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I.  Einleitung

Die periphere arterielle Verschlusskrankheit (PAVK) stellt eine häufige Erkrankung mit hoher Morbidität und Mortalität dar. Neuere Querschnittstudien zeigen, dass bis zu 7% der 45 bis 74-jährigen Patienten eine asymptomatische PAVK (Knöchel-Arm-Index < 0,9) aufweisen (1). Bei der Gruppe der über 70-Jährigen und bei Vorliegen von zusätzlichen Risikofaktoren sind es sogar 29% aller untersuchten Patienten (2, 3). Die klassische Claudicatio intermittens als symptomatische Form ist hierbei lediglich bei 5% der über 60-jährigen Patienten zu finden (4).

Der bevorzugte Befall der unteren Extremitäten führt durch die zu erwartenden Amputationen im Langzeitverlauf zu einer bedeutenden Invalidisierung der Patienten (5, 6).

Neben den konservativen und interventionellen Therapiestrategien der leichteren Stadien, hat heute die chirurgische Therapie einen besonderen Stellenwert in der Behandlung der fortgeschrittenen PAVK (7).

Die Geschichte der chirurgischen Behandlung von chronischen Gefässverschlüssen begann in der Mitte des letzten Jahrhunderts, nachdem nahezu zeitgleich Cid Dos Santos (1946) und Jean Kunlin (1948) ihre Methoden zur Rekonstruktion von Gefässverschlüssen im femoro-poplitealen Bereich publiziert und die Grundlage der modernen Gefässchirurgie geschaffen haben (8, 9). Während Dos Santos versuchte, die Verschlüsse über eine lokale Thrombendarteriektomie zu behandeln, so war für Kunlin die Überbrückung des Verschlusses (fr. „pontage“, Bypass) das Konzept der Wahl. Er griff damit ein Konzept von Ernst Jeger auf, der bereits 1913 eine Bypassanlage im Tierexperiment propagierte (10).

Beide Methoden haben sich in den folgenden Jahren weiterentwickelt. Während das ursprüngliche Prinzip der Thrombendarteriektomie jedoch heute im Wesentlichen auf die Chirurgie der Karotisgabel beschränkt ist, so werden längerstreckige femoro-distale Verschlüsse mit autologem oder alloplastischem Material überbrückt.

Der bereits von Kunlin eingesetzte autologe Venenbypass, welcher heute entweder als reversed-vein oder in-situ Graft Anwendung findet, hat sich aufgrund seiner guten Langzeitprognose als goldener Standard für den femoro-poplitealen und cruralen Abschnitt etabliert. Voraussetzung für die Realisierung eines venösen Bypasses ist jedoch das Vor[Seite 5↓]handensein einer geeigneten Vena saphena magna. Diese kann entweder im Rahmen von Varizenoperationen entfernt worden sein, varikös verändert, anlagemäßig zu dünn oder zu verzweigt sein. Darüber hinaus wird sie regelmäßig für aorto-coronare Bypassanlagen verwendet.

Wenn die V. saphena nicht als Bypassgefäss zur Verfügung steht, muss man zum Beinerhalt auf alloplastisches Material zurückgreifen. In der Vergangenheit sind aus diesem Grund verschiedene Materialen als Alternativen zur Vene eingesetzt worden. Einer der Pioniere auf dem Feld der Erforschung von alloplastischen Materialien zum Gefässersatz war Alexis Carrel, der schon 1906 versuchte, Arterien mit Hilfe von Röhren aus Glas und Aluminium zu ersetzen (11). Erst in den 50er Jahren des vergangenen Jahrhunderts jedoch gelang auch der klinische Einsatz von künstlichen Gefässen (12). Nachdem zunächst Vinyon-N Prothesen verwendet wurden, kamen später Nylon- und gewebte Teflon-Prothesen auf den Markt. Heute werden für den Ersatz der thorakalen und abdominellen Aorta sowie der Beckenarterien in der Regel Polyethylenterephthalat-Prothesen (Dacronâ) verwendet, während im Bereich der peripheren Arterien primär Polytetrafluoroethylen-Prothesen (PTFE) eingesetzt werden.

Die moderne gefässchirurgische Therapie der PAVK vom Oberschenkel- und Unterschenkeltyp beinhaltet in erster Linie Bypassanlagen zum supragenualen Anteil der A. poplitea (P1-Segment) bei Verschlüssen der A. femoralis superficialis, sowie zum infragenualen Segment der A. poplitea (P3-Segment) bei zusätzlichem Verschluss des P1-Abschnittes. Bei Verschlüssen der Aa. tibiales wird die Anlage von cruralen Bypässen erforderlich, welche aufgrund des Lumens der Anschlussgefässe jedoch eine technische Herausforderung darstellen und darüber hinaus mit hohen Verschlussraten verbunden sind (13).

In einer Reihe von Vergleichsstudien konnte gezeigt werden, dass für das P1-Segment keine deutlichen Unterschiede in den Offenheitsraten von PTFE- und Venenbypässen vorlagen (14-17). Für das infragenuale Segment der A. poplitea und für die cruralen Gefässe bestanden jedoch deutliche Unterschiede zwischen PTFE und Vene. Gerade im Langzeitverlauf wiesen die Venenbypässe eine signifikant bessere Offenheit auf (13, 14). Während die primären und sekundären Offenheitsraten für Venenbypässe in den meisten Studien über 70% [Seite 6↓]lagen, so wurden für crurale PTFE-Bypässe lediglich Raten zwischen 10% und 34% nach drei Jahren ermittelt.

Die Vorteile der Vene ergeben sich aus der verminderten Thrombogenität im Vergleich zu den künstlichen Materialen sowie der geringeren Charakteristischen Impedanz wie auch dem selteneren Auftreten von Intimahyperplasien im Bereich der Anastomosen (14, 18, 19). Neben dem verwendeten Bypassmaterial (PTFE, Vene) ist die chirurgisch-technische Problematik der Bypassanlage selbst sowie der hohe Strömungswiderstand der cruralen Ausstrombahn von entscheidender Bedeutung für den Erfolg der Bypassoperation (20, 21). Durch den zeitlichen Progress der Erkrankung, welche auch durch Einhaltung einer Diät, konsequente Nikotinabstinenz, Diabeteseinstellung und weitere medikamentöse Therapien nicht aufzuhalten ist, ändern sich darüber hinaus im postoperativen Langzeitverlauf die peripheren Anschlußverhältnisse der Bypässe erheblich. Infolge zunehmender Stenosierung der cruralen Gefässe kommt es zu einer Verringerung des gesamten Strömungsquerschnittes, welcher auch durch Ausbildung von Kollateralen nicht vollständig kompensiert werden kann. Hieraus resultiert eine kontinuierlich fortschreitende Erhöhung des peripheren Strömungswiderstandes und der hydraulischen Impedanz (Wellenwiderstand).

Um die Abflussverhältnisse der peripheren Bypässe zu untersuchen und um die individuelle Prognose abschätzen zu können, existieren eine Reihe von Methoden, von denen sich in erster Linie die intraoperativen Messverfahren des peripheren Widerstandes etabliert haben.

Die perioperative Messung des peripheren Strömungswiderstandes wurde von Ascer eingeführt und von mehreren Arbeitsgruppen übernommen (22-25). Hierbei wurde der lineare Strömungswiderstand in Anlehnung an das Ohmsche Gesetz als Quotient von Druck und Flussrate durch Injektion von Kochsalzlösung oder Blut in die Arterie ermittelt, wobei in der Regel die Perfusionsflussrate konstant gehalten und der resultierende Druck im Gefäss gemessen wurde. Einige Autoren verwendeten auch eine druckkonstante Injektion mit Messung der resultierenden Flussraten (26). Es zeigte sich jedoch, dass der intraoperativ gemessene lineare Strömungswiderstand in der Mehrzahl der Studien nicht mit der Offenheitsrate der peripheren Bypässe korrelierte, so dass die Entwicklung einer zuverlässigeren Messmethode zur Prognosebestimmung von peripheren Bypässen erforderlich wurde (22, 23, 27, 28).


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Der prinzipielle Nachteil der genannten Methoden besteht darin, dass lediglich der lineare, nicht-pulsatile Anteil des Strömungswiderstandes erfasst werden kann. Bei den genannten Untersuchungen wurde daher der pulsatile Anteil des Strömungswiderstandes, die sogenannte hydraulische Impedanz (Wellenwiderstand) mit den Phasenbeziehungen zwischen Druck- und Flusskurven völlig außer Acht gelassen.

I.1. Die hydraulische Impedanz

Durch die Arbeiten von McDonald und Womersley wurde das Konzept der hydraulischen Impedanz in die Physiologie des Kreislaufes eingeführt (29, 30). Die ersten Untersuchungen zur Impedanz des femoralen Gefässabschnittes stammten von Randall und Stacy, welche ihre Messungen an Hunden durchführten und bereits die pharmakologischen Auswirkungen auf die Impedanzparameter untersuchten (31).

Der Begriff der Impedanz stammt aus der Elektrotechnik, in welcher hiermit der Widerstand in Wechselstromkreisen beschrieben wird. Davon zu unterscheiden ist der lineare Widerstand, welcher durch das Ohmsche Gesetz festgelegt wird. Bei der Gefässimpedanz handelt es sich um die Betrachtung des pulsatilen Strömungswiderstandes, welcher zusätzlich zum linearen, stetigen Strömungswiderstand, die besonderen Aspekte der pulsatilen Blutströmung berücksichtigt. In einer quasi idealen pulsatilen Zirkulation finden sich in der Form identische und zeitlich kongruente Druck- und Flusskurven (Abb.1 ). Durch distale Wellenreflexionen, die an Gefässaufteilungen und vor allem am Übergang in das Kapillarbett entstehen und die eine Funktion der Compliance sind, kommt es neben individuellen Formänderungen in erster Linie zu einer zeitlichen Verschiebung zwischen den Druck- und

Abb. 1. In einer Strömung mit vorhandenen Wellenreflexionen von distal kommt es zu Formveränderungen und Phasenverschiebungen.


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Flusskurven (32). In der peripheren arteriellen Zirkulation verläuft daher die Flusskurve üblicherweise vor der Druckkurve. Der größte Nachteil bei der klinischen Umsetzung des Konzeptes der hydraulischen Impedanz war jedoch die Tatsache, dass eine hydraulische Impedanzmessung bisher nicht in-vivo verfügbar war.

Die ersten Versuche einer klinischen Anwendung stammten von Cave (33). Er berechnete die Input-Impedanz (linearer Widerstand) nach einer Fourier-Analyse der Druck- und Flusskurven von 25 Venenbypässen und fand statistische Unterschiede zwischen der mittleren Impedanz der A. femoralis communis und offenen/verschlossenen Bypässen. Butler versuchte ebenfalls, die Input-Impedanz auf Höhe der A. femoralis communis vor Anlage von Prothesenbypässen zu messen (34). Da sie jedoch ausschließlich vor der durchzuführenden Bypassanlage gemessen hat, konnte sie keine Aussagen über die Prognose der Bypässe machen. Weitere Versuche, neben dem linearen Strömungswiderstand auch Aussagen über die pulsatile Widerstandskomponente zu treffen, erfolgten aufgrund der beschriebenen technischen Problematik nicht. Da die zeitliche Verschiebung zwischen Druck- und Flusskurve im Vordergrund steht, ist es erforderlich, die Kurven an derselben Stelle in der Zirkulation zu messen. Erst durch die Anwendung der extrakorporalen Bypassflow-Methode (EBF), welche an der Charité entwickelt wurde, können sowohl Druck als auch Fluss simultan an einer Position gemessen und die Impedanzen aus den gewonnenen Kurven berechnet werden (35).

Das Konzept der hydraulischen Impedanz umfasst im Wesentlichen drei Parameter, welche nach Anwendung einer Fourier-Transformation aus den Druck- und Flusskurven berechnet werden. Neben der Input-Impedanz, die dem linearen peripheren Widerstand entspricht, werden die Charakteristische Impedanz und die Phasenverschiebung der beiden Kurven unterschieden (18, 32).

Um die unregelmäßig geformten Druck- und Flusskurven mathematisch zu beschreiben, ist eine Fourier-Transformation der Kurven erforderlich, um die gemessenen Signale in ihre sinusoidalen Komponenten zu zerlegen (36). Die Fast-Fourier-Analyse (FFT) erlaubt die Beschreibung jedes unregelmäßig geformten Signals mit Hilfe von mehreren Sinuswellen. Jede Sinusschwingung lässt sich durch ihre Frequenz und ihre Amplitude (Modulus) cha[Seite 9↓]rakterisieren. Durch Addition von Sinuswellen mit unterschiedlicher Frequenz und Amplitude kann jedes unregelmäßige Signal modelliert werden (inverse FFT). Die ganzzahligen Multiplen der Grundfrequenz (Herzfrequenz) des untersuchten Signals heißen Harmonische.

Nach der Fourier-Theorie entspricht der erste Modulus dem Mittelwert des gemessenen Signals. Daher ist der Quotient des ersten Druck- und Flussmodulus, der sogenannte Input-Impedanzwert, mit dem linearen Strömungswiderstand identisch, welcher in Anlehnung an das Ohmsche Gesetz, nach Bildung des Quotienten aus Druck- und Flussmittelwert, gebildet wird. Die Höhe dieses linearen Widerstandswertes ist in erster Linie abhängig vom Reflexionskoeffizienten der peripheren Strömung und ein Maß für den Basis-Strömungswiderstand (37).

Durch die Bildung des Mittelwertes der höheren Moduli lässt sich die Höhe der Charakteristischen Impedanz (Z0) abschätzen, welche von den elastischen Eigenschaften der runoff-Gefässe abhängt. Taylor hat den Begriff der Z0 eingeführt, um die theoretische Impedanz eines Gefässes in Abwesenheit von Wellenreflexionen zu beschreiben (38, 39). Da diese Bedingungen jedoch in vivo nicht erfüllt werden, ist die Z0 nicht direkt messbar und muss aus den Impedanzmoduli geschätzt werden. Die Charakteristische Impedanz ist direkt proportional abhängig vom elastischen Modul der Arterie und umgekehrt proportional zum Gefässdurchmesser. Je steifer die Arterie und/oder je kleiner das Lumen, desto höher ist die Charakteristische Impedanz (36).

Den dritten wichtigen Parameter des Impedanzkonzeptes stellt die sogenannte Phasenverschiebung zwischen Druck- und Flusskurve dar. Bei Sinusschwingungen, welche mit gleicher Frequenz aber zeitlich versetzt voneinander verlaufen, wird dieser Abstand als Phasenverschiebung charakterisiert. Da man die Sinusschwingungen auch als räumliche kreisförmige Bewegung auffassen kann, umfasst eine vollständige Schwingung einen Winkelkreis von 360°. Bei der Bestimmung der Phasenverschiebung wird ermittelt, bei welchem Winkel sich die Fluss-Sinuswelle der ersten Harmonischen befindet, wenn die korrespondierende Druck-Sinuswelle bei 0° angelangt ist. Da die Werte der Phasenwinkel der höheren Harmonischen aufgrund des geringen Betrages mathematisch fehleranfällig sind und der Wert der [Seite 10↓]0. Harmonischen immer 0 ist, wurde für die vorgelegte Arbeit lediglich der Wert der ersten Harmonischen zugrunde gelegt. Hierbei handelt es sich um die Phasenverschiebung zwischen den beiden Basis-Sinuswellen, welche das Grundgerüst der Fluss- und Druckkurven bilden. Da die Flusskurve in der peripheren Zirkulation vor der Druckkurve verläuft, liegt der Normalwert des ersten Phasenwinkels im Bereich zwischen -5 und -10°.

Die Arbeitsgruppe von O‘Rourke untersuchte in einer tierexperimentellen Arbeit an einem Hundemodell, ob sich durch pharmakologische Beeinflussung des Gefässwiderstandes charakteristische Veränderungen im Verhalten der Phasenwinkel hervorrufen ließen (40). Hierzu induzierten sie Vasokonstriktionen durch Applikation von Noradrenalin und Vasodilatationen durch Gabe von Acetylcholin. Während die Phasenwinkel der ersten Harmonischen bei Zunahme des Widerstandes durch Vasokonstriktion noch negativer wurden, so stiegen sie nach Induktion einer Vasodilatation an. Daher geht man davon aus, dass der erste Phasenwinkel den pulsatilen Grundwiderstand der Strömung am besten charakterisiert (32).

Im ersten Teil der vorgelegten Untersuchung wird die erste klinische Messung der hydraulischen Impedanz unter Verwendung der extrakorporalen Bypassflow-Methode beschrieben. Dabei stand die Frage im Vordergrund, ob die zusätzliche Erfassung der hydraulischen Impedanz Vorteile gegenüber der Messung des linearen peripheren Strömungswiderstandes aufweist. Insbesondere hinsichtlich der Vorhersagbarkeit der Langzeitprognose von femoro-poplitealen und cruralen Bypässen könnten Unterschiede vorhanden sein, die sich aus der zusätzlichen Betrachtung des pulsatilen Strömungswiderstandes ergeben. Die Ergebnisse wurden 1999 im Journal of Vascular Surgery veröffentlicht.

Weiterhin erlaubt die Anwendung des EBF-Verfahrens erstmals die Messung des selektiven distalen Abstromwiderstandes mit Erfassung der individuellen ante- und retrograden Flussraten. Hierbei ist es von besonderem Interesse, in welchem Verhältnis die selektiven Ausströme zum Gesamtfluss beitragen. Dieses ist nicht nur für die Konstruktion von End-zu-Seit-Anastomosen, sondern auch für in-vitro-Untersuchungen von Bedeutung, bei denen Strömungsmuster innerhalb von Anastomosen analysiert werden.


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I.2.  Der Einfluss von Prostaglandin E1 auf die hydraulische Impedanz

Bereits in den ersten tierexperimentellen Arbeiten zur Gefässimpedanz wurde versucht, den Einfluss von vasoaktiven Medikamenten auf die Parameter der hydraulischen Impedanz zu untersuchen (31). Zur konservativen Behandlung der fortgeschrittenen Stadien der PAVK wird vielfach Prostavasinâ(Alprostadil, PGE1) zur Vasodilatation eingesetzt (41-43). Auch peri- und postoperativ bei peripheren Rekonstruktionen wird häufig Prostavasin appliziert, um den peripheren Widerstand zu senken (44). Die PGE1–Wirkungen umfassen neben einer Fibrinolyse und Thrombozytenaggregationshemmung durch Blockade der Thromboxan-Synthese in erster Linie eine deutliche Vasodilatation der peripheren Gefässe (45, 46). Diese kommt durch eine Relaxation der Arteriolen und der präkapillären Sphinkteren zustande (47). Die peripheren Applikationsformen umfassen die intravenöse und die intraarterielle Applikation, wobei insbesondere für die i.a. Gabe die vasodilatatorische Potenz von PGE1 gesichert worden ist (48).

Die Konstruktion des EBF-Systems erlaubte die gezielte intraarterielle Applikation von vasoaktiven Substanzen in das Abstromsystem des geplanten Bypass. Aufgrund der möglichen klinischen Bedeutung der Prostaglandinapplikation sollte in der vorgelegten Untersuchung der Einfluss der prostaglandin-induzierten Vasodilatation auf die hämodynamischen Standardparameter aber auch insbesondere auf die Input- und Charakteristische Impedanz, sowie auf die Phasenverschiebung zwischen Druck- und Flusskurven untersucht werden. Darüber hinaus war in diesem Zusammenhang von Interesse, ob die Prostaglandinantwort mit der Offenheitsrate von peripheren Rekonstruktionen korrelierte. Die Ergebnisse wurden 2001 im European Journal of Vascular and Endovascular Surgery publiziert.

I.3. Die Korrelation von Angiographie und hydraulischer Impedanz

Möglich wurden gezielte Gefässrekonstruktionen erst durch die Einführung der Angiographie durch Reynoldo Dos Santos (49). Heute stellt die Gefässdarstellung, welche in der Regel als digitale Subtraktionsangiographie (DSA) durchgeführt wird, den goldenen Standard zur Beurteilung der Ausdehnung der PAVK und zur Operationsplanung dar (50). Ein besonders wichtiger Aspekt der präoperativ durchgeführten Angiographie besteht in der Beurteilung des peripheren Abstromwiderstandes (runoff) zur Abschätzung eines Bypasser[Seite 12↓]folges (23, 26, 51, 52). Die Stärke der Korrelation zwischen DSA und runoff wurde jedoch in mehreren Studien kontrovers beurteilt (22, 25, 53-55).

Auch in der klinischen Routine findet man häufig Diskrepanzen zwischen der präoperativen Visualisierung von möglichen Anschlussgefässen und dem intraoperativen Situs, wobei die Angiographie in der Regel falsch negative Befunde liefert (56). Aus diesem Grund verlässt man sich in kritischen Fällen nicht alleine auf die intraarterielle Gefässdarstellung, sondern zieht zusätzlich dynamische Untersuchungen, wie die farbkodierte Duplexsonographie, hinzu. Auch die in den letzten Jahren ständig verbesserten Magnetresonanz- und Computer-Tomographie-Angiographien können in diesem Zusammenhang als dynamische Untersuchungsmethoden wertvolle Zusatzinformationen liefern (57). Dieses ist von besonderer Bedeutung, da die Operationsindikation in der Regel vom angiographischen Befund abhängig gemacht wird. Bei primär nicht oder schlecht nachweisbaren Anschlussgefässen besteht daher die Gefahr, dass dem Patienten eine möglicherweise beinerhaltende Therapie verwehrt wird. Auch im Zusammenhang von Vergleichsstudien verschiedener Bypassmaterialen wird in der Regel der angiographisch bewertete runoff zur Beurteilung herangezogen.

Um die angiographischen Befunde zu vereinheitlichen und vergleichbar zu machen, werden sie innerhalb von Studien in der Regel mit Hilfe eines von der amerikanischen Gesellschaft für Gefässchirurgie (SVS/ISCVS) vorgelegten Score-Systems, dem sogenannten Rutherford-Index, bewertet (58). Dabei wird als Basis für die Beurteilung des Abstromes der Ort der geplanten Anastomose als Ausgangspunkt verwendet und die distal hiervon vorhandenen und visualisierten Gefässe beurteilt. In Abhängigkeit vom Ausmaß der arteriosklerotischen Veränderungen in den Anschlussgefässen addiert sich der angiographische Score-Wert bis zu einem maximalen Widerstand von 10 Punkten, wobei ein vollständig offenes Gefäss einen Widerstandsbeiwert von eins erhält. Eine möglicherweise vorhandene distale Flussteilung nach ante- und retrograd wird bei diesem Ansatz bislang nicht berücksichtigt. Die in den veröffentlichten Studien zur Korrelation zugrunde gelegten Widerstandsmessungen bezogen sich darüber hinaus ausschließlich auf lineare Strömungswiderstände, wobei die Limitierungen dieser Messungen bereits ausgeführt wurden. In dieser Untersuchung sollte daher die Korrelation der präoperativ durchgeführten Angiographie, welche als Rutherford[Seite 13↓]Index in die Berechnungen einfließt, mit den linearen und pulsatilen Strömungswiderständen untersucht werden. Darüber hinaus war die Frage von Bedeutung, ob eine Korrelation zwischen der Angiographie und der Prognose von femoro-infrainguinalen Rekonstruktionen existiert, die bei der Operationsplanung von Bedeutung sein könnte. Die Korrelation zwischen linearem Widerstand und Rutherford-Score wurden 1997 in der Zeitschrift für Gefässchirurgie veröffentlicht.

I.4. Der Einfluss der hydraulischen Impedanz auf die lokale Hämodynamik cruraler Anastomosen

Während hohe periphere Strömungswiderstände für frühe oder mittelfristige Bypassverschlüsse nach Tagen und Wochen verantwortlich sein können, kommt es in einem hohen Prozentsatz der Patienten darüber hinaus zu Verschlüssen nach einigen Monaten und Jahren (21, 59). Bei diesen längerfristigen Komplikationen spielt in erster Linie die Entwicklung einer subendothelialen Intimahyperplasie (IH) eine Rolle (59, 60). Hierbei handelt es sich um lokal im Anastomosenbereich auftretende Wandverdickungen der Anschlussgefässe, die zu einer Stenosierung mit konsekutivem Bypassverschluss führen können (61, 62). Die Prädilektionsstellen der IH umfassen neben der Hauben- und Fersenregion der distalen Anastomosen auch den Boden der Empfängerarterie (63, 64).

Es wurden mehrere Theorien zur Erklärung der IH-Bildung entwickelt, wobei sich in den letzten Jahren die sogenannte low-shear-Theorie durchgesetzt hat (65). Da es sich bei der IH-Bildung um einen chronischen Prozess handelt, ist jedoch der direkte Nachweis der Entstehung entsprechend schwierig. Nach der low-shear-Theorie kommt es in Zonen mit niedrigen Wandscherkräften zu einem Remodelling der Gefässwand mit dem Ziel, normale Wandscherverhältnisse, welche für eine Homöostase der Gefässwand erforderlich sind, wieder herzustellen (66, 67). In diesem Zusammenhang spielen die Endothelzellen eine besondere Rolle, da sie den anliegenden Scherstress messen und entsprechende biochemische Signale zur Proliferation von subendothelialen glatten Muskelzellen produzieren können (68-70). Gebiete mit niedrigen Wandscherkräften finden sich in End-zu-Seit konfigurierten Anastomosen am ehesten in Bereichen, in denen es zu Separationszonen mit Flussablösungen kommt (71, 72). Da die Flussmuster innerhalb von Bypassanastomo[Seite 14↓]sen in-vivo, mit Ausnahme der räumlich schlecht auflösenden Duplexsonographie, nicht direkt darstellbar sind, werden zu diesem Zweck in-vitro Flussvisualisierungsmethoden in Anastomosenmodellen verwendet (73). Bislang wurden jedoch die peripheren Abstromverhältnisse der Anastomosen in diesen Visualisierungsstudien nicht berücksichtigt. Gerade für die hydraulische Impedanz wird jedoch ein Zusammenhang zwischen niedrigen Wandscherkräften und hohen Phasenverschiebungen vermutet (74, 75). Neben der beschriebenen Messproblematik kommt zusätzlich die Problematik des Modellierens von peripheren Strömungswiderständen erschwerend hinzu.

Zur Flussvisualierung in Anastomosenmodellen wurden bislang in der Regel tracer-markierte Verfahren (Tinte, Wasserstoffblasen) verwendet, wobei die Möglichkeit fehlte, auch lokale Strömungsgeschwindigkeiten zu erfassen (73, 76).

Der goldene Standard für hochauflösende Geschwindigkeitsmessungen im Rahmen von Modelluntersuchungen ist die Laserdoppler-Anemometrie (LDA), bei der es sich ebenfalls um ein partikel-basiertes Verfahren handelt (77). Mit dieser Methode können jedoch innerhalb der Strömung lediglich einzelne Punkte nacheinander gemessen werden (78). Dementsprechend ist die Erfassung von größeren Strömungsfeldern äußerst zeitaufwendig und in der Regel auf lineare Strömungen beschränkt.

Durch die Entwicklung einer neuen, ebenfalls lasergestützen Technik, der Particle Image Velocimetry (PIV) ergab sich die Möglichkeit, die Flussvisualisierung erstmals mit einer hochauflösenden Flussgeschwindigkeitsmessung zu kombinieren (79, 80). Die Methode, welche bislang nur in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt wurde, erlaubt insbesondere die instantane, also zeitgleiche Erfassung des gesamten Strömungsfeldes in hoher räumlicher Auflösung. Mit geeigneten Optiken sind hiermit bis zu 1200 Messpunkte pro cm2 gleichzeitig erfassbar.

Bei der PIV handelt es sich um ein optisches Messverfahren zur Bestimmung der lokalen Geschwindigkeitsverteilungen innerhalb von Strömungen, bei der die Zentralebene der Strömung von zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Lichtpulsen eines Nd:YAG Lasers ausgeleuchtet wird. Mit Hilfe von Kreuzkorrelationsalgorithmen wird anschließend die Verschiebung von Tracerpartikeln, welche der Flüssigkeit zugegeben werden, ermittelt. Die PIV [Seite 15↓]eignet sich besonders für die Untersuchung von pulsatilen und turbulenten Strömungen. Die hochauflösende Erfassung von Geschwindigkeitsvektoren ermöglicht durch die Anwendung von Differentialgleichungen darüber hinaus die Berechnung von fluiddynamisch wichtigen Parametern, wie Scherraten, Scherstress und der Rotation der Flüssigkeit in z-Richtung (engl. vorticity) (80, 81). Im Vergleich zur LDA, bei welcher der Wandscherstress durch Verwendung von Geschwindigkeitsprofilen geschätzt werden muss, bietet sich hier erstmals die hochauflösende Erfassung ganzer Scherstressfelder.

Ein weiteres Ziel der vorgelegten Arbeit war daher die Erfassung der Strömungsmuster und Scherstressverteilungen innerhalb von drei typischen cruralen Bypassanastomosen unter Berücksichtigung von physiologischen linearen und pulsatilen Strömungswiderständen. Neben der Taylor-Patch-Anastomose (Ergebnisse 2003 veröffentlicht im European Journal of Vascular and Endovascular Surgery), waren in diesem Zusammenhang die Miller-Cuff-Form sowie die femoro-crurale Patch-Prothese (FCPP), welche in beiden Campi der Charité auch klinisch eingesetzt wird, von Bedeutung (82-84). Insbesondere erschien darüber hinaus die Untersuchung der räumlichen Korrelation der IH-Prädilektionsstellen mit den Strömungsmustern sinnvoll, um den lokalen Charakter dieser Erkrankung aufzuhellen. Darüber hinaus wurden erstmals die bekannten Anastomosenformen auch hinsichtlich ihrer individuellen Energieverluste verglichen.


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I.5.  Fragestellungen

Femoro-distale Prothesenbypässe sind durch eine im Vergleich zum Venenbypass deutlich niedrigere Offenheitsrate gekennzeichnet. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Rolle des peripheren Strömungswiderstandes und der Gestaltung der distalen Anastomosen im Hinblick auf die unbefriedigenden Langzeitergebnisse von Prothesenbypässen. Durch die Untersuchung der lokalen Hämodynamik innerhalb der Anastomosen sollen Faktoren zur möglichen geometrischen Optimierung erarbeitet werden.

Um den Einfluß des Strömungswiderstandes und der hydraulischen Impedanz auf die Prognose femoro-infrainguinaler Rekonstruktionen zu untersuchen, werden die Widerstände mit der extrakorporalen Bypassflow-Methode im Rahmen einer klinischen Studie während peripherer Bypassanlagen gemessen. Zur Untersuchung der Hämodynamik innerhalb von cruralen Bypassanastomosen werden Silikonmodelle der Anastomosenformen mit Hilfe der Particle Image Velocimetry in einem Modellkreislauf unter Verwendung von pulsatiler Strömung untersucht.

Folgende gezielte Fragestellungen werden dabei berücksichtigt:

I. Peripherer Widerstand

  1. Gibt es eine Korrelation zwischen dem peripherem Strömungswiderstand und den Offenheitsraten femoro-infrainguinaler Bypässe?
  2. Können die Parameter des hydraulischen Impedanzkonzeptes zur Prognoseabschätzung von peripheren Bypässen verwendet werden?
  3. Gibt es eine Korrelation zwischen der präoperativ durchgeführten Angiographie und dem Erfolg femoro-distaler Rekonstruktionen?
  4. Wie ändern sich die Parameter der hydraulischen Impedanz nach pharmakologischer Induktion einer peripheren Vasodilatation und korreliert die Reaktion mit der Langzeitprognose?


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II. Lokale Hämodynamik

  1. Wie gestaltet sich die lokale Hämodynamik von typischen Bypassanastomosen unter dem Einfluss hoher Wellenwiderstände?
  2. Lassen sich aus dem Anastomosendesign hämodynamisch ungünstige Faktoren ableiten?
  3. Ergeben sich aus der lokalen Hämodynamik innerhalb der Anastomosen Rückschlüsse auf das lokalisierte Auftreten der subendothelialen Intimahyperplasie?


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08.06.2004