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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Anordnung zur Auswertung von Pulswellengeschwindigkeiten
(PWV) in den großen
Arterien des Menschen, insbesondere in der Aorta.
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Nach bisherigem Erkenntnisstand ist
eine zuverlässige
Diagnostik arteriosklerotischer Veränderungen insbesondere in der
Aorta kostenaufwendig und nur vertretbar, wenn zufolge anderer Hinweise
die Notwendigkeit begründet
werden kann.
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Die Diagnostik der Arteriosklerose
beruht im Allgemeinen auf der Anwendung hoch entwickelter Ultraschall-
und radiologischer Techniken. Zur Beurteilung der Aorta ist hierbei
die Computer-Tomographie (CT) sowie die Magnetresonanz-Tomographie
(MRT) von besonderer Bedeutung.
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Im Vorfeld sind weniger aufwendige
Methoden von Interesse. Diese beruhen auf der Analyse der elastischen
Eigenschaften der großen
Gefäße anhand
der Ausbreitungsgeschwindigkeit arterieller Pulswellen.
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Es ist z.B. bekannt, durch Messung
der Pulswellengeschwindigkeit eine Maßzahl zu gewinnen, die in Beziehung
zur Dehnbarkeit bzw. zur Elastizität und damit zur Sklerotisierung
der Gefäßwand der
Aorta und der großen
Gefäße steht.
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Bei der Bestimmung der Pulswellengeschwindigkeit
in der Aorta nach der konventionellen Methode wird die Laufzeitdifferenz
zwischen dem Karotispuls und dem Femoralispuls bestimmt. Hierbei
wird die Pulswellengeschwindigkeit in der A. carotis und der A.
femoralis nicht separat zu einer evtl. Korrektur berücksichtigt.
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Ein derartiges Vorgehen wird beispielsweise
beschrieben in: Schäfer
u.a.: Gerät
zur automatischen Registrierung von Herzfrequenz, Pulswellengeschwindigkeit
und „Grundschwingung" des arteriellen
Systems, in Zeitschrift für
die gesamte experimentelle Medizin, 131, S. 1–9 (1959).
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Um den Einfluss der unbekannten PWV
in der A.carotis und der A.femoralis zu eliminieren wird jedoch auch
versucht, die relevanten Pulse direkt an der Aorta abzunehmen. Dies
wird dadurch gelöst,
dass mittels US-Doppler-Technik Pulse am Aortenbogen und im Bereich
der Bifurkation der Aorta abgenommen werden. Diese Vorgehensweise
erfordert viel Erfahrung und ist aufwendig und wenig praktikabel.
Die Streuung der Messwerte ist ungewöhnlich groß und erlaubt nicht die Beurteilung
des individuellen Patienten, obgleich das Verfahren zur Gruppentrennung
bzw. für
epidemiologische Studien durchaus geeignet ist.
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Es wurde auch ein Verfahren beschrieben,
das die Pulsüberhöhung („Augmentations-Index") eines zentralen
Pulses (Aorta, Karotis) im systolischen Abschnitt der Pulswelle
erfasst, die durch die Überlagerung mit
reflektierten Pulswellen entsteht, indem die Geschwindigkeit der
reflektierten Pulswelle wiederum von den elastischen Eigenschaften
des Gefäßrohres
abhängt.
Rückschlüsse auf
eine Sklerotisierung der Aorta sind hierbei jedoch nicht eindeutig,
da der Reflexionsfaktor u.a. vom peripheren Gefäßtonus abhängt. Andererseits liegt die
refklektierte systolische Pulswelle bei den mittleren Altersgruppen
etwa im Zeitbereich des Schlusses der Aortenklappe (Inzisur der
Pulswelle).
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Ein weiteres in
DE 198 18 147 C1 beschriebenes
Verfahren, das ebenfalls auf der Auswertung reflektierter Pulswellen
beruht, vermeidet die Bewertung von Amplituden, indem nur Laufzeiten
erfasst werden.
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Ein anderes bekanntes Verfahren beruht
auf dem Prinzip der Mustererkennung (
US 5,000,188 A ) wobei individuell ermittel te
Pulswellen mit dem gespeicherten mittleren Pulsverlauf unterschiedlicher
Altersgruppen rechentechnisch verglichen werden. Die beste Übereinstimmung,
erkennbar durch den höchsten
Korrelationskoeffizienten, dient zur Definition eines sog. „physiologischen
Alters" des Patienten,
was bei Vergleich mit dem realen Alter eine Aussage zum Status der
Sklerotisierung ermöglicht.
Es ist leicht erkennbar, dass hierbei der systolische Pulsverlauf
maßgeblich
zur Bewertung beiträgt
und somit die Zuverlässigkeit
der gewinnbaren Aussage den weiter vorn geschilderten Einschränkungen
bzw. Störfaktoren
unterliegt.
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In
DE 692 08 695 T2 wird eine Vorrichtung und
ein Verfahren zur allgemeinen Messung der Übertragungsgeschwindigkeiten
von Pulswellen beschrieben, wobei die Messungen zwischen Halsschlagader
und Schenkelarterie durchgeführt
werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, eindeutige und gut messbare Parameter zu erfassen, die in Beziehung
zur Sklerotisierung der Aorta stehen, wobei insbesondere wesentliche
Fehlerquellen bekannter Verfahren vermieden werden sollen. Diese
Parameter bzw. Indizes sollen eine hochsignifikante Korrelation zum
Alter gesunder Probanden ergeben, so daß Abweichungen von dieser normalen
Altersabhängigkeit
auf pathologische Veränderungen
schließen
lassen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch
die in den Anspruchen 1 und 8 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind.
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Nach dem erfindungsgemäßen Messverfahren
wird als Bezugswert für
die PWV-Messung nicht die A.carotis sondern die A.brachialis gewählt, als
zweites Bezugskriterium dient die A.femoralis und insbesondere wird
die PWV an der Position der Abnahmepunkte der Pulswelle, d.h. in
der A.brachialis und der A.femoralis getrennt bestimmt und die für die A.brachialis
und für
die A.femoralis relevanten Pulslaufzeiten als Korrektur berücksichtigt.
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Hierbei wird die Besonderheit genutzt,
dass die Messstrecke A1B für den Brachialis/Subclavia-Puls etwa
der Messstrecke A2F für den Femoralis/Iliaca-Puls
entspricht (1). Die effektive
Aortenlänge
A1A2 ergibt sich
somit als Differenz A1F – A1B.
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Bei größeren anatomischen Disproportionen
kann jedoch auch die effektive Aortenlänge A1A2 aus Körpermaßen, die
mit der Aortenlänge
gut korrelieren, z.B. der Rumpflänge,
abgeleitet werden, wobei sich sodann die Arterienstrecke A2F aus der gemessenen Distanz A1F
minus A1A2 errechnet.
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Bezeichnet man die Laufzeitdifferenz
zwischen Brachialis- und
Femoralispuls mit tBF und die Pulswellenlaufzeit
in den Arterienabschnitten
Aortenbogen – Brachialis A1B
mit tB und
Bifurkation – Femoralis
A2F mit tF
so
gilt für
die gesuchte Laufzeit in der Aorta
tA = tBF +
tB – tF (vgl.
Fig. 2).
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t
BF wird
gemessen und t
B bzw. t
F wird
wie folgt errechnet, wobei PWV
B und PWV
F mittels Doppelmessmanschette bestimmt werden,
wie noch beschrieben wird:
bzw. falls A
2F
separat ermittelt wird:
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Die gesuchte Pulswellengeschwindigkeit
in der Aorta ergibt sich schließlich
wie folgt:
bzw. falls A
1A
2 separat ermittelt wird:
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Zur Abnahme der Pulswellen dienen
aufblasbare Luftkissen-Manschetten,
die ähnlich
einer Blutdruckmanschette um die Extremitäten gelegt werden. Jede Manschette
enthält
zwei parallel verlaufende Luftkissen mit einer Breite der Luftkissen
von beispielsweise 3 cm. Der Abstand der beiden Luftkissen sollte
so groß wie möglich sein.
Er ist jedoch durch die anatomischen Gegebenheiten beim Menschen
begrenzt.
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Die Pulswellen führen zu Luftdruckschwankungen
in den Luftkissen, die durch Drucksensoren in elektrische Signalspannungen
gewandelt werden.
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Bei einer Gesamtbreite der Messmanschette
für den
Oberarm von z.B. 14 cm ergeben sich für die Laufstrecke des Brachialispulses
11 cm und bei einer Gesamtbreite der Messmanschette für den Oberschenkel
von z.B. 16 cm ergeben sich für
die Laufstrecke des Femoralispulses 13 cm.
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Die Pulswellengeschwindigkeiten für die Arterie
brachialis (B) und die Arterie femoralis (F) ergeben sich somit
wie folgt:
wobei Δt
B und Δt
F die jeweiligen Pulswellenlaufzeiten zwischen
den jeweiligen beiden Luftkissen betragen.
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Die Erzielung einer hohen Messgenauigkeit
dieser kurzen Zeitdifferenzen setzt eine besonders hohe Übereinstimmung
der vermessenen beiden Pulssignale und der jeweiligen Verstärkerkanäle voraus.
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Die Zeitmessung basiert auf einer
Abtastrate von 1 ms. Die weitere Erhöhung der Zeitauflösung um den
Faktor 10 erfolgt rechnerisch durch ein Interpolationsverfahren.
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Als Bezugspunkt für die Bestimmung der Pulswellenlaufzeiten
dient das Maximum der zweiten differentiellen Ableitung der Pulskurven.
Dieser Punkt lässt
sich besonders exakt bestimmen und liegt nahe dem diastolischen
Niveau des Blutdruckes (vgl. 3).
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Der Luftdruck in den Luftkissen der
Doppelmessmanschetten wird möglichst
hoch gewählt
jedoch nicht höher
als entsprechend dem diastolischen Blutdruck.
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Die Messung der Laufzeitdifferenz
tBF erfolgt von dem jeweils proximalen Luftkissen
und ein zweites Mal von dem jeweils distalen Luftkissen. Die gefundenen
Laufzeiten tBF werden gemittelt. Vor der
Mittelung werden die beiden Laufzeitdifferenzen tBF auf
Plausibilität
geprüft,
indem bei korrekter Pulsabnahme die beiden Werte für tBF nur innerhalb definierter Grenzen voneinander
abweichen dürfen.
Gegebenenfalls muss die Messung bei korrigierter Anlage der Messmanschetten
wiederholt werden.
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Da die Pulswellengeschwindigkeit
vom Blutdruck abhängt,
muss noch eine Blutdruckkorrektur eingeführt werden. Als Bezugswert
dient wieder der diastolische Blutdruck, da die Pulswellengeschwindgkeit
auf diesem Blutdruckniveau ermittelt wird. Nach gegenwärtiger Erkenntnis
erfolgt diese Kor rektur mit der Quadratwurzel aus dem Blutdruck.
Geht man von einem normalen diastolischen Blutdruck P
D von
80 mmHg aus, so ergibt sich für
den Korrekturfaktor
d.h. bei einem größeren diastolischen
Blutdruck als 80 mmHg wird eine höhere PWV gemessen und muss
somit rechnerisch reduziert werden, um vergleichbare Werte zu erhalten.
Der korrigierte Wert der Pulswellengeschwindigkeit der Aorta ergibt
sich schließlich
wie folgt:
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Falls die Pulswellengeschwindigkeiten
der A. brachialis und der A. femoralis ebenfalls bewertet werden,
so ist auch hier die Blutdruckkorrektur kBD erforderlich.
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Bei der Interpretation der Messergebnisse
für PWVA, PWVB und PWVF ist insbesondere an einen Vergleich mit
den vom Alter abhängigen „Normalwerten" dieser Pulswellengeschwindigkeiten
gedacht. Mit statistischen Mitteln erfolgt eine Wichtung, so dass
sich schließlich
ein so genanntes „physiologisches
Alter" der Arterien
angeben lässt.
Wegen der nicht exakt definierbaren Abhängigkeit vom Blutdruck werden
hierbei sowohl die blutdruckkorrigierten als auch die unkorrigierten
PWV's zur Bewertung
herangezogen.
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Nachfolgend wird die Erfindung an
einem Ausführungsbeipiel
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 Verlauf
der großen
Gefäße beim
Menschen: Aorta, Arterie brachialis und Arterie femoralis und typische
Längen
der interessierenden Arterienabschnitte A1F,
A2F, A1B, A1A2
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2 Schematische
Darstellung der interessierenden Pulswellenlaufzeiten tBF,
tB, tF und die daraus errechnete
Laufzeit der Pulswelle in der Aorta tA
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3 Darstellung
der zweimaligen Differenzierung der Pulskurven, indem das Maximum
der 2. differentiellen Ableitung als Bezugspunkt für die Messung
der Pulswellen-Laufzeiten genutzt wird.
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4 Darstellung
der Pulsabnahme mittels Doppel-Messmanschetten und elektronische
Anordnung zur Verarbeitung der Pulssignale und Darstellung der elektronischen
Mittel zur Erfassung des EKG-Signals, welches insbesondere zum exakten
Averaging der Pulssignale benötigt
wird.
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5 Darstellung
der pneumatischen Mittel zum Aufpumpen der Messmanschetten und der
Drucksensoren zur Gewinnung der Pulssignale aus den Manschettenpulsationen
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6 Flussdiagramme
zur relevanten Datenerfassung, Datenverarbeitung und Ergebnisausgabe
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7 Flussdiagramm,
Detail zur Verarbeitung und Bewertung der Pulswellen
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Zur Abnahme, Erfassung und Weiterverarbeitung
von Pulssignalen vom Oberarm und vom Oberschenkel dient die messtechnische
Anordnung gemäß 4/5 Am Oberarm werden die Pulssignale mittels
der Doppelmessmanschette 1/8 abgenommen. Die Luftkissen
der Messmanschetten werden über
das pneumatische System 3/10 über die Verbindungsschläuche 2/9 aufgepumpt.
Die dem Manschettendruck überlagerten
pulssynchronen Druckschwankungen werden durch die Drucksensoren 4/11 in
elektrische Signale gewandelt. Die Signale werden über Filter 5/12 Verstärker 6/13 und
A/D-Wandler 7/14 der CPU 29 zugeführt.
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In entsprechender Art und Weise werden
simultan vom Oberschenkel Pulssignale mittels der Doppelmessmanschette 15/22 abgenommen.
Die Luftkissen dieser Messmanschette werden über das pneumatische System 17/24 über die
Verbindungsschläuche 16/23 aufgepumpt.
Die dem Manschettendruck überlagerten pulssynchronen
Druckschwankungen werden durch die Drucksensoren 18/25 in
elektrische Signale gewandelt. Die Signale werden über Filter 19/26,
Verstärker 20/27 und
A/D-Wandler 21/28 der
CPU 29 zugeführt.
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Gleichzeitig wird vom Patienten ein
EKG-Signal abgenommen und über
das Filter 36, dem Verstärker 37 und dem A/D-Wandler
38 ebenfalls der CPU 29 zugeführt.
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Selbstverständlich können alle Signale auch über einen
Multiplexer durch nur einen A/D-Wandler digitalisiert werden.
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Zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist
es im Zweifelsfall erforderlich, rasch Wiederholungsmessungen durchzuführen. Aus
diesem Grund dürfen
die Messmanschetten nur während
der kurzen Messzeit von etwa 1–2
Minuten mit Luft gefüllt
sein. Nach dem Aufpumpen der Messmanschetten auf den vorgeschriebenen
Luftdruck soll die Messung mit kurzer Zeitverzögerung beginnen und nach Beendigung
der Messung werden die Messmanschetten sofort wieder entlüftet, so
dass nach 1–2
Minuten bereits wieder eine neue Messung vorgenommen werden kann.
Zur schnellen Füllung
und Entlüftung
dienen Magnetventile, vgl. 5.
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Die Luftpumpe 43, die vorzugsweise
als Motorpumpe ausgebildet ist, erzeugt den erforderlichen Luftdruck,
der mittels der Druckmesseinrichtung 42 kontrolliert wird.
Während
des Aufpumpens der Luftkissen 1/15 bzw. 8/23 der
Doppelmessmanschetten sind die Magnetventile 40 und 41 geöffnet und
das Entlüftungsventil 39 ist
geschlossen. Sobald der vorgeschriebene Luftdruck erreicht ist,
der auch unabhängig
von 42 mit den Drucksensoren 4/18 und 11/25 kontrolliert
werden kann, beginnt die Messung. Gleich nach Beendigung der Mes sung
werden zur Entlüftung
alle Magnetventile geöffnet.
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Die pneumatischen Elemente 39/40/41/42 und 43 sind
doppelt vorhanden, d.h. getrennt für die Doppelmessmanschette
der A.brachialis und der A.femoralis. Lediglich die Luftpumpe 43 kann
für beide
Doppelmessmanschetten gemeinsam verwendet werden, indem die Magnetventile
beim Erreichen des vorgewählten Druckes
die Messmanschetten automatisch abtrennen. In den Flussdiagrammen 6 und 7 wird ein möglicher Programmablauf beschrieben.
Das Arbeitsprogramm (Software) ist im Programmspeicher 30 (4) abgelegt. Die Bedienung
erfolgt über
das Tastenfeld 35.
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Nach dem Start des Programms erfolgt über das
Display 33 zunächst
die Aufforderung, alle relevanten Patientendaten einzugeben.
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Zu allen Speichervorgängen während der
gesamten Messung und Messwertverarbeitung dient der Arbeitsspeicher 31.
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Nach dem Anlegen der Doppelmessmanschetten 1/8 und 15/22 wird
der Aufpumpvorgang eingeleitet. Bei der Anlage der Doppelmessmanschetten
kommt es besonders auf eine gute und gleichmäßige Anlage der Luftkissen
an. Wegen der konischen Profilierung insbesondere des Oberschenkels
sind die Doppelmessmanschetten nur im Bereich der eingebetteten
Luftkissen zur Gewährleistung
des gewünschten
Abstandes miteinander verbunden. Die Fixierung des proximalen und
des distalen Luftkissens erfolgt sodann durch separate Zug- und
Haftbänder.
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Nach dem Erreichen des vorgeschriebenen
Luftdruckes wird mit einer geringen Zeitverzögerung der Messvorgang ausgelöst.
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Der weitere mögliche Programmablauf soll
anhand der Flussdiagramme 6 und 7 dargestellt
werden.
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Nach dem Start des Messprogramms
werden die relevanten Daten eingegeben und sodann die im Display
angezeigten Signale auf ihre Qualität beurteilt. Gegebenenfalls
ist die Manschettenanlage zu prüfen und
zu korrigieren, zu diesem Zweck werden die Messmanschetten entlüftet und
neu angelegt und der Messvorgang beginnt erneut.
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Falls die Qualität der Signale akzeptiert wird,
erfolgt ein Plausibilitätstest
der Signale bzw. der Pulskurven. Durch diesen Test werden insbesondere
atmungsabhängige-
und Bewegungsstörungen
erkannt und alle gestörten
Signale werden eliminiert. Die gültigen
Signale werden geaveragt, wobei der Average-Vorgang durch die R-Zacke
des EKG getriggert wird. Die Average-Signale werden nochmals beurteilt.
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Bei Akzeptanz werden die Average-Signale
weiterverarbeitet. Eine mögliche
Weiterverarbeitung ist im Flussdiagramm 7 dargestellt.
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Zunächst erfolgt die Bestimmung
des Maximums der 2. differentiellen Ableitung für alle Pulskurven, vgl. 3. Sodann erfolgt die Bestimmung
der Pulswellenlaufzeit zwischen den beiden Luftkissen für die A.brachialis
und A.femoralis. Bei bekanntem Abstand der Luftkissen erfolgt nunmehr
die Berechnung der Pulswellengeschwindigkeit für die A.brachialis und A.femoralis.
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Zur Bereitstellung der Laufstrecken
der Pulswellen werden gemessen A1F und A1B, A1A2 ergibt
sich als Differenz A1F – A1B
oder bei größeren anatomischen
Disproportionen als Korrelat bestimmter Körpermaße, z.B. der Rumpflänge. In
diesem Falls wird A2F = A1F – A1A2.
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Sodann erfolgt die Berechnung der
Pulswellenlaufzeiten tB und tF.
Gleichzeitig erfolgt die Messung der Pulswellenlaufzeit tBF, jeweils mit den proximalen Luftkissen
der beiden Doppelmessmanschetten und ein zweites Mal mit den jeweils
distalen Luftkissen der beiden Doppelmessmanschetten.
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Die beiden Laufzeiten für tBF werden auf Plausibilität geprüft, d.h. im Normalfall ist
der Unterschied der beiden Laufzeiten gering. Größere Unterschiede treten auf,
falls PWVB und PWVF stärker differieren.
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Bei einer größeren Differenz ist die Manschettenanlage
zu kontrollieren und der Messvorgang ist zu wiederholen. Ist der
Unterschied der beiden Laufzeiten kontrolliert und stabil, wird
der Mittelwert gebildet und es erfolgt die Berechnung der Laufzeit
für die
Aorta tA, vgl. 2. Schließlich erfolgt die Berechnung
der Pulswellengeschwindigkeit für
die Aorta PWVA.
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Die Pulswellengeschwindigkeit PWVA, PWVB und PWVF werden nunmehr mit dem Blutdruck korrigiert.
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Wegen der nicht eindeutig zu definierenden
Abhängigkeit
der PWV's vom Blutdruck
werden auch gleichzeitig die nichtkorrigierten PWV's bereitgestellt
und mit den „Normal-werten", die vom Alter abhängig sind,
verglichen.
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Der Vergleich aller ermittelten PWV's ermöglicht bei
geeigneter Wichtung die Bestimmung des wahrscheinlichsten physiologischen
Alters der großen
Arterien. Die Messergebnisse werden sodann auf dem Display ausgegeben,
wobei noch eine verbale Interpretation vorgesehen werden kann. Im
Zweifelsfall sind mit geringem Zeitaufwand Wiederholungsmessungen
möglich.
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Die Ergebnisse können über den Drucker 34 ausgegeben
werden und die kompletten Patientenfiles können auf der Festplatte bzw.
Diskette 32 gespeichert werden, 6.
