DE102007022469A1

DE102007022469A1 - Verfahren und Vorrichtung zum elastographischen Untersuchen von Gewebe

Info

Publication number: DE102007022469A1
Application number: DE102007022469A
Authority: DE
Inventors: Ingolf Dr. Sack; Jürgen Dr. Braun
Original assignee: Charite Universitaetsmedizin Berlin
Current assignee: Charite Universitaetsmedizin Berlin
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2008-11-13
Also published as: AU2008248549A1; WO2008135588A3; JP2010525906A; CN101675356A; WO2008135588A2; US20100130856A1; AU2008248549B2; EP2150830A2; CA2687039A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elastographischen Untersuchen von Gewebe, mit den Schritten: - Anregen mindestens einer mechanischen Welle in dem Gewebe (31), die vorwiegend oder ausschließlich quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingt, wobei - das Gewebe (31) zu mindestens einem ersten Zeitpunkt erste elastische Eigenschaften und zu mindestens einem zweiten Zeitpunkt zweite elastische Eigenschaften, die von den ersten elastischen Eigenschaften verschieden sind, aufweist; und - zu dem ersten Zeitpunkt eine erste Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit einer Schwingung der Welle als Maß für die ersten elastischen Eigenschaften und - zu dem zweiten Zeitpunkt eine zweite Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit einer Schwingung der Welle als Maß für die zweiten elastischen Eigenschaften bestimmt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum elastographischen Untersuchen von Gewebe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elastographischen Untersuchen von Gewebe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 25.
Die Bedeutung der Elastizität (im Genauen Scherelastiziät oder Schermodul, Schersteifigkeit etc.) für die Einschätzung des Gesundheitszustandes eines Organs ist schon seit Jahrhunderten bekannt. Zum Beispiel ist die manuelle Abtastung der Brust zur Krebsvorsorge in vielen Fällen sensitiver als die Anwendung moderner bildgebender Verfahren. Ebenso ist eine Funktionsstörung der Leber mit einer Veränderung der Elastizität verknüpft die eindeutigen morphologischen (d. h. im MRT sichtbaren) Veränderungen vorausgeht.
Um die hohe Sensitivität des Schermoduls für Pathologien zu nutzen, wurde in den letzten Jahren die Elastographie entwickelt. Das Grundprinzip aller heutigen elastographischen Techniken ist die Berührung des Gewebes mit einem definierten Stress (d. h. Kraft pro Fläche) sowie die Aufnahme der Verzerrungsantwort im Gewebe mittels Bildgebung. Für eine „Abtastung" tieferliegender und abgeschirmter Gewebearten wurde die Scherwellenelastographie entwickelt, deren klinische Relevanz für die Diagnose von Brusttumoren sowie Leberzirrhose demonstriert werden konnte.
In der Herz-Elastographie gab es in den letzten Jahren Versuche, den Herzschlag als mechanischen Stimulus der Myokardverformung zu nutzen und damit elastische Kenngrößen im lebenden Herzen zu messen. In den Druckschriften „Myocardial elastography – a feasibility study in vivo", Konofagou EE, D'Hooge J, Ophir J., Ultrasound Med Biol 2002; 28 (4): 475-482 sowie „Single Breath Hold Transient MR-Elastography of the Heart – Imaging Pulsed Shear Wave Propagation induced by Aortic Valve Closure", Sinkus R, Robert B, Gennisson J-L, Tanter M, Fink M, Proc 14 th Annual Meeting ISMRM. Seattle. 2006. p 77. wurde die Kraft, mit der sich das Myokard verformt, für die Analyse der gemessenen Verzerrungsdaten semiempirisch geschätzt.
Das von der vorliegenden Erfindung zu lösende Problem besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elastographischen Untersuchen von Gewebe mit sich zeitlich verändernden elastischen Eigenschaften zu schaffen, die eine verbesserte Bestimmung der elastischen Eigenschaften des Gewebes ermöglichen.
Dieses Problem wird durch das Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 25 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird ein Verfahren zum elastographischen Untersuchen von Gewebe bereitgestellt, mit den Schritten:

– Anregen mindestens einer mechanischen Welle in dem Gewebe, die vorwiegend oder ausschließlich quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingt, wobei
– das Gewebe zu mindestens einem ersten Zeitpunkt erste elastische Eigenschaften und zu mindestens einem zweiten Zeitpunkt zweite elastische Eigenschaften, die von den ersten elastischen Eigenschaften verschieden sind, aufweist; und
– zu dem ersten Zeitpunkt eine erste Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit einer Schwingung der Welle als Maß für die ersten elastischen Eigenschaften und
– zu dem zweiten Zeitpunkt eine zweite Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit einer Schwingung der Welle als Maß für die zweiten elastischen Eigenschaften bestimmt werden.

Bei diesem Verfahren wird eine Schwerwelle, d. h. eine Welle, die vorwiegend oder ausschließlich quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingt, in das zu untersuchenden Gewebe eingekoppelt. Um Rückschlüsse auf elastische Eigenschaften (z. B. Schermodul) des Gewebes zu ziehen, wird die Auslenkung und/oder Auslenkgeschwindigkeit (z. B. quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle), mit der Abschnitte des Gewebes aufgrund der eingekoppelten Welle schwingen, zu mindestens zwei Zeitpunkten bestimmt. Dies kann für jeden der beiden Zeitpunkte an demselben Abschnitt des Gewebes erfolgen oder z. B. auch an unterschiedlichen Abschnitten, die vergleichbare elastische Eigenschaften und einen vergleichbaren zeitlichen Verlauf der elastischen Eigenschaften aufweisen.
Es können natürlich auch mehrere, sich z. B. im zu untersuchenden Gewebe überlagernde Scherwellen eingekoppelt werden. Das Erzeugen der Scherwellen erfolgt mittels einer zum Gewebe externen Anregungseinheit, d. h. die Welle wird nicht durch ein Anspannen oder Entspannen des Gewebes selber erzeugt.
Als Gewebe wird ein biologisches (insbesondere menschliches oder tierisches) Gewebe betrachtet. Insbesondere handelt es sich bei dem Gewebe um ein myokardiales Gewebe (Herzmuskelgewebe), das elastische Eigenschaften aufweist, die sich in Abhängigkeit vom Herzschlag zeitlich verändern, wobei es z. B. erste elastische Eigenschaften während der Systole und zweite erste elastische Eigenschaften während der Diastole aufweist.
Eine Bestimmung der Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit der Gewebescherwellen kann nicht nur zum ersten und zum zweiten Zeitpunkt, sondern darüber hinaus zu weiteren Zeitpunkten erfolgen. Beispielsweise kann ein Zeitintervall, in dem das Gewebe die ersten oder die zweiten elastischen Eigenschaften aufweist, vermessen werden. Verändern sich die elastischen Eigenschaften des Gewebes periodisch, kann darüber hinaus wiederholt eine (erste und/oder zweite) Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit bestimmt werden, wobei das wiederholte Bestimmen mit der Periode erfolgt, mit der sich die elastischen Eigenschaften verändern. Die Mehrzahl der (ersten und/oder zweiten) Werte kann jeweils gemittelt werden, um eine gemittelte erste und/oder eine gemittelte zweite Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit zu erhalten.
In einer Variante der Erfindung erfolgt das Bestimmen der ersten und zweiten Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit der angeregten Welle mittels Ultraschall und/oder Magnetresonanztomographie. Insbesondere mit der Magnetresonanztomographie ist es möglich, Komponenten einer Schwingung der Welle, d. h. der Auslenkung bzw. der Auslenkgeschwindigkeit, separat in verschiedenen Raumrichtungen zu erfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst jedoch auch die Variante, dass die Resultierende der Schwingung direkt gemessen wird. Insbesondere kann auch nur eine Komponente der Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit gemessen werden. Als Ultraschallvarianten können u. a. das Kreuzkorrelationsverfahren oder das Dopplerverfahren verwendet werden.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird an mindestens einem weiteren Abschnitt des Gewebes eine weitere erste Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit zu einem Zeitpunkt, zu dem das Gewebe die ersten elastischen Eigenschaften aufweist, und eine weitere zweite Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit zu einem Zeitpunkt, zu dem das Gewebe die zweiten elastischen Eigenschaften aufweist, bestimmt. Mit anderen Worten erfolgt die Messung nicht nur zeit- sondern auch ortsaufgelöst. Das Bestimmen der weiteren ersten und der weiteren zweiten Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit kann gleichzeitig mit dem Bestimmen der ersten bzw. der zweiten Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit erfolgen. In einer anderen Variante erfolgt das Bestimmen der weiteren ersten und der weiteren zweiten Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit zeitversetzt zum Bestimmen der ersten bzw. der zweiten Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden eine erste und die zweite Auslenkung in Form einer ersten bzw. zweiten Amplitude der Auslenkung der Schwingung oder der Auslenkgeschwindigkeit der Schwingung bestimmt. Insbesondere kann der zeitliche Verlauf der Auslenkung und der Auslenkgeschwindigkeit jeweils eine harmonische Funktion sein und die Auslenkung und der Auslenkgeschwindigkeit phasenverschoben zueinander sein.
Anhand der bestimmten ersten und zweiten Auslenkung z. B. in Form einer ersten bzw. zweiten Amplitude können mindestens eine erste und eine zweite elastische Kenngröße des Gewebes ermittelt werden. Eine Möglichkeit zum Bestimmen einer elastischen Kenngröße (des Schermoduls) anhand der bestimmten ersten und zweiten Amplitude ergibt sich aus den nachfolgenden Betrachtungen, wobei (1) die Gesamtenergiebilanz einer elastischen Verformung aufgestellt wird, die aus kinetischer Energie und Strain-Energie (Verzerrungsenergie) besteht, (2) der Energiedurchfluss (energy flux), durch eine Einheitsfläche pro Einheitszeit hergeleitet wird, (3) eine zeitharmonische elastische Welle als Auslenkungsfunktion angenommen wird, welche ein Medium zu zwei Zeitpunkten mit unterschiedlicher Elastizität durchläuft und (4) das Verhältnis der Wellenamplituden zu den Zeitpunkten 1 und 2 bei unterschiedlichen Elastizitäten unter Annahme eines konstanten Energieflusses hergeleitet wird.
Die Ausbreitung einer elastischen Welle in einem Medium ist verbunden mit dem Transport von Energie. Die Veränderung der Gesamtenergie E in einem deformierten elastischen Körper, der von einem Volumen V umschlossen ist, ist gegeben durch den zeitlichen Verlauf der kinetischen und der potentiellen Energie (der Verzerrungsenergie), d. h. (unter Verwendung der Einstein'schen Summenkonvention):
Hierbei bezeichnet x den Ort, u das Vektorfeld der Verschiebung und c_ijkl die Komponenten des Elastizitätstensors. ρ ist die Dichte, die für das Myokardium zu 1 kg/l angenommen wird. Die Änderung der Gesamtenergie ergibt sich zu
Hierbei stellt die rechte Seite der Gleichung 2 den Energiefluss durch eine Oberfläche mit der Normalen n_j dar. Nach Anwenden der Produktregel auf den Verzerrungsenergieterm in Gleichung 2 und des Gauss'schen Satzes ergibt sich
Dies ist gültig für deformierte Materialien im Kräfte-Gleichgewicht ohne Gravitation. Die Richtung und der Betrag des Energiedichteflussvektors F geben die Richtung des Energieflusses und den Betrag der Energie an, die pro Zeiteinheit durch eine Einheitsfläche mit dem Normalenvektor n fließt. Für ein isotropes elastisches Material ergibt sich für F mit den Lamé-Koeffizienten λ and μ:
Die Ausbreitung einer ebenen elastischen Welle wird durch drei Eigenmoden M bestimmt, die sich relativ zu n als longitudinale Mode (L) und transversale Moden (T) mit der Phasengeschwindigkeit c_M ausbreiten: ρc2L = (λ + 2μ)n2 (5.) ρc2T = 2μn2 (5.)
Im isotropen Fall sind die beiden tranversalen Moden degeneriert. Die Polarisationsrichtung relativ zu n ist gegeben durch den entsprechenden Eigenvektor U_M, der mit dem kartesischen Einheitsvektor e_i zusammenfällt, wenn n auf der Achse des elastischen Referenzrahmens liegt. Zur Auswertung des Energieflusses in zeitharmonischer Elastographie werden Ebene-Welle-Moden mit Amplitude A_M und Kreisfrequenz ω angenommen:
Es wird darauf hingewiesen, dass für harmonische Wellen der Energiefluss einer unendlichen Folge von Pulsen entspricht, die mit der Gruppengeschwindigkeit ∂c_M/∂n fortschreiten. Einsetzen von Gleichung 6 in Gleichung 4 ergibt die Vektorkomponenten F_L und F_T, die den Energiedichtefluss parallel bzw. senkrecht zu den Wellennormalenvektor darstellen: |FM| = cMA2M ω2 M = T, L. (7.)
Somit ist |F_M| bei Anregung mit laufenden harmonischen ebenen Wellen in Raum und Zeit konstant. Werden zwei Wellenamplituden A_1M und A_2M an zwei Zeitpunkten während der Herzphase betrachtet, entspricht ihr Verhältnis zueinander der relativen Veränderung der Wellengeschwindigkeit, die auf Elastizitätsveränderungen im Myokardium zurückgeht:
In scherwellenbasierter Elastographie ist die Annahme der Inkompressibilität von weichem biologischem Gewebe etabliert. Mit dieser Beschränkung ist λ unendlich und R_L gleich eins, d. h. eine Veränderung der Wellenamplitude in Folge von Kompressionswellen tritt nicht auf. Dagegen ergibt sich für das konvergierende Schermodul μ eine Veränderung der Amplitude in vierter Potenz:
In einer weiteren Variante der Erfindung weist das Gewebe zum ersten Zeitpunkt das Schermodul μ₁ und zum zweiten Zeitpunkt das Schermodul μ₂ auf. Deren Verhältnis zueinander wird anhand einer zum ersten Zeitpunkt bestimmten ersten Amplitude A₁ und der zum zweiten Zeitpunkt bestimmten zweiten Amplitude A₂ gemäß obiger Gleichung (9) ermittelt. Es wird darauf hingewiesen, dass dies natürlich nicht auf das Myokardium beschränkt ist, sondern auf sämtliche Gewebe anwendbar ist, die zeitlich variierende elastische Eigenschaften aufweisen, z. B. ein anderes Muskelgewebe.
In einer weiteren Variante der Erfindung wird eine erste und die zweite Amplitude der Welle jeweils mittels Fouriertransformation oder einer Korrelation der Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit mit einer harmonischen Schwingungsfunktion ermittelt. Beispielsweise weist die harmonische Schwingungsfunktion eine Schwingungsfrequenz auf, die der Frequenz entspricht, mit der die Welle im Gewebe angeregt wird. Durch Bilden der Korrelation kann das Auslenkungssignal der angeregten Welle von einer Eigenbewegung des Gewebes (z. B. Kontraktion und Dekontraktion eines Muskels, etwa des Myokardiums) getrennt und somit die Amplitude (der Auslenkung oder auch der Auslenkgeschwindigkeit) der Schwingung gefiltert ermittelt werden.
Im Folgenden wird das Bilden der Korrelation für den Fall betrachtet, dass der Nachweis der im Gewebe angeregten Welle mittels Magnetresonanz erfolgt. Das Anregen einer Welle im Gewebe und Nachweis der Welle mittels Magnetresonanz wird als Magnetresonanzelastographie (MRE) bezeichnet, In diesem Beispiel wird ein für die Welle charakteristisches zeitabhängiges Phasensignal ϕ(t) ermittelt und aus dessen zeitlicher Ableitung ϕ . eine Auslenkgeschwindigkeit u .(t) einer Schwingung der Welle berechnet. Die Auslenkgeschwindigkeit u .(t) wiederum wird mit einer komplexen harmonischen Funktion korreliert, die dieselbe Frequenz aufweist, woraus sich der zeitliche Verlauf der Wellenamplitude wie folgt ergibt:
Die Integrationsschrittweite Δt ist dabei beispielsweise so gewählt, dass die Auslenkungsamplitude A(t) über N komplette Wellenzyklen bestimmt wird, d. h. A(t) hat eine geringere zeitliche Auflösung, die um das N-fache der Zahl der Stützstellen eines Vibrationszyklus gekürzt ist. Anstelle der Auslenkgeschwindigkeit u .(t) kann auch eine aus dem Phasensignal bestimmte Auslenkung u(t) mit der harmonischen Funktion korreliert werden, um die Amplitude zu ermitteln.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum elastographischen Untersuchen von Gewebe, mit

– Auslenkungsbestimmungsmitteln (4) zum Bestimmen einer Auslenkung und/oder Auslenkgeschwindigkeit im Gewebe (31) angeregter mechanischer Wellen, die vorwiegend oder ausschließlich quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingen, wobei
– das Gewebe (31) zu einem ersten Zeitpunkt erste elastische Eigenschaften und zu einem zweiten Zeitpunkt zweite elastische Eigenschaften, die von den ersten elastischen Eigenschaften verschieden sind, aufweist; und
– die Auslenkungsbestimmungsmitteln (4) ausgebildet und vorgesehen sind, zu dem ersten Zeitpunkt eine erste Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit und zu dem zweiten Zeitpunkt eine zweite Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit zu bestimmen.

Die Auslenkungsbestimmungsmittel können im Prinzip beliebig ausgestaltet sein, z. B. auf Ultraschall oder Magnetresonanz basieren. Insbesondere können die Auslenkungsbestimmungsmittel eine programmierbare Einheit mit einer Steuer- und Auswertesoftware enthalten, mittels derer z. B. die oben beschriebenen Verfahren zur Korrelation eines Auslenkungs- oder Auslenkungsgeschwindigkeitssignals oder generell die Abläufe zur Bestimmung eines Auslenkungs- oder Auslenkungsgeschwindigkeitssignals, d. h. Erfassung und Auswertung eines für die Auslenkung oder die Auslenkungsgeschwindigkeit charakteristischen Signals, realisiert werden.
Zudem kann die Vorrichtung Wellenanregungsmittel zum Anregen mindestens einer mechanischen Welle in dem Gewebe aufweisen. Beispiele derartiger Wellenanregungsmittel sind in der deutschen Patentanmeldung 10 2006 037160.7 beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Auslenkungsbestimmungsmittel separat zu den Wellenanregungsmitteln ausgebildet sein können und z. B. auch vorgesehen sein können, mit unterschiedlichen Wellenanregungsmitteln zusammenzuarbeiten.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Variante einer MRE-Vorrichtung;
2a bis 2d Auswertungen eines MRE-Experimentes im Myokard und der Brust einer Versuchsperson;
3a und 3b eine Auswertung eines weiteren MRE-Experimentes im Myokard von sechs Versuchspersonen.
1 zeigt eine MRE-Vorrichtung, wie sie zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann. Die Vorrichtung umfasst Wellenanregungsmittel 5, die mechanische Schwingungen mittels einer Lautsprechermembran 51 erzeugt. Die von der Lautsprechermembran 51 erzeugten Schwingungen werden über ein stabförmiges Übertragungselement 2 auf eine Versuchsperson 3 übertragen und in das zu untersuchende Gewebe 31 der Versuchsperson 3 eingekoppelt. Die hierdurch im Gewebe 31 angeregten mechanischen Wellen werden mittels Auslenkungsbestimmungsmitteln in Form eines MRT-Scanners 4 detektiert und eine Auslenkung oder eine Auslenkungsgeschwindigkeit der angeregten Wellen bestimmt.
In einer Weiterbildung ist das Übertragungselement mit einer Liege oder einer Sitzeinrichtung gekoppelt, auf der sich die Versuchsperson während der Messung befindet, und überträgt die Schwingungen auf die Liege bzw. die Sitzeinrichtung. Durch die in Schwingung versetzte Liege bzw. Sitzeinrichtung wird schließlich das zu untersuchende Gewebe der Versuchsperson angeregt. In einer Variante ist die Lautsprechermembran in die Liege bzw. Sitzeinrichtung integriert, um diese in Schwingungen zu versetzen, so dass das Übertragungselement entfällt.
Die 2a bis 2d betreffen Auswertungen einer erfindungsgemäßen MRE-Messung am Myokard und der Brust einer Versuchsperson. In das Myokard-Gewebe bzw. in die Brust der Versuchsperson wurden mechanische Wellen eingekoppelt und mittels Magnetresonanz nachgewiesen. In 2a ist das für die Auslenkung einer Schwingung der Welle charakteristische Phasensignal der Magnetresonanz-Messung (Ordinate) über der Zeit (Abszisse) für das Myokard (Kurven P) und für den Brustkorb (Kurve B) dargestellt. Zum Vergleich ist jeweils auch eine Messkurve P' bzw. B' dargestellt, die ohne mechanische Anregung des Gewebes aufgenommen wurde. Die Messungen wurden für ungefähr zwei Herzphasen durchgeführt.
In 2a ist zu erkennen, dass die Amplitude des Phasensignals ϕ der Myokard-Messung mit mechanischer Wellenanregung sich deutlich zeitlich verändert, während die Amplitude des Phasensignals der im Brustkorb angeregten Wellen im Wesentlichen konstant ist.
2b bezieht sich auf die Myokard-Messung der 2a, wobei das Phasensignal dadurch gefiltert wurde, dass anstelle des reinen Phasensignals ϕ seine zeitliche Ableitung ϕ . verwendet wurde, wodurch sich die über die Herzphase auftretende Amplitudenmodulation noch deutlicher abzeichnet.
Eine Umsetzung des Phasensignals der Magnetresonanz in Wellenamplituden kann – wie oben bereits beschrieben – mittels einer Korrelation des Phasensignals mit einer harmonischen Funktion, die dieselbe Frequenz wie die im Gewebe angeregten Schwingungen aufweist, erfolgen. Nach Durchführen einer derartigen Korrelation ergeben sich die in 2c dargestellten Kurvenverläufe für die zeitliche Abhängigkeit der Schwingungsamplitude der im Myokard angeregten Wellen, wobei die Amplituden für drei räumliche Komponenten der MRT-Messung (Schichtgradient-, Lesegradient- bzw. Phasenkodier-Richtung, Kurven K₁, K₂, K₃) sowie der Betrag A der Resultierenden der Schwingung dargestellt sind. Die Kurve K₁ wurde in einer Richtung parallel zur Ausbreitungsrichtung der eingekoppelten Welle aufgenommen. In dieser Richtung besitzt die Welle aufgrund ihrer transversalen Natur jedoch keine oder nur eine relativ kleine Schwingungskomponente, so dass die Amplitude für diese Richtung entsprechend im Prinzip keine zeitliche Abhängigkeit besitzt.
Der Verlauf der Wellenamplitude für die anderen Raumrichtungen (Kurven K₂, K₃) korrespondiert mit dem Verlauf der Amplitude des Phasensignals (2a, 2b). Die Wellenamplituden verändern sich über die Herzphase, wobei eine höhere Amplitude auftritt, wenn der Herzmuskel entspannt ist, d. h. eine geringere Steifigkeit aufweist, als im angespannten Zustand des Herzmuskels. Genauer ist 2c zu entnehmen, dass die Wellenamplitude im Bereich der frühen Systole (bei t = 1–1,1 s) im Vergleich zur Diastole auf ungefähr den halben Wert fällt, was auf eine etwa 16-fache Zunahme der Elastizität des Myokards während dieser Phase des Herzschlages schließen lässt.
Im Falle der in den 2a bis 2c dargestellten Messungen wurden jeweils 360 MRT-Bilder aufgenommen, wobei sechs Aufnahmen pro Zyklus der im Gewebe angeregten mechanischen Wellen gemacht wurden. Die Integrationsschrittweite Δt bei Durchführen der Korrelation wurde dabei so gewählt, dass die Wellenamplitude über einen vollständigen Zyklus der mechanischen Welle, d. h. eine Schwingungsdauer, bestimmt wurde, weshalb die zeitliche Auflösung des Korrelationssignals (der Amplitude in 2c) im Vergleich zum Phasensignal kleiner ist.
Die 2d zeigt eine zur 2c analoge Auswertung des Phasensignals der Brustkorb-Messung. Das resultierende Amplitudensignal weist im Wesentlichen keinerlei zeitliche Abhängigkeit auf.
Die 3a und 3b beziehen sich auf Messungen am Myokard von sechs Versuchspersonen. Die 3a zeigt die Bemittelte Amplitude der jeweils im Myokard angeregten mechanischen Schwingungen der Versuchspersonen (Ordinate) über der Zeit (Abszisse). Darüber hinaus ist der Durchmesser LV des linken Herz-Ventrikels dargestellt (gestrichelte Linie), was einen Vergleich des zeitlichen Amplitudenverlaufs A mit dem zeitlichen Verlauf der Herzmorphologie (Herzvolumen) ermöglicht. Die Fehlerbalken entsprechen der interindividuellen Standardabweichung.
Es ist zu erkennen, dass das Amplitudensignal A während der Systole deutlich abfällt. Genauer ergibt sich, dass das Abfallen der Wellenamplituden dem Abfallen des Ventrikelvolumens vorausläuft (um etwa 60 ms). Daraus kann geschlossen werden, dass die Anspannung des Herzmuskels unmittelbar mit Eintreffen des R-Impulses (am Ende der Diastole) beginnt, wobei das Herzvolumen über einen Zeitraum V nach Beginn der Kontraktion des Herzmuskels konstant bleibt (isovolumetrische Kontraktionsphase).
3b zeigt eine Auswertung der Amplitude der 3a, wobei der zeitliche Verlauf des Schermoduls in Bezug zum Schermodul des Myokards während der Diastole dargestellt ist (Ordinate). Zu erkennen ist, dass das Elastizitätsmodul μ während der Systole – konträr zur Amplitude – ansteigt, was auf die Kontraktion des Myokardiums in dieser Herzphase zurückgeht.

2: Übertragungselement
3: Versuchsperson
31: Gewebe
4: MRT-Scanner
5: Wellenanregungsmittel
51: Lautsprechermembran

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006037160 [0031]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Myocardial elastography – a feasibility study in vivo", Konofagou EE, D'Hooge J, Ophir J., Ultrasound Med Biol 2002; 28 (4): 475-482 [0004]
- „Single Breath Hold Transient MR-Elastography of the Heart – Imaging Pulsed Shear Wave Propagation induced by Aortic Valve Closure", Sinkus R, Robert B, Gennisson J-L, Tanter M, Fink M, Proc 14 th Annual Meeting ISMRM. Seattle. 2006. p 77 [0004]

Claims

Verfahren zum elastographischen Untersuchen von Gewebe, mit den Schritten: – Anregen mindestens einer mechanischen Welle in dem Gewebe (31), die vorwiegend oder ausschließlich quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingt, wobei – das Gewebe (31) zu mindestens einem ersten Zeitpunkt erste elastische Eigenschaften und zu mindestens einem zweiten Zeitpunkt zweite elastische Eigenschaften, die von den ersten elastischen Eigenschaften verschieden sind, aufweist; und – zu dem ersten Zeitpunkt eine erste Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit einer Schwingung der Welle als Maß für die ersten elastischen Eigenschaften und – zu dem zweiten Zeitpunkt eine zweite Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit einer Schwingung der Welle als Maß für die zweiten elastischen Eigenschaften bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der ersten und zweiten Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit mittels Ultraschall und/oder Magnetresonanztomographie erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe (31), in dem die Welle angeregt wird, ein myokardiales Gewebe ist, das elastische Eigenschaften aufweist, die sich in Abhängigkeit vom Herzschlag zeitlich verändern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregen der Welle im Gewebe (31) mittels einer zum Gewebe (31) externen Anregungseinheit (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Auslenkung in Form einer ersten bzw. zweiten Amplitude der Auslenkung der Schwingung bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Auslenkgeschwindigkeit in Form einer ersten bzw. zweiten Amplitude der Auslenkgeschwindigkeit der Schwingung bestimmt werden
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit jeweils für eine Komponente der Schwingung quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit jeweils für alle Komponenten der Schwingung separat bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit jeweils in Form der Resultierenden der Schwingung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der ersten und der zweiten Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit an demselben Abschnitt des Gewebes (31) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens an einem weiteren Abschnitt des Gewebes (31) eine weitere erste Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit zu einem Zeitpunkt, zu dem das Gewebe (31) die ersten elastischen Eigenschaften aufweist, und eine weitere zweite Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit zu einem Zeitpunkt, zu dem das Gewebe (31) die zweiten elastischen Eigenschaften aufweist, bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der bestimmten ersten und zweiten Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit jeweils mindestens eine elastische Kenngröße des Gewebes (31) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe (31) zum ersten Zeitpunkt ein Schermodul μ₁ und zum zweiten Zeitpunkt ein Schermodul μ₂ aufweist und deren Verhältnis zueinander anhand der zum ersten Zeitpunkt bestimmten ersten Amplitude A₁ und der zum zweiten Zeitpunkt bestimmten zweiten Amplitude A₂ gemäß folgender Gleichung ermittelt wird:
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu mehreren Zeitpunkten Auslenkungen bzw. Auslenkgeschwindigkeiten der Welle bestimmt werden, um einen zeitlichen Verlauf der Auslenkung bzw. der Auslenkgeschwindigkeit zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Amplitude der Auslenkung bzw. der Auslenkgeschwindigkeit der Schwingung mittels einer Korrelation des zeitlichen Verlaufs der Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit mit einer harmonischen Schwingungsfunktion ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die harmonische Schwingungsfunktion eine Schwingungsfrequenz aufweist, die der Frequenz der im Gewebe (31) angeregten Welle entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der ersten und der zweiten Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit der angeregten Welle mittels Magnetresonanztomographie erfolgt, wobei ein von der Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit der Schwingung abhängiges Phasensignal ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasensignal zu einer Mehrzahl von Zeitpunkten ermittelt wird, so dass sich ein zeitlicher Verlauf des Phasensignals ergibt, aus dem ein zeitlicher Verlauf der Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit der im Gewebe (31) angeregten Welle bestimmt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit mit einer harmonischen Schwingungsfunktion korreliert wird, wobei die harmonische Schwingungsfunktion eine Schwingungsfrequenz aufweist, die der Frequenz der im Gewebe (31) angeregten Welle entspricht.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zeitlichen Verlauf des Phasensignals ein zeitlicher Verlauf der Amplitude der Auslenkung und/oder der Amplitude der Auslenkgeschwindigkeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude A der im Gewebe (31) mit der Frequenz ω angeregten Welle zu verschiedenen Zeiten t aus der Auslenkgeschwindigkeit u . der Schwingung wie folgt bestimmt wird:
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude A der im Gewebe (31) mit der Frequenz ω angeregten Welle zu verschiedenen Zeiten t aus der Auslenkung u der Schwingung wie folgt bestimmt wird:
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte als Programmcode formuliert sind, mit dem das Verfahren mittels einer programmierbaren Einheit ausführbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Gewebe (31) angeregte Welle eine Frequenz unterhalb 100 Hz, insbesondere unterhalb 40 Hz, aufweist.
Vorrichtung zum elastographischen Untersuchen von Gewebe, mit – Auslenkungsbestimmungsmitteln (4) zum Bestimmen einer Auslenkung und/oder Auslenkgeschwindigkeit im Gewebe (31) angeregter mechanischer Wellen, die vorwiegend oder ausschließlich quer zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingen, wobei – das Gewebe (31) zu einem ersten Zeitpunkt erste elastische Eigenschaften und zu einem zweiten Zeitpunkt zweite elastische Eigenschaften, die von den ersten elastischen Eigenschaften verschieden sind, aufweist; und – die Auslenkungsbestimmungsmitteln (4) ausgebildet und vorgesehen sind, zu dem ersten Zeitpunkt eine erste Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit und zu dem zweiten Zeitpunkt eine zweite Auslenkung bzw. Auslenkgeschwindigkeit zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkungsbestimmungsmittel (4) eine Ultraschall- und/oder eine Magnetresonanztomographieeinheit umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkungsbestimmungsmittel (4) ausgebildet und vorgesehen sind, eines der Verfahren gemäß den Ansprüchen 5 bis 22 durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkungsbestimmungsmittel (4) eine programmierbare Einheit aufweisen, die Programmcode enthält, mit dem eines der Verfahren gemäß den Ansprüchen 5 bis 22 durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, gekennzeichnet durch Wellenanregungsmittel (5) zum Anregen mindestens einer mechanischen Welle in dem Gewebe.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenanregungsmittel (5) ausgebildet sind, eine Sitz- oder Liegeeinrichtung zum Aufnehmen einer Person derart in Schwingungen zu versetzen, dass durch die schwingende Sitz- oder Liegeeinrichtung die mechanische Welle in dem zu untersuchenden Gewebe der Person angeregt wird.