DE102017117022A1

DE102017117022A1 - Verfahren und Einrichtung zur Untersuchung von Blutflussmustern in den Blutgefäßen eines Patienten sowie Computerprogramm

Info

Publication number: DE102017117022A1
Application number: DE102017117022.7A
Authority: DE
Inventors: Dominik Daniel Gabbert
Original assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Current assignee: Christian Albrechts Universitaet Kiel
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-01-24
Also published as: US20200383587A1; WO2019016210A1; EP3655792A1

Abstract

Es wird eine Technik zur Untersuchung von Blutflussmustern in den Blutgefäßen eines Patienten (1) bereitgestellt, wobei die Technik folgende Merkmale aufweist: Erfassen von Rohdaten einer zeitlich und räumlich aufgelösten MRT-Phasenkontrastmessung des kardiovaskulären Systems eines Patienten oder Teilen davon (1) oder Einlesen solcher Daten oder daraus bestimmter Daten über eine Eingangsschnittstelle (3) und Berechnen von wenigstens einer das Blutflussmuster quantifizierenden primären Größe; Durchführen von multiplanaren Rekonstruktionen auf der Grundlage von wenigstens einer berechneten primären Größe entlang eines festgelegten Pfades (9), welcher den Verlauf eines Blutgefäßes des Patienten (1) wiedergibt, um eine örtliche Verteilung der wenigstens einen primären Größen im Gefäßquerschnitt zu erlangen; und Berechnen und Ausgeben wenigstens einer das Blutflussmuster quantifizierenden sekundären Größe als Funktion der Position entlang des Gefäßverlaufes auf der Grundlage der wenigstens einen primären Größe nach Durchführung der multiplanaren Rekonstruktionen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Quantifizierung strömungsdynamischer Eigenschaften des Blutflusses eines Patienten durch die Blutgefäße gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie eine Einrichtung, die ebenfalls zur Durchführung eines solchen Verfahrens eingerichtet ist.
Die Erfindung baut auf einer speziellen MRT-Technik auf. Der Kurzbegriff „MRT“ steht für Magnetresonanztomographie, auch als Kernspintomographie bezeichnet, und wird insbesondere auch für die klinische Untersuchung von kardiovaskulären Erkrankungen eingesetzt. Im Gegensatz zu Computertomographieuntersuchungen können in einer MRT-Untersuchung vielfältige Eigenschaften von Gewebe und Blut durch Kontraste hervorgehoben werden. Unter anderem lassen sich Blutflüsse messen und durch Grau- oder Farbwerte darstellen. Die Technik zur Messung von Blutflüssen wird als Phasenkontrast bezeichnet. Zur Messung des Blutflusses durch ein Gefäß sind konventionelle Phasenkontrastmessungen, d. h. zeitlich aufgelöste 2D-Phasenkontrastmessungen, inzwischen zum festen Bestandteil von kardiovaskulären MRT-Untersuchungen geworden. Die Messung erfolgt dabei in einer Ebene, welche vom Untersucher während der Untersuchung orthogonal zur Orientierung des Gefäßes (Querschnittsebene) anguliert werden muss. An jedem Bildpunkt wird dabei die Komponente der Blutflussgeschwindigkeit gemessen, welche orthogonal auf der Ebene steht. Mit Hilfe einer Analyse-Software wird das Gefäß in der gemessenen Ebene durch eine Kontur selektiert und zeitaufgelöste, flächenbezogene Größen können bestimmt werden. Unter flächenbezogene Größen werden Größen verstanden, dessen Ermittlung eine mathematische Operation über eine Fläche erfordern. Typische Beispiele dafür sind Fluss, welcher das Blutvolumen pro Zeiteinheit angibt, der durch den Gefäßquerschnitt fließt, mittlere Blutflussgeschwindigkeit, Maximalgeschwindigkeit innerhalb der Querschnittsebene zu jedem Zeitpunkt sowie Exzentrizität.
Eine bekannte Erweiterung der Phasenkontrast-Technik ermöglicht die zeitlich und räumlich („4Dflow“) aufgelöste Messung von Blutflussgeschwindigkeitsvektoren v in einem Volumen, welches in dreidimensionale Bildpunkte (Voxel) zerlegt ist. Durch diese Erweiterung ergibt sich die zusätzliche Möglichkeit, komplexe Flussmuster zu charakterisieren und durch Flussgrößen zu quantifizieren. Mit dem Begriff ,komplex‘ ist nicht der mathematischen Begriff gemeint, sondern in Abgrenzung zu den flächenbezogenen Größen die weniger elementare Eigenschaft von Flussmustern, welche sich bei Betrachtung des räumlichen Flussvektors in einem Volumen zeigen können. Unter komplexen Flussgrößen werden daher den Blutfluss charakterisierende Größen verstanden, dessen Berechnung eine mathematische Operation über ein Volumen erfordert und/oder dessen Berechnung von allen drei räumlichen Richtungen abhängt. Es können des Weiteren flächenbezogene Größen auch aus 4DFlow-Messungen gewonnen werden. In Tabelle 1 werden alle in dieser Erfindung genannten Variablen definiert.
Die Erweiterung der Phasenkontrast-Technik zu 4DFlow und die dadurch entstehende Zunahme an potentiellen Größen, mit denen der Blutfluss charakterisiert werden kann, hat einen durch keine bekannte Technik gedeckten Bedarf an einer systematischen Quantifizierung geschaffen. Die Frage etwa, ob und wie stark Turbulenzen an welcher longitudinalen Position im Gefäßverlauf zunehmen oder abnehmen, welche sich zur Beurteilung von chirurgischen Korrekturen oder zu deren Planung stellt, kann bisher nicht hinreichend beantwortet werden. Die klinische Bedeutung von Turbulenzen ist in zahlreichen Studien belegt. Auf der Grundlage von 4DFlow-Messungen wurden bereits in Studien Formeln zur Berechnung von turbulenter Energie und turbulenter Energiedichte einzelner Voxel vorgeschlagen und inzwischen umfangreich validiert, jedoch fehlte bisher eine systematische, statistisch auswertbare Methode zur Quantifizierung von Turbulenzen im Gefäßverlauf. Ähnlich sind auch die Möglichkeiten, andere komplexe Flussmuster zu einem strömungsdynamischen Verständnis des betreffenden Patienten heranzuziehen, wie z. B. die Stärke des helikalen Strömungsverlaufes, welche durch die Helizität $H = \int_{v} v \cdot (\nabla \times v) d V$
quantifiziert werden kann, bei weitem nicht ausgeschöpft. Denn auch zur Bestimmung der Helizität ist bisher keine Methode bekannt, welche ohne arbiträre Vorgabe von meist großen Gefäßabschnitten auskommt und eine systematische, hochaufgelöste Quantifizierung im Gefäßverlauf mit Hilfe von multiplanren Rekonstruktionen liefert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Quantifizierungspotentiale von mittels 4D-Phasenkontrast-MRT-Messungen erfassten Rohdaten zur umfangreichen, dabei aber einheitlichen strömungsdynamischen Beurteilung von Blutgefäßen auszuschöpfen und neue klinische Diagnosemöglichkeiten zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung strömungsdynamischer Flussgrößen des Blutflusses im Verlauf eines Blutgefäßes eines Patienten mit folgenden Merkmalen:

a) Erfassen von Rohdaten, d. h. von Daten, die noch nicht bezüglich des gewünschten Kontrastes interpretiert worden sind, einer zeitlich und räumlich aufgelösten MRT-Phasenkontrastmessung (Messung von Blutflussmustern im dreidimensionalen Raum) des kardiovaskulären Systems eines Patienten oder Teilen davon (1) oder Einlesen solcher Rohdaten und/oder daraus bestimmter, Kontraste wiedergebenden, Daten, über eine Eingangsschnittstelle (3), und berechnen von wenigstens einer das Blutflussmuster quantifizierenden primären Größe;
b) Durchführen von multiplanaren Rekonstruktionen auf der Grundlage der wenigstens einen in Verfahrensschritt (b) berechneten primären Größe entlang eines festgelegten Pfades, welcher den Verlauf eines Blutgefäßes des Patienten wiedergibt, um eine örtliche Verteilung der wenigstens einen primären Größen im Gefäßquerschnitt zu erlangen;
c) Berechnen und Ausgeben wenigstens einer das Blutflussmuster quantifizierenden sekundären Größe des Blutflusses als Funktion der Position entlang des Gefäßverlaufes auf der Grundlage der wenigstens einen primären Größe nach Durchführung der multiplanaren Rekonstruktionen.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Durchführung von multiplanaren Rekonstruktionen auf der Grundlage von wenigstens einer der in Verfahrensschritt (b) gewonnenen primären Größe entlang eines festgelegten Pfades, und somit nicht auf klassische Weise auf der Grundlage von Material- oder Gewebseigenschaften, wie beispielsweise dem Absorptionsspektrum bei der Computertomographie oder Signalzerfallszeiten bei MRT.
Die Erfindung erlaubt mit einfachen und kostengünstigen Mitteln eine erhebliche Erweiterung der Untersuchungsmöglichkeiten mittels MRT und verbesserte Diagnosen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die ohnehin vorhandenen MRT-Daten oder daraus bestimmte Daten in der oben genannten Weise weiter verarbeitet werden, um daraus strömungsdynamische Flussgrößen in statistisch und klinisch auswertbarer Form, d. h. als Funktion der longitudinalen Position entlang des Gefäßverlaufes und des Zeitpunktes entsprechend Anspruch 2, zu ermitteln. So können wertvolle und klinisch hochrelevante Parameter berücksichtigt werden, die die Möglichkeit der Erstellung von Diagnosen und der Planung sowie Beurteilung von chirurgischen Eingriffen deutlich verbessern. Besonders hervorzuheben ist, dass die Erfindung den Arbeitsaufwand für die Auswertung von strömungsdynamischen Größen verringert, da eine hohe Anzahl strömungsdynamischer Flussgrößen parallel berechnet werden kann. Mit parallel ist gemeint, dass die Berechnung keiner dieser Flussgrößen spezifische Benutzervorgaben erfordert sondern alle Flussgrößen in einem Workflow auf der Grundlage allgemeiner Benutzervorgaben einheitlich berechnet werden können.
Die multiplanare Rekonstruktion, die auch als multiplanare Reformatierung (oder Reformation) oder abgekürzt MPR bezeichnet wird, ist ein Verfahren zur zweidimensionalen Bildrekonstruktion in Ebenen. Die Position einer solchen Ebene wird dafür mit einer beliebigen Ausrichtung vorgegeben und die in den dreidimensionalen Bildpunkten (Voxeln) in der Umgebung der Ebene gemessenen Bilddaten werden auf die Ebene projiziert. Mit dieser Technik lassen sich die ursprünglich gemessenen Bildstapel mit der durch die Messung vorgegebenen Ausrichtung in Bildstapel mit beliebiger neuer Ausrichtung umrechnen. Die Technik wird traditionell bei CT-Untersuchungen eingesetzt. Sie erfordert das einmalige Messen eines Volumens in guter räumlicher Auflösung in beliebiger Ausrichtung des Bildstapels und erlaubt auf der Grundlage dieser Messung die Berechnung eines neuen Bildstapels mit beliebiger anderer Ausrichtung. Z. B. genügt die Messung der Schichten entlang der Körperachse (axialer Bildstapel) eines Patienten, um daraus coronale (etwa parallel zur Bauchdecke, Blick von vorne auf den Patienten) oder sagittale Bildstapel (Blick von der Seite auf den Patienten) zu berechnen oder beliebige andere Bildstapel. Multiplanare Rekonstruktionen können durchgeführt werden entlang einer Achse oder eines gekrümmten Pfades. Die Ebenen sind jeweils orthogonal zu der Achse oder dem gekrümmten Pfad orientiert. Der festgelegte Pfad kann dabei bspw. manuell vom Anwender vorgegeben werden oder automatisch nach vorgegebenen Kriterien berechnet werden. Multiplanare Rekonstruktionen werden üblicherweise auf die gemessenen, Material- oder Gewebseigenschaften darstellenden Bildkontraste angewendet.
In dieser Erfindung wird die Technik der multiplanaren Rekonstruktion auf neue Weise eingesetzt, nämlich erstmals auf der Grundlage von ausgewählten primären, das Blutflussmuster quantifizierende Größen, welche zur Quantifizierung von Wirbeln voxelweise vorab berechnet werden und nach Durchführung der muliplanaren Rekonstruktionen zur Berechnung der sekundären, in Ansprüchen 5 und 7 genannten, Flussgrößen dienen: die Wirbelstärke, welche die Stärke von Wirbeln quantifiziert, die in ihren Maßen oberhalb der Größenordnung eines Voxels liegen, und die turbulente kinetische Energiedichte, welche die Energiedichte von Wirbeln innerhalb eines Voxels quantifiziert, die am Ende einer Kaskade in Wärme dissipiert und der Strömungsenergie verloren geht sowie optional weitere (voxelweise) Größen. Die multiplanaren Rekonstruktionen werden entlang des Gefäßverlaufes durchgeführt und liefern zunächst zu jeder Position des Gefäßverlaufes die Werte der primären Größen im Gefäßquerschnitt. Die multiplanaren Rekonstruktionen werden nach Anspruch 3 kontinuierlich durchgeführt. Der Begriff ,kontinuierlich‘ bezeichnet einen räumlichen Abstand der multiplanaren Rekonstruktionen entlang des Pfades (Zentrallinie), welcher gering genug gewählt wird, um den strömungsdynamischen Verlauf im Gefäß zu erfassen. Da nach diesem Kriterium oft auch die Voxelgröße der Messung gewählt wird (meist in der Größenordnung von 1.5-2.5 mm), sollten in diesem Fall die Abstände in der Größenordnung der Voxelgröße gewählt werden. Geringere Abstände erhöhen nicht den Informationsgehalt des Ergebnisses. Der Begriff ,kontinuierlich‘ betont den automatischen Charakter der Methode sowie die vollständige, nicht stichprobenhafte Bestimmung von Flussgrößen und dient als Abgrenzung zur manuellen Vorgabe von Einzelpositionen.
Durch eine kontinuierliche Durchführung der multiplanaren Rekonstruktionen über das gesamte Gefäß oder zumindest einen Teilabschnitt des Gefäßes können medizinisch relevante Eigenschaften des Blutflusses quantifiziert werden, die durch das manuelle Festlegen von Messpositionen übersehen werden könnten. Beispielsweise kann es beim manuellen Festlegen von Positionen vorkommen, dass von den zu bestimmenden Größen nicht die Maximal- oder Minimalwerte erfasst werden. Durch die kontinuierliche Durchführung der multiplanaren Rekonstruktionen entlang des festgelegten Pfades des Gefäßes werden solche Nachteile vermieden.
Der Pfad zur Berechnung der multiplanaren Rekonstruktionen im Verlauf eines Gefäßes wird durch eine Zentrallinie repräsentiert, die bestimmt wird, indem entweder

a) manuell festgelegte Positionsmarken in der Mitte des jeweiligen Gefäßquerschnittes durch eine geglättete Kurve miteinander verbunden werden. oder
b) semi-automatische oder automatische Methoden der Zentrallinienerkennung verwendet werden.

Nach Durchführung der multiplanaren Rekonstruktionen nach Verfahrensschritt b des Anspruchs 1 liegen zunächst die primären strömungsdynamischen Größen (z. B. entsprechend der Ansprüche 4 und 6 der Wirbelstärkenvektor, die turbulente kinetische Energiedichte und der Geschwindigkeitsvektor) in den Querschnittsebenen vor und dienen in Verfahrensschritt c des Anspruchs 1 der Berechnung von sekundären strömungsdynamischen Größen. Nach Anspruch 6 werden die multiplanaren Rekonstruktionen in einem multidimensionalen Raum einmal für alle primären Größen durchgeführt. Der multidimensionale Raum ergibt sich aus den primären Größen. ,Einmal für alle primäre Größen‘ bedeutet, dass die multiplanaren Rekonstruktionen nicht für jede der primären Größen separat durchgeführt werden, sondern zur Einsparung von Rechenzeit in einem einzigen Rechenvorgang. Automatische und/oder semiautomatische Segmentierungstechniken können eingesetzt werden, um das Gefäßvolumen von umgebendem Gewebe abzugrenzen und die Berechnung auf das Gefäßvolumen einzuschränken. Als Ergebnis einer so beschaffenen Ausführung der Erfindung können sämtliche in Anspruch 7 genannten strömungsdynamischen Größen parallel berechnet werden und liegen im Ergebnis systematisch vor als Funktion der longitudinalen Position entlang des Gefäßverlaufes und ggf. entsprechend Anspruch 2 der Zeit: die auf den Gefäßquerschnitt oder einer entsprechenden Schicht bezogene (z. B. durch Mittelung gewonnene) turbulente kinetische Energiedichte, turbulente kinetische Energie, quadratisch gemittelte turbulente kinetische Energiedichte, Helizitätsdichte, Helizität, relative Helizitätsdichte, Zirkulationsrate, mittlere Wirbelstärke, mittlere Durchflussgeschwindigkeit, maximale Durchflussgeschwindigkeit, Blutdurchfluss (Volumen pro Zeit), Exzentrizität, lokale Krümmung des Gefäßverlaufes, lokale Torsion des Gefäßverlaufes, Größe des Gefäßquerschnittes (d. h. Fläche und/oder Äquivalentdurchmesser und/oder Äquivalentradius).
Aus der Verteilung der strömungsdynamischen Größen im Gefäßquerschnitt ergeben sich außerdem weitere abgeleitete Größen wie Maximalwerte, Minimalwerte, Standardabweichung sowie weitere Größen. Wegen des elementaren Charakters der in Verfahrensschritt (a) des Anspruchs 1 berechneten und in Verfahrensschritt (b) des Anspruchs 1 planar-rekonstruierten primären Größen, können mit dieser Methode beliebig viele neue sekundäre strömungsdynamische Größen eingeführt und untersucht werden, um beobachtete Strömungsmuster zu quantifizieren. Sekundäre Größen, die eine mathematische Operation über ein Volumen erfordern (z. B. Helizität), können gleichermaßen bestimmt werden wie Größen, die eine mathematische Operation über eine Fläche (wie z. B. Zirkulationsrate) erfordern, obwohl bei der multiplanaren Rekonstruktion Ebenen, d. h. Flächen, bestimmt werden. Da die multiplanaren Rekonstruktionen bei erfindungsgemäßer Anwendung in geringen Abständen durchgeführt werden, sind die Abstände zueinander als Schichtdicken zu interpretieren. Dieses Vorgehen erlaubt eine systematische Betrachtung von Größen mit unterschiedlicher Dimensionalität.
Seien Gefäßsegmentierung und die Zentrallinie zur erfindungsgemäßen Durchführung der multiplanaren Rekonstruktionen gegeben, so können geometrische Parameter errechnet werden wie z. B. Querschnittsfläche, Äquivalentdurchmesser, Krümmung, Torsion, Effektive Torsion (Produkt aus Krümmung und Torsion). Es sind keine weiteren Vorgaben erforderlich. Die geometrischen Eigenschaften des Gefäßverlaufes (lokaler Krümmungsradius, lokale Torsion, lokale effektive Torsion) lassen sich aus der Zentrallinie berechnen. Die geometrischen Eigenschaften der Gefäßgröße (Querschnittsfläche, Äquivalentdurchmesser) lassen sich aus der Gefäßsegmentierung berechnen. Die Strömungsdynamik steht in Zusammenhang zu geometrischen Eigenschaften des Gefäßes. Die Erfindung erlaubt es ohne weitere Benutzervorgaben, diese Zusammenhänge zu quantifizieren.
Die Systematik der vorliegenden Ergebnisse eignet sich zur klinisch-statistischen Bewertung der Strömungsdynamik.
Die durch die Krümmung des Gefäßes hervorgerufene Verzerrung des Bildstapels nach Durchführung der MPR verhindert, dass beispielsweise die Wirbelstärke nach der unten angegebenen Formel ohne weiteres aus dem Geschwindigkeitsvektor errechnet werden kann. Würde eine kontinuierliche multiplanare Rekonstruktion ausschließlich auf Geschwindigkeitsvektoren als primäre Größe angewendet, so ließen sich sekundäre Flussgrößen, die von der Rotation des Geschwindigkeitsfeldes ∇ × v abhängen (mittlere Wirbelstärke, Zirkulationsrate, Helizitätsdichte, Helizität, relative Helizitätsdichte) wegen der krümmungsbedingten Verzerrung in Schritt c des Anspruchs 1 nicht aus den unten angegebenen Formeln berechnen. Daher wird die Wirbelstärke voxelweise errechnet, dann wird die MPR durchgeführt und dann werden die sekundäre Flussgrößen bezüglich der Ebene oder Schicht daraus errechnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei vorhandenen MRT-Anlagen eingesetzt werden, z. B. durch eine Software-Erweiterung oder durch eine zusätzliche Recheneinheit. Hierdurch ist der Implementierungsaufwand für die Erfindung gering. Eine Nachrüstung vorhandener Anlagen ist ohne weiteres möglich. Auch eine Offline-Auswertung der durch die MRT-Messungen gewonnenen Daten, unabhängig von Zeitpunkt der MRT-Messungen, ist ohne weiteres möglich.
Die Erfindung liefert somit eine technisch leicht realisierbare Lösung zur einheitlichen, systematischen, umfangreichen Bestimmung von sämtlichen relevanten Flussgrößen in einem einzigen Workflow zwecks klinischer Bewertung.
Die Strömungsdynamik mit einzelnen Größen zu beschreiben kann als Vereinfachung einer komplexen Struktur gewertet werden. Jedoch hat es sich in der Medizin bewährt, zwecks statistischer Analyse zur Festlegung von Kriterien für klinischer Entscheidungen, einfache Größen zu erheben. Um zugleich dem Anspruch der Vollständigkeit möglichst weitgehend gerecht zu werden, ist die Anzahl der betrachteten Größen und die verwendete räumliche Auflösung der Größen zwangsläufig hoch. Dies motiviert die beschriebene Erfindung.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens der zuvor erläuterten Art, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird. Der Rechner kann z. B. ein Mikroprozessor, ein handelsüblicher Computer, eine Recheneinheit einer MRT-Anlage oder jede andere Art von Rechner sein, die zur Ausführung von Computerprogrammen geeignet ist. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Einrichtung zur Bestimmung komplexer strömungsdynamischer Flussgrößen des Blutflusses in einem Blutgefäß mit folgenden Merkmalen:

a) eine Eingangsschnittstelle zum Einlesen der Rohdaten einer zeitlich und räumlich aufgelösten MRT-Phasenkontrastmessung des kardiovaskulären Systems eines Patienten oder Teilen davon oder daraus bestimmter Daten,
b) eine Recheneinheit, die eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens der zuvor erläuterten Art,
c) eine Ausgangsschnittstelle zum Ausgeben wenigstens einer komplexen strömungsdynamischen Flussgröße des Blutflusses durch das Gefäß anhand der Ergebnisse der kontinuierlich durchgeführten multiplanaren Rekonstruktionen.

Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Die Einrichtung kann eine MRT-Messeinrichtung aufweisen, die mit der Eingangsschnittstelle gekoppelt ist. Auf diese Weise können die durch MRT-Messungen erfassten Rohdaten oder daraus bestimmte Daten direkt über die Eingangsschnittstelle der Recheneinheit zugeführt werden. Die Recheneinheit kann eine Recheneinheit einer MRT-Anlage sein, die auch die MRT-Messeinrichtung aufweist. Die Recheneinheit kann auch eine separate Recheneinheit sein, was insbesondere bei der Offline-Auswertung der durch die MRT-Messungen gewonnenen Daten sinnvoll ist.
Die Ausgabe der wenigstens einen komplexen strömungsdynamischen Flussgröße kann eine Ausgabe auf einem anderen Gerät sein, z. B. eine grafische Ausgabe auf ein Bildanzeigegerät, oder eine Ausgabe über irgendeine Ausgangsschnittstelle an ein sonstiges anderes Gerät, z. B. zur Weiterverarbeitung der ausgegebenen Größe. Die Ausgabe kann auch eine interne Ausgabe der Größe an eine andere Komponente einer Recheneinheit oder an ein anderes Softwaremodul sein, in dem die Größe weiter verarbeitet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Einrichtung zur Bestimmung komplexer strömungsdynamischer Flussgrößen;
2 eine schematische Darstellung eines Blutgefäßes mit geometrischen und strömungsdynamischen Besonderheiten;
3 die schematische Darstellung von aus 2 gewonnenen vier sekundären Größen; und
4 weitere grafische Darstellungen von sekundären Größen.

Die in 1 in schematischer Darstellung dargestellte Einrichtung zur Bestimmung komplexer strömungsdynamischer Flussgrößen weist eine Rechnereinrichtung 4 mit einer Recheneinheit 7 (Prozessoreinheit) auf. Die Rechnereinrichtung 4 weist frerner einen Speicher auf oder ist mit einem Speicher verbunden, in dem ein Computerprogramm zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist. Das Verfahren wird von der Recheneinheit 7 ausgeführt. Die Recheneinrichtung 4 weist eine Eingangsschnittstelle 3 auf, über die die Recheneinrichtung 4 mit einer MRT-Anlage oder zumindest einer MRT-Messeinrichtung 2 gekoppelt ist. Mittels der MRT-Messeinrichtung 2 können durch Magnetresonanztomographie körperinterne Daten eines Patienten 1 erfasst werden, z. B. dessen Gefäße und darin strömende Flüssigkeiten. Die Recheneinrichtung 4 weist ferner eine Ausgangsschnittstelle 5 auf, an der weitere Geräte angeschlossen werden können. Beispielhaft ist dargestellt, dass an der Ausgangsschnittstelle 5 eine Anzeigeeinrichtung 6, z. B. in Form eines Bildanzeigegerätes, angeschlossen ist. Auf der Anzeigeeinrichtung 6 können die von der Recheneinrichtung 4 ermittelten komplexen strömungsdynamischen Flussgrößen sowie weitere Größen visuell ausgegeben werden, z. B. in Form von Diagrammen. Beispiele für Bilddarstellungen auf dem Bildanzeigegerät 6 zeigen die 2 bis 4.
In 2 ist zur Veranschaulichung ein Gefäßabschnitt des Patienten 1 schematisch dargestellt, welches sich vom Punkt A bis zum Punkt E erstreckt. Die gepunktete Linie 9 ist die Zentrallinie des Gefäßes. Exemplarisch für die kontinuierlich durchgeführten multiplanaren Rekonstruktionen ist eine Ebene dargestellt, welche orthogonal zur Zentrallinie 9 ausgerichtet ist. Der Gefäßverlauf ist in der Umgebung der Position B gekrümmt. Das Gefäß ist an Position C verengt und an Position D erweitert. An Position B zeigt der Blutfluss ein helikales Muster. An der Position D zeigt der Blutfluss Turbulenzen.
In 3 sind exemplarisch ausgewählte Ergebnisse von strömungsdynamischen und geometrischen Größen schematisch dargestellt, welche durch die Recheneinrichtung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens für den in 2 dargestellten Fall erhoben werden können. Auf der Abszisse ist die longitudinale Gefäßposition aufgetragen. In Diagramm (a) ist auf der Ordinate die Querschnittsfläche und in Diagramm (b) die turbulente kinetische Energiedichte (TKE) aufgetragen. Hohe turbulente Energie bedeutet ein Verlust an kinetischer Strömungsenergie. In Diagramm (c) ist auf der Ordinate die effektive Torsion (Produkt aus Krümmung und Torsion) und in Diagramm (d) die Helizität aufgetragen. Eine hohe Helizität beschreibt Strömungsmuster mit großer Rotation und Vorwärtsbewegung. Die im Diagramm (d) dargestellte Helizität ist positiv, d. h. das helikale Strömungsmuster entspricht der Windung einer rechtsgängigen Schraube. Die Systematik von Methode und Darstellung der Ergebnisse erlauben es, statistisch auswertbare Zusammenhänge zwischen Gefäßgeometrie und Strömungsdynamik aufzudecken und zu quantifizieren.

Es können auch gleichzeitig mehrere durch die Recheneinheit 4 aus den MRT-Daten bestimmte Größen ausgegeben werden, wie die 4 zeigt. Dort ist im Diagramm (a) die Zirkulation des Blutflusses im Gefäß dargestellt, im Diagramm (b) die Helizität des Blutflusses, im Diagramm (c) die relative Helizitätsdichte des Blutflusses, im Diagramm (d) die Geschwindigkeit des Blutflusses, im Diagramm (e) die Durchflussmenge des Blutflusses, im Diagramm (f) der Gefäßdurchmesser, im Diagramm (g) die Torsion des Gefäßes und im Diagramm (h) die turbulente kinetische Energie des Blutflusses, jeweils über die bereits anhand der 3 erwähnte Ortskoordinate im Gefäß 8. Jede der Flussgrößen wurde in 24 äquidistanten Phasen im Herzzyklus gemessen. In jedem der Diagramme sind die Kurven aller Phasen unterscheidbar dargestellt. Die beschriebene Erfindung liefert mit wenigen Benutzervorgaben klinisch relevante, hochaufgelöste Informationen zur umfangreichen und zugleich einfachen und systematischen Untersuchung des Blutflusses. Tabelle 1: Variablen und Formeln

i	=1, ..., n	Bildpunkte des Gefäßquerschnittes
j	=1, ..., 3	Raum richtungen
r_l		Ortsvektoren der Bildpunkte
v		Geschwindigkeitsvektor
ν		Geschwindigkeitsbetrag
ν^⊥		Orthogonale Geschwindigkeitskomponente
A		Querschnittsfläche
ρ		Dichte des Fluids
$v_{e n c}^{j}$		Geschwindigkeitsenkodierung in Richtung j
\|S\|		Signalmagnitude ohne Geschwindigkeitsenkodierung erster Ordnung
\|S_j\|		Signalmagnitude mit Geschwindigkeitsenkodierung in Richtung j
ω		= ∇ × v	Wirbelstärke
Γ		$= \int_{A} ω d A$	Zirkulationsrate
ω		$= \frac{\int_{A} ω d A}{A}$	mittlere Wirbelstärke
H_d		= v - ω	Helizitätsdichte
H		$= \int_{v} v \cdot ω d V$	Helizität
H_r		$= \frac{v \cdot ω}{\| v \| \cdot \| ω \|}$	Relative Helizitätsdichte
E		$= \frac{Σ_{i} r_{i} \| v_{i} \|}{Σ_{i} \| v_{i} \|} - \frac{Σ_{i} r_{i}}{n}$	Exzentrizität
TKE		$= ρ \sum_{j i = 1}^{3} v_{e n c}^{i j} l n (\frac{\| S \|}{\| S_{i} \|})$	Turbulente kinetische Energiedichte [1]

[1] Dyverfeldt, P., Sigfridsson, A., Kvitting, J.-P. E. and Ebbers, T. (2006), Quantification of intravoxel velocity standard deviation and turbulence intensity by generalizing phase-contrast MRI. Magn. Reson. Med., 56: 850-858. doi:10.1002/mrm.21022
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Dyverfeldt, P., Sigfridsson, A., Kvitting, J.-P. E. and Ebbers, T. (2006) [0031]

Claims

Verfahren zur Untersuchung von Blutflussmustern in einem Blutgefäß eines Patienten (1) mit folgenden Merkmalen: a) Erfassen der Rohdaten einer zeitlich und räumlich aufgelösten MRT-Phasenkontrastmessung des kardiovaskulären Systems eines Patienten oder Teilen davon (1) oder Einlesen solcher Rohdaten und/oder daraus bestimmter Daten über eine Eingangsschnittstelle (3), und Berechnen von wenigstens einer das Blutflussmuster quantifizierenden primären Größe; b) Durchführen von multiplanaren Rekonstruktionen auf der Grundlage der wenigstens einen in Verfahrensschritt (a) berechneten primären Größe entlang eines festgelegten Pfades (9), welcher den Verlauf eines Blutgefäßes des Patienten (1) wiedergibt, um eine örtliche Verteilung der wenigstens einen primären Größe im Gefäßquerschnitt zu erlangen; c) Berechnen und Ausgeben wenigstens einer das Blutflussmuster quantifizierenden sekundären Größe des Blutflusses als Funktion der Position entlang des Gefäßverlaufes auf der Grundlage der wenigstens einen primären Größe nach Durchführung der multiplanaren Rekonstruktionen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die sekundären Größen als Funktion der Zeit und der Position entlang des Gefäßverlaufes ausgegeben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die multiplanaren Rekonstruktionen kontinuierlich entlang des festgelegten Pfades durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine der primären Größen die Wirbelstärke ω oder die turbulente kinetische Energiedichte TKE ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Grundlage der wenigstens einen primären Größe nach Durchführen der multiplanaren Rekonstruktion eine oder mehrere der folgenden sekundären, das Blutflussmuster quantifizierenden komplexen Größen als Funktion der Position entlang des Gefäßverlaufes bestimmt und ausgegeben werden: die auf den Gefäßquerschnitt oder eine entsprechende Schicht bezogene turbulente kinetische Energiedichte, turbulente kinetische Energie, quadratisch gemittelte turbulente kinetische Energie, Helizitätsdichte, Helizität, relative Helizitätsdichte.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die multiplanaren Rekonstruktionen von wenigstens zwei primären Größen in einem multidimensionalen Raum einmal für alle primären Größen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Grundlage der wenigstens einen primären Größe nach Durchführen der multiplanaren Rekonstruktion wenigstens zwei der folgenden sekundären Größen bestimmt werden, und zwar parallel, das heißt ohne, dass es erforderlich ist, dass spezifische Vorgaben zur Berechnung der komplexen und/oder flächenbezogenen und/oder geometrischen Größen durch den Anwender technisch erforderlich sind: die auf den Gefäßquerschnitt oder eine entsprechende Schicht bezogene turbulente kinetische Energiedichte, turbulente kinetische Energie, quadratisch gemittelte turbulente kinetische Energiedichte, Helizitätsdichte, Helizität, relative Helizitätsdichte, Zirkulationsrate, mittlere Wirbelstärke, mittlere Durchflussgeschwindigkeit, maximale Durchflussgeschwindigkeit, Blutdurchfluss (Volumen pro Zeit), Exzentrizität, sowie auf die Position entlang des Gefäßverlaufes bezogene lokale Krümmungsradius des Gefäßverlaufes, lokale Torsion des Gefäßverlaufes, Größe des Gefäßquerschnittes.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verlauf des Gefäßes im Körper des Patienten durch eine Zentrallinie (9) repräsentiert wird, die bestimmt wird, indem entweder a) manuell festgelegte Positionsmarken in der Mitte des jeweiligen Gefäßquerschnittes durch eine geglättete Kurve miteinander verbunden werden oder b) semi-automatische oder automatische Methoden der Zentrallinienerkennung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei an jedem Punkt dieser Zentrallinie (9) eine Ebene (10) der Erfassung der dreidimensionalen Rohdaten mittels MRT-Messungen definiert ist, die jeweils orthogonal auf der Zentrallinie (9) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gefäß durch eine automatische oder semi-automatische Segmentierungstechnik ausgewählt wird und das Berechnen im Merkmal c) des Anspruchs 1 auf eine entsprechende Auswahl beschränkt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner (7) ausgeführt wird.
Einrichtung zur Bestimmung komplexer, das Blutflussmuster quantifizierende Größen des in einem Gefäß eines Patienten (1) strömenden Blutes mit folgenden Merkmalen: a) eine Eingangsschnittstelle (3), die dazu eingerichtet ist, Rohdaten einer zeitlich und räumlich aufgelösten MRT-Phasenkontrastmessung des kardiovaskulären Systems des Patienten (1) oder Teilen davon oder daraus bestimmter Daten einzulesen, b) eine Recheneinheit (7), die eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, c) eine Ausgangsschnittstelle (5), die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine das Blutflussmuster quantifizierende komplexe Größe des Blutflusses durch das Gefäß anhand der Ergebnisse der kontinuierlich durchgeführten multiplanaren Rekonstruktionen auszugeben.
Einrichtung nach Anspruch 12, wobei die Einrichtung eine MRT-Messeinrichtung (2) aufweist, die mit der Eingangsschnittstelle (3) gekoppelt ist.