Auswertung der Bilddatensätze ist meist fehlerbehaftet und ungenau. Diese Fehler und Ungenauigkeiten können aber nicht als systematische Fehler ausgeschaltet oder herausgerechnet werden, sondern sind individuell unterschiedlich, was beispielsweise in unterschiedlichen Problemen bei der Bildaufnahme, wie Bewegungsartefakte oder ungünstige Winkeleinstellungen des Aufnahmegerätes in Bezug zu dem aufzunehmenden Gefäßsystem begründet liegen kann.

Als geometrische Anordnung von Blutgefäßen im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung wird, so sei an dieser Stelle angemerkt, die relative Anordnung, das heißt räumliche Lage, der Blutgefäße zueinander, insbesondere unter Berücksichtigung von Knotenpunkten und Verzweigungen, verstanden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können der für die Berechnung der Strömungsverhältnisse verwendete Algorithmus bzw. die in den Algorithmus einzusetzenden oder eingehenden Parameter verbessert, insbesondere optimiert werden. Eine Veränderung des Algorithmus oder der darin eingehenden Parameter kann dabei derart durchgeführt werden, dass die unter Berücksichtigung der geänderten Parameter oder mittels eines geänderten Algorithmus neu berechneten Strömungsverhältnisse an der bestimmten Stelle den realen Strömungsverhältnissen an dieser Stelle eher und damit besser entsprechen. Aus einem derart geänderten Algorithmus bzw. mit derart geänderten Parametern kann dann im Sinne der Erfindung auch an beliebigen anderen bestimmten Stellen des Blutsystems eine Berechnung der Strömungsverhältnisse durchgeführt werden, wobei diese berechneten Strömungsverhältnisse den realen Strömungsverhältnissen weitaus besser als bei dem Verfahren des Standes der Technik entsprechen.

Ein derartiger Optimierungsvorgang für die einzusetzenden Parameter bzw. für den Algorithmus kann auch mehrfach, also wiederholt erfolgen. Die Modellierung des Systems der Blutgefäße bzw. die Berechnung der Strömungsverhältnisse kann auch durch andere Optimierungsmechanismen verbessert werden. Vorzugsweise wird ein automatischer Optimierungsalgorithmus verwendet, weiter vorzugsweise in Form eines evolutionären Algorithmus.

Als evolutionärer Algorithmus bzw. als evolutionäre Strategie zur Optimierung wird eine mathematische Methode verstanden, die eine Veränderung von Algorithmen oder Parametern durchführt in Analogie zu der evolutionären Entwicklung der Lebewesen.

Durch Rekombination und Mutation wird im Rahmen der Fortpflanzung Erbgut an Nachkommen weitergegeben. Über die Bewertung der Nachkommen hinsichtlich eines definierten Qualitätskriteriums, die sogenannte Fitnessfunktion, wird eine Selektion getroffen, so dass nur die jeweils besten Nachkommen einer Generation zur Weitergabe ihrer Erbinformationen zugelassen werden.

Im vorliegenden Fall wird dieses Prinzip auf das bestehende Optimierungsproblem übertragen. Dabei entspricht ein Gefäßmodell einem Individuum, die nachzujustierenden Modellparameter der Erbinformation und das Maß der Übereinstimmung zwischen modellierten und den entsprechenden am Patienten gemessenen Strömungsverhältnissen der Qualität eines Individuums bzw. eines Modells. Die mathematische Vorschrift, nach der die Bewertung der Übereinstimmung der zu vergleichenden Strömungsverhältnisse erfolgt, ist die Fitnessfunktion.

Das Optimierungsverfahren mit Rekombination, Mutation und Selektion wird so lange wiederholt, bis die Qualität eines generierten Modells das vom Nutzer angesetzte Qualitätskriterium erfüllt oder eine vorher festgelegte Optimierungsdauer abgelaufen ist.

Ziel ist es, in einem hochdimensionalen Raum möglicher Lösungen möglichst schnell eine möglichst optimale Lösung für das gestellte Optimierungsproblem, d.h. in diesem Fall die möglichst hohe Übereinstimmung zwischen den vom modellierten Gefäßsystem berechneten Strömungsverhältnisse und den am Patienten gemessenen Strömungsverhältnissen, zu finden. Die Zahl der möglichen Lösungen ist unüberschaubar groß und kann unter Umständen auch unendlich sein. Mit Hilfe der evolutionären Strategie ist es jedoch möglich, auch in großen Suchräumen sehr schnell die optimale Lösung des Optimierungsproblems zu finden.

Weitere Informationen zu evolutionären Algorithmen finden sich in H.-P. Schwefel, Evolutionsstrategie und numerische Optimierung, Dissertation, TU Berlin, 1975; S. Mollus, Parameteranpassung eines reduzierten Herz-Kreislaufmodells mit evoluionärer Optimierung, Institut für Physiologoie der RWTH-Aachen, 1998; T. Bäck, F. Hoffmeister, und H.-P. Schwefel, A survey of evolution strategies, In R. Belew und L. Booker, Herausgeber (Hrg.), Proc. of the 4^th Int. Conf. on Genetic Algorithmus; Morgan Kaufmann, San Mateo CA, 1991; T. Bäck und H.-P. Schwefel, An overview of evolutionary algorithmus for parameter optimization, Evolutionary Computation, 1:1–23, 1993; V. Nissen, Einführung in Evolutionäre Algorithmen, Vieweg Verlag Wiesbaden, 1997; E. Schöneburg, F. Heinzmann und S. Feddersen, Genetische Algorithmen und Evolutionsstrategien, Addison-Wesley, Berlin 1994.

Anzumerken ist, dass selbstverständlich auch andere Optimierungsmechanismen Anwendung finden können. Wichtig ist in dem Zusammenhang, dass die Veränderung der Parameter bzw. die Veränderung der Algorithmen zu eine verbesserten Berechnung der Strömungsverhältnisse führt.

Die Messung des Blutflusses oder der Blutflussgeschwindigkeit durch wenigstens eines der Gefäße gemäß Schritt b) kann beispielsweise mittels geeigneter Sequenzen der MRT, insbesondere einer MRT-Angiografie oder mittels einer Doppler-Sonografie oder einer Duplex-Sonografie, erfolgen. Auch andere Messverfahren sind selbstverständlich einsetzbar.

Ergänzend sei angemerkt, dass im Sinne der Erfindung wenigstens eine Blutflussmessung oder wenigstens eine Blutflussgeschwindigkeitsmessung stattfindet. Vorzugsweise wird der Blutfluss bzw. die Blutflussgeschwindigkeit an all denjenigen Gefäßen gemessen, die Einflüsse in das System von Blutgefäßen darstellen. Wird das System von Blutgefäßen nur von einem einzigen zentralen Einfluss mit Blut versorgt, genügt im Prinzip die Messung dieses Einflusses. Wird das Gefäßsystem von mehreren Einflüssen versorgt, genügt die Messung dieser mehrerer Einflüsse.

Es ist allerdings nicht zwingend erforderlich, im Bereich der Einflüsse zu messen. Stattdessen kann bei geeigneter Berechnung der übrigen Blutflusswerte bzw. Blutflussgeschwindigkeiten auch an einer anderen Stelle des Systems der Blutfluss bzw. die Bluttlussgeschwindigkeit gemessen werden, wobei die Messung im Bereich der Einflüsse jedoch besonders vorteilhaft ist.

Die Erfassung der Parameter, insbesondere der geometrischen Anordnung der Blutgefäße, der Gefäßdurchmesser und der Gefäßlängen kann vorteilhafterweise mit einem bildgebenden Verfahren durchgeführt werden. Insbesondere kommt hierfür die Magnet-Resonanz-Angiografie (MRA) als nicht invasives und gesundheitlich nicht belastendes Verfahren in Betracht. Die Bildaufnahme kann beim derzeitigen Stand der Technik innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden.

Als zu erfassende Parameter der Blutgefäße im Sinne des Schrittes a) des Anspruches 1 werden einerseits unmittelbare Messdaten angesehen, die manuell oder automatisch erfasst werden. Unter dem Begriff Parameter können im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung aber auch solche Größen verstanden werden, die sich aus den Messdaten erst durch eine weitere Berechnung, beispielsweise über verschiedene Formeln ergeben. Auch diese Formeln können als Algorithmus im Sinne der Erfindung bezeichnet werden.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit und weil deren Diskussion den Rahmen dieser Patentanmeldung sprengen würde, wurde vorliegend auf die formelmäßige Erläuterung der Erfassung und Weiterverarbeitung der Parameter und der Blutflusswerte bzw. deren Darstellung verzichtet. Sämtliche zur Berechnung der Strömungsverhältnisse erforderlichen Formeln befinden sich einschließlich einer ausführlichen Herleitung in der zuvor zitierten Diplomarbeit des Anmelders. Der Inhalt dieser Diplomarbeit, insbesondere hinsichtlich der formelmäßigen Berechnung von Strömungsverhältnissen eines Gefäßsystems, wird hiermit in den Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung mit eingeschlossen.

Unter den Begriff Strömungsverhältnisse fallen sämtliche im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Blutflusses in einem Blutgefäßsystem relevanten oder maßgeblichen Daten. Insbesondere bezieht sich die Berechnung von Strömungsverhältnissen auf die Berechnung von Flusswerten. Alternativ können aber auch Blutdruckwerte und Blutvolumenwerte etc. berechnet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden gemäß Schritt g) die Strömungsverhältnisse an einer bestimmten Stelle mittels des veränderten Algorithmus und/oder unter Berücksichtigung der veränderten Parameter berechnet. Dies ermöglicht einen nachfolgenden Vergleich, ob durch Veränderung des Algorithmus und/oder durch Veränderung der Parameter eine verbesserte Berechnung erreicht wurde, d.h., ob die verbesserte Berechnung den realen Verhältnissen besser entspricht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung findet gemäß Schritt h) ein Vergleich der in Schritt g) neu berechneten Strömungsverhältnisse mit den in Schritt d) gemessenen Strömungsverhältnissen an der bestimmten Stelle und eine Beurteilung des veränderten Algorithmus und/oder der veränderten Parameter statt. Der Vergleich ermöglicht eine Beurteilung des veränderten Algorithmus und/oder der veränderten Parameter dahingehend, ob die Veränderung des Algorithmus und/oder der Parameter zu einer Verbesserung der Berechung der Strömungsverhältnisse führte oder nicht. Auf diese Weise kann eine Optimierung der Veränderung des Algorithmus und/oder der Veränderung der Parameter durchgeführt werden.

Der Schritt der Beurteilung des veränderten Algorithmus und/oder der veränderten Parameter kann auf vorteilhafte Weise in eine evolutionäre Strategie mit eingebunden werden und auf diese Weise eine zielgerichtete, sich einem Optimum annähernde Entwicklung des Algorithmus und/oder der Parameter ermöglichen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Schritte f), g) und h) mehrfach wiederholt. Dies ermöglicht eine besonders gute Optimierung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Wiederholung der Schritte f), g) und h) eine vorgegebene Zeit lang. Die vorgegebene Zeit kann beispielsweise auch einstellbar sein. Auf diese Weise kann der Optimierungsprozess zur Ermittlung eines optimierten Algorithmus und/oder von optimierten Parametern auch abgebrochen werden, bevor der Optimierungsprozess abgeschlossen ist. Die Vorgabe einer definierten Rechenzeit berücksichtigt aber, dass im Regelfall, eine ausreichende Rechnerleistung vorausgesetzt, bereits nach einer bestimmten Zeitperiode eine hinreichende Optimierung erreicht ist, wobei die berechneten Strömungsverhältnisse den tatsächlichen, realen Strömungsverhältnissen ausreichend entsprechen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt i): Ändern des Systems von Blutgefäßen, z.B. Ändern der Parameter, insbesondere Ändern der erfassten Zahl der Blutgefäße oder Ändern der erfassten Geometrie der Blutgefäße und Berechnen der Strömungsverhältnisse an einer zweiten bestimmten Stelle im geänderten System von Blutgefäßen unter Berücksichtigung von veränderten Parametern und/oder unter Berücksichtigung des veränderten Algorithmus. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann eine Änderung des Systems von Blutgefäßen auf nicht-invasive Art und Weise lediglich modellhaft erfolgen, beispielsweise derart, dass ein Blutgefäß als abgeklemmt in dem Modell dargestellt wird und über entsprechende Parameter, beispielsweise in Form eines Abschlusswiderstandes beschrieben wird. Die Änderung des Systems von Blutgefäßen kann einer an einem realen System von Blutgefäßen in Folge eines z.B. chirurgischen Eingriffs vorzunehmenden, geplanten Änderung entsprechen, so dass nun im Vorfeld abgeschätzt werden kann, ob die tatsächlich geplante Änderung in dem System von Blutgefäßen eine Unterversorgung mit Sauerstoff hervorruft und ein ernstzunehmendes Risiko für den Patienten darstellt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden gemäß Schritt j) die berechneten Strömungsverhältnisse an der zweiten bestimmten Stelle dargestellt. Eine derartige Darstellung kann in Form einer Anzeige oder in Form eines Ausdrucks vorgenommen werden. Die Darstellung der Strömungsverhältnisse an der zweiten bestimmten Stelle kann z.B. auch als Zur-Verfügung-Stellung oder Weitergabe dieser Strömungsverhältnisse in beliebigen Datenformaten erfolgen, die zur elektronischen Weiterverarbeitung einem Benutzer zur Verfügung gestellt werden können.

Vorzugsweise werden die berechneten Strömungsverhältnisse nahezu in Echtzeit, also Online dargestellt.

Anzumerken ist, dass eine Darstellung der berechneten Strömungsverhältnisse nicht nur an der zweiten bestimmten Stelle sondern auch an der ersten bestimmten Stelle in Echtzeit erfolgen kann.

Die Darstellung der berechneten Strömungsverhältnisse erlaubt auf einfache Weise einen Vergleich der berechneten Strömungsverhältnisse mit den aus der Literatur bekannten durchschnittlichen oder kritischen Werten für die Strömungsverhältnisse an dieser Stelle und lässt damit auch den Vergleich mit den modellhaft berechneten Strömungsverhältnissen vor der tatsächlichen Veränderung des Gefäßsystems, also vor der geplanten Operation, zu.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können gemäß Schritt k) die berechneten Strömungsverhältnisse an der zweiten bestimmten Stelle mit einer Tabelle verglichen werden, die für die zweite Stelle des Blutgefäßes übliche oder durchschnittliche oder kritische Werte enthält. Auf diese Weise kann die Abschätzung eines Risikos einer Änderung des realen Systems der Blutgefäße vorgenommen werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Schritt a) ein bildgebendes Verfahren verwendet. Dies ermöglicht einen Rückgriff auf bekannte Verfahren zur Erfassung der gewünschten Parameter.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach Schritt b) noch bei wenigstens einem weiteren Blutgefäß der Blutfluss gemessen. Dies ermöglicht, je nach Geometrie des Systems von Blutgefäßen, eine verbesserte oder vervollständigte Erfassung der Blutflüsse und damit eine verbesserte Berechnung der Strömungsverhältnisse.

Das modellierte System der Blutgefäße wird damit weiter überbestimmt. Die Zahl der erfassten Parameter und Blutfluss- oder Blutflussgeschwindigkeitswerte übersteigen dann die zur Berechnung der Strömungsverhältnisse erforderliche Zahl an Parametern und Blutflusswerten. Auf Grund dieser Überbestimmung kann eine weiter verbesserte Validierung und Überprüfung der Berechnung der Strömungsverhältnisse erfolgen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die mehreren Blutgefäße des Systems von Blutgefäßen modelliert. Modellieren im Sinne des Anspruches 13 bedeutet, dass das reale System von Blutgefäßen zunächst nachgebaut wird, das heißt es wird ein Datensatz erstellt, vorzugsweise auf einem Computer, der ein Abbild des realen Systems darstellt. Die vorhandenen Blutgefäße werden hinsichtlich ihrer Geometrie, also hinsichtlich möglicher Verzweigungen oder Zusammenflusspunkte, das heißt Knotenpunkte, hinsichtlich ihrer Gefäßdurchmesser etc., in Form von Computerdaten, insbesondere in Form von Koordinaten, erfasst. Anschließend werden die hämodynamischen Eigenschaften des erstellten Gefäßnetzes mit Hilfe von mathematischen Gleichungen zeitvariant berechnet. Auf diese Weise lassen sich die Strömungsverhältnisse des Blutes innerhalb des Gefäßsystems simulieren.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Simulation von Strömungsverhältnissen in einem System von Blutgefäßen. Eine derartige Vorrichtung ist dem Anmelder nicht bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Simulation von Strömungsverhältnissen in einem System von Blutgefäßen bereitzustellen, die eine realitätsnahe Berechnung von Strömungsverhältnissen in einem System von Blutgefäßen ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 14. Sie umfasst demnach umfassend eine Eingabevorrichtung zur Erfassung von Parametern mehrerer Blutgefäße, insbesondere der geometrischen Anordnung der Blutgefäße, der Gefäßdurchmesser, der Gefäßlängen und der Gefäßwandelastizität, sowie eine Messeinrichtung zur Messung des Blutflusses oder der Blutflussgeschwindigkeit durch wenigstens eines dieser Gefäße, insbesondere mittels Duplex-Sonografie, wobei eine Rechnereinheit vorgesehen ist, die die Strömungsverhältnisse an einer bestimmten Stelle in dem System von Blutgefäßen aus den erfassten Parametern und dem wenigstens einen gemessenen Blutfluss bzw. Blutflussgeschwindigkeit mittels eines Algorithmus berechnet, wobei insbesondere mittels der Messeinrichtung auch die Strömungsverhältnisse an der bestimmten Stelle messbar sind, wobei ein Vergleich der berechneten Strömungsverhältnisse an der bestimmten Stelle mit den gemessenen Strömungsverhältnissen an der bestimmten Stelle durchführbar ist, und wobei die Vorrichtung in Abhängigkeit des Ergebnisses dieses Vergleiches den Algorithmus und/oder die Parameter ändert.

Das Prinzip der Erfindung besteht somit im wesentlichen darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der durch Eingabe von Parametern eine Berechnung von Strömungsverhältnissen an einer bestimmten Stelle vorgenommen wird. Anschließend können die berechneten Strömungsverhältnisse mit einem Referenzwert verglichen werden, der einen Messwert an dieser bestimmten Stelle darstellt. Hierbei ist anzumerken, dass als Referenz i.d.R. nicht ein einzelner Wert, z.B. ein Blutfluss zu einer Zeit herangezogen wird, sondern vielmehr ein Datensatz, der den zeitlichen Verlauf des Blutflusses wiedergibt. Bei der Referenz handelt es sich also vorzugsweise um eine Zeitreihe. In Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleiches von berechneten Strömungsverhältnissen zu den gemessenen Strömungsverhältnissen ändert die Vorrichtung den Algorithmus und/oder die Parameter. Auf diese Weise kann die Berechnung der Strömungsverhältnisse optimiert werden.

Die Parameter können an der Eingabevorrichtung manuell oder alternativ auch automatisch eingegeben werden. Im letzteren Fall kann die Eingabevorrichtung daher auch eine Tastatur oder beispielsweise auch aus einer Messeinrichtung oder einer Datenschnittstelle umfassen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Eingabevorrichtung, die Messeinrichtung und die Rechnereinheit integrieren. Diese Einrichtungen können aber auch gesonderte Bestandteile der Vorrichtung sein, die über Kabel, Funkverbindungen od. dgl. miteinander zu einer Vorrichtung verbunden sind. Schließlich kann die Vorrichtung aber auch aus einzelnen Komponenten zusammengesetzt sein, ohne dass diese einzelnen Komponenten (Eingabevorrichtung, Messeinrichtung und Rechnereinheit) miteinander verbunden sind oder sich unmittelbar austauschen können. Eine Übergabe von Informationen oder Daten von einem Teil der Vorrichtung zu einem anderen Teil der Vorrichtung kann automatisch oder auch beispielsweise durch manuelle Eingabe erfolgen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist schließlich in vorteilhafter Weise auch eine Ausgabeeinheit auf, die berechnete Strömungsverhältnisse ausgeben kann. Die Ausgabeeinheit kann auch in Form eines Displays oder eines Druckers vorgesehen sein. Vorteilhafterweise wird die Rechnereinheit von einem Computer, beispielsweise von einem Personalcomputer, bereitgestellt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nicht zitierten Unteransprüchen sowie an Hand der nun folgenden Beschreibung eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels. Darin zeigen:
1 in einer schematischen, blockschaltbildartigen Darstellung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
2 in einer schematischen, beispielhaften Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines tatsächlichen, realen Systems von Blutgefäßen.
2 zeigt exemplarisch und in einer sehr schematischen Darstellung ein System 10, welches Blutgefäße 11a, 11b, 11c, 11d und 11e aufweist. Das Blutgefäß 11a splittet sich im Bereich 16 einer Verzweigung gabelartig in drei Zweige von Blutgefäßen 11b, 11d und 11e auf. Ein Hauptzweig 11b geht in einem Abschnitt 11c über. Parallel zu dem Blutgefäß 11b ist ein bypass-artiger Zweig eines Blutgefäßes 11e angeordnet, der im Bereich 17 eines Knotens mit dem Abschnitt 11b verschmilzt. Die Strömungsrichtung des Blutes ist durch verschiedene, mit x bezeichnete Pfeile angedeutet.
Das Gefäßsystem 10 darf nur sehr schematisch verstanden werden. Es ist nur ausschnittsartig dargestellt. Das Blutgefäß 11d kann sich im Bereich seines rechten Endes 18 beispielsweise weiter verzweigen und gegebenenfalls auch mit dem Blutgefäß 11c wieder verbinden. Typischerweise enden die dargestellten Blutgefäße, bei denen es sich vorzugsweise um Arterien handelt, durch viele immer feinere Verzweigungen in einem Kapillar-Bereich. Derartige Kapillar-Bereiche sind in 2 der Übersichtlichkeit halber jedoch nicht dargestellt.
Das erste Blutgefäß 11a weist einen Durchmesser d₁ auf. Analog weist das zweite Blutgefäß 11b einen Durchmesser d₂, das dritte Blutgefäß 11c einen Durchmesser d₃, das vierte Blutgefäß 11d einen Durchmesser d₄, das fünfte Blutgefäß 11e einen Durchmesser d₅ auf.
Für eine vereinfachte Betrachtung wird angenommen, dass jedes der fünf Blutgefäße einen über seine axiale Länge konstanten Durchmesser aufweist. In weiter verfeinerten Simulationsverfahren mit verbesserten Simulationsvorrichtungen können aber auch unterschiedliche Durchmesser an einem Blutgefäß erfasst werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, ein Blutgefäß in unterschiedliche Axialabschnitte aufzuteilen. Diese Abschnitte können dann auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Das Strukturbild der 2 kann beispielsweise mittels eines bildgebenden Verfahrens aufgenommen werden. Das von einer entsprechenden Kamera und mit einer entsprechenden Messeinrichtung aufgenommene Bild zeigt dann einen Ausschnitt aus dem realen Blutgefäßsystem 10 eines Patienten.
In Folge eines erforderlichen chirurgischen Eingriffes, beispielsweise zur Entfernung von Gewebe in einem Bereich 19 kann es bei einem Patienten erforderlich sein, im Bereich des Positionspfeiles 12 eine Stenose zu setzen, d.h. das Blutgefäß 11e im Bereich des Positionspfeiles 12 zumindest teilweise zu verschließen. Auf diese Weise wird ein Blutfluss durch das Blutgefäß 11e in Richtung des Strömungspfeiles X verhindert.
Ein Abklemmen des Blutgefäßes 11e mittels der Stenose 12 kann erforderlich sein, um das Gewebe 19 in Ruhe zu operieren bzw. entfernen zu können oder einen Eingriff am Gefäß 11e im Bereich 19 regelgerecht durchführen zu können, ohne dass ein Blutfluss die Operation bzw. den Eingriff stört. Als Operation im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung wird jede Manipulation am Gefäßsystem oder am benachbarten Gewebe bezeichnet. Bei anderen Situationen kann es auch gewünscht sein, ein Blutgefäß 11e umzuleiten, d.h. beispielsweise im Bereich des Positionspfeiles 12 zu durchtrennen und mit einem weiteren, nicht dargestellten Blutgefäß zu verbinden, um einen anderen Gewebebereich besser zu durchbluten.
Von besonderer Bedeutung kann im Zusammenhang mit dem Setzen einer Stenose 12 oder mit dem Abklemmen eines Blutgefäßes 11e die Fragestellung sein, ob im Bereich 14 des Gewebes eine ausreichende Versorgung des Gewebes 14 mit über das Blut transportierten Sauerstoff gewährleistet ist, nachdem die Stenose 12 induziert wurde. Hierzu ist festzustellen, dass im Normalfalle, also dann, wenn keine Stenose 12 gesetzt ist, der Gewebebereich 14 durch den Blutfluss durch das Blutgefäß 11c versorgt wird, mithin durch die Summe der Ströme der Zweige bzw. Blutgefäße 11b und 11e. Auf Grund einer Stenose des Blutgefäßes 11e wird der Blutfluss durch den das Gewebe 14 versorgenden Blutgefäßzweig 11c vermindert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 soll nun eine Berechnung von Strömungsverhältnissen im Bereich der als zweite Stelle bezeichneten Stelle 13 des Blutgefäßes 11c des Systems 10 von Blutgefäßen möglich werden, um abschätzen zu können, ob die Stenose 12 im Bereich des Blutgefäßes 11e ohne Risiko einer Unterversorgung des Gewebebereiches 14 gesetzt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Simulation von Strömungsverhältnissen in einem System 10 von Blutgefäßen 11a, 11b, 11c, 11d, 11e soll nachfolgend erläutert werden. Zuvor sei jedoch noch kurz an Hand der 1 in sehr schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 beschrieben:
Gemäß 1 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 eine Anzeigeeinheit 21 oder Ausgabeeinheit, beispielsweise in Form eines herkömmlichen Monitors, also eines Computerbildschirmes auf. Des Weiteren ist eine Rechnereinheit 22 vorgesehen, die verschiedenartige Berechnungen vornehmen kann. Insbesondere ist dem Rechner 22 auch eine Speichereinheit zugeordnet, auf der z.B. der Algorithmus sowie die Vorgehensweisen zur Optimierung des Algorithmus und/oder zur Optimierung von Parametern abgelegt sind.
Eine Eingabeeinheit 23, beispielsweise eine herkömmliche Tastatur, ist über ein Kabel 25a mit der Rechnereinheit 22 verbunden. Auch eine Messeinrichtung 24, beispielsweise eine Einrichtung zur Messung von Parametern des Systems 10 von Blutgefäßen, kann über eine Kabelverbindung 25b mit der Rechnereinheit 22 verbunden sein. Es sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass die einzelnen Komponenten der Vorrichtung 20 nicht miteinander verbunden sein müssen, sondern eine Übergabe bzw. ein Austausch von Daten von der einen Einheit 23, 24 an eine andere Einheit 22 auch manuell oder auf sonstige Weise vorgenommen werden kann.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist wie folgt:
Zunächst werden mittels eines bildgebenden Verfahrens, beispielsweise mittels einer Angiografie, Parameter der Blutgefäße 11a, 11b, 11c, 11d, 11e erfasst. Zu den zu erfassenden Parametern gehören beispielsweise die Durchmesser d₁, d₂, d₃, d₄, d₅ der Blutgefäße 11a, 11b, 11c, 11d, 11e. Von besonderer Bedeutung sind aber auch die Längen der einzelnen Blutgefäße. Beispielhaft ist in 2 ein Längenabschnitt des Gefäßsystems 10 mit I bezeichnet. Tatsächlich werden vorzugsweise von sämtlichen Blutgefäßen 11a, 11b, 11c, 11d, 11e die einzelnen axialen Längen erfasst.
Von besonderer Bedeutung ist auch die Erfassung der geometrischen Anordnung der Blutgefäße. Beispielsweise ist es bei einer Anordnung von Blutgefäßen gemäß 2 von Bedeutung, den Gabelpunkt 16 (Verzweigung) und den Verbindungspunkt 17 aufzunehmen, d.h. alle Verzweigungs- oder Knotenpunkte. Anzumerken ist in diesem Zusammenhang, dass die dargestellte Anordnung von Blutgefäßen gemäß 2 lediglich beispielhaft zu verstehen ist. Tatsächlich kann das Gefäßsystem weitaus komplizierter sein und über eine Vielzahl von Gabelpunkten oder Verzweigungen 16 und Knotenpunkten 17 verfügen.
Die in 2 schematisch dargestellte Anordnung von Blutgefäßen kann beispielsweise ein Ausschnitt eines im menschlichen Gehirn angeordneten Blutgefäßsystems 10 sein. Von besonderer Bedeutung ist hierbei ein ringförmiger Zusammenschluss von arteriellen Gefäßen an der basalen Fläche des Gehirns, der Circulus arteriosus willisii. Die Strömungsverhältnisse innerhalb dieses ringförmigen Gefäßnetzes und seiner zahlreichen Nebenzweige sind bei chirurgischen Eingriffen oder neuroradiologischen Interventionsverfahren von besonderer Bedeutung.
Maßgeblich ist eine durchzuführende Messung des Blutflusses oder der Blutflussgeschwindigkeit durch wenigstens eines der Blutgefäße 11a, 11b, 11c, 11d, 11e. Die Messung des Blutflusses kann beispielsweise mittels der Duplex-Sonografie durchgeführt werden. Für den Fall, dass möglichst wenige Blutflussmessungen vorgenommen werden sollen, empfiehlt sich die Messung des Blutflusses im Bereich eines Einflusses 11a, also beim Ausführungsbeispiel der 2 möglichst linksseitig der Verzeigungsstelle 16. Auf diese Weise kann der gesamte durch die Anordnung von Leitungszweigen 11d, 11b und 11e hindurch strömende Fluss berechnet werden, der sich im Bereich der Verzweigung auf diese drei Leitungszweige 11d, 11b, 11e aufteilt.
Wird das Gefäßsystem von mehreren Gefäßen mit Blut gefüllt, so werden vorzugsweise die Blutflüsse oder Blutflussgeschwindigkeiten in allen zuführenden Gefäßen gemessen. Die Messung des Blutflusses oder der Blutflussgeschwindigkeit kann beispielsweise mittels der Duplex-Sonografie oder einer geeigneten Sequenz der Magnetresonanztomografie durchgeführt werden.
Aus den erfassten Parametern kann nun mittels der Rechnereinheit 22 und mittels eines dort gespeicherten Algorithmus berechnet werden, welche Strömungsverhältnisse an einer bestimmten Stelle 15 in dem System 10 von Blutgefäßen auftreten. Insbesondere kann der im Bereich der ersten Stelle 15 auftretende Blutfluss berechnet werden. Es kann aber auch der Blutdruck oder eine andere für die Strömungsverhältnisse charakteristische bzw. für die Simulation der Strömungsverhältnisse relevante Größe berechnet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 sehen nunmehr vor, dass im Bereich der ersten bestimmten Stelle 15 die tatsächlichen Strömungsverhältnisse, z.B. mit der Messeinrichtung 24 am Patienten gemessen werden. Beispielsweise wird im Bereich der bestimmten Stelle 15 der Blutfluss gemessen, was prinzipiell mit dem gleichen Verfahren geschehen kann, mit dem bereits im Bereich linksseitig der Verzweigung 16 der Blutfluss gemessen worden ist.
Die für die bestimmte Stelle 15 berechneten Strömungsverhältnisse können nun mit den tatsächlich gemessenen Strömungsverhältnissen an dieser Stelle verglichen werden. Typischerweise wird man bei diesem Vergleich eine gewisse Diskrepanz feststellen. Das Vergleichsergebnis, also die festgestellte Diskrepanz, kann nunmehr dafür verwendet werden, den Algorithmus oder die in den Algorithmus eingehenden Parameter zu verändern, um auf diese Weise eine verbesserte Berechnung der Strömungsverhältnisse zu ermöglichen.
Anzumerken ist, dass der Vorgang selbstverständlich mehrfach wiederholt werden kann. Auch kann vorgesehen sein, dass an mehreren bestimmten Stellen Strömungsverhältnisse gemessen werden und mit berechneten Werten für die Strömungsverhältnisse an diesen Stellen verglichen werden. Je mehr Referenzmessungen vorgenommen werden, umso stärker wird das System überbestimmt und umso besser kann auch die Optimierung erfolgen.
Die Änderung des Algorithmus oder der in den Algorithmus einfließenden Parameter kann in Form eines Optimierungsprozesses, insbesondere in Form der zuvor erwähnten evolutionären Strategie durchgeführt werden. Am Ende eines derartigen Optimierungsprozesses soll ein Algorithmus oder eine Fassung von Parametern gefunden werden, die einer optimalen Lösung sehr nahe kommen und eine den tatsächlichen Strömungsverhältnissen stark angenäherte Berechnung der Strömungsverhältnisse ermöglichen. Diese Optimierung kann des weiteren, wie nachfolgend erläutert wird, zur Beurteilung eines Risikos einer Veränderung des Systems 10 von Blutgefäßen 11a, 11b, 11c, 11d, 11e verwendet werden.
Im Vorfeld der geplanten Stenose 12 im Bereich des Blutgefäßes 11e kann nun modellhaft die Geometrie der Blutgefäße oder die erfasste Zahl der Blutgefäße geändert werden. Zur Berechnung der Strömungsverhältnisse im Bereich der zweiten Stelle 13 und unter Berücksichtigung der Stenose 12 kann ein Algorithmus verwendet werden, in den die vorzunehmende Stenose 12 im Bereich des Leitungszweiges 11e des Blutgefäßes des Systems 10 einfließt.
Anzumerken ist, dass die Änderung des Systems 10 der Blutgefäße, beispielsweise aufgrund einer Berücksichtigung einer Stenose 12, einen anderen Algorithmus, als den Algorithmus, der bei dem unveränderten System 10 von Blutgefäßen verwendet worden ist, erfordern kann. Die in Folge der Referenzmessung bzw. Validierung durchgeführte Veränderung des Algorithmus bzw. der entsprechenden Parameter kann jedoch auch dann verwendet oder zumindest berücksichtigt werden, wenn der Algorithmus umstrukturiert werden muss, weil eine Änderung des Systems 10 von Blutgefäßen stattgefunden hat.
Die zuvor optimierten Parameter bzw. der zuvor optimierte Algorithmus können nun Grundlage für die Berechnung der Strömungsverhältnisse im Bereich der zweiten Stelle 13 sein.
Auf diese Weise kann verbessert abgeschätzt werden, ob in Folge einer Stenose 12 des Blutgefäßes 11e im Bereich der zweiten Stelle 13 noch ein ausreichender Blutfluss auftritt, der das stromabwärts der zweiten Stelle 13 liegende Gewebe 14 noch hinreichend mit Blut versorgt. Das erfindungsgemäße nicht-invasive Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung können invasive Tests, wie beispielsweise das kurzfristige Abklemmen eines Blutgefäßes, zur Abschätzung des Behandlungsrisikos ersetzen. Die Optimierung des Algorithmus oder der Parameter kann erfindungsgemäß durch Messung wenigstens eines Referenzwertes, beispielsweise im Bereich der ersten Stelle 15, deutlich verbessert werden.
Anzumerken ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 Anwendung finden können in völlig unterschiedlichen Bereichen, in denen es auf die Berechnung von Strömungsverhältnissen in Blutgefäßen ankommt. Beispielsweise kann auch im Vorfeld von Amputationen überlegt werden, wie sich die Strömungsverhältnisse in den Blutgefäßen ändern, wenn Gliedmaßen amputiert werden. Erforderlichenfalls kann dann bereits im Vorfeld festgestellt werden, dass an der einen oder anderen Stelle beispielsweise ein Bypass zu setzen ist.

Claims

Verfahren zur Simulation von Strömungsverhältnissen in einem System (10) von Blutgefäßen (11a, 11b, 11c, 11d, 11e), umfassend die Schritte: a) Erfassen von Parametern mehrerer Blutgefäße, insbesondere der geometrischen Anordnung (16, 17) der Blutgefäße, der Gefäßdurchmesser (d₁, d₂, d₃, d₄, d₅), der Gefäßlängen (l) und der Gefäßwandelastizität; b) Messen des Blutflusses oder der Blutflussgeschwindigkeit durch wenigstens eines dieser Gefäße, insbesondere mittels Duplex-Sonografie; c) Berechnen der Strömungsverhältnisse an wenigstens einer bestimmten Stelle (15) in dem System (10) von Blutgefäßen aus den zuvor erfassten Parametern und der wenigstens einen Blutfluss- oder Blutflussgeschwindigkeitsmessung mittels eines Algorithmus; d) Messen der Strömungsverhältnisse wenigstens an der bestimmten Stelle (15); e) Vergleichen der berechneten Strömungsverhältnisse an der bestimmten Stelle (15) mit den gemessenen Strömungsverhältnissen an der bestimmten Stelle (15); f) Verändern des Algorithmus und/oder der Parameter in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleiches.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt g): Berechnen der Strömungsverhältnisse an der bestimmten Stelle (15) mittels des veränderten Algorithmus und/oder unter Berücksichtigung veränderter Parameter.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den Schritt h): Vergleichen der in Schritt g) neu berechneten Strömungsverhältnisse mit den in Schritt d) gemessenen Strömungsverhältnissen an der bestimmten Stelle (15) und Beurteilen des veränderten Algorithmus und/oder der veränderten Parameter.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte f), g) und h) mehrfach wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholung der Schritte f), g) und h) eine vorgegebene Zeit lang erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit einstellbar ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Schritt i): Ändern des Systems von Blutgefäßen, z. B. Ändern der erfassten Parameter, insbesondere Ändern der Zahl der Blutgefäße oder Ändern der erfassten Geometrie der Blutgefäße, und Berechnen der Strömungsverhältnisse an einer zweiten bestimmten Stelle (13) in dem geänderten System (10) von Blutgefäßen unter Berücksichtigung von veränderten Parametern und/oder unter Berücksichtigung des veränderten Algorithmus.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Schritt j): Darstellen der berechneten Strömungsverhältnisse an der zweiten bestimmten Stelle (13), insbesondere durch eine Anzeigevorrichtung (21).
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch den Schritt k): Vergleichen der berechneten Strömungsverhältnisse an der zweiten bestimmten Stelle (13) mit einer Tabelle, die für die zweite Stelle (13) des Blutgefäßes (11c) übliche oder durchschnittliche oder kritische Werte der Strömungsverhältnisse enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch den Schritt l): Berechnen eines Risikos einer Änderung des Systems (10) der Blutgefäße unter Berücksichtigung des unter k) angestellten Vergleiches.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt a) ein bildgebendes Verfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) noch in wenigstens einem weiteren Blutgefäß der Blutfluss gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Blutgefäße des Systems von Blutgefäßen modelliert werden.
Vorrichtung (20) zur Simulation von Strömungsverhältnissen in einem System (10) von Blutgefäßen (11a, 11b, 11c, 11d, 11e), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend eine Eingabevorrichtung (23) zur Erfassung von Parametern mehrerer Blutgefäße, insbesondere der geometrischen Anordnung der Blutgefäße, der Gefäßdurchmesser, der Gefäßlängen und der Gefäßwandelastizität, sowie eine Messeinrichtung (24) zur Messung des Blutflusses oder der Blutflussgeschwindigkeit durch wenigstens eines dieser Gefäße, insbesondere mittels Duplex-Sonografie, wobei eine Rechnereinheit (22) vorgesehen ist, die die Strömungsverhältnisse an einer bestimmten Stelle (15) in dem System (10) von Blutgefäßen aus den erfassten Parametern und dem wenigstens einen gemessenen Blutfluss oder der Blutflussgeschwindigkeit mittels eines Algorithmus berechnet, wobei insbesondere mittels der Messeinrichtung (24) auch die Strömungsverhältnisse an der bestimmten Stelle (15) messbar sind, wobei ein Vergleich der berechneten Strömungsverhältnisse an der bestimmten Stelle (15) mit den gemessenen Strömungsverhältnissen an der bestimmten Stelle (15) durchführbar ist, und wobei die Vorrichtung (20) in Abhängigkeit des Ergebnisses dieses Vergleiches den Algorithmus und/oder die Parameter ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass an der Eingabevorrichtung (23) eine Änderung des Systems (10) von Blutgefäßen (11a, 11b, 11c, 11d, 11e) eingebbar ist, und dass die Rechnereinheit (22) die Strömungsverhältnisse an einer zweiten bestimmten Stelle (13) in dem geänderten System (10) von Blutgefäßen unter Berücksichtigung von veränderten Parametern und/oder unter Berücksichtigung des veränderten Algorithmus berechnet.