Ultraschall hat die Gefäßmedizin grundlegend verändert

Das Kreislaufsystem

Die Gefäßmedizin befasst sich mit allen Aspekten des menschlichen Kreislaufs. Sie umfasst somit nicht nur alle peripheren, nicht koronaren arteriellen Durchblutungsstörungen, den kapillären Austausch und den venösen Rückstrom, sondern auch die pulmonale Zirkulation und das lymphatische System. Transport und Austausch von Nährstoffen, Gasen und Metaboliten sind Voraussetzung für die Funktionstüchtigkeit und das Überleben aller Organe unseres Körpers. Neben der Energiebilanz sind auch der Erhalt des optimalen pH-Wertes, die Stabilisierung der Körpertemperatur und die Kontrolle der Hämostase von der Funktionstüchtigkeit des Kreislaufs abhängig.

Kreislauf als Kommunikationssystem

Weniger wahrgenommen wird die ebenso bedeutsame Funktion des Kreislaufs als Kommunikationssystem. Hormone (Vasopressin, Angiotensin), Neurotransmitter (Epinephrin) und Zellen des Immunsystems werden durch die Gefäße transportiert. Das Gefäßendothel hat zudem eine parakrine Funktion, indem Substanzen wie die Prostaglandine, Stickoxid (NO) oder Endothelin gebildet werden, respektive ihre Funktion ausüben. Die als Vasomotion resultierende bedarfsabhängige Vasodilatation oder Vasokonstriktion bestimmt den Durchmesser des Gefäßes und damit das Flussvolumen.

Gefäßkrankheit Arteriosklerose

Blutgefäße spielen eine entscheidende Rolle bei nahezu allen medizinischen Problemen. Beispielhaft seien die Entzündung (Hyperämie, gesteigerte Endothelpermeabilität), die Tumorbildung (Angiogenese) oder ganz speziell die Arteriosklerose erwähnt. Nahezu 50 % aller Todesfälle und ein großer Anteil aller Krankheitsfälle unserer Bevölkerung wird durch die Arteriosklerose verursacht.

Die Arteriosklerose scheint ein Problem unseres modernen Lebensstils zu sein. Funde (Mumien, Papyrus) belegen jedoch, dass dieselben Veränderungen bereits im alten Ägypten häufig vorkamen. Die Krankheit ist nicht nur alt, sondern wird auch als Problem des älteren Menschen angesehen. Sicherlich manifestiert sich die arteriosklerotische Durchblutungsstörung vorwiegend im Alter und wird hier zum diagnostischen Problem, sie beginnt aber bereits viele Jahrzehnte früher und sollte dort entdeckt und beeinflusst werden. Für beides, für die klinische Diagnostik der manifesten Durchblutungsstörung ebenso wie für die frühe Detektion und Prävention, haben wir dank der modernen Ultraschalltechnik das entsprechende Instrumentarium.

Frühe Detektion und Prävention

Die Arteriosklerose wird heute als entzündliche Reaktion auf den durch die Risikofaktoren ausgelösten Endothelschaden verstanden [1]. Im hochauflösenden Ultraschallbild kann die Innenschicht des Gefäßes abgebildet werden. Beim Gesunden ist sie als dünner Streifen erkennbar, bei zunehmendem Alter und vor allem zunehmender Risikokonstellation nimmt die Intima-Mediadicke (IMT) zu [2]. Als Richtwert kann man von der Dekade des Lebensalters plus 2 ausgehen. Die Messung einer IMT von 0,9 mm bei einem 56-jährigen Patienten würde somit einem stark erhöhten kardiovaskulären Risiko entsprechen und die dringende Einleitung der konsequenten Prophylaxe veranlassen. Die Messung ist einfach, zuverlässig und kostengünstig, der Messwert ist ein wichtiger Risikoindikator und einer der bedeutsamsten Prädiktoren kardiovaskulärer Ereignisse [2].

Hämodynamische Signifikanz v. s. klinische Relevanz der Stenose

Bereits leichtgradige Stenosen führen gelegentlich zu Plaquerupturen und akuten thrombotischen Verschlüssen. Mit zunehmender arteriosklerotischer Einengung wird der Blutfluss vermindert und das Zielorgan kann seine Funktion nicht mehr ausüben. Bei vollständiger Unterbrechung des Blutflusses wird das Organ in seiner Vitalität bedroht [3] [4].

Welcher Stenosegrad für das jeweilige Organ bedeutsam ist, wird unterschiedlich diskutiert. Die Physiologie definiert eine > 50 % Durchmesserreduktion eindeutig als signifikante Stenose. Die hämodynamische Signifikanz darf aber nicht der klinischen Relevanz gleichgestellt werden. Letztere hängt ab von der Lokalisation der Stenose, der ischämischen Toleranz des perfundierten Organs, respektive der Reversibilität des Schadens, der Symptomatik, der zu erwartenden Prognose und nicht zuletzt von den therapeutischen Optionen. Kann die Sanierung des Strombahnhindernisses nur durch einen großen chirurgischen Eingriff mit hoher Morbidität und Mortalität erkauft werden, wird man üblicherweise die Indikation zur Operation mit einem höheren Stenosegrad verbinden. Kann demgegenüber die Stenose durch einen wenig belastenden einfachen Kathetereingriff behoben werden, wird die Indikation zur Intervention leichter und früher gestellt. Neue Entwicklungen müssen entsprechen berücksichtigt werden. Am Beispiel der Nierenarterienstenose kann dies exemplarisch illustriert werden [5].

Stenose der Nierenarterie

Die Stenose der Nierenarterie führt zur Minderperfusion und die Niere antwortet mit einer Aktivierung des Reninsystems. Dies steigert zwar die Nierenperfusion, erhöht aber den Blutdruck im gesamten System. Um die schwerwiegenden Komplikationen der systemischen Hypertonie zu verhindern, kann der Patient entweder ein Leben lang täglich Medikamente schlucken oder durch eine einmalige Intervention das Strömungshindernis beseitigen lassen. Während längerer Zeit stellte die Gefäßoperation die einzige Option dar. Da die gefäßchirurgische Behandlung mit einer beachtlichen Morbidität und Mortalität behaftet war und das Therapieziel nicht garantiert werden konnte, ergab sich ein restriktives Verhalten und die Indikation zur Operation wurde entsprechend erst bei einer hochgradigen 80 %igen Stenose gestellt. Wie erwähnt ist aber bereits eine 50 %ige Stenose hämodynamisch signifikant und trägt zur Blutdrucksteigerung bei. Eindrückliche Verbesserungen der Kathetertechnik erlauben nun Interventionen mit geringem Aufwand und niedrigen Komplikationswerten, was auch die Hemmschwelle für eine Intervention gesenkt hat. Wir behandeln dementsprechend nicht nur die höchstgradigen, sondern die bereits > 50 % Stenosen kathetertechnisch, sofern die internistisch klinische Indikation klar gegeben ist [6]. Üblicherweise sollte auch nur der Patient zur Duplex-Sonografie der Nierenarterien geschickt werden, bei dem ein positiver Befund auch eine direkte Konsequenz hat und die Bereitschaft zur Intervention besteht.

Stenose der Carotiden

Diese Überlegungen zur hämodynamischen Signifikanz und der nicht immer damit einhergehenden klinischen Relevanz gilt für sämtliche Perfusionsgebiete und muss entsprechend individuell gewürdigt werden. Für Abgangsstenosen der A. carotis interna gilt, basierend auf großen internationalen Studien, ein Stenosegrad von > 70 % bei symptomatischen Patienten als klare Operationsindikation [7]. Die Spitzengeschwindigkeiten systolisch > 250 cm/s, enddiastolisch > 120 cm/s und ein Verhältnis Interna/Communis von > 4 bieten die beste diagnostische Treffsicherheit für die Diagnose einer > 70 % Stenose. Dieselben Grenzwerte gelten auch für die kathetertechnische Stenteinlage. Die Kathetertherapie der Karotisstenose hat sich gegenüber der Chirurgie noch nicht als eindeutig vorteilhaft erwiesen und die Indikationsgrenze ist somit auch nicht tiefer anzusetzen.

Die Duplex-Sonografie der Carotiden hat die zerebrovaskuläre Diagnostik grundlegend beeinflusst. Es können nicht nur leichte Veränderungen frühzeitig entdeckt und präventiv behandelt werden, sondern auch die Diagnostik der klinisch relevanten Stenosen hat sich in den vergangenen 2 Jahrzehnten grundlegend verändert. Früher galt der Hirnschlag als ein schicksalhaftes Ereignis. Die nicht invasive, wiederholt und relativ einfach anzuwendende Ultraschalltechnik hat die Mentalität und das Bewusstsein verändert. Zur zerebrovaskulären Arteriografie mit einer bekannten Mortalität von > 1 % konnte man sich beim symptomatischen Patienten nur bei hohem klinischem Verdacht durchringen. Die moderne Ultraschalltechnik kombiniert Morphologie und Hämodynamik und liefert Informationen über die Art des Gefäßschadens sowie über die Perfusion in bis anhin nicht erreichtem Maße [8] [9].

Stenose der Extremitätenarterien

Ebenso grundlegend, wie für die Carotiden beschrieben, hat die Ultraschalltechnik die Diagnostik und Therapie der Durchblutungsstörungen der Extremitäten verändert [10]. Die einfache Ultraschall-Dopplertechnik hat bereits vor längerer Zeit die periphere vaskuläre Diagnostik stimuliert. Die Einführung der Duplex-Sonografie mit der Farbkodierung der Flusssignale hat aber erst den Durchbruch gebracht. Vom Zwerchfell bis zum Fuß sind die Gefäße (bei Bedarf) darstellbar. Stenosen können lokalisiert, der Stenosegrad zuverlässig bestimmt (Ratio 2,5) und die Verschlusslänge gemessen werden. Die an die Arteriografie gestellten Kernfragen sind somit alle auch mit der Ultraschalltechnik beantwortbar. Eine klare, auf die therapeutische Option ausgerichtete klinische Fragestellung wird entsprechend auch eindeutig beantwortet. Diesem Faktum tragen auch die internationalen Guidelines Rechnung, welche die Duplex-Sonografie als erste bildgebende Option bei Verdacht auf periphere arterielle Durchblutungsstörung empfehlen [1]. Patienten, welche von einer Kathetertherapie profitieren könnten, werden basierend auf den duplexsonografischen Befunden direkt und ohne zusätzliche bildgebende Diagnostik zur Intervention geschickt. Vor einer Gefäßoperation wird häufig noch eine (Magnetresonanz-)Angiografie als Übersichtsbild angefertigt. Die Mehrheit der Patienten qualifiziert jedoch weder für eine Kathetertherapie noch für die chirurgische Behandlung. Diese werden direkt der konservativen Basistherapie zugewiesen, was wiederum die Diagnostik beträchtlich vereinfacht und großen finanziellen Einsparungen entspricht.

Mesenteriale Durchblutung

Die Vereinfachung der Diagnostik und der leichtere Zugang zur adäquaten Therapie dokumentieren eindrücklich die dank des Ultraschalls erzielten Fortschritte. Positiv wirken sich nicht nur die verbesserte Diagnostik aus, sondern auch die damit einhergehende Verbesserung der Therapie und das grundsätzlich bessere Verständnis des Krankheitsbilds. Dies kann am eindrücklichsten an der viszeralen Durchblutung erläutert werden. Vor Einführung der Duplex-Sonografie war wenig über die normalen Durchblutungsverhältnisse und die postprandiale Hyperämie bekannt. Die Duplex-Sonografie hat Basisstudien ermöglicht, welche uns erst die normale Physiologie und die verschiedenen Krankheitsbilder verstehen ließ [11].

Kontrastmittel und Perfusion

Die Farbkodierung der Dopplersignale wurde zur leichteren Erkennung der Flussphänomene eingeführt, was erst die breite Anwendung ermöglichte. Ultraschallkontrastmittel sollten zusätzlich die Flusssignale anheben. Generelle Verbesserungen der Ultraschalltechnik haben die Diagnostik so günstig beeinflusst, dass Kontrastmittel nur noch für gezielte Indikationen wie transkraniell, renovaskulär oder die Unterschenkelarterien notwendig ist. Gleichzeitig haben sie aber auch eine Revolution der Ultraschalldiagnostik eingeleitet. Die intravasalen Gasbläschen stellen nicht mehr nur die Makro-, sondern auch die Mikrozirkulation dar. Dies wird in verschiedenen Bereichen zur Perfusionsmessung bereits breit eingesetzt [9] [12]. Die Europäische Föderation EFSUMB hat entsprechend ihre Guidelines aus dem Jahr 2004 erneuert und auf weitere Anwendungsgebiete ausgedehnt [12]. International konzentriert sich eine neue Gesellschaft auf die sichere Anwendung der Kontrastmittel (www.icus-society.org).

Die Ultraschalltechnik hat neue grundlegende Erkenntnisse der vaskulären Physiologie und Pathophysiologie gebracht. Sie erlaubt die frühzeitige Diagnose von Veränderungen und dank der hohen diagnostischen Treffsicherheit wurde das therapeutische Spektrum optimiert. Insgesamt hat somit die Ultraschalltechnik fundamental die vaskuläre Medizin verändert.

In Anlehnung an die Euroson Lecture 2008

The vascular system

Vascular medicine deals with all aspects of the human circulatory system. It includes all peripheral, non-coronary, arterial circulatory disturbances, capillary exchange, and venous return as well as pulmonary circulation and the lymphatic system. The transport and exchange of nutrients, gases, and metabolites are required for the proper functioning and survival of all organs of the human body. In addition to energy balance, optimum pH value maintenance, body temperature stabilization, and hemostasis controlling depend on the proper functioning of the circulatory system.

Vessels are a communication system

The equally important communication system function of the circulatory system is less known. Hormones (vasopressin, angiotensin), neurotransmitters (epinephrine) and cells of the immune system are transported by vessels. The vascular endothelium also has a paracrine function in that substances such as prostaglandin, nitric oxide (NO), or endothelin are formed or carry out their function. Need-based vasomotion resulting in vasodilation or vasoconstriction determines the diameter of the vessel and thus the flow volume.

Vascular disease and arteriosclerosis

Blood vessels play an important role in almost all medical problems. Inflammation (hyperemia, increased endothelium permeability), tumor formation (angiogenesis), and in particular arteriosclerosis are mentioned as examples. Almost 50 % of all deaths and a large number of all diseases in our population are caused by arteriosclerosis.

Arteriosclerosis appears to be a problem caused by our modern lifestyle. However, discoveries (mummies, papyrus) have shown that the same changes also frequently occurred in ancient Egypt. This ancient disease is seen as a problem afflicting older people. Although arteriosclerotic circulatory problems manifest and become problematic primarily later in life, they start decades earlier and should be identified and treated at that time. Modern ultrasound technology provides the necessary instruments for both the clinical diagnosis of a manifested circulatory disorder and early detection and prevention.

Early detection and prevention

Arteriosclerosis currently refers to an inflammatory reaction to endothelial damage triggered by risk factors [1]. The inner vascular layer can be visualized with high-resolution ultrasound images. In healthy subjects, it is shown as a thin strip. With increasing age and especially in the case of a higher risk constellation, the intima media thickness (IMT) increases [2]. The decade of the patient’s age plus 2 can be used as the reference value. An IMT measurement of 0.9 mm in a 56-year-old patient would therefore indicate a significantly increased cardiovascular risk and be cause for urgent introduction of systematic prophylaxis. The measurement is simple, reliable, and cost-effective, and the measured value is an important risk indicator and one of the most important predictors of cardiovascular events [2].

Hemodynamic significance v. s. clinical relevance

Even mild stenoses can result in plaque ruptures and acute thrombotic occlusion. Increasing arteriosclerotic constriction reduces blood flow so that the target organ is no longer able to function. In the event of complete interruption of blood flow, the organ’s vitality is threatened [3] [4].

There are varying opinions about the degree of stenosis that is important for a particular organ. Physiology clearly defines a > 50 % diameter reduction as significant stenosis. However, the hemodynamic significance may not be equated to the clinical relevance. The latter depends on the location of the stenosis, the ischemic tolerance of the perfused organ or the reversibility of the damage, the symptoms, the prognosis to be expected, and the therapeutic options. If the removal of the flow path obstruction is only possible with a major surgical intervention with high morbidity and mortality, the indication for surgery is usually connected with a severe degree of stenosis. If the stenosis can be eliminated with a low-strain, simple catheter procedure, intervention can be indicated more easily and earlier. New developments must be taken into consideration accordingly. This can be illustrated using renal artery stenosis as an example [5].

Renal artery stenosis

Renal artery stenosis results in hypoperfusion and the kidney responds by activating a renin system. Although this increases kidney perfusion, the blood pressure in the total system increases. To prevent severe complications from systemic hypertonia, patients can either take medicine on a daily basis for their entire lives or can eliminate the flow obstacle with a single intervention. Vascular surgery was the only option for a long time. Since treatment with vascular surgery was linked with considerable morbidity and mortality and the treatment goal was not able to be guaranteed, a conservative attitude resulted and surgery was only indicated for severe stenosis of 80 %. However, as mentioned, 50 % stenosis is already hemodynamically significant and contributes to an increase in blood pressure. Significant improvements in catheter technology now allow interventions with minimal complexity and low complication values, thus lowering the inhibition threshold for an intervention. We therefore treat both severe stenoses as well as > 50 % stenoses using catheter techniques, given a clear clinical indication [6]. Duplex sonography of the renal arteries should typically only be performed for patients for whom a positive finding will have a direct consequence and who are willing to undergo an intervention.

Carotid artery stenosis

These considerations regarding hemodynamic significance and the at times accompanying clinical relevance are valid for all perfusion areas and must be applied on an individual basis. For stenoses at the origin of a branch of the internal carotid artery, a degree of stenosis of > 70 % in symptomatic patients is a clear indication for surgery on the basis of large international studies [7]. Peak velocities, systolic > 250 cm/sec and end-diastolic > 120 cm/sec, and an internal/common ratio of > 4 offer the best diagnostic accuracy for diagnosis of > 70 % stenoses. The same limit values also apply for stent placement via catheter technology. Catheter therapy of carotid stenosis has not yet proven to be clearly advantageous over surgery and the indication limit should therefore not be lower.

Duplex sonography of carotids has fundamentally influenced cerebrovascular diagnostics. Slight changes can be detected early and treated preventatively and the diagnosis of clinically relevant stenoses has also fundamentally changed over the last two decades. Cerebral apoplexy was previously considered a fateful event. Non-invasive, repeatable, and easy-to-use ultrasound technology has changed this mentality and the level of awareness. Cerebrovascular arteriography with a known mortality of > 1 % was only used for symptomatic patients with a high clinical suspicion. Modern ultrasound technology combines morphology and hemodynamics and provides information regarding the type of vascular damage and the perfusion to a previously unavailable degree [8] [9].

Peripheral artery stenosis

Ultrasound technology has also changed the diagnosis and treatment of circulatory disorders of the extremities in an equally fundamental way as described for carotids. Although simple ultrasound Doppler technology stimulated peripheral vascular diagnostics, the breakthrough didn’t come until the introduction of duplex sonography with color coding of flow signals. Vessels can be visualized as needed from the diaphragm to the foot. Stenoses can be localized, the degree of stenosis can be determined reliably (ratio 2.5), and the occlusion length can be measured. The main arteriography questions can therefore all be answered by ultrasound technology. A clear clinical question in line with the therapeutic option is also clearly answered. The international guidelines which recommend duplex sonography as the first imaging option in the case of suspicion of peripheral arterial circulatory disturbance take this fact into account [1]. Based on duplex sonography findings, patients who can benefit from catheter therapy are sent for intervention directly and without additional imaging diagnostics. (Magnetic resonance) angiography is often performed as an overview image prior to vascular surgery. However, the majority of patients do not qualify for catheter treatment or surgical treatment. These patients are referred directly for conservative basic therapy which significantly simplifies diagnosis and provides substantial financial savings.

Mesenteric circulation

The simplification of diagnostics and the easier access to suitable treatment are a clear result of the advances due to ultrasound. The improved diagnostics, associated therapy improvement, and the fundamentally improved understanding of the clinical picture have a positive effect. This can be explained most meaningfully on the basis of visceral circulation. Prior to the introduction of duplex sonography, little was known about normal circulatory conditions and postprandial hyperemia. Duplex sonography made basic studies possible that first allowed us to understand the normal physiology and the different clinical pictures [11].

Contrast agents and perfusion

The color coding of Doppler signals was used to facilitate identification of flow phenomena, thus allowing broad application. Ultrasound contrast agents should additionally increase the flow signals. General improvements in ultrasound technology have had such a favorable effect on diagnostics that contrast agents are only necessary for targeted indications such as transcranial, renovascular, or lower leg arteries. They also started an ultrasound diagnostics revolution. Intravascular gas bubbles represent not only macrocirculation but also microcirculation. This is already widely used in different areas for perfusion measurement [9] [12]. The European Federation EFSUMB accordingly updated their guidelines from 2004 and expanded them to include further application areas [12]. A new international society focuses on the safe application of contrast agents (www.icus-society.org).

Ultrasound technology has provided new fundamental insights into vascular physiology and pathophysiology. It allows early diagnosis of changes and its high diagnostic reliability has optimized the therapeutic spectrum. In conclusion, ultrasound technology has fundamentally transformed vascular medicine.

On the basis of the Euroson Lecture 2008.

Literatur

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