Gefäßfunktion-Zentral-Arzt

Die 2 Funktionen des Arterienbaumes
Pulsdruckkurve – Fingerabdruck der Arterienfunktion
Leitgrößen für Frühesterkennung und Intervention
Das Versagen von Goldstandard und Ersatzparametern
Medizinischer Avatar – banhnbrechende Entschlüsselung der Pulsdruckkurve

Die 2 Funktionen des Arterienbaumes

Arterien haben zwei wesentliche Funktionen:

  • Verteilungsfunktion: Blut zu allen Organen und Zellen zu leiten.
  • Dämpfungsfunktion: den pulsatilen kardialen Auswurf zu „dämpfen“ und in kontinuierlichen Fluss umzuwandeln („Windkessel-Effekt“).

Während die Verteilungsfunktion vom Gefäßdurchmesser und dem mittleren arteriellen Druck bestimmt wird, hängt die Dämpfungsfunktion im Wesentlichen von der elastischen Eigenschaft derGefäßwände ab. Diese Elastizität der großen Gefäße sichert nicht nur einen kontinuierlichen Fluss durch Arteriolen und Kapillaren sondern entlastet auch den Ventrikel.

Wäre die Aorta ein steifes Rohr müsste der Ventrikel die Blutsäule mit jedem Schlag aus dem Stillstand heraus beschleunigen. Die elastische Aorta reduziert diese Herzarbeit dramatisch, indem sie rund 80% des kardialen Auswurfs durch Dehnung der Gefäßwand aufnimmt. Physikalisch betrachtet wird so die kinetische Energie des aus dem Herzen kommenden Blutflusses in der sich dehnenden Aorta als potentielle Energie gespeichert. Die elastische Rückstellung der Gefäßwand in der Diastole kehrt diesen Prozess um: aus der potentiellen (gespeicherten) Energie wird die kinetische Energie des weiterfliessenden Blutes.

Die Pulsdruckkurve – Fingerabdruck der Arterienfunktion

Mit dem Auswurf des Schlagvolumens in die Aorta entsteht zeitgleich eine anterograde primäre Pulsdruckwelle, die sich um ein Vielfaches schneller im Arterienbaum fortpflanzt als die Flusswelle des Blutes. Die Kontur dieser Pulsdruckwelle ist geprägt von den physikalischen Eigenschaften des von ihr durchflossenen Gefäßbaumes. Elastizität, Widerstand und Gefäßgeometrie aber auch die Eigenschaften des aus dem Herzen aufgeprägten Flusses geben der Pulsdruckwelle eine für  jede Person und ihre arterielle Funktion charakteristische Kontur. Sie wird so zum Fingerabdruck der physikalischen Determinanten des arteriellen Funktions- und Gesundheitszustandes.

Mit einer hochauflösenden Aufzeichnung der Pulsdruckkurve lassen sich aus diesem Fingerabdruck der Arterienfunktion die sie prägenden Parameter entschlüsseln.

Leitgrößen für Frühesterkennung und Intervention

Da Elastizität, Widerstand und Lumen der Arterien die direkten physikalischen Determinanten der Arterienfunktion bilden, lassen sich an ihnen Veränderungen der Gefäßfunktion erkennen, die den in der Klinik bislang üblichen Ersatzparametern (bspw. Pulswellengeschwindigkeit) verborgen bleiben. So wird die atherosklerotische Krankheitskarriere bereits in ihrem noch reversiblen frühesten Stadium an der einer gestörten vasodilatierenden Funktion des Endothels geschuldeten Einschränkung der arteriellen Compliance erkennbar. Auch Prävention und Therapie erfahren durch die Überwachung der physikalischen Determinanten der Pulsdruckkurve eine “chirurgische Präzision”, die dem Kliniker mit den konventionellen Ersatzparametern der Arterienfunktion vorenthalten blieb.

Das Versagen von Goldstandard und Ersatzparameter

Bislang gilt die Geschwindigkeit mit der sich die Pulsdruckwelle in den zentralen Gefäßen fortpflanzt  als Goldstandard für die Bestimmung der Arterienfunktion [1]. Sie korreliert zwar mit der Gefäßsteifigkeit, ist aber der Bestimmung der direkten physikalischen Determinanten alleine schon deshalb unterlegen, weil gleichzeitig auch der systemische Widerstand, der Blutdruck und das Gefäßlumen die PWV prägen. Erkennbar wird das in der Moens-Korteweg Gleichung. Sie zeigt, dass gleichzeitige Veränderungen diverser Parameter eine in der PWV nicht zu differenzierende Auswirkung auf diese haben. Deshalb wird die PWV auch beschrieben als “…not adequate for characterizing the pathophysiology of arterial ‘stiffening’”.[2]

Medizinischer Avatar – bahnbrechende Entschlüsselung der Pulsdruckkurve

Die Pulsdruckkurve des Arterienbaums entsteht aus den komplexen Wechselbeziehungen aller arteriellen Segmente dieses hydraulischen Systems. Dessen enorme Komplexität vereitelt die rein mathematische Ableitung der physikalischen Parameter, welche die Pulsdruckkurve bestimmen.

Um komplexe biologische Systeme dennoch beschreiben und verstehen zu können, bietet sich deren Nachbildung in digitalen Modellen an. Die Wertigkeit dieser Modelle steht und fällt mit der möglichst detailgetreuen Nachbildung des biologischen Originals. Hilfreich ist hier die elektro-hydraulische Analogie, die die verblüffende Gleichmäßigkeit zwischen elektrischen und hydraulischen Systemen beschreibt. So haben Druck, Fluss, Compliance und Widerstand des Gefäßbaumes ihre Entsprechung in Spannung, Strom, Kondensator und Widerstand des elektrischen Modells. Die aus der Grundlagenforschung bekannten physikalischen Werte der einzelnen arteriellen Segmente erlauben eine Übersetzung dieser Erkenntnisse in ein elektronisches Modell des Gefäßbaumes.

Gelingt es durch Manipulation der elektrischen Modellparameter eine am Patienten gemessene Pulsdruckkurve möglichst exakt nachzubilden, werden jene Funktionswerte enthüllt, die auch im “hydraulischen System” des Patienten vorherrschen. Ein neuronales Netz und die Integration genetischer Algorithmen geben unserem Modell die Fähigkeit nahezu jede oszillometrisch gemessene Patientenkurve mit extrem hoher Korrelation (≥ 99%) nachzubilden. Wir haben dieses an einen computer avatar erinnernde Modell deshalb “arteroid™” getauft.

  1. Laurent, S., et al., Expert consensus document on arterial stiffness: methodological issues and clinical applications. Eur Heart J, 2006. 27(21): p. 2588-605.
  2. Lim, H.S. and G.Y. Lip, Arterial stiffness: beyond pulse wave velocity and its measurement. J Hum Hypertens, 2008. 22(10): p. 656-8.