DE60307448T2

DE60307448T2 - Vorrichtung und verfahren zur messung der vaskulären impedanz

Info

Publication number: DE60307448T2
Application number: DE60307448T
Authority: DE
Inventors: Eugene Gary MCVEIGH
Original assignee: Queens University of Belfast
Current assignee: Queens University of Belfast
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2023-04-23
Also published as: ZA200407036B; KR20040102124A; WO2003088829A3; US20050197571A1; ATE335434T1; AU2003224299A1; NZ535047A; EP1496793A2; EP1496793B1; GB0208945D0; JP2005523064A; DE60307448D1; WO2003088829A2; CA2478091A1; CN1646053A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen vaskulärer Impedanz.
Die Komplikationen bei kardiovaskulärer Erkrankung stellen den Hauptgrund für pathologische und tödliche Fälle in der westlichen Welt dar. Derzeit sind diagnostische Verfahrensweisen ausgeführt, um das Ausmaß und die Schwere von Beschädigungen der Blutgefäße beim Vorhandensein von Symptomen oder bei dem Auftreten vaskulärer Fälle zu beurteilen. Die diagnostische Herausforderung liegt darin, eine abnorme Struktur und Funktion im vaskulären System in einer frühen, präklinischen Stufe zu erkennen. Die Fähigkeit, subklinische arterielle Beschädigungen zu erkennen und zu überwachen, hat das Potential, kardiovaskuläre Risikoschichtung neu zu definieren und ein frühes Eingreifen zu ermöglichen, um ein Fortschreiten der Krankheit zu verhindern oder abzuschwächen.
Traditionell wurde die arterielle Zirkulation als ein System stetigen Flusses betrachtet, das gekennzeichnet ist durch mittleren arteriellen Druck, welcher das Produkt der Herzleistung und des totalen peripheren Widerstands darstellt.
Die pulsatile Komponente des Drucks wird durch das Muster des linksventrikulären Ausstoßes und des Schlagvolumens festgelegt. In vorhergehenden hämodynamischen Studien wurden die Compliance-Charakteristika der arteriellen Zirkulation weitgehend ignoriert.
Die Bedeutung der Beurteilung der Unversehrtheit der arteriellen Wand wurde durch Studien hervorgehoben, welche demonstrierten, dass eine Reduzierung der pulsatilen Funktion oder der Compliance-Charakteristika großer Arterien für zukünftige kardiovaskuläre Fälle einen mächtigen unabhängigen Risikofaktor darstellt. Hinweise deuten zunehmend darauf hin, dass Abnormalitäten bei den pulsatilen Charakteristika von Arterien in Krankheitsverläufen, welche mit erhöhtem kardiovaskulärem Risiko assoziiert werden, früh auftreten. Bedeutend ist, dass eine beeinträchtigte pulsatile arterielle Funktion bei Patienten mit verschiedenen Krankheitszuständen, einschließlich koronarer Herzkrankheit, dekompensierter Herzinsuffizienz, Hypertonie und Diabetes mellitus als unabhängiger Risikoprädiktor für vaskuläre Fälle anerkannt wird.
Studien, welche das Ergebnis auf Abnormalitäten bei pulsatilen Funktionen beziehen, waren auf große Arterien fokussiert, obwohl die Analyse von arteriellen Druckpulswellenformen darauf hindeutet, dass die frühesten Abnormalitäten bei der arteriellen Struktur und Funktion in der Mikrozirkulation vorliegen.
Die Studie dieses Abschnitts des Gefäßsystems wurde durch den Mangel an einer nicht-invasiven, reproduzierbaren und wiederholbaren Technik, welche die Compliance-Charakteristika oder die pulsatile Funktion kleiner Arterien und Arteriolen beurteilen kann, behindert.
Physiologisch wird die Impedanzlast oder die Flussgegenkraft, welche durch die Zirkulation aufgezeigt werden, durch das Analysieren der modifizierten Druck-/Flussbeziehungen und der Parameter der Pulskontur, welche durch die Auswirkungen der Krankheit auf die strukturellen und funktionellen Komponenten des arteriellen Systems produziert werden, invasiv gemessen. Die Eingangsimpedanz bringt gleichzeitig aufgenommene Wellenformen des Drucks und des Flusses unter spezifischen mathematischen Bedingungen in Bezug. Die hämodynamischen Eigenschaften des Systems können quantifiziert werden, da das Impedanzkonzept erlaubt, dass das Herz und die Arterien getrennt betrachtet werden und ihre Wechselwirkung als eine Funktion von Pump- und Lasteigenschaften verstanden wird. Da Druck- und Flusswellen periodisch und kontinuierlich sind, können Verfahren der Fourier-Reihen verwendet werden, um die Impedanzfunktion zu erzeugen. Der Modul an jeder Oberschwingung in den Fourier-Reihen ist das Verhältnis des Druckmoduls zu dem Flussmodul an dieser Oberschwingung und die Phase an jeder Oberschwingung ist der Unterschied zwischen der Druckphase und der Flussphase an derselben Oberschwingung. Da sich die Impedanz einer Gefäßbahn mit der Frequenz ändert, nimmt die ganze Spezifizierung der pulsatilen Druck- und Flussbeziehungen die Form des Spektrums der Modul- und Phasenwinkel gegenüber Frequenz⁵ an.
Charakteristische Impedanz (die Umkehrfunktion der arteriellen Compliance) definiert die Beziehung zwischen dem Druck und dem Fluss in einer Arterie oder einem arteriellen Netz, wenn die Druck- und Flusswellen nicht durch Wellenreflexion beeinflusst werden. Diese Bedingungen existieren in dem arteriellen System nicht und die Werte der Eingangsimpedanz oszillieren aufgrund der Wellenreflexion um den Wert der charakteristischen Impedanz. Wellenreflexionen sind dafür bekannt, dass sie bei geringen Frequenzen ihren größten Einfluss auf die Impedanzmoduln ausüben. Bei höheren Frequenzen nähert sich die Eingangsimpedanz der charakteristischen Impedanz, welche in vorherigen hämodynamischen Studien als das arithmetische Mittel der Eingangsimpedanzmoduln über 2–4 Hr geschätzt wurde.
Auf dem Stand der Technik sind detaillierte Studien über arteriellen Druck und Fluss lediglich durch die Verwendung invasiver Techniken möglich. Derartige Techniken können aufgrund der durch diese Techniken aufgeworfenen Gesundheitsgefahren nicht verwendet werden, um Veränderungen des Blutkreislaufs eines Patienten im Zeitablauf zu überwachen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messung vaskulärer Impedanz der okularen Mikrozirkulation in vivo bereitgestellt, wobei die Vorrichtung ein intraokulares Druckmessmittel, mit dem eine Druckpulswellenform kalkulierbar ist, und ein Blutgeschwindigkeitsprofilmessmittel zum Messen der Wellenform der linearen Blutflussgeschwindigkeit in der retrobulbären Zirkulation, ein Mittel zum Kalkulieren eines vaskulären Impedanzmoduls aus der Druckpulswellenform und der linearen Blutflussgeschwindigkeit als eine Frequenzfunktion beinhaltet.
Vorzugsweise ist das intra-okulare Druckmessmittel zum Messen des maximalen und minimalen Druckwerts des Pulsprofils zum Kalkulieren eines mittleren intra-okularen Drucks geeignet.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung zum Messen, wie sich die Druckpulswellenform und die lineare Blutflussgeschwindigkeit über die Zeitspanne eines Atmungszyklus ändern, geeignet.
Vorzugsweise berücksichtigt das Mittel zum Kalkulieren des vaskulären Impedanzmoduls
Vorzugsweise wird zum Messen des intra-okularen Drucks ein Festkörperwandler verwendet.
Vorzugsweise funktioniert der Festkörperwandler zum Verarbeiten der Daten in Verbindung mit einem geeigneten Telemetriesystem.
Wahlweise wird zum Messen des intra-okularen Drucks ein okulares Pneumotonometer verwendet.
Vorzugsweise ist das Blutgeschwindigkeitsprofilmessmittel ein Ultraschallgerät.
Vorzugsweise ist das Ultraschallgerät ein Doppler-Ultraschall-Bildgenerator.
Vorzugsweise beinhaltet die Vorrichtung zum Produzieren von Bewegtbildern einer Arterie ferner ein Filmerzeugungsmittel.
Vorzugsweise können die Bewegtbilder verwendet werden, um sicherzustellen, dass ein Benutzer der Vorrichtung die Lage einer Arterie genau bestimmen kann.
Vorzugsweise werden die Veränderung der pulsatilen intra-okularen Druckwellenform und der linearen Blutflussgeschwindigkeit aufeinanderfolgend gemessen.
Vorzugsweise beinhaltet das Mittel zum Kalkulieren des vaskulären Impedanzmoduls das Erhalten der Fourier-Transformation der intra-okularen Druckpulswellenform und der linearen Blutflussgeschwindigkeit und das Unterteilen der transformierten Werte der pulsatilen Veränderung des intra-okularen Druckpulses durch die transformierte retrobulbäre Blutflussgeschwindigkeit.
Vorzugsweise weist die pulsatile Veränderung des intra-okularen Drucks eine damit assoziierte Phase auf.
Vorzugsweise weist die intra-okulare Blutgeschwindigkeit eine damit assoziierte Phase auf.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Messung vaskulärer Impedanz der okularen Mikrozirkulation in vivo bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Messen der intra-okularen Druckpulswellenform des okularen Netzes;
Messen der Wellenform der linearen Blutflussgeschwindigkeit in der retrobulbären Zirkulation; und
Kalkulieren eines vaskulären Impedanzmoduls aus der intra-okularen Druckpulswellenform und der Wellenform der linearen Blutflussgeschwindigkeit als eine Frequenzfunktion.
Vorzugsweise werden die Druckpulswellenform und die lineare Blutflussgeschwindigkeit über die Zeitspanne eines Atmungszyklus gemessen und ihre Änderung damit wird gemessen.
Vorzugsweise werden die Änderungen bei der Kalkulation des vaskulären Impedanzmoduls verwendet.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren ferner die Schritte des Aufnehmens von Bewegtbildern einer Arterie.
Vorzugsweise werden die Bewegtbilder zur genauen Bestimmung der Lage einer Arterie verwendet.
Vorzugsweise werden die Veränderung der pulsatilen intra-okularen Druckwellenform und der linearen Blutflussgeschwindigkeit aufeinanderfolgend gemessen.
Vorzugsweise beinhaltet der Schritt des Kalkulieren des vaskulären Impedanzmoduls die folgenden Schritte: Erhalten der Fourier-Transformation der intra-okularen Druckpulswellenform und der linearen Blutflussgeschwindigkeit und Unterteilen der transformierten Werte der pulsatilen Veränderung des intra-okularen Druckpulses durch die transformierte retrobulbäre Blutflussgeschwindigkeit.
Die Erfindung wird nun lediglich mittels Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 ein Schaubild eines Auges mit einem Mittel zum Messen des intra-okularen Drucks unter Verwendung des Prinzips der Applanationstonometrie an der Vorderseite des Auges ist.
2 ein Schaubild eines Auges mit einem Mittel zum Messen der linearen Flussgeschwindigkeit durch Abfragen der retrobulbären Zirkulation von der Vorderseite des Auges ist;
3 eine graphische Darstellung des periodischen Drucksignals, wie unter Verwendung der vorliegenden Erfindung gemessen, aufgetragen gegen die Zeit ist;
4 eine graphische Darstellung des periodischen Geschwindigkeitssignals wie, unter Verwendung der vorliegenden Erfindung gemessen, aufgetragen gegen die Zeit ist;
5 eine graphische Darstellung des Impedanzmoduls aufgetragen gegen die Frequenz ist; und
6 eine graphische Darstellung der Phase aufgetragen gegen die Frequenz ist.
1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 und 2 sind Schaubilder, die einige Merkmale des menschlichen Auges 1 zeigen. Diese umfassen den Sehnerv 3, die Augenschlagader 5, einen Blutbolus, der in der Augenschlagader 5, welche außerhalb des okularen vaskulären Netzes 9 positioniert ist, enthalten ist. Die Vene 11 ist ebenfalls gezeigt.
1 zeigt zudem das Mittel 13 zum Messen des intra-okularen Drucks, welches in diesem Beispiel durch ein Tonometersystem abgeflacht an der Kornea 23 bereitgestellt wird.
2 zeigt ein Mittel zum Messen der linearen Blutflussgeschwindigkeit in der retrobulbären Zirkulation 17, welches mit der Vorderseite des Auges verbunden ist. Dies ist ein Ultraschallgerät, das auf das Augenlid 19 platziert wird, wobei das Augenlid 19 mit einem Gel 21 bedeckt ist, um sicherzustellen, dass das Ultraschallgerät richtig an das Auge 1 gekoppelt wird. Dieses Gerät misst die lineare Geschwindigkeit des Blutbolus 7 in der Augenschlagader 5.
Das verwendete Tonometersystem 13 kann eine kontinuierliche Luftflusspneumotonometrie (zum Beispiel unter Verwendung eines Luftflusspneumotonometers wie von Paradigm Medical Industries bereitgestellt) einsetzen oder kann einen Festkörperwandler (zum Beispiel wie von Smart Lens DCT geliefert) zusammen mit einem geeigneten Telemetriesystem verwenden, um die erkannten Daten zu verarbeiten. Es wurde entdeckt, dass die arterielle Funktion einen signifikanten Dynamikbereich von ungefähr 0–12 Hz aufweist, und folglich hängt die Wahl eines pneumatischen gegenüber einem Festkörperwandlersystem von einem geeigneten Dynamikbereich, welcher von dem bestimmten verwendeten Tonometergerät bereitgestellt wird, ab. Eine Sonde 15 wird flach auf die Kornea 23 gedrückt, um den intra-okularen Druck zu messen.
Das Tonometergerät 13 nimmt Proben bei 200 Hz mit einer Auflösung von 0,01 mmHg und die Signale werden über eine Zeitspanne von 20 Sekunden erfasst. Pulsatile Änderung des intra-okularen Drucks resultiert aus Druckoszillationen, die durch Herzkontraktion, welche den Distensionsdruck in den Gefäßwänden modifiziert, erzeugt werden. Compliance einer Arterie oder einer gesamten arteriellen Bahn beschreibt die Fähigkeit, einen sich ändernde Menge an Blut zu speichern. Veränderungen des Volumens innerhalb der okularen vaskulären Gefäßbahn produzieren eine gleichgroße Veränderung des Volumens. Die pulsatilen okularen Wellenformen werden nach der Verabreichung von Tropfen von 0,4 %-Oxybuprocain zur Betäubung der Kornea aufgenommen.
Die Änderung des intra-okularen Druckes als eine Funktion der Zeit reflektiert die Einführung des Blutbolus 7 in das okulare vaskuläre Netz 9. Das okulare vaskuläre Netz 9 weitet sich, um das zusätzliche Blutvolumen unterzubringen.
Da die intra-okularen Flüssigkeiten inkompressibel sind, hängt die intraokulare Druckreaktion auf die Volumenveränderung von den viskoelastischen Eigenschaften des Gefäßnetzes und der okularen Rigidität ab. Die mechanischen Eigenschaften und die Distensionsdrücke ändern sich an unterschiedlichen Stellen im okularen vaskulären Netz 9, und es ist die Gesamtauswirkung dieser Einflüsse, welche die Morphologie der intra-okularen Druckwellenform festlegt. Während sich die Rigidität der Augenhülle unter Individuen ändern kann, wird die Halbwertszeit von Kollagen- und Elastinkomponenten in Jahren gemessen. Folglich würde nicht erwartet werden, dass sich die Charakteristika dieser Randstrukturen bei einem Individuum über eine Zeitspanne von Wochen oder Monaten signifikant verändern. Demnach spiegeln Veränderungen, welche bei der intra-okularen Druckpulswellenform aufgenommen werden, eine Modifikation der viskoelastischen Eigenschaften der okularen Mikrozirkulationsbahn wider.
Die vorliegende Erfindung verwendet bei ihrer Analyse die direkt aufgenommene Veränderung des intra-okularen Drucks und nicht die Messungen der erzeugten Flussleistung von dem Gerät, welche die Druckveränderung mit der Volumenveränderung innerhalb des Auges in Bezug bringen. Die Pulsatilität des intra-okularen Drucks hängt von dem pulsatilen Einströmen und der pulsatilen Distension der Gefäße ab, welche sich auf die viskoelastischen Eigenschaften der okularen Zirkulation bezieht. Sklerale Rigidität kann die Frequenz der Druckschwankungen einschränken, verursacht jedoch keine Druckänderung.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel wird ein Farb-Doppler-Ultraschall-Bildgenerator 17 verwendet, um die Wellenform der Blutgeschwindigkeit in der retrobulbären okularen Zirkulation zu untersuchen. Der Ultraschall-Bildgenerator kann geeigneterweise ein Phillips ATL HDI3500 Ultraschallapparat sein.
Die passenden Blutgefäße müssen dann lokalisiert und bestimmt werden. Eine Möglichkeit dies zu tun ist der Einsatz von paralleler B-Scan- und Doppler-Bilderzeugung. Es gibt jedoch eine Anzahl an praktischen Schwierigkeiten, die beseitigt werden müssen, wenn dies durchgeführt wird. Erstens ist die Orbita dreidimensional, aber unter Verwendung des Ultraschallapparats ist lediglich ein Ansehen in zwei Dimensionen möglich. Des Weiteren ist die Augenschlagader gewunden und weist viele Verzweigungen auf und somit ist es schwierig, eine klare Sicht zu bekommen und für den Bediener, genau zu wissen, wohin er schaut. Unter Individuen bestehen zudem große anatomische Variationen der Position und der Verzweigungsnatur der Augenschlagader.
Diese Probleme wurden durch das Aufnehmen von Echtzeit-Farbfilmen angegangen, wenn anfangs die Arterie bei einer Versuchsperson untersucht wird. Sie werden dann mit ,Cineloop Review’ zurückgespult und, in Verbindung mit Tiefenmessungen, verwendet, damit sieh der Bediener zu der ursprünglichen Aufnahmestelle zurückorientieren kann. Zuvor aufgenommene Wellenformen der Geschwindigkeit verifizieren schließlich die dimensionale und morphologische Echtheit der angesehenen Wellenformen.
Der Strahl des Ultraschall-Bildgenerators kann unter Verwendung eines passenden Software-Algorithmus fokussiert werden.
Das durch den Bildgenerator 17 definierte Probenvolumen wird über ein Gefäß von Belang, in diesem Fall dem Blutbolus 7, platziert und die empfangenen Frequenzverschiebungen werden in einer spektralen Wellenform gesammelt. Die spektrale Wellenform stellt die gegenwärtigen kumulativen Frequenzverschiebungen dar und kann als eine Wellenform der Zeitgeschwindigkeit angezeigt werden.
Im Einsatz werden alternative Messungen der arteriellen Pulswellenform und des Blutgeschwindigkeitsprofils genommen.
Die Gestalt der Wellenform des linearen Geschwindigkeitsflusses, welche in der retrobulbären Zirkulation aufgenommen wird, wird durch Veränderungen der gesamten Querschnittsfläche des okularen vaskulären Netzes festgelegt und ist entscheidend von diesen abhängig.
Ebenso wie der Druck ändert sich auch der Fluss an unterschiedlichen Stellen in dem okularen vaskulären Netz 9 und die Morphologie der Wellenform der Geschwindigkeit spiegelt daher den Zustand des gesamten okularen vaskulären Netzes 9 wider. Im Wesentlichen spiegeln die Wellenform der Flussgeschwindigkeit, welche von der retrobulbären Zirkulation stammt, und die intra-okulare Druckwellenform die Gesamtsumme der verschiedenen Veränderungen des Durchmessers und des Drucks überall in der okularen vaskulären Gefäßbahn wider.
Im Zeitablauf gemessen können Veränderungen der Wellenform des linearen Flusses Informationen über Veränderungen bei der Fähigkeit des okularen vaskulären Netzes, sich während des Herzzyklus zu weiten, bereitstellen. Solche Informationen können zu einer frühen Diagnose und anschließenden frühen Behandlung der Krankheit führen.
Die vorliegende Erfindung verwendet beim Kalkulieren der vaskulären Impedanz der Mikrozirkulation die lineare Geschwindigkeit des Flusses, da Veränderungen der Geschwindigkeit des Flusses durch Veränderungen der gesamten Querschnittsfläche des okularen vaskulären Netzes 9 festgelegt werden. Ferner erlaubt die Verwendung der linearen Geschwindigkeit des Flusses Vergleiche der Impedanzmoduln, welche von verschiedenen Arterien stammen, und von derselben Arterie unter sich ändernden Bedingungen. Unter der Verwendung von Messungen des Volumenflusses kann dieser Vergleich nicht berechtigterweise vorgenommen werden.
Bisherige Arbeiten zur Charakterisierung des arteriellen Systems basierten auf der Beziehung zwischen dem zeitlich und räumlich an derselben Position aufgenommenen Druck und Fluss. Die Windkessel-Analyse wird verwendet, um eine Stromkreisparallele der Eingangsimpedanz anzuwenden, um Komponenten totaler Compliance und totalen Widerstands an den distalen Gefäßbaum zu passen. Diese Technik stellt jedoch keine eindeutigen Lösungen bereit.
Im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten stellt die vorliegende Erfindung das Aufnehmen der Wellenformen des Drucks und der Geschwindigkeit an unterschiedlichen Positionen in dem Gefäßbaum bereit. In der Okularen Mikrozirkulation kann der Augenfluss als der den intra-okularen Druck ansteigen lassenden betrachtet werden. Dies bedeutet, dass eine Parallele mit der Analyse mit zwei Anschlüssen des Stromkreisentwurfs gezogen werden kann, welche ein Eingangssignal mit einem Ausgangssignal in Bezug bringt. Die Beziehung zwischen dem intra-okularen Druck und der entsprechenden Wellenform der Augengeschwindigkeit kann somit charakterisiert werden.
Die Wellenformen des Drucks und der Geschwindigkeit weisen eine gewisse Periodizität gemäß der Herzfrequenz der getesteten Versuchsperson auf. Jedoch wirkt sich auch das Atmen der Versuchsperson auf die Wellenformen aus. Folglich kann ein Compliance-Maß hergestellt werden, welches die Atmungsänderungen berücksichtigt. Dies beseitigt eine Annahme, die bei der Verwendung einer normalen Windkessel-Analyse aufgestellt wurde, nämlich, dass die Druckflusswellenform eine unbegrenzte Pulswellengeschwindigkeit aufweist. Dieses Compliance-Maß, welches die Atmungsänderungen berücksichtigt, kann als die Schein-Compliance bekannt sein. Es kann in Verbindung mit dem Modell mit zwei Anschlüssen verwendet werden, um das System zu charakterisieren.
Typische Beispiele der intra-okularen Druck- und Geschwindigkeitsprofile (erhalten von der Augenschlagader) sind in 3 und 4 gezeigt.
3 ist eine bezüglich der Zeit aufgetragene graphische Darstellung des Drucks. Die Figur zeigt die Periodizität der Druckschwankung. Der Herzzyklus kann aus der Zeitspanne der Druckschwankung als ungefähr 0,9 s betragend bestimmt werden.
4 ist eine bezüglich der Zeit aufgetragene graphische Darstellung der linearen Blutgeschwindigkeit. Die Figur zeigt die Periodizität der linearen Geschwindigkeitsschwankung. Der Herzzyklus kann aus der Zeitspanne der linearen Geschwindigkeitsschwankung als ungefähr 0,9 s betragend bestimmt werden.
Die Stellen der Datenerfassung ermöglichen das Aufnehmen der Wellenformen des Drucks und der linearen Geschwindigkeit, die Informationen über das gesamte okulare vaskuläre Netz und nicht nur über ein einzelnes Gefäß im Netz bereitstellen. Messungen werden aufeinanderfolgend unter Verwendung des Tangentenverfahrens zum Abgleich der Wellenformen des Drucks und der Geschwindigkeit erhalten. Diese Technik wird eingesetzt, um eine erfolgreiche Abgleichung der Wellenformen für die Analyse sicherzustellen. Die Signale können auch an ein EKG durchgeschaltet werden. Andere bekannte Verfahren können ebenso eingesetzt werden.
Wie in den 3 und 4 zu sehen, sind die Geschwindigkeits- und Drucksignale periodisch und zeitabhängig und können somit durch Erhalten ihrer Fourier-Transformation in dem Frequenzbereich dargestellt werden: P(ω) = FT [P(t)] und V(ω) = FT [V(t)], wobei FT die Fourier-Transformation darstellt. Zudem hat jede Frequenzkomponente des Drucks und der Geschwindigkeit ihre eigene zugeordnete Phase (Øp Druckphase, Øv Geschwindigkeitsphase). Der frequenzabhängige Impedanzmodul und die frequenzabhängige Phase können aus Folgendem festgelegt werden: Z(ω) = P(ω)N(ω) und Ø(ω)= Øp(ω) – ØV(ω).
5 und 6 zeigen typische Diagramme für Z(ω) und Ø(ω) bei einer normalen Versuchsperson.
Der Fluss und die erste Ableitung des Drucks treten zu ähnlichen Zeitpunkten auf. Da der Druck und Fluss aufeinanderfolgend erhalten werden, wird die erste Ableitung der Druckwellenform mit der Wellenform des Flusses abgeglichen. Eine Tangente an die Enddiastole und eine Tangente an den anfänglichen Druckaufstrich schneiden sich am „Fuß" der Wellenform. Dieser Punkt wird mit demselben Punkt auf der Wellenform des Flusses abgeglichen.
Durch Synchronisieren der durch den Bildgenerator 17 erkannten Spitzengeschwindigkeit mit dem EKG-Gerät kann eine verbesserte Abgleichung erhalten werden.
Die Analyse des Frequenzbereichs stellt Informationen über den stabilen Zustand (Widerstand) und die pulsatile Funktion (charakteristische Impedanz) der okularen Zirkulation bereit. In 5 ist der Widerstand des stabilen Zustands in der Fläche A und die charakteristische Impedanz in der Fläche B gezeigt. Diese Signale werden in digitaler Form gespeichert und die digitalisierten Signale sind zur Analyse in dem Zeitbereich unter der Anwendung mathematischer Modelle zugänglich, um Veränderungen der Wellengestalt in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften der okularen Zirkulationsbahn zu interpretieren.
Die vorliegende Erfindung ist bezüglich des Stands der Technik äußerst vorteilhaft, da sie ein nicht-invasives Verfahren und eine nicht-invasive Vorrichtung zum Messen vaskulärer Impedanz und, insbesondere durch Abfragen der Wellengestalt, des linearen Geschwindigkeitsprofils des Blutbolus in der retrobulbären Zirkulation bereitstellt. Bisher wurde angenommen, dass invasive Techniken lediglich Informationen über das lineare Geschwindigkeitsprofil bereitstellen können. Solche Techniken sind kostspielig und können nicht verwendet werden, um über eine Zeitspanne für dieselbe Versuchsperson Wiederholungsresultate zu erhalten. Die vorliegende Erfindung gestattet daher einem Mediziner, Veränderungen der Mikrozirkulation des Auges zu überwachen und die Daten zu extrapolieren, um in verschiedenen Krankheitszuständen, welche mit einer Zunahme an kardiovaskulären Fällen assoziiert werden, klinische Beurteilungen abzugeben.
Die vorliegende Erfindung kann in einer Anzahl an klinischen Forschungsgebieten angewendet werden. Einige Beispiele sind nachfolgend angeführt.
Seit vielen Jahren wird anerkannt, dass bei vielen Krankheitszuständen und bei physiologisehen und pharmakologischen Eingriffen charakteristische Veränderungen in der Kontur des arteriellen Druckpulses auftreten. Die Modifikation der Morphologie der arteriellen Wellenform involviert typischerweise einen steileren diastolischen Verfall und eine Verringerung in Amplitude und der Dauer der schwingenden Wellenform, welche den proximalen Teil der Diastole von einem rein monoexponentiellen verzerrt. Die schwingende diastolische Wellenform entsteht aus der Wellenreflexion und der gedämpften Resonanz, welche in dem Gefäßbaum auftreten, wobei die Hauptstellen der reflektierten Wellen in kleineren Arterien und in Arteriolen entstehen. Der Verlust der schwingenden diastolischen Wellenform wird als ein frühes Kennzeichen für modifizierte Eigenschaften der Gefäßwand anerkannt, welches eine beeinträchtigte Funktion der Arterien identifiziert, da es bei Patienten mit erhöhtem kardiovaskulären Risiko, ohne Modifikation des gesamten peripheren Widerstands, gefunden werden kann. Dies wurde bei Patienten mit Diabetes mellitus und bei Zigarettenrauchern nachgewiesen. Während die mit Diabetes assoziierten mikrovaskulären Veränderungen gemeinhin anerkannt sind, werden die strukturellen Veränderungen, welche üblicherweise in den Arteriolen von Rauchern und selten von Nichtrauchern gefunden werden, weniger gewürdigt. Diese mikrovaskulären Abnormalitäten können für das häufige Auftreten von Mikroinfarkten, welche in Assoziation mit Diabetes und Zigarettenrauchen gefunden werden, die bislang nicht erkannt wurden, verantwortlich sein.
Die Analyse der arteriellen Druckpulswellenform kann auch beim Bestimmen der hämodynamischen Wirkung der Drogentherapie, welche mit den traditionellen Messungen des peripheren Widerstands nicht erkannt wurde, nützlich sein.
Verbesserungen und Abwandlungen können hierin einbezogen werden, ohne den in den Patentansprüchen definierten Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Eine Vorrichtung zur Messung vaskulärer Impedanz der okularen Mikrozirkulation in vivo, die ein intra-okulares Druckmessmittel (13), mit dem eine Druckpulswellenform kalkulierbar ist, ein Blutgeschwindigkeitsprofilmessmittel (17) zum Messen der Wellenform der linearen Blutflussgeschwindigkeit in der retrobulbären Zirkulation und ein Mittel zum Kalkulieren eines vaskulären Impedanzmoduls aus der Druckpulswellenform und der Wellenform der linearen Blutflussgeschwindigkeit als eine Frequenzfunktion, beinhaltet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das intra-okulare Druckmessmittel (13) zum Messen des maximalen und minimalen Druckwerts des Pulsprofils zum Kalkulieren eines mittleren intra-okularen Drucks geeignet ist,
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, die zum Messen, wie sich die Druckpulswellenform und die lineare Blutflussgeschwindigkeit über die Zeitspanne eines Atmungszyklus ändern, geeignet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Messen des intra-okularen Drucks ein Festkörperwandler verwendet wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei zum Verarbeiten der Daten ein geeigneter Festkörperwandler in Verbindung mit einem geeigneten Telemetriesystem funktioniert.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zum Messen des intra-okularen Drucks ein okulares Pneumotonometer verwendet wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Blutgeschwindigkeitsprofilmessmittel (17) ein Ultraschallgerät ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei das Ultraschallgerät ein Doppler-Ultraschall-Bildgeroerator ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner ein Filmerzeugungsmittel zum Produzieren von Bewegtbildern einer Arterie beinhaltet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Bewegtbilder verwendet werden können, um sicherzustellen, dass ein Benutzer der Vorrichtung die Lage einer Arterie genau bestimmen kann.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel zum Kalkulieren des vaskulären Impedanzmoduls Mittel für Folgendes beinhaltet: Erhalten der Fourier-Transformation der intra-okularen Druckpulswellenform und der linearen Blutflussgeschwindigkeit und Unterteilen der transformierten Werte der pulsatilen Veränderung des intra-okularen Druckpulses durch die transformierte retrobulbäre Blutflussgeschwindigkeit.
Ein Verfahren zur Messung vaskulärer Impedanz der okularen Mikrozirkulation in vivo, das folgende Schritte beinhaltet: Messen der intra-okularen Druckpulswellenform des okularen Netzes; Messen der Wellenform der linearen Blutflussgeschwindigkeit in der retrobulbären Zirkulation; und Kalkulieren des vaskulären Impedanzmoduls aus der intra-okularen Druckpulswellenform und der Wellenform der linearen Blutflussgeschwindigkeit als eine Frequenzfunktion.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die Druckpulswellenform und die lineare Blutflussgeschwindigkeit über die Zeitspanne eines Atmungszyklus gemessen werden und ihre Änderung damit gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Änderungen bei der Kalkulation des vaskulären Impedanzmoduls verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, das ferner die Schritte des Aufnehmens von Bewegtbildern einer Arterie beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Bewegtbilder zur genauen Bestimmung der Lage einer Arterie verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Veränderung der pulsatilen intra-okularen Druckwellenform und der linearen Blutflussgeschwindigkeit aufeinanderfolgend gemessen werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der Schritt des Kalkulierens des vaskulären Impedanzmoduls folgende Schritte beinhaltet: Erhalten der Fourier-Transformation der intra-okularen Druckpulswellenform und der linearen Blutflussgeschwindigkeit und Unterteilen der transformierten Werte der pulsatilen Veränderung des intra-okularen Druckpulses durch die transformierte retrobulbäre Blutflussgeschwindigkeit.