Blutfluss-Messung

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.

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

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

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 (1853-
1928).
Die Lorentzkraft ist somit proportional zur gesuchten Geschwindigkeit .

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

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 !

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.

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 .

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.

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

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

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.

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

Laufzeitmessung mit Ultraschall -
Physikalische Grundlagen
Gepulstes US-Laufzeitmessverfahren

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)

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.

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.

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

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.

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.

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

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.

Signalzusammensetzung
Fourier-Transformation
FFT

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.

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.

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

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

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