Methode zur Bestimmung des Gefäßverengungsgrades aus der Pulswellencharakteristik am Beispiel implantierbarer Sensorik für den Stent

Abstract

Die vorliegende Dissertationsschrift stellt eine neuartige Messmethode zur Bestimmung des Gefäßverengungsgrades nach der Implantation von Gefäßstützen (Stents) vor. Das Messverfahren beruht auf der Erfassung und Auswertung des Pulswellenlaufzeitsignals. Bei jedem Herzschlag breiten sich über die Gefäße Pulswellen unterschiedlicher Geschwindigkeiten aus. Bei einer lokalen Gefäßverengung oder einem Anstieg der Gefäßsteifigkeit verändert sich die Pulswellenlaufzeit. Mit Hilfe einer implantierbaren, elektrisch passiven Sensorik und einem patentierten Messverfahren zur Bestimmung einer lokalen Pulswelle wird es möglich, die Änderung der Pulswellenlaufzeit in kurzen Zeitabständen zu detektieren und daraus den Gefäßverengungsgrad zu bestimmen. Das Messverfahren beruht auf der zeitlich periodischen Änderung der Druckverhältnisse in einer flexiblen Leitung, z.B. Blutgefäß. Die Sensoren bestehen aus zwei elektrisch und mechanisch entkoppelten Resonanzschwingkreisen. Jeder Sensor besteht dabei aus einem kapazitiven, druckempfindlichen Sensor und einer flachen kernlosen Spule. Die in die Blutgefäße implantierten Sensoren werden mit einem externen Magnetfeld induktiv gekoppelt und bis zur Resonanzfrequenz elektrisch angeregt. Verändern die kapazitiven Drucksensoren unter dem Einfluss der im Blutgefäß zeitlich fluktuierenden Pulswelle ihre elektro-mechanischen Eigenschaften, so ändern sich auch zeitlich versetzt die Resonanzfrequenzen der jeweiligen Sensoren. Im Erregersignal des extrakorporalen Magnetfeldes wird durch einen kurzfristigen Impedanzabfall die elektrische Veränderung der induktiv gekoppelten Resonanzschwingkreise der implantierten Sensoren messbar. Da der Abstand der beiden Sensoren zueinander im Blutgefäß durch die Anordnung auf dem Implantationsbesteck und durch den Implantationsvorgang bekannt ist, kann die Laufzeit der Pulswelle aus dem Verlauf des komplexen Widerstandes des Erregersignals der Ausleseeinheit bestimmt werden. Verändert die Pulswelle mit der Zeit ihre charakteristischen Eigenschaften, so ist diese Änderung u. a. auf die strukturelle Veränderung im Blutgefäß zurückzuführen. Die Pulswelle wird umso schneller, je steifer oder verengter das Gefäß wird. Durch die Detektion der Änderung der Pulswellengeschwindigkeit pro Zeiteinheit kann der Grad der lokalen Gefäßverengung berechnet werden. Hierzu wird der in dieser Arbeit entwickelte und implementierte modellgestützte Auswertealgorithmus herangezogen. Als Modellparameter werden die Elastizität der Gefäßwand, die Gefäßwanddicke, die Pulswellengeschwindigkeit und der Gefäßinnendurchmesser als zeitlich variable Größen berücksichtigt. Weitere Konstanten und Koeffizienten werden empirisch bestimmt oder aus der Literatur entnommen. Ein quantitativer Vergleich der durch das Modell generierten Berechnungen zur Bestimmung des Gefäßverengungsgrades und der in vitro, am Versuchsstand, durchgeführten Messungen, liefert die Güte des Auswertealgorithmus. Das Messverfahren kann auf andere Anwendungsfelder übertragen werden. Voraussetzung hierfür ist, dass die zu untersuchende physikalische Leitung ein endlich-periodisches zeitabhängiges Schwingungsverhalten aufweist und das pulsförmig beförderte Prozessmedium mit der Zeit zu Ablagerungen und somit zu Querschnittsveränderung im Inneren dieser Leitung führt. Auch strukturelle Veränderungen der Leitung, z.B. bedingt durch Materialermüdung oder Alterung, können mit dem vorgestellten Verfahren detektiert werden. Eine Anwendung im medizinischen Bereich wäre z.B. die Detektion von Aneurysmen im Blutgefäß.