DE102011081480A1 - Method for determining e.g. fiber directions of muscle fibers of blood vessel in left ventricle of human heart, involves comparing local elongations and elongation portions to determine intrinsic anisotropy of tissue - Google Patents

Method for determining e.g. fiber directions of muscle fibers of blood vessel in left ventricle of human heart, involves comparing local elongations and elongation portions to determine intrinsic anisotropy of tissue Download PDF

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Abstract

The method involves reading data of a detected three-dimensional (3D) movement of predetermined positions (P1, P2) of a hollow body wall (6). 3D local elongations of the predetermined positions are determined from the detected movement. Geometrically defined elongation portions in the predetermined positions are calculated by simulation. A compensated 3D elongation state is calculated by correction of the 3D local elongations with the elongation portions. The 3D local elongations and the elongation portions are compared for determining intrinsic anisotropy of a tissue. An independent claim is also included for a computer program product comprising a set of instructions for performing a method for determining an intrinsic anisotropy of a wall material of a flexible hollow body.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der intrinsischen Anisotropie des Wandmaterials eines unter Druck stehenden flexiblen Hohlkörpers, beispielsweise der Faserrichtungen und Materialeigenschaften von Fasern eines Gewebes. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Visualisierung der Faserverläufe von Muskelbündeln an Hohlkörpern bzw. Hohlorganen des Menschen, wie z. B. bestimmten Blutgefäßen, insbesondere des Herzens. Die Erfindung ermöglicht dadurch eine neuartige, anatomische Analyse und Visualisierung von Hohlorganen, die in bestehende Darstellungen, wie beispielsweise Oberflächenmodelle oder Parameterkarten (vgl. WO 2007 141 038 A1 ) eingebracht werden kann.The present invention relates to a method for determining the intrinsic anisotropy of the wall material of a pressurized flexible hollow body, for example the fiber directions and material properties of fibers of a fabric. In particular, the present invention relates to a method for visualization of the fiber progressions of muscle bundles on hollow bodies or hollow organs of man, such. B. certain blood vessels, especially the heart. The invention thus makes possible a novel, anatomical analysis and visualization of hollow organs that can be integrated into existing representations, such as, for example, surface models or parameter maps (cf. WO 2007 141 038 A1 ) can be introduced.

Bei der herkömmlichen Visualisierung bzw. Berechnung von unter Druck stehenden Hohlkörpern, wie beispielsweise des Herzens, werden Modelle des Hohlkörpers in einer zweidimensionalen (2D), dreidimensionalen (3D) oder zeitlich aufgelösten, d. h. vierdimensionalen (4D) Darstellung am Bildschirm eines entsprechenden Computersystems visualisiert, wobei für deren Rekonstruktion in der Regel zweidimensionale Schichtbilder aus CT-, MR- oder Ultraschallaufnahmen herangezogen werden, um beispielsweise ein Oberflächenmodell des Herzens zu rekonstruieren. Zur Bestimmung von funktionalen Parametern wie Dehnungen, Dehnungsänderungen, Verschiebungen oder Wandgeschwindigkeiten der Hohlkörperwand werden dann entweder 3D- oder 4D-Bilddatensätze, oder auch 2D-Bilddatensätze, wie z. B. sogenannte Kurzachsschnitte oder Langachsschnitte eines Herzens, insbesondere des linken Ventrikels eines Herzens, herangezogen, wobei zu diesem Zweck die 2D oder 3D-Bilddatensätze anhand eines globalen Koordinatensystems ausgerichtet werden, wie dies beispielsweise in 1 dargestellt ist.In the conventional visualization or calculation of pressurized hollow bodies, such as the heart, models of the hollow body are visualized in a two-dimensional (2D), three-dimensional (3D) or temporally resolved, ie four-dimensional (4D) representation on the screen of a corresponding computer system, usually two-dimensional slice images from CT, MR or ultrasound images are used for their reconstruction, for example to reconstruct a surface model of the heart. To determine functional parameters such as strains, strain changes, displacements or wall speeds of the hollow body wall then either 3D or 4D image data sets, or 2D image data sets, such. B. so-called Kurzachsschnitte or long axis sections of a heart, in particular of the left ventricle of a heart, used for this purpose, the 2D or 3D image data sets are aligned on the basis of a global coordinate system, as for example in 1 is shown.

Das globale Koordinatensystem GK zeichnet sich z. B. als rechtshändiges Koordinatensystem aus, wobei die z-Achse beispielsweise beim linken Ventrikel eines Herzens von dessen Basis 4 in Richtung des Apex 3 zeigt. Entsprechende Langachsenschnitte liegen parallel zur z-Achse, während die Kurzachsenschnitte dann parallel zur x-y-Ebene liegen.The global coordinate system GK is characterized z. B. as a right-handed coordinate system, wherein the z-axis, for example, the left ventricle of a heart of the base 4 in the direction of the apex 3 shows. Corresponding long-axis sections are parallel to the z-axis, while the short-axis sections are then parallel to the xy plane.

Die Berechnung und Darstellung der funktionalen Parameter eines Herzens erfolgt dann allerdings anhand eines herztypischen Koordinatensystems, das in der Regel einem polaren bzw. lokalen Koordinatensystem entspricht, d. h. mit radialen, longitudinalen und zirkumferentiellen Komponenten (jeweils bezogen auf die Herzachse, die in der Regel entlang der z-Achse verläuft, oft aber auch gekrümmt ist, weswegen sich meist lokale Koordinatensysteme empfehlen).However, the calculation and presentation of the functional parameters of a heart then takes place on the basis of a heart-specific coordinate system, which generally corresponds to a polar or local coordinate system, i. H. with radial, longitudinal and circumference components (in each case with respect to the heart axis, which is usually along the z axis, but often also curved, which is why local coordinate systems are usually recommended).

Beim Stand der Technik ergeben sich somit auf das Herz-Koordinatensystem bezogene Werte bzw. funktionale Parameter, da die entsprechenden Messungen stets auf die Herzachsen (longitudinal, radial und rotatorisch (zirkumferentiell)) projiziert werden. Dieses System berücksichtigt allerdings nicht die Gewebemorphologie wie beispielsweise die Faserverläufe der Herzmuskulatur.The prior art thus results in values or functional parameters related to the cardiac coordinate system, since the corresponding measurements are always projected onto the cardiac axes (longitudinal, radial and rotational (circumferential)). However, this system does not take into account the tissue morphology such as the heart muscle fiber pathways.

Der skelettmuskelartige Aufbau der Herzmuskulatur zeichnet sich aber durch spezielle Muskelfaserstränge unterschiedlicher Richtung und Orientierung aus. Jede Muskelfaser kontrahiert dabei nur entlang ihrer Faserrichtung. Sind mehrere Muskelfasern mit individuell unterschiedlicher Faserorientierung beteiligt, stellt sich eine entsprechend überlagerte Bewegung ein. Die Kontraktionsrichtung der Herzwand entspricht dann zunächst der mittleren Faserrichtung der beteiligten Muskelbündel.The skeletal muscle-like structure of the heart muscle is characterized by special muscle fiber strands of different directions and orientation. Each muscle fiber contracts only along its fiber direction. If several muscle fibers with individually different fiber orientation are involved, a correspondingly superimposed movement arises. The contraction direction of the heart wall then corresponds first to the mean fiber direction of the muscle bundles involved.

Unterschiedliche Herzbelastungen und Krankheiten haben nun einen Einfluss auf die an der Kontraktion beteiligten Muskelbündel und somit auf die Form und das Muster der Kontraktion des Herzens. Herzfunktionen kann man daher auch anhand einer Einteilung bzw. Bestimmung von Muskelfasern messen (die sogenannte „Single Muscle Band” Theorie).Different cardiac loads and diseases now have an impact on the contraction-involved muscle bundles and thus on the shape and pattern of contraction of the heart. Heart functions can therefore also be measured by means of a division or determination of muscle fibers (the so-called "single muscle band" theory).

Ein Nachteil der Darstellung bzw. entsprechender Messmethoden im rechtshändigen, globalen Koordinatensystem besteht darin, dass Tangentialbewegungen, wie zum Beispiel eine Torsionsbewegung der Hohlkörperwand, nicht als solche unbedingt unmittelbar erkennbar sind, da sie längs der Hauptrichtungskomponenten des verwendeten Koordinatensystems quantitativ eingeteilt und entsprechend visualisiert werden. Die physiologische Struktur der Muskelfasern bleibt dabei zum Teil unberücksichtigt. Für medizinische Eingriffe, zum Beispiel für die Lokalisierung der Befestigungspunkte von Elektroden eines Herzschrittmachers, ist es aber wünschenswert, die Lage und die Richtung der Muskelfaserstränge genau zu bestimmen. Orientiert sich der Arzt z. B. an den in einem Herzkoordinatensystem vorliegenden Karten und den dort berechneten funktionalen Parametern, kann er in der Regel nicht erkennen, in welche Richtung die Muskelfaserstränge verlaufen und welche Physiologie diese aufweisen (Stärke der Stränge, Richtung, Lage und Dicke). Besser wäre es aber, die für die Kontraktion eines Herzens maßgeblichen Richtungen der Muskelfasern zu detektieren, da diese dann auch gezielt angesteuert werden können.A disadvantage of the representation and corresponding measurement methods in the right-handed, global coordinate system is that tangential movements, such as a torsional movement of the hollow body wall, are not necessarily immediately recognizable as such, since they are quantitatively divided along the main direction components of the coordinate system used and visualized accordingly. The physiological structure of the muscle fibers remains partially unconsidered. For medical interventions, for example for the localization of the attachment points of electrodes of a cardiac pacemaker, it is desirable to determine the exact location and direction of the muscle fiber strands. Oriented the doctor z. As in the present in a cardiac coordinate system maps and the calculated there functional parameters, he usually can not see in which direction the muscle fiber strands run and what physiology they have (strength of the strands, direction, location and thickness). It would be better, To detect the relevant for the contraction of a heart directions of the muscle fibers, as these can then be targeted.

Im Stand der Technik existieren zwei weitere Nachteile: Da bei der Kontraktion von Muskelbündeln am Herzen eine Dehnung in der Regel nur entlang der Muskelfasern verläuft, die Dehnung der Hohlkörperwand aber nur anhand der Standardrichtungen (longitudinal, radial und zirkumferentiell) berechnet und dargestellt wird, ergibt ein absolut homogen, entlang seiner Faserrichtung kontrahierender Herzmuskel in sämtlichen herkömmlich verwendeten Standardkarten eine inhomogene Verteilung der Messwerte, da nur eine Projektion der tatsächlichen Dehnung auf die jeweilige Messrichtung erfasst wird, nicht aber die Dehnung entlang der Muskelfasern selbst.In the prior art, there are two further disadvantages: Since in the contraction of muscle bundles at the heart of an elongation usually only along the muscle fibers, the elongation of the hollow body wall but calculated only on the basis of the standard directions (longitudinal, radial and circumference), and results an absolutely homogeneous cardiac muscle contracting along its fiber direction in all conventionally used standard cards an inhomogeneous distribution of the measured values, since only a projection of the actual strain on the respective measuring direction is detected, but not the strain along the muscle fibers themselves.

Des Weiteren liegt eine Ursache für eine räumlich inhomogene Verteilung der Dehnung in der Geometrie des untersuchten Hohlkörpers selbst begründet, selbst unter Annahme eines isotropen Materials für die Hohlkörperwand, auf welches ein bestimmter Innendruck wirkt. So ergeben sich aufgrund der geometrischen Form bereits unterschiedliche Dehnungen in verschiedenen Hauptrichtungen und auch über die Wanddicke des Hohlkörpers verteilt. Betrachtet man beispielsweise einen idealen, elastischen, dickwandigen Zylinder, der unter einem bestimmten Innendruck steht, so stellt man fest, dass sich dieser bei Druckänderung nicht ausschließlich radial sondern auch longitudinal in einem unterschiedlichen Verhältnis dehnt, so dass bereits hier, bei Druckänderungen, Dehnungen und somit auch Bewegungen in mehr als eine Hauptrichtung entstehen.Furthermore, one reason for a spatially inhomogeneous distribution of the strain in the geometry of the examined hollow body is itself justified, even assuming an isotropic material for the hollow body wall, on which a certain internal pressure acts. Thus, due to the geometric shape already different strains in different main directions and distributed over the wall thickness of the hollow body. Consider, for example, an ideal, elastic, thick-walled cylinder, which is under a certain internal pressure, it can be seen that this pressure changes not only radially but also longitudinally in a different ratio, so that even here, in pressure changes, strains and thus also movements in more than one main direction arise.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, aus dem dreidimensionalen Bewegungs- bzw. Kontraktionsmuster der Hohlkörperwand die intrinsische Anisotropie des Gewebes zu bestimmen, d. h. die formbereinigte, lokale Kontraktionsrichtung zu extrahieren, so dass dadurch die Faserrichtungen der beteiligten Fasern gewonnen werden können. Die Kontraktionsrichtung kann dabei eine neue zusätzliche Größe bei der Bewertung von Pathologien darstellen, die zu Diagnosezwecken genutzt werden kann. Zudem kann mittels einer Berechnung der Kontraktionsrichtung auch der Betrag der Kontraktion besser bewertet werden, da keine Projektion in entsprechende Standardrichtungen (longitudinal, zirkumferentiell, radial) erfolgt, die in der Regel zu der jeweiligen Muskelfaserrichtung unkorreliert ist.The present invention is therefore based on the object of determining the intrinsic anisotropy of the tissue from the three-dimensional movement or contraction pattern of the hollow body wall, that is to say the intrinsic anisotropy of the tissue. H. to extract the shape-corrected, local contraction direction, so that thereby the fiber directions of the fibers involved can be obtained. The direction of contraction can represent a new additional factor in the evaluation of pathologies that can be used for diagnostic purposes. In addition, by means of a calculation of the direction of contraction, the amount of contraction can also be better evaluated, since no projection into corresponding standard directions (longitudinal, circumference, radial) takes place, which as a rule is uncorrelated to the respective muscle fiber direction.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und besondere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet und dort beansprucht. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bestimmung der intrinsischen Anisotropie eines Wandmaterials eines unter Druck stehenden flexiblen Hohlkörpers. Der Hohlkörper ist bevorzugt ein Hohlorgan des menschlichen oder tierischen Körpers, z. B. ein Blutgefäß, insbesondere eine Herzkammer. Das Wandmaterial besteht bevorzugt aus Gewebe, z. B. aus Muskelgewebe, welches längliche Muskelfasern und -stränge enthält. Dabei wird insbesondere die lokale, formbereinigte (d. h. die Geometrie des Hohlkörpers berücksichtigenden) anisotrope Dehnung des Wandmaterials des Hohlkörpers bestimmt. Hierzu wird entweder die dreidimensionale Bewegung vorbestimmbarer Positionen der Hohlkörperwand, beispielsweise durch ein im Stand der Technik bekanntes dreidimensionales „Feature-Tracking-Verfahren”, detektiert oder Daten der bereits detektierten Bewegung der vorbestimmbaren Positionen der Hohlkörperwand werden eingelesen. Diese dreidimensionale Bewegung der Hohlkörperwand entspricht aber nicht der Faserrichtung der Herzmuskelfasern, weswegen, ausgehend von dieser Bewegung, zunächst die dreidimensionale, lokale Dehnung dieser vorbestimmbaren Positionen (P) aus der detektierten Bewegung ermittelt wird.The present invention solves this problem by the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention and particular embodiments are characterized in the dependent claims and claimed there. The inventive method is used to determine the intrinsic anisotropy of a wall material of a pressurized flexible hollow body. The hollow body is preferably a hollow organ of the human or animal body, for. B. a blood vessel, in particular a heart chamber. The wall material is preferably made of fabric, for. From muscle tissue containing elongated muscle fibers and strands. In particular, the local, shape-corrected (ie taking into account the geometry of the hollow body) anisotropic expansion of the wall material of the hollow body is determined. For this purpose, either the three-dimensional movement of predeterminable positions of the hollow body wall, for example by a known in the art three-dimensional "feature tracking method" detected, or data of the already detected movement of the predeterminable positions of the hollow body wall are read. However, this three-dimensional movement of the hollow body wall does not correspond to the fiber direction of the cardiac muscle fibers, which is why, starting from this movement, the three-dimensional, local strain of these predeterminable positions (P) is first determined from the detected movement.

Danach werden geometrisch bestimmte Dehnungsanteile an diesen vorbestimmbaren Positionen durch Modellierung bzw. Simulation berechnet, wobei der Simulation bzw. dem Modell Angaben über Geometrie und Materialeigenschaften des Hohlkörpers zugrunde liegen. Unter „geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen” werden hier bevorzugt solche Dehnungsanteile verstanden, die sich aus dem Innendruck und der Geometrie des Hohlkörpers, sowie ggf. Materialeigenschaften der Hohlkörperwand, insbesondere gemäß einer Modellberechnung, ergeben. Hierbei kann z. B. jeweils auf ein Standardmodell des Hohlkörpers, insbesondere des menschlichen Herzens, zurückgegriffen werden. Die intrinsische Anisotropie des Gewebes wird dann aus dem Vergleich zwischen den dreidimensionalen, lokalen Dehnungen und den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen ermittelt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei ein kompensierter 3D-Dehnungszustand berechnet, in dem die dreidimensionalen, lokalen Dehnungen mit den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen korrigiert werden, z. B. durch Subtraktion der jeweiligen Dehnungstensoren bzw. der 3D-Dehnungszustände. Aus den kompensierten 3D-Dehnungszuständen kann jeweils ein lokaler Hauptdehnungsvektor berechnet werden, welcher in manchen Ausführungsformen direkt der Kontraktionsrichtung oder der jeweiligen mittleren Faserrichtung entspricht.Thereafter, geometrically determined expansion portions are calculated at these predeterminable positions by modeling or simulation, the simulation or the model being based on information about the geometry and material properties of the hollow body. By "geometrically determined expansion fractions" are here preferably understood those expansion fractions resulting from the internal pressure and the geometry of the hollow body, as well as possibly material properties of the hollow body wall, in particular according to a model calculation. This z. B. in each case on a standard model of the hollow body, in particular of the human heart, are used. The intrinsic anisotropy of the tissue is then determined from the comparison between the three-dimensional, local strains and the geometrically determined strain fractions. According to a preferred embodiment, a compensated 3D strain state is calculated in which the three-dimensional, local strains are corrected with the geometrically determined strain fractions, for. B. by subtraction of the respective strain tensors or 3D-strain states. From the compensated 3D strain states, it is possible in each case to calculate a local main strain vector, which in some embodiments corresponds directly to the contraction direction or the respective mean fiber direction.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zur Ermittlung der dreidimensionalen, lokalen Dehnung der vorbestimmbaren Positionen (P) ein symmetrischer Dehnungstensor für jeden der detektierten, vorbestimmbaren Positionen aus dieser detektierten Bewegung ermittelt. According to a first preferred embodiment of the present invention, a symmetrical strain tensor for each of the detected predeterminable positions from this detected motion is determined for determining the three-dimensional, local strain of the predeterminable positions (P).

Anschließend werden diese lokalen, symmetrischen Dehnungstensoren kompensiert bzw. normalisiert, indem die geometrisch bestimmten Dehnungsanteile berücksichtigt (z. B. abgezogen) werden. Anschließend werden die jeweiligen kompensierten Dehnungstensoren (ε →) mittels einer Koordinatentransformation zur Bestimmung der Richtung der größten Dehnung umgewandelt, wobei die Richtung der größten Dehnung auch der Richtung des jeweiligen lokalen Hauptdehnungsvektors (VH) entspricht, der zur Ermittlung der jeweiligen mittleren Faserrichtung (9) dient. Die größte Dehnung entspricht dann auch der lokalen Hauptdehnung an der vorbestimmbaren Position.Subsequently, these local, symmetric strain tensors are compensated or normalized by taking into account (eg, subtracted) the geometrically determined strain fractions. Subsequently, the respective compensated strain tensors (ε →) are converted by means of a coordinate transformation to determine the direction of the greatest strain, wherein the direction of the greatest strain also corresponds to the direction of the respective local main strain vector (V H ), which is used to determine the respective mean fiber direction (FIG. 9 ) serves. The greatest strain then also corresponds to the local principal strain at the predeterminable position.

Für die Koordinatentransformation wird der jeweils kompensierte bzw. normalisierte Dehnungstensor bevorzugt in seine Eigenvektoren und Eigenwerte zerlegt. Schließlich werden die jeweiligen lokalen Hauptdehnungsvektoren aus den Eigenvektoren und Eigenwerten berechnet, wobei die lokalen Hauptdehnungsvektoren die mittlere Faserrichtung an dieser Stelle bzw. in dieser Region angeben. Die lokalen Hauptdehnungsvektoren ergeben insbesondere ein Vektorfeld, das die lokale Orientierung der Kontraktionsrichtungen widerspiegelt. Diese entsprechen somit der mittleren Faserrichtung der agierenden Muskelfasern.For the coordinate transformation, the respective compensated or normalized strain tensor is preferably decomposed into its eigenvectors and eigenvalues. Finally, the respective local principal strain vectors are calculated from the eigenvectors and eigenvalues, with the local principal strain vectors indicating the mean fiber direction at this location or region. In particular, the local principal strain vectors yield a vector field that reflects the local orientation of the contraction directions. These thus correspond to the mean fiber direction of the acting muscle fibers.

Vorzugsweise lässt sich somit mittels Errechnen des regional aufgelösten, dreidimensionalen Dehnungstensors die mittlere myokardiale Faserorientierung im Raum bestimmen. Die vorerwähnten Nachteile des Stands der Technik werden eliminiert, indem insbesondere die durch die Geometrie bestimmten Dehnungsanteile abgeschätzt und von der detektierten, lokalen Dehnung abgezogen werden, so dass die der lokalen Dehnung zugrunde liegende Muskelaktion bzw. -kontraktion davon separiert werden kann. Die dreidimensionale Deformation des Hohlkörpers wird somit physiologisch aussagekräftig.Preferably, by means of calculating the regionally resolved, three-dimensional strain tensor, it is thus possible to determine the average myocardial fiber orientation in space. The above-mentioned disadvantages of the prior art are eliminated, in particular by estimating the expansion parts determined by the geometry and subtracting them from the detected local strain, so that the muscle action or contraction underlying the local stretching can be separated therefrom. The three-dimensional deformation of the hollow body thus becomes physiologically meaningful.

Zur Ermittlung der dreidimensionalen Bewegung wird bevorzugt eine mittels Ultraschall oder einem anderen bildgebenden Verfahren, wie CT oder MRI, aufgenommenen Zeitreihe von 2D oder 3D Bildern des Hohlkörpers verwendet. Auf diesen Bildern werden bevorzugt mittels eines Feature Tracking Verfahrens zunächst bestimmte Wandmaterialpunkte, d. h. vorbestimmbare Positionen der Hohlkörperwand, des unter Druck stehenden flexiblen Hohlkörpers im Raum dreidimensional verfolgt. Aus dieser dreidimensionalen Bewegung der Wandmaterialpunkte (im Falle des Herzens: Myocardpunkte) lässt sich dann jeweils lokal ein symmetrischer Dehnungstensor zweiter Ordnung ermitteln. Diese Ermittlung erfolgt direkt aus dem Bildgebungsverfahren durch Messung.To determine the three-dimensional movement, a time series of 2D or 3D images of the hollow body recorded by means of ultrasound or another imaging method, such as CT or MRI, is preferably used. On these images, it is preferred to use certain features first of all by means of a feature tracking method. H. Predeterminable positions of the hollow body wall, the pressurized flexible hollow body in space three-dimensional tracked. From this three-dimensional movement of the wall material points (in the case of the heart: myocardial points), a symmetrical second order strain tensor can then be determined locally. This determination is made directly from the imaging method by measurement.

Möchte man zusätzlich den Spannungstensor bestimmen, der an jeder vorbestimmbaren Position der Hohlkörperwand existiert, kann wie folgt vorgegangen werden: Ein Spannungstensor kann, bezogen auf ein globales, rechtshändiges Koordinatensystem GK, in folgender Form wiedergegeben werden:

Figure 00070001
If one also wishes to determine the stress tensor which exists at every predeterminable position of the hollow body wall, the following procedure can be adopted: A stress tensor can be represented in the following form, with reference to a global, right-handed coordinate system GK:
Figure 00070001

An jedem Punkt der Hohlkörperwand existieren somit drei Spannungen σ in den Hauptspannungsrichtungen (beispielsweise in der x-, y- und z-Richtung) sowie sechs Schubspannungskomponenten τ an den jeweiligen Seitenflächen eines infinitesimal kleinen Volumenelements. Approximiert man nun die Hohlkörperwand als isotropes, elastisches Material, so kann man ausgehend von dem vorab gemessenen Dehnungstensor an jeder vorbestimmbaren Position der Hohlkörperwand unter Berücksichtigung der detektierten, dreidimensionalen Dehnung einen symmetrischen Spannungstensor ermitteln, indem man die Dehnung und die resultierende Spannung über die Materialkonstante verknüpft (σ = kε).Thus, at each point of the hollow body wall there are three stresses σ in the principal stress directions (for example in the x, y and z directions) and six shear stress components τ at the respective side surfaces of an infinitesimally small volume element. If the hollow body wall is then approximated as an isotropic, elastic material, then starting from the previously measured strain tensor at every predeterminable position of the hollow body wall, taking into account the detected three-dimensional strain, a symmetrical stress tensor can be determined by linking the strain and the resulting stress via the material constant (σ = kε).

In der ersten Ausführungsform wird z. B. der lokale, symmetrische Dehnungstensor durch Korrektur der geometrisch bestimmten Dehnungsanteile kompensiert. Diese geometrisch bestimmten Dehnungsanteile hängen u. a. von der geometrischen Struktur des Hohlkörpers ab, da sich je nach Geometrie des Hohlkörpers unterschiedliche (aus der Druckveränderung resultierende) Dehnungen der Hohlkörperwand ergeben, wenn sich Druckveränderungen, beispielsweise durch Kontraktionsbewegungen, ergeben.In the first embodiment, for. B. compensates the local, symmetric strain tensor by correcting the geometrically determined expansion components. These geometrically determined expansion parts hang u. a. from the geometric structure of the hollow body, since depending on the geometry of the hollow body different (resulting from the pressure change) expansions of the hollow body wall arise when pressure changes, for example by contraction movements result.

Danach werden die kompensierten Dehnungstensoren lokal zerlegt, z. B. in ihre Eigenvektoren und Eigenwerte. Bei der Zerlegung der jeweiligen korrigierten Dehnungstensoren in ihre Eigenvektoren und Eigenwerte wird zum Beispiel eine Eigenwertzerlegung vorgenommen, wobei ein rechtshändiges Koordinatensystem verwendet wird. Die Eigenvektoren geben dann die jeweiligen Hauptdehnungsrichtungen und die Eigenwerte die jeweiligen Hauptdehnungen an der jeweiligen Position an (vgl. hierzu auch: Doppler Myocardial Imaging; George R. Sutherland, Liv Hatle, Frank E. Rademakers, Piet Claus, Jan D'hooge, Bart H. Bijnens; 27. Januar 2005 ). Die Zerlegung der jeweiligen korrigierten Dehnungstensoren in ihre Eigenvektoren und Eigenwerte erfolgt bevorzugt mittels einer Diagonalisierung des korrigierten Dehnungstensors, d. h. durch Transformation in ein rechtshändiges Orthonormalsystem (OS (a, b, c)):

Figure 00080001
Thereafter, the compensated strain tensors are decomposed locally, e.g. In their eigenvectors and eigenvalues. When decomposing the respective corrected strain tensors into their eigenvectors and eigenvalues, for example, an eigenvalue decomposition is performed using a right-handed coordinate system. The eigenvectors then indicate the respective main strain directions and the eigenvalues the respective major strains at the respective position (cf. Doppler myocardial imaging; George R. Sutherland, Liv Hatle, Frank E. Rademakers, Piet Claus, Jan D'hooge, Bart H. Bijnens; January 27, 2005 ). The decomposition of the respective corrected strain tensors into their eigenvectors and eigenvalues preferably takes place by means of a diagonalization of the corrected strain tensor, ie by transformation into a right-handed orthonormal system (OS (a, b, c)):
Figure 00080001

Alternativ kann auch eine Singulärwertzerlegung (SVD) verwendet werden, um den diagonalisierten Dehnungstensor zu erhalten.Alternatively, singular value decomposition (SVD) may also be used to obtain the diagonalized strain tensor.

Das rechtshändige Orthonormalsystem (OS (a, b, c)) sollte dabei so orientiert sein, dass die größte Dehnung εa in Richtung des Einheitsvektors e →a erfolgt. Damit kann die Dehnung εa auch als Hauptdehnung εH aufgefasst werden und der zugehörige Richtungsvektor e →a als Hauptdehungsrichtung V →H .The right-handed orthonormal system (OS (a, b, c)) should be oriented so that the greatest strain ε a in the direction of the unit vector e → a he follows. Thus, the strain ε a can also be understood as the principal strain ε H and the associated direction vector e → a as the main stretch direction V → H ,

Da die Diagonalisierung des Dehnungstensors lediglich einer jeweils lokalen Drehung des Koordinatensystems entspricht, kann die Hauptdehnungsrichtung V →H auch in einem gemeinsamen globalen Koordinatensystem dargestellt werden.Since the diagonalization of the strain tensor only corresponds to a respective local rotation of the coordinate system, the main strain direction V → H also be represented in a common global coordinate system.

Das Vektorfeld aller Hauptdehnungsrichtungen V →H gibt damit die lokale Orientierung der resultierenden Kontraktionsrichtungen der einzelnen Muskelfasern und somit die mittlere Faserrichtung an.The vector field of all main strain directions V → H thus indicates the local orientation of the resulting contraction directions of the individual muscle fibers and thus the mean fiber direction.

Eine alternative Berechnungsmethode wird im Folgenden beschrieben. Und zwar werden hier auch jeweils die dreidimensionalen, lokalen Dehnungen aus der detektierten Bewegung in einem beliebigen Koordinatensystem ermittelt. Dann wird eine Singulärwertzerlegung (singular value decomposition, SVD) der dreidimensionalen, lokalen Dehnungen zur Ermittlung der jeweiligen Hauptdehnungsrichtungen durchgeführt. Diese zerlegten lokalen Dehnungen werden dann wiederum mit den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen verglichen. Ferner ist es auch möglich, ebenso die geometrisch bestimmten Dehnungsanteile einer Singularwertzerlegung zu unterziehen, um auch hier die jeweiligen Hauptdehnungsrichtungen zu ermitteln. Es können sowohl die dreidimensionalen lokalen Dehnungen, als auch die geometrisch bestimmten Dehnungsanteile, als auch beide Singulärwert-zerlegt werden. Die SVD ist eine Art der Hauptkomponentenanalyse, welche den Vergleich von zwei Dehnungszuständen erlaubt, egal in welchem Koordinatensystem diese ermittelt worden sind. Die SVD wird hier als Tool verwendet, um jeweils ein lokales, standardisiertes Koordinatensystem zu erhalten. Bei dieser Art der Berechnung werden die Dehnungszustände (dreidimensionale, lokale Dehnungen und/oder die geometrisch bestimmten Dehnungsanteile) nicht als Dehnungstensor beschrieben, sondern als eine Matrix, welche Dehnungskomponenten in verschiedenen Richtungen enthält.An alternative calculation method is described below. In each case, the three-dimensional, local strains from the detected movement in each coordinate system are determined here. Then, a singular value decomposition (SVD) of the three-dimensional local strains is performed to determine the respective principal strain directions. These decomposed local strains are then compared again with the geometrically determined strain rates. Furthermore, it is also possible likewise to subject the geometrically determined expansion components to a singular value decomposition in order to determine the respective main expansion directions here as well. Both the three-dimensional local strains, as well as the geometrically determined strain fractions, as well as both singular-value decomposition can be decomposed. The SVD is a type of principal component analysis that allows the comparison of two strain states no matter in which coordinate system they have been determined. The SVD is used here as a tool to obtain a local, standardized coordinate system. In this type of calculation, the strain states (three-dimensional, local strains and / or the geometrically determined strain fractions) are not described as strain tensor, but as a matrix containing strain components in different directions.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt das Detektieren der dreidimensionalen Bewegung vorbestimmbarer Positionen der Hohlkörperwand mittels eines 3D Feature Tracking Verfahrens. Dabei werden insbesondere bestimmte Punkte eines Myokardgewebes eines unter Druck stehenden flexiblen Herzens verfolgt und deren 3D Position auf verschiedenen, ggf. zeitlich aufeinander folgenden, Bildern bestimmt.According to a preferred embodiment of the present invention, the three-dimensional movement of predeterminable positions of the hollow body wall is detected by means of a 3D feature tracking method. In particular, certain points of a myocardial tissue of a flexible heart under pressure are tracked and their 3D position determined on different, possibly temporally successive, images.

Gemäß einer Ausführungsform liegt der Simulation bzw. Modellierung die Annahme zugrunde, dass die Hohlkörperwand aus einem isotropen, elastischen Material besteht. Dadurch können die geometrisch bestimmten Dehnungsanteile relativ leicht, allein aus einem geometrischen Modell (Dehnungsmodell) berechnet werden. Eine genaue Kenntnis des Innendrucks ist nicht erforderlich, da bei einem idealen elastischen Material die Dehnung in jedem Fall proportional zum Innendruck ist. Im Übrigen kann auch eine Annahme über den Innendruck getroffen werden, oder dieser wird iterativ so eingestellt, dass die geometrisch bestimmten Dehnungsanteile den detektierten dreidimensionalen, lokalen Dehnungen am nächsten kommen.According to one embodiment, the simulation or modeling is based on the assumption that the hollow body wall consists of an isotropic, elastic material. As a result, the geometrically determined expansion components can be calculated relatively easily, solely from a geometric model (expansion model). A precise knowledge of the internal pressure is not required, since in an ideal elastic material, the strain in each case is proportional to the internal pressure. Incidentally, an assumption about the internal pressure can also be made, or it is iteratively set so that the geometrically determined expansion components come closest to the detected three-dimensional local strains.

In der oben beschriebenen Ausführungsform, in der dem Modell die Annahme zugrunde liegt, dass die Hohlkörperwand aus einem isotropen, elastischen Material besteht, bestimmt sich die intrinsische Anisotropie direkt aus der Differenz bzw. dem Unterschied zwischen den dreidimensionalen, lokalen Dehnungen und den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen. Ist diese Differenz gleich Null, ist das Gewebe offenbar isotrop. Ergeben sich lokale Differenzrichtungen oder Differenzbeträge, geben diese Aufschluss über den Faserverlauf der Muskelstränge im Gewebe. Vorzugsweise wird der Innendruck für die Simulation so justiert, dass die lokalen Beträge der lokalen Dehnungen und der geometrisch bestimmten Dehnungsanteile möglichst ähnlich sind. In the embodiment described above, in which the model is based on the assumption that the hollow body wall consists of an isotropic, elastic material, the intrinsic anisotropy is determined directly from the difference or the difference between the three-dimensional, local strains and the geometrically determined expansion parts , If this difference is zero, the tissue is apparently isotropic. If local differential directions or differential amounts result, they provide information about the fiber course of the muscle strands in the tissue. Preferably, the internal pressure for the simulation is adjusted so that the local amounts of the local strains and the geometrically determined expansion portions are as similar as possible.

Gemäß einer anderen Ausführungsform liegt der Simulation ein Modell des Hohlkörpers zugrunde, bei dem die Hohlkörperwand aus einem anisotropen Material besteht. Hierfür kann z. B. ein 3D trainiertes Modell der Faserrichtungen des Herzmuskels verwendet werden, welches den Herzmuskel nicht als isotrop annimmt, sondern bereits ein empirisch gewonnenes Modell der Faserverläufe beinhaltet. In diesem Fall liefert ein Vergleich zwischen den dreidimensionalen, lokalen Dehnungen und den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen jeweils die Abweichung des untersuchten Herzens vom Standardherz. Dies kann bereits eine sehr interessante Größe sein, die genaue Berechnung der Faserverläufe ist ggf. nicht notwendig.According to another embodiment, the simulation is based on a model of the hollow body in which the hollow body wall consists of an anisotropic material. For this purpose, z. B. a 3D trained model of the fiber directions of the heart muscle can be used, which does not accept the heart muscle as isotropic, but already includes an empirically derived model of the fiber progressions. In this case, a comparison between the three-dimensional, local strains and the geometrically determined strain parts respectively provides the deviation of the heart examined from the standard heart. This can already be a very interesting size, the exact calculation of the fiber gradients may not be necessary.

Insbesondere kann in dieser Ausführungsform das Modell des Hohlkörpers iterativ so lange verändert werden, bis eine hohe Übereinstimmung zu den detektierten dreidimensionalen, lokalen Dehnungen besteht. Dann kann davon ausgegangen werden, dass die intrinsische Anisotropie des Gewebes der Anisotropie des der Simulation zugrunde liegenden Modells entspricht.In particular, in this embodiment, the model of the hollow body can be iteratively changed until there is a high agreement with the detected three-dimensional, local strains. It can then be assumed that the intrinsic anisotropy of the tissue corresponds to the anisotropy of the model underlying the simulation.

Generell ist es möglich aus der intrinsischen Anisotropie, insbesondere aus dem kompensierten 3D Dehnungszustand, die jeweilige mittlere Faserrichtung von Fasern des Gewebes der Hohlkörperwand zu bestimmen. Insbesondere kann aus dem kompensierten 3D Dehnungszustand die jeweilige lokale Hauptdehnungsrichtung, insbesondere ein Hauptdehnungsvektor, bestimmt werden.In general, it is possible from the intrinsic anisotropy, in particular from the compensated 3D strain state, to determine the respective mean fiber direction of fibers of the tissue of the hollow body wall. In particular, the respective local principal strain direction, in particular a main strain vector, can be determined from the compensated 3D strain state.

Wenn der Hohlkörper eine Herzkammer ist, werden die dreidimensionalen, lokalen Dehnungen vorzugsweise aus einem Vergleich der vorbestimmbaren Positionen, die sich über die Zeit bewegen, zu zwei verschiedenen Zeitpunkten im Herzzyklus berechnet. Vorzugsweise werden die vorbestimmbaren Positionen zu einem Zeitpunkt großer bzw. maximaler Herzkontraktion mit den entsprechenden Positionen zu einem Zeitpunkt der Entspannung des Herzens verglichen, und aus der jeweiligen Bewegung der Herzkammerwand zwischen diesen beiden Zeitpunkten die jeweilige lokale Dehnung ermittelt.When the hollow body is a ventricle, the three-dimensional local strains are preferably calculated from a comparison of the predeterminable positions that move over time at two different times in the cardiac cycle. Preferably, the predeterminable positions are compared at a time of large or maximum heart contraction with the corresponding positions at a time of relaxation of the heart, and determined from the respective movement of the heart chamber wall between these two points in time, the respective local strain.

Die Erfindung kann auch dynamisch verwendet werden, also über eine Zeitreihe von Bildern jeweils die Dehnungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern berechnen. Alle übrigen hier beschriebenen Merkmale lassen sich auch auf diese Ausführungsform anwenden, wobei dann jeweils eine dynamische Betrachtung der Dehnung möglich ist.The invention can also be used dynamically, ie calculate the strains between two successive images over a time series of images. All other features described herein can also be applied to this embodiment, in each case then a dynamic consideration of the elongation is possible.

Die Korrektur bzw. Kompensation der 3D Dehnungszustände mittels Bestimmung der geometrisch bestimmten Dehnungsanteile erfolgt mittels mathematischer Modelle. Zu diesem Zweck wird gemäß einer Ausführungsform ein isotropes, elastisches Material für das Gewebe der Hohlkörperwand zugrunde gelegt und eine bestimmte Belastung durch Innendruck simuliert. Die dadurch entstehenden Dehnungen sind proportional zum simulierten Druck. Man erhält also die durch Druck und Geometrie verursachten Größenverhältnisse der Dehnungen und kann damit die lokalen Dehnungen der vorbestimmbaren Positionen normalisieren bzw. korrigieren.The correction or compensation of the 3D strain states by determining the geometrically determined strain fractions is done by means of mathematical models. For this purpose, according to one embodiment, an isotropic, elastic material for the tissue of the hollow body wall is used as the basis and a specific load is simulated by internal pressure. The resulting strains are proportional to the simulated pressure. Thus one obtains the size ratios of the strains caused by pressure and geometry and can thus normalize or correct the local strains of the predeterminable positions.

Der Innendruck kann abgeschätzt oder gemessen werden. Eine genaue Kenntnis des Innendrucks ist nicht erforderlich, da das Verhältnis der Dehnungen bekannt ist, und die Dehnung, jedenfalls in dem nachfolgenden, einfachen Beispiel, stets proportional zum Innendruck ist.The internal pressure can be estimated or measured. A precise knowledge of the internal pressure is not required, since the ratio of the strains is known, and the elongation, at least in the following simple example, is always proportional to the internal pressure.

Ein mathematisches Modell wird anhand des folgenden Beispiels näher erläutert:
Stellt man den linken Ventrikel eines Herzens als Modell dar, indem man einen langen, dickwandigen Zylinder am Ende mit einer Kugelhalbschale abschließt, so ergeben sich die folgenden, auch anhand der beigefügten 3 näher gezeigten Beziehungen:
Nimmt man an, dass die Hohlkörperwand aus einem isotropen, elastischen Material besteht und setzt man diesen Hohlkörper unter einen Innendruck pi, so ergeben sich die folgenden Materialspannungen, wobei man die Randeffekte im zylindrischen Teil unberücksichtigt lässt, d. h. man nimmt an, dass der Zylinder sehr lang sei und man betrachtet lediglich die Spannungen weit entfernt vom Rand:

Figure 00120001
A mathematical model is explained in more detail by the following example:
If the left ventricle of a heart is modeled by ending a long, thick-walled cylinder at the end with a spherical half-shell, the following results, also with reference to the attached 3 closer relationships shown:
Assuming that the hollow body wall consists of an isotropic, elastic material and sets this hollow body under an internal pressure p i , the following material stresses result, whereby the edge effects in the cylindrical part are disregarded, ie it is assumed that the cylinder is very long and you only consider the tensions far away from the edge:
Figure 00120001

Man erkennt, dass das Verhältnis der rotatorischen bzw. zirkumferentiellen zur longitudinalen Richtung (kφ,l(r)) stets ungleich 1 ist, und innerhalb der Hohlkörperwand von außen nach innen zunimmt (~1/r2). An der Außenwand beträgt dieses Verhältnis stets 2, ist also unabhängig vom Innenradius:

Figure 00130001
It can be seen that the ratio of the rotational or circumference direction to the longitudinal direction (k φ, l (r)) is always not equal to 1, and increases within the hollow body wall from outside to inside (~ 1 / r 2 ). On the outer wall, this ratio is always 2, so regardless of the inner radius:
Figure 00130001

Die entsprechenden Formeln für die dickwandige Kugelhalbschale lauten:

Figure 00130002
The corresponding formulas for the thick-walled ball half shell are:
Figure 00130002

Der Übergang zwischen dem Zylinder und der Kugelhalbschale ist nicht stetig. Für eine genauere Berechnung, insbesondere bei einer beliebigen Ventrikelgeometrie, ist daher eine numerische Lösung anhand von entsprechenden Differentialgleichungssystemen notwendig, z. B. FEM bzw. die Finite Elemente-Methode. Dennoch erlaubt dieses vereinfachte Beispiel einen Überblick über die geometrisch bedingten Dehnungsanteile und die entsprechenden Größenverhältnisse.The transition between the cylinder and the ball half shell is not continuous. For a more accurate calculation, in particular in any ventricular geometry, therefore, a numerical solution using appropriate differential equation systems is necessary, for. B. FEM or the finite element method. Nevertheless, this simplified example allows an overview of the geometrically caused expansion parts and the corresponding size ratios.

Bei einer Druckänderung ergeben sich die resultierenden Dehnungen aus den Spannungen über die Materialkonstanten. Betrachtet man beispielsweise die Hauptdehnungsrichtung im zylindrischen Teil, so erkennt man aufgrund des Verhältnisses kφ1(r), das sich bereits bei einem isotropen, elastischen Material unterschiedliche Dehnungen in die verschiedenen Richtungen ergeben.In the case of a pressure change, the resulting strains result from the stresses via the material constants. Considering, for example, the main direction of elongation in the cylindrical part, it can be seen on the basis of the ratio k φ1 (r), which already results in different strains in the different directions for an isotropic, elastic material.

An diesem Beispiel erkennt man, dass die lokale Dehnung der Herzwand sowohl von der Muskelfaserrichtung als auch von einem geometrischen Effekt bestimmt wird, der berücksichtigt werden muss. Insbesondere kann man aus den lokalen Hauptrichtungen der Dehnung nicht auf die Muskelfaserläufe zurück schließen, da die Abweichung der durch die Geometrie bedingten Dehnung der Hohlkörperwand berücksichtigt werden muss. Zur Korrektur der dreidimensionalen, lokalen Dehnung des linken Ventrikels eines Herzens werden daher bevorzugt geometrisch bestimmte Dehnungsanteile berechnet, die numerisch berechnet werden. Hierzu eignen sich z. B. Methoden der Finite Elemente Analyse (FEA). Des Weiteren kann zur Berechnung der geometrisch bestimmten Dehnungsanteile ein Dehnungsmodell genutzt werden, dass die Hohlkörperwand als isotropes, elastisches Material approximiert.This example shows that the local dilation of the heart wall is determined both by the direction of the muscle fiber and by a geometric effect that has to be taken into account. In particular, it is not possible to deduce the muscle fiber runs from the local main directions of the expansion since the deviation of the geometry-related expansion of the hollow body wall must be taken into account. To correct the three-dimensional, local elongation of the left ventricle of a heart, geometrically determined expansion components are therefore preferably calculated, which are calculated numerically. For this purpose, z. B. Methods of Finite Element Analysis (FEA). Furthermore, a strain model can be used to calculate the geometrically determined expansion components, which approximates the hollow body wall as an isotropic, elastic material.

Alternativ kann ein Modell verwendet werden, welches anisotrope Materialeigenschaften berücksichtigt, insbesondere ein Modell der Hauptfaserrichtungen im Hohlkörper.Alternatively, a model can be used which takes into account anisotropic material properties, in particular a model of the main fiber directions in the hollow body.

Durch Eigenwertzerlegung oder Singulärwertzerlegung des Dehnungstensors oder des kompensierten Dehnungszustands erhält man dann jeweils drei Eigenvektoren, die sogenannten Hauptdehnungsrichtungen, und als Eigenwerte die jeweiligen dazugehörigen Hauptdehnungen. Erzwingt man nun ein rechtshändiges Koordinatensystem für die Eigenvektoren und legt weiterhin modellhaft für beispielsweise den Herzmuskel ein isotropes, inkompressibles Material zugrunde, dann lässt sich die gewonnene Information als lokaler Hauptdehnungsvektor mit vier Parametern abbilden:
Der Hauptdehnungsvektor ergibt sich somit aus dem Richtungsvektor der betragsmäßig größten Dehnung und aus der vorzeichenbehafteten Dehnung selbst: V →H = (vx, vy, vz),εH (9)
By eigenvalue decomposition or singular value decomposition of the strain tensor or of the compensated strain state, one then obtains three eigenvectors in each case, the so-called main strain directions, and as eigenvalues the respective associated major strains. If one then forces a right-handed coordinate system for the eigenvectors and, for example, uses an isotropic, incompressible material as a model, for example for the heart muscle, then the information obtained can be mapped as a local main strain vector with four parameters:
The main strain vector thus results from the direction vector of the magnitude-greatest strain and from the signed strain itself: V → H = (v x, v y, v z), ε H (9)

Das Vektorfeld der lokalen Hauptdehnungsvektoren VH stellt somit die lokale Orientierung der Kontraktionsrichtungen dar, die sich nicht aus Geometrie und Innendruck erklären lassen, und entspricht im Wesentlichen der mittleren Faserrichtung der an der Kontraktion beteiligten Muskelfasern. Diese Modellvorstellung kann man sich nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch dadurch zu Nutze machen, als man das Vektorfeld räumlich regularisiert.The vector field of the local principal strain vectors V H thus represents the local orientation of the contraction directions, which can not be explained from geometry and internal pressure, and corresponds essentially to the mean fiber direction of the muscle fibers involved in the contraction. According to a preferred embodiment of the present invention, this model concept can also be utilized by spatially regularizing the vector field.

Die Hauptdehnungsvektoren an entsprechenden bestimmbaren Positionen der Hohlkörperwand stellen an solchen Stellen, an denen jeweils nur eine Muskelfaserrichtung im Muskel auftritt, genau diese Muskelfaserkontraktion dar, d. h. es ergibt sich ein homogener Messwert. Lediglich an den Stellen, an denen verschiedene Muskelbündel mit unterschiedlicher Faserrichtung zusammenkommen, ersetzt die mittlere Faserrichtung die lokalen Faserrichtungen der einzelnen beteiligten Muskelbündel. Dennoch stellt dies, verglichen mit den Standardrichtungen nach dem Stand der Technik, ein erheblich verbessertes physiologisches Modell, beispielsweise des Herzens, dar.The main expansion vectors at corresponding determinable positions of the hollow body wall represent exactly this muscle fiber contraction at those points where only one muscle fiber direction occurs in the muscle in each case, ie. H. This results in a homogeneous measured value. Only at the points where different muscle bundles with different fiber directions come together does the mean fiber direction replace the local fiber directions of the individual muscle bundles involved. However, this represents a significantly improved physiological model, for example of the heart, as compared to the standard prior art directions.

Der Vergleich zwischen den ermittelten dreidimensionalen, lokalen Dehnungen und den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen kann auf verschiedene Weise visualisiert werden, insbesondere als Darstellung eines Vektorfeldes oder einer Feldliniendarstellung in einem Oberflächenmodell oder einer Parameterkarte des Hohlkörpers. Grundsätzlich sind derartige zweidimensionale Darstellungen einer Herzkammerwand bekannt, z. B. als sogenannte Beuteldarstellung, bei der die Oberfläche der Ventrikelinnenwand in perspektivischer Ansicht als ”Beutel” dargestellt wird, oder der Polarplot, bei der die Herzkammerwand wie eine Landkarte ausgebreitet wird. Auf diese bekannten Darstellungen können dann die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Farbkodierung oder Liniendarstellungen eingetragen werden.The comparison between the determined three-dimensional, local strains and the geometrically determined strain fractions can be visualized in various ways, in particular as a representation of a vector field or a field line representation in a surface model or a parameter map of the hollow body. Basically, such two-dimensional representations of a ventricle wall are known, for. As a so-called bag presentation, in which the surface of the ventricle inner wall is shown in a perspective view as a "bag", or the polar plot, in which the heart chamber wall is spread like a map. In these known representations, the results of the method according to the invention can then be entered by color coding or line representations.

Vorzugsweise wird die Differenz zwischen den dreidimensionalen, lokalen Dehnungen und den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen als Vektorfeld dargestellt. Je nach verwendetem Modell kann diese Differenz dem kompensierten 3D Dehnungszustand entsprechen und die Richtung der Vektoren des Vektorfeldes dann jeweils die Hauptdehnungsrichtung darstellen. Damit kann die Länge oder Dicke der dargestellten Pfeile der Stärke der Kontraktionen entsprechen, während z. B. die Farbe dem Vorzeichen (Kontraktion oder Relaxation) entspricht. Die Differenz kann jedoch bei einem Modell, welches bereits die Faserrichtungen berücksichtigt, auch einfach die Differenz zu einem Standardherzen darstellen. Darüber hinaus kann auch eine Feldliniendarstellung verwendet werden, welche wie eine Höhenkarte jeweils den Betrag des 3D Dehnungszustandes wiedergibt. Auch hier kann durch die Farbe ggf. das Vorzeichen der Dehnung (Kontraktion oder Relaxation) wiedergegeben werden.Preferably, the difference between the three-dimensional, local strains and the geometrically determined strain fractions is represented as a vector field. Depending on the model used, this difference can correspond to the compensated 3D strain state and the vector vectors of the vector field then represent the main strain direction. Thus, the length or thickness of the illustrated arrows correspond to the strength of the contractions, while z. B. the color corresponds to the sign (contraction or relaxation). However, in a model that already takes into account the grain directions, the difference can simply represent the difference to a standard heart. In addition, a field line representation can also be used which, like a height map, reproduces the amount of the 3D strain state in each case. Again, the sign of the strain (contraction or relaxation) can be reproduced by the color, if necessary.

Gemäß einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der kompensierte 3D Dehnungszustand als Vektorfeld dargestellt, wobei die Richtung der dargestellten Pfeile bzw. Linien jeweils der Hauptdehnungsrichtung entspricht und die Farbe entweder der Linien oder des Hintergrundes dem Betrag der Dehnung und somit der Stärke der Kontraktion entspricht.According to a still further preferred embodiment, the compensated 3D strain state is represented as a vector field, wherein the direction of the arrows and lines respectively corresponds to the main strain direction and the color of either the lines or the background corresponds to the amount of strain and thus the magnitude of the contraction.

Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens. Dieses Computerprogrammprodukt, z. B. in Form eines auf einem Speicher gespeicherten Computerprogramms, wird bevorzugt auf einem Rechner eingesetzt, der z. B. von einem Ultraschallgerät entsprechende Daten der dreidimensionalen Bewegung vorbestimmbarer Positionen der Hohlkörperwand erhält. Der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann daher auch entfallen, wenn die Daten bereits vorliegen oder in einem separaten Schritt vorab detektiert wurden.The invention also relates to a computer program product for carrying out the method described above. This computer program product, z. B. in the form of a stored on a memory computer program is preferably used on a computer, the z. B. from an ultrasound device corresponding data of the three-dimensional movement predeterminable positions of the hollow body wall receives. The first step of the method according to the invention can therefore also be omitted if the data are already present or have been detected in advance in a separate step.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:A preferred embodiment of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Showing:

1 die schematische Ansicht eines linken Herzventrikels mit einigen Muskelfasern, 1 the schematic view of a left ventricle of the heart with some muscle fibers,

2 einen Kurzachsenschnitt durch den Ventrikel nach 1 mit zwei lokalen, in der Regel nicht zylindrischen Herzkoordinatensystemen, 2 a short axis incision through the ventricle 1 with two local, usually non-cylindrical cardiac coordinate systems,

3 die schematische Ansicht eines linken Ventrikels eines Herzens mit lokalem Herzkoordinatensystem und geometrischem Modell, 3 the schematic view of a left ventricle of a heart with local heart coordinate system and geometric model,

4 schematische Darstellungen einer Muskelfaser mit schematisch dargestellten Eigenvektoren des diagonalisierten Dehnungstensors, 4 schematic representations of a muscle fiber with schematically represented eigenvectors of the diagonalized strain tensor,

5 die Richtungen der Hauptdehnungsvektoren als Textur auf einem Oberflächenmodell, 5 the directions of the main strain vectors as texture on a surface model,

6 ein Richtungsvektorfeld auf einer Parameterkarte, und 6 a direction vector field on a parameter map, and

7 die schematische Ansicht eines linken Herzventrikels mit einem Teilelement der Hohlkörperwand, vergrößert dargestellt (z. B. für Finite Elemente Methode) 7 the schematic view of a left Herzventrikels with a partial element of the hollow body wall, shown enlarged (eg for finite element method)

1 zeigt die schematische Darstellung eines Hohlkörpers 2, wie beispielsweise des linken Ventrikels eines Herzens, mit einem globalen Koordinatensystem GK, dessen x-y-Ebene in etwa parallel zur Basis 4 des Herzens und dessen z-Achse von der Basis 4 des Herzens zum Apex 3 hin gerichtet ist. Bei anderen Hohlkörpern, wie der Lunge, kann dieses Koordinatensystem auch anders ausgerichtet sein. Der Hohlkörper 2 selbst wird dabei von Muskelfasern 1 umgeben, die beispielsweise in Form einer großen Schlinge von der Basis 4 hinunter zum Apex 3, auf der Vorderseite des Hohlkörpers 2 und vom Apex 3 zurück zur Basis 4, auf der vom Betrachter weggerichteten Seite, d. h. die Rückseite des Hohlkörpers 2, reichen. 1 shows the schematic representation of a hollow body 2 , such as the left ventricle of a heart, with a global coordinate system GK whose xy plane is approximately parallel to the base 4 of the heart and its z-axis from the base 4 of the heart to the apex 3 directed. In other hollow bodies, such as the lungs, this coordinate system can also be oriented differently. The hollow body 2 itself is being affected by muscle fibers 1 surrounded, for example, in the form of a large loop from the base 4 down to the apex 3 , on the front of the hollow body 2 and from the apex 3 back to the base 4 on the side facing away from the observer, ie the back of the hollow body 2 , pass.

Ein in 1 dargestellter Kurzachsenschnitt 5 ist in 2 schematisch dargestellt. Dabei ist die Hohlkörperwand 6 im Kurzachsenschnitt 5 als dicke Wand dargestellt, die die Muskelfasern 1 als Muskelfaserstrang aufweist, wobei diese Muskelfasern 1 im Kurzachsenschnitt 5 lediglich im Schnitt dargestellt sind, so dass eine tangentiale Bewegung einer vorbestimmbaren Position P im Kurzachsenschnitt 5 nur teilweise und eine longitudinale Bewegung, also aus der Bildebene hinaus, einer vorbestimmbaren Position P im Kurzachsenschnitt 5 gar nicht sichtbar wäre. Im Kurzachsenschnitt 5 sind lediglich radiale Bewegungen 7 bzw. zirkumferentielle Bewegungen 8 darstellbar, d. h. eine erste vorbestimmbare Position P1 lässt sich in einer ersten radialen Richtung R1 und einer ersten zirkumferentiellen Richtung C1 verfolgen. Gleiches gilt für eine zweite vorbestimmbare Position P2, die sich sowohl in einer zweiten radialen Richtung R2 und einer zweiten zirkumferentiellen Richtung C2 verändert, d. h. longitudinale Bewegungsanteile lassen sich in dieser Darstellung nicht detektieren bzw. darstellen. Gleiches gilt entsprechend für entsprechende Langachsenschnitte des linken Ventrikels, d. h. Schnitte parallel zur z-Achse, in denen longitudinale und radiale, nicht aber zirkumferentielle Bewegungen erkennbar sind.An in 1 illustrated short-axis section 5 is in 2 shown schematically. Here is the hollow body wall 6 in the short-axis section 5 represented as a thick wall covering the muscle fibers 1 as a muscle fiber strand, these muscle fibers 1 in the short-axis section 5 are shown only in section, so that a tangential movement of a predeterminable position P in the short-axis section 5 only partially and a longitudinal movement, ie out of the image plane, a predeterminable position P in the short-axis section 5 not visible at all. In the short-axis section 5 are only radial movements 7 or circumference movements 8th representable, ie a first predeterminable position P1 can be tracked in a first radial direction R1 and a first circumferential direction C1. The same applies to a second predeterminable position P2, which changes both in a second radial direction R2 and a second circumference direction C2, ie longitudinal movement components can not be detected or represented in this representation. The same applies mutatis mutandis to corresponding long-axis sections of the left ventricle, ie sections parallel to the z-axis, in which longitudinal and radial, but not circumference movements are recognizable.

Gemäß der Erfindung werden durch sogenannte 3D-Feature-Tracking Verfahren bestimmte Punkte des Myokardgewebes eines unter Druck stehenden, flexiblen Herzens im dreidimensionalen Raum verfolgt, so dass die dreidimensionale Bewegung vorbestimmbarer Positionen der Hohlkörperwand gemessen werden kann. Daraus lässt sich dann die lokale, dreidimensionale Dehnung ermitteln. Diese kann gemäß einer Ausführungsform als symmetrischer Dehnungstensor dargestellt werden.According to the invention, so-called 3D feature tracking methods track specific points of the myocardial tissue of a flexible heart under pressure in three-dimensional space, so that the three-dimensional movement of predeterminable positions of the hollow body wall can be measured. From this the local, three-dimensional strain can be determined. This can be represented according to an embodiment as a symmetrical strain tensor.

Anschließend erfolgt zum Beispiel die Normalisierung bzw. Kompensation des Dehnungstensors mittels Bestimmung der geometrisch bestimmten Dehnungsanteile anhand mathematischer Modelle. Zu diesem Zweck wird z. B. ein isotropes, elastisches Material für das Gewebe der Hohlkörperwand 6 zugrunde gelegt und eine bestimmte Belastung durch Innendruck simuliert. Die dadurch entstehenden Dehnungen sind proportional zum simulierten Druck. Man erhält also die durch Druck und Geometrie verursachten Größenverhältnisse der Dehnungen und kann damit die lokalen Dehnungstensoren der vorbestimmbaren Positionen normalisieren bzw. korrigieren.Subsequently, for example, the normalization or compensation of the strain tensor by means of determining the geometrically determined strain fractions using mathematical models. For this purpose, z. B. an isotropic, elastic material for the tissue of the hollow body wall 6 and simulated a certain load by internal pressure. The resulting strains are proportional to the simulated pressure. Thus one obtains the size ratios of the strains caused by pressure and geometry and can thus normalize or correct the local strain tensors of the predeterminable positions.

Zur Veranschaulichung der geometrischen Kompensation wird folgendes anhand eines einfachen geometrischen Modells näher erläutert:To illustrate the geometric compensation, the following is explained in more detail with reference to a simple geometric model:

3 zeigt die schematische Darstellung eines dickwandigen Hohlkörpers 2 mit einem Innenradius ri und einem Außenradius ra, das unter einem Innendruck pi steht. Ein Herz ist an der Basis 4 in der Regel durch entsprechende Klappen abgeschlossen, sodass sich aufgrund des Innendrucks eine bestimmte Dehnung einstellt. Schematisch dargestellt ist ebenfalls ein im Wesentlichen dickwandiger Zylinder Z, der auf einer Kugelhalbschale H liegt. Jeder Punkt P an oder in der Höhlkörperwand 6 trägt ein lokales Koordinatensystem insbesondere – im Falle eines Herzens – ein Herzkoordinatensystem mit einer radialen Richtung R, einer longitudinalen Richtung L und einer zirkumferentiellen Richtung C, welche im Folgenden auch mit φ bezeichnet wird. 3 shows the schematic representation of a thick-walled hollow body 2 with an inner radius r i and an outer radius r a , which is under an internal pressure p i . A heart is at the base 4 usually completed by appropriate flaps, so that due to the internal pressure a certain elongation established. Also shown schematically is a substantially thick-walled cylinder Z, which lies on a ball half-shell H. Every point P on or in the cave body wall 6 In particular, in the case of a heart, a local coordinate system carries a cardiac coordinate system with a radial direction R, a longitudinal direction L, and a circumference direction C, which will also be denoted by φ below.

Nimmt man nun die vorerwähnten Gleichungen (3)–(5) zur Berechnung der geometrischen Spannungsanteile und nimmt man beispielsweise einen Innendurchmesser von 4 cm und eine Wanddicke von 1 cm für den linken Ventrikel eines Herzens, so ergeben sich folgende Werte: ri = 2 cm (10) ra = 3 cm (11) If one now takes the aforementioned equations (3) - (5) for the calculation of the geometric stress fractions and takes, for example, an inner diameter of 4 cm and a wall thickness of 1 cm for the left ventricle of a heart, the following values result: r i = 2 cm (10) r a = 3 cm (11)

Für den zylindrischen Teil ergeben sich somit folgende Spannungswerte: σl = 0,8 pi (12) σtubeφ(ri) = 2.6pi (13) σtubeφ(ra) = 1.6pi (14) σtuber(ri) = –pi (15) σtuber(ra) = 0 (16) The following voltage values thus result for the cylindrical part: σ l = 0.8 p i (12) σ tube φ (r i ) = 2.6p i (13) σ tubeφ (r a ) = 1.6p i (14) σ tuber (r i ) = -p i (15) σ tuber (r a ) = 0 (16)

Für die Halbkugel ergeben sich folgende Werte: σsphereφ(ri) = σspherel(ri) = 1,13pi (17) σsphereφ(ra) = σspherel(ra) = 0,63pi (18) σspherer(ri) = –pi (19) σspherer(ra) = 0 (20) For the hemisphere, the following values result: σ sphere φ (r i ) = σ spherel (r i ) = 1.13 p i (17) σ sphere φ (r a ) = σ spherel (r a ) = 0.63 p i (18) σ spherer (r i ) = -p i (19) σ spherer (r a ) = 0 (20)

Aus vorliegendem Zahlenbeispiel und Gleichung (6) ergibt sich, dass die zirkumferentielle Komponente der Spannung im Zylinder – je nach Radius – 2 bis 3,25-fach größer ist als die longitudinale Komponente.From the present numerical example and equation (6) it follows that the circumference component of the stress in the cylinder - depending on the radius - is 2 to 3.25 times greater than the longitudinal component.

Aus den so ermittelten Spannungen lassen sich über die Annahme der isotropen Materialkonstanten Elastizitätsmodul E und Querkontraktionszahl v die zugehörigen Dehnungen berechnen:
Dehnung des dickwandigen Hohlzylinders: εr(r) = 1 / E[σr(r) – υ(σφ(r) + σl(r))] (21) εφ(r) = 1 / E[σφ(r) – υ(σr(r) + σl(r))] (22) εl(r) = 1 / E[σl(r) – υ(σr(r) + σφ(r))] (23)
Using the assumptions of the isotropic material constants Elastic modulus E and Transverse contraction number v, the corresponding strains can be calculated from the thus determined stresses.
Elongation of the thick-walled hollow cylinder: ε r (r) = 1 / E [σ r (r) - υ (σ φ (r) + σ l (r))] (21) ε φ (r) = 1 / E [σ φ (r) - υ (σ r (r) + σ l (r))] (22) ε l (r) = 1 / E [σ l (r) - υ (σ r (r) + σ φ (r))] (23)

Dehnung der dickwandigen Kugelschale: εr(r) = 1 / E[σr(r) – 2υσφ(r)] (24) εφ(r) = 1 / E[(1 – υ)σφ(r) – υσr(r)] (25) Elongation of the thick-walled spherical shell: ε r (r) = 1 / E [σ r (r) - 2υσ φ (r)] (24) ε φ (r) = 1 / E [(1-υ) σ φ (r) -υσ r (r)] (25)

4 zeigt die schematische Ansicht einer Muskelfaser 1, die an einer vorbestimmten Position P einen normalisierten bzw. kompensierten Dehnungstensor ε → (bzw. auch als T bezeichnet) aufweist, aus dem sich gem. Formel (9) der lokale Hauptdehnungsvektor VH berechnen lässt. Dieser gibt dann die Faserrichtung der Muskelfaser 1 an der Position P an. Dieser lokale Hauptdehnungsvektor VH berechnet sich aus den Eigenvektoren (εa, εb, εc) des diagonalisierten, symmetrischen Dehnungstensors ε → 2. Ordnung, wobei diese Eigenvektoren in 4 in einem rechtshändigen Orthonormalsystem OS schematisch dargestellt sind. Dieses Orthonormalsystem OS lässt sich lokal in jedem beliebigen Punkt der Hohlkörperwand 6 berechnen, indem man das lokale Herzkoordinatensystem entsprechend dreht. Somit lassen sich an jedem Punkt der Hohlkörperwand 6 Schubdehnungskomponenten eliminieren, so dass lediglich die Hauptdehnungskomponenten in der Diagonalen der entsprechenden Tensormatrix übrig bleiben (vgl. Gleichung (2)). 4 shows the schematic view of a muscle fiber 1 having at a predetermined position P a normalized or compensated strain tensor ε → (or also referred to as T), from the gem. Formula (9) lets calculate the local principal strain vector V H. This then gives the fiber direction of the muscle fiber 1 at the position P on. This local main strain vector V H is calculated from the eigenvectors (ε a , ε b , ε c ) of the diagonalized, symmetric strain tensor ε → 2nd order, these eigenvectors being in 4 are shown schematically in a right-handed orthonormal system OS. This Orthonormal System OS can be located locally in any point of the hollow body wall 6 by rotating the local cardiac coordinate system accordingly. Thus can be at any point of the hollow body wall 6 Eliminate shear stress components so that only the principal strain components remain in the diagonal of the corresponding tensor matrix (see Equation (2)).

Gemäß einer anderen, bevorzugten Ausführungsform werden die Dehnungen jeweils nicht als Dehnungstensor dargestellt, sondern in einer allgemeineren dreidimensionalen (Matrix)-Darstellung. Zur vereinfachten Handhabung der Dehnungen ist es bevorzugt, die detektierten dreidimensionalen, lokalen Dehnungen und/oder die geometrisch bestimmten Dehnungsanteile jeweils einer Singulärwertzerlegung zu unterziehen. Dadurch ist die Hauptdehnungsrichtung leicht aus der Darstellung des jeweiligen dreidimensionalen Dehnungszustandes ablesbar. Auch hieraus lassen sich jeweils die Hauptdehnungsvektoren VH ablesen.According to another preferred embodiment, the strains are not each represented as a strain tensor, but in a more general three-dimensional (matrix) representation. In order to simplify the handling of the strains, it is preferable to subject the detected three-dimensional, local strains and / or the geometrically determined strain parts to a singular value decomposition. As a result, the main expansion direction is easily read from the representation of the respective three-dimensional strain state. Also from this can be read in each case the main strain vectors V H.

Gemäß 5 lassen sich z. B. die Hauptdehnungsvektoren VH als Textur 11 in einem Oberflächenmodell des Hohlkörpers eintragen, wobei diese Textur dann die mittleren Faserrichtungen der beteiligten Muskelfasern angibt. Wahlweise lassen sich diese mittleren Faserrichtungen auch in einer Parameterkarte nach 6 eintragen, wobei diese aus der WO 2007 141 038 A1 bekannte Parameterkarte derart mit den Hauptdehnungsvektoren VH versehen werden kann, dass diese mittels Pfeildarstellungen die Kontraktionsrichtung der Muskelfasern angeben.According to 5 can be z. B. the main strain vectors V H as a texture 11 in a surface model of the hollow body, this texture then indicating the mean fiber directions of the involved muscle fibers. Optionally, these mean fiber directions can also be reproduced in a parameter card 6 register, these from the WO 2007 141 038 A1 known parameter map can be provided in such a way with the main strain vectors V H , that they indicate the contraction direction of the muscle fibers by means of arrow representations.

Die lokalen Hauptdehnungsvektoren VH können als Vektorfeld funktional auch in einem Oberflächenmodell des Hohlkörpers bzw. in einer Parameterkarte derart eingetragen werden, dass Richtung und Stärke der jeweiligen Hauptdehnung als Richtung bzw. als Farbe, Länge oder Stärke des verwendeten Pfeils in einer entsprechenden Vektorfelddarstellung dargestellt werden. Wahlweise lassen sich die mittleren Faserrichtungen auch im Vergleich zu einer detektierten, dreidimensionalen Dehnung der Hohlkörperwand darstellen. Dadurch lassen sich die Unterschiede, insbesondere die Winkeldifferenz, zwischen der detektierten Dehnung und der Faserrichtung visualisieren. Die Winkelabweichung zwischen der aus den geometrisch bedingten Dehnungsanteilen resultierenden Hauptdehnungsrichtung („erwartete Dehnung”) und der gemessenen Dehnungsrichtung kann als Maß für die Lage der Muskelfasern herangezogen werden, sofern man von einem isotropen Material der Hohlkörperwand ausgeht.The local main expansion vectors V H can also be entered functionally as a vector field in a surface model of the hollow body or in a parameter map such that the direction and intensity of the respective principal strain are represented as direction or as color, length or thickness of the arrow used in a corresponding vector field representation , Optionally, the mean fiber directions can also be compared to a detected, three-dimensional stretching of the hollow body wall. As a result, the differences, in particular the angular difference, between the detected strain and the fiber direction can be visualized. The angular deviation between the main expansion direction resulting from the geometrically induced expansion parts ("expected elongation") and the measured expansion direction can be used as a measure of the position of the muscle fibers, provided that an isotropic material of the hollow body wall is used.

7 zeigt schematisch den Hohlkörper 2 mit Teilelementen 13 der Hohlkörperwand, wobei eines dieser Teilelemente vergrößert dargestellt ist. Um aus den detektierten Bewegungen der Myokardpunkte die tatsächlichen Dehnungen und Spannungen in der Wand des Hohlkörpers bestimmen zu können, werden diese zweckmäßig nach dem Stand der Technik mit Methoden der Finite Elemente Analyse (FEA) numerisch berechnet. Dazu wird die bekannte Geometrie zunächst, wie in 7 schematisch gezeigt, in eine Vielzahl von Teilelementen 13 zerlegt. Für jedes Teilelement 13 werden dann mathematische Ansatzfunktionen gewählt, die das Materialverhalten in dem jeweiligen Element hinreichend genau annähern. Beispielsweise wird angenommen, dass es sich bei dem Material um ein isotropes und/oder inkompressibles Material handelt. Weiterhin werden Randbedingungen festgelegt, über die die auf den Hohlkörper einwirkenden Kräfte (z. B. hydrostatischer Druck und Auflager) modelliert werden. Die Lösung über das gesamte Hohlkörpermodell erfolgt dann numerisch durch Berechnung aller Teilelemente und deren Verknüpfung über die jeweiligen Randbedingungen. 7 shows schematically the hollow body 2 with subelements 13 the hollow body wall, wherein one of these sub-elements is shown enlarged. In order to be able to determine the actual strains and stresses in the wall of the hollow body from the detected movements of the myocardial points, these are expediently calculated numerically according to the prior art with methods of finite element analysis (FEA). For this purpose, the known geometry first, as in 7 shown schematically in a variety of sub-elements 13 disassembled. For each subelement 13 then mathematical approach functions are chosen, which approximate the material behavior in the respective element with sufficient accuracy. For example, it is believed that the material is an isotropic and / or incompressible material. Furthermore, boundary conditions are defined by means of which the forces acting on the hollow body (eg hydrostatic pressure and support) are modeled. The solution over the entire hollow body model is then numerically by calculation of all sub-elements and their linkage over the respective boundary conditions.

Gemäß der vorliegenden Erfindung lässt sich nun die mechanische Aktivität eines Herzens entlang der Muskelfasern bestimmen, was zu einer homogeneren Messwertverteilung und zu einer der Physiologie angepassten Interpretation führt. Auch die herkömmlich genutzten funktionalen Parameter wie Dehnung, Dehnungsrate, Geschwindigkeit, etc. lassen sich in einer solchen neuen Darstellung besser visualisieren.According to the present invention, it is now possible to determine the mechanical activity of a heart along the muscle fibers, which leads to a more homogeneous measurement value distribution and to a physiologically adapted interpretation. Even the conventionally used functional parameters such as strain, strain rate, speed, etc. can be better visualized in such a new representation.

Auch kann man eine übliche Verteilung der Muskelfaserrichtungen modellieren, die dann an individuelle Patientendaten angepasst wird. Neben einer stabileren Bestimmung des Richtungsvektorfeldes der Hauptdehnungsvektoren kann so auch ein Vergleich mit Normwerten erfolgen. Eine Änderung eines solchen Richtungsvektorfeldes beispielsweise unter Belastung könnte ein besserer Parameter für beginnende Kontraktions-/Relaxationsstörungen sein; die beteiligten Muskelfasern lassen sich so lokalisieren und gegebenenfalls behandeln.Also, one can model a common distribution of muscle fiber directions, which is then adapted to individual patient data. In addition to a more stable determination of the direction vector field of the main strain vectors, a comparison with standard values can thus be carried out. Changing such a directional vector field, for example under load, could be a better parameter for incipient contraction / relaxation perturbations; The involved muscle fibers can be localized and treated as necessary.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung weist darüber hinaus weitere Vorteile auf:
Stehen beispielsweise nur zwei von drei möglichen Dehnungsinformationen zur Verfügung, so kann unter Annahme einer Inkompressibilität der Materie der Hohlkörperwand der fehlende dritte Wert ermittelt werden. Beim inkompressiblen Medium ist die Summe der Hauptdehnungen stets 0. Somit lässt sich prinzipiell die radiale Dehnung aus Kenntnis der longitudinalen und zirkumferenziellen Dehnung berechnen. Aus der dreidimensionalen Verteilung der Dehnungstensoren lässt sich durch Integration dann prinzipiell auch die zugrunde liegende dreidimensionale Dehnung der Hohlkörperwand rekonstruieren.
The method according to the present invention has further advantages:
For example, if only two out of three possible strain information are available, the missing third value can be determined assuming incompressibility of the matter of the hollow body wall. In the case of the incompressible medium, the sum of the major strains is always 0. Thus, in principle, the radial strain can be calculated from knowledge of the longitudinal and circumference elastic strain. From the Three-dimensional distribution of the strain tensors can be reconstructed by integration then in principle also the underlying three-dimensional stretching of the hollow body wall.

Werden die Hauptdehnungsvektoren als Vektorfeld funktional beispielsweise in einer Parameterkarte des Herzens eingetragen, wie dies in 6 schematisch als Textur 11 dargestellt ist, so können beispielsweise negative Dehnungen, d. h. Verkürzungen, als Verdickung der Linie und positive Dehnungen als Verdünnung dargestellt werden. Dieses Verhalten kann dann intuitiv vom Betrachter als Kontraktion beispielsweise einer Muskelfaser interpretiert werden. Die Darstellung der tangentialen Anteile einer Dehnung kann um eine farbkodierte Darstellung der radialen Dehnung (Wandverdickung) ergänzt werden.If the main strain vectors are entered functionally as a vector field, for example in a parameter map of the heart, as shown in FIG 6 schematically as a texture 11 is shown, for example, negative strains, ie shortenings, as a thickening of the line and positive expansions can be represented as a dilution. This behavior can then be intuitively interpreted by the viewer as a contraction of, for example, a muscle fiber. The representation of the tangential components of an expansion can be supplemented by a color-coded representation of the radial expansion (wall thickening).

Schließlich ist es möglich, die radiale Einwärtsbewegung auch direkt aus der dreidimensionalen Bewegung vorbestimmbarer Positionen der Hohlkörperwand zu messen. Aus einer Schätzung der lokalen Wanddicken zusammen mit der radialen Dehnung ergibt sich ebenfalls eine regionale Verschiebung. Aus der Differenz dieser beiden Größen kann wiederum abgeleitet werden, ob die lokale Kontraktion auch zu einer korrespondierenden Einwärtsbewegung, d. h. radialen Verkleinerung führt.Finally, it is possible to measure the radial inward movement directly from the three-dimensional movement of predeterminable positions of the hollow body wall. An estimation of the local wall thicknesses together with the radial strain also results in a regional shift. From the difference between these two quantities it can be deduced again whether the local contraction also leads to a corresponding inward movement, that is to say in the case of H. radial reduction leads.

In der subendokardialen Zone des Myokards herrscht eine zum Teil starke Trabekularisierung vor. Ein Messvolumen über ein solches Gebiet enthält damit sowohl Muskelfasern als auch Blutanteile. Bei der Kontraktion des Herzens kann nun nicht mehr von einer isovolumetrischen Kontraktion ausgegangen werden. Die Abweichung zwischen der direkt gemessenen radialen Dehnung, zum Beispiel über die radiale Differenz zweier paralleler Beuteloberflächen und der aus der tangentialen Bewegung bestimmten radialen Dehnung (über den oben beschriebenen isovolumetrischen Ansatz) gibt nun Aufschluss über die Kompressibilität des Messvolumens. Aus diesem Vergleich lassen sich Rückschlüsse auf die Verdickung der trabekulären Muskelfasern ziehen. Vorteilhafte Verwendungen des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen beispielsweise bei der Überwachung einer Operation nach einem Myokard-Infarkt, einer Überwachung von Veränderungen der Muskelfaserkontraktionen unter Belastung aber auch für allgemeine Untersuchungen der Herzaktivität.In the subendocardial zone of the myocardium there is a partly strong trabecularization. A measurement volume over such an area thus contains both muscle fibers and blood components. The contraction of the heart can no longer be assumed to be an isovolumic contraction. The deviation between the directly measured radial strain, for example, the radial difference between two parallel bag surfaces and the radial strain determined by the tangential movement (via the isovolumetric approach described above) now provides information about the compressibility of the measurement volume. From this comparison, conclusions can be drawn on the thickening of the trabecular muscle fibers. Advantageous uses of the present inventive method are, for example, in the monitoring of surgery after myocardial infarction, a monitoring of changes in muscle fiber contractions under stress but also for general studies of cardiac activity.

Das vorbezeichnete Verfahren lässt sich aber auch auf andere bildgebende Verfahren wie der Computertomographie oder der Magnetresonanztomographie anwenden, die dreidimensionale Bewegungen vorbestimmbarer Positionen der Hohlkörperwand detektieren können. Gleichfalls eignet sich das Verfahren zur Bestimmung von nicht kontrahierenden Fasern eines Gewebes, beispielsweise einer Blutader, die unter schwankendem Druck entsprechend kontrahiert oder expandiert. Somit lassen sich auch passive, d. h. lediglich stützende Fasern oder faserähnliche Gewebearten detektieren, die Hohlkörper umgeben, die unter einem bestimmten Druck stehen.However, the aforementioned method can also be applied to other imaging methods such as computed tomography or magnetic resonance tomography, which can detect three-dimensional movements of predeterminable positions of the hollow body wall. Likewise, the method is suitable for the determination of non-contracting fibers of a tissue, for example a blood vessel, which contracts or expands under fluctuating pressure. Thus, passive, d. H. detect only supporting fibers or fiber-like types of tissue surrounding hollow bodies that are under a certain pressure.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2007141038 A1 [0001, 0074] WO 2007141038 A1 [0001, 0074]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Doppler Myocardial Imaging; George R. Sutherland, Liv Hatle, Frank E. Rademakers, Piet Claus, Jan D'hooge, Bart H. Bijnens; 27. Januar 2005 [0022] Doppler myocardial imaging; George R. Sutherland, Liv Hatle, Frank E. Rademakers, Piet Claus, Jan D'hooge, Bart H. Bijnens; January 27, 2005 [0022]

Claims (18)

Verfahren zur Bestimmung der intrinsischen Anisotropie des Wandmaterials eines unter Druck (pi) stehenden flexiblen Hohlkörpers (2), insbesondere der Faserrichtungen (9) von Fasern eines Gewebes, durch a) Einlesen von Daten einer detektierten, dreidimensionalen Bewegung vorbestimmbarer Positionen (P) der Hohlkörperwand (6), b) Ermitteln der dreidimensionalen, lokalen Dehnungen dieser vorbestimmbaren Positionen (P) aus der detektierten Bewegung, c) Berechnen von geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen an diesen vorbestimmbaren Positionen (P) durch Simulation, wobei der Simulation Annahmen über Geometrie und Materialeigenschaften des Hohlkörpers zugrunde liegen; d) ggf. Berechnung eines kompensierten 3D Dehnungszustands durch Korrektur der dreidimensionalen, lokalen Dehnungen mit den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen, und e) Ermitteln der intrinsischen Anisotropie des Gewebes aus dem Vergleich zwischen den dreidimensionalen, lokalen Dehnungen und den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen.Method for determining the intrinsic anisotropy of the wall material of a flexible hollow body under pressure (p i ) 2 ), in particular the fiber directions ( 9 ) of fibers of a tissue, by a) reading data of a detected, three-dimensional movement of predeterminable positions (P) of the hollow body wall ( 6 b) determining the three-dimensional, local expansions of these predeterminable positions (P) from the detected movement, c) calculating geometrically determined expansion components at these predeterminable positions (P) by simulation, wherein the simulation is based on assumptions about geometry and material properties of the hollow body ; d) if necessary, calculating a compensated 3D strain state by correcting the three-dimensional local strains with the geometrically determined strain fractions, and e) determining the intrinsic anisotropy of the tissue from the comparison between the three-dimensional local strains and the geometrically determined strain fractions. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Ermitteln der dreidimensionalen, lokalen Dehnungen dieser vorbestimmbaren Positionen (P) aus der detektierten Bewegung in einem beliebigen Koordinatensystem; – Durchführen von Singulärwertzerlegungen der dreidimensionalen, lokalen Dehnungen zum Ermitteln der jeweiligen Hauptdehnungsrichtungen; – Ermitteln der geometrisch bestimmten Dehnungsanteile; – Vergleich der singulärwertzerlegten dreidimensionalen, lokalen Dehnungen mit den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen.Method according to claim 1, characterized by the following steps: - Determining the three-dimensional, local strains of these predeterminable positions (P) from the detected movement in any coordinate system; Performing singular value decompositions of the three-dimensional local strains to determine the respective principal strain directions; - Determining the geometrically determined expansion parts; - Comparison of the singular value decomposed three-dimensional, local strains with the geometrically determined strain parts. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Berechnen von geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen in einem beliebigen Koordinatensystem; – Durchführen von Singulärwertzerlegungen der geometrisch bestimmten Dehnungsanteile zum Ermitteln der jeweiligen Hauptdehnungsrichtungen; – Vergleich der dreidimensionalen, lokalen Dehnungen mit den singulärwertzerlegten geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen.Method according to claim 1 or 2, characterized by the following steps: - calculating geometrically determined strain rates in any coordinate system; Performing singular value decomposition of the geometrically determined strain proportions to determine the respective principal strain directions; - Comparison of the three-dimensional, local strains with the singular-value-decomposed geometrically determined strain rates. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ermitteln der dreidimensionalen, lokalen Dehnung der vorbestimmbaren Positionen (P) symmetrische Dehnungstensoren (ε →) berechnet werden, dass die symmetrischen Dehnungstensoren (ε →) durch Korrektur der geometrisch bestimmten Dehnungsanteile kompensiert werden, und dass die jeweiligen kompensierten Dehnungstensoren (ε →) mittels einer Koordinatentransformation zur Bestimmung der Richtung der größten Dehnung umgewandelt werden.Method according to claim 1, characterized, in that symmetric strain tensors (ε →) are calculated when determining the three-dimensional local strain of the predeterminable positions (P), that the symmetrical strain tensors (ε →) are compensated by correcting the geometrically determined strain fractions, and in that the respective compensated strain tensors (ε →) are converted by means of a coordinate transformation to determine the direction of greatest elongation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Simulation die Annahme zugrunde liegt, dass die Hohlkörperwand aus einem isotropen, elastischen Material besteht, und dass die intrinsische Anisotropie aus dem Unterschied zwischen den dreidimensionalen, lokalen Dehnungen und den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen, insbesondere aus dem kompensierten 3D Dehnungszustand, bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the simulation is based on the assumption that the hollow body wall consists of an isotropic, elastic material, and that the intrinsic anisotropy of the difference between the three-dimensional, local strains and the geometrically determined strain rates, in particular from the compensated 3D strain state. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Simulation in Schritt c) ein Modell des Hohlkörpers zugrunde liegt, bei dem die Hohlkörperwand aus einem anisotropen Material besteht, und dass die dreidimensionalen, lokalen Dehnungen und die geometrisch bestimmten Dehnungsanteile miteinander vergleichen werden, insbesondere iterativ, wobei bei einer hohen Übereinstimmung davon ausgegangen wird, dass die intrinsische Anisotropie des Gewebes der Anisotropie des der Simulation zugrundeliegenden Modells entspricht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the simulation in step c) is based on a model of the hollow body, in which the hollow body wall consists of an anisotropic material, and that the three-dimensional, local strains and the geometrically determined expansion portions are compared with each other, in particular, iteratively, assuming a high degree of agreement that the intrinsic anisotropy of the tissue corresponds to the anisotropy of the simulation-based model. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulation ferner aktiv kontrahierende Muskelfasern berücksichtigt, und dass der Vergleich in Schritt e) jeweils nach Anpassungen der Simulation bzw. des zugrunde liegenden Modells iterativ wiederholt wird, bis die Differenz zwischen den dreidimensionalen, lokalen Dehnungen und den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen kleiner ist als eine vorbestimmte Grenze.A method according to claim 6, characterized in that the simulation further takes into account actively contracting muscle fibers, and that the comparison in step e) is iteratively repeated in each case after adaptations of the simulation or the underlying model until the difference between the three-dimensional, local strains and the geometrically determined strain rates smaller than a predetermined limit. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der intrinsischen Anisotropie, insbesondere aus dem kompensierten 3D Dehnungszustand, die jeweilige mittlere Faserrichtung (9) von Fasern des Gewebes der Hohlkörperwand bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that from the intrinsic anisotropy, in particular from the compensated 3D strain state, the respective mean fiber direction ( 9 ) of fibers of the tissue of the hollow body wall is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem kompensierten 3D Dehnungszustand die jeweilige lokale Hauptdehnungsrichtung, insbesondere der Hauptdehnungsvektor (VH) bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the respective local principal strain direction, in particular the main strain vector (V H ), is determined from the compensated 3D strain state. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren der dreidimensionalen Bewegung vorbestimmbarer Positionen (P) der Hohlkörperwand (6) auf einer Zeitsequenz von Bildern des Hohlkörpers mittels eines 3D Feature Tracking Verfahrens erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the detection of the three-dimensional movement of predeterminable positions (P) of the hollow body wall ( 6 ) takes place on a time sequence of images of the hollow body by means of a 3D feature tracking method. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Faserrichtungen (9) von Muskelfasern eines Myokardgewebes eines unter Druck (pi) stehenden flexiblen Herzens bestimmt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that fiber directions ( 9 ) of muscle fibers of a myocardial tissue of a flexible heart under pressure (p i ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper eine Herzkammer ist und dass die dreidimensionalen, lokalen Dehnungen aus einem Vergleich der vorbestimmbaren Positionen (P) zum Zeitpunkt der maximalen Herzkontraktion mit den entsprechenden Positionen (P) zu einem Zeitpunkt der Entspannung des Herzens berechnet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow body is a heart chamber and that the three-dimensional, local strains from a comparison of the predeterminable positions (P) at the time of maximum cardiac contraction with the corresponding positions (P) at a time of relaxation of Heart are calculated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrisch bestimmte Dehnungsanteile mittels mathematischer Modelle numerisch berechnet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the geometrically determined expansion components are calculated numerically by means of mathematical models. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen lokalen Hauptdehnungsvektoren (VH) durch Nutzung eines numerischen Modells berechnet werden, das die Hohlkörperwand (6) mit einer Finite Elemente Methode modelliert.A method according to claim 8, characterized in that the respective local main strain vectors (V H ) are calculated by using a numerical model comprising the hollow body wall ( 6 ) modeled using a finite element method. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittleren Faserrichtungen (9) oder Hauptdehnungsrichtungen in einem Oberflächenmodell des Hohlkörpers (2) und/oder einer Parameterkarte eingetragen werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the mean fiber directions ( 9 ) or main strain directions in a surface model of the hollow body ( 2 ) and / or a parameter card. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kompensierten 3D Dehnungszustand als Vektorfeld in einem Oberflächenmodell des Hohlkörpers (2) und/oder einer Parameterkarte eingetragen wird, wobei die Richtung der dargestellten Pfeile der Hauptdehnungsrichtung entspricht und die Farbe, Stärke und/oder Länge der verwendeten Pfeile dem Betrag und/oder dem Vorzeichen der Kontraktion entspricht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the compensated 3D strain state as a vector field in a surface model of the hollow body ( 2 ) and / or a parameter map is entered, wherein the direction of the arrows shown corresponds to the main expansion direction and the color, strength and / or length of the arrows used corresponds to the magnitude and / or the sign of the contraction. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen den dreidimensionalen, lokalen Dehnungen und den geometrisch bestimmten Dehnungsanteilen als Vektorfeld oder als Feldliniendarstellung in einem Oberflächenmodell des Hohlkörpers (2) und/oder einer Parameterkarte eingetragen werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the difference between the three-dimensional, local strains and the geometrically determined strain fractions as a vector field or as a field line representation in a surface model of the hollow body ( 2 ) and / or a parameter card. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Computer program product for carrying out a method according to one of the preceding claims.
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