Tragbares Gerät zur Simulation von Ultraschalluntersuchungen
Die Erfindung betrifft den in den Patentansprüchen gekennzeichneten Gegenstand, daß heißt ein tragbares Strömungsmodell zur Simulation von Ultraschalluntersuchungen, insbesondere zur Simulation kontrastmittelunterstützter Ultraschalluntersuchungen.
Bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts werden Lehrmodelle für die praxisnahe Vermittlung von verschiedensten diagnostischen und therapeutischen Methoden in der Medizin hergestellt und vertrieben. Gerade im Bereich der Diagnostik leisten auch heute noch solche Demonstrations- und Übungsmodelle eine wertvolle Hilfestellung im Erlernen verschiedener Untersuchungstechniken.
Die Sonographie stellt ein wertvolles Hilfsmittel bei Untersuchungen des vaskularen Systems dar. Zur Untersuchung der flüssigkeitsgefüllten Räume, wie Herz- oder Blutgefäße ist es bei sonographischen Untersuchungen im B-Bild allerdings erforderlich, daß dem System eine echogene Substanz zugesetzt wird, deren akustische Impedanz deutlich höher ist als die der Blutflüssigkeit. Da der Impedanzunterschied zwischen Gasen und Flüssigkeiten besonders groß ist, sind Suspensionen, die feine Gasblasen enthalten, als sehr effektive Ultraschallkontrastmittel bekannt. Die Verwendung von derartigen Kontrastmitteln bietet aber nicht nur Vorteile im B- Bild, sondern beim Arbeiten unter ungünstigen Beschallungsbedingungen auch im Farbdoppler bzw. Spektraldoppler.
Da Ultraschallkontrastmittel erst seit kurzer Zeit auf dem Markt erhältlich sind - so wurde das erste zugelassene Ultraschallkontrastmittel überhaupt (Echovist®; Schering AG) erst 1991 auf dem Markt eingeführt - sind die Kenntnisse über die sich bei Verwendung von Ultraschallkontrastmitteln ergebenden Vorteile noch gering. Es besteht ein Bedarf ein Gerät bereitzustellen, das
• die Mediziner mit der Anwendung dieser neuen Methode und den sich daraus ergebenden neuen, erweiterten diagnostischen Möglichkeiten vertraut macht,
• die Vorteile der kontrastmittelunterstützen Sonographie zeigt,
• die genutzten physikalischen Effekte transparent macht,
• Vergleiche zwischen verschiedenen Kontrastmitteln unter standardisierten Bedingungen ermöglicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, unter Beachtung der vorgenannten Punkte ein Gerät zur Demonstration von Ultraschallkontrastmitteln bereitzustellen, das
• die realen (in vivo) Strömungsverhältnissen wiedergibt, d.h. ein Modell zu entwickeln, bei dem insbesondere die durch das Herz verursachte Druckpulsation realitätsnah simuliert wird, • leicht zu Bedienen und zu Transportieren ist,
• leicht zu reinigen und zu warten ist, um einerseits unterschiedliche Kontrastmittel innerhalb kurzer Zeiträume vorstellen zu können, andererseits eine problemlose Funktion des Geräts auch bei wenig geschultem Personal zu gewährleisten, • den Aufsatz verschiedener Transducer-Köpfe erlaubt, um so dem jeweiligen Arzt die Möglichkeit zu geben, die Vorzüge verschiedener Kontrastmittel an seinem eigenen Gerät kennenzulernen bzw. verschiedene Kontrastmittel untereinander vergleichen zu können,
• pathologische Veränderungen an den Gefäßen (wie z.B. Gefäß Verengungen durch "Plaque" -Ablagerungen) simulieren kann,
• verschiedene Eindringtiefen in das Gewebe simulieren kann.
Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst.
Es wurde gefunden, daß ein tragbares Strömungsmodell enthaltend eine Injektionstelle (1), eine Pumpe (2), eine Ventileinheit bestehend aus einer Drossel (3) und einem Ventil (4), eine mit einem Untersuchungsfenster (8) versehene Untersuchungskammer (6) und eine Drossel (9), wobei die einzelnen Bauteile über ein Rohrleitungssystem miteinander verbunden sind, hervorragend zur Simulation von kontrastmittelunterstützten Ultraschalluntersuchungen geeignet ist.
Der Aufbau des Strömungsmodells ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Die einzelnen Bauteile werden nachfolgend in ihrer Funktion erläutert. Figur 2 zeigt die Untersuchungskammer (6) in räumlicher Darstellung und in Seitenansicht .
Der Strömungskreislauf enthält eine Injektionsstelle (1) durch die gewünschtenfalls das Kontrastmittel in den Kreislauf injiziert werden kann. Als Material eignen sich z.B. Gummisepten, wie sie auch bei Vorratsflaschen (Vials) für flüssige Pharmazeutika breite Anwendung finden.
Von der Iηjektionstelle gelangt das Kontrastmittel bzw. das im Kreislauf befindliche Medium zu einer Pumpe (2), die stellvertretend für das Herz steht. Geeignete Pumpen sind Kreisel- oder Membranpumpen u.s.w. mit steuerbarer Pumpleistung. Da derartige
Pumpen haben eine konstante Förderung haben, im vorliegenden Fall jedoch ein pulsativer Strom (wie er dem in vivo Blutstrom entspricht) erwünscht ist, ist es erforderlich den Strom durch eine geeignete Vorrichtung zu beeinflussen. Dieses geschieht erfindungsgemäß, indem der Pumpenfluß über eine Verzweigung auf zwei parallel geschaltete Schläuche (Äste) aufgeteilt wird. Über einen der beiden Äste wird über eine Drossel (3) ein konstanter Fluß einreguliert, der im wesentlichen der diastolischen Strömungsgeschwindigkeit in dem gewünschten zu untersuchenden Gefäß entspricht. Der andere Ast enthält ein getaktetes Ventil (4), das im Wechsel auf Durchlaß bzw. Sperrung schaltet, wobei der Schalttakt (die Schaltfrequenz) der natürlichen Pulsfrequenz entspricht. Beide Äste vereinigen sich anschließend wieder, wobei durch die Überlagerung beider Flüsse ein pulsatives Strömungsverhalten erreicht wird.
Durch diese einfache Anordnung, bestehend aus Pumpe und Ventileinheit [bestehend aus einer Drossel (3) und einem Ventil (4)], gelingt es überraschenderweise ein
Fließverhalten zu erreichen, wie es den physiologischen Verhältnissen entspricht. So lassen sich Druckschwankungen realisieren, wie sie den in vivo Druckunterschieden zwischen systolischem und diastolischem Druck entsprechen. Die Ventilsteuerung kann über einen einfachen Taktgeber erfolgen. Eine aufwendige Elektronik, wie sie z.B. erforderlich wäre, sollten vergleichbare Fluß Verhältnisse durch Variation der Pumpendrehzahl erreicht werden, kann vermieden werden. Auch lassen durch sich durch diesen Aufbau (über die Art der Taktung und das Maß der Drosselung) die Strömungsverhältnisse an die in vivo Verhältnisse, wie sie in unterschiedlichen Gefäßen vorliegen, anpassen.
Figur 3 zeigt die Strömungsverhältnisse in der Arteria femoralis unter in vivo Verhältnissen (oben) und simuliert im Strömungsmodell (unten). Figur 4 zeigt eine Gegenüberstellung der Strömungsverhälnisse in der Arteria carotis (in vivo/oben; in vitro/unten). Es wird in beiden Fällen eine gute Übereinstimmung der in Kurvenprofile in vivo und in vitro beobachtet.
Kernstück des Strömungsmodells ist die Untersuchungskammer (6), die stellvertretend für die zu untersuchende Körperregion steht und aus verschiedenen Materialien gefertigt sein kann. Vorteilhafterweise werden transparente Materialien, wie z.B. Plexiglas, verwendet, um dem Anwender einen Einblick in den Untersuchungsraum zu ermöglichen. Da die Kammer mit einem flüssigen Medium gefüllt ist, muß sie in wasserdichter Bauweise gefertigt sein. Als Medien eignen sich Wasser oder schallschwächende Fluide.
In der Kammer befinden sich zwei parallel geschaltete Rohrleitungen [5 a) und 5b)], die vom einem Medium, das als Blutersatz dient, durchströmt werden. Die Leitungen repräsentieren die zu untersuchenden Gefäße und können künstlich, z.B. durch Anbringen von Verengungen, die z.B. eine Stenose simulieren, verändert werden. In diesem Fall enthält dann das ein Rohr die "pathologische" Veränderung, wohingegen das andere Rohr als Referenz dient. Die Röhren sind aus dünnwandigem Material gefertigt, das eine akustische Impedanz hat, wie sie dem physiologischen Verhältnissen entspricht. Geeignet sind verschiedene Kunststoffe, wie beispielsweise Polypropylen oder Silicon.
Weiterhin enthält die Kammer ein elastisches Untersuchungsfenster (8), das quasi als Hautersatz dient und an das der Transducer des jeweiligen Ultraschallgeräts angelegt werden kann. Das Untersuchungsfenster ist über den Röhren (5) plaziert und aus einem für Ultraschall durchlässigen Material (wie z.B. Silicon) gefertigt Dieser Aufbau erlaubt es beliebige Ultraschallgeräte an den Kreislauf "anzuschließen", wodurch es möglich wird dem Anwender die vorteilhafte Wirkung eines in den Kreislauf eingebrachten Kontrastmittels an seinem eigenen Ultraschallgerät kennenzulernen.
Zwischen Untersuchungsfenster und Rohrleitungen kann ein Medium, das eine Dämpfung für Ultraschall aufweist, die der von Körpergewebe entspricht, eingebracht werden. Dämpfendes Medium kann z.B. Polyurethangummi sein, das in Keilform gearbeitet ist. Dieser Dämpfungskeil (7) simuliert in Abhängigkeit der Einschubtiefe unterschiedliche Gewebeschichtdicken. Der Keil wirkt also in die Tiefe (siehe hierzu auch Figur 2). Diese Anordnung gestattet somit auch die Simulation von tieferliegenden Gefäßen, ohne daß die Geometrie der Anordnung verändert werden muß. Dieses ist von Vorteil, da hierdurch ein direkter Vergleich verschiedener Untersuchungen unter sonst identischen Bedigungen (wie z.B. Einstrahl- und Reflektionswinkel) möglich wird.
Drossel (9) dient als regulierbarer Strömungswiderstand, über den ebenfalls die Flußgeschwindigkeit geregelt werden kann. Mit Hilfe der regulierbaren Drossel können die Strömungsprofile zusätzlich beeinflußt werden, um eine noch bessere Anpassung an die pysiologischen Verhältnissen zu erreichen. So dient diiese Drossel im wesentlichen dazu die Obergrenze des im Kreislauf herrschenden Drucks auf eine Wert zu limitieren, wie er dem systolischen Druck entspricht.
Der Strömungskreislauf wird mit einem Medium gefüllt, das als Blutersatz dient. Geeignet sind flüssige Medien, die ähnliche Viskositäten wie Blut zeigen, wie z.B. Wasser-Glycerin-Gemische, die gegebenenfalls Zusätze wie z.B. Silbersalze zur Entkeimung enthalten können, um Algenbildung im Kreislauf zu verhindern. Auch können dem Fluid gegebenenfalls partikuläre Bestandteile wie z.B. Zellulosefasern oder Latexpartikel beigegeben werden, um Strömungseigenschaften zu simulieren, wie sie dem von Blut entsprechen. Werden andere vergleichbare Flüssigkeiten verwendet, ist darauf zu achten, daß sich die verwendete Flüssigkeit neben der Viskosität auch in ihren Lösungseigenschaften gegenüber dem verwendeten Kontrastmittel und in seinen akustischen Eigenschaften nur geringfügig von Blutflüssigkeit unterscheidet. Der Kreislauf kann über einen Einfüllstutzen (in Figur 1 nicht eingezeichnet), der sich an jeder beliebigen Stelle des Kreislaufs befinden kann, befüllt oder entleert werden. Dadurch ist eine leichte Reinigung, die z.B. nach einer Vielzahl von Kontrastmittelinjektion erforderlich wird, gewährleistet. Auch kann das Wasser vor dem Transport des Gerätes abgelassen werden, um das Gewicht des Modells nicht unnötig zu erhöhen.
Mit einem separaten Einfüllstutzen versehen ist auch die Kammer (6), die vor dem Transport ebenfalls entleert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Modell in einem tragbaren Koffer, z.B. in einem Aktenkoffer, untergebracht. Die Stromversorgung der Anlage (Pumpe und Ventile) kann umschaltbar über einen Netzanschluß oder über Akkubetrieb erfolgen.
Das erfindungsgemäße Modell ermöglicht dem Anwender eine realitätsnahe Durchführung einer Sonographieuntersuchung. Seine kompakte und leichte Bauweise ermöglicht einen breiten Einsatz bei "Workshops" und "in-house" Trainings. Dadurch ist es möglich, dem späteren Anwender von Kontrastmitteln die Vorzüge dergleichen direkt unter Verwendung des eigenen Ultraschallscanners vorzuführen. Die einfache Bauweise erlaubt eine nahezu wartungsfreie Nutzung.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der schematischen Darstellung des Kreislaufmodells (Figur 1 +2) verdeutlicht.
Es bedeuten:
D Injektionsstelle
2) Pumpe i 3) Drossel
4) Ventil
5a) und b) ultraschalldurchlässige Rohrleitungen
6) Untersuchungskammer
7) Dämpfungskeil
' 8) Untersuchungsfenster
9) Drossel (Widerstand)