Blutfluss-Messung. Neben dem Blutdruck ist der Blutfluss die zweite für die Beurteilung des Herz-Kreislaufsystems wesentliche Größe.

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1 Blutfluss-Messung Blutfluss Neben dem Blutdruck ist der Blutfluss die zweite für die Beurteilung des Herz-Kreislaufsystems wesentliche Größe. Der Blutfluss charakterisiert das pro Zeiteinheit durch einen bestimmten Querschnitt transportierte Blutvolumen.

2 Blutfluss - Meßverfahren Pitot-Röhre Elektromagnetisches Messverfahren Laufzeit-Messverfahren Dopplerbasierte Messverfahren Blutfluss - Pitot-Röhre Prinzip der hydrodynamischen Strömungsmessung mittels Pitot-Röhre

3 Blutfluss - Pitot-Röhre Blutfluss - Meßverfahren Elektromagnetisches Messverfahren Laufzeit-Messverfahren Dopplerbasierte Messverfahren

4 Blutfluss - Meßverfahren Elektromagnetisches Messverfahren: Blut enthält Ionen. Bewegen sich Ionen in einem Magnetfeld, so werden sie abgelenkt und induzieren eine Spannung (Hall-Spannung), die proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Elektromagnetisches Messverfahren - Physikalische Grundlagen Auf einen bewegten Ladungsträger mit der Ladung q wirkt in einem magnetischen Feld mit der Flussdichte B eine zu seiner Geschwindigkeit v und zur Richtung des Feldes senkrechte Kraft, die sog. Lorentz-Kraft, benannt nach dem holländischen Physiker Hendrik Antoon Lorentz ( ). Die Lorentzkraft ist somit proportional zur gesuchten Geschwindigkeit.

5 Elektromagnetisches Messverfahren - Physikalische Grundlagen Wird ein Magnetfeld senkrecht zur Strömungsrichtung angelegt, so werden bewegte Ladungsträger in Abhängigkeit ihres Vorzeichens senkrecht zu v und B abgelenkt. Elektromagnetisches Messverfahren - Physikalische Grundlagen Die Ladungsträger sammeln sich an der Ober- bzw. Unterseite des Blutgefäßes, wodurch sich ein elektrisches Feld E aufbaut, das wiederum eine rücktreibende elektrische Kraft F E auf die Ladungsträger ausübt. Dieser Effekt trägt den Namen Halleffekt. Die dabei entstehende elektrische Spannung zwischen Ober- und Unterseite des Blutgefäße wird als Hallspannung Uhall bezeichnet

6 Elektromagnetisches Messverfahren - Physikalische Grundlagen Elektromagnetisches Messverfahren - Physikalische Grundlagen Für den Blutfluss Q in einem Gefäß mit dem Querschnitt A und dem Radius r sowie dem Elektrodenabstand d ergibt sich somit bei bekannter magnetischer Flussdichte B die obige Beziehung!

7 Elektromagnetisches Messverfahren - Prinzip Elektromagnetisches Messverfahren - Flussmessköpfe Konstruktionsbeispiele derartiger Flussmesswandler: Ein Elektromagnet induziert eine magnetische Flussdichte B senkrecht zu dem zu vermessenden Blutgefäß. In der dritten Achse senkrecht zu B und der Gefäßachse befinden sich zwei Elektroden auf der Außenseite des Blutgefäßes, über die die entstehende Hallspannung mit Hilfe eines hochohmigen Differenzverstärkers abgegriffen wird.

8 Elektromagnetisches Messverfahren Problem kleines Messsignal Polarisationsspannungen Lösung Einsatz eines Wechselfeldes. Ab einigen 100 Hz lassen sich Polarisationseffekte vermeiden. Übungsaufgabe Ein elektromagnetischer Flußmeßkopf mit einem Elektrodenabstand von 1 cm wird um ein Blutgefäß gebracht mit dem Gefäßradius r=0,5 cm. Nach Anlegen einer magnetischen Flußdichte von 0,1 T wird eine Hallspannung von 300 μv gemessen. 1.) Wie groß ist die Strömungsgeschwindigkeit des Blutes? 2.) Wie hoch ist der Blutfluß Q (in Liter pro Minute)? Anmerkung: 1T = 1 Vs m -2.

9 Blutfluss - Meßverfahren Elektromagnetisches Messverfahren Laufzeit-Messverfahren Dopplerbasierte Messverfahren Blutfluss - Meßverfahren Laufzeit-Messverfahren: Die Geschwindigkeit mediengebundener Wellen (z.b. Schall) hängt von der Strömung des Mediums ab. Über die Laufzeitverschiebung lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit erfassen.

10 Laufzeitmessung mit Ultraschall - Physikalische Grundlagen Piezo-Effekt Laufzeitmessung mit Ultraschall - Physikalische Grundlagen

11 Laufzeitmessung mit Ultraschall - Physikalische Grundlagen Laufzeitmessung mit Ultraschall - Physikalische Grundlagen

12 Laufzeitmessung mit Ultraschall - Physikalische Grundlagen c: Schallgeschwindigkeit λ: Wellenlänge f: Frequenz Z: Schallimpedanz ρ: Dichte des Mediums r: Reflexionsfaktor t: Transmissionsfaktor Laufzeitmessung mit Ultraschall - Physikalische Grundlagen Die Ausbreitung von Ultraschall im Gewebe des menschlichen Körpers sowie für Luft. Der Reflexionsfaktor r ist dabei auf Wasser als Einkoppelmedium bezogen.

13 Laufzeitmessung mit Ultraschall - Physikalische Grundlagen Absorption Reflexion (senkrechter Einfall) Schallenergie wird in Wärme umgewandelt Knochen/Gewebe R=30% Übergang zu Luft R=100% Gewebe (typisch) R=1% Laufzeitmessung mit Ultraschall - Physikalische Grundlagen Kleine Übungsaufgabe zum Thema "Absorption" In der Realität verliert ein Ultraschallstrahl entlang seines Weges an Intensität aufgrund von Absorption. Nun wird ein Ultraschallstrahl mit der Frequenz von 10 MHz und einer Ausgangsintensität J 0 von 100 mw/cm 2 betrachtet, der durch eine Fettschicht verläuft (Die Absorption in Fett beträgt 0,5 db/mhz/cm). Auf welchen Wert ist J 0 nach 2 cm bzw. nach 4 cm aufgrund von Absorption abgefallen? 10 log Intensität Intensität J J 0 1 db

14 Laufzeitmessung mit Ultraschall - Physikalische Grundlagen Gepulstes US-Laufzeitmessverfahren

15 Gepulstes US-Laufzeitmessverfahren Bei Einstrahlung stromabwärts gilt: Bei Einstrahlung stromaufwärts gilt: Die resultierende Geschwindigkeit v res in einem bewegten Medium ergibt sich aus der vektoriellen Addition von Schallgeschwindigkeit c bei ruhendem Medium und der Geschwindigkeit v M des strömenden Mediums. Gepulstes US-Laufzeitmessverfahren Dann beträgt die Laufzeit (stromabwärts): und (stromaufwärts)

16 Gepulstes US-Laufzeitmessverfahren Ein elektronischer Schalter ermöglicht abwechselnd den Einsatz des US-Wandlers 1 als Sender und des Wandlers 2 als Empfänger und umgekehrt. Üblicherweise wird der Schalter mit einer Frequenz von 400 Hz getaktet, d.h. die Schallrichtung wird alle 2,5 ms gewechselt. Gepulstes US-Laufzeitmessverfahren Die Sender dürfen bei diesem Messverfahren nur Impulspakete aussenden, die deutlich kürzer sind als die halbe Taktperiode, um dem Empfänger die Aufnahme des Ultraschallsignals zu ermöglichen. Typischerweise wird eine Impulsdauer von 0,08 ms und eine US-Frequenz von 3 MHz gewählt. Die gemessene Laufzeit wird in eine Spannung umgewandelt. Über einen Synchrondetektor ergibt sich schließlich das flussproportionale Differenzsignal.

17 Blutfluss - Meßverfahren Elektromagnetisches Messverfahren Laufzeit-Messverfahren Dopplerbasierte Messverfahren Blutfluss - Meßverfahren Dopplerbasierte Messverfahren: Wellen unterliegen dem sog. Doppler-Prinzip, d.h. die relative Bewegung von Sender bzw. Empfänger führt zu einer geschwindigkeitsproportionalen Frequenzverschiebung des abgestrahlten Signals.

18 Doppler-Messverfahren Der Dopplereffekt wird bei allen Wellenvorgängen beobachtet. Er tritt immer dann auf, wenn sich Sender und Empfänger relativ zueinander bewegen. Nähert sich z.b. der Empfänger dem Sender, so treffen je Zeiteinheit mehr Wellenperioden beim Empfänger ein als der Frequenz des gesendeten Signals entsprechen, was als Frequenzerhöhung messbar ist. Entsprechend wird ein Auseinanderdriften von Sender und Empfänger als Frequenzerniedrigung aufgefasst. Doppler-Messverfahren Dopplerbedingte Frequenzverschiebungen Im Falle eines relativ zum Medium bewegten Senders verändert sich die ausgesandte Wellenlänge, da sich der Sender während einer Schwingungsperiode um eine bestimmte Strecke Δx bewegt hat. Bewegt sich dagegen der Empfänger relativ zum Medium, so detektiert er eine veränderte Schallgeschwindigkeit c = c + v E. Es gilt: f = c/λ

19 Doppler-Messverfahren s Dopplerbedingte Frequenzverschiebungen bei unterschiedlichen relativen Bewegungen Doppler-Messverfahren Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit nach dem Dopplerprinzip wird die Tatsache ausgenutzt, dass die korpuskulären Bestandteile des Blutes die eintreffenden Ultraschallwellen diffus streuen. Diese Streuung lässt sich als Empfangen der eintreffenden Wellen und gleichzeitiges Rückstrahlen beschreiben. Damit wird jedes streuende Blutkörperchen zu einem Ultraschallempfänger und - sender.

20 Doppler-Messverfahren Ein Blutkörperchen besitzt in Richtung der Gefäßachse die Geschwindigkeit vb. Der Ultraschall trifft auf ein Blutkörperchen, das in Richtung des US-Strahls eine Geschwindigkeitskomponente vbcos a aufweist. Da sich das Blutkörperchen von der Schallquelle wegbewegt, empfängt es eine Frequenz f E2, die kleiner als die abgestrahlte Frequenz f S1 ist. Doppler-Messverfahren Gleichzeitig wird das Blutkörperchen zu einem bewegten Sender, der mit der Frequenz f S2 sendet. Da es den Ultraschall reflektiert, stimmen f E2 und f S2 überein. Die vom externen Empfänger (der in der Regel gleich dem Sender ist) empfangene Frequenz f E1 ist kleiner als die Frequenz f S2 des gesendeten US- Signals. Solange die zu messenden Strömungsgeschwindigkeiten klein sind im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit (vb «c), erhält man den gesuchten Wert durch Differenzbildung der ausgesendeten und der empfangenen Frequenz.

21 Doppler-Messverfahren Übungsaufgabe Welche Laufzeitdifferenz würde bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,3 m/s bei Anwendung einer gepulsten Ultraschall-Laufzeitmessung detektiert werden, wenn der Einstrahlwinkel 60 beträgt? Anmerkung: Der Abstand zwischen Sender und Empfänger ist hier vereinfacht der Durchmesser des Gefäßes (Gefäßradius: 0,5 cm)! Gegeben: c= 1500 m/s

22 Doppler-Messverfahren Prinzipieller Aufbau einer Stereo-Messsonde zur Messung des Einstrahlwinkels α. Sie besteht aus einem US-Sender und zwei Empfängern, die jeweils um einen bekannten Einstrahlwinkel β zum Sender geneigt sind. CW-Doppler-Messverfahren Blockschaltbild eines CW-Doppler-Flussmessgerätes Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau eines CW-Doppler-Flussmessgerätes. Die ausgesendete Ultraschallwelle wird gestreut und von einem separaten Empfänger aufgenommen. Beide Signale werden anschließend miteinander multipliziert, wodurch sich gemischte Terme ergeben, die die Frequenzverschiebung Δf enthalten.

23 Signalzusammensetzung Fourier-Transformation FFT

24 Fourier-Analyse eines Doppler-Signals Duplex-Sonographie (CW und Echo-Bild) Das Signal wird nicht zur Bildentstehung verarbeitet, sondern die Frequenzverschiebung wird zur bildlichen Darstellung der Strömungsgeschwindigkeiten verarbeitet. Helligkeit stellt Höhe der Amplidude des jeweiligen Doppler-shift-Signales dar. Dies entspricht der Anzahl der roten Blutkörperchen. Je mehr Blutkörperchen, desto höher das reflektierte Signal.

25 PW-Doppler-Messverfahren Schematischer Aufbau eines PW-Dopplergerätes PW-Doppler-Messverfahren Der generelle Nachteil des CW-Doppler-Verfahrens ist die fehlende Ortsauflösung, wodurch alle Geschwindigkeitskomponenten aus dem erfaßten Bereich zu einem einzigen Flussspektrum zusammengefasst werden. Dies lässt sich durch eine zusätzliche Messung der Laufzeit des US- Echos beheben.

26 PW-Doppler-Messverfahren Ein PW-Dopplergerät entspricht somit in seiner Signalverarbeitung einem CW-Gerät, beinhaltet jedoch zusätzlich noch eine Laufzeitmesseinrichtung. Die technische Realisierung ist in der Abbildung schematisch dargestellt. Die Torschaltung 1 lässt kurze Wellenpakete der Länge T Puls vom Oszillator zum Sender durch. Dabei wird die Pulswiederholzeit T so gewählt, dass sich keine Echos im Empfänger überschneiden. Mit Hilfe von Tor 2 werden aus dem Echosignal bestimmte Abschnitte herausgeschnitten und wie beim CW-Verfahren analysiert. Gate times

27 Beispiel PW v= 13 cm/s in der Mitte des Gefäßes v= 6 cm/s am Rand des Gefäßes

28 PW-Doppler-Messverfahren Tranösophageale Ultraschallaufnahme des Herzens (links) sowie mittels PW-Doppler gemessener Blutfluss (rechts)