AT512393B1 - Verfahren zum Verarbeiten von Bildern des Lungenkreislaufs und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (10) und Verfahren zum Verarbeiten von Bildern (1) des Lungenkreislaufs (2) eines Lebewesens zur Charakterisierung des arteriellen Blutflusses, wobei mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Bilder (1) verarbeitet werden, mit einer Auswahlschnittstelle (12) enthaltend zumindest zweier festgelegter Stellen (a, b, c) eines Bildes (1), mit einer Einheit (13) zur Zuordnung der zumindest zwei festgelegten Stellen (a, b, c) auf alle Bilder (1), mit einer Einheit (14) zur Ermittlung der Dichte (D) an zumindest zwei festgelegten Stellen (a, b, c) in allen Bildern (1), mit einer Einheit (14) zur Berechnung der Dichte (D) für die festgelegten Stellen (a, b, c) als Funktion (Fa, fa, fb, fc) der Zeit (t) , mit einer Einheit (16) zur Analyse der zumindest einen Zeitdifferenz ( b, c) zwischen den Maximalwerten (Ma, Mb, Mc) der Dichte (D) für die zumindest zwei festgelegten Stellen (a, b, c) in Abhängigkeit der Zeit (t) und mit einer Anzeige (17) der zumindest einen Zeitdifferenz ( b, c) .

Description

österreichisches Patentamt AT512 393 B1 2013-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verarbeiten von Bildern des Lungenkreislaufs eines Lebewesens zur Charakterisierung des arteriellen Blutflusses, wobei mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Bilder verarbeitet werden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0002] Die Charakterisierung des arteriellen Blutflusses, insbesondere im Lungenkreislauf, ist von großer Bedeutung für die Feststellung von pulmonaler Hypertonie (PH), d.h. Bluthochdruck im Lungenkreislauf. PH ist oft die Folge einer chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) oder anderer Erkrankungen, wie z.B. Herzinsuffizienz, Lungenembolie, Lungenfibrose, angeborenem Herzfehler etc., kann aber auch ohne erkennbare Ursachen auftreten (idiopathische pulmonale arterielle Hypertonie, IPAH). PH ist oft schwer zu diagnostizieren, da viele der auftretenden Symptome, wie Müdigkeit, Atemlosigkeit und Schwindel, auch bei anderen Krankheitsbildern Vorkommen. Die Dunkelziffer von Patienten mit Lungenhochdruck wird als hoch angesehen. Jedes Jahr werden ungefähr zwischen 2-3 Personen / 1.000.000 Einwohner mit IPAH diagnostiziert, dies macht aber nur ca. 5% aller Fälle mit PH aus. Die Mortalitätsrate bei IPAH - drei Jahre ab Erkennung -beträgt unbehandelt ca. 50%. Wird die Erkrankung erst spät erkannt, können sich die jährlichen Behandlungskosten auf 300.000 Euro belaufen. Eine Früherkennung ist deswegen essentiell. Auch die PH bei COPD, Lungenfibrose oder Herzinsuffizienz verschlechtert die Prognose erheblich.

[0003] Bis dato wird PH vor allem mit einer invasiven Untersuchung mit dem Rechtsherzkatheter (Swan-Ganz-Katheter) festgestellt. Dabei wird ein dünner Katheter in die Halsvene oder eine andere große Vene des Körpers eingeführt und durch den rechten Vorhof des Herzens und den rechten Ventrikel in die Pulmonalarterie (PA) geführt. Dabei wird laufend der Druck gemessen. Bei gesunden Menschen liegt der mittlere Druck in der Pulmonalarterie (mPAP) bei 14,0 ± 3,3 mmHg. PH liegt vor, wenn der mPAP 25 mmHg erreicht oder überschreitet. Von außen ist die direkte Messung der Druckverhältnisse in der PA nicht möglich.

[0004] Eine nichtinvasive Abschätzung des mPAP kann mit Doppler-Sonographie durchgeführt werden. Dabei wird die Geschwindigkeit eines rückläufigen Blutstromes vom rechten Ventrikel in den rechten Vorhof gemessen und dadurch auf die Druckverhältnisse geschlossen. Da dieser rückläufige Strom allerdings erst in relativ späten Stadien der Erkrankung auftritt, und in vielen Fällen unzuverlässige Schätzungen des Drucks vorliegen, eignet sich diese Methode nicht zur Früherkennung. Aufgrund der verhältnismäßig groben Abschätzung wird diese Methode auch nur zu einem ersten Screening eingesetzt, dem weitere Untersuchungen folgen.

[0005] Bei radiologischen Untersuchungen des Thorax mittels Röntgen, Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRT) lassen sich weitere Hinweise aus der Morphologie auf PH finden. Diese umfassen die Bestimmung der Durchmesser von PA und Aorta, die Verdickung der Herzmuskel, insbesondere des rechten Herzens, die Vergrößerung des rechten Herzens an sich und die Veränderung der Kurvatur des Herzseptums durch die geänderten Druckverhältnisse. Durch entsprechende Verfahren lassen sich bei diesen Untersuchungen auch funktionelle Parameter feststellen. Die Verringerung der Nachgiebigkeit der PA auf die Druckveränderungen während eines Herzschlages (Distensibilität) kann als diagnostischer Parameter herangezogen werden. Hierbei werden allerdings mit Elektrokardiogramm getriggerte Aufnahmen benötigt, die, im Falle von CT-Untersuchungen, zu einer erhöhten Röntgendosis bzw. bei MRT-Untersuchungen zu einer längeren Untersuchungsdauer führen.

[0006] Wie in der US 2010/0094122 A1 gezeigt, kann bei MRT-Untersuchungen mit Phasen-kontrastbildgebung die Verteilung der Blutflussgeschwindigkeiten gemessen werden. Bei erhöhtem Druck in der PA bildet sich ein Wirbel im Hauptstamm der PA, der so dargestellt werden kann. Ebenso kann die Zeit gemessen werden, in der ein rückläufiger Blutstrom durch den Wirbel vorhanden ist und zur Dauer des Herzschlages in Beziehung gesetzt werden oder die mittlere Flussgeschwindigkeit in einem Herzschlag gemessen werden. Durch diese letztgenannten Methoden ist eine Diagnose der PH mit MRT möglich. Nachteilig sind hier der mit einer MRT 1 /13 österreichisches Patentamt AT512 393 B1 2013-08-15

Untersuchung verbundene Aufwand und die entstehenden Kosten, welche diese Art der Untersuchung beispielsweise als Routine- oder Vorsorgeuntersuchung ausschließen.

[0007] Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Untersuchung und teilweise Charakterisierung des arteriellen Blutflusses im Lungenkreislauf, der beispielsweise für die Feststellung von PH relevant ist, mit nichtinvasiven, bildgebenden Verfahren ohne invasiven Eingriff sowie ohne aufwendige und teure MRT-Untersuchungen zu ermöglichen. Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen sollen vermieden oder zumindest reduziert werden.

[0008] Das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs angeführten Art löst diese Aufgabe dadurch, dass [0009] a) mindestens zwei Stellen in einem Bild festgelegt werden, [0010] b) die festgelegten Stellen allen Bildern zugeordnet werden, [0011] c) die Dichte an den festgelegten Stellen in allen Bildern ermittelt wird, [0012] d) die Dichte an den festgelegten Stellen als Funktion der Zeit berechnet wird, und [0013] e) zumindest eine Zeitdifferenz zwischen den Maximalwerten der Dichte an den zu mindest zwei festgelegten Stellen in Abhängigkeit der Zeit analysiert und angezeigt wird.

[0014] Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lösung der angegebenen Aufgabe umfasst dementsprechend [0015] a) eine Auswahlschnittstelle zumindest zweier festgelegter Stellen eines Bildes, [0016] b) eine Einheit zur Zuordnung der zumindest zwei festgelegten Stellen auf alle Bilder, [0017] c) eine Einheit zur Ermittlung der Dichte an zumindest zwei festgelegten Stellen in allen Bildern, [0018] d) eine Einheit zur Berechnung der Dichte für die festgelegten Stellen als Funktion der

Zeit, [0019] e) eine Einheit zur Analyse der zumindest einen Zeitdifferenz zwischen den Maximal werten der Dichte für die zumindest zwei festgelegten Stellen in Abhängigkeit der Zeit, und [0020] f) eine Anzeige der zumindest einen Zeitdifferenz.

[0021] Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt vorteilhaft die nichtinvasive Charakterisierung des arteriellen Blutflusses im Lungenkreislauf unter Verwendung von ausschließlich ortsauflösenden Bildern. Zusätzliche, auf den Blutfluss bezogene Informationen, wie die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Bluts oder Blutdruckwerte, sind nicht erforderlich. Daher kann das Verfahren auf Bilder unterschiedlichster Herkunft angewendet werden, wobei die notwendige Bildqualität (Auflösung, Kontrast, etc.) lediglich von der Größe der festzulegenden Stellen abhängt. In welcher Form die Bilder vorliegen und mit welchem Verfahren sie hergestellt wurden ist für das vorliegende Verfahren nicht von entscheidender Bedeutung, weshalb sich der allgemeine Begriff der Dichte auf einen beliebigen Parameter beziehen kann. Beispielsweise kann es sich bei der Dichte um die Dichte einer Färbung, einen Farbwert, einen Kontrastwert oder eine Strahlung, d.h. um deren Intensität, handeln. Ebenso kann damit die Konzentration eines bildgebenden oder abgebildeten Mittels, beispielsweise um eine Kontrastmittelkonzentration oder einen Wasserstoffanteil, gemeint sein. Weiters kann damit eine Signaldichte, eine Signalintensität, ein Grauwert oder eine Weißfärbung unter den allgemeinen Begriff der Dichte fallen. Selbstverständlich kann die beim vorliegenden Verfahren ermittelte Dichte aber auch die jeweils inversen Parameter der beschriebenen Größen (Schwarzfärbung, Strahlungsabsorption, etc.) betreffen.

[0022] Da die benötigten Bilder im Allgemeinen ohne einen invasiven Eingriff, insbesondere im Rahmen einer Routineuntersuchung, angefertigt werden können und das Verfahren selbst in 2/13 österreichisches Patentamt AT512 393 B1 2013-08-15

Abwesenheit des untersuchten Lebewesens (im Folgenden kurz „Patient" genannt) durchzufüh-ren ist, wird das mit derlei Eingriffen verbundene Risiko von Infektionen, Verletzungen, etc. vermieden und die Sicherheit erhöht. Oft werden die für das Verfahren einsetzbaren Bilder ohnehin im Rahmen einer umfassenden Untersuchung angefertigt und die Aufnahme zusätzlicher Bilder kann entweder gänzlich unterbleiben oder auf ein Minimum reduziert werden, wobei keine über eine Routineuntersuchung hinausgehenden Vorbereitungen des Patienten erforderlich sind. Der Komfort des Patienten wird daher nicht oder kaum verringert.

[0023] Besonders aussagekräftige Resultate können erzielt werden, wenn die Bilder des Lungenkreislaufs im Wesentlichen Schnitte im Bereich des Lungenstamms (Truncus pulmonalis) und zumindest einer Lungenarterie (Arteria pulmonalis) zeigen, wobei eine festgelegte Stelle im Bereich des Lungenstamms und zumindest eine festgelegte Stelle im Bereich der zumindest einen Lungenarterie ausgewählt wird oder bereits angeordnet wurde. Bei Bildern von Menschen kann es sich bei den Schnitten insbesondere um im Wesentlichen Horizontal- bzw. Transversalschnitte, d.h. um Schnitte ungefähr senkrecht zur Körperlängsachse bzw. zur Wirbelsäule, handeln. Somit kann der Blutfluss am Beginn des Lungenkreislaufs, d.h. unmittelbar nach dem Herzen, untersucht werden. Die für diesen Bereich ermittelten Ergebnisse sind besonders nützlich, weil es hier im Krankheitsfall zu stark unterschiedlichem Verhalten des Blutes kommt, und eventuelle Abweichungen vom - im Fall eines gesunden Patienten - erwarteten Ergebnis hier besonders deutlich festzustellen sind. Die für die Dichteermittlung festgelegten Stellen können im Lungenstamm bzw. im Hauptstamm der Lungenarterie einerseits und in einer rechten und/oder linken Lungenarterie andererseits ausgewählt sein. Aufgrund der Anatomie dieser Abschnitte des Lungenkreislaufs, insbesondere der Länge des Lungenstamms und der Lungenarterien, ist der durch eine derartige Auswahl erzielte Abstand zwischen den festgelegten Stellen innerhalb eines bestimmten Bereichs begrenzt und die ermittelte Zeitdifferenz erlaubt auch ohne genaue Kenntnis der fallbezogenen genauen Anatomie grobe Rückschlüsse auf die Blutflussgeschwindigkeit zwischen den festgelegten Stellen. Die Auswahl von mehr als zwei Stellen, insbesondere von Stellen sowohl in der rechten als auch in der linken Lungenarterie, bietet ohne zusätzlichen Aufwand für den Patienten die Möglichkeit einer Selbstkontrolle und einer Plausibilitätsüberprüfung des Verfahrens und gegebenenfalls eine differenzierte Untersuchung des rechten und linken Lungenflügels. Weiter stromabwärts im Lungenkreislauf angeordnete Stellen können prinzipiell ebenso ausgewählt werden, wenn die Bildqualität der verwendeten Bilder ausreicht, um die entsprechend kleineren Gefäße abzubilden, die gewünschten Stellen auszuwählen und die Dichte dort mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen.

[0024] Da diese Art von Bildern in den meisten Fällen entweder bereits vorhanden oder schnell und kostengünstig anzufertigen sind, können als Bilder vorteilhaft Röntgenbilder unter Anwendung eines Kontrastmittels verwendet werden. Die für derartige Aufnahmen erforderlichen Geräte sind besonders weit verbreitet, weshalb der für den Patienten entstehende Aufwand sehr gering ist, da aufgrund der Verbreitung eine hohe örtliche und zeitliche Flexibilität gewährleistet ist. Die Verwendung eines Kontrastmittels, welches bevorzugt über einen kurzen Zeitraum, beispielsweise etwa 4 Sekunden, eingebracht wird, erzielt eine gute zeitliche Auflösung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

[0025] Wenn die Dichte der Bilder an den festgelegten Stellen als mittlere Röntgenabschwächung ermittelt wird, ist die Auswertung der Bilder bzw. die Ermittlung der Dichte besonders einfach. Eine Mittelung verringert die Empfindlichkeit des Verfahrens gegenüber temporären Schwankungen und Abbildungsfehlern und verbessert so das Ergebnis bzw. erlaubt die Verwendung von Bildern mit Störungen. Aus diesem Grund kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Einheit zur Ermittlung der Dichte der Bilder zur Ermittlung der mittleren Röntgenabschwächung an den festgelegten Stellen eingerichtet sein.

[0026] Bei einer anderen vorteilhaften Variante der Erfindung kann es sich bei den Bildern um Magnetresonanztomographie-Aufnahmen (MRT-Aufnahmen) unter Anwendung eines Kontrastmittels handeln. Derartige Aufnahmen haben gegenüber den zuvor beschriebenen Röntgenbildern den Vorteil, dass die Kontrastmittel in der Regel besser verträglich sind und das Verfahren bzw. die Vorrichtung somit beispielsweise auch Patienten mit Unverträglichkeiten für 3/13 österreichisches Patentamt AT512 393B1 2013-08-15 Röntgen-Kontrastmittel zugute kommen kann.

[0027] Bei Verwendung von MRT-Aufnahmen ist es günstig, das mittlere Signal bzw. die mittlere Weißfärbung der Bilder an den festgelegten Stellen bei geeigneter Gewichtung als die dem Verfahren zugrunde liegende Dichte zu ermitteln. Es gelten in diesem Zusammenhang im Wesentlichen dieselben Vorteile wie bei der Verwendung der mittleren Röntgenabschwächung. Dementsprechend kann die Einheit zur Ermittlung der Dichte der Bilder zur Ermittlung des mittleren Signals bzw. der mittleren Weißfärbung bei geeigneter Gewichtung an den festgelegten Stellen eingerichtet sein.

[0028] Es ist günstig, wenn Bilder mit einen zeitlichen Abstand der Aufnahmezeitpunkte von höchstens 5 s, bevorzugt zwischen 0,5 und 2 s, verarbeitet werden. Ein geringerer zeitlicher Abstand verbessert zwar prinzipiell die Genauigkeit der ermittelten Zeitdifferenz, macht aber -aufgrund der größeren Anzahl an Bildern - den Umgang mit größeren Datenmengen erforderlich und ist zumeist mit einer höheren Belastung des Patienten verbunden.

[0029] Die Genauigkeit des Ergebnisses, d.h. der ermittelten Zeitdifferenz, kann insbesondere dann deutlich besser als die Zeitabstände der Bilder sein, wenn die Dichte für jede festgelegte Stelle als Funktion der Zeit vor der Analyse der zumindest einen Zeitdifferenz zwischen den Maximalwerten der Dichte interpoliert wird, und die Zeitdifferenz zwischen den Maximalwerten der interpolierten Funktionen analysiert wird. Die Einheit zur Analyse der zumindest einen Zeitdifferenz zwischen den Maximalwerten der Dichte kann zu diesem Zweck ein Modul zur Interpolation der Dichte in Abhängigkeit der Zeit aufweisen. Eine Interpolation ist insbesondere dadurch gerechtfertigt, dass unerwartete Sprünge im Dichteverlauf ausgeschlossen werden können. Als besonders geeignet hat sich für diese Zwecke eine Spline-Interpolation herausgestellt, welche einen glatten Verlauf der Dichte als Funktion der Zeit abschätzt.

[0030] Wenn zusätzlich zur ermittelten Zeitdifferenz die Wegstrecke zwischen den festgelegten Stellen ermittelt wird, kann aus der Wegstrecke und der Zeitdifferenz eine Blutflussgeschwindigkeit bestimmt werden. Die so ermittelte Geschwindigkeit kann beispielsweise dem Vergleich mit Ergebnissen anderer Untersuchungen dienen. Außerdem ist die Blutflussgeschwindigkeit ein besser reproduzierbares und dadurch aussagekräftigeres Ergebnis, weil die Abhängigkeit des so ermittelten Werts von der jeweiligen Anatomie des Patienten geringer ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann deshalb mit der Einheit zur Analyse der zumindest einen Zeitdifferenz vorteilhaft eine Einheit zur Ermittlung der Wegstrecke zwischen den festgelegten Stellen und zur Bestimmung einer Blutflussgeschwindigkeit aus der Wegstrecke und der Zeitdifferenz verbunden sein.

[0031] Um die Aufmerksamkeit eines Benutzers auf ein unerwartetes Ergebnis zu lenken, kann die zumindest eine Zeitdifferenz mit zumindest einem vorgegebenen Grenzwert, bevorzugt etwa 0,5 s, verglichen und bei Überschreitung des zumindest einen Grenzwerts ein Signal ausgegeben werden. Die Anzeige der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zu diesem Zweck einen Signalgeber zum Vergleich der Zeitdifferenz mit einem vorgegebenen Grenzwert, bevorzugt etwa 0,5 s, und zur Ausgabe eines Signals bei Überschreitung des Grenzwerts aufweisen. Es liegt sodann am Benutzer, den Grund für die ungewöhnlich hohe Zeitdifferenz zu ermitteln und gegebenenfalls die Auswahl der festgelegten Stellen zu verifizieren oder das Verfahren zu wiederholen. Falls Verfahrensfehler ausgeschlossen werden können, kann eine Zeitdifferenz von mehr als 0,5 s beispielsweise auf das Vorliegen von PH hindeuten, was in der Folge anhand von gezielten Untersuchungen verifiziert werden kann. Im Fall einer ebenfalls ermittelten Blutflussgeschwindigkeit kann diese in analoger Weise mit einem eigenen Grenzwert, bevorzugt etwa 120 mm/s, verglichen und bei Unterschreiten des Grenzwerts ein Signal ausgegeben werden.

[0032] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen dabei im Einzelnen: [0033] Fig. 1 schematisch eine Serie von Schnittbildern eines menschlichen Thorax; 4/13 österreichisches Patentamt AT512 393 B1 2013-08-15 [0034] Fig. 2 die Dichte an drei Stellen gemäß Fig. 1 als Funktion der Zeit; [0035] Fig. 3 die Dichte an fünf Stellen gemäß Fig. 1 als interpolierte Funktion der Zeit; und [0036] Fig. 4 schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens.

[0037] In Fig. 1 sind schematisch drei zeitlich aufeinanderfolgende Bilder 1 gezeigt, wobei die Bilder mit dem jeweiligen Aufnahmezeitpunkt t1; t2, t3 bezeichnet sind. Im vordersten, zum ersten Zeitpunkt ti aufgenommenen Bild 1 ist eine Schnittansicht eines menschlichen Brustkorbs unmittelbar oberhalb des Herzens schematisch dargestellt. Den größten Teil des Bilds 1 nehmen der rechte und linke Lungenflügel g, h ein, welchen jeweils der entsprechenden rechte oder linke Bronchus i, j zugeordnet ist. Zwischen den Lungenflügeln g, h ist die aufsteigende Aorta e und die absteigende Aorta f sowie die Vena cava superior d zu erkennen.

[0038] Hier von besonderem Interesse sind die erkennbaren Teile des Lungenkreislaufs 2, insbesondere der Hauptstamm 3 der Lungenarterie (pulmonale Arterie, PA) und die rechte und linke Lungenarterie 4, 5, wobei die gepunkteten Kreise die jeweils zugeordneten festgelegten Stellen („region-of-interest", ROI) im Hauptstamm a, in der rechten Lungenarterie b und in der linken Lungenarterie c anzeigen. An der Vorderseite des Brustkorbs ist weiters der Schnitt des Brustbeins 6 ersichtlich. An der gegenüberliegenden Rückseite ist der Schnitt der Wirbelsäule 7 gezeigt. Die Lungenflügel sind durch die Rippen 8 umgeben.

[0039] Bei dem in Fig. 1 gezeigten Bild 1 ist vorteilhaft die Teilung des Hauptstamms bzw. Lungenstamms 3 in die beiden Lungenarterien 4, 5 zu erkennen, so dass aus diesem Bild 1 die Wegstrecken zwischen den festgelegten Stellen im Lungenstamm a und in der rechten Lungenarterie b oder im Lungenstamm a und in der linken Lungenarterie c entlang der Mittellinie der Arterien ermittelt werden kann.

[0040] Fig. 2 zeigt schematisch ein Koordinatensystem mit der Dichte D auf der Ordinatenach-se und der Zeit t auf der Abszissenachse. Bei dem hier illustrierten Beispiel wurde ein kurzer Kontrastmittelbolus mittels zeitlich aufeinanderfolgender Bilder 1 bei dem Durchfluss durch die Vena cava superior, die Lungenarterien und die absteigende Aorta beobachtet. Dies kann prinzipiell mit jedem bildgebenden Verfahren durchgeführt werden, bei dem eine zeitaufgelöste Darstellung der Gefäße möglich ist und ein entsprechendes Kontrastmittel vorhanden ist. Eingezeichnet ist der Verlauf der Dichte D als Funktion der Zeit t für drei Stellen gemäß Fig. 1: die zuerst ansteigende Funktion Fd repräsentiert die ermittelte Dichte D im Bereich der Vena cava superior d, die Funktion Fa repräsentiert die ermittelte Dichte D an der festgelegten Stelle im Lungenstamm a und die Funktion Ff zeigt den Verlauf der Dichte D in der absteigenden Aorta f. Die Aufnahmezeitpunkte tu t2, t3 der in Fig. 1 angedeuteten Bilder sind als vertikal gestrichelte Linien eingezeichnet, wobei die gezeigten Dichteverläufe offensichtlich aus mehr als drei Bildern 1 ermittelt wurden.

[0041] In dem dargestellten Beispiel entspricht die Dichte D dem Kontrastmittelgehalt im Blut zu den jeweiligen Zeitpunkten der Aufnahmen. Dieser wird gemessen und mit einem geeigneten Verfahren gefittet, sofern die zeitliche Auflösung der einzelnen Aufnahmen nicht schon ausreicht, um das Maximum des Kontrastmittelgehaltes auf etwa 0,1 s genau zu bestimmen. Den linear interpolierten Funktionen Fd, Fa, Ff, welche die ermittelten Werte lediglich durch Linien verbinden, sind daher angepasste („gefittete") Spline Funktionen überlagert, welche realistischere, weil glatte Interpolationen der Dichte D repräsentieren.

[0042] In Fig. 3 ist ein Koordinatensystem gemäß Fig. 2 gezeigt, wobei hier ausschließlich die durch einen Spline-fit interpolierten Kurven der Dichte D für verschiedene Stellen gemäß Fig. 1 eingezeichnet sind. Neben den bereits in Fig. 2 gezeigten Kurven für Vena cava superior fd, den Lungenstamm fa und die absteigenden Aorta ff, sind hier auch die Kurven für die rechte und linke Lungenarterie fb, fc dargestellt. Als vertikale Linien eingezeichnet sind das Maximum Ma der Dichte D (entspricht hier dem Kontrastmittelmaximum) im Lungenstamm, die Maxima Mb, Mc der Dichte D in der rechten und linken Lungenarterie sowie das Maximum Mf der Dichte D in der absteigenden Aorta. Die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt des Durchlaufens des Kontrast- 5/13 österreichisches Patentamt AT512 393B1 2013-08-15 mittelmaximums im Hauptstamm und den beiden Stromabwärts liegenden Orten erlaubt beispielsweise die Diagnose von pulmonale Hypertonie (PH). Die ermittelten Zeitdifferenzen sind jeweils als horizontale Abstände eingezeichnet, wobei Ab die Zeitdifferenz zwischen dem Maximum Mb in der rechten Lungenarterie und dem Maximum Ma im Lungenstamm und Ac die Zeitdifferenz zwischen dem Maximum Mc in der linken Lungenarterie und dem Maximum Ma im Lungenstamm bezeichnet. Ist zumindest eine dieser Zeitdifferenzen Ab, Ac größer als ca. 0,5 s kann eine Diagnose auf PH gestellt werden.

[0043] Sofern die Distanz zwischen den ROIs entlang der Mittellinie der PA bestimmt werden kann, wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, kann auch die Geschwindigkeit des Kontrastmittelmaximums bestimmt werden. Diese erlaubt ebenfalls die Unterstützung einer Diagnose: liegt die Geschwindigkeit unter 120 mm/s kann ebenfalls auf PH geschlossen werden.

[0044] In Fig. 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Verarbeiten von Bildern 1 bzw. der Aufbau der Vorrichtung 10 schematisch dargestellt. Um die Bilder 1 laden und verarbeiten zu können, ist die Vorrichtung 10 gewöhnlich mit einer Datenbank 11 oder einem vergleichbaren Speicher verbunden. Alternativ können die Bilder 1 auch über eine direkte Verbindung einer Aufnahmevorrichtung mit der hier gezeigten Verarbeitungsvorrichtung 10 übermittelt werden. Bei Erhalt der Bilder 1 gelangen diese in der Vorrichtung 10 zunächst zu einer Zuordnungseinheit 13. Die Zuordnungseinheit 13 ist außerdem mit einer Auswahlschnittstelle 12 verbunden, welche die Vorschriften zur Zuordnung zumindest zweier festgelegter Stellen a, b, c an die Zuordnungseinheit 13 übermittelt. Die Auswahlschnittstelle 12 kann einen Konfigurationsspeicher enthalten, in dem die Vorschriften abgespeichert sind, oder die Auswahl bzw. Angabe der Vorschriften kann interaktiv über eine Verbindung mit einer Bilderkennungseinheit oder über eine Benutzerschnittstelle erfolgen. Zusätzlich kann die Auswahlschnittstelle 12 Angaben über die Wegstrecken zwischen den ausgewählten Stellen a, b, c enthalten, welche sie ebenfalls der Zuordnungseinheit 13 zur Verfügung stellen kann.

[0045] Die Zuordnungseinheit 13 wendet die von der Auswahlschnittstelle 12 erhaltenen Vorschriften auf alle eingegangenen Bilder 1 an und ist mit einer Berechnungseinheit 14 verbunden, so dass das Ergebnis der Zuordnung sowie die Wegstrecken an die Berechnungseinheit 14 übertragen werden können. Die Berechnungseinheit 14 führt die Berechnung der Dichte an den festgelegten Stellen a, b, c durch, d.h. sie konvertiert die mit den festgelegten Stellen a, b, c versehenen Bilder 1 in eine Tabelle von Dichtewerten, die für jedes Bild 1 die mittlere Dichte aller festgelegten Stellen a, b, c angibt, wobei die den Bildern 1 zugeordneten Aufnahmezeitpunkte ti, t2, t3 auf die aus den Bildern 1 jeweils ermittelten Dichtewerte übertragen werden. Die Berechnungseinheit 14 ist entweder direkt mit einer Analyseeinheit 16 und/oder mit einem Interpolationsmodul 15 verbunden, so dass die ermittelte Tabelle gemeinsam mit den erhaltenen Wegstrecken anschließend entweder direkt zur Analyseeinheit 16 oder zum Interpolationsmodul 15 übertragen wird.

[0046] Das Interpolationsmodul 15 fügt in die erhaltene Tabelle zusätzliche Einträge zwischen den den Bildern 1 zugeordneten Einträgen ein, indem die Dichtewerte aufeinanderfolgender Bilder 1 gemäß einer im Interpolationsmodul 15 gespeicherten oder anders festgelegten Vorschrift interpoliert werden. Über eine Verbindung zwischen Interpolationsmodul 15 und Analyseeinheit 16 kann die somit erweiterte Tabelle an die Analyseeinheit 16 weitergegeben werden.

[0047] Die Analyseeinheit 16 verarbeitet die von der Berechnungseinheit 14 oder dem Interpolationsmodul 15 erhaltene Tabelle dahingehend, dass für jede festgelegte Stelle a, b, c ein einem Maximum Ma, Mb, Mc der Dichte D an der jeweiligen Stelle zugeordneter Zeitpunkt gespeichert ist. Außerdem werden die zeitlichen Differenzen Ab, Ac zwischen den Maxima der gespeicherten Zeitpunkte ermittelt. Anhand der mit der Tabelle übermittelten Werten für die Wegstrecke zwischen den festgelegten Stellen a, b, c kann die Analyseeinheit 16 außerdem aus den Zeitdifferenzen Geschwindigkeitswerte ermitteln und speichern.

[0048] Ein Ausgang der Analyseeinheit 16 ist mit einem Eingang einer Anzeige 17 verbunden. Die Anzeige 17 hat daher Zugriff auf die Ergebnisse der Analyseeinheit 16. In der Anzeige 17 kann ein Grenzwert für die Zeitdifferenz Ab, Ac und ein Grenzwert für die Geschwindigkeit ge- 6/13 österreichisches Patentamt AT512 393B1 2013-08-15 speichert sein, so dass die Anzeige 17 die von der Analyseeinheit 16 erhaltenen Zeitdifferenzen Ab, Ac und Geschwindigkeiten nicht nur anzeigen, sondern auch mit den Grenzwerten vergleichen kann und bei Überschreitung des Grenzwerts der Zeitdifferenzen Ab, Ac und bei Unter-schreitung des Geschwindigkeitsgrenzwerts ein Signal ausgibt.

[0049] Im Rahmen einer Studie wurden bis zu 20 Aufnahmen der pulmonalen Arterie auf Höhe der Trachea-Auf Spaltung mit jeweils 28 Schichten und einer Auflösung der Voxel von ca. 0,6 x 0,6 x 0,6 mm erstellt. Dabei wurde zunächst eine Aufnahme ohne Kontrastmittel gemacht. Daraufhin wurden 20 ml Kontrastmittel mit 5 ml/s in eine Armvene injiziert und 4 s nach dem Start der Kontrastmittel-Injektion die bis zu 19 Aufnahmen mit einem zeitlichen Abstand von je 1 bis 2 s durchgeführt. Der zeitliche Abstand richtete sich nach den Ergebnissen einer zuvor durchgeführten Untersuchung mit dem Rechtsherz-Katheter und wurde gestoppt, sobald das Kontrastmittel aus der absteigenden Aorta abgelaufen war, um unnötige Strahlenbelastung der Probandinnen und Probanden zu vermeiden.

[0050] Die Aufnahmen wurden mit einem mittelharten Kernel rekonstruiert und anonymisiert in Form von DICOM Dateien gespeichert. Aus den 28 Schichten wurde eine Schicht ausgewählt, in der die PA gut sichtbar war und über die Zeit wenig Bewegung ersichtlich war. Darin wurden kreisförmige Messbereiche (ROIs) in den Hauptstamm der PA und in die rechte und linke PA gezeichnet und die mittlere Röntgenabschwächung zu jedem Zeitpunkt bestimmt. Diese Werte wurden über der Zeit aufgetragen und mit einem glättenden Spline-fit gefittet (vgl. Fig. 2). Dies wurde mit einem selbst geschriebenen Algorithmus in MATLAB durchgeführt.

[0051] Diese Kurven wurden benutzt, um die Zeitdifferenzen zwischen den ROIs zu bestimmen (vgl. Fig. 3). Die Distanz zwischen den ROIs wurde mit Hilfe von ImageJ bestimmt, indem die ROIs in ein CT des gesamten Thorax übertragen wurde. Daraufhin wurde mit einer multiplanaren Abbildung eine Schicht, die dem Verlauf der PA folgt, erstellt und in dieser die Länge der Kurve zwischen den ROIs bestimmt. Diese Distanz wurde durch die jeweilige Zeitdifferenz dividiert, um die Geschwindigkeit des Kontrastmittelbolus zu bestimmen. 7/13

Claims (18)

1. österreichisches Patentamt AT512 393B1 2013-08-15 Patentansprüche 1. Verfahren zum Verarbeiten von Bildern (1) des Lungenkreislaufs (2) eines Lebewesens zur Charakterisierung des arteriellen Blutflusses, wobei mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Bilder (1) verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass a) mindestens zwei Stellen (a, b, c) in einem Bild (1) festgelegt werden, b) die festgelegten Stellen (a, b, c) allen Bildern (1) zugeordnet werden, c) die Dichte (D) an den festgelegten Stellen (a, b, c) in allen Bildern (1) ermittelt wird, d) die Dichte (D) an den festgelegten Stellen (a, b, c) als Funktion (Fa, fa, fb, fc) der Zeit (t) berechnet wird, und e) die zumindest eine Zeitdifferenz (Ab, Ac) zwischen den Maximalwerten (Ma, Mb, Mc) der Dichte (D) an den zumindest zwei festgelegten Stellen (a, b, c) in Abhängigkeit der Zeit (t) analysiert und angezeigt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder (1) des Lungenkreislaufs (2) durch im Wesentlichen Schnitte des Thorax im Bereich des Lungenstamms (Truncus pulmonalis) und zumindest einer Lungenarterie (Arteria pulmonalis) verwendet werden, wobei eine festgelegte Stelle (a) im Bereich des Lungenstamms und zumindest eine festgelegte Stelle (b, c) im Bereich der zumindest einen Lungenarterie ausgewählt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bilder (1) Röntgenbilder unter Anwendung eines Kontrastmittels verwendet werden, wobei die Dichte (D) der Bilder (1) an den festgelegten Stellen (a, b, c) als mittlere Röntgenabschwächung ermittelt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bilder (1) Magnetresonanztomographie-Aufnahmen unter Anwendung eines Kontrastmittels verwendet werden, wobei die Dichte (D) der Bilder (1) an den festgelegten Stellen (a, b, c) als mittleres Signal bzw. mittlere Weißfärbung bei geeigneter Gewichtung ermittelt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Bilder (1) mit einem zeitlichen Abstand der Aufnahmezeitpunkte (L, t2, t3) von höchstens 5 s, bevorzugt zwischen 0,5 und 2 s verarbeitet werden.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte (D) für jede festgelegte Stelle (a, b, c) als Funktion der Zeit (t) vor der Analyse der zumindest einen Zeitdifferenz (Ab, Ac) zwischen den Maximalwerten (Ma, Mb, Mc) der Dichte (D) interpoliert wird, und die Zeitdifferenz (Ab, Ac) zwischen den Maximalwerten (Md, Mb, Mc) der interpolierten Funktionen (fa, fb, fc) ermittelt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Zeitdifferenz (Ab, Ac) mit zumindest einem vorgegebenen Grenzwert, bevorzugt etwa 0,5 s, verglichen wird und bei Überschreitung des zumindest einen Grenzwerts ein Signal ausgegeben wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegstrecke zwischen den festgelegten Stellen (a, b, c) ermittelt wird und aus der Wegstrecke und der Zeitdifferenz (Ab, Ac) eine Blutflussgeschwindigkeit bestimmt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Blutflussgeschwindigkeit mit zumindest einem vorgegebenen Grenzwert, bevorzugt etwa 120 mm/s, verglichen wird und bei Überschreitung des zumindest einen Grenzwerts ein Signal ausgegeben wird.
10. 10. Vorrichtung (10) zum Verarbeiten von Bildern (1) des Lungenkreislaufs (2) eines Lebewesens zur Charakterisierung des arteriellen Blutflusses, wobei mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Bilder (1) verarbeitet werden, gekennzeichnet durch 8/13 österreichisches Patentamt AT512 393 B1 2013-08-15 a) eine Auswahlschnittstelle (12) zumindest zweier festgelegter Stellen (a, b, c) eines Bildes (1), b) eine Einheit (13) zur Zuordnung der zumindest zwei festgelegten Stellen (a, b, c) auf alle Bilder (1), c) eine Einheit (14) zur Ermittlung der Dichte (D) an zumindest zwei festgelegten Stellen (a, b, c) in allen Bildern (1), d) eine Einheit (14) zur Berechnung der Dichte (D) für die festgelegten Stellen (a, b, c) als Funktion (Fa, fa, fb, fc) der Zeit (t), e) eine Einheit (16) zur Analyse der zumindest einen Zeitdifferenz (Ab, Ac) zwischen den Maximalwerten (Ma, Mb, Mc) der Dichte (D) für die zumindest zwei festgelegten Stellen (a, b, c) in Abhängigkeit der Zeit (t), und f) eine Anzeige (17) der zumindest einen Zeitdifferenz (Ab, Ac).
11. 11. Bildverarbeitungsvorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder (1) des Lungenkreislaufs (2) im Wesentlichen Schnitte im Bereich des Lungenstamms (Truncus pulmonalis) und zumindest einer Lungenarterie (Arteria pulmonalis) zeigen, wobei eine festgelegte Stelle (a) im Bereich des Lungenstamms und zumindest eine festgelegte Stelle (b, c) im Bereich der zumindest einen Lungenarterie angeordnet ist.
12. 12. Bildverarbeitungsvorrichtung (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Bilder (1) Röntgenbilder unter Anwendung eines Kontrastmittels vorgesehen sind, wobei die Einheit (14) zur Ermittlung der Dichte (D) der Bilder (1) zur Ermittlung der mittleren Röntgenabschwächung an den festgelegten Stellen (a, b, c) eingerichtet ist.
13. 13. Bildverarbeitungsvorrichtung (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Bilder (1) Magnetresonanztomographie-Aufnahmen unter Anwendung eines Kontrastmittels vorgesehen sind, wobei die Einheit (14) zur Ermittlung der Dichte (D) der Bilder (1) zur Ermittlung des mittleren Signals bzw. der mittleren Weißfärbung bei geeigneter Gewichtung an den festgelegten Stellen (a, b, c) eingerichtet ist.
14. 14. Bildverarbeitungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand (Ab, Ac) zwischen den Aufnahmezeitpunkten (ti, t2, t3) der Bilder (1) höchstens 5 s, bevorzugt zwischen 0,5 und 2 s beträgt.
15. 15. Bildverarbeitungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (16) zur Analyse der zumindest einen Zeitdifferenz (Ab, Ac) zwischen den Maximalwerten (Ma, Mb, Mc) der Dichte (D) ein Modul (15) zur Interpolation der Dichte (D) in Abhängigkeit der Zeit (t) aufweist.
16. 16. Bildverarbeitungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige (17) einen Signalgeber zum Vergleich der Zeitdifferenz (Ab, Ac) mit einem vorgegebenen Grenzwert, bevorzugt etwa 0,5 s, und zur Ausgabe eines Signals bei Überschreitung des Grenzwerts aufweist.
17. 17. Bildverarbeitungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Einheit (16) zur Analyse der zumindest einen Zeitdifferenz (Ab, Ac) eine Einheit zur Ermittlung der Wegstrecke zwischen den festgelegten Stellen (a, b, c) und zur Bestimmung einer Blutflussgeschwindigkeit aus der Wegstrecke und der Zeitdifferenz (Ab, Ac) verbunden ist.
18. 18. Bildverarbeitungsvorrichtung (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige (17) einen Signalgeber zum Vergleich der Blutflussgeschwindigkeit mit einem vorgegebenen Grenzwert, bevorzugt etwa 120 mm/s, und zur Ausgabe eines Signals bei Überschreitung des Grenzwerts aufweist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 9/13