von Münster, Thomas: Der Einfluss der Körperposition auf die zerebrale venöse Drainage. Eine duplexsonographische Untersuchung der Vena jugularis interna und Vena vertebralis

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Kapitel 2. Material und Methoden

Die Duplexsonographie ist eine fest etablierte diagnostische Methode. Sie vereinigt die Möglichkeiten von konventioneller Schnittbildsonographie und Dopplersonographie. Dies ermöglicht die gleichzeitige Messung von Blutflussgeschwindigkeit und Kaliber eines Gefäßes. Im Gegensatz zur MRT-Angiographie erlaubt das Verfahren durch die handliche Untersuchungssonde Messungen in allen Körperpositionen.

2.1 Physikalische Grundlagen der Dopplersonographie

Im Jahr 1842 entwickelte Christian Andreas Doppler in seiner Arbeit über das farbige Licht der Sterne, die theoretische Grundlage der Dopplersonographie. Der nach ihm benannte Dopplereffekt beschreibt, die Frequenzänderung eines wellenförmigen Signals bei einer Relativbewegung zwischen Sender und Empfänger. Bewegen sich Sender und Empfänger aufeinander zu, so kommt es zu einem Frequenzanstieg. Entfernen sich Sender und Empfänger voneinander, so nimmt die Frequenz ab. Bei der Dopplersonographie sind Sender und Empfänger dagegen fest im Schallkopf miteinander verbunden. Die von der Sonde ausgesandten Schallwellen definierter Frequenz, werden von den sich bewegenden korpuskulären Bestandteilen des Blutes reflektiert. In Abhängigkeit von der Blutflussgeschwindigkeit und Richtung kommt es zu einer Frequenzverschiebung (Bollinger et al. 1996). Ist die Bewegung des Reflektors (Blut) deutlich langsamer als die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls im Gewebe (~1500 m/s), so besteht eine direkt proportionale Beziehung zwischen der Geschwindigkeit v des Reflektors und der Größe der Frequenzverschiebung Deltaf.

Diese Beziehung gilt nur, wenn die Relativbewegung zwischen Sender und Empfänger deutlich langsamer ist, als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenfront. Diese Vorraussetzung ist beim Ultraschall gegeben. Die Höhe der Frequenzverschiebung Deltaf hängt zusätzlich von der Sendefrequenz fo, der Schallgeschwindigkeit c im Gewebe, sowie dem Beschallungswinkel alpha, ab. Die Schallgeschwindigkeit c im Gewebe kann als konstant angesehen werden, die Sendefrequenz fo ist am Gerät einzustellen. Der Winkel alpha beschreibt die Abweichung zwischen der Achse des Schallstrahls und dem Verlauf des Blutgefäßes. Sein Einfluss ist von großer Bedeutung, da die oben beschriebene Dopplerbeziehung nur gilt, wenn Schall- und Blutströmungsrichtung parallel zueinander liegen. Die Laufzeit des Signals entspricht aufgrund der Anordnung von Sender und Empfänger der doppelten Wegstrecke. Deshalb muss die Formel um den Faktor 2 ergänzt werden. Aus diesen Zusammenhängen ergibt sich folgende Beziehung.

oder (da f0 und c konstant)

Die Bedeutung des Winkels wird bei Betrachtung der beiden Extremvarianten deutlich. Bei parallelem Verlauf von Schallstrahl und Gefäß (Winkel alpha = 0° und cos alpha = 1) hat der Winkel keinen Einfluss auf die Gleichung. Treffen Gefäß und Dopplerschallstrahl hingegen orthogonal aufeinander, so ist kein Blutstrom messbar (cos alpha = 0), da keine Relativbewegung zwischen Sender und Reflektor stattfindet (Widder 1995).

2.2 Entwicklung der Doppler- und Duplexsonographie

Bereits Ende der 50er Jahren des 20. Jahrhunderts erfolgten Versuche zur transkutanen Blutflussmessung mit der Dopplersonographie (Satomura 1959, Satomura und Kaneko 1960, Franklin et al. 1961, Rushmer et al. 1966, Rushmer et al. 1967). Unter Federführung von D. E. Strandness jr. wurde die neue Technik in die Diagnostik der arteriellen Verschlusskrankheit eingeführt (Strandness et al. 1966, Rushmer et al. 1967, Strandness et al. 1969, Sumner und Strandness 1969). Für die wichtigsten peripheren Gefäße wurden Flussgeschwindigkeitskurven aufgezeichnet, an deren Form sich Regionen mit hohem peripheren Widerstand, von Stromgebieten mit niedrigem Gefäßwiderstand unterscheiden ließen. 1961 gelang es erstmals die Strömungsverhältnisse in Gefäßen distal einer Stenose zu charakterisieren (Kaneko et al. 1961). Auch in Europa wurde der Stellenwert der Methode schnell entdeckt (Kalmanson et al. 1968, Yao et al. 1970). Von besonderer Bedeutung für die Neurologie war die Anwendung dieser Technik auf die Untersuchung der hirnversorgenden Arterien. Der nichtinvasive Nachweis von Karotisstenosen markierte einen


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bedeutenden Fortschritt in der Abklärung von transienten ischämischen Attacken und zerebrovaskulären Insulten (Brinker et al. 1968, Kriessmann et al. 1990, Büdingen und Reutern 1993, Neuerburg-Heusler und Hennerici 1995). Pourcelot entwickelte 1971 ein Gerät, mit dessen Hilfe zwei Arbeitsgruppen nachweisen konnten, dass eine Flussumkehr in der A. ophthalmica auf eine Stenose in der vorgeschalteten A. carotis interna hinweist. Dieses Verfahren wurde als „indirekte Dopplersonographie“ bezeichnet (Müller 1971, Pourcelot 1971, Müller 1972, Keller et al. 1973). 1974 gelang wiederum Pourcelot der Nachweis, dass sich die A. carotis communis, die A. carotis interna, die A. carotis externa und die A. vertebralis dopplersonographisch differenzieren lassen (Pourcelot 1974). Aufgrund der hohen diagnostischen Zuverlässigkeit sowie des wenig belastenden Untersuchungsablaufes fand die Methode zügig Eingang in die klinische Praxis (Büdingen et al. 1976, Reutern et al. 1976, Reutern et al. 1976). Die Entwicklung von Geräten mit gepulster Emission (Impuls-Echo-Technik, pulsed wave (pw)) von Ultraschallwellen war ein entscheidender weiterer Schritt. Dieses Verfahren ermöglichte durch Berücksichtigung der Laufzeit des Signals eine Untersuchung von Strukturen in frei definierbarer Tiefe (McLeod 1974, Peronneau et al. 1974, Casty 1976). Die Fortschritte in der Computertechnologie konnte die konventionelle Schnittbildsonographie so verbessert werden, dass hochauflösende Bilder in Echtzeit möglich wurden. Die Kombination aus Schnittbildsonographie gepulstem Doppler wurde als Duplexsonographie bekannt. Auf diese Weise ließ sich das Flussprofil eines Gefäßes unter Kontrolle der Gefäßmorphologie darstellen (Hobson et al. 1980, Comerota et al. 1981, Fell et al. 1981, Widder et al. 1982, Dreisbach et al. 1983, Widder 1985). Mit diesem Verfahren, welches erstmals am Zentrum von D. E. Strandness in Seattle zur Anwendung kam, gelang die Differenzierung von Karotisstenosen und Gefäßverschlüssen mit hoher diagnostischer Sicherheit (Strandness 1990). Ende der achtziger Jahre wurde schließlich mit der farbkodierten Duplexsonographie ein Verfahren etabliert, mit dem sich Flussbewegungen in einem Bildausschnitt farbig darstellen ließen (Merritt 1987, Middleton et al. 1988, Steinke et al. 1990).

2.3 Blutflussmessung

Als Maß für die Flussgeschwindigkeit wurde die intensitätsgewichtete mittlere Flussgeschwindigkeit Vtav verwendet. Die Berechnung der Vtav Werte zielt darauf ab, einen Mittelwert aller gleichzeitig im Gefäß vorhandenen Geschwindigkeiten zu erfassen. Aus diesem Grund ist es wichtig das Messfeld des pw-Dopplers an das Kaliber des Gefäßes anzupassen. Das Messvolumen des pw-Dopplers wurde der Gefäßgröße angepasst. Der Dopplerschallstrahl wurde mit 20° Winkelabweichung vom Schnittbild eingestrahlt, so dass auch bei orthogonal zur Sonde verlaufenden Gefäßen der Beschallungswinkel unter 70° gehalten werden konnte. Durch Anpassung der Pulsrepetitionsfrequenz und der Verstärkung (gain) wurde das erfasste Dopplersignal optimiert. Aus dem Dopplerfrequenzspektrum über 3 Herzzyklen ermittelte das Gerät Vtav.
Bei der Berechnung von Vtav werden die einzelnen Geschwindigkeitskomponenten (Vi) mit der Intensität der zugehörigen Dopplerfrequenz (Wi) gewichtet, da diese proportional zur Anzahl der mit der entsprechenden Geschwindigkeit fließenden Blutzellen variiert. Die Summe der gewichteten Einzelgeschwindigkeiten muss dann noch durch die Summe aller Intensitätswerte dividiert werden, da diese als proportional zur Gesamtzahl aller Blutzellen im Gefäßquerschnitt angesehen werden. Der Index I läuft über alle dargestellten Frequenzen, womit Vtav als die mittlere Strömungsgeschwindigkeit aller im Gefäß vorhandenen Blutzellen interpretiert werden kann (Diehl und Berlit 1996).

Der B-Bild-Modus des Ultraschallgerätes dient der Bestimmung des Gefäßdurchmessers. Als Gefäßwandbegrenzung wurde die innere echoreiche Lamelle der Gefäßwand gewertet, die den Übergang vom Lumen zur Gefäßwand markiert. Bei den arteriellen Gefäßen, die typischerweise ein rundes Profil aufweisen, wurde die Querschnittsfläche aus dem Durchmesser des Gefäßes berechnet. Auch die Querschnittsfläche der V. vertebralis wurde unter Annahme eines runden Gefäßprofils berechnet. Dies geschah aufgrund des geschützten Verlaufs der V. vertebralis im Canalis transversarius, in dem eine duplexsonographische Beurteilung der Querschnittsfläche nicht möglich war. Das Profil der V. jugularis interna variiert in Abhängigkeit von der Körperposition von kreisrund bis schlitzförmig. Aus diesem Grund wurde die Querschnittsfläche im Transversalschnitt


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des Gefäßes bestimmt. Dazu wurde eine Ellipse auf dem Monitor an die Gefäßkontur angepasst. Der Flächeninhalt der Ellipse wurde vom Gerät automatisch berechnet. Der Blutfluss (I) im Gefäß lässt sich bei Kenntnis von Flussgeschwindigkeit (Vtav) und Querschnittsfläche (A) wie folgt berechnen.

Die Ergebnisse sind als semiquantitative Messungen anzusehen. Eine wesentliche Fehlerquelle ist die Bestimmung des Gefäßdurchmessers, der quadratisch in die Formel zur Berechnung des Blutflusses eingeht. Besonders anfällig ist das Verfahren bei Gefäßen mit geringem Durchmesser. Trotz dieser Fehlerquellen konnte gezeigt werden, dass die Zuverlässigkeit der Methode bei Messung der hirnversorgenden Arterien vergleichbar ist mit den Ergebnissen der 133Xe-Inhalationstechnik oder der H2 15O-PET-Technik (Schöning und Scheel 1996).

2.4 Das Duplexgerät

Die Untersuchungen wurden mit einem Duplex-Ultraschallgerät der Firma Toshiba (Sonolayer SSA 350) durchgeführt. Verwendet wurde ein Multifrequenz-Linear-Schallkopf, mit den Sendefrequenzen von 5 MHz, 8 MHz und 10 MHz. Dies bietet den Vorteil Strukturen in unterschiedlicher Tiefe optimal zur Darstellung zu bringen.

2.5 Untersuchungskollektiv

In einem ersten Schritt wurden 50 Probanden auf Eignung zur Teilnahme an der Studie untersucht. Einschlusskriterium war ein beidseitig sonographisch klar zu erkennendes Lumen der V. vertebralis. Ausschlusskriterien waren: eine kardiovaskuläre Erkrankung, ein arterieller Hypertonus oder ein Zustand nach Operation im Halsbereich. Die Studie wurde im Juni 1998 an 23 Personen durchgeführt. Das Untersuchungskollektiv bestand aus 12 weiblichen und 11 männlichen Probanden mir einem Durchschnittsalter von 25 ± 3 Jahren.

2.6 Untersuchungsablauf

Die Probanden wurden auf einem stufenlos neigungsverstellbarem Kipptisch in Rückenlage (0°) gelagert. Zunächst wurde für jedes Gefäß eine optimale Untersuchungsposition der Sonde gesucht und mit einem Stift auf der Haut markiert. Dieses Vorgehen gewährleistet reproduzierbare Messpositionen. Begonnen wurde die Messreihe in der -15°-Position. Nach 2 Minuten Adaptationszeit wurde mit der Messung begonnen. Der Reihe nach wurde Querschnittsfläche (A) und Flussgeschwindigkeit (Vtav) in der linken V. jugularis interna, der linken und rechten V. vertebralis und der rechten V. jugularis interna bestimmt. Die Messungen in den Positionen 0°, 15°, 30°, 45° und 90° folgten nach einer Adaptationszeit von jeweils 2 Minuten. Alle Messungen fanden in Atemmittellage statt. In den Positionen 0° und 45° wurden zusätzlich die oben angeführten Parameter für die Aa. carotis internae und die Aa. vertebrales beider Seiten ermittelt.

2.6.1 Untersuchung der Vena jugularis interna

Bei venterolateraler Sondenposition ließ sich die V. jugularis interna in der Regel direkt lateral der A. carotis interna darstellen. Die eindeutige Identifizierung der V. jugularis interna gelang mit Hilfe des Kompressionstests. Durch leichten Druck mit der Sonde gegen den Hals verschloss sich das Lumen des Gefäßes, während die arteriellen Lumina erhalten blieben. Aufgrund des variierenden Querschnittsprofils der V. jugularis interna wurde die Gefäßquerschnittsfläche in der Transversalebene bestimmt. Dazu wurde, im Standbildmodus eine Ellipse der Gefäßquerschnittsfläche angepasst. Aus dieser Ellipse wurde automatisch die Querschnittsfläche berechnet. Um den Einfluss extrazerebraler Zuflüsse, insbesondere der V. facialis zu minimieren, wurde eine möglichst kranial gelegene Sondenpositionen festgelegt. Die Messung erfolgte ungefähr in Höhe des Kieferwinkels. Aufgrund der im Verlauf der V. jugularis interna variablen Querschnittsfläche, wurde darauf geachtet, die Flussgeschwindigkeitsmessung im Sagittalschnitt an der Stelle durchzuführen, an der zuvor im Transversalschnitt die Querschnittsfläche bestimmt wurde.

2.6.2 Untersuchung der Arteria carotis interna

Zunächst wurde die A. carotis communis aufgesucht. Kranial des Karotisbulbus gelangen A. carotis interna und -externa zur Darstellung. Unterscheiden lassen sich beide Äste anhand des Dopplersignals. Beklopft man einen Ast der A. carotis externa mit dem Finger, so finden sich die


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Oszillationen im Dopplersignal der A. carotis externa wieder. Befindet sich das Messvolumen des pw-Dopplers in der A. carotis interna, so fehlt eine Oszillation im Dopplersignal oder ist allenfalls schwach vorhanden. Aufgrund des runden Querschnittsprofils konnten Flussgeschwindigkeit und Querschnittsfläche im Sagittalschnitt bestimmt werden.

2.6.3 Untersuchung von Arteria und Vena vertebralis

Die Untersuchung der Vertebralgefäße erfolgte in sagittaler Schnittführung von ventral. Zunächst wurde die A. vertebralis im intervertebralen Abschnitt dargestellt. Meist erfasste man im gleichen Schnittbild die parallel und ventral verlaufende Vene. Konnten beide Gefäße nicht in einem Bild dargestellt werden, so ließ sich das fehlende Gefäß durch leichte Kippung der Sonde nach lateral oder medial darstellen. Die sichere Identifizierung der Gefäße gelingt durch die Schallschatten der Processus transversi, zwischen denen Arterie und Vene zum Vorschein kommen. Im Farbdopplermodus zeigten sich Arterie und Vene als in der Körperlängsachse parallel verlaufende Gefäße mit entgegengesetzter Flussrichtung. Durch Anpassung der Pulsrepetitionsfrequenz an die geringeren Flussgeschwindigkeiten der V. vertebralis im Liegen ließ sich das Farbsignal verbessern. Für die Untersuchung der V. vertebralis wurde eine möglichst kranial gelegener Gefäßabschnitt zwischen den Querfortsätzen der Halswirbel C4-C6 gewählt, um den Einfluss extrakranieller Zuflüsse zu minimieren. Der Gefäßabschnitt der Vene sollte ein eindeutig zu bestimmendes Lumen aufweisen. Zunächst wurde der Durchmesser des Gefäßes im Sagittalschnitt bestimmt. Die Berechnung der Querschnittsfläche beruht auf der Annahme eines runden Profils, da eine Messung der Querschnittsfläche des Gefäßes aufgrund des Verlaufes im Canalis transversarius nicht möglich ist.

2.7 Statistische Auswertung

Die Messwerte des Ultraschallgerätes wurden während der Untersuchung durch Photoausdrucke festgehalten. Die deskriptive Auswertung des erhobenen Datenmaterials erfolgte mit dem Tabellenkalkulationsprogramm „Excel 97“ der Firma Microsoft. Statistische Tests wurden mit dem Statistikprogramm “GraphPad InStat Version 3.00 für Windows 98“ der Firma GraphPad Software durchgeführt. Berechnet wurde der Median, Mittelwert ± einfacher Standardabweichung sowie die Spannweite. Die Varianzanalysen erfolgten aufgrund der geringen Fallzahl als nichtparametrische Tests. Paarvergleiche wurden mit dem Wilcoxon-Test, einem Test für gepaarte Gruppen, durchgeführt. Vergleiche mit mehr als zwei Messwiederholungen wurden mit dem Friedman-Test durchgeführt, einem nichtparametrischen Test für mehrere verbundene Stichproben. Mittelwertvergleiche mit anderen Publikationen wurden als t-Test für ungepaarte Stichproben durchgeführt.


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Fri Jan 24 17:06:57 2003