DE10325298B4

DE10325298B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Rauigkeit von Gefäßen

Info

Publication number: DE10325298B4
Application number: DE10325298A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Kleen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: DE10325298A1; US7523363B2; US20060156085A1; US7706585B2; US20050004445A1

Abstract

Verfahren zur Erfassung der Rauhigkeit von Gefäßen, bei dem mit Hilfe eines abbildenden Verfahrens eine Innenkontur (3) der Gefäßwand (4) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus den durch das abbildende Verfahren gewonnenen Bildinformationen bezüglich der Innenkontur (3) ein für die Komplexität der Innenkontur (3) charakteristischer Dimensionswert berechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Rauigkeit von Gefäßen, bei dem mit Hilfe eines abbildenden Verfahrens eine Innenkontur der Gefäßwand aufgenommen wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Verfahren zur Erfassung von Gefäßverengungen werden beispielsweise zur Therapie der Atherosklerose benötigt. Insbesondere wird ein Verfahren benötigt, mit dem sich die Rauigkeit der durch Atherosklerose verengten Gefäßinnenwand beurteilen lässt. Denn mit fortschreitender Atherosklerose nimmt auch die Rauigkeit der Gefäßinnenwände zu.

Bisher wurde die Rauhigkeit der atherosklerotischen Ablagerung mit Begriffen wie "komplex" oder "einfach" grob charakterisiert, wie dies beispielsweise in der Veröffentlichung von David C. Levin u. a., "Significance of the Angiographic Morphology of Localized Coronary Stenoses: Histopatnologic Correlations", erschienen in Circulation, Band 66, Nr. 2, 1982, Seiten 316 bis 320, beschrieben ist. Eine derartige dichotome Klassifikation ist als Grundlage für statistische Auswertungen ungeeignet. Statistisch gesehen bleiben die generierten Daten auf nominalem Niveau und sind daher nur eingeschränkt für Studien verwertbar. Wenn mehrere Stufen, zum Beispiel "wenig", "mäßig", "stark" für die Charakterisierung der Rauigkeit der atherosklerotischen Ablagerungen verwendet werden, erreicht die Klassifikation im besten Fall ein ordinales Niveau. Für statistische Auswertungen und Studien, die die Grundlage für eine Therapieentscheidung bilden sollen, reicht dies jedoch nicht aus.

Ferner ist aus dem Buch von Heinz-Otto Peitgen, Hartmut Jürgens und Dietmar-Saupe "Bausteine des Chaos – Fraktale", erschienen im Rowohlt Taschenbuchverlag, 1998, Seiten 233 bis 245, die Anwendung der fraktalen Geometrie, der Geometrie des Chaos, zum Verständnis komplexer Strukturen in der Natur bekannt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung der Rauigkeit atherosklerotischer Ablagerungen zu schaffen.

Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben.

Bei dem Verfahren wird zunächst eine Innenkontur der Gefäßwand aufgenommen. Aus den gewonnenen Bildinformationen zur Innenkontur der Gefäßwand wird dann ein für die Komplexität der Innenkontur charakteristischer Dimensionswert berechnet.

Zur Bestimmung derartiger für die Komplexität einer Kurve kennzeichnender Dimensionswerte gibt es dem Fachmann an sich bekannte mathematische Verfahren, die zu reproduzierbaren Ergebnissen führen. Durch derartige Verfahren kann insbesondere einer bestimmten Innenkontur einer Gefäßwand ein die Komplexität der Innenkontur kennzeichnender Zahlenwert zugeordnet werden. Es ergeben sich somit Daten auf Ratioskala. Derartige Daten sind für statistische Auswertungen und Studien besonders geeignet. Bei der Anwendung des Verfahrens ist es daher möglich, Daten zu gewinnen, die als Grundlage für detaillierte Studien dienen können. Derartige Studien können dann Therapieentscheidungen stützen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Dimensionswertes, indem Feldabmessungen von Feldern einer Feldunterteilung der Abbildung der Konturlinie der Innenkontur variiert werden, und indem die von der Konturlinie durchlaufenen Felder ausgezählt werden, wobei der Dimensionswert gleich dem Wert eines Exponenten einer die Zunahme der Anzahl der ausgezählten Felder mit kleiner werdenden Feldabmessung beschreibenden Potenzfunktion ist. Das Ergebnis dieses Verfahrens ist ein Dimensionswert, der als fraktale Dimension der Konturlinie der Innenkontur bezeichnet wird.

Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass die Entscheidung, ob ein Feld von der Konturlinie durchlaufen wird, durch einen einfachen Vergleich der Koordinaten der abgespeicherten Bildpunkte der Konturlinie mit den Grenzkoordinaten der Felder bestimmt werden kann. Bei der häufig komplexen Struktur atherosklerotischer Ablagerungen ist dies ein wesentlicher Vorteil bei der Bestimmung des Dimensionswerts.

Nachfolgend wird die Erfindung im Einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1A bis 1E Darstellungen einer Innenkontur einer Gefäßwand, deren Dimensionswert durch Auszählen der die Konturlinie überdeckenden Felder bei unterschiedlicher Feldgröße bestimmt wird;
2 ein Diagramm, aus dem die fraktale Dimension der Konturlinie aus der Steigung einer den Zusammenhang zwischen Feldgröße und Konturlinienlänge beschriebenen Funktion abgelesen werden kann;
3A bis 3E eine im Vergleich zu der in 1A bis 1E dargestellten Konturlinie glatte Konturlinie einer Gefäßwand, deren Dimensionswert entsprechend der in den 1A bis 1E dargestellten Konturlinie bestimmt wird;
4 ein 2 entsprechendes Diagramm zur Bestimmung der fraktalen Dimension der Konturlinie aus den 3A bis 3E; und
5 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
1A zeigt eine Konturlinie 1 einer atherosklerotischen Ablagerung 2, die die Innenkontur 3 einer Gefäßwand 4 bestimmt.
Die Konturlinie 1 kann beispielsweise erfasst werden, indem ein Kontrastmittel in den Blutkreislauf eingebracht und eine Röntgenaufnahme von dem zu untersuchenden Gefäß angefertigt wird. Eine weitere Möglichkeit bieten mit intervaskulärem Ultraschall arbeitende Untersuchungsmethoden, mit denen sich Auflösungen bis zu 100 μm erzielen lassen. Weiter verbessern lässt sich die Auflösung der Aufnahme mit Hilfe der kürzlich entwickelten optischen Kohärenztomographie, die Auflösungen im Bereich von 10 μm erreicht.
In 1B ist ein erster Schritt zur Bestimmung der fraktalen Dimension der Konturlinie 1 dargestellt. In diesem Verfahrensschritt ist die Konturlinie 1 von einer rechteckigen Fläche 5 überdeckt worden, die in quadratische Felder 6 unterteilt worden ist. Die Felder 6 weisen eine auf den Zahlenwert 1 normierte Länge D auf. 1B kann entnommen werden, dass die Konturlinie 1 alle sieben Felder 6 durchläuft.
In 1C ist die Feldunterteilung der Fläche 5 verfeinert worden. Die Fläche 5 ist nunmehr in Felder 7 unterteilt, die eine Kantenlänge mit dem Wert D = 1/2 aufweisen. Im Fall der 1C werden von der Konturlinie 1 insgesamt N = 23 Felder 7 durchlaufen.
Eine weitere Verkleinerung der Feldunterteilung ist in 1D und 1E vorgenommen worden. In 1D weist die Kanntenlänge D der Felder 8 den Wert 1/4 auf und in 1E hat die Kantenlänge D der quadratischen Felder 8 den Wert 1/8. 1D lässt sich entnehmen, dass die Konturlinie 1 insgesamt N = 61 Felder 8 durchläuft, während die Konturlinie 1 in 1E eine Gesamtzahl von N = 164 Felder 9 durchläuft.
Die fraktale Dimension der Konturlinie 1 lässt sich anhand 2 bestimmen. In 2 ist ein doppellogarithmisches Diagramm dargestellt, in dem der Logarithmus der Anzahl N der von der Konturlinie 1 durchlaufenen Felder gegen die Kantenlänge D der Felder 6 bis 9 aufgetragen ist. In 2 sind entsprechende Datenpunkte 10 eingetragen. Die fraktale Dimension der Konturlinie 1 ergibt sich dann aus der Steigung einer durch die Datenpunkte 10 gelegten Ausgleichsgeraden 11. In dem in 2 dargestellten Fall ergibt sich für die Konturlinie 1 in etwa eine fraktale Dimension von 1,61.
In den 3A bis 3E ist eine im Vergleich zur Konturlinie 1 glattere Konturlinie 12 dargestellt, deren Länge in den 3B bis 3E bei unterschiedlicher Feldgröße durch Auszählen der von der Konturlinie 12 abgedeckten Felder 6 bis 9 bestimmt wird. In den 3B bis 3E ergeben sich jeweils Längen von N = 7, N = 18, N = 36 und N = 71 Feldern, wobei die Kantenlängen der Felder 6 bis 9 jeweils den Wert D = 1, D = 1/2, D = 1/4 und D = 1/8 aufweisen. Das Ergebnis der Auszählung ist in 4 dargestellt.
4 zeigt ein doppellogarithmisches Diagramm, in dem der Logarithmus der Anzahl N der ausgezählten Felder gegen den Logarithmus der Kantenlänge D der Felder 6 bis 9 aufgetragen ist. Es ergeben sich Datenpunkte 13, an die eine Ausgleichsgerade 14 angepasst worden ist. Die Steigung der Ausgleichsgeraden 14 beträgt etwa 1,19, so dass der Konturlinie 12 eine fraktale Dimension von 1,19 zugeordnet werden kann.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist es möglich, der Komplexität oder Rauhigkeit einer Konturlinie 1 oder 12 ein für die Rauigkeit oder Komplexität der Konturlinie 1 oder 12 kennzeichnenden Zahlenwert im Gestalt eines fraktalen Dimensionswerts zuzuordnen. Durch die Zuordnung eines fraktalen Dimensionswertes zu einer bestimmten Konturlinie, ergeben sich Daten zur Komplexität der Konturlinien, die für statistische Untersuchungen geeignet sind. Insbesondere liegen diese Daten in einem geordneten Wertebereich, der in gleiche Intervalle unterteilt werden kann. Die auf diese Weise erhaltenen Daten auf Ratioskala sind für statistische Analysen besonders gut geeignet.
Von besonderem Vorteil ist, dass die Bestimmung der fraktalen Dimension unabhängig von der Bildauflösung und unabhängig von der Länge der untersuchten Konturlinie 1 oder 12 ist. Es ergeben sich somit reproduzierbare, vergleichbare und statistisch auswertbare Zahlen. Die Entscheidung, ob zur Behandlung der Atherosklerose ein Stent oder eine Katheter-Angioplastie zum Einsatz kommt, kann dann auf der Basis zuverlässiger klinischer Studien gefällt werden.
In 5 ist schließlich der grundsätzliche Aufbau einer Vorrichtung dargestellt, mit der ein Gefäß eines Patienten 15 untersucht werden kann.
Mit Hilfe einer Strahlungsquelle 16 und einem Detektor 17 wird ein Bild einer Innenkontur 3 eines Gefäßes des Patienten 15 aufgezeichnet. Das Bild wird in einer Auswerteeinheit 18 analysiert und das Ergebnis an einer Anzeigeeinheit 19 ausgegeben.
Es sei angemerkt, dass das hier beschriebene Verfahren nicht auf die Bestimmung einer Konturlinie beschränkt ist. Es ist auch denkbar, eine Konturfläche mit Hilfe eines tomographischen Verfahrens zu erfassen und deren fraktale Dimension, deren Zahlenwerte typischerweise zwischen 2 und 3 liegen, zu erfassen.
Ferner sei angemerkt, dass das hier beschriebene Verfahren nicht nur für Arterien, sondern zu Untersuchung für jede Art von Gefäßen im Körper eines Patienten angewendet werden kann.

Claims

Verfahren zur Erfassung der Rauhigkeit von Gefäßen, bei dem mit Hilfe eines abbildenden Verfahrens eine Innenkontur (3) der Gefäßwand (4) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus den durch das abbildende Verfahren gewonnenen Bildinformationen bezüglich der Innenkontur (3) ein für die Komplexität der Innenkontur (3) charakteristischer Dimensionswert berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur (3) eine Konturlinie (1, 12) einer Gefäßwand (4) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Dimensionswert eine Zahl im Zahlenbereich von 1 bis 2 ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturlinie (1, 12) die Konturlinie eines Gefäßquerschnitts ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dimensionswert durch Variation von Feldabmessungen von Feldern (6, 7, 8, 9) einer Feldunterteilung der Abbildung der Konturlinie (1, 12) und durch Auszählen der von der Konturlinie (1, 12) durchlaufenen Felder (6, 7, 8, 9) bestimmt wird, wobei der Dimensionswert gleich dem Exponenten einer die Zunahme der Anzahl der ausgezählten Felder (6, 7, 8, 9) mit kleiner werdenden Feldabmessung beschreibenden Potenzfunktion gesetzt wird.
Vorrichtung zur Erfassung der Rauhigkeit von Gefäßen, mit einer Einrichtung (16, 17), die zur Aufnahme eines Bildes von einer Innenkontur (3) einer Gefäßwand (4) eines Patienten (15) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeeinrichtung (16, 17) eine Auswerteeinheit (18) nachgeordnet ist, die aus den von der Aufnahmeeinrichtung (16, 17) gewonnenen Bildinformation einen für die Komplexität der Innenkontur (3) charakteristischen Dimensionswert bestimmt.