DE102005002949A1

DE102005002949A1 - Verfahren zur Visualisierung von Schädigungen im Myokard

Info

Publication number: DE102005002949A1
Application number: DE200510002949
Authority: DE
Inventors: Daniel Rinck; Michael Dr. Scheuering
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2006-08-03
Also published as: US20060241412A1; US7945080B2; CN1820708A; JP2006198411A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung von Schädigungen im Myokard, bei dem CT-Bilddaten des Herzens bereitgestellt werden, die unter Kontrastmittelinjektion aufgezeichnet wurden. aus den CT-Bilddaten wird das Myokard durch Segmentierung isoliert. Ein oder mehrere Ansichten (25, 26) des isolierten Myokards (20) werden an einem Bildanzeigegerät dargestellt, wobei in der Darstellung Dichtewerte farblich codiert visualisiert werden. Das vorliegende Verfahren ermöglicht eine Visualisierung von Schädigungen des Myokards auf Basis von CT-Bilddaten, in der ohne zeitaufwendige Analyse geschädigte Bereiche des Myokards unmittelbar erkennbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung von Schädigungen im Myokard, mit dem bspw. Infarktareale im Myokard sichtbar gemacht werden können, denen Zellbereiche mit geschädigten Zellmembranen zugrunde liegen.

Für die Darstellung von myokardialen Infarktarealen wurde bisher vor allem die Magnetresonanz-Tomographie eingesetzt. Das sog. Kardio-MR ist heute noch der etablierte Standard für die Visualisierung von Herzwanderkrankungen, da bei dieser Technik zahlreiche Verfahren wie die MR-Perfusion oder Wandbewegungsanalysen zur Verfügung stehen, die eine funktionelle Untersuchung des Herzmuskels (Myokard) erlauben. Bei der MR-Perfusion werden MR-Aufnahmen unter Kontrastmittelinjektion durchgeführt. Dies ermöglicht die Visualisierung der Kontrastanreicherung im Myokard, die sich bei der ersten schnellen Zirkulation des injizierten Kontrastmittels bildet (sog. First Pass Enhancement). Hierbei wird ausgenutzt, dass dem Infarktareal pathophysiologisch ein Zellbereich zugrunde liegt, in dem die Zellmembranen voll oder zumindest teilweise durch Minderversorgung mit Sauerstoff, bspw. aufgrund einer Koronarstenose, geschädigt sind. In diesen geschädigten Bereichen reichert sich das Kontrastmittel an, so dass diese Bereiche in den Aufnahmen erkennbar sind.

Die geschädigten Infarktareale können prinzipiell im Zeitintervall des First Pass Enhancement auch durch computertomographische Aufnahmen nachgewiesen werden, indem das Eindringen des Kontrastmittels in den Herzmuskel visualisiert wird. Die Anreicherung des Kontrastmittels in den geschädigten Bereichert des Myokards äußert sich durch schmale, unregelmäßig beschriebene Areale in den CT-Bildern, die hierbei in der Regel in MPR-Darstellung (MPR: Multi Planar Reformatting) visualisiert werden. Allerdings sind diese Areale im Myokard zum Teil aufgrund der Nähe zu den mit Kontrastmittel gefüllten Kavitäten des Herzens, dem sog. Bloodpool, nur sehr schwer visuell zu erfassen, da der Bloodpool in gleicher Weise den durch das Kontrastmittel erzeugten hohen Kontrast liefert.

Die einzige Möglichkeit der Nutzung von derartigen Kardio-CT-Daten für die Erfassung von Infarktarealen im Myokard bestand bisher in einer aufwendigen manuellen Analyse der Bereiche des Herzmuskels in den Bilddaten und einer manuellen Eintragung von auffälligen Arealen in eine Liste. Hierbei war auch eine manuelle Konstruktion der standardisierten Lang- und Kurzachsen des Herzens erforderlich. Diese Art der Auswertung ist jedoch für den routinemäßigen Einsatz zu zeitaufwendig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Visualisierung von Schädigungen im Myokard auf Basis von CT-Bilddaten anzugeben, mit dem die Schädigungen ohne zeitaufwendige manuelle Analyse der Bilddaten erkannt werden können.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren werden CT-Bilddaten des Herzens bereitgestellt, die unter Kontrastmittelinjektion aufgezeichnet wurden. Für die Bildaufzeichnung wird ein Zeitpunkt gewählt, zu dem eine Kontrastanreicherung im Myokard aufgrund der ersten schnellen Zirkulation des injizierten Kontrastmittels entsteht (First Pass Enhancement). In den CT-Bilddaten, einem 3D-Bilddatensatz, wird anschließend das Myokard durch Segmentierung isoliert. Zur Segmentierung lassen sich unterschiedliche bekannte Segmentierungstechniken einsetzen, wobei die Segmentierung durch Anpassung eines geeigneten Modells des Herzens bevorzugt wird. Nach der Isolation des Myokards in den CT-Bilddaten wird dieses in ein oder mehreren vorgebbaren Ansichten isoliert an einem Bildanzeigegerät dargestellt. Die Darstellung erfolgt farbig, wobei Voxel bzw. Pixel, die auf CT-Dichtewerte unterschiedlicher Dichtebereiche zurückgehen, unterschiedlich farblich codiert dargestellt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden neben diesen farblich codierten Ansichten auch die entsprechenden Grauwert-Ansichten des isolierten Myokards dargestellt.

Die Segmentierung der CT-Bilddaten kann beim vorliegenden Verfahren in Abhängigkeit von der eingesetzten Segmentierungstechnik sowohl semiautomatisch als auch vollautomatisch erfolgen. Vorzugsweise werden bei Einsatz einer Modellbasierten Segmentierungstechnik auch die standardisierte kurze und lange Achse des Herzens bestimmt und den isolierten Bilddaten des Myokard zugeordnet. Dies ermöglicht eine standardisierte Darstellung des Myokards in Schnittebenen senkrecht zur langen und senkrecht zur kurzen Achse des Herzens. Die Anzeige selbst kann bspw. als Schnittbild oder in MPR-Darstellung erfolgen.

Durch die isolierte Darstellung des Myokards in Verbindung mit der farblichen Codierung lassen sich mit Kontrastmittel angereicherte Schädigungen, insbesondere der Zellmembrane aufgrund eines Infarkts, unmittelbar deutlich erkennen. Die Ausblendung der benachbarten Bereiche, insbesondere des nahe liegenden ebenfalls mit Kontrastmittel gefüllten Bloodpools, vermeidet eine aufwendige Analyse der Bilddaten. Durch die farbliche Codierung wird ein größerer Wertebereich darstellbar als dies in einer Grauwertdarstellung möglich ist. Auf diese Weise können die unter Umständen schmalen, unregelmäßigen mit Kontrastmittel angereicherten Bereiche bspw. in roter Farbe sehr deutlich in den einzelnen Darstellungen aufgelöst werden. Mit dem Verfahren wird somit eine routinemäßige Erfassung der Kontrastanreicherung im Myokard aus CT-Bilddaten ohne hohen Zeitaufwand möglich.

In der bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens erfolgt die Segmentierung der CT-Bilddaten auf Basis eines Herzmodells. Die moderne Bildverarbeitung stellt verschiedene Verfahren zur Verfügung, die eine Modellierung von anatomischen Strukturen ermöglichen. So sind bspw. aus T. F. Cootes et al., „Statistical Models of Appearance for Computer Vision", University of Manchester, 5. Dezember 2000, die sog. "Active Shape Models" (ASM) und "Point Distribution Models" (PDM) bekannt. Diese Verfahren ermöglichen es, eine Standardbeschreibung der Struktur, bspw. des Herzmuskels, aus einem Set an Trainingsdaten zu generieren und aufbauend auf dieser Normbeschreibung entsprechende Abweichungen des Modells bzw. individuelle Anpassungen an vorgegebene Daten zu generieren. Diese Modelle sind zusätzlich auch mit einfachen Interaktionswerkzeugen, bspw. mit 3D-Punktverschiebewerkzeugen, zur Verfeinerung der Anpassung intuitiv zu bearbeiten. Wird beim vorliegenden Verfahren ein derartiges Modell eingesetzt, so kann die Grenzfläche zwischen dem mit Kontrastmittel angereicherten Blutvolumen des linken Ventrikels und dem Myokard modelliert werden. Da das Modell die Information über die Form der gesuchten Struktur auf Basis der Trainingsdaten gelernt hat, kann es die Grenze zwischen zwei Strukturen setzen, die ähnliche HU-Werte besitzen, wie dies bei der vorliegenden Trennung zwischen dem mit Kontrastmittel gefüllten linken Ventrikel und dem angereicherten Myokard der Fall ist.

Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für den Verfahrensablauf des vorliegenden Verfahrens;
2 ein Beispiel für die Darstellung des isolierten Myokard gemäß dem vorliegenden Verfahren;
3 ein Beispiel für die interaktive Markierung des vorderen und hinteren Septums gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens;
4 ein Beispiel für eine Polarmap-Darstellung des linken Ventrikels mit dem Herzmuskel; und
5 das 17-Segmentmodell der AHA.
1 zeigt ein Beispiel für den Verfahrensablauf bei dem vorliegenden Verfahren, wie es in den nachfolgenden Abschnitten auch in Verbindung mit den weiteren Figuren erläutert wird. Zunächst werden mittels einer CT-Bildaufnahme unter Kontrastmittelinjektion CT-Bilddaten des Herzens bereitgestellt, die das sog. First Pass Enhancement im Myokard zeigen. Diese CT-Bilddaten werden anschließend einer Segmentierung unterworfen, um das Myokard bzw. die dem Myokard zugeordneten CT-Bilddaten, aus dem Datensatz zu isolieren. Hierbei wird ein ASM-Oberflächenmodell eingesetzt, wie es bspw. aus der oben genannten Veröffentlichung von T. F. Cootes et al. bekannt ist. Da das Modell nur die Oberflächen, d. h. das Epi- und Endokard beschreibt, müssen alle Voxelwerte, die zwischen diesen Oberflächen liegen, in einem ersten Schritt isoliert werden. Alle anderen Voxel des Bilddatensatzes werden maskiert und nicht mehr angezeigt.
Da das Modell Formkriterien berücksichtigt, kann es die Kante zwischen dem linken Ventrikel und dem Myokard nicht so eindeutig beschreiben wie eine isolierte Regionen- bzw. Kantenbasierte Segmentierungstechnik. Aus diesem Grund wird der Rand des Myokards zum Blutvolumen hin im vorliegenden Ausführungsbeispiel zusätzlich adaptiv isoliert. Hierzu wird eine morphologische Dilatation implementiert, bei der die Maske des Blutvolumens schrittweise um jeweils eine Voxelschicht erweitert wird. Bei jeder neuen, anzulagernden Voxelschicht wird geprüft, ob das neu hinzugekommene Gebiet noch zum Blut volumen gehört. Diese Prüfung kann auf Basis eines Grauwertkriteriums oder von Texturmaßen erfolgen. Die Prüfung wird Voxel für Voxel durchgeführt. Der Algorithmus bricht ab, wenn in der Umgebung des jeweiligen Voxels mehr als 50% der Voxel zum Myokard gerechnet werden. Auf diese Weise lässt sich die Grenzfläche zwischen dem Myokard und dem mit Blut gefüllten linken Ventrikel gegenüber den durch das Modell erhaltenen Verlauf dieser Grenzfläche nochmals genauer modellieren bzw. verfeinern.
Bei der bisherigen Analyse der Bilddaten gemäß dem Stand der Technik musste der Radiologe die von ihm gewünschte Blickrichtung (entlang der langen und kurzen Herzachse) mit den MPRs selbst einstellen. Im vorliegenden Beispiel liegen die hierfür erforderlichen Informationen in dem Modell des linken Ventrikels bereits inhärent vor, so dass die lange und die kurze Herzachse automatisch bestimmt und den Bilddaten zugeordnet werden können. Für diese Reformatierung der Bilddaten wird die kurze Herzachse senkrecht auf der langen Hauptachse des Modells orientiert. Auf der kurzen Herzachse senkrecht steht die horizontale lange Achse. Beide Achsen müssen anschließend gegebenenfalls noch anhand der räumlichen Informationen aus dem DICOM-Koordinatensystem leicht verdreht werden, um den vom Radiologen gewohnten Bildeindruck zu vermitteln.
Da die Bilddaten in der Regel, besonders bei übergewichtigen Patienten, sehr verrauscht sind, sollten sie vor der Bilddarstellung geglättet werden. Im vorliegenden Beispiel erfolgt eine tangentiale Glättung der Bilddaten. Hierzu wird die Form des Myokard in Schnitten senkrecht zur kurzen Herzachse als Kreisform angenommen und in Ringe verschiedener Radien zerlegt. Die Glättung wird anschließend immer nur entlang der Ringe bzw. entlang der Tangente an den jeweiligen Ring durchgeführt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Glättung von einem Ring auf den anderen wirkt. So können transmurale Infarktareale zuverlässig geglättet werden. Diese tangentiale Glättung vermeidet eine Fehldiagnose in Fällen, in denen sich das Infarktareal über die gesamte Breite des Myokards erstreckt. Eine Glättung in radialer Richtung würde in diesem Fall die Randbereiche des Infarkts zu stark verschmieren.
Die reformatierten und geglätteten Bilddaten werden anschließend noch einer Kontrastdehnung unterzogen. In diesem Schritt werden kleine HU-Bereiche der den Bilddaten zugrunde liegenden CT-Dichtewerte auf eine Farbskala projiziert und die Bilddaten in der gewünschten Ansicht entsprechend farbig codiert dargestellt. Dies ermöglicht die Visualisierung auch kleinster Änderungen im HU-Wertebereich.
2 zeigt beispielhaft eine Darstellung der farbcodierten Bilder in unterschiedlichen Ansichten an einem Bildschirm. Hierbei wird eine MPR-Darstellung des isolierten Myokards 20 im Langachsenschnitt (Bild 25) sowie im Kurzachsenschnitt (Bild 26) nebeneinander visualisiert. Weiterhin werden die nicht farbcodierten MPRs 28 in der kurzen und langen Herzachse dargestellt. Der Benutzer kann die Darstellungen nun beliebig rotierten, zoomen und verschieben. Wie mit den Doppelpfeilen in der 2 angedeutet, werden alle Darstellungen immer synchronisiert verändert. Die momentane Position kann in einer 3D-Darstellung 27 des Herzmodells und der aktiven Ebene kontrolliert werden.
Weiterhin ist es möglich, die Anreicherung des Herzmuskels in einer für die Funktionsdiagnose üblichen „Bulls Eye's Plot"-Darstellung (Polarmap) anzeigen zu lassen. Hierbei werden die einzelnen Ringe bzw. Schalen des Myokards vom Apex zur Basis in eine Ebene projiziert und erlauben auf diese Weise die Darstellung des gesamten Herzmuskels auf einen Blick in einem 2D-Bild. Das Verfahren der Kontrastdehnung ist auf diese Darstellung in gleicher Weise anwendbar. 4 zeigt hierzu auf der linken Seite eine Darstellung des angepassten Modells Myokards, das nur das Epikard 21 und das Endokard 22 umfasst. Die genannte Polarmap-Darstellung wird auf der rechten Seite der Figur angedeutet, die die Projektion der einzelnen Schalen bzw. Ringe des Myokards in eine Ebene verdeutlicht.
In einer weiteren Ausbildung des vorliegenden Verfahrens wird der Benutzer aufgefordert, in den Bilddarstellungen das vordere 23 und das hintere Septum 24 in apicaler, in mid ventriculärer und in basaler Kurzachsenorientierung zu markieren. Dies ist in der 3 angedeutet, die die entsprechenden Markierungspunkte 29 in den MPR-Bildern der genannten Schnittebenen zeigt. Auf Basis dieser interaktiven Markierung kann das isolierte Myokard in die Segmente des sog. 17 Segmentmodells (AHA nach der American Heart Association) eingeteilt werden, das in der 5 dargestellt ist. Nach dieser automatischen Einteilung kann nun der Betrachter mit einem graphischen Eingabegerät, bspw. einer Maus, auf eine beliebige verdächtige Stelle in den dargestellten Bildern klicken und beliebige Bereiche markieren. Für jeden Klick wird in einem Fenster 30 die entsprechende Position im AHA-Segmentmodell angezeigt. Der Benutzer kann hierbei zusätzlich Bemerkungen oder Kommentare eingeben, die in Verbindung mit der markierten Position als Report abgespeichert werden. In gleicher Weise kann auch das entsprechende eingefärbte oder nicht eingefärbte Bild mit übernommen werden.

Claims

Verfahren zur Visualisierung von Schädigungen im Myokard, bei dem CT-Bilddaten des Herzens bereitgestellt werden, die unter Kontrastmittelinjektion aufgezeichnet wurden, aus den CT-Bilddaten das Myokard durch Segmentierung isoliert wird und ein oder mehrere Ansichten (25, 26) des isolierten Myokard (20) an einem Bildanzeigegerät dargestellt werden, in denen den Ansichten zugrunde liegende CT-Dichtewerte farblich kodiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentierung durch Anpassung eines Modells, insbesondere eines Oberflächenmodells, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus der Anpassung des Modells erhaltene Grenzfläche zwischen dem Myokard und benachbarten Bereichen durch eine auf einer Überprüfung einzelner Voxel basierende Segmentierungstechnik genauer angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Modell automatisch eine standardisierte lange und kurze Achse des Herzens berechnet und zu den Bilddaten in Beziehung gesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schnittbildern des isolierten Myokard (20), die senkrecht zur kurzen Herzachse orientiert sind, eine tangentiale Glättung der Bilddaten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Bilddaten nach einer interaktiven Markierung von Begrenzungspunkten des Setpums (23, 24) ein Segmentmodell des Herzens zugeordnet und bei Markierung eines Bildbereiches eines der dargestellten Ansichten das zugehörige Segment am Bildanzeigegerät automatisch benannt wird.