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In
den Industrieländern
ist die koronare Herzerkrankung (KHK) die häufigste Ursache für die Entwicklung
einer Herzinsuffizienz. Bei der koronaren Herzerkrankung kommt es
zu einer Mangelversorgung des Herzmuskels und möglicherweise zu dessen Nekrotisierung
durch Verengungen der koronaren Arterien. Trotz vielfacher Erfolge
in der medikamentösen
Therapie stellt die direkte Behandlung der auslösenden Ursache ein wichtiges
Therapiekonzept dar. Bei KHK-Patienten steht deshalb die Wiederherstellung
einer adäquaten
Perfusion durch Revaskularisations-Maßnahmen wie Thrombolyse, das
Einsetzen von Stents, die Ballondilatation, eine Bypass-Operation
usw. an erster Stelle. Der Erfolg dieser Revaskularisations-Maßnahmen
ist jedoch abhängig
vom Vorhandensein eines vitalen Myokards hinter der behandelten
Arterienstelle. Während
die Revaskularisation vitaler Myokard-Areale die Pumpfunktion des
Herzens und die Prognose für
den Patienten zu verbessern vermag, führt die Revaskularisation von
Narbengewebe (nekrotisiert) nicht zu einer Verbesserung des Befundes
und stellt zusätzliche
Risiken für
den Patienten dar.
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Deshalb
ist die exakte Differenzierung zwischen vitalem und nekrotischem
Myokard für
die weitere Behandlung von Patienten mit einer ischämischen
Kardiomyopathie oder nach einem Myokard-Infarkt wichtig.
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Man
kann Myokardgewebeareale in folgende Kategorien einteilen:
- (a) normal durchblutetes, das heißt gesundes
Myokardgewebe,
- (b) minder durchblutetes Myokardgewebe, das nicht oder noch
nicht nekrotisch ist und
- (c) nekrotische Myokardgewebe (Narbengewebe).
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Die
Unterscheidung des Myokardgewebes in diese drei Gruppen ist für die Diagnose
und die Therapie im Bereich der interventionellen Kardiologie und
auch für
die elektrische Elektrophysiologie relevant, wie nachfolgend erläutert werden
soll.
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Heute
werden Verschlüsse
der Koronararterien, welche z. B. in der Computer-Tomographie (CT)
gefunden wurden, mit oben genannten Revaskularisations-Maßnahmen
geöffnet,
was für
die Kategorien b und c gilt. Somit werden auch Verschlüsse geöffnet, deren
Revaskularisierung keine Verbesserung des Zustands des Patienten
zur Folge hat, da das zu versorgende Myokardgewebe bereits abgestorben
ist und somit nicht mehr reaktiviert werden kann Kategorie C). Diese
Operationen stellen zudem eine Gefährdung für den Patienten dar, sind teuer
und bleiben ohne Chance für
eine Verbesserung des Zustands des Patienten. Klinisch induziert
sind also nur Eingriffe, welche die Myokard-Klasse b, nicht aber
die Myokard-Klasse c therapieren, was jedoch eine zuverlässige, bildgestützte Differenzierung
der beiden Kategorien voraussetzt.
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Auch
bei elektrophysiologischen Ablations-Prozeduren zur Behandlung ventrikulärer Tachykardie (VT-Ablation)
ist es vorteilhaft, die exakte Position von Konturen nekrotischer
Myokardgewebsareale zu kennen, da die pathologischen, zu ablatierenden
Reizleitungszentren oft in unmittelbarer Nähe dieser Areale liegen und
dort gezielt durch die Ablation verödet werden sollen.
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Heutzutage
sind die Magnetresonanz-Tomographie und vor allem die nuklearmedizinischen
Radio-Nuklid-Techniken Single-Photon-Emmission-Computed-Tomography
(SPECT) und die Positronen-Emmissions-Tomographie
(PET) Standardbildgebungs-Verfahren zur Beurteilung der Myokardvitalität. Neue
Generationen von Computertomographen sind zwar in der Lage, das
Herz in einer Atemanhaltephase aufzunehmen, und somit artefakt-frei
darzustellen, spielen aber bei der Beurteilung der Myokardvitali tät bislang
keine Rolle, obwohl deren grundsätzliche
Vorteile im Stand der Technik bekannt sind.
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Generell
wäre eine
computertomographische Abbildung des Herzens für Patienten mit vernarbten
Myokardarealen die bevorzugte Bildgebungs-Modalität, da Schrittmacher
oder implantierte Defibrillatoren, die bei dem angenommenen Patientenprofil
häufig
vorkommen, die Verwendung von Magnetresonanz-Bildgebung ausschließen und andere Modalitäten, wie
z. B. SPECT oder PET deutliche reduzierte Ortsauflösung liefern. Zudem
ist der Einsatz der Computer-Tomographie preisgünstiger und die hohe Verbreitung,
auch in Notfallzentren sowie die Möglichkeit der zuverlässigen Aussage über die
Ausdehnung der betroffenen Gebiete weitere Vorteile.
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Es
hat sich gezeigt, dass bei der Verabreichung eines für Computer-Tomographie
geeigneten Kontrastmittels nach einer Wartezeit das Kontrastmittel
beim gesunden Herzen nahezu vollständig von den Nieren wieder
ausgeschieden wird und ein nach einer gewissen Zeit durchgeführter CT-Scan
des Herzens eine Nativ-Aufnahme ohne Kontrastmittel zeigt. Andererseits
hat sich gezeigt, dass es durch pathologische Veränderungen
wie z. B. Stenosen dazu kommen kann, dass das Kontrastmittel deutlich
langsamer in die von der Stenose betroffenen Gebiete der Kategorie
b und/oder c eindringt, aber auch langsamer aus diesen Gebieten
ausgeschwemmt wird, als dies bei gesundem Gewebe der Fall ist.
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Zur
bildgebenden Darstellung solcher Bereiche bietet sich daher die
so genannte Late-Enhancement-Scan-Technik an, die vorgenommen wird,
wenn zwischen der Kontrastmittelgabe und einem anschließenden CT-Scan
eine bestimmte Zeit t vergangen ist, das heißt der CT-Scan nicht unmittelbar
(im Bereich von Sekunden bis Minuten) nach Kontrastmittelgabe durchgeführt wird.
Durch die Detektion solcher Kontrastmittelerhöhungen in Late-Enhancement-Scan-Daten
kann eine eindeutige Aussage darüber
gemacht werden, ob es sich bei diesem Gewebe um ein Myokard der
Klassifizierungsstufen a oder b (gesund oder minder durchblutet)
oder um c (nekrotisch) handelt. Hierbei sind im Stand der Technik
Wartezeiten von 5 bzw. 15 Minuten bekannt gewesen, wobei diese Wartezeiten
jedoch willkürlich
festgesetzt wurden.
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Das
Problem bei der Verwendung von Computer-Tomographie zur Visualisierung
nekrotischer Myokardareale liegt in der patienten-spezifischen optimalen
Wartezeit t von Kontrastmittelgabe bis zur Bildaufnahme zur Unterscheidung
von Narbengewebe im Myokard.
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Der
Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen Ansatz bereitzustellen,
mit dem eine optimierte CT-Aufnahme zur Erfassung von nekrotischem
Myokardgewebe möglich
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
das Verfahren zur Differenzialdarstellung von Myokardgewebe unterschiedlicher
Schädigungszustände gemäß dem unabhängigen Patentanspruch
1 sowie die Vorrichtung zur Bestimmung des optimalen Zeitpunkts
zur Durchführung
eines späten
computertomographischen Scans gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 9. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen, Details und Merkmale der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der
Beschreibung und der beigefügten
Zeichnung.
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Der
Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, den optimalen Zeitpunkt für einen
späten
computertomographischen Scan anhand von patienten-spezifischen Parametern
zu bestimmen.
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Dementsprechend
ist die Erfindung gerichtet auf ein Verfahren zur Differentialdarstellung
von Myokardgewebe unterschiedlicher Schädigungszustände, welches die Schritte aufweist:
- – Verabreichen
eines myokard-geeigneten Kontrastmittels an einen zu untersuchenden
Patienten;
- – Erfassen
von zumindest einem patienten-spezifischen Parameter, der die Geschwindigkeit
der Aufnahme und Ausschei dung des Kontrastmittels in das und aus
dem Myokard beeinflusst;
- – Berechnen
des Zeitpunkts nach Verabreichung des Kontrastmittels, zu dem ein
Unterschied zwischen einem Gehalt von Kontrastmittel in nekrotischem
Myokardgewebe und einem Gehalt von Kontrastmittel in nicht-nekrotischem
Myokardgewebe einen Maximalwert erreicht, anhand des zumindest einen
Patienten-spezifischen Parameters; und
- – Durchführen eines
späten
computertomographischen Scans zur verstärkten Erfassung nekrotischen
Myokardgewebes gegenüber
nicht-nekrotischem Myokardgewebe.
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Durch
das erfindungsgemäß angegebene
Verfahren ist es möglich,
den Zeitpunkt der späten
CT (Late-Enhancement-CT) so festzulegen, dass die Kontrastierung
nekrotischen Myokardgewebes optimal ist.
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Das
Erfassen von Patienten-spezifischen Parametern kann entweder durch
ein Eingabemittel und eine händische
Eingabe von manuell ermittelten Patienten-Parametern erfolgen oder
durch automatische Erfassung mittels geeigneter Messinstrumente.
Zur Automatisierung und routinemäßigen Anwendung
des Verfahrens bietet es sich an, die zu erfassenden Patienten-Parameter automatisch
zu erfassen.
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Der
Kern der Erfindung liegt in der Berechnung des Zeitpunkts, zu dem
der Unterschied zwischen einem Gehalt von Kontrastmittel in nekrotischem
Myokardgewebe und einem Gehalt von Kontrastmittel in nicht-nekrotischem
Myokardgewebe einen Maximalwert erreicht, wobei für diese
Berechnung neben Grundannahmen die Patienten-spezifischen Parameter
hinzugezogen werden. Auf diese Weise ist es möglich, für jeden Patienten und jede
Untersuchung (Art und Menge des Kontrastmittels) jeweils den Zeitpunkt
nach Kontrastmittelgabe zu bestimmen, wo der Kontrast in nekrotischem
Myokardgewebe gegenüber
dem Kontrast in den anderen Gewebekategorien am ausgeprägtesten
ist. Auf diese Weise lassen sich die maximal möglichen, kontrastreichsten
Darstellungen des Myokards erzielen.
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Das
Verfahren kann in einer bevorzugten Ausführungsform den weiteren Schritt
aufweisen: Unmittelbar nach Kontrastmittelverabreichung Durchführen eines
frühen
computertomographischen Scans zur verstärkten Erfassung normal durchbluteten
Myokardgewebes gegenüber
minder durchblutetem und nekrotischem Myokardgewebe.
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Hierbei
ist unter "unmittelbar
nach Kontrastmittelverabreichung" zu
verstehen, dass der computertomographische Scan entweder ohne Verzögerung nach
Kontrastmittelgabe oder zumindest so kurz nach Kontrastmittelgabe
durchgeführt
wird, dass noch keine messtechnisch relevante Aufnahme von Kontrastmittel
in nekrotisches Myokardgewebe der Kategorie C stattgefunden hat.
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Diese
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung gestattet eine Unterscheidung von normal durchblutetem
Myokardgewebe der Kategorie a gegenüber Myokardgewebe der Kategorien
b und c, das sich durch so genannte First-Pass-Daten differenzieren
lässt.
Zu dem gegebenen Zeitpunkt unmittelbar nach Kontrastmittelgabe zeichnet
sich das Gewebe der Kategorien b und c durch geringere Kontrastmittelanreicherung
gegenüber
Gewebe a aus. Demgegenüber
ließ sich
die Unterscheidung von a + b gegenüber c anhand von späten computertomographischen
Scans und den damit ermittelten Daten treffen, wo sich Gewebe der
Kategorie c durch höhere
Kontrastmittelanreicherung gegenüber
Gewebe der Kategorien a und b auszeichnet. Führt man die Informationen aus
beiden Scans zusammen, so lässt
sich jedes Myokardareal eindeutig kennzeichnen und klassifizieren.
Daher weist die Erfindung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
den zusätzlichen Schritt
auf:
- – Berechnen
eines Subtraktions-Datensatzes aus den Daten des frühen computertomographischen
Scans und des späten
computertomographischen Scans zur verstärkten Darstellung minder durchbluteten
Myokardgewebes.
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Durch
diesen zusätzlich
Berechnungsschritt, der minder durchblutetes Myokardgewebe identifiziert, ist
es bei erneuter Anwendung dieser Daten auf die Datensätze des
frühen
und des späten
computertomographischen Scans möglich,
alle drei Kategorien voneinander zu unterscheiden.
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Als
Patienten-spezifische Parameter sind die folgenden Größen von
den Erfindern bestimmt worden, von denen zumindest einer erfasst
und für
die Berechnung verwendet wird:
- – Puls,
- – Blutdruck,
- – Atmung,
- – Ventrikel-Volumen,
- – Auswurfleistung
(des Herzens),
- – Menge
und Art des verabreichten Kontrastmittels,
- – Körpergröße und Gewicht
des Patienten.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
werden mehrere, z. B. zwei, drei oder vier, oder alle diese Parameter
erfasst und zur Berechnung des Maximalwerts des Unterschieds zwischen
Gehalt an Kontrastmittel in nekrotischem Myokardgeweben und nicht-nekrotischem
Myokardgewebe verwendet.
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Das
Verfahren kann vorzugsweise den weiteren Schritt aufweisen: Extraktion
der Konturen von Arealen nekrotischen Myokardgewebes aus den Daten
des späten
computertomographischen Scans.
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Dieser
Schritt schließt
das erfindungsgemäße Verfahren
dahingehend ab, dass die für
eine Therapie notwendige Differenzierung von Kategorie a, b und
c hiermit durchgeführt
wird.
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Das
Verfahren kann ebenfalls den Schritt des Visualisierens von nekrotischem,
minder-durchblutetem oder normal durchbluteten Myokardarealen durch
ein computer-gestütztes
Anzeigemittel beinhalten, wobei unterschiedliche Darstellungsarten
und Anzeigemittel verwendet werden können, die Fachleuten auf dem
Gebiet in ihrer prinzipiellen Ausgestaltung bekannt sind.
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Vorzugsweise
wird das Berechnen des Maximalwerts des Unterschieds im Kontrastmittelgehalt
mit der folgenden Formel berechnet: Die Parrameter m, n und o können durch
empirische Untersuchungen (Beispiel Reihenuntersuchung), durch Einbeziehung
mindestens eines patientenspezifischen Parameters (Blutdruck etc.)
ermittelt werden.
durchgeführt wird, wobei S(t) eine zeitabhängige Näherungsfunktion
für den
zeitlichen Verlauf der Kontrastmittelsignalintensität ist, m,
n und o aus den patientenspezifischen Parametern gebildete Konstanten
sind, t die Zeit ist, mit der die Kontrastmittelsignalintensität variiert,
gerechnet mit dem Nullwert bei t
const; und
t
const eine Zeit ist, nach der das Kontrastmittel
aus den normal und minderdurchbluteten Myocard-Geweben ausgewaschen
ist, wobei t variiert wird, bis S(t) in einem für die Abbildung nekrotischen
Myocard-Gewebes typischen Grauwertbereich liegt.
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Hierbei
wird es besonders bevorzugt, dass S(t) in etwa in der Mitte des
Grauwertbereichs des Scans liegt.
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Die
Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung gerichtet, wobei alles
bezüglich
des Verfahrens Ausgesagte auch für
die Vorrichtung gilt und umgekehrt, so dass wechselweise Bezug genommen
wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Bestimmung des optimalen Zeitpunkts zur Durchführung eines späten computertomographischen
Scans zur hervorgehobenen Erfassung nekrotischen Myokardgewebes
gegenüber
nicht-nekrotischen Myokardgewebes in einem Patienten weist auf:
- – Zumindest
ein Eingabemittel zur Erfassung von zumindest einem patienten-spezifischen
Parameter, der die Geschwindigkeit der Aufnahme und Ausscheidung
eines dem Patienten verabreichten Kontrastmittels in das und aus
dem Myokard beeinflusst; und
- – eine
Recheneinheit zur Berechnung des optimalen Zeitpunkts nach Verabreichung
des Kontrastmittels als Zeitpunkt, zu dem ein Unterschied zwischen
einem Gehalt von Kontrastmittel in nekrotischem Myokardgewebe und
einem Gehalt von Kontrastmittel in nicht-nekrotischem Myokardgewebe
einen Maximalwert erreicht; anhand des zumindest einen Patienten-spezifischen
Parameters.
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Hierbei
kann das Eingabemittel wahlweise ein manuelles Eingabemittel sein,
mit dem ein Bediener der Vorrichtung die Patienten-spezifischen
Parameter in die Vorrichtung eingibt, oder kann zumindest ein Sensor zur
Erfassung von zumindest einem Patienten-spezifischen Parameter sein,
der die Geschwindigkeit der Aufnahme und Ausscheidung eines dem
Patienten verabreichten Kontrastmittels in und aus dem Myokard beeinflusst.
Auch ist es möglich,
dass das Eingabemittel eine Mischform der beiden vorstehend beschriebenen
Möglichkeiten
ist, das heißt,
dass bestimmte Parameter durch Sensoren automatisch erfasst werden,
während
andere per Hand eingegeben werden. Beispielsweise ist es vorstellbar,
die Vorrichtung mit Sensoren zur Messung von Puls und Atmung sowie
Blutdruck zu versehen, während
die Menge des verabreichten Kontrastmittels und sein Typ per Hand über eine
Tastatur oder ein anderes Eingabegerät eingegeben werden.
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Die
Recheneinheit ist insbesondere zur Durchführung des oben beschriebenen
Verfahrens der Berechnung des optimalen Zeitpunkts vorgesehen und
konfiguriert, kann jedoch auch andere Funktionen zusätzlich übernehmen,
so beispielsweise die direkte Steuerung des Computertomographen.
Auch kann die Recheneinheit als Teil der normalen Steuerung eines
Computertomographen, beispielsweise als Software-Modul, implementiert
sein.
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Bevorzugterweise
enthält
die erfindungsgemäße Vorrichtung
weiterhin eine Stopp-Funktion zum Herunterzählen des Zeit raums zwischen
Kontrastmittelverabreichung dem berechneten optimalen Zeitpunkt.
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Die
Stopp-Funktion dient dazu, ein Signal bereitzustellen, wenn der
Zeitraum bis zur optimalen Messung durch den späten computertomographischen
Scan abgelaufen ist. Die Stopp-Funktion
kann nach Ablauf des Zeitraums ein Signal geben, so dass ein Anwender
des Computertomographen diesen aktiviert. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung
kann jedoch weiterhin auch eine Steuereinheit zum Starten des späten computertomographischen
Scans umfassen, die nach Aktivierung der Stopp-Funktion und Verstreichen des Zeitraums
automatisch den Tomographen aktiviert.
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In
einer spezifischen Ausführungsform
wird das erfindungsgemäße Verfahren
wie folgt durchgeführt:
- 1. Vor Start der CT-Aufnahme: Erhebung Patienten-spezifischer
Parameter, die den zeitlichen Verlauf der Anreicherung und des Abbaus
des Kontrastmittels in den nekrotischen Arealen beeinflussen.
- 2. Bestimmung der Zeit t, die zwischen Kontrastmittelgabe und
Bildaufnahme eines späten
computertomographischen Scans liegen soll, in Abhängigkeit
der oben genannten Parameter oder einer Untermenge dieser Parameter
mit Hilfe eines Berechnungs- oder Optimierungs-Algorithmus, der
auf einer mit dem CT-Scanner verbundenen Workstation oder auf dem
CT-Scanner selbst lauffähig
ist und gemäß der Erfindung
die Zeit t bestimmt.
- 3. Automatischer Start des CT-Scans nach Ablauf der Zeit t nach
Kontrastmittelgabe oder manueller Start des CT-Scans durch den Untersucher
nach Ablauf der Zeit t, wobei diese Zeit am Untersuchungsmonitor angezeigt
bzw. heruntergezählt
wird.
- 4. Nach Vorliegen des rekonstruierten CT-Datensatzes Extraktion
der Konturen der nekrotischen Myokardareale.
- 5. Visualisierung der nekrotischen Myokardareale, beispielsweise
in einer 3D-Visualisierung des Myokardgewebes oder in einer 3D-Visualisierung
des Endokardgewebes oder in einer Polarmap-Visualisierung des Myokardgewebes.
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Hierbei
ist es erfindungsgemäß essentiell,
um eine exakte Unterscheidung zwischen den Myokardklassen a und
b sowie c in späten
Scan-Daten treffen zu können,
die ideale Wartezeit t zwischen der Kontrastmittelgabe und dem Scan
zu kennen, denn nur so lässt
sich ein maximaler Grauwert-Unterschied ΔHU = HU(c) – HU(a+b) erreichen, welche eine einfache Unterscheidung
ermöglicht.
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Dabei
lässt sich
die Kontrastmittelanreicherung in Myokardgewebe für alle Myokardklassen
durch die folgende Formel beschreiben: KMα,β,χ,δ(t)
= αsin(βt) exp(χt + δ)wobei
- – KM(t)
die zeit- und parameter-abhängige
Funktion ist, welche die Menge an Kontrastmittel im myokardialen
Gewebe beschreibt,
- – α, β, χ, δ Patienten-spezifische
Parameter sind, welche für
unterschiedliche Myokardklassen verschiedene Werte haben; und
- – t
die Zeit ist, mit der die Signal-Intensität des abgebildeten Kontrastmittels
variiert.
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Dabei
ist zu beachten, dass die Parameter α, β, χ, δ für unterschiedliche Myokardklassen
verschiedene Werte haben. Um den idealen Zeitpunkt t zu bestimmen,
zu welchem ΔHU
maximal wird, muss t bestimmt werden, zu der
maximal ist.
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Die 1 zeigt
einen typischen Kontrastmittelverlauf für vitales und nekrotisches
Myokard sowie den Unterschied zwischen den beiden Kontrast-Konzentrationen.
Hierbei zeigt die Kurve A den Kontrastmittelverlauf für normal
durchblutetes Myokard und minder durchblutetes Myokard, während die
Kurve B den zeitlich verzögerten
und schwächeren
Verlauf des Kontrastmittels für
nekrotisches Myokard zeigt und schließlich die Kurve C die Differenz
der beiden Kurven A und B ist. Der Scheitelpunkt der Kurve c stellt
hierbei den erfindungsgemäß zu ermittelnden
Maximalwert des Unterschieds im Gehalt an Kontrastmittel dar, und
gibt auf den Zeitpunkt dieses Maximalwertes an, zu dem ein später computertomographischer
Scan für
optimale Bildergebnisse durchzuführen
ist.
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Die
Erfindung erlaubt die Visualisierung von nekrotischen Myokardarealen
mit computertomographischen Aufnahmen, die nach einer bestimmten,
durch die Erfindung ermittelten patientenspezifischen Wartezeit nach
Kontrastmittelgabe gestartet werden.
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So
kann mit der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von computertomographischen
Aufnahmen zwischen den Myokardklassen a, b und c differenziert werden.
Dadurch ist eine Visualisierung von nekrotischen Myokardarealen
möglich,
so dass Koronararterien-Verschlüsse
gezielt anhand der Klassifizierung der durch die betroffenen Koronarien
versorgten Myokardareale therapiert werden können bzw. Ablationen bei elektrophysiologischen
VT-Prozeduren gezielt im Randbereich nekrotischer Myokardareale
durchgeführt
werden können.
