Grundlagen der Gefäßdiagnostik

Bei der sonografischen Untersuchung der Hämodynamik macht man sich das Dopplerprinzip zunutze: Bei stabiler Position einer Schallquelle (Ultraschallsonde) entsteht ein Dopplereffekt, wenn sich ein Reflektor (Erythrozyt) auf die Schallquelle zu oder von ihr wegbewegt (Abb. 1). Je höher die Strömungsgeschwindigkeit der Erythrozyten ist, umso größer ist die Differenz (Dopplerverschiebungsfrequenz oder Dopplershift) zwischen gesendeter und reflektierter Frequenz. Die Berechnung des Dopplershifts erfolgt sowohl für die Verfahren mit kontinuierlicher (cw-) als auch mit gepulster (pw-)Schallaussendung nach der Formel:

Die Formel zeigt auch den Einfluss des Beschallungswinkels auf den gemessenen Dopplershift. Nur wenn dieser Winkel 0° oder 180° (Cosinus 1 bzw. −1) erreicht, gibt der Dopplershift die Flussgeschwindigkeit 100 %ig wieder. Unter einem Winkel von 90° oder 270° (Cosinus 0) kann keine Flussmessung erfolgen. Daraus ergibt sich, dass der Messfehler umso geringer ist, je niedriger der Beschallungswinkel ist. Dieser kann jedoch z. B. bei der extrakraniellen Gefäßuntersuchung nicht frei gewählt werden, sondern muss sich am Gefäßverlauf orientieren. Da bei der dopplersonografischen Untersuchung mit Stiftsonden eine visuelle Kontrolle des Gefäßverlaufs fehlt, muss jeweils die Sondenposition gewählt werden, die den höchsten Dopplershift erzielt.

Die Wiedergabe der pulsatilen Strömung wird als sog. Strömungspulskurve bezeichnet, wobei im Allgemeinen negative Werte einen Fluss von der Sonde weg und positive Werte einen Fluss auf die Sonde zu dokumentieren.

Um einen möglichst niedrigen Impedanzsprung zwischen Ultraschallsonde und Hautoberfläche zu erreichen und damit den Anteil der schon an der Hautoberfläche reflektierten Ultraschallenergie gering zu halten, erfolgt die „Ankopplung“ durch Verwendung eines stark wasserhaltigen Gels.

Zwei unterschiedliche Techniken werden in der Dopplersonografie verwendet: die kontinuierliche und die gepulste Schallaussendung.

Diese Methode nutzt die empfangenen Echos zur Analyse ihrer Intensität, Richtung und Reflexionszeit und setzt diese bildhaft um. Das B-Bild („brightness mode“) entsteht durch Helligkeitsmodulation eines Bildpunktes entsprechend der Signalintensität. Die reflektierten Ultraschallamplituden werden in Grauabstufungen wiedergegeben, wobei höheramplitudige Reflexionen (z. B. durch Kalkeinlagerungen) als helle Bildpunkte dargestellt werden. Bei der Untersuchung der extrakraniellen Gefäße haben sich Schallsonden mit einer parallelen Anordnung („linear array“) vieler einzelner piezoelektrischer Elemente durchgesetzt, da sie ein verzerrungsfreies Bild liefern (Abb. 5). Bei der transkraniellen Sonografie, die schmale Knochenfenster nutzen muss, finden jedoch Sonden mit oszillierenden oder rotierenden Transducern Anwendung, die ein sektorförmiges Bild erzeugen.

Duplexgeräte kombinieren die B-Mode-Darstellung des Gewebes mit der Blutflussdarstellung durch das Dopplerverfahren. Dabei hat sich die Verwendung gepulster Dopplersysteme, deren Sammelvolumen unter visueller Kontrolle platziert werden kann, durchgesetzt. Eine parallele Darstellung des B-Bildes und des Dopplerspektrums ist dank entsprechender Rechnerleistung in Echtzeit möglich.

Bei diesem Verfahren wird eine zweidimensionale farbcodierte Darstellung der Strömung in Echtzeit dem B-Bild überlagert. Vereinfacht ausgedrückt, entsteht das Strömungsbild durch die Aneinanderreihung mehrerer paralleler Dopplerschallstrahlen, deren Dopplerverschiebungsfrequenz gemessen und farbcodiert dargestellt wird. Bei der simultanen Darstellung muss das Gerät für jeden Bildpunkt entscheiden, ob Grauwert und farbcodiertes Flusssignal abgebildet werden sollen. Das ist möglich durch einen Vergleich der unterschiedlichen Signalintensitäten, die im soliden Gewebe deutlich höher als im mit Erythrozyten ausgefüllten Gefäßlumen sind. Weitgehend akzeptiert ist die Codierung der Flussrichtung von der Sonde weg mit der Farbe Rot und auf die Sonde zu mit der Farbe Blau. Höhere Dopplerverschiebungsfrequenzen und damit höhere Strömungsgeschwindigkeiten werden durch die Helligkeit angezeigt. Aliasing (Überschreitung des Nyquist-Limits) wird durch Farbumschlag wiedergegeben. Die Geräte bieten die Option, durch Zuschalten eines gepulsten Dopplers Spektralanalysen in umschriebenen Gefäßabschnitten vorzunehmen. In der extrakraniellen Farbduplexsonografie hat sich die Verwendung von 5- bis 13-MHz-Schallköpfen durchgesetzt, da sie bei ausreichender räumlicher Auflösung auch geringer arteriosklerotischer Veränderungen gleichzeitig eine suffiziente Untersuchung tief liegender Gefäßabschnitte wie dem A.-vertebralis-Abgang zulassen.

Die sog. funktionelle Dopplersonografie zielt darauf ab, Eigenschaften der zerebralen Hämodynamik aufzudecken. Die Hämodynamik umfasst alle Faktoren, die den zerebralen Blutfluss („cerebral blood flow“, CBF) determinieren. Die wichtigsten dieser Faktoren gehen aus der Grundgleichung der zerebralen Hämodynamik, dem sog. Ohm-Gesetz, hervor:Dabei steht CVR für den zerebrovaskulären Widerstand („cerebrovascular resistance“) und CPP für den zerebralen Perfusionsdruck („cerebral perfusion pressure“). Generell gilt für Strömungen durch Röhren, dass der Fluss (also die Volumenbewegung pro Zeiteinheit) proportional zur Druckdifferenz am Anfang und Ende des Rohres und reziprok zum Flusswiderstand ist. Im System der Hirndurchblutung steht am Anfang des „Rohres“ (also z. B. proximale A. carotis interna) der bis dahin noch kaum abgefallene systemische arterielle Blutdruck („arterial blood pressure“, ABP) und am Ende der sog. kritische Verschlussdruck („critical closing pressure“, CrCP). Das Prinzip des CrCP (Panerai 2003) hat sich in der funktionellen Dopplersonografie etabliert und wird nachfolgend erläutert. Das Ende des arteriellen Rohrs stellen die Arteriolen dar, deren Durchmesser wesentlich den Gesamt-CVR bestimmt. Der Durchmesser wird einerseits durch aktive Vasokonstriktion, andererseits durch den von außen wirkenden Druck, also den intrakraniellen Druck („intracranial pressure“, ICP), determiniert. Die Vasokonstriktion durch aktive Myozytenkontraktion kann auch in Druckäquivalenten ausgedrückt werden („active constriction pressure“, ACP) und mit dem gleichsinnig wirkenden ICP verrechnet werden. Wenn in der Arteriole als dem Gefäßabschnitt mit dem steilsten Blutdruckabfall der ABP unter die Summe von ICP und ACP abfällt, kollabiert der folgende Arteriolenabschnitt. Die Perfusion durch dieses kollabierte Segment erfolgt nach komplexen Regeln, deren Verständnis aber erfreulicherweise für die Erklärung der proximalen Strömung nicht erforderlich ist. Hier gilt wie gesagt, dass am Ende des noch unkollabierten arteriellen Abschnittes der intravasale Druck dem CrCP entspricht:Damit gilt:Das Ohm-Gesetz kann jetzt wie folgt präzisiert werden:Die andere wichtige Einflussgröße des CBF nach dem Ohm-Gesetz ist neben dem CrCP der zerebrovaskuläre Widerstand (CVR). Der CVR wird hauptsächlich durch die Durchmesser der Hirnarteriolen determiniert und nimmt nach dem sog. Hagen-Poiseuille-Gesetz mit der vierten Potenz der Arteriolendurchmesser ab. Das wesentliche physiologische Stellglied für den CVR ist wie auch schon beim CrCP die aktive Arteriolenkonstriktion, die von verschiedenen Regulationsprinzipien angesteuert werden kann. Von besonderer Bedeutung sind dabei die metabolische Kopplung und die Autoregulation des CBF.

Durch die gefäßaktive Wirkung verschiedener Metaboliten des Hirnstoffwechsels (vor allem Adenosin, H⁺, K⁺) wird über entsprechende Veränderungen des CVR und des CrCP unter physiologischen Bedingungen der regionale CBF proportional zur Hirnaktivität („metabolic brain activity“, MBA) eingestellt (Prinzip der metabolischen Kopplung):Dabei ist k ein Proportionalfaktor. Im Regelkreis der Hirndurchblutung bestimmt die MBA also den Sollwert für den CBF. Schwankungen im systemischen Blutdruck können als Störgröße dieses Regelkreises betrachtet werden. Innerhalb gewisser Grenzen (60 mmHg < ABP <160 mmHg) kann der CBF durch eine Gegenregulation über kompensatorische CVR- bzw. CrCP-Veränderungen auf dem von der MBA vorgegebenen Niveau konstant gehalten werden. Diesen Aspekt der zerebrovaskulären Regulation nennt man Autoregulation. Aus Gl. 4, 5 und 6 folgt also für den CVR bei idealer Regulation:Der CVR nimmt also proportional zum Perfusionsdruck (Autoregulation) und reziprok zur Hirnaktivität (metabolische Kopplung) zu. Die Autoregulation wird vermutlich ebenfalls über den metabolischen Mechanismus geleistet. Einige Autoren vermuten aber eine rein myogene Ursache der Autoregulation (Vasokonstriktion bei Zunahme des intramuralen Drucks). Unabhängig von den metabolischen Einflüssen auf den CVR können die Arteriolen und z. T. auch die größeren Arterienäste von zahlreichen neuronalen Systemen konstringiert oder dilatiert werden (Sympathikus, Parasympathikus, zentrale monoaminerge Bahnen, trigeminales System). Gefäßaktive Wirkungen wurden für die meisten Transmitter und Kotransmitter dieser Systeme beschrieben.

Extrakranielle Verbindungen zu primär nicht hirnversorgenden Arterien wie der A. carotis externa, aber auch zur A. vertebralis, können in vielen Fällen die Auswirkungen hämodynamisch relevanter Stenosen oder Verschlüsse hirnversorgender Arterien kompensieren.

Die Untersuchung beginnt mit der Beschallung der A. supratrochlearis im medialen Augenwinkel mit der 8-MHz-Stiftsonde. Im Normalfall findet sich ein auf die Sonde gerichteter (orthograder) Fluss, der nach Kompression der ECA-Äste A. temporalis superficialis und A. facialis besonders diastolisch zunimmt.

Mit der 4-MHz-Sonde erfolgt dann die proximale Beschallung der CCA mit Seitenvergleich des diastolischen Restflusses. Anschließend werden nun nacheinander kontinuierlich die linke und rechte Karotisstrombahn untersucht. Der Übergang von der CCA in den Bifurkationsbereich in Höhe des Schildknorpels kündigt sich durch ein verplumptes Flusssignal als Folge des Kalibersprunges an. Die in der Regel nach dorsolateral verlaufende ICA wird bis zur Schädelbasis verfolgt. Die ECA ist im Normalfall durch ihre erhöhte Pulsatilität erkennbar, sollte jedoch anhand der retrograden Pulswellen durch vibrierende Kompression der Temporalarterie sicher von der ICA unterschieden werden.

Die Untersuchung des hinteren Stromgebietes beginnt mit der Beschallung des proximalen und distalen Anteils der A. subclavia hinter dem Ansatz des M. sternocleidomastoideus an der Klavikula. Dabei ist der Fluss in der proximalen A. subclavia auf die Sonde zu und im distalen Abschnitt von ihr weg gerichtet. Durch eine Verlagerung der Sonde nach kranial gelingt die Darstellung der A. vertebralis, die anhand der retrograden Pulswellen nach wiederholter Kompression der Atlasschlinge von benachbarten Gefäßen unterschieden werden kann. Während sich der V2-Abschnitt einer direkten Beschallung entzieht, ist die Beschallung des proximalen (Fluss auf die Sonde zu) und des distalen (Fluss von der Sonde weg) Anteils der Atlasschlinge unterhalb des Mastoids möglich. Die Untersuchung der einzelnen Gefäßabschnitte wird mittels Papierausdruck dokumentiert, die Dopplerverschiebungsfrequenz wird in KHz-Werten angegeben.

Der Vorteil der Farbduplexsonografie liegt in der kombinierten Darstellung von Hämodynamik und Gefäßwandbeschaffenheit; dies sollte durch digitale Bildspeicherung entsprechend dokumentiert werden. Die zusätzliche PW-sonografische Ableitung aller untersuchten Gefäße ist fester Bestandteil der Untersuchung. Bis auf die fehlende Untersuchungsmöglichkeit der A. supratrochlearis ist der Untersuchungsgang im vorderen Kreislauf mit dem der CW-sonografischen Untersuchung identisch. Neben einer sagittalen Schnittführung der Gefäße sollte jedoch ergänzend auch transversal untersucht werden. Die A. subclavia kann transversal einfach vor und nach dem Abgang der A. vertebralis untersucht werden. Die Darstellung der A. vertebralis gelingt mit einer Linearsonde kontinuierlich vom Abgang bis zur Atlasschlinge.

Die Tiefe, in der intrakranielle Gefäße mit der TCD nachgewiesen werden können, ist im Wesentlichen vom Kopfumfang und von der Größe des Sammelvolumens abhängig. Durch das temporale „Knochenfenster“ lassen sich die ICA, MCA, ACA und PCA darstellen. In einer Tiefe von etwa 65 mm gelingt die Darstellung des auf die Sonde gerichteten Flusses der ACI (C1-Segment). In etwa 60 mm ist die T-Gabel mit der von der Sonde weg gerichteten ACA (A1-Segment) und der auf die Sonde gerichteten MCA (M1-Segment) nachweisbar. Letztere ist nach temporal bis zu ihrer Aufzweigung in die einzelnen Mediaäste (M2-Segment) darstellbar. Die ACA lässt sich mit nach frontal gerichteter Sonde bis in eine Tiefe von 75 mm mit dann simultaner Darstellung der Gegenseite verfolgen. Wird die Sonde nach okzipital gewendet, sind das P1-Segment der PCA mit Fluss auf die Sonde zu und das P2-Segment mit Fluss von der Sonde weg in einer Tiefe von 60 mm simultan ableitbar. Die Flussgeschwindigkeiten sind altersabhängig, jedoch findet sich immer beim Gesunden ein Verhältnis MCA > ACA >> PCA.

Das vertebrobasiläre Stromgebiet wird von nuchal durch das Foramen magnum beschallt. Der V4-Abschnitt der A. vertebralis ist in einer Tiefe von 60–80 mm ableitbar, wobei durch Lateralkippung der Sonde eine Unterscheidung zwischen rechts und links gelingt. Die Vereinigungsstelle der Vertebralarterien und damit der Beginn der A. basilaris ist variabel und zeigt keinen abrupten Übergang. Bei ausreichender Inklination des Kopfes gelingt die kontinuierliche Beschallung der A. basilaris bis in 110 mm Tiefe. Durch transorbitale Beschallung mit maximal 10–20 % der transtemporal verwendeten Ultraschallleistung kann in einer Tiefe von 30–40 mm die A. ophthalmica mit auf die Sonde gerichtetem Fluss abgeleitet werden. In einer Tiefe von 60–70 mm erreicht der Schallstrahl den Siphonabschnitt und ermöglicht Untersuchungen des C2- (von der Sonde weg) und C4-Abschnitts (auf die Sonde zu) der ICA (s. auch Tab. 1).