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Diese
Erfindung bezieht sich auf die Überwachung
der Herzaktivität,
z.B. der Bewegung, und insbesondere mit anderen Mitteln als der
direkten Aufzeichnung der elektrischen Aktivität des Herzens. Es ist wichtig,
die Aktivität
des Herzens (insbesondere die Frequenz und die Regelmäßigkeit
der Herzschläge)
in verschiedenen Situationen zu kennen, in denen normale Verfahren
zur Erzeugung eines Elektrokardiogramms nicht verfügbar oder
schwierig anzuwenden sind. Ein Elektrokardiogramm (EKG) wird in
erster Linie zur Diagnose einer Herzkrankheit oder Herzschädigung,
aber auch zur Auswertung der Wirkungen eine Herzbehandlung oder
einer Aktivitätsregulierungsvorrichtung
(Herzschrittmacher) verwendet.
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Das
Elektrokardiogramm wird insbesondere während chirurgischer Operationen
oft parallel mit der Akquisition von angiographischen Bildern verwendet.
Abgesehen von diesen medizinischen Anwendungen wird das Elektrokardiogrammsignal
auch für
die Bearbeitung von kardiovaskulären
Angiographiebildern benutzt. Es erleichtert es, Bilder zu erkennen,
die zur derselben Phase in verschiedenen Herzzyklen gehören. Demgemäß können zwei
synchrone Bilder gewonnen und voneinander subtrahiert werden, wodurch
die Kontrastwirkungen durch unmarkierte Gewebe beseitigt und danach
die Kontraste allein in Folge der Markierung durch ein injiziertes
Kontrastmittel, die zwischen den beiden Zyklen stattgefunden hat,
gezeigt werden.
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In
dem Fall, dass das Elektrokardiogramm nicht verfügbar ist oder in dem angiographischen
System fehlt, ist es notwendig, aus den verfügbaren Informationen, d.h.
Bildern, eine äquivalente
Signalform zu erzeugen. Eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist darauf gerichtet, das Fehlen eines echten Kardiogrammsignals
zu umgehen oder eine Alternative zu dem Kardiogrammsignal zu schaffen.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung schafft ein zu dem Kardiogramm äquivalentes Signal bei dem Fehlen
der typischen, zu diesem Zweck verwendeten Mittel, mit anderen Worten
aus einer einzigen Sequenz von Bildern, die durch ein Bildgebungssystem
erfasst worden sind. Insbesondere bezieht sich eine Ausführungsform
der Erfindung auf Projektionsbildgebungssysteme und insbesondere
auf Röntgensysteme.
Insbesondere schafft eine Ausführungsform
der Erfindung ein solches Signal mit einer besonders hohen Zuverlässigkeit.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung
der Herzaktivität,
das bzw. die von einer Serie von angiographischen Bildern ausgeht,
die durch Röntgenstrahlen erstellt
worden sind. Die Abschwächung
der Röntgenstrahlen
wird auf einer Fläche
abgetastet, die Gegenstand sich wiederholender Verdickungen bzw.
Dickeänderungen
von wenigstens einer Wand des Herzens ist, und ein sich wiederholendes
Abschwächungssignal,
das mit den Dickeänderungen
zusammenhängt,
wird als ein für
die Herzaktivität
repräsentatives
Signal betrachtet.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Eigenschaften, Zwecke und Vorteile der Erfindung und ihrer Ausführungsform
werden nach dem Lesen der folgenden, mit Bezug zu den beigefügten Figuren
gelieferten, detaillierten Beschreibung verständlicher, wobei
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die 1A und 1B Aufnahmen
zeigen, die bei einer Ausführungsform
der Erfindung verwendet werden, wobei die eine schematisch und die
andere realistischer ist,
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2 die
Veränderung
eines für
die Herzaktivität
repräsentativen
Signals darstellt, das in dieser Ausführungsform gewonnen worden
ist,
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3 eine
Korrelationskurve darstellt, die aus dem für die Herzaktivität repräsentativen
Signal erstellt worden ist,
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4 eine
in einer anderen Ausführungsform
der Erfindung gezeigte Aufnahme zeigt,
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5 ein
Strahlungsabschwächungsprofil
darstellt, das zu einem schematischen Schnitt durch das Herz in
der diastolischen Phase gehört,
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6 ein
Strahlungsabschwächungsprofil
darstellt, das zu einem schematischen Schnitt durch das Herz in
der systolischen Phase gehört,
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7 eine
angiologische Zuordnung zwischen einem Abschwächungsprofil und analytischen
Kurven gemäß der anderen
Ausführungsform
der Erfindung darstellt und
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8 die
Veränderung
eines für
die Herzaktivität
repräsentativen
Signals darstellt, das im Zusammenhang mit der anderen Ausführungsform
der Erfindung gewonnen worden ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung gewinnt eine Serie von Bildern wie diejenigen, die
in 1 dargestellt sind. Jedes Bild
ist innerhalb eines Akquisitionsbereiches 100 des rechteckigen
Typs eingezeichnet, das näherungsweise
dem gesamten Anzeigebereich des Bildschirms 200 entspricht.
Das Herz 300 befindet sich in Gestalt von zwei benachbarten
Ringen 310 und 320 näherungsweise im Zentrum des
in 1A gezeigten Akquisitionsfeldes, wobei die Ringe 310 und 320 schematisch
den rechten Ventrikel 310 und den linken Ventrikel 320 darstellen.
In 1B, die sich mehr nach der projektiven Art des
Bildgebungssystems richtet, ist das Herz als eine graue elliptische
Form dargestellt.
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Offensichtlich
sind diese Darstellungen sehr schematisch, weil das Bild des Herzens
in Abhängigkeit von
der Position des Sensors und einer Strahlungsquelle, wie z.B. einer
Röntgenstrahlenquelle,
verschiedene Orientierungen aufweisen kann.
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Darüber hinaus
ist die Ansicht in der Praxis keine Schnittansicht wie die in diesem
Fall schematisch in 1A gezeigte, sondern eine projektive
Ansicht wie die in 1B gezeigte. Mit anderen Worten
ist jedes Pixel des Akquisitionsfeldes eine Projektion einer Menge
von Abschwächungen,
die entlang einer Achse auftreten, die das betrachtete Pixel mit
der Röntgenquelle
verbindet.
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Es
treten Änderungen
der Dicke der Herzwände,
mit anderen Worten Änderungen
der Menge des Gewebes auf, das alle Projektionsachsen eines gegebenen
Abtastgebietes durchdringen. In diesem Zusammenhang sind wir an Änderungen
der Wanddicken an einer Fläche
interessiert, die einen Teil des Herzens abdeckt, der näherungsweise
durch die äußere Form
des Herzens abgegrenzt ist. In diesem Fall ist diese Fläche innerhalb
eines Kreises 400 enthalten, der in den 1A und 1B in
gestrichelten Linien dargestellt ist und der gewählt worden ist, um das Bild
des Herzens näherungsweise
zu umgeben. Er ist nur geringfügig
größer als die
Projektion des Herzens, so dass er näherungsweise mit den Seitenwänden des
Herzens bündig
angeordnet ist.
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Die
Abschwächung
der Strahlung in dieser Fläche
wird in eine äquivalente
Wassertiefe umgerechnet, mit anderen Worten in diejenige Wassertiefe,
die ein Pixel derselben Intensität
wie das auf dem Bildschirm in der fraglichen Fläche angezeigte liefert. Dies
wird unter Anwendung des Lambertschen Gesetzes getan, das die Abschwächung von
monochromatischen Röntgenstrahlen
wie folgt bestimmt:
wobei H die äquivalente
Wassertiefe, μ der
Dämpfungskoeffizient
und I
max die maximale Intensität des Bildes ist,
wobei μ für lineare
Abschwächung
in Wasser unter einer Bestrahlung von 80 kV etwa gleich 0,02 mm
-1 ist.
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Die
Intensität
I ist die Durchschnittsintensität,
die zu jedem Zeitpunkt innerhalb einer Überwachungsfläche abgefragt
wird, mit anderen Worten in der von Änderungen der Wanddicken des
Herzens betroffenen Fläche.
Die Überwachungsfläche 600 wird
als interessierender Bereich oder Region of Interest (ROI) bezeichnet.
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In
diesem Beispiel ist die Bildgebungsvorrichtung auf eine konventionelle
Weise mit Mitteln zur Bildintensitätsnachführung versehen. Der Zweck dieser
Nachführmittel
besteht darin, eine konstante Durchschnittsintensität auf einer
Fläche
aufrechtzuerhalten, die auch einen nicht vernachlässigbaren
Teil des Herzens abdeckt. Dieses Gebiet ist mit den Bezugszeichen 500 in
den 1A und 1B in
Kreuzschraffur gezeigt. Es ist eine zentrale Scheibe mit einer Ausdehnung,
die gewöhnlich
kleiner als diejenige des Bildes des Herzens auf dem Bildschirm
ist. Die Nachführmittel
messen die Durchschnittsintensität
in der Scheibe 500 durch eine Integration über alle
Pixel in dieser Scheibe und modulieren dann die Intensität der Röntgenstrahlen
bei der Emission, so dass die Durchschnittsintensität einen
vorbestimmten Einstellwert erreicht. Mit anderen Worten weist die
zentrale Scheibe 500 selbst innerhalb eines Herzzyklus
nur sehr geringe Intensitätsschwankungen auf,
weil die Nachführschleife
so wirkt, dass sie die Intensität
in Echtzeit konstant hält.
Die zentrale Nachführscheibe 500 ist
aus der Fläche
ausgeschnitten worden, die zur Beobachtung der Abschwächungsänderungen verwendet
worden ist. Typischerweise wird dieser entfernte Teil 50 Prozent
des Projektionsfeldes 100 abdecken.
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Folglich
ist die Fläche,
auf der die Dicke der durchdrungenen Wand überwacht wird, auf einen Ring 600 beschränkt, der
an der Außenseite
durch den zuvor beschriebe nen Kreis 400 und an der Innenseite
durch den Rand der Nachführscheibe 500 abgegrenzt
ist. Der Ring 600 ist genau die Fläche, auf der die größten Änderungen
der Wanddicke auftreten, weil er die Wände des linken und rechten
Ventrikels quer verlaufend abdeckt. Mit anderen Worten deckt der
Ring 600 die Wände
ab, für
die die variable Dicke eine Maske mit einer variablen Größe vor dem
Röntgenstrahlenbündel bildet.
Mit anderen Worten ist die Abtastfläche so angeordnet, dass das
Herz wenigstens eine Wand aufweist, für die die projizierte Dicke
in der Abtastfläche
einen variablen Bereich aufweist.
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Die über alle
Pixel in dem Ring 600 integrierte Durchschnittsintensität verändert sich
mit der Zeit, wie es in 2 gezeigt ist, in der jede Spitze
zu der systolischen Phase eines Schlages gehört. Diese Spitzen bzw. Maxima
sind über
einen allgemein zunehmenden Verlauf verteilt, weil in diesem Fall
der Test durchgeführt
wurde, während
ein Kontrastmittel injiziert wurde. Dieses Kontrastmittel wird zu
anderen Zwecken verwendet und ist für die Realisierung der Ausführungsformen
der Erfindung nicht erforderlich. Folglich weist das sich aus dieser
Vorgehensweise ergebende Wassertiefensignal eine quasiperiodische
Veränderung
auf, die der allmählichen Änderung
infolge der Injektion des Kontrastmittels in die Epikardarterie
und seiner Perfusion in das Myokard überlagert ist.
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Die
durch ein Auslesen der Intensität
auf diese Art gewonnene Kurve ist insbesondere bedeutend. Die Kurve
in
2 wird für
einen Rechenschritt verwendet, der die Berechnung einer durch die
folgende Gleichung ausgedrückten
Korrelationsfunktion enthält:
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In
dieser Gleichung ist R die Autokorrelationsfunktion, S das Zeitsignal
in 2, t die Zeit, über der bei diesem Signal integriert
wird, und k die Variable der Autokorrelationsfunktion, die ebenfalls
als eine Zeit ausgedrückt
wird.
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Die
Kurve der Autokorrelationsfunktion, wie sie in 3 gezeigt
ist, liegt selbst in Gestalt einer Serie von aufeinanderfolgenden
Maxima vor, von denen das erste bei einem Mittelwert der Periodendauer
des Herzsignals angeordnet ist. Die folgenden Maxima gehören zu Vielfachen
der mittleren Periodendauer.
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Die
Funktion liefert für
die Periodendauer einen besonders genauen Mittelwert T. Dieser Mittelwert
S wird in einem folgenden Schritt verwendet, in dem T mit der Dauer
jedes in der Kurve in 2 auftretenden Herzschlags verglichen
wird. Folglich werden die individuellen Verlängerungen oder Verkürzungen
jedes Schlags erkannt, die beim Erkennen jeder gegebenen Phase der
Herzanordnung während
der verschiedenen Schläge
helfen. Mit anderen Worten schaffen die durch Vergleich mit dem
Mittelwert T erkannten Verlängerungen
und Verkürzungen
der Periodendauer ein Mittel zur Gewinnung synchroner Bilder, die
zu verschiedenen Schlägen
gehören.
Durch Subtraktion dieser synchronen Bilder werden Kontraste durch
das nicht mit dem Kontrastmittel markierte Gewebe, mit anderen Worten
Gewebe von geringerem Interesse und insbesondere anderes als Herzgewebe,
beseitigt.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung geschieht das Ablesen der Intensität in der Form eines quer zu wenigstens
einer Wand des Herzens erzeugten Abschwächungsprofils. Um dies zu erreichen, werden
die verwendeten Abschwächungswerte
auf Pixelsegmente beschränkt,
die quer zu dem Bild des Herzens gerichtet sind. Demgemäß ist in 4 ein
erstes Segment 700 ein Segment, das speziell unter einem Winkel
von 30° von
einer Hauptlängsachse
X des Herzens ausgerichtet ist. Ein zweites Segment ist ein Segment 800,
das unter einem Winkel von 60° von
der Längsachse
X angeordnet ist.
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Diese
Orientierungen von 30° und
60° werden
gewählt,
um die Wände
der Ventrikel zu schneiden und Profile zu gewinnen, die von der
Ausrichtung des mechanischen Bogens unabhängig sind, der die Röntgenbildgebungsvorrichtung
trägt.
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Daher
ist die Abtastfläche
(das betrachtete Segment) so angeordnet, dass das Herz wenigstens
eine Wand aufweist, für
die der Bereich der projizierten Dicke innerhalb der Abtastfläche variabel
ist. Die Pixelintensitäten
werden an jedem dieser Segmente 700 und 800 aufgezeichnet,
und diese Intensitäten
werden als eine Funktion des Grades des Fortschreitens an dem betrachteten
Segment (5) in der Form eines quer gerichteten
Abschwächungsprofils
des Herzens angezeigt. Spezieller wird ein Durchschnittsprofil 900 durch
Bilden des Durchschnitts der beiden Profile für die Segmente 700 und 800 erzeugt.
In diesem Fall weist das Durchschnittsprofil 900, wie es
in den 5 und 6 gezeigt ist, zwei Haupterhebungen
bzw. Hauptmaxima 910 und 920 auf. Jedes gehört zu dem
Schnitt des Abtastsegmentes mit den Wänden des linken Ventrikels,
in denen die durchdrungene Dicke besonders groß ist. Dieses Profil 900 weist
auch ein signifikant niedrigeres Nebenmaximum 930 auf,
das zu einer Wand des rechten Ventrikels gehört.
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Signifikante
Unterschiede treten zwischen den Profilen in 5 und 6 auf.
Demgemäß kann man sehen,
dass die Maxima oder Erhebungen in der systolischen Phase (6)
signifikant stärker
ausgeprägt sind,
weil die betroffenen Wände
infolge der Kontraktion der Ventrikel dicker sind. Die Maxima 910 und 920 weisen
eine stärker
ausgeprägte
Höhe auf,
die der stärker
ausgeprägten
Dicke der Wände
entspricht, die die Abtastfläche
durchdringen. Diese Kontraktion verursacht auch eine Schrumpfung
der Vertiefung bzw. des Minimums 940 zwischen den Hauptmaxima 910 und 920,
die der Schrumpfung der inneren Kavität bzw. des Hohlraums in dem
rechten Ventrikel entspricht.
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Diese
zwei Modifikationen des Profils 900 werden verwendet (7),
um ein Signal auszugeben, das für
die Dicke der Herzwände
und damit für
die Herzaktivität
kennzeichnend ist. Um dies zu erreichen wird in diesem Fall das
Profil 900 als eine Anordnung aus zwei Parabeln analysiert.
Die erste Parabel 950 wird als die Form der äußeren Silhouette
des Profils angesehen bzw. angenähert.
Mit anderen Worten ist die äußere Kurvenform
der beiden Hauptmaxima 920 und 910 den Seiten
einer Parabel ähnlich,
deren Scheitelpunkt oberhalb des oberen Minimums 940 liegt.
Die Position und die Kurvenform dieser Parabel werden durch automatische
Formerkennungsmittel erkannt, die in die Verarbeitungsmittel der
Bilddarstellungsvorrichtung integriert sind. Die zweite Parabel 960 entspricht
der Kurvenform und Tiefe des oberen Minimums 940. Mit anderen
Worten werden die inneren Seiten und der Boden dieses Minimums als
eine Parabel (Kurvenform und Position) festlegend angesehen. Daher
bestimmt das Profil 900 zu jedem Zeitpunkt ein Paar von
Parabeln 950 und 960, für die die Parameter (Kurvenform
und Position) einzigartig sind. Wenn sich das Profil 900 während einer
Herzbewe gung verändert,
verändern
sich die entsprechend angeordneten Parabeln 950 und 960 demgemäß.
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Andere
analytische Kurvenformen könnten
ebenfalls angenommen bzw. eingesetzt werden, aber die Parabel ist
für die
Anwendung eine wünschenswerte
analytische Kurve.
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Es
wird auch erkannt, dass sich die Kurvenform bzw. Krümmung der äußeren Parabel 950 genau
als eine Funktion der Breite des Profils 900 ändert und
sie dementsprechend ein Parameter zur Messung des Abstandes ist,
der die Außenwände des
rechten Ventrikels (und allgemeiner des Herzens) trennt. Die Krümmung der
inneren Parabel 960 gibt die Breite des inneren Hohlraums
des Ventrikels wieder. Folglich ändert
sich die Krümmung
der Parabel 960 als eine Funktion der inneren Dicke des
Herzens. Diese beiden Krümmungen
werden durch die Bildung einer gewichteten Linearkombination aus
ihnen berücksichtigt.
In diesem Fall ist dieser gewichtete Mittelwert eine einfache Differenz
zwischen den beiden Krümmungen.
Diese Differenz kann als eine genaue Messung der Dicke der Ventrikelwände angesehen
werden.
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Diese
Kurvenformen bzw. Krümmungen
entsprechend folglich den Innen- und Außenkrümmungsradien des Herzens in
der dementsprechend untersuchten Fläche. Es ändert sich mit der Zeit, wie
es in der Kurve in 8 gezeigt ist. Diese Veränderung
umfasst eine Serie von sich wiederholenden Spitzen, die den systolischen
Phasen entsprechen, die einer allmählichen, mit der Injektion
eines Kontrastmittels zusammenhängenden
Veränderung überlagert
sind. Das Kontrastmittel ist jedoch zur Beobachtung dieser Spitzen
und damit zur Überwachung
der Herzaktivität
selbst nicht erforderlich.
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Wie
in den obigen Ausführungsformen
wird diese Kurve verwendet, um eine Korrelationsfunktion zu berechnen,
um die mittlere Dauer der Herzzyklen genau zu bestimmen und auch
im Hinblick auf die Verarbeitung synchroner Bilder von ihnen Gebrauch
zu machen.
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Die
Ausführungsformen
der Erfindung und ihre Äquivalente
können
im Zusammenhang mit aufgezeichneten Bildern (insbesondere nach Umlauf
des Kontrastmittels in dem Arteriennetz) und im Zusammenhang mit
angioskopischen Bildern verwendet werden.
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Die
verschiedenen, oben beschriebenen Mittel zur effizienten Überwachung
der Herzaktivität
werden z.B. durch Software gesteuert, die zum Ausführen der
verschiedene Verarbeitungsschritte in der Lage ist, wenn sie auf
einem geeigneten Prozessor implementiert wird.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Herzaktivität, die von
einer Serie von mit Hilfe von Röntgenstrahlen
erstellten Bildern des Herzens 300 ausgehen, werden geschaffen.
Die Abschwächung der
Röntgenstrahlen
wird auf einer Fläche 600 erfasst,
die Gegenstand sich wiederholender Dickeänderungen wenigstens einer
Wand 310, 320 des Herzens 300 ist, und
ein sich wiederholendes Abschwächungssignal
wird als ein für
die Herzaktivität
kennzeichnendes Signal betrachtet.
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Ein
Fachmann kann vielfältige
Abwandlungen der Struktur/Art und/oder der Funktion und/oder der
Ergebnisse und/oder der Schritte der offenbarten Ausführungsbeispiele
und deren Äquivalente
vornehmen oder vorschlagen, ohne von dem Bereich oder Gebiet der
Erfindung abzuweichen.
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- 100
- Akquisitionsbereich
- 200
- Bildschirm
- 300
- Herz
- 310
- Rechter
Ventrikel
- 320
- Linker
Ventrikel
- 400
- Kreis
- 500
- Scheibe
- 600
- Ring
- 700
- Erstes
Segment
- 800
- Zweites
Segment
- 900
- Profil
- 910
- Hauptmaximum
- 920
- Hauptmaximum
- 930
- Nebenmaximum
- 940
- Minimum
- 950
- Erste
Parabel
- 960
- Zweite
Parabel