DE69913096T2

DE69913096T2 - Gerät zur Messung des Blutflusses der Leber

Info

Publication number: DE69913096T2
Application number: DE69913096T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Sase
Original assignee: Anzai Medical KK
Current assignee: Anzai Medical KK
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2019-03-16
Also published as: DE69913096D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der hepatischen Blutstrommenge. Speziell betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der hepatischen Blutstrommenge, die es ermöglichen, in einfacher Weise die die Leber betreffende Blutstrommenge unter Verwendung eines Xenongas-Inhalators und eines Röntgen-CT-Systems (Computertomographiesystem) zu messen.
Beschreibung des Standes der Technik:
Bekannt ist ein Verfahren, mit dem der Blutstrom in dem Kopf eines Patienten gemessen wird. Bei diesem Verfahren wird beispielsweise ein Gasgemisch aus Xenon- und Sauerstoffgas aus einem Gasinhalator gelassen, damit das Gasgemisch von dem Patienten für eine gewisse Zeitspanne mit Hilfe einer Atmungsmaske inhaliert wird, woraufhin der Patient normale Luft einatmen kann, während periodisch tomographische Bilder vom Kopf des Patienten als Probe mit Hilfe des Röntgen-CT-Systems aufgenommen werden, um diese tomographischen Bilder zu analysieren und damit den Blutstrom im Kopf des Patienten zu messen.
Bei diesem Meßverfahren strömt das Gasgemisch durch die Lunge des Patienten und wird von der Lungenarterie absorbiert. Das Gasgemisch läuft durch das Herz und strömt als arterieller Blutstrom in das Gewebe des Kopfs. Das Gasgemisch gelangt durch das Kopfgewebe und kehrt durch das venöse Blut zum Herzen zurück. Das gemischte Gas gelangt durch das Herz und wird zu der Lungenvene zurückgeleitet Während dieses Ablaufs wird die zeitabhängige Änderung der Xenon-Konzentration im Kopfgewebe mit Hilfe des Röntgen-CT-Systems betrachtet. Die beobachtete zeitliche Änderung wird verglichen mit einer authentischen zeitabhängigen Änderung der Xenon-Konzentration im Kopf, wenn das Gewebe normal ist. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, den Kopf des Patienten zu diagnostizieren.
Das Verfahren zum Messen des Blutstroms basierend auf dem Einsatz von Xenongas gemäß obiger Erläuterung ist nicht auf die Diagnose des Kopfs beschränkt, angewendet werden kann das Verfahren auch auf normale Körperorgane (innere Organe), beispielsweise den Magen, den Darm und die Bauchspeicheldrüse, wohinein der arterielle Blutstrom strömt und woraus venöser Blutstrom ausströmt, wie es beim Kopf der Fall ist.
Wenn allerdings die Absicht besteht, das Verfahren zum Messen des Blutstroms gemäß obiger Beschreibung auf die Leber anzuwenden, so merkt man, daß in die Leber nicht nur der arterielle Blutstrom fließt. Aus "EIZOJOHO MEDICAL" {Ausgabe April 1994, Vol. 26, Nr. 8, "Method for simultaneously measuring blood flows in hepatic artery and portal vein based on H₂ ¹⁵O intravenous injection method by using positron CT (about local blood flow amount difference in liver region)" (Seite 449 bis Seite 453, Hiroki TANIGUCHI et al., the First Department of Surgery of Kyoto Prefectural University of Medicine), veröffentlicht von der Industrial Development Organization (SANGYO KAIHATSUKIKO INC.) Co., Ltd.} ist es bekannt, daß auch der portale Blutstrom so wie der venöse Blutstrom, der aus dem Magen, dem Darm, der Bauchspeicheldrüse und der Milz als die portalen inneren Organe fließt, auch in die Leber einströmt. Deshalb ist es unmöglich, die oben erläuterte herkömmliche Methode auf die Messung der Blutstrommenge in die Leber anzuwenden.
Ein Verfahren zum Messen der Blutstrommenge in der Leber ist offenbart in "EIZOJOHO MEDICAL", wie oben angegeben. Das heißt: es wird ein Grundausdruck eingeführt für die Blutmenge, die aus der Leber herausströmt und in die Leber einströmt. Der Grundausdruck wird gelöst anhand des Ergebnisses der Messung basierend auf das Verfahren der intravenösen H₂ ¹⁵O-Injektion mit Hilfe des Positronen-CTs. Außerdem wird die Leber in vier Zonen unterteilt, für jede von welchen die gesamte hepatische Blutstrommenge, die portale Blutstrommenge (Gesamtmenge) und die hepatische arterielle Blutstrommenge (Gesamtmenge) bezüglich einer verletzten und einer unverletzten Leber gemessen werden kann.
Im Fall der intravenösen Injektion basierend auf dem Einsatz des Positronen-CTs allerdings ist es auch dann, wenn ein Blutstrombild gewonnen wird, schwierig, einen Vergleich mit einer anatomischen Struktur anzustellen, und folglich ist es schwierig, eine Bilddiagnose zu erstellen.
"Taniguchi et al. (1996): 'Analysis of models for quantification of arterial and portal blood flow in human liver using PET' (vergleiche European Search Report)" offenbart ein Verfahren zum Quantifizieren arterieller und portaler hepatischer Arterienblutströme. Die gleichzeitige Messung des hepatischen arteriellen und portalen Blutstroms ist möglich unter Einsatz des Radioaktiv-Xenon-Verfahrens und der Katheter-Methode. Es wird auf ein Verfahren Bezug genommen, welches den hepatischen Blutstrom mittels PET quantifiziert. Bezüglich des regionalen arteriellen hepatischen Blutstroms, des regionalen portalen hepatischen Blutstroms, der Indikatorkonzentration im arteriellen Blut und der Koeffizienten für das Pfortaderorgan wird die Radioaktivität in der Leber berechnet, die durch hepatischen venösen Blutstrom gespült wurde.
"Gur et al. (1985): 'Blood flow mapping, in the human lier by the xenon/ct method' (siehe europäischer Recherchenbericht)" zeigt eine Vorrichtung zum Messen einer hepatischen Blutstrommenge mit einem Gasinhalator zum Zuführen eines Gemisches aus Xenon- und Sauerstoffgas zu einer Lunge eines Patienten und mit einem Röntgen-CT-System zum Nachweisen einer Änderung der Xenon-Konzentration im Gewebe der Leber. Diese Vorrichtung ist beschrieben als Prototyp eines Xenon-CT-Inhalationssystems. Das Verfahren beschreibt den Einsatz von zwei Sekunden dauernden Abtastungen der Leber und Atemanhaltung in sämtlichen Untersuchungen. Darüber hinaus wurden sämtliche Untersuchungen während der Inhalation eines 33% Xenon enthaltenden Xenon/Sauerstoff-Gemisches durchgeführt, wobei eine variable Anzahl von Atmungen jede bildgebende Zeitspanne trennte. Wegen der relativ hohen Blutstromwerte in den interessierenden Organen (die Leber und gegebenenfalls die Milz) wurde die Abtastung des ersten Niveaus etwa 25 s nach dem Beginn der Xenon-Inhalierung begonnen und wurden über etwa 3,5 Minuten fortgesetzt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Kenntnisse und das oben erläuterte Problem gemacht, ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Messen der hepatischen Blutstrommenge, die es ermöglicht, die hepatische arterielle Blutstrommenge und die portale Blutstrommenge in einer für die Diagnose geeigneten Form zu messen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Messen der hepatischen Blutstrommenge, die es ermöglicht, die portale Blutstrommenge und die arterielle Blutstrommenge für jedes Lebergewebe zu messen.
Die obigen Ziele und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielhaft dargestellt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der Gesamtanordnung einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems der Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt ein Flußdiagramm zum Erläutern der Arbeitsweise der Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Zustands, in welchem die Leber eines Patienten als Probe mit Xenongas beaufschlagt wird und die Leber mit Hilfe eines Röntgen-CT-Systems photographiert wird;
5 zeigt ein schematisches Diagramm der Leber zum Zweck der Computeranalyse;
6 zeigt eine monochromatische Darstellung eines tomographischen Bildes eines die Leber enthaltenden Bereichs;
7 zeigt eine charakteristische Kurve, die die Änderung der Xenon-Konzentration in der Hauptarterie veranschaulicht;
8 zeigt eine charakteristische Kurve für die Änderung der Xenon-Konzentration in einer gewissen interessierenden Zone;
9 zeigt eine Kennlinie der Änderung der Xenon-Konzentration in -einer anderen interessierenden Zone;
10 zeigt eine Kennlinie, die durch Approximation für die in 8 gezeigte Kennlinie erhalten wird;
11 zeigt eine Kennlinie, die erhalten wird durch Approximation der in 9 gezeigten Kennlinie;
12 zeigt eine farbliche Darstellung einer Arterienkarte der Leber;
13 zeigt eine farbliche Darstellung einer Pfortaderkarte der Leber;
14 zeigt eine farbliche Darstellung eines hepatischen Blutstroms der Leber; und
15 zeigt ein Flußdiagramm zum Erläutern der Arbeitsweise einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Gesamtanordnung einer Vorrichtung 10 zum Messen der hepatischen Blutstrommenge gemäß der Ausführungsform.
2 zeigt ein Blockdiagramm der Vorrichtung 10 zum Messen der hepatischen Blutstrommenge gemäß 1.
Nach den 1 und 2 enthält die Vorrichtung 10 zum Messen der hepatischen Blutstrommenge im wesentlichen ein Röntgen-CT-System 14 zum Erhalten eines tomographischen Bildes einer Probe 12, beispielsweise eines menschlichen Patienten, und eine Gasgemisch-Zuführvorrichtung 16 zum Zuleiten eines Gasgemisches aus Xenon (Xe) und Sauerstoff (O₂) zu der Probe 12. Das Röntgen-CT-System 14 enthält ein Haupt-Röntgen-CT-System 18 und eine Steuereinheit 20 zum Steuern des Haupt-Röntgen-CT-Systems 18 sowie zum Steuern der Gasgemisch-Zuführvorrichtung 16. Die Steuereinheit 20 fungiert auch als Datenverarbeitungseinheit zum Verarbeiten von Bilddaten oder dergleichen, die von dem Röntgen-CT-System 18 erhalten werden. Die Steuereinheit 20 kann derart ausgebildet sein, daß sie baulich unterteilt wird in eine Steuereinheit zum Steuern des Haupt-Röntgen-CT-Systems 18 und eine Steuereinheit zum Steuern der Gasgemisch-Zuführvorrichtung 16.
Das Haupt-Röntgen-CT-System 18 ist mit einer Patienten-Lagerstatt 24 ausgestattet, auf deren Oberseite sich ein beweglicher Tisch 22 befindet, und den Patienten 12 in Pfeilrichtung A und B bewegen zu können, ferner gibt es ein Gerüst oder ein Portal 32 mit einer zylindrischen Öffnung 26. Das Gerüst 32 ist mit einer Röntgenröhre 28 ausgestattet (siehe 2), die sich um die zylindrische Öffnung 26 in Pfeilrichtung p dreht (siehe 1), außerdem mit einem Detektor 30 aus mehreren Detektorelementen, angeordnet am Umfang der Öffnung 26.
Die Gasgemisch-Zuführvorrichtung 16 enthält eine Xenongasflasche 26, eine Sauerstoffflasche 38, einen Hauptinhalatorkörper 42 zum Mischen der Gase unter der Steuerung eines internen Computers 40, und eine Leitung 46, die mit einem Ende an den Hauptinhalatorkörper 42 und dem anderen Ende an eine Atmungsmaske 44 angeschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform enthält die Leitung 46 einen Einatmungsschlauch 46a, einen Ausatmungsschlauch 46b und eine Atmungsmaskenleitung 46c. An der Atmungsmaske 44 ist ein Xenongaskonzentrations-Meßfühler 48 befestigt. Ein von dem Konzentrationsmeßfühler 48 erhaltenes Detektorsignal wird an den Computer 40 gegeben, so daß dieser die Xenon-Konzentration in dem ausgeatmeten Gas messen kann. Der Computer 40, der den Gesamtbetrieb der Gasgemisch-Zuführvorrichtung steuert, ist elektrisch mit der Steuereinheit 20 verbunden, so daß die Teile miteinander kommunizieren.
Wie in 2 zu sehen ist, enthält die Steuereinheit 20 einen Computer 50, der als Steuereinheit und Verarbeitungseinheit fungiert. Der Computer 50 dient zum Steuern des Betriebs des Haupt-Röntgen-CT-Systems 18 und der Gasgemisch-Zuführvorrichtung 16. Der Computer 50 verarbeitet außerdem die Bildelementdaten zum Erstellen des Tomographiebildes der Leber 58 des Patienten 12, detektiert mit Hilfe des Detektors 30 in dem Gerüst 32, um beispielsweise das Tomographiebild zu erstellen. Der Computer 50 ist weiterhin mit einer Bedienkonsole 52 verbunden, die eine Maus 51 und eine Tastatur enthält, er ist mit einer externen Speichereinheit 55, beispielsweise einer magnetooptischen Platteneinheit und einer Anzeigeeinheit 56, beispielsweise einer Farb-Kathodenstrahlröhre, verbunden. Bei der dargestellten Vorrichtung 10 zum Messen der hepatischen Blutstrommenge nach 1 und 2 wird die Bedienkonsole 52 in der Praxis derart verwendet, daß ein Mauszeiger auf den Bildschirm der Anzeigeeinheit 56 mit Hilfe der Maus 51 bewegt wird und dazu dient, die einschlägige Anzeige auf dem Bildschirm anzuklicken, so daß der auf der Anzeige angeklickte Prozeß ausgeführt wird. Wie weiter unten beschrieben wird, wird beispielsweise das tomographische Bild (ein sogenanntes CT-Bild) der Leber 54, repräsentiert durch die Bildelementdaten von dem Haupt-Röntgen-CT-System 18 mit Hilfe des Computers 50, in Farbe oder einfarbiger Darstellung auf der Anzeigeeinheit 56 dargestellt. Das Bild der Leber 54 des Patienten 12, klassifiziert entsprechend der Bewertung von Gewebe, durch das der hepatische arterielle Blutstrom fließt, und Gewebe, durch welches der Pfortader-Blutstrom (portale Blutstrom) fließt, wird auf der Anzeigeeinheit 56 ebenfalls dargestellt. Das auf dem Bildschirm der Anzeigeeinheit 56 dargestellte Bild läßt sich mit Hilfe eines Druckers ausdrucken, der in der Steuereinheit 20 vorhanden ist, so daß das Bild als farbliche oder einfarbige Hartkopie 57 ausgegeben wird (siehe 1).
Im folgenden wird die Arbeitsweise der oben beschriebenen Ausführungsform anhand des in 3 gezeigten Flußdiagramms erläutert. Die Steuergröße für das Flußdiagramm ist der Computer 50.
Zunächst betätigt eine Bedienungsperson, beispielsweise ein Arzt, die Bedienkonsole 52, so daß der bewegliche Tisch 22 in Pfeilrichtung B bewegt wird, während sich auf der Lagerstatt 24 gemäß 4 ein Patient 12 befindet. Der bewegliche Tisch 22 wird an der Stelle angehalten, an der die Leber 54 des Patienten 12 zur Gewinnung des tomographischen Bildes photographiert werden kann (Schritt S1).
Anschließend wird gemäß 4 die Atmungsmaske 44 angelegt, so daß Mund und Nase des Patienten 12 von ihr bedeckt sind (Schritt S2).
Die Bedienkonsole 52 wird in dem in 4 gezeigten meßbereiten Zustand betätigt. Es wird ein Meß-Startbefehl von dem Computer 50 der Steuereinheit 20 an den Computer 40 der Gasgemisch-Zuführvorrichtung 16 gesendet und wird zu dem Haupt-Röntgen-CT-System 18 gesendet (Schritt S3).
Während dieses Vorgangs wird das Tomographiebild der Leber 54, das heißt das sogenannte Grundlinien-CT-Bild mit Hilfe des Röntgen-CT-Systems 18 photographiert und in die externe Speichereinheit 55 gegeben (Schritt S4).
Anschließend werden Xenongas und Sauerstoffgas, die aus der Xenongasflasche 36 und der Sauerstoffflasche 38 kommen, in einem Verhältnis von 30% Xenongas und 70% Sauerstoff mit Hilfe des Haupt-Inhalatorkörpers 42 unter der Steuerung des Computers 40 der Gasgemisch-Zuführvorrichtung 16 gemischt. Das Gasgemisch kann durch den Einatmungsschlauch 46a, die Atmungsmaskenleitung 46c und die Atmungsmaske 44 in die Lunge des Patienten 12 gelangen. Das Ausatmungsgas aus der Lunge des Patienten 12 gelangt durch die Atmungsmaske 44, die Atmungsmasken-Leitung 46c und den Ausatmungsschlauch 46b zurück in den Haupt-Inhalatorkörper 42. Begonnen wird die Messung, während die Gasgemisch-Zuführvorrichtung 16 mit Hilfe des Computers 40 gesteuert wird, so daß die Xenongaskonzentration in dem Gasgemisch einen vorbestimmten Wert hat (bei dieser Ausführungsform 30%), beginnend zu dem Zeitpunkt, zu dem die Zufuhr des Gasgemisches zu dem Patienten 12 begonnen wird. Der Inhalationsvorgang, das heißt der sogenannte Spülvorgang, wird gestartet (Schritt S5). Beispielsweise kann als Gasgemisch-Zuführvorrichtung 16 eine Vorrichtung eingesetzt werden, die in der japanischen Patentveröffentlichung 3-33326 der Anmelderin offenbart ist. Die Xenongaskonzentration im ausgeatmeten Gas wird alle 40 ms nach dem Beginn der Messung gemessen.
Auf den Patienten 12 wird durch die Röntgenröhre 28 in dem Gerüst 32 etwa alle 60 Sekunden Röntgenstrahlung gegeben, während der Prozeß durchgeführt wird, um in die Sättigungsbeurteilung, den Spülvorgang und den noch zu beschreibenden sogenannten Ausspülvorgang zu wechseln, beginnend zum Zeitpunkt des Starts der Einatmung des Gasgemisches durch den Patienten 12. Die Röntgenstrahlen, die durch den Patienten 12 hindurchgegangen sind, werden von dem Detektor 30 erfaßt. Auf diese Weise wird das tomographische Bild der Leber 54 etwa alle 60 Sekunden aufgenommen, die Bilddaten werden in den Computer 50 eingegeben (Schritt S6).
Anschließend wird die Xenon-Konzentration im Lebergewebe für jedes der Bildelemente auf der Grundlage der Bildelementdaten berechnet (Schritt S7). Bei dieser Ausführungsform beträgt die Größe des Bildelements 0,5 mm im Quadrat. Allerdings läßt sich die Größe auf eine passende Größe ändern. Um die vorlieger, de Erfindung leicht zu verstehen, sei zweckmäßigerweise angenommen, daß der Begriff "jedes Bildelement" in der folgenden Beschreibung die Bedeutung im Sinn "jedes Gewebe oder jedes individuelle Gewebe" als Bestandteil der Leber 54 hat.
Folglich ist es möglich, die Xenon-Konzentration Ch(t) für jedes Gewebe der Leber 54 des Patienten 12 zu erhalten {t bedeutet die Meßzeit (Sekunde) und nimmt Werte für etwa alle 60 Sekunden an, beispielsweise t = 0, 62, 123, 183, 243, 303, 363, 424, 484, 544, ...}.
Wenn die Rate des Anstiegs der Xenon-Konzentration Ch(t) im Lebergewebe kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, wie oben ausgeführt wurde, so wird dies dahingehend beurteilt, daß der gesättigte Zustand erreicht ist (Schritt S8). Nachdem festgestellt wurde, ob der Spülvorgang abgeschlossen ist oder nicht (Schritt S9), wird die Zufuhr des Gasgemisches beendet, um den sogenannten Ausspülvorgang durchzuführen, bei dem normale Luft anstelle des Gasgemisches zugeführt wird (Schritt S 0).
Weiterhin wird der Prozeß des Schritts S6 etwa jeweils einmal in 1 Minute ausgeführt, und der Prozeß im Schritt S7 wird alle 40 ms ausgeführt, um den Spülvorgang zu beenden. Im Anschluß daran (nachdem die Abfrage im Schritt S9 bejahend ist) wird der Prozeß des Schritts S6 etwa jede Minute ausgeführt, und der Prozeß des Schritts S7 wird alle 40 ms in der gleichen Weise ausgeführt, wie es oben beschrieben wurde; bis die Xenon-Konzentration Ch(t) im Lebergewebe nicht mehr betrigt als der vorbestimmte Wert (Schritt S 11). Wenn die Xenon-Konzentration Ch(t) nicht größer als der vorbestimmte Wert ist (Schritt S11 : JA), werden die hepatische arterielle Blutstrommenge und die portale Blutstrommenge in der unten erläuterten Weise berechnet (Schritt S11), und zwar anhand der Konzentrationsdaten des ausgeatmeten Gase s, ermittelt durch Verwendung des Xenongas-Konzentrationsfühlers 48 und der Xenon-Konzentration Ch(t) der Leber 54. Es werden verschiedene Anzeigen auf der Anzeigeeinheit 56 auf der Grundlage der Berechnungsergebnisse sowie weiterer unten beschriebener Faktoren vorgenommen (Schritt S13).
Als nächstes soll im folgenden detailliert das Verfahren des Schritts S12 und die nachfolgenden Schritte zum Berechnen der hepatischen arteriellen Blutstrommenge und der portalen Blutstrommenge für jedes der Gewebe der Leber 54 erläutert werden. 5 zeigt ein bekanntes schematisches Diagramm, in welchem der Blutstrom zur Leber 54 hin vereinfacht dargestellt ist (vergleiche zum Beispiel die oben angegebene Schrift "EIZOJOHO MEDICAL"). Wie aus 5 entnehmbar ist, wird die hepatische arterielle Blutstrommenge Fa zu jedem Gewebe der Leber 54 geliefert, und zwar aus der Hauptarterie 100 über die hepatische Arterie 102. Die portale Blutstrommenge Fp wird jedem Gewebe der Leber 54 zugeführt, welches sich in dem venösen Blutstrom befindet, gespeist aus der Hauptarterie 100 über die Pfortader 106 nach dem Durchgang durch die portalen inneren Organe 104 wie beispielsweise Magen, Darm, Bauchspeicheldrüse und Milz. In diesem Fall beträgt das Verhältnis der hepatischen arteriellen Blutstrommenge Fa zu der portalen Blutstrommenge Fp im Mittel Fa/Fp ≈ 1/3. Die hepatische arterielle Blutstrommenge Fa und die portale Blutstrommenge Fp durchsetzen das Gewebe der Leber 54 und gelangen als hepatische venöse Blutstrommenge Fa in die Lebervene 108. Die Einheit der jeweiligen Blutstrommengen Fa, Fp und Fh ist die Menge (cm³) von strömendem Blut durch das Einheitsvolumen (100 cm³) pro Minute.
Die durch folgenden Ausdruck (1) dargestellte Beziehung gilt für die jeweiligen Blutstrommengen Fa, Fp, Fh. Fh = Fa + Fp (1)
Wie oben erläutert wurde, wurde die Xenon-Konzentration Ch(t) für jedes der Gewebe der Leber 54 des Patienten 12 mit Hilfe des Röntgen-CT-Systems 14 erhalten.
Die Xenon-Konzentration Ca(t) in dem Blutstrom der Hauptarterie 100 nach 5, das ist die Xenon-Konzentration in dem arteriellen Blutstrom, der in die hepatische arterielle Blutstrommenge Fa und die portalen inneren Organe 104 eingeht, wird hergeleitet aus der Xenon-Konzentration in dem am Schluß vorliegenden Ausatmungsgas und läßt sich folglich berechnen aus der Xenon-Konzentration, die mit Hilfe des Konzentrationsmeßfühlers 48 ermittelt wurde.
Anhand dieser Annahme wurde festgestellt, daß die zeitabhängige Änderung der Xenon-Konzentration Ch(t) jedes Gewebes der Leber 54 dem Fick'schen Prinzip entspricht, wie es durch folgenden Ausdruck (2) repräsentiert wird, dargestellt wird sie also durch den Wert, den man in der Weise erhält, daß das Produkt der hepatischen venösen Blutstrommenge Fh, die Xenon-Konzentration Ch(t) jedes Lebergewebes und der Reziprokwert (1/λh) des Teilungskoeffizienten von der Summe des Produkts der hepatischen arteriellen Blutstrommenge Fa und der Xenon-Konzentration Ca(t) des hepatischen arteriellen Blutstroms und dem Produkt der portalen Blutstrommenle Fp, der Xenon-Konzentration Cp(t) der portalen inneren Organe 104 und des Reziprokwerts (1/λp) des Teilungskoeffizienten subtrahiert wird. dCh(t)/dt = Fa·Ca(t) + Fp·Cp(t)/λp – Fh·Ch(t)/λh (2)
Die Teilungskoeffizienten λp und λh bedeuten die Verhältnisse zwischen der Xenon-Konzentration in dem Gewebe und der Xenon-Konzentration in dem Blut in den portalen inneren Organen 104 bzw. der Leber 54.
Was den Ausdruck (2) angeht, so läßt sich die Xenon-Konzentration Cp(t) der portalen inneren Organe 104 nicht messen und sollte daher künstlich aus dem Ausdruck (2) eliminiert werden.
Für diesen Fall hat sich gezeigt, daß folgender Ausdruck (3) entsprechend dem Fick'schen Prinzip erhalten wird, wenn man die portalen inneren Organe 104 berücksichtigt. Das heißt: die zeitabhängige Änderung der Xenon-Konzentration Cp(t) der portalen inneren Organe 104 wird dargestellt durch den Wert, den m an erhält, wenn man das Produkt der portalen Blutstrommenge Fp, die Xenon-Konzentration Cp(t) der portalen inneren Organe 104 und den Reziprokwert des Teilungskoeffizienten (1/λp) subtrahiert von dem Produkt der portalen Blutstrommenge Fp und der Xenon-Konzentration Ca(t) in dem hepatischen arteriellen Blutstrom. dCp(t)/dt = Fp·Ca(t) – Fp·Cp(t)/λp (3)
Wird die Gleichung (3) nach der Xenon-Konzentration Cp(t) in den portalen inneren Organen 105 aufgelöst, so sieht man, daß die Xenon-Konzentration Cp(t) durch folgenden Ausdruck (4) dargestellt wird, der das definierte Integral beinhaltet. In dem Ausdruck (4) bedeutet das Symbol x die Zeit Cp(t) = Fp·∫Ca(x)·exp{(–Fp/λp)(t – x)}dx (4)In der Gleichung (4) ist der Erstreckungsbereich des Integrals [0, t].
Der Ausdruck (2) wird durch den Ausdruck (4) ersetzt, um die Xenon-Konzentration Ch(T) des Lebergewebes zu bestimmen. Wie durch den nachstehenden Ausdruck (5) gezeigt ist, leitet man also her, daß die Xenon-Konzentration Ch(T) dargestellt wird durch die Summe der definierten Integrale. Ch(T) = Fa∫Ca(t)·exp{(–Fh/λh)(T – t)}dt + Fp(Fp/λp)∫[∫Ca(x)·exp{(–Fh/λp)(t – x)}dx] exP{(–Fh/λp)(T – t)}dt (5)
In dem Ausdruck (5) beträgt das Intervall des definierter. Integrals des ersten Terms auf der rechten Seite [0, T]. In dem Doppelintegral des zweiten Terms auf der rechten Seite beträgt das Intervall des definierten Integrals für die infinitesimale Zeit dx [0, t], und das Intervall für das definierte Intervall für die infinitesimale Zeit dt beträgt [0, T].
In dem Ausdruck (5) lassen sich näherungsweise Lösung en für die hepatische arterielle Blutstrommenge Fa und die portale Blutstrommenge Fp für jedes Gewebe (jedes Bildelement) der Leber 54 mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate unter der Annahme bestimmen, daß λh = λp gilt. Das Verhältnis der Ströme läßt sich für jedes Gewebe errechnen. Der Bereich, bei dem der Wert des Verhältnisses die Bedingung Fa/Fp ≈ 1/3 erfüllt, wird als hochwahrscheinlich normales Gewebe betrachtet. Der Bereich, in welchem der Wert des Verhältnisses größer oder kleiner wird, wird als hochwahrscheinlich abnormales Gewebe betrachtet. Im allgemeinen wird anerkannt, daß es kein Gewebe gibt, in welchem ausschließlich arterielles Blut strömt. Daher läßt sich das Gewebe (die Stelle), wo lediglich ein arterieller Blutstrom vorhanden ist, als beispielsweise Gewebe (eine Stelle) abschätzen, in der sich abnormales Gewebe befiadet, beispielsweise in Form eines malignen Tumors.
Die Analyse der interessierenden Zone ROI innerhalb der Leber 54 wird im folgenden speziell erläutert. 6 zeigt ein Ausgabebild 112, welches monochromatisch auf der Anzeigeeinheit 56 dargestellt wird oder als Hartkopie 57 von dem Röntgen-CT-System 14 generiert wird, wobei das Bild 112 das Tomographielbild der Leber 54 beinhaltet, welches im Schritt S4 aufgenommen wurde. In 6 bedeutet die Angabe, die von einem Wert 1 bis zu einem Wert 120 am linken Rand dargestellt ist, den CT-Wert, das heißt den Wert der Hounsfield-Einheit [HU]. Beispielsweise gibt es zwei interessierende Zonen ROI1 und ROI2, die jetzt analysiert werden sollen und die an gewünschten Stellen (Positionen) der Leber 54 in dem Ausgabebild 112 eingestellt werden mit Hilfe der Bedienkonsole 52 (vergleiche die in 6 durch Kreise angegebenen Stellen (Zonen). Die interessierende Zone ROI läßt sich in beliebiger Größe und. an beliebiger Stelle einrichten.
7 zeigt die Änderung (den Meßwert) der Xenon-Konzentration Ca(T) der Hauptarterie 100, gemessen auf der Grundlage der Xenon-Konzentration im ausgeatmeten, Gas. 8 zeigt ein Beispiel der Änderung (des Meßwerts) der Xenon-Konzentration Ch(T) des Lebergewebes der interessierenden Zone ROI1. 9 zeigt ein Beispiel für die Änderung (den Meßwert) der Xenon-Konzentration Ch(T) des Lebergewebes in der interessierenden Zone ROI2. Es sei angemerkt, daß die Änderung der Xenon-Konzentration Ch(T) in der in 9 gezeigten interessierenden Zone ROI2 sich näherungsweise synchron mit der Änderung der Xenon-Konzentration Ca(T) der Hauptarterie 100 nach 7 ändert. Es sei angemerkt, daß die Änderung der Xenon-Konzentration Ch(T) in der interessierenden Zone ROI1 nach 8 mit einer Verzögerung gegenüber der Änderung der Xenon-Konzentration Ca(T) in der Hauptarterie 100 gemäß 7 stattfindet.
In 10 bedeutet das Bezugszeichen 122 eine angenäherte Kennlinie, bei der die Xenon-Konzentration Ch(T) in der interessierenden Zone ROI1 in Bezug auf den Ausdruck (2) mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt wurde.
Andererseits bedeutet in 11 das Bezugszeichen 124 eine Näherungs-Kennlinie, bei der die Xenon-Konzentration Ch(T) in der interessierenden Zone ROI2 anhand des Ausdrucks (2) mit Hilfe des Verfahrens der kleinsten Quadrate ermittelt wurde. 7 bis 11 werden auf der Anzeigeeinheit 56 dargestellt.
Die Näherungs-Kennlinie 122 nach 10 wird unter der Annahme bestimmt, daß die portale Blutstrommenge Fp den Wert Fp = 70,7 hat, daß die hepatische arterielle Blutstrommenge Fa = 0,0 ist und die hepatische venöse Blutstrommenge Fh den Wert 70,7 hat.
Die angenäherte Kennlinie 124 nach 11 wird unter der Annahme ermittelt, daß die portale Blutstrommenge Fp = 0,8, daß die hepatische arterielle Blutstrommenge Fa = 97,2 beträgt und die hepatische venöse Blutstronmenge Fh = 98 beträgt.
Nach der angenäherten Kennlinie 122 in 10 ergibt sich, daß nahezu der gesamte Strom durch die interessierende Zone ROI1 der hepatischen arteriellen Blutstrommenge Fa entspricht. Andererseits ergibt sich aus der angenäherten Kennlinie 124 nach 11, daß nahezu der gesamte Strom durch die interessierende Zone ROI2 dem portalen Blutstrom Fp entspricht.
Wie oben ausgeführt, lassen sich die hepatische arterielle Blutstrommenge Fa und die portale Blutstrommenge Fp in geteilter Weise für jedes der Bildelemente (jedes der Gewebe) der Leber 54 des Patienten 12 ermitteln.
12 zeigt schematisch und anschaulich eine farblich dargestellte Übersichtskarte 126 der hepatischen arteriellen Blutstrommenge Fa (auch als Arterienkarte bezeichnet). In 12 gibt der Anzeigebereich von einem Wert 0,01 bis zu einem Wert von 100 auf der linken Seite den Wert der Blutstrommenge an [cm³/100 cm³ Gewebe/min]. Nach 12 ergibt sich aus der Karte der hepatischen arteriellen Blutstrommenge Fa aus einem Blick, daß nahezu sämtliche Bereiche, die der interessierenden Zone ROI2 entspricht, rot sind, und daß nahezu der gesamte Strom durch das Gewebe der interessierenden Zone ROI2 ausschließlich der hepatischen arteriellen Blutstrommenge Fa entspricht. Es wird gefolgert, daß sich irgendein abnormales Gewebe, beispielsweise ein maligner Tumor, an der Stelle der interessierenden Zone ROI2 befindet. 13 zeigt eine farblich dargestellte Karte 128 der portalen Blutstrommenge Fp (auch als "Pfortader-Karte" bezeichnet). 14 zeigt eine farblich dargestellte Karte 110 der hepatischen venösen Blutstrommenge Fh (auch als "hepatische Blutstromkarte" bezeichnet).
Die arterielle Karte 126, die Pfortader-Karte 128 und die hepatische Blutstromkarte 130 der Leber 54 wurden bisher noch nicht vorgestellt. Es ist abzusehen, daß aus der Sicht der Diagnose hochinteressierende Ergebnisse erzielt werden Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel lassen sich die Gasgemisch-Zuführvorrichtung 16 und das Röntgen-CT-System 14 dazu einsetzen, die hepatische arterielle Blutstrommenge Fa und die portale Blutstrommenge Fp der Leber 54 des Patienten 12 zu messen, und es besteht die Möglichkeit einer farblichen Anzeige in Relation zu der hepatischen arteriellen Blutstrommenge Fa und der portalen Blutstrommenge Fp entsprechend den Meßergebnissen.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Beendigung des Xenongas-Inhalationsvorgangs auf der Grundlage der Sättigung der Xenon-Konzentration im Ausatmungsgas beurteilt (vergleiche den Schritt S8 in dem in 3 gezeigten Flußdiagramm), und die Beendigung des Xenongas-Spülvorgangs durch Wechsel zu Luftinhalation wird auf der Grundlage der Tatsache beurteilt, daß die Xenon-Konzentration nicht mehr als einem vorbestimmten Wert entspricht (vergleiche Schritt S11 in dem in 3 gezeigten Flußdiagramm). Allerdings hat der Erfinder des Anmeldungsgegenstands auch die Tatsache ermittelt, daß die zeitliche Verwaltung zuläßt, den Inhalationsprozeß innerhalb von etwa 4 Minuten abzuschließen, während der Spülvorgang nach etwa 5 Minuten abgeschlossen ist, so daß die hepatische arterielle Blutstrommenge Fa und die portale Blutstrommenge Fp der Leber 54 des Patienten 12 gemessen werden können.
15 zeigt ein Flußdiagramm, wonach die Messung zeitlich abgewickelt wird. Im folgenden wird das Flußdiagramm erläutert. Bei dem in 15 gezeigten Flußdia gramm sind die Prozeßschritte entsprechend den Schritten des Ablaufs nach 3 an dem Flußdiagramm der 15 angegeben.
Zunächst wird gemäß 4 der bewegliche Tisch 22 in Pfeilrichtung B bewegt, während sich auf der Lagerstatt 24 der Patient 12 befindet. Der bewegliche Tisch 22 wird an einer Stelle angehalten, an der sich die Leber 54 des Patienten 12 photographieren läßt, um ein Tomographiebild zu erzeugen (Schritt S21).
Anschließend wird gemäß 4 die Atmungsmaske 44 angebracht, so daß Mund und Nase des Patienten 12 von ihr bedeckt sind (Schritt S22).
Anschließend wird ein Meß-Startbefehl erzeugt (Schritt S23), und mit Hilfe des Röntgen-CT-Systems 14 wird ein sogenanntes Grundlinien-CT-Bild photographiert (Schritt S24). Das Gasgemisch aus Xenon und Sauerstoff wird von der Gasgemisch-Zuführvorrichtung 16 dem Patienten 12 zugeleitet. Auf diese Weise wird ein Inhalationsvorgang (Einspülen) für den Beginn der Messung begonnen (Schritt S25). Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Meßvorgang beginnt, startet ein in der Steuereinheit 21) befindlicher, nicht dargestellter Timer (eine Zeitmeßeinheit) eine Zeitmessung für eine voreingestellte Zeit von 4 Minuten.
Die Beendigung des Inhalationsvorgangs wird bestätigt, indem bestätigt wird, ob die Zeitmessung für 4 Minuten abgeschlossen ist oder nicht (Schritt S26). Die Xenon-Konzentration in dem Ausatmungsgas wird alle 40 ms gemessen, bis der Vorgang beendet ist (Schritt S27). Einmal pro Minute wird jeweils ein CT-Bild aufgenommen, also insgesamt viermal, das heißt zur ersten, zur zweiten, zur dritten und zur vierten Minute (Schritt S28).
Wenn die Zeitmessung für 4 Minuten abgelaufen ist (Schritt S26 : JA), wird damit begonnen, dem Patienten anstelle des Gasgemisches Luft zuzuleiten (Schritt S29). Dementsprechend wird der Timer in Gang gesetzt, um eine voreingestellte Zeit von 5 Minuten zu messen, so daß der Ausspülvorgang für das Xenongas begonnen wird.
Nach Abschluß der Zeitmessung von 5 Minuten (Schritt S30) wird die Xenon-Konzentration im Ausatmungsgas alle 40 ms gemessen (Schritt S31). Weiterhin wird das CT-Bild fünfmal insgesamt jeweils einmal in 1 Minute gemessen, das heißt in der fünften, der sechsten, der siebten, der achten und der neunten Minute, gezählt von dem Beginn der Messung im Schritt S25 (Schritt S32).
Der Spülvorgang wird zu dem Zeitpunkt abgeschlossen (Schritt S30 : JA), zu dem die Zeitmessung von 5 Minuten abgeschlossen ist, das ist der Zeitpunkt, zu dem nach dem Start der Messung im Schritt S25 insgesamt 9 Minuten verstrichen sind.
Danach werden die hepatische arterielle Blutstrommenge Fa und die portale Blutstrommenge Fp mit Hilfe des oben beschriebenen Ausdrucks (5) gemäß der Methode der kleinsten Quadrate berechnet (Schritt S33) für jedes Bildelement des CT-Bildes, ausgehend von der Xenon-Konzentration Ch(T) des Lebergewebes, hergeleitet aus den CT-Bilddaten, die in den Schritten S28 und S32 aufgenommen wurden, und der Xenongaskonzentration Ca(T) innerhalb des arteriellen Blutstroms, hergeleitet aus den Daten der Xenongaskonzentration in dem Ausatmungsgas, gemessen in den Schritten S27 und S31.
Auf diese Weise werden zum Beispiel die farbliche Karte (Arterienkarte) 126 der hepatischen arteriellen Blutstrommenge Fa nach 12, die farbliche Karte (Pfortaderkarte) 128 der portalen Blutstrammenge Fp nach 13 und die farbliche Karte (hepatische Blutstromkarte) 130 der hepatischen venösen Blutstrommenge Fa nach 14 in der gleichen Weise wie im Schritt S13 dargestellt, um der Diagnose zu dienen (Schritt S34).
Wie oben ausgeführt, wird, wenn Xenongas als Edelgas über die Lunge des Patienten in die Arterie gelangt, die Xenon-Konzentration im Lebergewebe aus der Xenon-Konzentration des hepatischen arteriellen Blutstroms und der Xenon-Konzentration des portalen Blutstroms ermittelt. Die Änderung der Xenon-Konzentration im Lebergewebe des Patienten wird gemessen (nachgewiesen) durch eine Zerlegung in Bildelemente mit Hilfe des Röntgen-CT-Systems, so daß die hepatische arterielle Blutstrommenge und die portale Blutstrommenge für jedes der durch die Zerlegung gewonnenen Bildelemente bestimmt werden. Hierdurch ist es möglich, die portale 131utstrommenge und die arterielle Blutstrommenge für jedes der Gewebe innerhalb der Leber zu messen (zu detektieren). Außerdem läßt sich das Lebergewebe bezüglich jedes der Bildelemente in einfacher Weise unterscheiden, wenn es sich um ein Gewebe handelt, in welchem dominant der portale Blutstrom fließt, oder in einem Gewebe, in welchem dominant der hepatische arterielle Blutstrom fließt.
Das tomographische Bild der Leber, welches mit Hilfe der durch das Röntgen-CT-System gewonnenen Bildelemente angezeigt wird, wird dargestellt (vorzugsweise in verschiedenfarbiger Darstellung), während eine Auftrennung in die Karte des hepatischen arteriellen Blutstroms und die Karte des Stroms des portalen Blutstroms auf der Grundlage des Ergebnisses der in oben beschriebener Weise erfolgten Unterscheidung stattfindet. Auf diese Weise erhält man die Möglichkeit, einen Beitrag zur Diagnose der Leber basierend auf dem hepatischen Blutstrom zu leisten.
Die hepatische arterielle Blutstrommenge und die portale Blutstrommenge lassen sich in der Form messen, die sich zur Diagnose eignet. Erfindungsgemäß ist es außerdem möglich, in einfacher Weise die portale Blutstrommenge und die hepatische arterielle Blutstrommenge für jedes der Gewebe der Leber nachzuweisen. Außerdem läßt sich das Gewebe der Leber (vorzugsweise farblich) darstellen durch Vornehmen einer Trennung in das Gewebe, durch welches der portale Blutstrom fließt, und das Gewebe, durch welches der arterielle Blutstrom fließt.

Claims

Vorrichtung zum Messen einer hepatischen Blutstrommenge, umfassend: einen Gasinhalator (16) zum Zuführen eines Gasgemisches aus Xenongas und Sauerstoffgas zu einer Lunge eines Probanden (12); eine Röntgen-CT-System (14) zum Erfassen einer Änderung der Xenonkonzentration in einem Gewebe einer Leber des Probenden, während eine Zerlegung in Bildelemente vorgenommen wird; eine Steuereinheit (20) zum Steuern des Gasinhalators und des Röntgen-CT-Systems, wobei die Steuereinheit dazu eingesetzt wird, den Gasinhalator derart zu betreiben, daß das Gasgemisch von dem Probanden für eine gewisse Zeitspanne inhaliert wird, und zum Bestimmen einer hepatischen Arterien-Blutstrommenge (Fa) und einer Pfortader-Blutstrommenge (Fp) bezüglich der jeweiligen Bildelemente, die durch die Zerlegung aus den Bildelementdaten erhalten wurden, die durch die Zerlegung erhalten wurden, während Bezug genommen wird auf einen Ausdruck, bei dem die Xenonkonzentration in dem Lebergewebe bestimmt wird durch eine Xenonkonzentration in einem hepatischen Arterien-Blutstrom und eine Xenonkonzentration in einem Pfortader-Blutstrom; und eine Anzeigeeinheit (56), wobei die Steuereinheit derart betrieben wird, daß ein tomographisches Bild der Leber, dargestellt durch die von dem Röntgen-CT-System erhaltenen Bildelemente, auf der Anzeigeeinheit angezeigt wird, während eine Anzeigeform unterteilt wird in eine Karte (126) zur Darstellung des hepatischen Arterien-Blutstroms und eine Karte (128) zur Darstellung des Pfortader-Blutstroms, auf der Grundlage der hepatischen Arterien-Blutstrommenge und der Pfortader-Blutstrommenge, die in der oben genannten Weise ermittelt wurden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der unter de Annahme, daß die Xenonkonzentration im Lebergewebe Ch(T) beträgt, wobei T eine Meßzeit bedeutet, die hepatische Arterien-Blutstrommenge Fa ist, die Xenonkonzentration in dem hepatischen Arterien-Blutstrom Ca(t) und Ca(x) mit t und x als verstrichene Zeiten ist, eine hepatische venöse Blutstrommenge Fh mit der Beziehung Fh = Fa + Fp ist, ein Verhältnis zwischen einer Xenonkonzentration in Geweben von internen Pfortaderorganen und einer Xenonkonzentration in Blut λp beträgt und ein Verhältnis zwischen der Xenonkonzentration in dem Gewebe der Leber und der Xenonkonzentration in Blut λh beträgt, der Ausdruck die Xenonkonzentration Ch(T) im Lebergewebe gemäß folgender Berechnung liefert: Ch(T) = Fa∫Ca(t)·exp{(–Fh/λh)(T – t)}dt + Fp(Fp/λp)∫[∫Ca(x)·exp{(–Fp/λp)(t – x)}dx] exp{(–Fh/λp)(T – t)}dtwobei ein Intervall eines definierten Integrals des ersten Terms auf der rechten Seite [0, T] beträgt, ein Intervall eines definierten Integrals für eine infinitesimale Zeit dx [0, t] beträgt, und ein Intervall für ein definiertes Integral einer infinitesimalen Zeit dt [0, T] in einem Doppelintegral eines weiten Terms auf der rechten Seite beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Gasgemisch ein Gasgemisch in einem Verhältnis von 30% Xenongas und 70% Sauerstoff ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine Inhalationszeitspanne, bei der es sich um eine Zeit zum Zuführen des Gasgemisches zu der Lunge des Probanden während einer gewissen Zeitspanne handelt, etwa 4 Minuten beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der eine Spülperiode nach der Inhalationszeitspanne von etwa 4 Minuten etwa 5 Minuter beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Steuereinheit beurteilt, daß ein Bereich, in welchem ein Wert eines Verhältnisses [hepatischer Arterien-Blutstrommenge/Pfortader-Blutstrommenge] zwischen der hepatischen Arterien-Blutstrommenge (Fa) und der Pfortader-Blutstrommenge (Fp) bezüglich der jeweiligen ermittelten Bildelemente etwa 1/3 beträgt, es sich um Normalgewebe handelt, und beurteilt, daß ein Bereich, in welchem der Wert des Verhältnisses abweicht, abnormales Gewebe ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Anzeigeform auf der Anzeigeeinheit eine Anzeigeform ist, bei der die Anzeige, in welcher eine Farbe der Karte den hepatischen Arterien-Blutstrom darstellt, sich unterscheidet von der Karte, mit der der Pfortader-Blutstrom dargestellt wird.