DE10327079A1

DE10327079A1 - Vorrichtung zur akustischen Untersuchung des Herzraumes eines Patienten

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Publication number: DE10327079A1
Application number: DE10327079A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Brensing; Dirk Dr. Rüter; Arno Eikhof; Jochen Henneberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2023-06-14
Also published as: DE10327079B4

Abstract

Eine Vorrichtung zur akustischen Untersuchung des Herzraumes eines Patienten, mit einer Aufnahmeeinrichtung, einer Speichereinrichtung und einer Auswerteeinrichtung, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung die durch ein definiertes akustisches Anregungssignal ausgelösten Resonanzsignale im Bereich des Herzens aufnimmt und bewertet, wobei die Frequenzen des Anregungssignals im Bereich zwischen 5 kHz und 100 kHz liegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zur akustischen Untersuchung des Herzraumes eines Patienten.
Die physiologische Charakterisierung des Herzraumes eines Patienten ist in der medizinischen Diagnostik von großem Interesse. Interessierende Parameter sind dabei z.B. die Herzgröße, das Herzschlagvolumen, die Beeinträchtigung von Größe und Schlagvolumen durch weitere Faktoren wie z.B. die Atmung, die Ausmaße des den Herzbeutel umgebenden Fettgewebes oder der Zustand einer u.U. vorhandenen mechanischen Herzklappenprothese.
Aufgrund der guten Schall leitenden Eigenschaften des Herzmuskelgewebes sind akustische Methoden bereits früh zur Herzuntersuchung verwendet worden.
Bei der Herzauskultation werden die durch Blutströmung und Herzklappenaktivität entstehenden Schallphänomene des Herzens von einem Arzt mit einem Stethoskop abgehört. Es handelt sich also um ein passives Verfahren. Die dabei berücksichtigten Frequenzen des Herzschalles liegen im Bereich zwischen 10 Hz und 2 kHz. Bei der prinzipiell ähnlichen Phonokardiographie werden die interessierenden Schallphänomene mit einem Mikrophon aufgenommen und zur leichteren Beurteilung in Form eines Phonokardiogrammes dargestellt.
Nachteil beider Verfahren ist, daß mit ihnen nur eine sehr beschränkte Anzahl von Parametern untersucht werden kann. Ein geübter Arzt kann damit anhand der jeweils typischen Geräusche z.B. Herzklappenfehler oder angeborene Herzfehler diagnostizieren. Informationen über die Herzgröße, das Herzschlagvolumen und andere Parameter liefern beide Methoden nicht. Außerdem ist für eine zutreffende Diagnose viel Erfahrung erforderlich.
Bei dem Verfahren der Echokardiographie handelt es sich im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Verfahren um eine aktive Methode, bei der Ultraschallwellen im Herzbereich von außen auf den Körper eingestrahlt und die von den Geweben reflektierten Schallwellen aufgezeichnet werden. Die verwendeten Schallfrequenzen liegen im Bereich zwischen 1 und 20 MHz. Da Ultraschallwellen von verschiedenen Geweben unterschiedlich stark reflektiert werden, kann aus dem Muster der reflektierten Wellen ein Bild generiert werden, das Informationen über die Herzanatomie enthält. Aufgrund der verwendeten hohen Frequenzen liefert die Methode dabei eine relative feine Bildauflösung. Die Echokardiographie wird daher überwiegend als bildgebende Methode eingesetzt. Zur zeitaufgelösten Charakterisierung physiologischer Parameter eignet sie sich nicht.
Bei der Herzperkussion handelt es sich ebenfalls um ein aktives Untersuchungsverfahren. Dabei klopft der Arzt die Körperoberfläche im Bereich des Thorax mit der Hand oder einem geeigneten Gerät ab, um aus den erzeugten Resonanzen, also den Eigenschwingungen der erschütterten Gewebe, auf die Ausdehnung und Beschaffenheit des Herzens zu schließen. Die dabei berücksichtigten Frequenzen des Herzschalles liegen wie bei den zuvor beschriebenen passiven Verfahren im Bereich zwischen 10 Hz und 2 kHz. Anders als bei dem ebenfalls aktiven Verfahren der Echokardiographie, bei dem die auf ein eingestrahltes Schallsignal von den Geweben reflektierten Schallwellen ausgewertet werden, wertet bei der Perkussion der Arzt die durch das Klopfen angeregten Resonanzen des Gewebes aus. Aufgrund der sehr schlechten zeitlichen Auflösung dieser manuellen Methode eignet sich das Verfahren lediglich für die Untersuchung der Beschaffenheit des interessierenden Gewebes. Eine zeitaufgelöste Charakerisierung physiologischer Parameter ist nicht möglich. Überdies läßt die Methode nur ungenaue Rückschlüsse zu, und für eine zutreffende Diagnose ist sehr viel Erfahrung erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur akustischen Untersuchung des Herzraumes zu schaffen, die die reproduzierbare Untersuchung weiterer physiologischer und ggf. morphologischer Parameter auf einfache Weise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gelöst, die die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
Demzufolge ist eine Vorrichtung zur akustischen Untersuchung des Herzraumes eines Patienten, mit einer Aufnahmeeinrichtung, einer Speichereinrichtung und einer Auswerteeinrichtung, vorgesehen, die durch ein definiertes akustisches Anregungssignal ausgelöste Resonanzsignale im Bereich des Herzens aufnimmt und bewertet, wobei die Frequenzen des Anregungssignals im Bereich zwischen 5 kHz und 100 kHz liegen.
Die Aufnahme und Bewertung solcher Resonanzsignale ermöglicht Rückschlüsse auf die Art und Umgebung des Herzraumes. Dabei macht man sich zunutze, daß die Resonanzfrequenz eines Gewebes u.A. abhängig ist von dessen Ausdehnung oder dessen Größe. Eine relative niedrige Resonanzfrequenz weist z.B. auf ein vergleichsweise großes Herz hin, während eine relativ hohe Resonanzfrequenz auf ein vergleichsweise kleines Herz hinweist.
Zudem ändern sich die jeweiligen Resonanzfrequenzen häufig im Laufe der Zeit, z.B. durch die Volumenänderung des Herzbeutels während eines Atemzuges oder der Systole. Diese Resonanzfrequenzänderungen können z.B. Informationen über die absolute Herzgröße, das Herzschlagvolumen oder die Änderung des Herzvolumens durch die Atmung liefern.
Der dabei interessierende Bereich der Resonanzfrequenzen entspricht dem Frequenzbereich des Anregungssignals. Als sehr aussagekräftig hat sich jedoch der Frequenzbereich zwischen 8 kHz und 40 kHz erwiesen. Besonders aussagekräftig ist der Frequenzbereich zwischen 10 kHz und 22 kHz.
Akustische Resonanzverfahren sind in der Medizin z.B. aus der Lungendiagnostik bekannt (Blechschmidt RA, Werthschützky R (2002): Akustische Diagnostik der Lunge. Technisches Messen 69(4), 194). Hier wird über einen elektrodynamischen Aktor, der einen Stößel aufweist und auf den Brustkorb eines Patienten aufgelegt wird, ein breitbandiges Schallsignal in den Thorax eingespielt und mit einem stethoskopähnlichen Mikrofon, das auf der entgegengesetzten Seite des Thorax auf den Brustkorb aufgelegt wird, der transmittierte Schall aufgezeichnet. Durch Dämpfung bzw. Resonanzverstärkung bestimmter Frequenzen kann so eine Aussage über Veränderungen in Lungenvolumen und Lungendichte, die z.B. krankhafter Natur sein können, getroffen werden. Der dabei zur Anwendung kommende Frequenzbereich liegt im unteren Bereich des hörbaren Spektrums zwischen 100 und 500 Hz, wobei der Bereich um 320 Hz besonders aussagekräftig ist. Der bei dem Verfahren verwendete elektrodynamische Aktor kann zwar Schwingungen großer Amplitude auf den Brustkorb aufbringen, ist aber nur für die Erzeugung solch niedriger Frequenzen geeignet. Mit den verwendeten, hörba ren Frequenzen können jedoch lediglich Resonanzsignale luftgefüllter Organe aufgenommen werden, da diese sehr niedrige Resonanzfrequenzen haben. Aus diesem Grund findet das beschriebene Verfahren ausschließlich Anwendung bei der Charakterisierung der Organe des Atemtraktes.
Die akustischen Eigenschaften (Dichte, Elastizitätsmodul, akustische Impedanz, Dämpfung, Schallgeschwindigkeit) von Luft auf der einen Seite und Wasser bzw. Gewebe auf der anderen Seite unterscheiden sich stark. Daher ergeben sich für die Erzeugung, Aufnahme und Auswertung von Resonanzsignalen bei nicht luftgefüllten Organen andere technische und theoretische Grundvoraussetzungen. Insbesondere liegen bei nicht luftgefüllten Organen die Resonanzfrequenzen um ein Vielfaches höher.
Eine Übertragung des beschriebenen Verfahrens auf nicht luftgefüllte Organe ist daher nicht möglich. Erst die Merkmale des erfindungsgemäßen Anspruchs 1 erlauben die Auswertung von Resonanzphänomenen bei solchen Organen. Dabei werden im Gegensatz zu dem beschriebenen Verfahren Frequenzen aus dem nahen Ultraschallbereich verwendet, die damit um mindestens eine Größenordnung höher liegen als bei dem beschriebenen Verfahren. Der besonders aussagekräftige Bereich liegt sogar um den Faktor 50 höher. Diese Frequenzen lassen sich mit den Methoden aus dem beschriebenen Verfahren nicht erzeugen bzw. auswerten.
Wie bereits geschildert, nimmt die erfindungsgemäße Vorrichtung durch ein definiertes akustisches Anregungssignal ausgelöste Resonanzsignale im Bereich des Herzens auf und bewertet diese. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Vorrichtung eine Schallerzeugungseinrichtung zur Ausstrahlung des Anregungssignals aufweist. Diese Schallerzeugungseinrichtung kann bevorzugt ein piezokeramisches Element sein. Solche Elemente weisen in dem genannten Anregungsfrequenzbereich einen höheren Wirkungsgrad auf als z.B. Spulenlautsprecher, die sich besser für niedrigere Frequenzen eignen. Nichtsdestotrotz sind auch Spulenlautsprecher als Schallerzeugungseinrichtungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignet.
In vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, als Anregungssignal Rauschsignale, schnell durchstimmbare monofrequente Signale (Sweepsignale) und/oder breitbandige Impulssignale zu verwenden. Allen diesen Signaltypen ist gemein, daß sie innerhalb eines gegebenen Zeitraumes ein breites Frequenzband abdecken. Wie weiter unten dargelegt, eignen sich alle drei zur Erzeugung der gewünschten Resonanzen. Konstante monofrequente bzw. schmalbandige Signale eignen sich dagegen nicht, da die Wahrscheinlichkeit besteht, daß die Resonanzfrequenzen der jeweiligen Gewebe nicht im monofrequenten bzw. schmalbandigen Anregungssignal enthalten sind und die betreffenden Gewebe daher nicht in Resonanz gebracht werden können.
Als Anregungssignal kann aber stattdessen auch ein von einer anderen Schallquelle erzeugtes Signal verwendet werden. Dieses Signal kann z.B. in einer vorteilhaften Ausgestaltung das von einem künstlichen Herzklappenimplantat im Körper des Patienten verursachte Geräusch sein, z.B. das Öffnungsgeräusch, das Scharniersignal und/oder das Schließgeräusch des Herzklappenimplantates. Bei allen diesen Geräuschen handelt es sich um sehr kurze Impulssignale mit einer Dauer von weniger als 5 ms, die eine hohe Bandbreite aufweisen und daher Resonanzen im Bereich des Herzens erzeugen. Untersuchungen der Anmelderin haben erstmals gezeigt, daß die bei Trägern von künstlichen Herzklappenimplantaten wahrzunehmenden typischen Schließgeräusche, die eine Dauer von bis zu 20 ms haben können, nur zu einem kleinen Teil aus dem eigentlichen Schließgeräusch der Klappe und zum weitaus größten Teil aus dem Resonanzgeräusch des umgebenden Herzgewebes bestehen. Das eigentliche Geräusch eines Herzklappenimplantates kann also in gleicher Weise wie ein von einer Schallerzeu gungseinrichtung außerhalb des Körpers erzeugtes Schallsignal zur Anregung von Resonanzen im Herzraum verwendet werden. Dessenungeachtet können aber auch andere körpereigene oder körperfremde Schallquellen verwendet werden, solange sie geeignet sind, Resonanzen der interessierenden Organe hervorzurufen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, aus den Klangeigenschaften des durch das Geräusch des künstlichen Herzklappenimplantats angeregten Resonanzsignals Aussagen zu der Art und dem Zustand des Implantats zu machen. Diesem Vorgehen liegt zugrunde, daß sich im Laufe der Zeit die Klangeigenschaften einer künstlichen Herzklappe durch Abnutzung oder Thrombosierung ändern können, so daß sich die Lautstärke und/oder die spektrale Zusammensetzung des kurzen Anregungssignals ändert. Infolgedessen ändern sich auch die Klangeigenschaften der durch die Anregungssignale erzeugten akustischen Resonanzsignale des Herzraumes. Ein stark thrombosiertes Implantat erzeugt z.B. im Vergleich zu einem unbeeinträchtigten Implantat ein Resonanzsignal mit vermindertem hochfrequenten Anteil (> 2 kHz) und einem lediglich eingipfeligen Amplitudenspektrum.
Durch Vergleich eines durch ein unbeeinträchtigtes Implantat erzeugten Referenz-Resonanzsignals mit dem Resonanzsignal, das durch ein Implantat angeregt wurde, dessen Zustand fraglich ist, kann also der Zustand des letzteren beurteilt und so z.B. ein Thrombus diagnostiziert werden. Ein solcher Thrombus kann sich lösen und einen Gefäßverschluß verursachen, so daß durch rechtzeitige Diagnose eine entsprechende Therapie eingeleitet werden kann.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen, die unabhängig von der Art der Schallquelle verwirklicht sein können, ist vorgesehen, daß die Vorrichtung das Ausklingverhalten, das Amplitudenspektrum, das Spektrogramm und/oder die Phasenlage der akustischen Resonanzsignale auswertet. Dabei enthält das Ausklingverhalten des Resonanzsignals u.A. Informationen über die akustische Isolation des Herzraumes. Eine stark ausgeprägte akustische Isolation kann z.B. ein Hinweis auf einen hohen Anteil an Fettgewebe im Herzraum sein. Das Amplitudenspektrum des Resonanzsignals enthält z.B. Informationen über effektive Volumina von Organen im Herzraum. Ein Resonanzsignal hoher Frequenz läßt z.B. auf ein relativ kleines Herz schließen, während ein Resonanzsignal niedriger Frequenz auf ein relativ großes Herz schließen läßt. Das Spektrogramm des Resonanzsignals enthält z.B. Informationen über zeitabhängige Volumenänderungen von Organen im Herzraum, und läßt daher z.B. Aussagen über das Herzschlagvolumen oder – indirekt über die atmungsbedingte Änderung des Herzvolumens – über die effektive Atmungstiefe zu.
Als besonders vorteilhaft zur Auswertung haben sich dabei solche Frequenzen des Resonanzsignals herausgestellt, die sich im Rhythmus der Herzbewegung und/oder der Atmung in der Intensität, Phase oder ihrer Frequenz verändern.
In vorteilhaften Ausgestaltungen ist vorgesehen, daß die Aufnahmeeinrichtung und gegebenenfalls die Schallerzeugungseinrichtung in reproduzierbarer Weise an verschiedenen Punkten der Körperoberfläche aufgebracht werden kann. Durch die reproduzierbare Aufbringung an verschiedenen Punkten der Körperoberfläche können verschiedene Schwingungsrichtungen und Schwingungsmoden, die u.U. jeweils andere, sich gegebenenfalls ergänzende Informationen liefern können, angeregt bzw. ausgewertet werden. Bevorzugt werden die genannten Einrichtungen dabei an eindeutig identifizierbaren Punkten der Körperoberfläche positioniert. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß die genannten Einrichtungen mit Hilfe von Hilfseinrichtungen, wie z.B. Gurten oder Korsetts, unabhängig von besonders auffälligen Punkten reproduzierbar auf der Körperoberfläche positioniert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Vorrichtung batteriebetrieben ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß alle erforderlichen Einrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Handgerät angeordnet sind. Ein solches Handgerät kann z.B. in der ambulanten Diagnose oder vom Patienten zuhause verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Vorrichtung eine Ausgabeeinrichtung aufweist, die das Auswertungsergebnis wiedergibt. Eine solche Ausgabeeinreichtung kann z.B. ein LCD-Display oder eine akustische Sprachausgabe sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Vorrichtung eine Schnittstelle aufweist, über die sie mit einem Rechner, einem Telekommunikationsgerät oder einem Drucker kommunizieren kann. Über diese Schnittstelle lassen sich z.B. Meßdaten von der Vorrichtung auf einen PC übertragen, über das Telekommunikationsgerät an eine Auswertungszentrale weiterleiten oder direkt mit einem geeigneten Drucker ausdrucken. Weiterhin können über die Schnittstelle Betriebssoftware oder Betriebsparameter auf die Vorrichtung überspielt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß in die Vorrichtung zusätzlich ein mobiles Telekommunikationsgerät integriert ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Vorrichtung eine Einrichtung zur Ableitung eines EKGs aufweist.
In den Abbildungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt.
Darin zeigen
1 eine Vorrichtung zur Aufnahme und Auswertung der akustischen Resonanzen des Herzraumes eines Patienten
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Aufnahme und Auswertung der akustischen Resonanzen des Herzraumes eines Patienten 11, mit einer auf den Brustkorb des Patienten 11 aufgesetzten Schallerzeugungseinrichtung 12, die im dargestellten Fall aus einem piezokeramischen Element besteht, Schallwellen in den Herzraum sendet und dabei charakteristische Resonanzfrequenzen des Herzens 13 anregt. Die Resonanzschallwellen werden von einer ebenfalls auf den Brustkorb aufgesetzten Aufnahmeeinrichtung 14 wieder aufgenommen und über eine Kabelverbindung 15 einer Auswerteeinrichtung 16 zugeführt, die in der Abbildung in Form eines PC dargestellt ist. Die Auswerteeinrichtung bearbeitet und analysiert genau diejenigen Frequenzen, die in Korrelation mit dem Herzschlag und gegebenenfalls auch mit der Atmung in der Intensität und/oder in der Frequenz- bzw. Phasenlage variieren. Genau diese veränderlichen Signale sind mit dem Herz verkoppelt und enthalten Informationen über das Herz und seine Umgebung.
2 zeigt eine Vorrichtung 20 zur Aufnahme und Auswertung der akustischen Resonanzen des Herzraumes eines Patienten 21, die jedoch im Unterschied zu der in 1 gezeigten Vorrichtung 10 keine Schallerzeugungseinrichtung 12 aufweist. In diesem Fall trägt der Patient ein künstliches Herzklappenimplantat 22, dessen breitbandiges und impulsartiges Geräusch Resonanzen des Herzens 23 erzeugt. Diese werden mit einer auf den Brustkorb aufgesetzten Aufnahmeeinrichtung 24 aufgenommen und über eine Drahtverbindung 25 der Auswerteeinrichtung 26 zugeführt.
Die Auswerteeinrichtung 16, 26 kann anders als in 1 und 2 dargestellt in Form eines kompakten Handgerätes ausgebildet sein, in dem Aufnahmeeinrichtung und gegebenenfalls auch Schallerzeugungseinrichtung eingebaut sind. In Abweichung von 1 und 2 kann statt der Drahtverbindung 15, 25 eine Funkverbindung verwendet werden.
3 zeigt die reale Aufnahme einer akustische Resonanz hoher Güte des Herzens eines Patienten im Zeitbereich mit einer Vorrichtung gemäß 2. Die Resonanz wurde durch das Schließgeräusch eines harten Herzklappenimplantates angeregt. Die geringe Dämpfung des Signals läßt auf ein intaktes Implantat und eine gute akustische Isolation des Herzens schließen. Deutlich hervorgehoben sei an dieser Stelle, daß die messbaren Schwingungen nicht vom Implantat herrühren, vielmehr ist das Implantat nur der Auslöser dieser Resonanzen. Direkte Signalanteile vom Implantat sind hier praktisch kaum vorhanden. Die Lage und Höhe der Eigenfrequenzen gestatten aber sehr wohl detaillierte Rückschlüsse auf die Art und den Zustand des Herzklappenimplantates.
4 zeigt das Amplitudenspektrum eines solchen, in 3 dargestellten Klangsignals bei gefüllter Lunge. Das Spektrum weist ein Resonanzmaximum 41 bei etwa 12 kHz auf. Die Resonanzfrequenz eines Hohlkörpers wie dem Herzen ist umgekehrt proportional zum Volumen des Organs. Ein großvolumiges Herz hat also ein niedrigere Resonanzfrequenz als ein kleinvolumiges. Dies wird anschaulich aus 5.
5 stellt das Spektrum eines ähnlichen Klangsignals bei entleerter Lunge. Das Spektrum weist ein Resonanzmaximum 51 bei etwa 11 kHz auf. Es ist also gut erkennbar, daß sich die Resonanzfrequenzen mit der atmungsbedingten Kompression bzw. Dekompression des Herzens verändern.
In den 6, 7 und 8 sind in Form von Frequenz-Zeit-Diagrammen schematisch die verschiedenen in Frage kommenden, durch die Schallerzeugungseinrichtung 12 ausstrahlbaren Anregungssignale dargestellt. Aufgrund der charakteristischen Resonanzeigenschaften der interessierenden Gewebe ist der verwendete Frequenzbereich durch die Frequenzen f₁ und f₂ eingegrenzt.
Dabei zeigt 6 ein Rauschsignal, 7 ein periodisch wiederholtes Sweepsignal und 8 ein breitbandiges, periodisch wiederholtes Impuls- oder Klicksignal. Letzteres kann im Gegensatz zu den zuvor gezeigten Anregungssignalen auch von einem künstlichen Herzklappenimplantat im Körper eines Patienten herrühren.
In den 9, 10 und 11 sind in Form von Frequenz-Zeit-Diagrammen schematisch verschiedene mögliche Resonanzsignale des Herzens nach Anregung mit dem in 6 gezeigten Rauschsignal dargestellt.
9 zeigt ein Signal mit sich periodisch ändernder Resonanzfrequenz. Die mittlere Resonanzfrequenz f₃ und die periodisch auftretende Frequenzänderung mit der Amplitude Δf₃ liegen relativ hoch. Der Kehrwert der Resonanzfrequenz f₃ ist ein Maß für die Größe des resonanten Volumens, also z.B. des effektiven Herzvolumens, während der Quotient Δf₃/f₃ ein Maß für die relative Größenänderung des resonanten Volumens ist, z. B. aufgrund der zyklischen Herzkontraktion.
10 stellt ein Signal mit einer relativ niedrigen mittleren Resonanzfrequenz f₄ und einer ebenfalls relativ niedrigen periodischen Frequenzänderung mit der Amplitude Δf₄ dar. Es kann daher im Vergleich zu 9 auf ein größeres effektives Herzvolumen und ein geringeres relatives Herzschlagvolumen geschlossen werden.
In 11 ist schematisch ein Signal des Herzraumes mit periodischer, herzschlagbedingter Resonanzfrequenzänderung dargestellt, dem eine langsamere Frequenzänderung der Amplitude Δf₃ überlagert ist. Die überlagerte Frequenzänderung geht auf eine besonders ausgeprägte Atemaktivität eines Patienten zurück, die im Atemrhythmus eine langsame Volumenänderung des Herzens verursacht, die der eigentlichen, herzschlagbedingten Volumenänderung des Herzens überlagert ist. Die 4 und 5 stellen gleichsam Momentaufnahmen dieses Phänomens dar.
In 12 ist eine reale Resonanzaufnahme des aktiven menschlichen Herzens eines Patienten in Form eines Sonagrammes dargestellt. Dabei handelt es sich um Frequenz-Zeit-Diagramme, die überdies noch eine Amplitudeninformation enthalten, deren Darstellung über den Grauwert erfolgt. Dabei codiert ein starker Grauwert eine große Amplitude und ein schwacher Grauwert eine Schwache Amplitude.
Die externe Anregung des in 12 gezeigten Resonanzsignals erfolgte mit einem wie in 6 dargestellten Rauschsignal. Dabei weist das Resonanzsignal eine periodisch ihre Frequenz ändernde Komponente mit einer mittleren Frequenz f von etwa 18 kHz und einer Amplitude Δf von etwa 1 kHz auf. Durch Eichung mit auf andere Weise gewonnen Daten lassen sich aus den Werten für f und Δf Meßgrößen für das effektive Herzvolumen und das relative Herzschlagvolumen gewinnen.
In 13 ist eine hypothetische Resonanzaufnahme des Herzens in einem Frequenz-Zeit-Diagram dargestellt. Anders als zuvor erfolgte die Anregung hier nicht mit einem wie in 6 dargestellten Rauschsignal, sondern mit einem wie in 7 dargestellten Sweepsignal. Dabei wird in den interessierenden Geweben nicht kontinuierlich eine Resonanz erzeugt, sondern immer nur dann, wenn das anregende Sweepsignal gerade die jeweilige Resonanzfrequenz durchläuft. Auf diese Weise erhält man diskrete Resonanzantworten 131, aus dem sich ein wie in kontinuierliches Signal 132 rekonstruieren läßt, das dem in 12 gezeigten Resonanzsignal entspricht. Dabei ist zu beachten, daß die Wiederholfrequenz des Sweepsignals mindestens doppelt so hoch sein muß wie die Frequenz der Volumenänderung des interessierenden Organs. Im Falle des Herzens, das mit einer Frequenz zwischen 40 und 200 min^–1 sein Resonanzvolumen ändert, muß die Wiederholfrequenz des Sweepsignals also mindestens 400 min^–1 bzw. 6.7 Hz betragen.
Im Vergleich zur Rauschanregung bringt die Sweepanregung jedoch zwei Vorteile mit sich. Da die Schallerzeugungseinrichtung zu einem definierten Zeitpunkt immer nur eine genau definierte Frequenz abstrahlt und nicht ein breitbandiges Rauschsignal, kann das Anregungssignal wesentlich lauter abgestrahlt werden. Man erhält daher ein sehr viel stärkeres Resonanzsignal. Aufgrund ihrer Diskontinuität enthalten die Resonanzantworten 131 überdies eine abklingende Komponente 133. Das Maß der Dämpfung dieser abklingenden Komponente wird dabei durch die akustische Isolation des betreffenden Organs bestimmt. Im Falle des Herzens kann z.B. angenommen werden, daß ein hoher Anteil an Fettgewebe im Herzraum das Herz gegenüber dem Brustraum stark akustisch isoliert, so daß die Resonanzantworten 131 wenig gedämpft werden und daher lange nachklingen. Ein geringer Anteil an Fettgewebe kann im Gegensatz dazu zu einer starken Dämpfung der Resonanzantworten 131 führen. Die durch Sweepsignale angeregten Resonanzantworten enthalten also u.U. eine unter diagnostischen Gesichtspunkten interessante Information zum Anteil des Fettgewebes im Brustraum.
In 14 ist wiederum eine reale Resonanzaufnahme des aktiven menschlichen Herzens eines Patienten in Form eines Sonagrammes dargestellt. Die externe Anregung erfolgte dabei mit einem wie in 8 dargestellten breitbandigen Klicksignal, das von einem künstlichen Herzklappenimplantat im Körper des Patienten herrührt. Es sind daher wie bei Anregung mit Sweepsignalen nur diskontinuierliche Resonanzantworten 141, 142 zu gewinnen.
Die in 12 und 14 gezeigten Aufnahmen erfolgten an zwei verschiedenen, aber ähnlich gebauten Patienten, wobei im zweiten Fall der Patient ein künstliches Herzklappenimplantat trug. Auffallend ist beim Vergleich beider Abbildungen zunächst die Ähnlichkeit der Frequenzlage der Resonanzen aus 12 sowie der Resonanzantworten 141 aus 14, die jeweils im Bereich zwischen 16 und 20 kHz liegen. Es spricht daher viel dafür, daß die Resonanzantworten 141 auf dieselben Gewebe zurückgehen wie die Resonanzen aus 12.
Die in 14 gezeigten Resonanzantworten 141 wurden durch das Öffnungsräusch des Klappenimplantats angeregt, während die Resonanzantworten 142 durch das Schließgeräusch des Implantats angeregt wurden. Es ist gut erkennbar, daß die Schließsignale 142 lauter, aber auch undifferenzierter sind als die Öffnungssignale 141.
Aus den Klangeigenschaften des durch das Geräusch des künstlichen Herzklappenimplantats angeregten Resonanzsignals lassen sich wie weiter oben beschrieben Aussagen zu der Art und dem Zustand des Implantats machen. Ein stark thrombosiertes Implantat erzeugt z.B. im Vergleich zu einem unbeeinträchtigten Implantat ein Resonanzsignal mit vermindertem hochfrequenten Anteil (> 2 kHz) und einem lediglich eingipfeligen Amplitudenspektrum.
Aufgrund der besseren Differenzierung der Öffnungssignale 141 eignen sich die hierdurch angeregten Resonanzen besser zur Bewertung des Herzklappenzustandes als die Resonanzen, die durch die Schließsignale 142 angeregt wurden. Ähnliches gilt für das hier nicht dargestellte Scharniersignal eines künstlichen Herzklappenimplantats. Dabei handelt es sich um ein relativ schwaches, aber qualita tiv hochwertiges Signal zur Anregung von Herzresonanzen, das entsprechend gut geeignet ist zur Charakterisierung der Scharnierqualität.

Claims

Vorrichtung zur akustischen Untersuchung des Herzraumes eines Patienten, mit einer Aufnahmeeinrichtung, einer Speichereinrichtung und einer Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung die durch ein definiertes akustisches Anregungssignal ausgelösten Resonanzsignale im Bereich des Herzens aufnimmt und bewertet, wobei die Frequenzen des Anregungssignals im Bereich zwischen 5 kHz und 100 kHz liegen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Schallerzeugungseinrichtung zur Ausstrahlung des Anregungssignals aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schallerzeugungseinrichtung ein piezokeramisches Element verwendet wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungssignal Rauschsignale, schnell durchstimmbare monofrequente Signale (Sweepsignale) und/oder Impulssignale verwendet werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Anregungssignal ein von einem künstlichen Herzklappenimplantat im Körper des Patienten erzeugtes Geräusch verwendet, wobei dieses Geräusch ein Öffnungsgeräusch, ein Scharniersignal und/oder ein Schließgeräusch des Herzklappenimplantates sein kann.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung durch Auswertung der akustischen Resonanzsignale des Herzraumes Aussagen zu der Art und dem Zustand eines künstliches Herzklappenimplantat ermöglicht.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung das Ausklingverhalten, das Amplitudenspektrum und/oder das Spektrogramm der akustischen Resonanzsignale auswertet.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung insbesondere solche Frequenzen des Resonanzsignals zur Bewertung heranzieht, die sich im Rhythmus der Herzbewegung und/oder Atmung in der Intensität, Phase oder Frequenz verändern.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung so gestaltet ist, daß die Aufnahmeein richtung in reproduzierbarer Weise an verschiedenen Punkten der Körperoberfläche aufgebracht werden kann.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1–4 und 7–9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung so gestaltet ist, daß die Schallerzeugungseinrichtung in reproduzierbarer Weise an verschiedenen Punkten der Körperoberfläche aufgebracht werden kann.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung batteriebetrieben ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle erforderlichen Einrichtungen in einem Handgerät angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Ausgabeeinrichtung aufweist, die das Auswertungsergebnis darstellt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Schnittstelle aufweist, über die sie mit einem Rechner, einem Telekommunikations gerät oder einem Drucker kommunizieren kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Vorrichtung zusätzlich ein mobiles Telekommunikationsgerät integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Einrichtung zur Ableitung eines EKGs aufweist.