DE102014205828B4

DE102014205828B4 - Verfahren zum Ermitteln des Zeitpunktes einer Herzbewegung und zum Triggern eines bildgebenden Systems und entsprechende Vorrichtung

Info

Publication number: DE102014205828B4
Application number: DE102014205828.7A
Authority: DE
Inventors: Andre Henning
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2034-03-29
Also published as: DE102014205828A1; CN104939819A; US20150272479A1; US9675279B2; CN104939819B

Abstract

Verfahren (200) zum Ermitteln eines Zeitpunktes einer Herzbewegung und zum Triggern eines bildgebenden Systems (1), aufweisend die Schritte:- Empfangen eines eine Herzbewegung anzeigenden EKG-Signals (ES),- Festlegen eines ersten Zeitpunkts (T1), nach dem ein die Herzbewegung anzeigendes mechanisches Signal (MS) voraussichtlich empfangen wird, in Abhängigkeit von dem empfangenen EKG-Signal (ES),- Empfangen eines mechanischen Signals (MS) nach dem ersten Zeitpunkt (T1),- Ermitteln eines Empfangszeitpunkts (T2) des mechanischen Signals (MS),- Ermitteln eines Zeitpunkts (T3) einer Herzbewegung anhand des ermittelten Empfangszeitpunkts (T2) des mechanischen Signals (MS) und- Triggern des bildgebenden Systems (1) in Abhängigkeit von dem ermittelten Zeitpunkt der Herzbewegung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Zeitpunktes einer Herzbewegung und zum Triggern eines bildgebenden Systems. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Zeitpunktes einer Herzbewegung und zum Triggern eines bildgebenden Systems. Schließlich betrifft die Erfindung ein bildgebendes System.
Auf folgende Dokumente wird verwiesen:

Bei der medizinischen Bildgebung des Herzens müssen Aufnahmen von einem bewegten Objekt, dem schlagenden Herzen, aufgenommen werden. Ohne Berücksichtigung der Bewegung führt dies jedoch zu unscharfen Bildern. Das genannte Problem tritt beispielsweise bei bildgebenden Systemen in der Computertomographie, der Magnetresonanztomographie, der Positronenemissionstomographie und bei Ultraschallsystemen auf. Insbesondere bei CT-Aufnahmen ist es ungünstig, wenn Aufnahmen wiederholt werden müssen, da in diesem Fall der Patient einer erhöhten Strahlendosis ausgesetzt wird.
Herkömmlich wird versucht, Aufnahmen des Herzens durch das elektrische Signal des Herzens, d. h. in der Regel durch ein Elektrokardiogramm (EKG) prospektiv zu synchronisieren bzw. zu triggern. Hierzu werden Elektroden auf der Haut des Patienten angebracht und eine oder mehrere Ableitungen des EKGs nach charakteristischen Merkmalen, in der Regel der sogenannten R-Zacke, segmentiert. Die Ableitungen sind Spannungsmessungen zwischen zwei Punkten des Körpers. Die R-Zacke (siehe auch 4) ist das charakteristischste Merkmal eines EKGs. Sie ist der erste positive Ausschlag des QRS-Komplexes. Der QRS-Komplex ist mit der Kammererregung bzw. der Depolarisation der beiden Herzkammern korreliert. Die eigentliche Abtastung bzw. Bildaufnahme geschieht dann in einem definierten Intervall relativ zu der Position der R-Zacke, so dass der Einfluss der Eigenbewegung des schlagenden Herzens reduziert werden kann. Dabei ist die Zuverlässigkeit der Synchronisierung bzw. der Triggerung, d. h. sowohl die Sensitivität als auch die Prädikativität, das heißt, die Aussagekraft des Signals sowie dessen zeitliche Konstanz, d. h. beispielsweise die Abweichung der relativen Positionen der gemessenen Signale zur echten R-Zacke, entscheidend für die Qualität der Bildgebung. Ein entsprechendes Verfahren ist in DE 10 2010 041 777 A1 beschrieben.
Nachteilig ist jedoch, dass die elektrische Erregung des Herzens nicht vollständig korreliert mit der relevanten Größe, der mechanischen Erregung des Herzens, ist. Es besteht ein patientenspezifischer Versatz zwischen der R-Zacke und der Ejektion der Vorhöfe des Herzens, der zudem dynamischen Schwankungen auf Grund mechanischer Einflüsse wie der Atmung oder der Bewegung des Patienten und autoregulatorischer Prozesse unterworfen ist.
Zwar gibt es auch alternative Ansätze, wie zum Beispiel die Verwendung der Pulswelle am Finger (PPG = Photoplethysmographie). Allerdings weist diese einen zeitlichen Versatz auf, der eine Triggerung nur retrospektiv und nicht in Echtzeit ermöglicht. Somit ist die Technologie insbesondere bei der Computertomographie aufgrund der oben genannten Besonderheiten nicht anwendbar.
Alternativ können auch kapazitive Sensoren, ein Ballistokardiogramm, ein Radar oder die Phonokardiographie zum Einsatz kommen, mit denen zum Teil die mechanische Erregung des Herzens darstellbar ist. Allerdings haben die aufgenommenen Signale meist keine eindeutigen Maxima, sondern eine Verteilung auf verschiedene Maxima. Bei einer Echtzeitaufnahme ist zunächst nicht klar, welches der Maxima der zu detektierenden Herzbewegung entspricht. Daher ist es schwer möglich, den Bewegungszeitpunkt des Herzens in Echtzeit zuverlässig zu bestimmen und beispielsweise auf eine Arrhytmie im Signal zu reagieren. Häufig sind die Maxima der die mechanische Erregung des Herzens darstellenden Schaubilder auch nicht sehr ausgeprägt, so dass sie kaum voneinander zu unterscheiden sind. Zudem folgen die Maxima in den genannten Schaubildern oft sehr eng aufeinander, so dass deren Auflösung sehr schwierig sein kann. Auch der Vergleich der Maxima mit Referenzkurven, beispielsweise im Rahmen eines Filterverfahrens (matched-Filter), stößt auf gro-ße Schwierigkeiten, da die Gestalt der Kurven sozusagen erst im Nachhinein vollständig bekannt ist, jedoch die Ermittlung der Bewegung des Herzens prospektiv realisiert werden muss, um die Bildgebung entsprechend zu terminieren. Es besteht also auch bei der direkten Messung einer die mechanische Erregung des Herzens charakterisierenden physikalischen Größe das Problem, eine zuverlässige Vorhersage der Bewegung des Herzens in Echtzeit gewährleisten zu können. Zudem ist es in diesem Fall schwierig, auf Besonderheiten wie Extrasystolen, die meist mit einem veränderten Ablauf der Muskelkontraktion einhergehen und sich somit in den Biosignalen sehr unterschiedlich niederschlagen können, zu reagieren. Da sich das Herz in einem solchen Fall aber bewegt, müssen auch solche Ereignisse zuverlässig registriert werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu ermöglichen, welches eine präzisere und zuverlässigere Synchronisation von bildgebenden Verfahren mit der Bewegung des Herzens ermöglicht.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und zum anderen durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 8 gelöst.
Erfindungsgemäß wird zunächst ein eine Herzbewegung anzeigendes EKG-Signal empfangen. Weiterhin wird ein erster Zeitpunkt, nach dem ein die Herzbewegung anzeigendes mechanisches Signal voraussichtlich empfangen wird, in Abhängigkeit von dem empfangenen EKG-Signal ermittelt. Das mechanische Signal wird anschließend nach dem festgelegten ersten Zeitpunkt empfangen. Es wird der Empfangszeitpunkt des mechanischen Signals ermittelt und daraus der Zeitpunkt einer Herzbewegung ermittelt.
Es wird also im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren nicht ein einzelnes die Herzbewegung anzeigendes Signal, auch umgangssprachlich Biosignal genannt, zur Triggerung verwendet, sondern eine gezielte Kombination aus elektrischer und mechanischer Information. Dabei wird das eindeutiger messbare elektrische Signal genutzt, um einen Zeitpunkt für das erwartete mechanische Signal festzulegen, nach dem das mechanische Signal voraussichtlich empfangen wird. Erst wenn das mechanische Signal empfangen wurde, wird ein die Herzbewegung kennzeichnendes Signal als Triggerpuls ausgegeben. Die Nutzung der Informationen aus dem EKG ermöglicht somit eine korrekte Triggerung, insbesondere bei dem Auftreten von Arrhytmien. Die Bildaufnahme des bildgebenden Systems kann auf Basis des Triggersignals entsprechend getaktet werden, so dass die Aufnahmen nicht durch die Herzbewegung beeinträchtigt werden. Beispielsweise wird die Ansteuerung des Bildaufnahmesystems so gestaltet, dass keine Bildaufnahme während der Herzbewegung, sondern nur während des relativen Ruhezustands zwischen den Herzbewegungen stattfindet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln eines Zeitpunktes einer Herzbewegung weist eine erste Empfangseinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, ein eine Herzbewegung anzeigendes EKG-Signal zu empfangen. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Terminierungseinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, einen ersten Zeitpunkt, nach dem ein die Herzbewegung anzeigendes mechanisches Signal voraussichtlich empfangen wird, in Abhängigkeit von dem empfangenen EKG-Signal festzulegen. Zudem weist die Vorrichtung eine zweite Empfangseinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, ein mechanisches Signal nach dem festgelegten ersten Zeitpunkt zu empfangen. Zusätzlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Auswertungseinrichtung auf. Die Auswertungseinrichtung ist dazu eingerichtet, den Empfangszeitpunkt des mechanischen Signals zu ermitteln und einen Zeitpunkt einer Herzbewegung anhand des ermittelten Empfangszeitpunkts des mechanischen Signals zu ermitteln.
Dabei ist anzumerken, dass die erste und die zweite Empfangseinrichtung für das Empfangen des EKG-Signals und des mechanischen Signals auch als eine einzige Empfangseinrichtung ausgeführt sein können, welche sowohl Signale von EKG-Sensoren als auch Signale von Sensoren für mechanische Signale empfangen kann.
Erfindungsgemäß wird ein Triggern eines bildgebenden Systems in Abhängigkeit von dem ermittelten Zeitpunkt der Herzbewegung durchgeführt. Durch die zeitliche Festlegung der Bildaufnahme durch das bildgebende System in Abhängigkeit von dem Auslösesignal bzw. Triggersignal kann, wenn beispielsweise eine besonders gute Bildqualität der Aufnahme gefordert ist, verhindert werden, dass die Bildaufnahme während der Herzbewegung durchgeführt und durch diese gestört wird.
Das erfindungsgemäße bildgebende System weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln eines Zeitpunktes einer Herzbewegung und zum Triggern des bildgebenden Systems auf.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ladbar ist, weist Programmcodeabschnitte auf, um alle Schritte des genannten Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in der Vorrichtung ausgeführt wird.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird statt eines ersten Zeitpunkts ein Zeitintervall, in dem ein die Herzbewegung anzeigendes mechanisches Signal voraussichtlich empfangen wird, in Abhängigkeit von dem empfangenen EKG-Signal festgelegt und das mechanische Signal wird in dem festgelegten Zeitintervall empfangen. Es wird also bei dieser Variante das eindeutiger messbare elektrische Signal genutzt, um einen Vorhersagekorridor, auch Konfidenzintervall genannt, für das erwartete mechanische Signal festzulegen.
Falls in dem gesetzten Zeitintervall bzw. dem Konfidenzintervall kein mechanisches Signal empfangen wurde, kann der Zeitpunkt der Herzbewegung auf einen definierten Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt der elektrischen Erregung des Herzens festgelegt werden. Damit kann sichergestellt werden, dass in jedem Fall ein Triggersignal an die bildgebende Einrichtung ausgesandt wird, auch wenn in dem vorbestimmten Zeitintervall kein mechanisches Signal empfangen wurde. Der definierte Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt der elektrischen Erregung des Herzens kann vorab anhand von Erfahrungswerten festgelegt werden.
Weiterhin kann das Ermitteln des Zeitpunkts der Herzbewegung anhand des mechanischen Signals dadurch realisiert werden, dass aus dem mechanischen Signal ein Merkmal extrahiert wird, zum Beispiel, indem das empfangene mechanische Signal zunächst abgeleitet und gefiltert wird.
Dadurch können die das zu detektierende Ereignis, nämlich eine bestimmte Herzbewegung, kennzeichnenden Anteile des mechanischen Signals separiert werden.
Als Empfangszeitpunkt kann der Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt bzw. in dem festgelegten Zeitintervall ermittelt werden, in dem die Amplitude des mechanischen Signals einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann das Filtern des mechanischen Signals das Filtern mit einem Bandpassfilter umfassen. Alternativ kann das Filtern des mechanischen Signals das Filtern mit einer Referenzfunktion umfassen. Die Referenzfunktion kann zum Beispiel eine M-Zacke bzw. ein M-Signal umfassen. Durch Faltung des Referenzsignals mit dem empfangenen Signal lassen sich in diesem Fall nicht dem M-Signal zugeordnete Signalanteile herausfiltern. Diese Ausgestaltung ist bei der Messung des mechanischen Signals mittels eines Ballistokardiogramms sinnvoll. Das M-Signal, auch umgangssprachlich M-Zacke eines Ballistokardiogramms genannt, bildet meist das den Zeitpunkt einer Herzbewegung am zuverlässigsten vorhersagende Merkmal eines Ballistokardiogramms.
Zur Erfassung des mechanischen Signals kann beispielsweise ein Drucksensor zum Einsatz kommen. Dabei wird eine durch die Herzbewegung ausgelöste Druckwelle detektiert. Dies kann beispielsweise durch einen auf dem piezoelektrischen Effekt beruhenden Sensor bewerkstelligt werden. Alternativ können zur Druckmessung auch piezoresistive Sensoren verwendet werden. Bei diesen sind Widerstandselemente auf Membranen angeordnet, deren Widerstandswert von dem auf die Membranen wirkenden Druck bzw. der Verformung der Membranen abhängt. Weiterhin können auch kapazitive Drucksensoren verwendet werden. Kapazitive Drucksensoren können beispielsweise zwei in einen Siliziumchip eindiffundierte Kondensatorplatten aufweisen. Zwischen den Kondensatoren bzw. Kondensatorplatten ist eine Membran angeordnet. Wirkt ein Druck auf die Membran, so werden die Abstände der Membran zu den zwei beidseitig gegenüberliegenden Kondensatorplatten und dadurch die Kapazitäten der Kondensatoren gegenläufig verändert. Meistens sind die Kondensatoren Teil eines internen Verstärkers, dessen Ausgangssignal von der Differenz der Kapazitäten abhängig ist. Schließlich können für die Messung des mechanischen Signals auch induktive Sensoren verwendet werden. Dabei können die induktiven Drucksensoren beispielsweise einen induktiven Wegaufnehmer aufweisen, welcher mit einer Membran verbunden ist. Wird ein Druck auf die Membran ausgeübt, so bewegt sich die Membran. Die Bewegung der Membran wird auf einen beweglichen Eisenanker übertragen, dessen Position sich in zwei benachbarten Spulen gegensinnig ändert. Somit erhöht sich die Induktivität in einer der beiden Spulen, während sie in der anderen abnimmt. Der Unterschied kann elektrisch sehr genau bestimmt werden. Alternativ kann in den Drucksensoren auch ein Differentialtransformator verwendet werden.
Das EKG-Signal kann beispielsweise in einer klassischen Oberflächenmessung detektiert werden. Dabei werden die durch die durch den Sinusknoten des Herzens ausgeübte elektrische Erregung der Herzmuskelzellen hervorgerufenen Potentialänderungen über Elektroden abgeleitet.
Alternativ können die genannten Potentialänderungen auch mit einem kapazitiven Sensor gemessen werden. Die kapazitiven Elektroden können beispielsweise berührungslos insbesondere auch durch Kleidung eines Patienten hindurch die EKG-Signale ableiten.
In diesem Fall ist der Sensor galvanisch komplett vom Patienten isoliert. Es wird eine aktive Rückkopplung vorgenommen, um die Spannung konstant zu halten.
Der bei der Messung des mechanischen Signals zu beachtende Schwellwert bzw. Referenzwert kann in Abhängigkeit von einer zu erwartenden maximalen Amplitude eines M-Signals festgelegt werden. Dabei kann auch der Wert der anderen Maxima, beispielsweise der K-Zacke oder L-Zacke berücksichtigt werden, und der Schwellwert derart gewählt werden, dass nur bei dem Auftreten des M-Signals ein Triggersignal ausgelöst wird.
Die Auswertungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, das empfangene mechanische Signal abzuleiten und zu filtern. Wie bereits erwähnt, können durch die Filterung Störsignale bzw. nicht die Herzbewegung selbst kennzeichnende Signale aus dem empfangenen mechanischen Signal bzw. dem die mechanische Erregung des Herzens kennzeichnenden Signal herausgefiltert werden.
Die Auswertungseinrichtung kann weiterhin dazu eingerichtet sein, als den Empfangszeitpunkt des mechanischen Signals den Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt bzw. in dem festgelegten Zeitintervall zu ermitteln, bei dem die Amplitude des mechanischen Signals einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt. Zur Ermittlung des Zeitpunkts der mechanischen Erregung des Herzens wird zunächst der Zeitpunkt des Überschreitens eines Schwellwerts des die mechanische Erregung kennzeichnenden Signals bestimmt. In Kombination mit der Information, dass der Zeitpunkt des Überschreitens des Schwellwerts nach dem ersten Zeitpunkt bzw. in dem festgelegten Konfidenzintervall liegt, kann nun mit deutlich verbesserter Sicherheit darauf geschlossen werden, dass es sich bei dem detektierten Ereignis um ein in einem festen zeitlichen Verhältnis zu dem Zeitpunkt der mechanischen Erregung des Herzens stehendes Signal, beispielsweise um ein M-Signal eines Ballistokardiogramms handelt. Aus dem ermittelten Zeitpunkt des in einem festen zeitlichen Verhältnis zu dem Zeitpunkt der mechanischen Erregung des Herzens stehenden Signals kann schließlich auf den Zeitpunkt der mechanischen Erregung des Herzens bzw. der Bewegung des Herzens geschlossen werden und mit Hilfe dieser Information ein Bildaufnahmesystem derart gesteuert werden, dass die Bildaufnahme beispielsweise nicht durch die Herzbewegung gestört wird.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen bildgebenden Systems,
2 ein Flussdiagramm, das ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht,
3 ein Flussdiagramm, das ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt,
4 ein Schaubild, dass die die zeitliche Abfolge des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
5 ein Schaubild, das ein Elektrokardiogramm graphisch darstellt,
6 ein Schaubild, das ein Ballistokardiogramm graphisch veranschaulicht,
7 ein Schaubild, das separierte Signale eines Ballistokardiogramms darstellt,
8 ein Schaubild, in dem die Abweichung des gemessenen relativen Versatzes der M-Zacke des Ballistokardiogramms zu der R-Zacke des Elektrokardiogramms gezeigt ist.

1 zeigt beispielshaft eine allgemeine schematische Darstellung eines Computertomographiesystems, um dessen allgemeinen Aufbau zu verdeutlichen. Das beschriebene Verfahren kann auch auf andere bildgebende Systeme angewandt werden. Jedoch ist bei einem Computertomographiesystem eine möglichst fehlerfreie Aufnahme aufgrund der möglichst gering zu haltenden Strahlungsbelastung besonders wichtig, da eine Wiederholung von Aufnahmen für den Patienten mit zusätzlicher Strahlungsbelastung einhergeht. Die Anordnung umfasst eine Gantry 2 mit einem stationären Teil 3 und mit einem um eine Systemachse 5 rotierbaren Teil 4. Der rotierbare Teil 4 weist eine Abtasteinheit (Röntgensystem) auf, welche eine Röntgenstrahlquelle 6 und einen Röntgenstrahlendetektor 7 umfasst, die an dem rotierbaren Teil 4 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Im Betrieb des Computertomographiesystems 1 geht von der Röntgenstrahlenquelle 6 Röntgenstrahlung 8 in Richtung des Röntgenstrahlendetektors 7 aus, durchdringt ein Messobjekt P, zum Beispiel einen Patienten P, und wird vom Röntgenstrahlendetektor 7 in Form von Messdaten bzw. Messsignalen erfasst.
In 1 ist ferner eine Patientenliege 9 zur Lagerung eines Patienten P zu sehen. Die Patientenliege 9 umfasst einen Liegensockel 10, an dem eine zur eigentlichen Lagerung des Patienten P vorgesehene Patientenlagerungsplatte 11 angeordnet ist. Die Patientenlagerungsplatte 11 ist relativ zu dem Liegensockel 10 in Richtung der Systemachse 5 derart verstellbar, dass sie zusammen mit dem Patienten P in die Öffnung 12 der Gantry 2 zur Aufnahme von 2D-Röntgenprojektionen von dem Patienten P eingeführt werden kann. Die rechnerische Verarbeitung der mit der Abtasteinheit aufgenommenen 2D-Röntgenprojektionen bzw. die Rekonstruktion von Schichtbildern, 3D-Bildern oder eines 3D-Datensatzes basierend auf den Messdaten bzw. Messsignalen der 2D-Röntgenprojektionen erfolgt mit einem Bildrechner 13 des Computertomographiegerätes 1, wobei die Schichtbilder oder 3D-Bilder auf einer Anzeigevorrichtung 14 darstellbar sind. Bei einer Aufnahme des bewegten Herzens müssen nun Elektroden 20 und zusätzliche Sensoren (nicht gezeigt) am Rumpf des zu untersuchenden Patienten angebracht werden. Mit den Elektroden 20 und Sensoren werden Informationen bezüglich der Bewegung bzw. des Bewegungszeitpunks des Herzens aufgenommen. Die aufgenommenen Daten werden an eine erfindungsgemäße Herzbewegungsermittlungsvorrichtung 15 gesendet. Die Herzbewegungsermittlungsvorrichtung 15 umfasst eine erste Empfangseinrichtung 16, welche dazu eingerichtet ist, ein eine Herzbewegung anzeigendes EKG-Signal ES zu empfangen. Die Herzbewegungsermittlungsvorrichtung 15 umfasst ferner eine Terminierungseinrichtung 17, welche dazu eingerichtet ist, beispielsweise ein Zeitintervall I, in dem ein die Herzbewegung anzeigendes mechanisches Signal MS voraussichtlich empfangen wird, in Abhängigkeit von dem empfangenen EKG-Signal ES festzulegen. Die Vorrichtung 15 umfasst zudem eine zweite Empfangseinrichtung 18. Diese empfängt ein mechanisches Signal MS beispielsweise in dem festgelegten Zeitintervall I von beispielsweise am Rücken des Patienten montierten Sensoren (nicht gezeigt). Die Vorrichtung 15 umfasst schließlich eine Auswertungseinrichtung 19. Die Auswertungseinrichtung 19 ermittelt den Empfangszeitpunkt T₂ des mechanischen Signals und einen Zeitpunkt T₃ einer Herzbewegung anhand des ermittelten Empfangszeitpunkts T₂ des mechanischen Signals.
2 veranschaulicht das beschriebene Verfahren 200 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Flussdiagramm. Bei dem Schritt 2.I wird ein eine Herzbewegung anzeigendes EKG-Signal empfangen. Bei dem Schritt 2.II wird ein erster Zeitpunkt T₁ in Abhängigkeit von dem empfangenen EKG-Signal festgelegt, nach dem ein die Herzbewegung anzeigendes mechanisches Signal voraussichtlich empfangen wird. Bei dem Schritt 2.III wird ein mechanisches Signal nach dem festgelegten ersten Zeitpunkt T₁ empfangen. Bei dem Schritt 2.IV wird der Empfangszeitpunkt T₂ des mechanischen Signals ermittelt. Anschließend wird bei dem Schritt 2.V der Zeitpunkt T₂ einer Herzbewegung anhand des ermittelten Empfangszeitpunkts T₂ des mechanischen Signals ermittelt. Bei dem Schritt 2.VI wird schließlich ein Auslösesignal (Triggersignal) generiert, mit dem ein bildgebendes System mit der Herzbewegung synchronisiert werden kann.
In 3 ist ein Ablaufschema für einen möglichen Ablauf gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 300 gezeigt. Es wird in einem Schritt 3.I ein elektrisches Signal, d. h. ein EKG-Signal, aufgenommen und verarbeitet. In einem Schritt 3.II wird das elektrische Signal als Merkmalssignal verwendet und es wird beispielsweise die R-Zackenposition prospektiv extrahiert, d. h. es wird ein internes Triggersignal mit nur kleinem Versatz im Bereich weniger Millisekunden zu einem Zeitpunkt T₀, dem Empfangszeitpunkt des EKG-Signals, generiert. Mit dem internen Triggersignal wird in einem Schritt 3.III ein Intervall I, auch als Zielkorridor oder Konfidenzintervall bezeichnet, für das mechanische Signal festgelegt bzw. freigeschaltet, in dem das mechanische Signal bzw. dessen Merkmalssignal in einem Schritt 3.IV zu einem Zeitpunkt aufgenommen wird. Das Intervall I kann zum Beispiel zu einem ersten Zeitpunkt T₁ beginnen und bis zu einem Endpunkt T₄ (siehe 4) verlaufen. Das empfangene Signal wird in einem Schritt 3.V mit einem Schwellwert SW verglichen. Wird der Schwellwert beispielsweise zu einem Zeitpunkt T₂ überschritten, was in der 3 mit „j“ gekennzeichnet ist, so wird in dem Schritt 3.VI ein Auslösesignal bzw. Triggersignal ausgegeben, das von einem bildgebenden System bei der Bildaufnahme berücksichtigt werden kann und einen Zeitpunkt T₃ einer Herzbewegung kennzeichnet. Wird der Schwellwert in dem gesamten Intervall I, d. h. bis zu dem Endzeitpunkt T₄ des Intervalls I nicht überschritten, was in der 3 mit „n“ gekennzeichnet ist, so kann in einem Schritt 3.VII beispielsweise ein Auslösesignal zu einem definierten Zeitpunkt T₅ nach der elektrischen Erregung, d. h. nach dem Zeitpunkt T₀ abgegeben werden. Dieser definierte Zeitpunkt T₅ kann aus der Historie des Versatzes zwischen der elektrischen und der mechanischen Erregung abgeleitet werden. Mit anderen Worten kann ein statistisch ermittelter Erwartungswert für den Versatz zwischen elektrischer und mechanischer Erregung vorab bekannt sein, der bei dem Schritt 3.VII verwendet wird. Wird also statt lediglich eines ersten Zeitpunkts T₁, nach dem das mechanische Signal erwartet wird, ein Konfidenzintervall festgelegt, kann, falls in dem Konfidenzintervall kein Auslösesignal erzeugt wird, einfach anschließend ein Ersatzauslösesignal erzeugt werden, welches zu einem festgelegten Zeitpunkt ausgesandt wird.
Das elektrische Signal kann beispielsweise durch ein klassisches Oberflächen-EKG erzeugt werden. Alternativ können auch kapazitive Sensoren beispielsweise an der Brust oder am Rücken des Patienten zum Einsatz kommen. Das mechanische Signal kann beispielsweise durch einen ballistokardiographischen Sensor generiert werden. Dieser kann zum Beispiel durch eine Matte mit piezoelektrisch aktiven Materialien realisiert sein. Alternativ können auch Herztöne durch ein Mikrofon detektiert werden. Dabei wird zum Beispiel der S2-Ton verwendet. Es besteht auch die Möglichkeit, die Herzbewegung durch ein optisch gewonnenes Signal durch Reflektions-Pulsplethysmographie zu gewinnen. Schließlich ist es auch möglich, Radar einzusetzen, um entweder die Bewegung der Körperoberfläche oder ein Tiefensignal der Herzbewegung zu messen.
4 veranschaulicht die zeitliche Abfolge des Verfahrens zur Ermittlung des Zeitpunkts einer Herzbewegung. Es sind sowohl ein EKG-Signal ES als auch ein mechanisches Signal MS übereinander eingezeichnet. Weiterhin ist der Zeitpunkt T₀ der Erregung des Herzens, beispielsweise durch ein Maximum eines EKG-Signals, d. h. die R-Zacke, charakterisiert, eingezeichnet. Zudem ist der erste Zeitpunkt T₁, bei dem das Intervall I beginnt, markiert. Der Empfangszeitpunkt T₂ des mechanischen Signals, bei dem das mechanische Signal beispielsweise sein Maximum erreicht oder auch einen vordefinierten Schwellwert SW überschreitet, ist ebenfalls eingezeichnet. Ferner ist das Konfidenzintervall I mit dem Anfangszeitpunkt T₁ und dem Endzeitpunkt T₄ eingezeichnet, in dem das mechanische Signal MS erwartet wird. Zudem ist der ermittelte Zeitpunkt T₃ einer Herzbewegung, der in Abhängigkeit von dem Zeitpunkt T₂ des mechanischen Signals detektiert wurde, eingezeichnet. Schließlich ist auch ein Zeitpunkt T₅ zu sehen, zu dem ein Triggersignal ersatzweise geschaltet werden kann, falls in dem Intervall I kein mechanisches Signal MS empfangen wurde.
In 5 ist ein EKG-Signal graphisch veranschaulicht. Das EKG-Signal gibt Informationen bezüglich der elektrischen Erregung des Herzmuskels. Die Erregung geht im Normalfall vom Sinusknoten aus. Über ein herzeigenes elektrisches Leitungssystem aus spezialisierten Herzmuskelzellen läuft die Erregung zu den übrigen Herzmuskelzellen. Diese elektrischen Spannungsänderungen am Herzen kann man an der Körperoberfläche messen und, wie in 5 gezeigt, im Zeitverlauf aufzeichnen. Es ist ein wiederkehrendes Bild der elektrischen Herztätigkeit zu erkennen. Dabei zeigt das Oberflächen-EKG lediglich die elektrische Aktivität des Herzmuskels an, nicht jedoch die tatsächliche mechanische Herzbewegung oder die tatsächliche Auswurfleistung des Herzens in Abhängigkeit von der Zeit. Die einzelnen periodisch wiederkehrenden Signalabschnitte umfassen eine P-Welle, einen QRS-Komplex, der der Herzkammererregung entspricht, mit einem ersten negativen Ausschlag Q, einem ersten sehr ausgeprägten positiven Ausschlag R, auch R-Zacke genannt, sowie einem negativen Ausschlag S, der auf die R-Zacke folgt. Weiterhin umfasst der Signalabschnitt eine T-Welle, welche die Erregungsrückbildung der Kammer anzeigt und in der Regel den periodisch wiederkehrenden Signalabschnitt abschließt. Schließlich kann der Signalabschnitt auch mit einer U-Welle beendet werden, falls beispielsweise Nachschwankungen bei der Kammererregungsrückbildung, beispielsweise durch Elektrolytstörungen auftreten. Für eine Signalgebung ist insbesondere die ausgeprägte R-Zacke von Interesse, welche auch gemäß einem Ausführungsbeispiel als internes Auslösesignal für das Festlegen eines Intervalls bzw. eines Zielkorridors für das mechanische Signal Verwendung findet.
6 veranschaulicht das dazugehörige ballistographische Signal (BKG), also ein Signal, das die mechanische Herzbewegung anzeigt. Genauer gesagt registriert das Ballistokardiogramm oszillatorische Körperbewegungen, welche durch die mechanische Aktivität des Herzens und des zirkulierenden Blutes hervorgerufen werden. Die im Ballistokardiogramm erkennbaren Zacken entstehen dabei zum Teil durch den mit der Blutaustreibung zusammenhängenden Rückstoß, welcher der Blutmenge und der dem Blut mitgeteilten Beschleunigung proportional ist. Zum Teil sind die Zacken aber auch auf die Verlangsamung der Blutströmungsgeschwindigkeit in der Aorta und auf den Anprall des Blutes an den Krümmungen der Aorta und der Pulmonalarterie sowie an den Teilungs- und Abgangsstellen dieser Gefäße zurückzuführen. Das Ballistokardiogramm weist ebenfalls charakteristische Zacken auf. Es sind die systolischen H-, I-, J- und K-Zacken sowie die diastolischen L-, M- und N-Zacken. Die erste Kammerzacke ist die H-Zacke, welche nach aufwärts gerichtet ist und durch eine kranialwärts wirkende Körperbewegung hervorgerufen wird. Sie beginnt etwa 0,02s bis 0,03s nach dem Beginn des QRS-Komplexes im Elektrokardiogramm. Die I-Zacke wird durch den Rückstoß während der Kammeraustreibungsperiode hervorgerufen. Die J-Zacke ist auf den Anprall des von den Kammern ausgeworfenen Blutes an den Krümmungen der Aorta und der Pulmonalarterie zurückzuführen. Bei gesunden Menschen ist die J-Zacke meist die dominierende Zacke des Ballistokardiogramms. Die durchschnittliche Höhe der I-Zacke beträgt normalerweis die Hälfte von jener der J-Zacke. Die K-Zacke ist mit dem Anprall der Blutsäule an den peripheren Widerstand der herzfernen Gefäße verbunden. Sie wird durch die Verlangsamung der Blutströmung in der absteigenden Aorta und an der Bifurkation der Abdominalaorta hervorgerufen. Die diastolischen Zacken L, M und N treten während der Erschlaffung des Herzens und während der Füllung der Kammern auf. Allerdings sind die üblicherweise aufgezeichneten graphischen Darstellungen eines Ballistokardiogramms deutlich uneindeutiger als in der 6 gezeigt (siehe auch 7).
7 zeigt ein Signal 71 eines Elektrokardiogramms und zum Vergleich eine Vielzahl von unterschiedlichen auf mechanischen Messungen basierenden Signalen. Das Signal 72 ist ein Referenz-PPG-Signal (PPG = Photopletysmogramm) einer Pulswelle, die am Ohr eines Patienten gemessen wird. Das Signal 73 ist ein PPG am Rücken eines Patienten, das die Pulswelle des durch den Rücken fließenden Blutes oberflächlich misst. Das Signal 74 ist ein PCG-Signal (PCG = Phonokardiogramm) am Rücken des Patienten, das die Schallschnelle, genauer gesagt, den S1-Ton misst. Das Signal 75 ist ebenfalls ein PCG-Signal am Rücken des Patienten, das die Schallschnelle, genauer gesagt, den S2-Ton misst. Das Signal 76 ist ein Referenz-Atemsignal, das beispielsweise mit einem Drucksensor gemessen wird. Das Signal 77 ist ein cECG-Signal (kapazitives Elektrokardiogramm) am Rücken des Patienten, wobei die elektrische Erregung des Herzens, genauer gesagt der QRS-Komplex bzw. die R-Zacke (eingekreist) gemessen wird. Das Signal 78 ist ein BCG-Signal (BCG = BKG = Ballistokardiogramm), das die Druckschnelle bzw. den Druck an der Oberfläche des Rückens des Patienten misst. Eingekreist ist hier die M-Zacke.
Wird nun das BKG, wie in 7 gezeigt, zum Beispiel durch Ableitung und Filterung in ein bzw. mehrere Merkmalssignale transformiert, so sind entweder kaum ausgeprägte Maxima zu erkennen, wie zum Beispiel bei den Signalen 72 und 73, oder aber mehrere Maxima in der Signalaufzeichnung zu erkennen, wie das beispielsweise bei den Signalen 74 und 75 sowie 78 zu erkennen ist. Die verschiedenen aufeinanderfolgenden Maxima entsprechen verschiedenen Signalanteilen, beispielsweise der K- L- oder M-Zacke eines die mechanische Erregung des Herzens kennzeichnenden Signals, beispielsweise eines BKGs. Es besteht also ein Problem, dass die einzelnen den entsprechenden Herzbewegungen bzw. mit einer Druckänderung in den Blutgefäßen um das Herz herum einhergehenden Signale sich auch durch eine Filterung, beispielsweise mit einem Referenzsignal, nicht vollständig separieren lassen, so dass auch nach der Filterung der mechanischen Signale eine genaue Zuordnung der Maxima zu einem bestimmten Bewegungsvorgang des Herzens nur schwer möglich ist. Bei alleiniger Verwendung eines BKG-Signals als Basis eines Auslösesignals für die Ansteuerung bzw. Triggerung eines bildgebenden Systeme ergäbe sich daher eine hohe Standardabweichung des Versatzes bzw. des Zeitintervalls zwischen dem Maximum des mechanischen Signals und dem Maximum des elektrischen Signals, wie es in 8 zu sehen ist. In 8 ist die absolute Häufigkeit AH der Abweichung des Versatzes über die Abweichung Abw von der Referenz in Millisekunden aufgetragen. Das Auftreten dieser Abweichung rührt daher, dass bei der Erfassung des die mechanische Erregung des Herzens kennzeichnenden Signals nicht immer das „richtige“ Signal, beispielsweise die M-Zacke detektiert wird, sondern in vielen Fällen auch ein benachbartes Signal bzw. das Maximum eines zeitlich benachbarten Signals. Dies trifft insbesondere dann häufig zu, wenn die Maxima der zeitlich benachbarten Signale sehr nahe beieinander liegen und zudem entweder nur sehr schwach ausgeprägt sind oder zumindest einen ähnlichen Amplitudenwert aufweisen. Aus diesem Grund wird als Hilfssignal beispielsweise die R-Zacke des EKGs verwendet, da die zeitliche Relation zwischen der R-Zacke im EKG und beispielsweise der M-Zacke im BKG innerhalb gegebener Schranken bekannt und konstant ist. Das Hilfssignal wird derart genutzt, dass beispielsweise ein Zeitraum, auch Zielkorridor bzw. Konfidenzintervall genannt, festgelegt wird, in dem das mechanische Signal erwartet wird. Damit werden Maxima bzw. allgemein Signalwerte, die außerhalb des Zielkorridors liegen, vorab aus der Signalmessung des mechanischen Signals ausgeschlossen und zudem eine gewisse Mindestgenauigkeit bei der Bestimmung des Zeitintervalls zwischen der R-Zacke und der Herzbewegung gewährleistet. Auf diese Weise kann durch die Nutzung der Informationen aus dem EKG eine Segmentierung des BKGs realisiert werden. Durch das Festlegen des Zielkorridors für das mechanische Signal werden in jedem Fall zu große Abweichungen des mechanischen Signals aufgrund anderer Signalanteile des mechanischen Signals verhindert. Somit wird eine größere Genauigkeit der Bestimmung des Zeitpunkts einer Herzbewegung im Vergleich zu der reinen Anwendung eines mechanischen Signals für die Bestimmung des Zeitpunkts der Herzbewegung erreicht. Wie bereits oben erwähnt, kann statt eines Zielkorridors auch lediglich ein Zeitpunkt festgelegt werden, nach dem das mechanische Signal erwartet wird.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Merkmale sämtlicher Ausführungsbeispiele oder in Figuren offenbarter Weiterbildungen in beliebiger Kombination verwendet werden können.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den zuvor beschriebenen detaillierten Verfahren und Aufbauten um Ausführungsbeispiele handelt und dass das Grundprinzip auch in weiten Bereichen vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. So kann beispielsweise die Vorrichtung 15, anstatt separat realisiert zu sein, auch als Komponente des Bildrechners 13 bzw. zusätzlich als auf dem Bildrechner 13 laufendes Computerprogramm ausgebildet sein. Ebenso könnte die Vorrichtung 15 auch auf einem separaten Rechensystem realisiert sein, welches beispielsweise über ein Netzwerk mit dem bildgebenden System 1 verbunden ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims

Verfahren (200) zum Ermitteln eines Zeitpunktes einer Herzbewegung und zum Triggern eines bildgebenden Systems (1), aufweisend die Schritte: - Empfangen eines eine Herzbewegung anzeigenden EKG-Signals (ES), - Festlegen eines ersten Zeitpunkts (T₁), nach dem ein die Herzbewegung anzeigendes mechanisches Signal (MS) voraussichtlich empfangen wird, in Abhängigkeit von dem empfangenen EKG-Signal (ES), - Empfangen eines mechanischen Signals (MS) nach dem ersten Zeitpunkt (T₁), - Ermitteln eines Empfangszeitpunkts (T₂) des mechanischen Signals (MS), - Ermitteln eines Zeitpunkts (T₃) einer Herzbewegung anhand des ermittelten Empfangszeitpunkts (T₂) des mechanischen Signals (MS) und - Triggern des bildgebenden Systems (1) in Abhängigkeit von dem ermittelten Zeitpunkt der Herzbewegung.
Verfahren (300) nach Anspruch 1, wobei anstatt eines ersten Zeitpunkts (T₁)ein Zeitintervall (I), in dem ein die Herzbewegung anzeigendes mechanisches Signal (MS) voraussichtlich empfangen wird, in Abhängigkeit von dem empfangenen EKG-Signal (ES) festgelegt wird und das mechanische Signal (MS) in dem festgelegten Zeitintervall (I) empfangen wird.
Verfahren (200, 300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das empfangene mechanische Signal (MS) abgeleitet und gefiltert wird.
Verfahren (200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mechanische Signal (MS) mit einem Drucksensor empfangen wird.
Verfahren (200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das EKG-Signal (ES) mit einem kapazitiven Sensor empfangen wird.
Verfahren (200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Empfangszeitpunkt (T₂) der Zeitpunkt ermittelt wird, in dem die Amplitude des mechanischen Signals (MS) einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.
Verfahren (200, 300) nach Anspruch 6, wobei der Schwellwert in Abhängigkeit von einer zu erwartenden maximalen Amplitude eines M-Signals festgelegt wird.
Vorrichtung (15) zum Ermitteln eines Zeitpunktes einer Herzbewegung und zum Triggern eines bildgebenden Systems (1), wobei die Vorrichtung (15) - eine erste Empfangseinrichtung (16), welche dazu eingerichtet ist, ein eine Herzbewegung anzeigendes EKG-Signal (ES) zu empfangen, - eine Terminierungseinrichtung (17), welche dazu eingerichtet ist, einen ersten Zeitpunkt (T₁), nach dem ein die Herzbewegung anzeigendes mechanisches Signal (MS) voraussichtlich empfangen wird, in Abhängigkeit von dem empfangenen EKG-Signal (ES) festzulegen, - eine zweite Empfangseinrichtung (18), die dazu eingerichtet ist, ein mechanisches Signal (MS) nach dem ersten Zeitpunkt (T₁) zu empfangen, und - eine Auswertungseinrichtung (19), die dazu eingerichtet ist, einen Empfangszeitpunkt (T₂) des mechanischen Signals zu ermitteln und den Zeitpunkt (T₃) einer Herzbewegung anhand des ermittelten Empfangszeitpunkts (T₂) des mechanischen Signals zu ermitteln, aufweist und dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Terminierungseinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, anstatt eines ersten Zeitpunkts (T₁) ein Zeitintervall (I), in dem ein die Herzbewegung anzeigendes mechanisches Signal (MS) voraussichtlich empfangen wird, in Abhängigkeit von dem empfangenen EKG-Signal (ES) festzulegen, und die zweite Empfangseinrichtung (18) dazu eingerichtet ist, ein mechanisches Signal (MS) in dem Zeitintervall (I) zu empfangen.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Auswertungseinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, das empfangene mechanische Signal (MS) abzuleiten und zu filtern.
Vorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Auswertungseinrichtung (19) dazu eingerichtet ist, den Empfangszeitpunkt als den Zeitpunkt zu ermitteln, in dem die Amplitude des mechanischen Signals (MS) einen vorbestimmten Schwellwert (SW) übersteigt.
Bildgebendes System (1), aufweisend eine Vorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 8 bis 11.
Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Vorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 8 bis 11 ladbar ist, mit Programmcodeabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen, wenn das Programm in der Vorrichtung (15) ausgeführt wird.