Hämodynamische Prinzipien und Berechnungen

Berechnung von hämodynamischen Parametern mithilfe des Ultraschalls

Die Hämodynamik ist die Untersuchung der Blutflussdynamik. Die physikalischen Gesetze, die den Blutfluss bestimmen, sind in der Echokardiographie von grundlegender Bedeutung. Die konventionelle zweidimensionale (2D) Echokardiographie und der Doppler reichen aus, um Geschwindigkeiten, Volumen und Druckzustände im Herzen zu untersuchen. Diese Techniken ermöglichen mit wenigen Ausnahmen die Berechnung aller klinisch relevanter hämodynamischen Parameter. Vor der Doppler-Ära wurden hämodynamische Untersuchungen mittels einer Rechtsherzkatheterisierung (Pulmonalarterienkatheter, auch Swan-Ganz-Katheter) durchgeführt. Die vom Doppler-Ultraschall abgeleiteten hämodynamischen Messungen gelten jedoch als zuverlässig und vergleichbar mit der Katheter-Messungen, sodass der Doppler den Katheter weitgehend ersetzt hat.

In diesem Abschnitt werden hämodynamische Prinzipien erörtert und erklärt, wie diese genutzt werden können, um Schlagvolumen, Herzzeitvolumen, Druckbedingungen, Schweregrad von Stenosen und Insuffizienzen usw. zu berechnen. Diese Berechnungen basieren auf einfachen mathematischen Gleichungen, die auf hämodynamischen Prinzipien basieren. Es ist von grundlegender Bedeutung, mit diesen Prinzipien vertraut zu sein, um die Echokardiographie vollständig zu verstehen. In der klinischen Praxis führt der Untersuchende einfache Messungen und Doppler-Aufzeichnungen durch, mit denen das Ultraschallgerät verschiedene hämodynamische Parameter berechnet.

Der Doppler-Effekt

Das zentrale Prinzip aller hämodynamischen Berechnungen ist der Doppler-Effekt, der zuvor diskutiert wurde (Doppler-Effekt). Hier kommt nochmal eine kurze Zusammenfassung des Doppler-Effekts.

Der Doppler-Effekt wird verwendet, um die Geschwindigkeit und die Richtung des Blutflusses zu beurteilen. Dies ist möglich, da Schallwellen, die auf sich bewegende Objekte treffen, mit einer veränderten Frequenz reflektiert werden. Schallwellen, die auf ein Objekt treffen, das sich auf die Schallquelle zubewegt, werden mit einer höheren Frequenz reflektiert als jene Schallwellen, die von der Schallquelle emittiert wurden. Schallwellen, die auf ein Objekt treffen, das sich von der Schallquelle entfernt, werden stattdessen mit einer niedrigeren Frequenz reflektiert als die von der Schallquelle emittierten Schallwellen. Die Frequenzdifferenz zwischen den emittierten und reflektierten Schallwellen wird als Doppler-Verschiebung bezeichnet.

Erythrozyten in Bewegung werden die Frequenz der reflektierten Schallwellen verändern. Erythrozyten, die in Richtung des Schallkopfs fließen, reflektieren die Schallwellen mit höherer Frequenz, während Erythrozyten, die vom Schallkopf wegfließen, Schallwellen mit geringerer Frequenz reflektieren (Abbildung 1).

Doppler-Verschiebung

Die Doppler-Verschiebung hängt von der Geschwindigkeit des Blutflusses (v), der Frequenz des emittierten Ultraschalls (f_e), der Frequenz des reflektierten Ultraschalls (f_r), der Ultraschallgeschwindigkeit im Gewebe (c) und dem Kosinus des Winkels zwischen der Richtung des Blutflusses und der reflektierten Ultraschallwelle (cos θ) ab. Die Doppler-Gleichung lautet wie folgt:

v = [c · (f_r – f_e)] / [2 · f_u · cos ϴ]

Die Schallgeschwindigkeit (c) im menschlichen Körper ist konstant (1540 m/s). Der Kosinus-Term (cos) kann ignoriert werden (da cos 0° = 1), es sei denn, es liegt ein signifikanter Winkelfehler vor. Dadurch wird diese Formel einfacher zu handhaben.

Geschwindigkeit und Richtung des Blutflusses können mit der Doppler-Gleichung berechnet werden.

Blutfluss im Herzen und in den Gefäßen

Eine in einem geraden Zylinder fließende Flüssigkeit weist eine laminare Strömung auf, was bedeutet, dass die Strömungsgeschwindigkeit in der Mitte des Zylinders am höchsten und entlang der Zylinderwände am niedrigsten ist. Die Flüssigkeit fließt in konzentrischen Schichten. Mit zunehmenden Abstand von der Mitte des Zylinders nimmt die Geschwindigkeit schrittweise ab. Dies führt zu einer parabolischen Form des Flusses (Abbildung 2A).

Abbildung 2B zeigt, wie sich das Strömungsprofil ändert, wenn der Durchmesser des Zylinders abnimmt. Wie dargestellt wird der Unterschied in der Geschwindigkeit zwischen den Schichten reduziert, wenn der Durchmesser kleiner wird. Dies erklärt sich dadurch, dass die Geschwindigkeit in den äußeren Schichten mit abnehmendem Durchmesser zunimmt. Wenn die Strömung im Zylinder weiterfließt, nimmt die Strömung sukzessiv wieder eine parabolische Form an.

Diese Prinzipien sind relevant bei der Beurteilung von Klappenstenosen und -insuffizienzen. Unabhängig von Größe und Lokalisation haben Stenosen immer den gleichen Effekt auf den Blutfluss: Die Geschwindigkeit beschleunigt kurz vor der Stenose (prästenotische Beschleunigung) und der Fluss wird nach dem Passieren der Stenose turbulent (poststenotische Turbulenzen). Wie in Abbildung 3 dargestellt, wird der Strahl (engl. Jet) des Blutflusses kurz nach der Stenose am schmalsten. Dieses Stück wird als Vena contracta bezeichnet. Der Durchmesser der Vena contracta ist etwas kleiner als der Durchmesser der stenotischen Öffnung. Je ausgeprägter die Stenose ist (d.h. je kleiner die Öffnung), desto größer ist die prästenotische Beschleunigung.