Mobile Medizin ARTSENS – eine einfach bedienbare Technik für Gefäßuntersuchungen

Die Verhärtung der Arterienwände erlaubt es, auf Gefäßerkrankungen zu schließen. Die nötigen Diagnosetechniken erfordern jedoch bildgebende Verfahren. Indische Forscher entwickelten eine Alternative.

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ARTSENS steht für ARTerial Stiffness Evaluation for Noninvasive Screening. Es handelt sich um eine bildfreie Technik, mit deren Hilfe die Arterienwände nichtinvasiv untersucht und Verhärtungen automatisch ohne Eingaben des Bedieners gemessen werden können. ARTSENS bedient sich eines Hochfrequenz-Ultraschallsensors, um die Dynamik der Arterienwände zu erfassen.

Der Signalgeber beschallt den Bereich um die Halsschlagader und empfängt die durch unterschiedliche anatomische Strukturen zurückgeworfenen Echos. Intelligente Signalverarbeitungs-Algorithmen, basierend auf anspruchsvollen mathematischen Methoden und auf umfassender Erforschung der Echosignaleigenschaften, erlauben die präzise Identifikation arterieller Strukturen und messen anhand der Bewegung der Gefäßwände die Ausdehnung der Arterien.

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Der Bediener muss dabei keinerlei Eingaben vornehmen. Aufgrund der vom HTIC entwickelten zuverlässigen Identifizierung der Arterien, der Registrierung von Bewegungen der Arterienwände und der Analyse ihrer Ausdehnung liegt die Messung der Arterienverhärtung bereits innerhalb einer Minute nach dem Aufsetzen der Sonde auf den Hals des Patienten vor.

Die Messung wird an der Halsschlagader vorgenommen. Der aus nur einem Element bestehende Signalgeber überträgt den Ultraschall in den Körper und empfängt gleichzeitig das reflektierte Echo. Die Bewegungen der Arterienwände werden verfolgt, um ein Dehnungssignal zu erhalten und den enddiastolischen Durchmesser zu erhalten. Zusammen mit dem Blutdruck lassen sich daraus Näherungswerte für die Verhärtung von Arterienwänden berechnen.

ARTSENS wurde entwickelt, um den Bedarf an einem Gerät zu decken, mit dem sich Verhärtungen an der Halsschlagader von fachlich nicht geschultem medizinischen Personal schnell und zuverlässig messen lassen, auch im Rahmen umfangreicher Vorsorgeuntersuchungen. Ins Leben gerufen wurde das Projekt bereits 2008, als Dr. Suresh, Ultraschallexperte und Direktor von Mediscan Systems, Forschern am IIT Madras eine spannende Aufgabe stellte.

Ultraschalluntersuchung ohne geschultes Personal

Zwar war Dr. Suresh vom Nutzen der Messung von Arterienverhärtungen im Rahmen der Vorsorge überzeugt, jedoch betrachtete er die Einschränkungen der verfügbaren Technik als frustrierend. Das Ultraschallgerät, das er für die Messung der Verhärtungen einsetzte, erfordert einen liegenden Patienten, den Anschluss von EKG-Kabeln sowie geschultes Bedienpersonal. Während des Ultraschalls muss der Bediener zudem das Bild direkt beurteilen und die Lage der Arterienwände markieren, sodass das Gerät deren Bewegung verfolgen kann.

Im Anschluss muss der Bediener an einem Bildschirm für die spätere Analyse den korrekten Satz an Signalen wählen, damit das Gerät eine zuverlässige Schätzung der Verhärtungen an der Halsschlagader vornimmt. Der Bediener muss auch die Anatomie der Arterie auf dem Ultraschallbild identifizieren sowie die passenden Herzschläge auswählen, um zuverlässige Messungen zu garantieren. Darüber hinaus kommt EKG-Gating zum Einsatz.

Da sich Dr. Suresh der Tatsache bewusst war, dass diese Methode nicht für den Feldeinsatz taugt, rief er das IIT Madras dazu auf, für dieselben numerischen Schätzungen von Arterienverhärtungen (mit dem Index Beta bezeichnet) eine einfache, unkompliziert zu bedienende Technik zu entwickeln, die bezahlbar, tragbar und überall einsatzbar ist. Die größte Herausforderung bei der Entwicklung dieses kostengünstigen Geräts bestand darin, dass die Messungen folgende Kriterien erfüllen sollten:

• nicht invasiv

• soweit wie möglich automatisiert

• einfach durchführbar

• zuverlässig und wiederholbar

Das Gerät sollte außerdem folgende Eigenschaften mitbringen:

• klein

• mobil

• intuitiv bedienbar

Die Forschung am IITM begann mit dem Hauptziel, die Messung von Verhärtungen der Halsschlagader ohne einen Ultraschallexperten vornehmen zu können. Das würde bedeuten, eine Methode für Erfassung und Messung zu entwickeln, die ohne Bild auskommt. Die Entscheidung für eine bildfreie Erfassungsmethode war deshalb so wichtig, da mit ihr die größte Hürde aus dem Weg geräumt würde, nämlich die Notwendigkeit für teure Geräte und Anwesenheit eines Experten für deren Bedienung.

Da die Messung nichtinvasiv vorgenommen werden sollte, fiel die Entscheidung auf eine ultraschallbasierte Erfassungsmethode. Diese wurde vom Einsatz bildfreier Ultraschallgeräte inspiriert, die Defekte in Metallen erkennen. Um festzustellen, ob es möglich wäre, bildfreie Ultraschallsensoren zur Erfassung der Echos von Arterienwänden einzusetzen, erfolgten erste Experimente am Labor für zerstörungsfreie Prüfung am IIT Madras. In frühen Studien wurde ein aus nur einem Element bestehender Ultraschall-Signalgeber des Typs Panametrics V110 RM mit 5 MHz, speziell für zerstörungsfreie Tests, eingesetzt. Für die Sensorerregung und Signalverstärkung wurde ein industrieller Impulsempfänger genutzt. Die Echos wurden mit einem PCI-5112 digitalisiert und mit einem LabVIEW-VI auf einem PC analysiert.

Das VI zeigt das von der Arterie empfangene Echosignal sowie die nach der manuellen Identifizierung der Gefäßwände gemessenen Signalverläufe des Arteriendurchmessers. Der Einsatz von NI-Hardware und der Software LabVIEW erlaubte es dem Forschungsteam, das Experiment schnell aufzubauen, die Echosignale zu erfassen und sich auf das Verständnis der Signalcharakteristika zu konzentrieren, ohne sich lang mit der Inbetriebnahme aufhalten zu müssen.

Das Experiment zeigte, dass die Arterienwände mithilfe der mit einem Einzelelement-Sensor erfassten Echosignale dargestellt werden konnten und belegte, dass eine bildfreie Untersuchung möglich ist. Allerdings erwies sich die Identifizierung der Arterienanatomie anhand des Echosignals als äußerst schwierig.

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