DE10042138A1

DE10042138A1 - Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten biomagnetischer felder , insbesondere von magnetokardiographischen Daten

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Publication number: DE10042138A1
Application number: DE10042138A
Authority: DE
Original assignee: SQUID AG
Current assignee: SQUID INTERNATIONAL AG, 45145 ESSEN, DE
Priority date: 1999-08-28
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2001-05-17
Also published as: WO2001020477A3; AU1017601A; DE10082810D2; EP1212693A2; WO2001020477A2

Description

Die Erfindung betrifft ein computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten biomagnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Da ten. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, das es erlaubt, daß mittels eines oder mehrerer Detektoren, insbesondere mittels eines SQUID-Detektors in einer Ebe ne bzw. an mehreren Punkten einer Ebene aufgenommene biomagnetische Felder automatisch z. B. in Form von Magnetfeldkarten zu visualisieren und die in dem Feld enthaltenen Informationen automatisch zu evaluieren und zu klassifizieren.

Da sich biomagnetischen Felder - anders als die elektrischen Felder - nicht-leitungsgebunden ausbreiten und weitgehend unverfälscht außerhalb eines bio logischen Körpers, also zum Beispiel in einer Ebene über dem menschlichen Herzen nicht-invasiv gemessen werden können, stellt die Erfassung biomagnetischer Felder mittels neuer, hoch-sensitiver Erfassungsgeräte, wie zum Beispiel dem in der interna tionalen Patentanmeldung PCT/DE00/02472 beschriebenen Magnetographen, der vorteilhaft in einer nicht-abgeschirmten Umgebung eingesetzt werden kann, eine Technik dar, die in den kommenden Jahren breite medizinische Anwendung finden wird. Insbesondere werden Vorsorgeuntersuchungen möglich, bei denen in einfacher und schneller Weise weite Bevölkerungskreise zum Beispiel auf ihr Herzinfarktrisiko untersucht werden können.

Die Entwicklung hoch-sensitiver Magnetographen, insbesondere solcher, die in nicht-abgeschirmten Umgebungen eingesetzt werden können, erfordert neue Verfah ren zur Aufbereitung der erfaßten Daten, da die bislang bekannten Verfahren äußerst zeitaufwendig sind und nur von wenigen Spezialisten ausgeführt werden können. Die Daten sollen weitestgehend automatisch so aufbereitet werden, daß die in den erfaß ten Magnetfeldern enthaltenen diagnotisch relevanten Informationen von einem Arzt leicht erkannt und bewertet werden können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform soll das Verfahren die in den Daten enthaltenen diagnostisch relevanten Informationen mit gespeicherten Informationen vergleichen und automatisch klassifizieren, um so den Arzt bei seiner Diagnose zu unterstützen. Bestimmte Informationen sollen z. B. in Form von Stromlinienkarten visualisiert werden.

Sollen biomagnetische Ströme, insbesondere die Ströme im Herzen, die in der klinischen Diagnostik erwiesenermaßen eine besonders hohe Relevanz besitzen, dar gestellt werden, muß ein sogenanntes "inverses Problem" gelöst werden, das heißt, daß aus den erfaßten Magnetfeldern, die von den biomagnetischen Strömen hervorge rufen werden, die die Felder hervorrufenden Ströme berechnet werden müssen.

In Anbetracht der Komplexität eines inversen Problems bei der Lokalisation magnetischer Feldquellen werden verschiedene vereinfachende Annahmen bei der Lösung gemacht. Eine dieser Annahmen ist beispielsweise, daß alle Quellen in dersel ben Ebene positioniert und in einer bestimmten Distanz von einer Meßoberfläche an geordnet sind. Die erzielten Resultate davon ab, welches physikalische Modell und entsprechend welches mathematische Modell man als Modell der magnetischen Feld quellen wählt. Falls man einen flachen Quellenbereich wählt, wird üblicherweise die Verteilung der Stromdichten auf einer Oberfläche als Modell der Quellen gewählt, die die erfaßte Vektorgröße darstellt. Nach Lösung eines inversen Problems erhält man eine Karte von gerichteten Pfeilen, deren Größe proportional zum Betrag einer Strom dichte ist.

Das Abbilden von Strömen in einer solchen Weise bedingt bestimmte Schwie rigkeiten. Auf Seiten des berechneten Bereiches, wo der Modulo-Wert der Stromdich ten mehrere Male kleiner ist als das Maximum, ist es nicht ohne weiteres möglich, auf der Karte von Pfeilen die Größe und Richtung der Pfeile abzuschätzen. Die Quellen mit kleiner Intensität fallen so aus der Untersuchung.

Ein Verfahren zur automatischen Visualisieren von Herzströmen durch Stromli nien in der Ebene wird in dem Aufsatz von R. Killman, G. G. Jaros, P. Wach, R. Grau mann, W. Moshage, M. Renhard, P. H. Fleischmann: Localisation of Myocardial Ischaemia from the Magnetocardiogramm using Current Density Reconstruction Me thod: Computer Simulation Study, Biological Engineering & Computing, September, 1995, Seiten 643-651, beschrieben. Gemäß dem in dem genannten Aufsatz be schriebenen Verfahren erhält man als Resultat der Lösung des inversen Problems eine der genannten Karten von orientierten Pfeilen, deren Größe proportional zum Modulus der Stromdichte ist.

Das aus dem genannten Aufsatz bekannte Verfahren zum Abbilden von Herz strömen durch Stromlinien in der Ebene hat jedoch den Nachteil, daß in Bereichen, in denen die Stromdichten modulu 3 und mehr geringer sind als das Maximum, eine visu elle Beurteilung des mit dem Verfahren erzeugten Musters von Pfeilen hinsichtlich ihrer Größe und Richtung nicht mehr ohne weiteres möglich ist. In der Praxis hat sich ge zeigt, daß im Hinblick auf eine vernünftige Fehlerabschätzung lediglich ein bis zwei besonders intensive Bereiche eine magnetischen Feldes visualisiert werden können. Die übrigen, weniger intensiven Bereiche können nicht sichtbar wahrgenommen wer den.

Davon ausgehend liegt der Erfindung zum einen die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbereiten der Daten des erfaßten biomagnetischen Feldes anzuge ben, mittels welchem die das biomagnetische Feld hervorrufenden Ströme durch Stromlinien in der Ebene visualisiert werden können und so einer visuellen Auswertung durch geschultes Personal oder einen Arzt in besonders einfacher Weise zugänglich werden.

Die Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 1.

Als Modell der biologischen Ströme wird erfindungsgemäß die Oberflächen dichte einer doppelten Schicht von magnetischen Ladungen (einfache Schicht magne tischer Dipole) oder, was äquivalent hierzu ist, eine Funktion der Ströme gewählt. Eine bemerkenswerte Eigenschaft dieser Funktion ist, daß die Projektion ihrer Niveaulinien auf eine berechnete Ebene Stromlinien darstellt. Deshalb erhält man durch Lösen einer Integralgleichung betreffend die Dichte einer doppelten Schicht von magnetischen La dungen eine Karte der Stromlinien, wobei die rechten Glieder der Gleichung die Ver teilung des z. B. in einer Ebene nahe des Thorax gemessenen magnetischen Feldes (Komponenten des magnetischen Induktionsvektors oder dessen Ableitungen) wieder geben.

Erfindungsgemäß wird angenommen, daß die tatsächlich voluminösen Quellen des Feldes in einer (berechneten) Ebene angeordnet sind, die parallel zu der gemes senen Ebene verläuft. Gemäß einem akzeptierten physikalischen und mathematischen Modell der Quellen eines magnetischen Feldes wird eine Integralgleichung aufgestellt und gelöst, deren rechtes Glied das gemessene magnetische Feld darstellt und deren Lösung die Verteilung seiner Quellen im untersuchten Körper, also z. B. im Herzen ist. Falls diese Quellen den Charakter separater magnetischer Dipole besitzen, deren Ach se senkrecht zu einer Ebene geführt ist, werden sie als magnetische Blätter interpre tiert und in einer unter Verwendung des Verfahrens auf einer Ausgabeeinheit, z. B. ei nem Bildschirm oder einem Drucker ausgegebenen, vorzugsweise farbigen Karte, se hen sie aus wie separate Stromwirbel.

Die wesentliche Neuerung liegt in der Behandlung des physikalischen und ma thematischen Modells der Quellen eines elementaren magnetischen Feldes in einer Ebene als Funktion des Stroms und seine Verwendung in einer Integralgleichung als gesuchte Unbekannte. Die nach Lösung dieser Gleichung erhaltenen Niveaulinien der Funktion (die Linien konstanter Werte) repräsentieren die Stromlinien.

Die Karten der Stromlinien geben im Vergleich zu den Karten der Stromdichte vektoren (Pfeile) eine mehr visuelle Repräsentation der Ausbreitung eines Stroms in einer berechneten Ebene. Auf einer Karte von Stromlinien sind die Quellen sowohl großer als auch kleiner Intensität präzise abgebildet. Die Stromwirbel, die sich nahe berechneten Bereichsorten befinden, werden unabhängig von ihrer Größe und Inten sität abgebildet. Deshalb macht es das Verfahren möglich, nicht nur übliche Muster der Bioströme zum Beispiel im Herzen zu sehen, sondern auch Details dieses Stromflus ses zu unterscheiden.

Die Resultate einer Lösung des inversen Problems durch das genannte Verfah ren erlaubt es, Karten von Stromdichtevektoren aufzubauen, während die Resultate, die mit bislang bekannten Verfahren erhalten werden, nicht dazu verwendet werden können, Stromlinienkarten aufzubauen.

Die Stromfunktion ist ein Skalar, und die Stromdichte ist ein Vektor, der in der Ebene zwei Projektionen hat. Deshalb ist für dasselbe Ebenennetz die Menge benö tigter Werte einer Stromfunktion zweimal kleiner als die Menge der benötigten Werte bei der Betrachtung der Projektionen von Stromdichtevektoren. Dementsprechend ist auch die Ordnung des zu lösenden linearen algebraischen Gleichungssystems zwei mal niedriger.

Nach Lösung des algebraischen Systems und Differenziation einer Stromfunkti on ist es möglich, die Verteilung der Stromdichtevektoren wie in der traditionellen For mulierung zu finden.

Die Abbildung der Ströme in der Ebene durch Stromlinien erlaubt es auf, die Genauigkeit der Lösung wesentlich zu verbessern, so daß es möglich wird, auch eher kleine Details einschließlich der Stromwirbel kleinen Durchmessers zu visualisieren.

Handelt es sich bei den erfaßten Daten um magnetokardiogrphische (MCG)-Daten, so sollen elektrische Ereignisse im Herzen evaliert und Rückschlüsse auf den physiologischen Status des Herzens gezogen werden. Die für diesen Zweck benötigten Informationen sind in dem oberhalb der Thorax-Oberfläche aufgezeichneten magnetischen Feld des Herzens enthalten, jeodch auf Grund ihrer "kryptischen" Form nicht für eine direkte Interpretation geeignet. Eine besondere Aufgabe der Erfindung ist daher die Aufbereitung solcher sich während des Kardiozyklus ändernden magneto kardiographischer Daten derart, daß ein Mediziner aus ihnen direkt Aufschluß über den physiologischen Zustand des untersuchten Herzens erhält. Es sollte dazu ein haltbares und klares System von diagnostischen Kriterien entwickelt werden, vergleichbar dem aus der Elektrokardiologie (EKG) bekannten Standardkriteriensatz.

Dazu wird ein computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten biomagnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Da ten, vorgeschlagen, bei welchem zumindest ausgewählte Daten nach vorgegebenen Kriterien automatisch mit wenigstens einem vordefinierten Normalwert verglichen wer den und daß bei Abweichung der Daten von dem Normalwert um ein vorgegebenes Maß ein auf einer Ausgabeeinrichtung ausgebbares die Abweichung signalisierendes Signal erzeugt wird. Das Signal kann akustisch, insbesondere aber optisch ausgege ben werden, z. B. durch Darstellung eines aus den Daten ermittelten Wertes in rot, während Normalwerte in schwarz oder grün dargestellt werden.

Erfindungsgemäß durchlaufen die erfaßten Daten dazu automatisch unter schiedliche Analysestufen, wobei die Komplexität der Analyse auf jeder Stufe zunimmt. Die einzelnen Stufen sind in Tabelle 1 zusammengaßt. Im einzelnen werden folgende Analysestufen durchlaufen:

1. Amplituden-Zeit-Analyse verschiedener MCG-Kurven.
2. Analyse hoch-auflösender MCG.
3. Analyse summierter MCG und Vector MCG (VMCG).
4. Qualitative Analyse der magnetischen Feld-Verteilungskarten.
5. Quantitative Analyse der magnetischen Feld-Verteilungskarten.
6. Analyse der effektiven Dipol-Charakteristiken.
7. Analyse der zweidimensionalen Ladungsverteilung.
8. Analyse der dreidimensionalen Ladungsverteilung.

Die erste Analysestufe ist ähnlich dem Verfahren bei der morphologischen Analyse üblicher EKG, zumal MCG-Kurven wie EKG-Kurven aussehen und beide die selbe Nomenklatur von Wellen und Intervallen - PQRST - besitzen. Auf dieser Analy sestufe kann bereits myocardiale Ischämie erkannt werden.

Bei der zweiten Analysestufe, der spektrotemporale Analyse (d. h. der Bestim mung der relativen Energie eines Kardiosignal-Spektrums für verschiedene Frequenz bänder und Bestimmen der spektralen Variabilität) und Zeitbereich-Analyse (vor allem QRS-Dauer) des Signals) wird in verschiedenen Meßpunkten ein Durchschnitt des MCG gebildet. Üblicherweise ist der Zweck einer solchen Analyse die Bestimmung der Homogenität der ventrikularen Depolarisation und Verwendung dieser Daten zur Eva luation des Risikos des Auftretens von Arhythmien. Ein solcher Ansatz wird auch an gewandt, um das Risiko der Abstoßung von Transplantaten abzuschätzen.

Auf der dritten Analysestufe wird über alle Meßpunkten summiert. Ein solcher Ansatz gibt eine mehr generalisierte Repäsentation über einige Eigenschaften der myocardialen Anregung. Vorteilhaft ist es insbesondere, die Felder unter der P-Welle und dem QRS-Komplex zu berechnen. Die Größe dieser Felder spiegelt die Energie wider, die während der Anregung der Vorkammern und Ventriculi des Herzens erzeugt wird. Ferner kann das Verhältnis dieser Felder berechnet werden, um so die elektri sche Aktivität der Vorkammern im Vergleich zu elektrischen Aktivität der Ventrikel ab zuschätzen. Es hat sich gezeigt, daß dieser Parameter mit dem Grad des Herzversa gens in Beziehung steht.

Auf derselben Analysestufe können die Daten eines Vektor-MCG hinzugezogen werden, die in speziellen einpositionalen Leads-Systemen registriert wird. Die Amplitu denwerte der X-, Y- und Z-Komponenten während der P-Welle, dem QRS-Komplex und dem ST-T-Intervall, die Amplitude und Richtung des räumlich maximalen QRS- Vectors, die QRS-Vector-Dauer usw. können kalkuliert und für für die Diagnose myo kardialer Ischämie verwendet werden. Üblicherweise werden die Analysen zusammen mit einer EKG-Analyse durchgeführt.

Der Informationswert der MCG-Daten wächst dramatisch mit dem Übergang zu den folgenden Stufen der Analyse, insbesondere zum Kartographieren des magneti schen Feldes (MF-Mapping). Dieses Verfahren bedeutet die Konstruktion von Vertei lungskarten der Induktion des magnetischen Feldes in Meßpunkten zu bestimmten Momenten innerhalb des Kardoizyklus. Diese Karten werden nach dem Prinzip der geographischen Karten konstruiert, d. h. Bereiche mit identischen Werten bestimmter Parameter besitzen die selbe Farbe. Es ist wichtig zu verstehen, daß jede Karte aus allen Meßpunkten resultiert.

Die Interpretation der elektrischen Aktivität des Herzens basierend auf diesem Ansatz hat eine Reihe von wesentlichen Vorteilen. Zunächst kann mit der Hilfe von Interpretationsverfahren alle wichtigen Daten, einschließlich der Daten, die zwischen den Punkten des Meßgitters erhalten werden könnten, in die Berechnung einbezogen werden. Zweitens stellen Karten eine natürliche Projektion der elektromagnetischen Phänomene dar, die überhalb der Thorax-Oberfläche an verschiedenen Stellen des Herzens, wenn auch nur ungefähr, registriert wurden.

Vorteilhaft können zwei besonders wichtige Eigenschaften jeder magnetischen Feldverteilungskarte automatisch bestimmt werden: erstens die Anzahl der Extrema des magnetischen Feldes (im physikalischen Sinn sind lokale Extrema eines magneti schen Feldes Punkte mit maximalen Werten im Vergleich zu benachbarten Punkten), mit anderen Worten also die Inhomogenität der Karte, und zweitens die wechselseitige Anordnung dieser Extrema.

Die Homogenität der magnetischen Feldkarte spiegelt die Homogenität der elektrischen Quelle, die diese Karte induziert, wieder. Dies wiederum zeigt, daß es keine myocardischen Orte gibt, die sich wesentlich von benachbarten Zonen hinsicht lich ihrer elektrophysiologischen Eigenschaften unterscheiden, so daß es keine lokalen Verletzungsströme gibt. Normalerweise hat die Karte zu jedem Zeitpunkt des Kardio zyklus eine Dipol-Struktur, d. h., es existiert nur ein Minimum und ein Maximum. Es ist klar, daß das Auftreten zusätzlicher Extrema das Vorhandensein zusätzlicher lokaler Ströme belegt.

Aus physiologischer Sicht ist eine weitere wichtige Charakteristik der Karten, wie bereits oben erwähnt, die wechselseitige Anordnung der Minima und Maxima des magnetischen Feldes. Falls man eine Linie von einem Minimum zu einem Maximum und dann wiederum diese Linie entgegen dem Uhrzeigersinn um 90° dreht, so wird die erhaltene Richtung der Orientierung des entsprechenden Ladungsdipols entsprechen. Diese Orientierung reflektiert die Richtung der Ausbreitung der Anregungsfront in dem jeweils betrachteten Moment des Kardiozyklus.

Basierend auf diesen Prinzipien werden die Karten von bestimmten charakteri stischen Zeitpunkten des Kardiozyklus, z. B. des QRS-Einsatzes, R-max, QRS-offset, T-max, T-offset, visuell analysiert. Es können integrierte Karten, die während des ge samten QRS-Komplexes und/oder dem St-T-Intervall berechnet wurden, untersucht werden. Die qualitativen visuellen Analyseverfahren für magnetische Feldkarten sind ausreichend, um eine allgemeine Darstellung wichtiger Eigenschaften des elektrophy sikalischen Prozesses im Myocardium in jedem individuellen Fall zu erhalten, aber sie sind nicht in der Lage, eine quantitative Beschreibung der aufgedeckten Eigenschaften zu geben und erlauben es nicht, statistische Parameter für eine Gruppe von Patienten zu erhalten. Deshalb ist der folgende Schritt der Analyse magnetischer Feldvertei lungskarten die Anwendung der quantitativen Kriterien.

Es wurden verschiedene quantitative Kriterien für einen vielseitige Abschätzung verschiedener Karten und Zeitserien von Karten entwickelt.

Der einfachste Ansatz ist die Berechnung der Anzahl von Extrema in jeder Karte und in Ausweitung auf alle untersuchten Intervalle von Kardiozyklen. Dabei wird auch der relative "Glattheits-Index" angewandt, der die Summe der Korelationsfaktoren zwischen vier aufeinanderfolgenden Karten am Anfang des ST-Segmentes darstellt.

Daneben ist auch das auf der Abschätzung der Komplexität der Trajektorien der Extrema während der ventricularen Anregung basierende Kriterium bekannt. Als weite res quantitatives Kriterium kann die Variabilität des Verhältnisses der größten positiven zu den größten negativen Extremwerten während des ST-T-Intervalls verwendet wer den. Ferner ist ein Homogenitäts-Koeffizient bekannt, der zur integralen Abschätzung der Anzahl von Extrema und deren Schärfe über das ST-T-Intervall abzuschätzen. Ein interessanter Ansatz besteht in einer speziellen räumlichen Transformation (KLM- Transformation) der magnetischen Feldverteilungskarten und der Berechnung der nicht-dipolaren Beiträge in jeder Karte. Manchmal werden auch andere quantitative Parameter verwendet. Daneben wurden einige andere Ansätze der magnetischen Kartographie in verschiedenen Aufsätzen beschrieben. So wurde in einem Aufsatz simultan mit den traditionellen Karten einer magnetischen Feldverteilung Karten ver wendet, die eine räumliche Verteilung eines quantitativen Indexes darstellt, der die Zerlegung eines QRS-Komplexes in jedem Punkt eines Meßgitters widerspiegelt. Dies erhöht die Genauigkeit der Untersuchung bei Patienten mit VT. Die räumliche Vertei lung des QT-Intervalls und die Dauer seiner Teile verbunden mit der Berechnung eini ger Glattheits-Indizes wird in einem anderen Aufsatz beschrieben. Der Zweck all dieser verschiedenen Indizes ist der selbe, nämlich eine quantitative Inhomogenitätsgradab schätzung der magnetischen Feldverteilungskarten und damit - bis zu einem gewissen Grad - der Welle, die dieses Feld produziert, anzugeben.

Dabei ist es jedenfalls notwendig, zu verstehen, daß die Abschätzung der elek trischen Phänomene im Myocardium auf Basis der magnetischen Feldverteilung keine direkte Abschätzung ist.

Eine mehr unmittelbare und physiologisch wertvollere Information kann aus der MCG-Analyse auf Basis der Lösung des inversen elektrodynamischen Problems ge wonnen werden. Lösung des inversen elektrodynamischen Problems betreffend die Kardiologie meint die Rekonstruktion der elektrischen Ereignisse im Herzen auf Basis der auf der Oberfläche eines menschlichen Körpers ausgeführten Messungen. Im Fall der MCG wird die Messung nicht auf der Oberfläche eines Körpers, sondern oberhalb der Oberfläche in einer Meßebene ausgeführt.

Es ist grundsätzlich unmöglich, die Eigenschaften elektrischer Quellen im Her zen, die das EKG erzeugen, allein auf der Basis dieses EKGs zu berechnen. Es wurde bereits gesagt, daß die Leitfähigkeit von Geweben und die Form eines Körpers einen wesentlich geringeren Einfluß auf das MCG (verglichen mit dem EKG) besitzt, so daß die räumliche Auflösung von MCG wesentlich größer ist als die von EKG. Deshalb er laubt ein Magnetokardiogramm die wesentlich präzisere Lösung des inversen Pro blems, obwohl die auf Basis eines MCG rekonstruierten Quellen mit Sicherheit ideali siert und nicht komplett mit den tatsächlichen übereinstimmen.

Es gibt wenigstens drei Ebenen der Nachbildung und Darstellung bioelektri scher Quellen im Herzen.

Die erste Ebene ist eine Darstellung einer Quelle als äquivalenter Dipol. Dabei wird angenommen, daß die gesamte elektrische Aktivität des Herzens in einem Punkt fokusiert ist. Eine solche Darstellung bedeutet nicht, daß das Herz tatsächlich eine Punktquelle ist. Es bedeutet, daß die Resultate seiner Aktivität auf der Oberfläche ei nes Körpers äquivalent zu den Effekten sind, die gemessen werden könnten, wenn eine Punktquelle präsent wäre. Eine solche Darstellung der Quelle dient als Warneh mungsbasis einer Vector-Kardiographie. Es ist klar, daß es nicht erlaubt, die eigenen Aktivitäten verschiedener Teile des Herzens zu bestimmen.

Die zweite Ebene der Datendarstellung auf Basis der Lösung des inversen Pro blems ist die Rekonstruktion der Quellen in Form von Ladungsverteilungen in einer Schicht. Dabei können zwei Ansätze verwendet werden. Der erste Ansatz besteht in der Interpretation einer magnetischen Feldquelle als eine Karte der Verteilung von La dungsdichtevektoren, der zweite Ansatz erlaubt es, eine Karte von festen Ladungslini en zu zeichnen und ist vielversprechender. Da Bild der Ladungsverteilung erlaubt be reits die simultane Abschätzung der Charakteristiken verschiedener Quellen und der Anregung verschiedener Teile des Herzens.

Schließlich besteht die dritte Ebene in der Rekonstruktion einer räumlichen, dreidimensionalen bioelektrischen Quelle, d. h. die Wiederherstellung von Quellen die der Realität am nächsten kommen. Es ist jedoch klar, daß die Rekonstruktion von drei dimensionalen Quellen die Anwendung höchstkomplizierter physikalischer Modelle und mathematischer Algorithmen erfordert.

Die Bestimmung der Position einer Punktquelle im Moment des Anfangs eines ectopischen QRS-Komplexes wird angewandt um den Ursprungsort ventrikularer Ar hythmie zu bestimmen, und das selbe Verfahren wird in der Delta-Welle zur zusätzli chen Lokalisation des Pfades angewandt. Die Stärke des effektiven Dipols im R- Maximum-Punkt wurde auch angewandt als Kriterium zur Abschätzung des Risikos von Abstoßungen nach Herztransplantationen.

Andere Parameter des effektiven Dipols - seiner Orientierung in einer Fron tebene in charakteristischen Momenten des Kardiozyklus - werden als Kriterium für Patienten bei der Ischemie-Diagnose verwendet. In unserer Sicht können sehr wert volle Informationen aus der Abschätzung des Dipol-Verhaltens nicht nur in bestimmten charakteristischen Momenten des Kardiozyklus, sondern während des gesamten An regungsprozesses gewonnen werden. So ist z. B. die Form der Kurven der Dipol- Orientierung und die Stärke während des QR-Intervalls ein empfindlicher Marker für MI. In unseren Aufsätzen analysieren wir die Kurven äquivalenter Dipol-Tiefen während der ventrikularen Anregung, d. h. den Charakter der Dipol-Bewegung in einer Vorwärts- Rückwärtsrichtung. Wir gehen davon aus, daß zu einem gewissen Grad die Kurve die Verteilung der Quellen in einer sagittalen Ebene wiedergibt, was üblicherweise außer halb der Analyse verbleibt, da MCG üblicherweise nur in einer frontalen Ebene regi striert wird. Deshalb ist es möglich, die gemeinsame Analyse von Feld-(oder La dungs-)Verteilungskarten und die Kurve von einer Quellentiefe als vereinfachte Analy se einer dreidimensionalen Ladungsverteilung anzusehen. Wie erwartet erscheint die Analyse sehr informativ für die Diagnose von MI einschließlich Nicht-Q MI zu sein.

Die Analyse der Verteilungskarten der Ladungs-Dichtevectoren oder Ladungsli nien gibt zusätzliche Optionen im Vergleich zu den vorangehenden Analyseebenen. Es ist wichtig zu bemerken, daß diese Niveaus der Analyse charakteristisch nur für MCG sind und, sofern wir wissen, keine Analogie in der EKG-Diagnose hat. Sie ermöglicht es, ein Bild der Ladungsverteilungen im Myocardium einschließlich der sogenannten "Verletzungsströme" zu visualisieren.

Anwesenheit und Richtung dieser Ströme wird visuell abgeschätzt. Als eine quantitative Abschätzung der Stromverteilung wird der Stromdichtewert verwendet, z. B. in der Spitze des QRS-Komplexes. Wir analysieren die Kurven der maximalen und der durchschnittlichen Stromdichte in jeder Karte während des gesamten Kariozyklus. Eine solche Analyse erscheint sehr brauchbar für die verschiedenen Formen der Ischemie.

Erfindungsgemäß wird ferner ein automatsiches Verfahren vorgeschlagen, daß dem Arzt die Möglichkeit zur Verfügung stellt, die Anzahl, Richtung, Intensität und Grö ße von Stromwirbeln in jedem Moment des Kardiozyklus abzuschätzen und damit ihr Verhalten während der Depolarisation oder Repolarisation.

Zweckmäßig ist es, parallel zur Magnetokardiographie es notwendig ist, ein Herz-Visualisierungsverfahren anzuwenden, wie z. B. Röntgen, Computertomographie, Kernspinresinanztomographie usw.. Welches dieser Verfahren gewählt werden sollte hängt von den Anforderungen an die detaillierte Auflösung der anatomischen Informa tionen ab, die wiederum von der konkreten klinischen Aufgabe abhängt. Die Erfahrung zeigt, daß es in den meisten Fällen ausreicht, einfaches Röntgen anzuwenden oder daß es sogar möglich ist, überhaupt keine Herz-Visualisierungsverfahren anzuwenden, ohne daß es zu einer Reduzierung des Wertes der MCG-Untersuchung käme.

Bei der Analyse gemäß Tabelle 1 ist jede aufeinanderfolgende Stufe der Analy se spezifiziert und entwickelt weiter die Informationen, in der vorangehenden Stufe erhalten wurden. Beispielsweise wäre die Sensitivität des Algorithmus bei der Diagno se von IHD, wenn man nur die Analyse der magnetischen Feldverteilungskarten an wendete, 86%. Falls man zusätzlich dazu die Analyse basierend auf der Lösung des inversen Problems anwendete, erhöhte sich die Sensitivität auf 94%.

Die Form der medizinischen Schlußfolgerung, die von dem Magnetokardiogra phologen gemacht und an den Kliniker weitergeleitet wird, ist sehr bedeutend. Es wer den Schlußfolgerungen verwendet, die aus zwei Teilen bestehen. Im ersten Teil wer den quantitative und halb-quantitative Charakteristiken des aktuellen MCG angegeben (Homogenität der Karten, Richtung des ECD und der Vectoren der Stromdichte, Stromdichtewerte usw.).

Im zweiten Teil der Schlußfolgerung werden die entdeckten Veränderungen mit physiologischen Schlüssen oder Typen von Herzkrankheiten automatesch in Bezie hung gesetzt, z. B.: ". . . Störungen, die während der ventrikularen Repolarisation wur den, zeugen von hoher (mittlerer, geringer) Wahrscheinlichkeit von IHD" oder ". . . von einem hohen Risiko des Auftretens von Arithmien" oder "im Vergleich mit vorangehen den MCG zeigen sich signifikante positive Veränderungen, die die Effizienz einer anti anginalen (antiarithmischen) Therapie bestätigen".

Sicher ist das vorgeschlagene Interpretationsschema und die Form der Schlüs se nicht komplett oder das einzig mögliche. Jedes Interpretationsniveau und die sepa raten Parameter erfordern eine detaillierte Analyse aus Sicht der Informationstheorie. Nach allem wird es möglich, einen Satz von formalisierten Entscheidungsregeln für die Diagnose verschiedener Herzzustände auf Basis MCG-Daten anzugeben.

Es steht ohne Zweifel, daß die Entwicklung und Standardisierung eines Sche mas für die medizinische Interpretation von MCG eine der bedeutendsten notwendigen Bedingungen für eine breite Anwendbarkeit des Verfahrens ist.

Jedenfalls ist es bereits jetzt möglich, anzuerkennen, daß die geschaffenen Kriterien und die Interpretationsschemata die Anwendung von MCG als reales und wirklich nützliches diagnostisches Werkzeug anzuerkennen.

Im allgemeinen können alle Kriterien in vier Gruppen eingeteilt werden. Inner halb der Gruppen sind sie in der Reihenfolge aufsteigender Analysestufen angeordnet.

Gruppe 1 Kriterien zur Abschätzung des Signal-Rausch-Verhältnisses

A) Visuelle Abschätzung der Hochfrequenz-Niedrig-Amplitude-Wellen entlang durchschnittlicher MCG-Kurven.

Gruppe 2 Kriterien für die Abschätzung der Anregungshomogenität

A) Visuelle Abschätzung der Verschiedenheit der magnetischen Feldkarten.
B) Quantitative Analyse der Anzahl von Extrema. Dabei ist der Normalwert - nicht mehr als drei Extrema in jeder Karte.
C) Koeffizient der Homogenität (CH). Der Normalwert ist nicht mehr als 0,95.
D) D*. δ_min/max während des ST-T-Intervalls (min/max-Verhältnis der maximalen negativen Ex tremwerte zu den minimalen negativen Extremwerten zu jedem Zeitpunkt). Der Nor malwert ist nicht größer als 0,15.
E) E*. δZ₀ während ST-T-Intervall (Z₀-Tiefe der effektiven Dipole in jedem Zeit punkt). Der Normalwert ist nicht mehr als 0,20.
F) Visuelle Abschätzung der Ungleichheit der Stromverteilungskarten.
G) G*. Quantitative Analyse der Stromwirbelanzahl. Der Normalwert ist nicht mehr als drei Wirbel in jeder Karte.

Die hauptsächliche klinische Signifikanz der Gruppe von Kriterien ist die Be stimmung von Herzstörungen im allgemeinen und im besonderen die Bestimmung des Risikos von kardialer Arithmie und die Abschätzung der Effektivität einer Antiarithmi schen Therapie.

Gruppe 3 Kriterien für die Analyse der Anregung der Richtung der Wellenfron tausbreitung

A) Visuelle Abschätzung der ungefähren Richtung der entsprechenden Strom dipole basierend auf den magnetischen Feldverteilungskarten.
B) B*. Quantitative Analyse der entsprechenden Stromdipolrichtung basierend auf den magnetischen Feldverteilungskarten. Die Normale Richtung während des ST-T- Intervalls ist nach links unten (während nicht mehr als 2/3 der Dauer des ST-T- Intervalls). Die Normale Richtung während des QRS-Komplexes besteht aus drei Pha sen: 1. Phase nach rechts unten, 2. Phase nach links unten, 3. Phase nach oben.
C) C*. Analyse der effektiven Dipoltiefe.
Normaler Parameter während des ST-T-Intervalls - die Tiefe im J-Punkt sollte haupt sächlich in dem Intervall liegen.
Normaler Parameter während des QRS-Komplexes - vier unterschiedliche Bewegun gen eines Dipols in der Tiefe existieren. Die erste Bewegung ist vorwärts gerichtet, die zweite Bewegung (die hauptsächliche) ist rückwärts gerichtet, die dritte Bewegung ist vorwärts gerichtet, die vierte Bewegung ist rückwärts gerichtet.
D) Visuelle Abschätzung der Richtung der Stromausbreitung basierend auf den Karten der Stromlinien und den Karten der Stromdichtevectoren.
E) E*. Quantitative Analyse der Ausbreitungsrichtung des Stroms basierend auf den Karten der Stromlinien und den Karten der Stromdichtevectoren.
Normale Richtung während des ST-T-Intervalls ist nach links unten (während nicht mehr als 2/3 der Dauer des ST-T-Intervalls).
Normale Richtung während des QRS-Komplexes besteht aus drei Phasen: 1. Phase nach rechts unten gerichtet, 2. Phase nach links unten gerichtet, 3. Phase nach oben gerichtet.

Die hauptsächliche klinische Signifikanz dieser Gruppe von Kriterien ist die Be stimmung von Herzstörungen im allgemeinen, insbesondere die Diagnose verschiede ner Formen der Ischemie und die Abschätzung der Effizienz einer antiischemischen Therapie.

Gruppe 4 Kriterien für die Analyse absoluter und relativer Intensität des elektri schen Prozesses im Myocardium

1. A*. Analyse der relativen Vorkammern zur ventrikularen elektrischen Aktivität (P/QRS-Integralverhältnis). Der Normalwert - nicht mehr als 0,13.
2. B*. Analyse der Stromdichtewerte.
Normalwerte sind:
- - das Verhältnis der Stromdichte im Zeitpunkt 80 msec nach ST-Einsatz zur Strom dichte im J-Punkt sollte nicht kleiner als 2,5 sein,
- - das Verhältnis der Stromdichtewerte am R-max-Punkt zu dem am T-max-Punkt sollte nicht größer als 3,5 sein.

Die hauptsächliche klinische Signifikanz dieser Kriteriengruppe ist die Bestim mung von Herzstörungen im allgemeinen, insbesondere die Diagnose verschiedener Formen der Ischemie und des Herzversagens, sowie die Abschätzung der Thera pieeffizienz.

Die große Anzahl und Struktur der Kriterien spiegelt die vielen Aspekte der im MCG enthaltenen Informationen und auch die historische Richtung der Softwareent wicklung wieder: von der morphologischen Analyse der MCG-Kurven zur Lösung des zweidimensionalen inversen Problems.

Jetzt werden in der praktischen Arbeit alle oben genannten Sätze verwendet. Manchmal gibt es bei der Analyse des MCG von einigen Patienten Inconsistenzen zwi schen diesen Kriterien (beispielsweise entspricht ein Indikator der Norm, während ein anderer einen abnormalen Wert zeigt). Das ist der Grund, warum es notwendig ist, basierend auf diskreminater Clusteranalyse oder anderen mathematischen Methoden für die Mustererkennung sorgfältig die informativen Möglichkeiten jedes Indikators zu bestimmen und sodann einen Satz von formalisierten Lösungsregeln für verschiedene klinische Aufgaben anzugeben, die automatisch arbeiten können. Dann wird es mög lich, einige Kriterien zurückzuweisen.

Diagnostische Kriterien für die Diagnose myocardialer Ischemie unter Verwen dung magnetocardiographischer Daten

Qualitative Analyse der Karten der Verteilung des ventrikularen magetischen Repolarisationsfeldes

- gemäß der Rechte-Hand-Regel wird die ungefähre Richtung der entsprechen den Stromdipole in jeder Karte bestimmt und ihr Abweichen von der normalen Richtung nach links unten ermittelt,
- die Anwesenheit zusätzlicher Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungs karte wird ermittelt.

Quantitative Analyse der ventrikularen magnetischen Repolarisationsfeldver teilungskarten

- Die Ordnungszahl der Karte wird bestimmt ausgehend von derjenigen, in wel cher die Richtung des äquivalenten ventrikularen Repolarisations-Stromdipols stabil normal wurde, d. h. nach links unten zeigte (während nicht mehr 1/3 der ST-T- Intervalldauer, wobei je größer die Ordnungszahl der genannten Karte desto größer die Schwere der Ischemie).
- Dauer der Existenz zusätzlicher Extrema während des Repolarisationsprozes ses wird abgeschätzt (nicht mehr als 1/3 der Dauer des ST-T-Intervalls, je größer die Dauer der Existenz zusätzlicher Extrema, desto größer die Schwere der Ischemie).

Analyse der effektiven Dipol-Parameter innerhalb des ST-T-Intervalls

- Die effektive Dipol-Tiefe in J-Punkt wird abgeschätzt (die Tiefe in diesem Punkt sollte die größte innerhalb des ST-T-Intervalls sein).

Qualitative Analyse der ventrikularen Repolarisations-Spannungslinien und Dichtevectorkarten

- Die ungefähre Richtung der meisten Stromdichtevectoren in jeder Karte wird abgeschätzt und ihr Abweichen von der normalen Richtung nach links unten bestimmt.
- Die Anwesenheit zusätzlicher Stromwirbel in jeder Stromlinienkarte wird ermit telt.

Quantitative Analyse der vetrikularen Repolarisations-Spannungslinien und Dichte-Vectorkarten

- Die Ordnungszahl der Karte wird bestimmt, ausgehend von der Karte, in wel cher die Richtung der meisten Stromdichtevectoren stabil normal, d. h. nach links unten gerichtet, wurde (nicht mehr als 1/3 der Dauer des ST-T-Intervalls, je größer die Kar tenordnungszahl, desto größer die Schwere der Ischemie).
- Die Dauer der Existenz zusätzlicher Spannungswirbel wird ermittelt (nicht mehr als 1/3 der Dauer des ST-T-Intervalls, je größer die Dauer der Existenz zusätzlicher Spannungswirbel, desto größer die Schwere der Ischemie).

Quantitative Stromdichte-Parameter innerhalb des ST-T-Intervalls

- Das Verhältnis der Stromdichte im Zeitpunkt 80 msec nach ST-Einsatz zur Stromdichte im J-Punkt wird bestimmt (es sollte nicht kleiner als 2,5 sein).
- Das Verhältnis der Stromdichtewerte im R-max-Punkt zu dem im T-max-Punkt wird berechnet (es sollte nicht größer sein als 3,5).

Jede nachfolgende Stufe der Analyse ergänzt die Informationen aus der voran gehenden Stufe und weitet diese aus.

Auf der Basis aller oben genannten Kriterien wird der Schluß über das Vorlie gen und die Schwere der myocardialen Ischemie gezogen.

Es werden folgende vorteilhafte Weiterbildungen vorgeschlagen. Zwei von ih nen sind die grundlegenden und offenbaren einen "Instrumentensatz" für die umfang reiche Analyse der ventrikularen Repolarisation bzw. Depolarisation. Zwei weitere Pa tente sind der Unterscheidung der bedeutendsten Herzkrankheiten gewidmet: chroni sche Ischemie und dem myocardialen Infarkt. In der Zukunft wird es möglich sein, dia gnostische Verfahren für einige andere Herzkrankheiten anzugeben.

1. Verfahren zur Evaluation der ventrikularen Repolarisation unter Verwendung magnetocardiographischer Daten
2. Das Problem ist das folgende: die Bestimmung der elektrophysikalischen Eigenschaften der ventrikularen Repolarisation, die die größte Signifikanz besitzen, unter Verwendung der Magnetocardiographie, wobei die Eigenschaften als Kriterium für die Separation von normalen und pathologischen Funktionszuständen des Herzens und zur Formulierung von Schlüssen über bestimmte Herzkrankheiten dienen können.

Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf verschiedenen aufeinanderfolgen den Stufen der MCG-Analyse: visuelle qualitative und quantitative Analyse der magne tischen Feldverteilungskarten, Analyse der effektiven Stromdipollokalisation, qualitative und quantitative Kriterien der Stromverteilung. All diese Schritte erlauben es, eine um fassende, akkurate und vielseitige Abschätzung der Homogenität der Anregung, der Richtung der Ströme, der Leistungscharaktertistik der Anregung in jedem Zeitpunkt und das Verhalten all dieser Parameter während des gesamten Repolarisationsprozesses auszuführen. Neben diesen Kriterien erlaubt es die Analyse der effektiven Dipoltiefe nicht nur zweidimensionale Verteilungen einer Quelle, sondern, bis zu einem gewissen Grad, ihre dreidimensionale Verteilung zu erhalten.

Wesentlich neue Innovationen der angebotenen Erfindung sind:

a) aufeinanderfolgende Anwendungen verschiedener Stufen der MCG-Analyse.
b) Abschätzung der Richtungsänderungen des äquivalenten Stromdipols auf den ma gnetischen Feldverteilungskarten und auf den Karten der Stromlinienverteilung wäh rend der Repolarisation.
c) Abschätzung der effektiven Dipoltiefenkurve.
d) Auf einer Abschätzung der Leistungscharakteristik basierende Kriterien (Kurven ma ximaler und durchschnittlicher Dichte eines Stroms während der Repolarisation).

Alle oben genannten Kriterien erlauben es, den ventrikularen Repolarisations prozeß umfassender, detaillierter und genauer abzuschätzen und auf dieser Basis Schlüsse über den funktionalen Zustand des Myocardiums zu ziehen.

Verfahren zur Evaluation der ventrikularen Depolarisation unter Verwendung magnetocardiographischer Daten

Das Problem ist das folgende: Bestimmung der signifikantesten elektrophysika lischen Eigenschaften der ventrikularen Depolarisation unter Verwendung der Magne tocardiographie, die als Kriterien für die Unterscheidung von normalen und Pathologi schen Funktionszuständen des Herzens und auch zur Gewinnung von Aussagen über verschiedene Herzkrankheiten dienen können.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Evaluation der ventrikularen Depolarisation, nämlich: Verfahren der späten Felder, Verfahren der visuellen Abschätzung momenta ner magnetischer Feldverteilungskarten und zeitlich integrierter Karten, Verfahren der qualitativen und quantitativen Evaluation von Residuen-Karten, Verfahren der Evalua tion der effektiven Stromdipol-Parameter, Verfahren der Stromdichteberechnung.

Das erste dieser Verfahren repräsentiert die Spektralanalyse des letzten Teils des QRS-Komplexes, vergleichbar mit der Analyse der späten Potentiale beim EKG. Das zweite Verfahren stellt die Analyse der wechselseitigen Anordnung von positiven und negativen Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte. Das dritte Verfah ren stellt einer visuelle und quantitative Abschätzung der Unterschiede zwischen der aktuellen Karte und einer rekonstruierten normalen Karte dar. Das vierte Verfahren stellt eine Abschätzung der Orientierung und Stärke der Stromdipole während des QR- Intervalls dar. Das fünfte Verfahren stellt eine Abschätzung der Stromdichteverteilung und der Werte in den QRS-maximum-Vectoren zu den verschiedenen Zeitpunkten der Depolarisation dar.

Jedes dieser bekannten Verfahren erlaubt die Abschätzung nur eines Aspektes der ventrikularen Depolarisation: Homogenität der Anregung oder Richtung der äqui valenten Stromdipole oder Stromdichte in definierten Zeitpunkten der Depolarisation. Deshalb gibt es keine quantitativen Kriterien, die es erlaubten, den Depolarisationspro zeß nicht nur in diskreten Zeitpunkten, sondern während des gesamten Prozesses abzuschätzen. Jedes dieser Verfahren basiert nur auf einer Stufe der Analyse: auf den magnetischen Feldverteilungskarten oder den Parametern effektiver Dipole oder den Stromdichte-Verteilungskarten.

Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf verschiedenen aufeinanderfolgen den Stufen der MCG-Analyse: visuelle qualitative und quantitative Analyse der magne tischen Feldverteilungskarten, Analyse der Lokalisation effektiver Stromdipole, qualita tive und quantitative Kriterien der Stromverteilung. All diese Schritte erlauben es, eine umfassende, genaue und vielseitige Abschätzung der Homogenität der Anregung, der Richtung der Ströme, der Leistungscharakteristik der Anregung in jedem Zeitpunkt und das Verhalten all dieser Parameter während des gesamten Depolarisationsprozesses. Daneben erlauben es die auf der Analyse der effektiven Dipoltiefe basierenden Kriteri en, nicht nur die zweidimensionalen Verteilungen einer Quelle, sondern, bis zu einem gewissen Grade, auch deren dreidimensionale Verteilungen zu erhalten.

Wesentliche neue Innovationen der angebotenen Erfindung sind:

a) konsekutive Anwendung verschiedener Stufen der MCG-Analyse.
b) Abschätzung der Richtungsänderungen der äquivalenten Stromdipole auf magneti schen Feldverteilungskarten und auf Karten der Stromlinienverteilung während der Depolarisation.
c) Abschätzung der effektiven Dipoltiefenkurven.
d) Kriterien, die auf einer Leistungscharakteristikabschätzung (Kurven der maximalen und der durchschnittlichen Dichte eines Stroms während der Depolarisation) während des gesamten Depolarisationsprozesses beruhen.

Alle oben genannten Kriterien erlauben es, den ventrikularen Depolarisations prozeß umfassender, detaillierter und genauer abzuschätzen und auf dieser Basis Schlüsse über den funktionalen myocardialen Zustand zu ziehen.

Verfahren zur Diagnose myocardialer Ischemie unter Verwendung magnetocar diographischer Daten bei Patienten mit nicht-verändertem Ruhe-EKG

Das Problem ist das folgende: MCG-Bestimmung der elektrophysikalischen Eigenschaften der ventrikularen Repolarisation, die von myocardialer Ischemie her rührt. Dies ist besonders bedeutend bei Patienten mit nicht-informativen EKG.

Es gibt zwei Verfahren zur MCG-Ischemie-Diagnose bei Patienten mit nicht- verändertem EKG, nämlich: Verfahren der visuellen Abschätzung magnetischer Feld verteilungskarten und Evaluationsverfahren der effektiven Stromdipolparameter. Das erste dieser Verfahren stellt eine visuelle Abschätzung der Quantität und Anordnung der magnetischen Extrema und der Richtung der Dipole in verschiedenen Momenten während der Repolarisationsperiode dar.

Das zweite Verfahren stellt eine Abschätzung der Richtung und der Stärke der Stromdipole in definierten Momenten des Kardiozyklus dar.

Nachteil der ersten dieser Verfahren ist die Tatsache, daß nur die räumliche Verteilung des magnetischen Feldes erhalten werden kann ohne Berücksichtigung der Richtung der Dipole und der Leistungsckarakteristik. Umgekehrt berücksichtigt das zweite Verfahren nicht die räumliche Verteilung eines magnetischen Feldes. Gemein samer Nachteil dieser beiden Verfahren ist das Fehlen quantitativer Kriterien, die es erlaubten, den Repolarisationsprozeß nicht nur in einem diskreten Zeitpunkt, sondern während des gesamten Prozesses abzuschätzen. Diese Verfahren sind nicht in der Lage, die Schwere der Ischemie abzuschätzen. Jedes von ihnen erlaubt es lediglich, nur einen Aspekt der ventrikularen Repolarisation abzuschätzen: die Homogenität der Anregung oder die Richtung der äquivalenten Stromdipole und die Stärke in bestimm ten Momenten der Repolarisation.

Das angebotene Verfahren basiert auf verschiedenen aufeinanderfolgenden Stufen der MCG-Analyse: visuelle qualitative und quantitative Analyse der magneti schen Feldverteilungskarten, Analyse der Lokalisation der effektiven Stromdipole, qua litative und quantitative Kriterien der Stromverteilung. Alle diese Schritte erlauben es, eine umfassende, genaue und vielseitige Abschätzung der Anregungshomogenität, der Richtung der Ströme, der Leistungscharakteristik der Anregung in jedem Zeitpunkt und des Verhaltens all dieser Parameter während des gesamten Repolarisationsprozesses. Daneben erlauben es die auf der Analyse der effektiven Dipoltiefe basierenden Kriteri en nicht nur zweidimensionalen Verteilungen einer Quelle, sondern, bis zu einem ge wissen Grad, auch deren dreidimensionale Verteilungen zu erhalten. Dies macht es möglich, die Sensitivität und Spezifität eines Verfahrens signifikant zu verbessern und nicht nur das Vorliegen einer Ischemie zu diagnostizieren, sondern auch ihren Grad abzuschätzen.

Wesentliche neue Innovationen der angebotenen Erfindung sind:

a) aufeinanderfolgende Anwendung verschiedener Stufen der MCG-Analyse.
b) Abschätzung der Richtungsänderungen der äquivalenten Stromdipole auf magneti schen Feldverteilungskarten und auf Karten der Verteilung der Stromlinien während der Repolarisation.
c) Evaluation zusätzlicher Extrema und der Strombereichs-Lebenszeit während der Repolarisation.
d) Abschätzung der effektiven Dipoltiefenkurven.
e) Kriterien basierend auf einer Abschätzung der Leistungscharakteristiken (Kurven der maximalen und der durchschnittlichen Dichte eines Stroms während der Repolarisati on).

Alle oben genannten Kriterien erlauben es, die Sensitivität und Genauigkeit der Diagnose myocardialer Ischemie mittels MCG bei Patienten mit nicht-verändertem EKG signifikant zu verbessern.

Verfahren zur Diagnose myocardialer Nekrose unter Verwendung magnetocar diographischer Daten

Das Problem ist das folgende: Bestimmung der myocardialen Nekrose, die von einem myocardialen Infarkt herrührt, d. h. Entwicklung von MCG-Äquivalenten der myo cardialen Nekrose.

Es gibt verschiedene Verfahren der Evaluation myocardialer Nekrose unter Verwendung von MCG, nämlich: Verfahren der morphologischen Analyse des QRS- Komplexes, Verfahren der visuellen Abschätzung verzögerungsfreier magnetischer Feldverteilungskarten und zeitlich integrierter Karten, Verfahren der qualitativen und quantitativen Evaluation von Residuenkarten, Evaluationsverfahren der effektiven Stromdipolparameter, Verfahren der Berechnung von Stromdichten.

Das erste Verfahren stellt die Abschätzung des QRS-Komplex-Typus in ver schiedenen Meßpunkten dar, äquivalent zur Standard EKG-Analyse.

Das zweite Verfahren stellt die Analyse der wechselseitigen Anordnung von positiven und negativen Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte dar. Das dritte Verfahren stellt eine visuelle und quantitative Abschätzung der Unterschiede zwi schen der aktuellen Karte und einer rekonstruierten normalen Karte dar. Das vierte Verfahren stellt eine Abschätzung der Richtung und Stärke der Stromdipole während des QRS-Intervalls dar. Das fünfte Verfahren stellt eine Abschätzung der Stromdichte verteilung und der Werte in den QRS-Maximum-Vectoren zu verschiedenen Zeitpunk ten der Depolarisation dar.

Jedes dieser Verfahren erlaubt es, nur einen Aspekt der ventrikularen Depolari sation abzuschätzen: Homogenität der Anregung oder Richtung der äquivalenten Stromdipole oder Stromdichte in definierten Zeitpunkten der Depolarisation. Deshalb gibt es keine quantitativen Kriterien, die es erlaubten, den Depolarisationsprozeß nicht nur in den bestimmten Zeitpunkten, sondern während des gesamten Prozesses abzu schätzen. Jedes dieser Verfahren basiert nur auf einer Stufe der Analyse: auf magneti schen Feldverteilungskarten oder effektiven Dipolparametern oder Stromdichtevertei lungskarten. Nur das zweite Verfahren wird zur Diagnose des Nicht-Q-Infarktes, also bei Patienten mit nicht-informativem oder zweifelhaftem EKG verwandt.

Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf verschiedenen aufeinanderfolgen den Stufen der MCG-Analyse: visuelle qualitative und quantitative Analyse der magne tischen Feldverteilungskarten, Analyse der Lokalisation der effektiven Stromdipole, qualitative und quantitative Kriterien für die Stromverteilung. All diese Schritte erlauben eine umfassende, genaue und vielseitige Abschätzung der Homogenität der Anregung, der Richtung der Ströme, der Leistungscharakteristik der Anregung in jedem Zeitpunkt das Verhalten all dieser Parameter während des gesamten Depolarisationsprozesses. Daneben erlauben es die auf der Analyse der effektiven Dipoltiefe basierenden Kriteri en nicht nur, die zweidimensionale Verteilung einer Quelle, sondern, bis zu einem ge wissen Grade, auch deren dreidimensionale Verteilung zu erhalten.

Die wesentlichen neuen Innovationen der angebotenen Erfindung sind:

a) aufeinanderfolgende Anwendung verschiedener Stufen der MCG-Analyse.
b) Abschätzung der Richtungsänderungen der äquivalenten Stromdipole auf magneti schen Feldverteilungskarten und auf Karten der Stromlinienverteilung während der Depolarisation.
c) Abschätzung der effektiven Dipoltiefenkurven.
d) Kriterien basierend auf der Abschätzung der Leistungscharakteristik (Kurven der maximalen und durchschnittlichen Dichte eines Stroms während der Depolarisation) während des gesamten Depolarisationsprozesses.

Alle oben genannten Kriterien erlauben es, die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Diagnose myocardialer Nekrose mittels MCG signifikant zu verbessern.

In der Fig. 1 sind nach Art eines Flußdiagramm die wichtigstens Schritte bei der Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 gezeigt.

Zur Berechnung der Quellen eines erfaßten biomagnetischen Feldes werden zwei parallele z. B. quadratische Flächen betrachtet, die um den Abstand h voneinan der entfernt sind. Die "obere" Fläche S_m wird als Meßebene bezeichnet, die "untere" Fläche S_s als Quellenebene. Das magnetische Feld wird durch Gradiometer zweiter Ordnung erfaßt, daß überhalb der Meßebene so plaziert siind, daß die aufnehmende Spule (Pick-up-Coil) in der Meßebene liegt. Die Messung eines Signals erfolgt an den überlappenden Zentren eines Pick-up-Coils mit n × n Knoten in dieser Ebene. Das Gitter von m × m Knoten wird auf S_s gewählt.

Die Integralgleichung (IE) Ax = y wird gelöst, wobei die Koeffizienten einer Matrix a_ij, i = 1, n², j = 1, m² definiert werden durch den Ausdruck s = s₁ - 2s₂ + s₃. Die Komponenten s₁ - 2s₂ + s₃ sind vertikale (z) Komponenten der magnetischen Induktion in den Punkten Q_i, Q'_i, Q"_i, wobei Q_i ein Knoten des Gitters und die Punkte Q'_i, Q"_i oberhalb von S_m in den beiden Distanzen b und 2b sind, wobei b die Baselinedes Gradiometers ist. Der Koeffizient a_ij hängt auch von der Position eines Knotens Mj auf einem Gitter S_s ab. Der rechte Teil der Gleichung stellt die Verteilung in den Knoten Q_i eines Signals eines Gradiometers dar.

Nach Lösung von IE mit Hilfe der SV-Dekomposition einer Stromfunktion oder einer Verteilung der magnetischen Momente erhält man õ in einer Quellenebene. Sei ne Isolinien sind Stromlinien. Die Verteilung der Stromdichtevectoren findet man mittels der Formel j = [grad x, n].

Für die Definition der Abstände zwischen Ebene S_s und S_m - d. h. die "Tiefe" - geht man wie folgt vor: Man löst das Problem für die Werte h_k, k = 1, p und bestimmt eine Position auf einer Ebene S_s, für welche die Norm ||x_k*||/(x_i)_max minimal ist. Der gefun dene Wert h_k* wird verbessert durch Führen einer Parabel durch die Punkte h_k*-1, h_k*, h_k*+1 und Berechnen einer Position eines Minimums dieser Parabel.

Tabelle 1

Claims

1. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten bio magnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Daten, umfassend die folgenden, auf einer Oberflächendichte magnetischer Momente (Schicht magneti scher Dipole) oder, was äquivalent hierzu ist, einer Funktion der Ströme als physikali sches und mathematisches Modell der Quellen eines biomagnetischen Feldes beru henden Schritte:

- Aufstellen einer die Oberflächendichte der magnetischen Momente betreffen den Integralgleichung, deren rechtes Glied die von einem Gradiometer gemessene zweite Ableitung der magnetischen Feldinduktion in Normalenrichtung zur Meßebene (∂²B_z/∂z²) darstellt;
- Bestimmen analytischer Ausdrücke für Faktoren einer Matrix A, die den inte gralen Operator dier genannten Intergralgleichung annähert, und Berechnung dieser Matrix;
- Interpolation der gemessenen Werte der Funktion y = ∂²B_z/∂z² in den Knoten ei nes vorzugsweise klein dimensionierten Gitters;
- Lösung gemäß Tickhonov eines linearen algebraischen Gleichungssystems Ax = y, wobei x die Oberflächendichte der magnetischen Momente ist;
- Aufbau einer Niveaulinienkarte der Oberflächendichte der magnetischen Mo mente oder, was äquivalent hierzu ist, einer Stromlinienkarte und Auslesen der Karte in eine Speichereinheit oder eine Ausgabeeinheit.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradienten der Oberflächendichte der magnetischen Momente automatisch berechnet und eine Karte der Stromdichten aufgebaut und in eine Speichereinheit oder eine Ausgabeeinheit ausgelesen wird.

3. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten bio magnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Daten, insbeson dere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ausgewählte Daten nach vorgegebenen Kriterien automatisch mit wenigstens einem vordefinierten Nor malwert verglichen werden und daß bei Abweichung der Daten von dem Normalwert um ein vorgegebenes Maß ein auf einer Ausgabeeinrichtung ausgebbares die Abwei chung signalisierendes Signal erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Größe der Felder unter der P-Welle und dem QRS-Komplex berechnet werden. Die Größe dieser Felder spiegelt die Energie wider, die während der Anregung der Vorkammern und Ventriculi des Herzens erzeugt wird. Ferner kann das Verhältnis dieser Felder berechnet werden, um so die elektrische Aktivität der Vorkammern im Vergleich zu elektrischen Aktivität der Ventrikel abzuschätzen. Es hat sich gezeigt, daß dieser Parameter mit dem Grad des Herzversagens in Beziehung steht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der in der Beschreibung erwähnten Parameter aus den erfaßten Daten automa tisch berechnet und mit einem Normalwert verglichen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßten Daten automatisch unterschiedliche Analysestufen, wobei die Komplexität der Analyse auf jeder Stufe zunimmt, durchlaufen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der folgenden Analysestufen durchlaufen wird: Amplituden-Zeit-Analyse verschiedener MCG-Kurven; Analyse hoch-auflösender MCG; Analyse summierter MCG und Vek tor-MCG (VMCG); Qualitative Analyse der magnetischen Feld-Verteilungskarten; Quantitative Analyse der magnetischen Feld-Verteilungskarten; Analyse der effektiven Dipol-Charakteristiken; Analyse der zweidimensionalen Ladungsverteilung; Analyse der dreidimensionalen Ladungsverteilung.

8. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung magnetokardio graphischer Daten, umfassend die Schritte:

- Abschätzung der wechselseitigen Anordnung der maximalen positiven und ne gativen Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte.
- Abschätzen der Richtung des äquivalenten Stromdipols in jeder Karte unter Verwendung der Rechte-Hand-Regel.
- Abschätzen der Anwesenheit zusätzlicher Extrema in jeder magnetischen Feld verteilungskarte und Dauer deren Existenz während des Repolarisationsprozesses.
- Berechnung des Verhältnisses der maximalen negativen zu den maximalen positiven Extrema in jeder Karte und der Standardableitung dieser Parameter während des Verfahrens.
- Abschätzung der effektiven Dipoltiefenkurve während der Repolarisation.
- Abschätzung der Verteilung und wechselseitigen Anordnung einer Stromlinie und der Richtungen der Stromdichtevectoren in jeder Karte während der Repolarisati on.
- Abschätzung der Kurven durchschnittlicher und maximaler Stromdichte wäh rend der Repolarisation.
- automatisches Bewerten der ventrikularen Repolarisation hinsichtlich der Kon formität des aktuellen Repolarisationsprozesses im Vergleich zu normalen Parametern.

9. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung magnetokardio graphischer Daten, umfassend die folgenden Schritte:

- Die wechelseitige Anordnung der maximalen positiven und negativen Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte wird abgeschätzt.
- Gemäß der Rechte-Hand-Regel wird die Richtung des äquivalenten Stromdi pols in jeder Karte abgeschätzt.
- Das Vorhandensein zusätzlicher Extrema in jeder magnetischen Feldvertei lungskarte und die Dauer deren Vorhandensein wird während des Depolarisationspro zesses abgeschätzt.
- Die effektive Dipoltiefenkurve während der Depolarisation wird abgeschätzt.
- Die Verteilung und wechselseitige Anordnung von Stromlinien und die Richtun gen der Stromdichtevectoren in jeder Karte während der Depolarisation wird abge schätzt.
- Die Dauer der Existenz zusätzlicher Strombezirke während des Depolarisati onsprozesses wird abgeschätzt.
- Die Kurven der durchschnittlichen und maximalen Stromdichte während der Depolarisation wird abgeschätzt.
- Automatisches Bewerten der Konformität des aktuellen Depolarisationsprozes ses mit normalen Parametern.

10. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung magnetokardio graphischer Daten, umfassend die folgenden Schritte:

- Die wechselseitige Anordnung der maximalen positiven und negativen Extreme in jeder magnetischen Feldverteilungskarte wird abgeschätzt.
- Gemäß der Rechte-Hand-Regel wird die Richtung der äquivalenten Stromdipole in jeder Karte abgeschätzt.
- Die Anwesenheit zusätzlicher Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungs karte und die Dauer deren Existenz wird während des Repolarisationsprozesses abge schätzt.
- Die Ordnungszahl der Karte beginnend vom Zeitpunkt, zu dem die Richtung des äquivalenten Stromdipols der ventrikularen Repolarisation stabil normal wurde, d. h. nach links unten gerichtet.
- Die effektive Dipoltiefe im J-Punkt wird abgeschätzt.
- Die Verteilung und wechselseitige Anordnung der Stromlinien und der Richtun gen der Stromdichtevectoren in jeder Karte während der Repolarisation wird abge schätzt.
- Die Ordnungszahl der Karte beginnend vom Zeitpunkt, zu dem die Richtung der maximalen Stromdichtevectoren der ventrikularen Repolarisation stabil normal wurde, d. h. nach links unten gerichtet, wird bestimmt.
- Die Dauer der Existenz zusätzlicher Strombereiche während des Repolarisati onsprozesses wird abgeschätzt.
- Die Kurven der durchschnittlichen und der maximalen Stromdichte während der Repolarisation am Beginn des ST-T-Intervalls werden abgeschätzt.
- Die Verhältnisse der maximalen und der durchschnittlichen Stromdichten im QRS-Maximum zu dem im T-Maximum werden abgeschätzt.
- Automatisches Bewerten der Abschätzungen hinsichtlich des Vorhandenseins und der Schwere einer myocardialen Ischemie, insbesondere bei bei Patienten mit nicht-verändertem Ruhe-EKG umfassend die folgenden Schritte:

11. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung magnetokardio graphischer Daten, umfassend die folgenden Schritte:

- Die wechselseitige Anordnung der maximalen positiven und negativen Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte wird abgeschätzt.
- Gemäß der Rechte-Hand-Regel wird die Richtung der äquivalenten Stromdipole in jeder Karte abgeschätzt.
- Ermitteln der Zeitperioden, während deren die Richtung der effektiven Dipole 1. nach rechts oder nach rechts unten, 2. nach links unten, 3. nach rechts oder oder nach oben gerichtet bleibt.
- Die Anwesenheit zusätzlicher Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungs karte und die Dauer deren Existenz während des Depolarisationsprozesses wird abge schätzt.
- Die relative Amplitude der nach oben und nach unten gerichteten Bewegung der effektiven Dipole während der Depolarisation wird abgeschätzt.
- Die Verteilung und wechselseitige Anordnung einer Stromlinie und die Richtun gen der Stromdichtevectoren in jeder Karte während der Depolarisation wird abge schätzt.
- Ermitteln der Zeitperiode, während welcher die Richtung der maximalen Strom dichtevectoren 1. nach rechts oder nach rechts unten gerichtet, 2. nach links unten gerichtet, drittens nach rechts oder nach rechts oben gerichtet bleibt.
- Abschätzung der Dauer der Existenz zusätzlicher Strombereiche während des Depolarisationsprozesses wird abgeschätzt.
- Die Spitzenwerte der durchschnittlichen und maximalen Stromdichte während der Depolarisation und die Form der entsprechenden Kurven wird abgeschätzt.
- Automatisches Bewerten der Abschätzungen hinsichtlich des Vorhandenseins myocardialer Nekrose.

12. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten bio magnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Daten, wie aus der Beschreibung ersichtlich.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergleich der betrachteten Daten mit den Normalwerten die betrachteten Daten automatisch in einer selbstlernenden Datenbank gespeichert werden und nach vor gebbaren Kriterien zur fortlaufenden Bildung und Überprüfung von Normalwerten und tolerablen Abweichungen der Normalwerte hinzugezogen werden können.

14. Anwendung eines der beanspruchten und/oder beschriebenen Verfahren zur automatischen Analyse der Daten eines Patentienten, vorzugsweise der Daten größere Patentientenmengen im Rahmen, insbesondere eines Screeningtest, zur Evaluation des Risikos, an bestimmten Krankheiten, insbesondere einer der in der Anmeldung genannten Herzkrankheiten zu erkranken.