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

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. aufdie 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.

This dissertation presents a novel method for measuring the degree of vascular constriction e.g. after the implantation of stents. The measuring method is based on the acquisition and evaluation of the pulse transit time. At each heartbeat, pulse waves of different velocities propagate across the blood vessels. The pulse transit time changes with local vascular constriction or an increase in vascular stiffness. With the help of an implantable, electrically passive sensor system and a patented measuring method for determining a local pulse wave, it is possible to detect the change in the pulse transit time at short intervals and thus determine the degree of vessel constriction. The measuring method is based on the temporal periodic change of the pressure conditions in a flexible pipe, e.g. blood vessel. Two electrically and mechanically decoupled resonant circuits, each consisting of a capacitive pressure-sensitive sensor and a flat coreless coil serve as sensors. The sensors are implanted in the blood vessels and inductively coupled with an external magnetic field and electrically excited up to the resonance frequency. Since the capacitive pressure sensors change their electromechanical properties under the influence of the pulse wave fluctuating in time in the blood vessel, the resonance frequencies of the respective sensors also change with time. In the exciter signal of the extracorporeal magnetic field, the electrical change of the inductively coupled resonant circuits of the implanted sensors can be measured by a drop in impedance. Since the distance between the two sensors in the blood vessel is known by the arrangement on the implantation set and the implantation process, the running time of the pulse wave can be determined from the impedance curve of the exciter signal. If the pulse wave changes its characteristic properties over time, this change is due to structural changes in the blood vessel. The pulse wave becomes faster the stiffer or narrower the vessel becomes. By detecting the change in pulse wave velocity over time, the degree of local vascular constriction can be calculated. A model-based evaluation algorithm developed and implemented in this thesis is used for this purpose. As movii del parameters, the elasticity of the blood vessel wall, the blood vessel wall thickness, the pulse wave velocity and the inner diameter of the vessel are taken into account as time-varient variables. Further constants and coefficients are determined empirically or taken from the literature. A quantitative comparison of the calculations generated by the model to determine the degree of vessel constriction and the measurements performed in vitro on a test rig yields the quality of the evaluation algorithm. The measuring principle can be transferred to other fields of application, if the examined physical pipe has a finite-periodic time-dependent oscillation characteristic and the process medium transported in pulse form leads to deposits and thus to cross-sectional changes inside a pipe in the course of time. Structural changes of the pipe, e.g. due to material fatigue or aging, can also be detected with the presented method. An application in the medical field would be the detection of aneurysms in the blood vessels.