DE102018125526B4

DE102018125526B4 - Verfahren zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften des Myokards

Info

Publication number: DE102018125526B4
Application number: DE102018125526.8A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2018-10-15
Publication date: 2022-08-25
Anticipated expiration: 2038-10-16
Also published as: DE102018125526A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften des Myokards sowie zur Ermittlung des zirkumferentiellen Tangentenmoduls und/oder des zirkumferentiellen Stresses des Myokards basierend auf dem zirkumferentiellen Strain, mit den Schritten:- Untersuchung des Myokards mittels Echokardiographie zur Aufnahme von Myokardabbildungen,- Messung und/oder Berechnung des linksventrikulären Blutdrucks,- Bestimmung des zirkumferentiellen Strains automatisch mittels der Software des Ultraschallgeräts zur Durchführung der Echokardiographie,- Geometrische Abmessung der Myokardabbildungen zur Ermittlung des Myokarddiameters und/oder der Myokarddicke, und- Berechnung der Dicke der inneren Myokardwandhälfte auf Basis des Myokarddiameters und/oder der Myokarddicke, sowie- Berechnung des zirkumferentiellen Tangentenmoduls und/oder des zirkumferentiellen Stresses auf Basis der Dicke der inneren Myokardwandhälfte sowie des gemessenen und/oder berechneten ventrikulären Blutdrucks.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften des Myokards, insbesondere zur Ermittlung des zirkumferentiellen Tangentenmoduls und/oder des zirkumferentiellen Stresses des Myokards basierend auf dem zirkumferentiellen Strain.
Verfahren zur Bestimmung des Strains sowie weiterer Eigenschaften des Myokards sind in vielfältiger Ausgestaltung aus dem Stand der Technik bekannt. So kann in der alltäglichen Praxis einerseits eine Untersuchung des Myokards mittels Echokardiographie stattfinden, wobei Abbildungen des Myokards erhalten werden und der Strain des Myokards berechenbar ist. Zum anderen können Abbildungen des Myokards sowie Informationen zu elastischen Eigenschaften des Myokards mittels Magnetresonanztomographie erhalten werden. Darüber hinaus gibt es eine Reihe invasiver Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften des Myokards, darunter Herzkatheteruntersuchungen, insbesondere eine Herzkatheter-Koronarangiographie.
Die US 2011 / 0 144 967 A1 beschreibt bereits ein System und eine Methode zum Bestimmen des Herzstatus aus einer Vielzahl von herz-physiologischen Parametern, insbesondere mit Hilfe mathematischer Modelle, die verwendet werden, um ein patientenspezifisches Herzmodell zu erstellen. Dazu sollen Messdaten sowohl eines implantierten Sensors, insbesondere eines Herzschrittmachers, als auch von verschiedenen Bildgebungsverfahren, wie Ultraschall, Echo, CT, MRI, PET-Scan oder dergleichen, verwendet werden, um die Wandstärke und die Elastizität von mehreren Kammerwänden des Herzens zu bestimmen.
Die DE 601 20 360 T2 zeigt ein Verfahren zum Ermitteln der Dehnungsrate eines Herzens unter Verwendung von Ultraschallsignalinformationen. Dabei erfolgt zunächst ein Erfassen von Geschwindigkeitsinformationen durch Dopplerverarbeitung an Punkten in einem Ultraschallfeld, gefolgt von einem Bestimmen einer Bewegungsrichtung an den Punkten und einem Berechnen räumlicher Gradientenwerte für Punkte in dem Feld anhand von Geschwindigkeitsinformationen, die durch die Bewegungsrichtung in Beziehung gesetzt sind. Schließlich wird ein Ultraschallbild unter Verwendung der räumlichen Gradientenwerte angezeigt, wobei die räumlichen Gradientenwerte durch Berechnen von Ableitungen von aufeinander folgenden Werten von Geschwindigkeiten in der lokalen Bewegungsrichtung abgeleitet werden.
Die US 2011 / 0 142 316 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen verschiedener elastischer Eigenschaften des Myokards, wobei sowohl das Tangentenmodul, als auch der Stress und der Strain berechnet werden. Dabei erfolgt die Messung der Daten zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften mittels Tomographie, insbesondere mittels MRI.
Die US 2010 / 0 220 901 A1 lehrt ein Verfahren, mittels dessen die Genauigkeit bei der Unterscheidung zwischen bösartigen und gutartigen Geweben in einer Grauzone eines elastischen Bildes verbessert werden soll. Dabei wird zunächst eine Verlagerung von mehreren Messpunkten in zwei Rahmendatensätzen mit verschiedenen Messzeitpunkten bestimmt, wobei dann aus der Verlagerung der mehreren verschiedenen Elemente elastische Informationen der jeweiligen Messpunkte ermittelt werden. Aus diesen Daten wird ein Bild zur Darstellung der Elastizität erstellt, wobei die elastischen Informationen aus zwei der folgenden Elemente auszuwählen sind: Elastizitätsmodul, Viskoelastizitätsmodul, nichtlinearer Parameter (alpha), lokale Streuung, Richtung des zu den jeweiligen Messpunkten führenden Drucks, Verlagerung, Stress, Strain und Poisson-Koeffizient. Die beiden ausgewählten Informationen werden dann als zweidimensionales Bild mit je einer Größe entlang einer Achse dargestellt, wobei der Wert der jeweiligen Größe durch die Farbigkeit des Datenpunktes abgebildet wird.
Schließlich betrifft der Fachartikel Weihs, W., Die standardisierte Echokardiographie: Durchführung, Archivierung und Befunderstellung inkl. Evaluierung der systolischen Linksventrikelfunktion, Journal für Kardiologie 2014; 21(1-2); S. 8-13, die Durchführung und die Befundstellung in der Echokardiographie. Dabei werden auch 3D-Techniken sowie ein Speckle-Tracking beschrieben
Die Verfahren des Standes der Technik haben jedoch jeweils bedeutende Nachteile. Mittels der Echokardiographie lassen sich keine direkten und detaillierten Aussagen über die elastischen Eigenschaften des Myokards treffen und zudem hängt die Auswertung der Aufnahmen in hohem Maße von den Fähigkeiten und Kenntnissen des jeweils die Untersuchung durchführenden und auswertenden Arztes ab. Somit besteht ein starker Einfluss des untersuchenden Arztes auf das bei der Untersuchung erhaltene Ergebnis. Magnetresonanztomographien sind vergleichsweise teuer und langwierig in der Durchführung und werden zudem häufig vom Patienten aufgrund der Dauer, Enge und Lautstärke als sehr unangenehm empfunden. Zudem darf bei zahlreichen Patienten keine Magnetresonanztomographie durchgeführt werden, beispielsweise wenn der Patient einen Herzschrittmacher oder eine implantierte metallische Prothese hat. Zuletzt haben invasive Verfahren den Nachteil der damit einhergehenden Risiken, insbesondere einer Infektion, dem Auslösen von Herzrhythmusstörungen, von Hämatomen und Nachblutungen oder einer allergischen Reaktion auf ein verwendetes Kontrastmittel. Zudem ist das Kontrastmittel schädlich, wodurch es insbesondere bei Patienten mit einer Nierenfunktionsstörung nicht eingesetzt werden kann bzw. der Einsatz mit deutlich erhöhten Risiken einhergeht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereitzustellen, das dem Patienten einen invasiven Eingriff erspart, nur geringe Kosten aufweist, eine bessere Beschreibung mechanischer Eigenschaften des Herzmuskels ermöglicht sowie eine höhere Objektivität durch das Reduzieren des Einflusses des untersuchenden Arztes sowie dessen Subjektivität bei der Beurteilung erreicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen der elastischen Eigenschaften des Myokards sowie zur Ermittlung des zirkumferentiellen Tangentenmoduls und/oder des zirkumferentiellen Stresses des Myokards basierend auf dem zirkumferentiellen Strain umfasst als Verfahrensschritte zunächst eine Untersuchung des Myokards mittels Echokardiographie zur Aufnahme von Myokardabbildungen als Ausgangsmaterial für eine nachfolgende Strain- und Stress-Analyse sowie eine Messung und/oder eine Berechnung des linksventrikulären Blutdrucks. Nachfolgend wird der zirkumferentielle Strain automatisch mittels einer Software des Ultraschallgeräts zur Durchführung der Echokardiographie bestimmt. Dann erfolgt eine geometrische Abmessung der Myokardabbildungen zur Ermittlung des Myokarddiameters und/oder der Myokarddicke, und nachfolgend eine Berechnung der Dicke der inneren Myokardwandhälfte auf Basis des Myokarddiameters und/oder der Myokarddicke. Schließlich wird die Berechnung des zirkumferentiellen Tangentenmoduls und/oder des zirkumferentiellen Stresses auf Basis der Dicke der inneren Myokardwandhälfte sowie des gemessenen und/oder berechneten ventrikulären Blutdrucks vorgenommen.
Der Erfinder hat erkannt, dass nicht nur eine statistisch relevante Korrelation zwischen dem zirkumferentiellen Strain und der linksventrikulären Ejektionsfunktion, sondern auch zwischen dem endsystolischen bzw. enddiastolischen Tangentenmodul und der linksventrikulären Ejektionsfunktion besteht. Diese Erkenntnis hat schlussendlich zu dem erfindungsgemäßen Verfahren geführt, das gegenüber den Verfahren des Standes der Technik zahlreiche Vorteile aufweist.
Wegen der zusätzlichen Ermittlung des Stresses ist erst eine genauere Bestimmung der Myokardeigenschaften möglich als es bei einer isolierten Betrachtung des Strains oder lediglich von mittels Echokardiographie erhaltener Myokardaufnahmen möglich war. Dies liegt unter anderem an der besseren Korrelation der mittels des Stresses ermittelbaren Elastizität mit der Pumpfunktion des Herzens als eine solche Korrelation für den Strain besteht. Zudem führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Reduzierung der Kosten, da beispielsweise keine deutlich kostenintensivere Magnetresonanztomographie durchgeführt werden muss bzw. diese durch das erfindungsgemäße Verfahren ersetzt werden kann. Dabei erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine deutlich direktere Bestimmung der Muskeleigenschaften des Myokards während zugleich der Einfluss des Untersuchenden gegenüber einer anderweitigen Untersuchung des Myokards mittels Echokardiographie zumindest stark reduziert, bevorzugt sogar vollständig eliminiert wird und dadurch eine Objektivität durch das Eliminieren bzw. Reduzieren der Subjektivität der menschlichen Beurteilung erreicht werden kann. Zuletzt erspart das erfindungsgemäße Verfahren dem Patienten einen invasiven Eingriff mit den damit einhergehenden Risiken. Insbesondere vorteilhaft ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine komplett nichtinvasive Bestimmung des zirkumferentiellen Stresses des linksventrikulären Myokards als besserer Parameter zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften des Herzmuskels möglich als es beispielsweise durch den zirkumferentiellen Strain alleine ist.
Unter elastischen Eigenschaften werden grundsätzlich alle Größen zur Beschreibung eines Materials, insbesondere des Myokards, verstanden, die eine Formänderung des Materials unter Krafteinwirkung beschreiben, welche beim Wegfall der einwirkenden Kraft zumindest teilweise reversibel ist. Bevorzugt beschreiben die elastischen Eigenschaften ein vollständig reversibles Verhalten des Materials. Grundsätzlich ist jedoch auch ein plastischer Anteil und/oder viskoelastischer Anteil zur Beschreibung des Verhaltens denkbar. In der einfachsten Beschreibung kann ein Material bezüglich seiner elastischen Eigenschaften mittels des Hooke'schen Gesetz beschrieben werden, welches das Verhältnis zwischen dem Strain als elastische Verformung und dem Stress als Belastung beschreibt, wobei die Proportionalitätskonstante dieses Verhältnisses das Elastizitätsmodul bzw. das Young'sche Modul ist.
Jedoch folgt das vorliegend untersuchte Myokardgewebe nicht dem Hooke'schen Gesetz, da die Beziehung zwischen Stress und Strain nicht linear, sondern kurvenförmig ist. Insbesondere lassen sich die elastischen Eigenschaften des Myokards durch eine Exponentialfunktion beschreiben, sodass ein Tangentenmodul (Elastizitätsmodulus) den Zusammenhang zwischen Stress und Strain beschreibt. Weiterhin setzen zahlreiche Modellkonzepte im Wesentlichen die Inkompressibilität des Myokardgewebes voraus, d.h., die Geometrie des Myokards ändert sich zwar unter der Wirkung einer Kraft, dessen Volumen bleibt dabei aber konstant. Bevorzugt wird auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Myokardgewebe als inkompressibel angenommen.
Unter dem Myokardgewebe bzw. dem Myokard wird grundsätzlich lebendes und arbeitendes Gewebe des Herzens verstanden, dessen Eigenschaften u.a. abhängig vom Herzzyklus, der Durchblutung, Erkrankungen bzw. Schädigungen und dergleichen sind. Es wurde experimentell nachgewiesen, dass die epikardnahen und endokardnahen Myokardschichten im linken Ventrikel im Verlauf des Herzzyklus ein asymmetrisches Verdickungsmuster zeigen. Wird theoretisch das linksventrikuläre Myokard in der Enddiastole in zwei gleichdicke Schichten geteilt (der Mittelpunkt entspricht der geometrischen Hälfte der Myokarddicke), zeigt es sich, dass in der Systole der endokardnahe (interne) Teil dicker als die epikardnahe (externe) Schicht ist. Es kommt also zu einer relativen Verschiebung des initialen Mittelpunktes in Richtung des Epikards. Dieses asymmetrische Verdickungsmuster wird bevorzugt bei der erfindungsgemäßen Berechnung des Tangentenmoduls bzw. des Stresses berücksichtigt.
Bezüglich des Herzens werden typischerweise drei Hauptrichtungen definiert: die longitudinale, die zirkumferentielle und die radiale Richtung. Zirkumferentiell bedeutet in diesem Zusammenhang entlang des Umfangs des Herzens bzw. des Myokards. Eine zirkumferentielle Deformation des Myokards ist entsprechend eine Formänderung in einer zirkulären Richtung des Myokards. Bei einer Betrachtung der zirkumferentiellen Richtung des Myokards ist das Myokard als runde Kreisfläche sichtbar.
Der Strain beschreibt grundsätzlich die durch den Stress verursachte Deformation bzw. Belastung oder Anspannung des Gewebes, insbesondere des Myokards. Als physikalische Größe beschreibt der Strain die Deformation des Materials unter Einfluss einer die Deformation verursachenden Kraft. Entsprechend ist der Strain eine dimensionslose, vektorielle Größe. Weiterhin ist der Strain bevorzugt auf eine Ausgangsform bzw. Ausgangslänge des untersuchten Materials normiert. Insbesondere von Bedeutung für das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei der sogenannte natürliche Strain, bei dem die Normierung auf eine sich zeitlich ändernde Ausgangsform bzw. Ausgangslänge vorgenommen wird. Bei kleiner Deformation, insbesondere unter 5 % - 15 % der Ausgangsform bzw. Ausgangslänge, könnte auch anstelle des natürlichen Strains der Lagrangian'sche Strain verwendet werden, wobei jedoch für jede Deformation sowie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Berechnung mittels des natürlichen Strains bevorzugt wird. Grundsätzlich ist aber auch die Verwendung des Strains oder des Lagrangian'sche Strain anstelle des natürlichen Strains möglich.
Der Stress beschreibt die mechanische Spannung des Myokards bzw. die auf das und/oder in dem Myokard wirkende Kraft pro Fläche mit einer Druckeinheit, wie kdyne/cm², N/m² oder Pa. Entsprechend ist der Stress ebenfalls eine vektorielle Größe.
Die Hauptrichtung des Stresses entspricht gewöhnlich der Strainrichtung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entspricht die Hauptrichtung des Stresses insbesondere bevorzugt im Wesentlichen der Richtung des zirkumferentiellen Strains. Ganz besonders bevorzugt wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der zirkumferentielle Stress auf der Höhe der Wandhälfte bzw. der Mittelwand („mid wall“) bestimmt.
Bei der Echokardiographie handelt es sich grundsätzlich zunächst um eine beliebige Untersuchung des Herzens oder eines Teils davon mittels Ultraschall. Bevorzugt erfolgt die Untersuchung dabei jedoch mit einer hohen Frequenz von mindestens 60 Hz. Weiterhin bevorzugt erfolgt die Aufnahme der Myokardaufnahmen im Rahmen einer standardmäßig ablaufenden Echokardiographie. Die Myokardabbildungen sind bevorzugt Standbilder oder aus einer Bildersequenz oder aus einem Video entnommene Standbilder. Weiterhin bevorzugt sind die Myokardabbildungen in einem Graphikformat gespeichert und sind besonders bevorzugt zur nachfolgenden geometrischen Abmessung exportierbar. Dabei wird insbesondere das „Portable Document Format“ (pdf) oder eines der Graphikformate jpg, png, bmp, gif oder ein anderes vergleichbares Graphikformat verwendet.
Die Bestimmung des zirkumferentiellen Strains erfolgt bevorzugt mittels einer Software, insbesondere bevorzugt mittels bzw. an in den parasternalen kurzen Achsen aufgenommenen Myokardaufnahmen. Grundsätzlich kann der Strain nicht nur automatisch mittels der Software des Ultraschallgeräts, sondern auch mittels Computerprogrammen auf einem weiteren, nicht zum Ultraschallgerät gehörenden Rechner bzw. Computer bestimmt werden. Die Bestimmung des Strains, insbesondere des zirkumferentiellen Strains, erfolgt dabei bevorzugt mittels einer der im Stand der Technik bekannten und gängigen Methoden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Untersuchung des Myokards mittels einer transthorakalen Echokardiographie (TTE) zur Aufnahme der Myokardaufnahmen. Weiterhin bevorzugt erfolgt die Untersuchung des Myokards, insbesondere des mittleren Schnitts, mittels Echokardiographie in der parasternalen kurzen Achse, sodass die Deformation des Myokards in einer zirkulären Richtung auf runden Myokardflächen sichtbar wird, wodurch in besonders einfacher Weise, nichtinvasiv eine genaue Abbildung des zu untersuchenden Gewebes, insbesondere des linksventrikularen Myokards, erhalten werden kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Aufnahme der Myokardabbildungen mittels Echokardiographie während mindestens zwei Herzzyklen und bevorzugt während der Exspiration erfolgt, sodass sich eine möglichst runde Kontur des linken Ventrikels ergibt. Dabei sind die Aufnahmen bevorzugt 2D-Aufnahmen, wobei aber auch 3D-Aufnahmen möglich sind. Besonders bevorzugt werden aus 3D-Aufnahmen jedoch geeignete 2D-Darstellungen des Myokards zur nachfolgende geometrischen Abmessung erstellt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Aufnahme der Myokardabbildungen mittels Echokardiographie während wenigstens einer, bevorzugt wenigstens zwei Enddiastolen und/oder wenigstens einer, bevorzugt wenigstens zwei Endsystolen. Entsprechend werden ebenfalls bevorzugt zur Bestimmung des Strains und/oder des Stresses und/oder des Tangentenmoduls Myokardabbildungen der Enddiastole und/oder der Endsystole verwendet. Dies hat den Grund, dass zur vollständigen Analyse der Myokardmechanik bzw. der elastischen Myokardeigenschaften nicht nur auf dem Aspekt des Strains, sondern alle relevanten Gesamtaspekte, insbesondere der Strain, der Stress und ggf. die Bewegung des Myokards berücksichtigt werden sollten. Dies führt jedoch zu einer sehr hohen Komplexität der notwendigen Berechnungen. Zur Verringerung der Komplexität der Berechnung erfolgt eine Beobachtung der Endsystole bzw. der Enddiastole, da dort keine Bewegung des Herzens im Brustkorb und entsprechend des Myokards stattfindet und folglich keine Bewegung berücksichtigt werden muss. Insbesondere bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren daher eine Berechnung der endsystolischen elastischen Eigenschaften, insbesondere des Strains, des Stresses und/oder des Tangentenmoduls.
Unter der Enddiastole wird der Zeitpunkt des Schlusses der Mitralklappe, insbesondere bei noch geschlossener Aortenklappe, verstanden. Die Endsystole wird als der Zeitpunkt des Schlusses der Aortenklappe definiert.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zunächst eine kontinuierliche Aufnahme von Echokardiographie-Myokardabbildungen, wobei dann nachfolgend bevorzugt die Myokardabbildung wenigstens einer Endsystole und/oder wenigstens einer Enddiastole herausgesucht und zur weiteren Bestimmung des Strains und/oder Stresses verwendet wird. Grundsätzlich werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt Myokardabbildungen von aufeinanderfolgenden Enddiastolen und Endsystolen verwendet. Die Auswahl dieser Myokardabbildungen für die nachfolgenden geometrischen Analysen bzw. Abmessung werden besonders bevorzugt nach einem oder mehreren, ganz besonders bevorzugt allen der drei folgenden Prinzipien ausgewählt: Erstens zeigt bevorzugt die für die Enddiastole zu wählende Myokardabbildung, wenigstens im Rahmen einer visuellen Abschätzung, das größte Volumen des linken Ventrikels und/oder die EKG-Markierung liegt so nah wie möglich an der R-Zacke. Zweitens zeigt bevorzugt die für die Endsystole zu wählende Myokardabbildung, wenigstens im Rahmen einer visuellen Abschätzung, das kleinste Volumen des linken Ventrikels und/oder die EKG-Markierung bleibt noch im Bereich der terminalen T-Welle. Drittens werden bevorzugt alle Myokardabbildungen so ausgewählt, dass bei der geometrischen Analyse bzw. Abmessung eine zuverlässige Erkennung der epikardialen und endokardialen Konturen möglich ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Blutdruckmessung unmittelbar vor und/oder während der Untersuchung des Myokards mittels Echokardiographie, insbesondere unmittelbar vor und/oder während der Aufnahme der Myokardabbildungen, wobei die Blutdruckmessung besonders bevorzugt automatisch mittels Manschettenmessung und/oder am rechten Arm in Linksseitenlage durchgeführt wird. Diese Messung ist dabei insbesondere zur nachfolgenden Berechnung des endsystolischen, intraventrikularen Drucks vorgesehen, wobei es vorteilhaft ist, die Messung mit geringem zeitlichen Abstand zur Aufnahme der Myokardabbildungen durchzuführen, da nur so ein dem Zustand des Myokards auf den Abbildungen zuordenbarer Blutdruck erhalten werden kann.
Dabei wird weiterhin bevorzugt zur ausreichend genauen Bestimmung des endsystolischen, intraventrikulären Drucks, der für die Berechnung des Stresses benötigt wird, der insbesondere mittels Manschettenmessung unmittelbar vor und/oder während der Untersuchung des Myokards mittels Echokardiographie gemessene systolische Blutdruck mit 0,9 multipliziert. Über diese Abschätzung kann in besonders einfacher und schneller Weise der intraventrikuläre endsystolische Druck mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden.
Die Ermittlung des Strains, insbesondere des zirkumferentiellen Strains, kann grundsätzlich in beliebiger Weise vorgenommen werden. Bevorzugt erfolgt die Bestimmung des zirkumferentiellen Strains mittels der Speckle-Tracking-Methode. Die Messung des Strains im Stand der Technik erfolgte zunächst gewöhnlich mittels Gewebedoppler (TDI = Tissue Doppler Imaging), was jedoch nur für maximale Winkelabweichungen zwischen der Dopplerachse und der Bewegungsrichtung des Myokards von 15° - 20° möglich war. Heute ist eine deutlich bessere Quantifizierung von Myokarddeformationen und eine genauere Ermittlung des Strains mittels Speckle Tracking, also der Messung von Verschiebungen von Speckles, möglich. Dabei bietet die Speckle-Tracking-Methode die Möglichkeit, nichtinvasiv und objektiv die Deformation des lebenden Myokards zu messen.
Unter Speckles werden Reflexphänomene im Rahmen der Interaktion zwischen Ultraschall und dem Myokardgewebe, insbesondere bei normaler 2-dimensionaler Echokardiographie (B-Bilder), verstanden. Die Speckles gestalten dabei eine stabile Komposition bzw. sind gleichbleibend räumlich verteilt, wobei sich die Dimensionen der Speckles im Verlauf des Herzzyklus zwar ändern können, deren Muster bzw. relative Position zueinander jedoch gleichbleibt. Somit lassen sich Strain-Werte aus den Unterschieden zwischen der initialen Dimension und der aktuellen Dimension des gleichen Areals des Myokards anhand der Speckles berechnen.
Zur Ermittlung des Stresses und/oder des Tangentenmoduls (Elastizitätsmodulus) werden bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst in den Myokardabbildungen wenigstens drei durch den Mittelpunkt und/oder radial zur kreisförmigen Myokardabbildung verlaufende Achsen zwischen kontralateralen Myokardregionen festgelegt. Bei einer vollständig runden Myokardabbildung treffen sich alle drei Achsen exakt im Mittelpunkt. Bei einer leicht von einem idealen Kreis abweichenden Abbildung des Myokards können die Achsen auch leicht um den geometrischen Mittelpunkt herum verlaufen und dabei insbesondere bevorzugt voneinander um maximal 5 %, besonders bevorzugt um maximal 2 % und ganz besonders bevorzugt um maximal 1 % der Länge der Achse von dem Mittelpunkt abweichen.
Besonders bevorzugt werden die Achsen jeweils mittig in den vom Ultraschallgerät automatisch auf den Myokardabbildungen bestimmten kontralateralen Myokardregionen festgelegt. Dies kann grundsätzlich auf verschiedene Weisen erfolgen. So kann beispielsweise an den Grenzen zweier Myokardregionen jeweils eine Tangente angelegt werden und die Achsen durch den Schnittpunkt der beiden Tangenten einer Myokardregion verlaufend sowie bevorzugt auch durch den Schnittpunkt der beiden Tangenten der gegenüberliegenden Myokardregion angeordnet werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch entlang eines Kreisabschnitts zwischen den beiden Grenzen einer Myokardregion die Mitte ermittelt und die Achse durch diese Mitte verlaufend angeordnet werden, wobei besonders bevorzugt der Kreisabschnitt automatisch vom Ultraschallgerät ermittelt wird. Weiterhin zusätzlich oder alternativ kann auch eine die beiden Grenzen einer Myokardregion verbindende Gerade genutzt und dann die Achse durch die Mitte dieser Gerade verlaufend angeordnet werden. Auf welche Weise der geometrische Mittelpunkt der Myokardregion entlang des idealerweise kreisabschnittförmigen Verlaufs ermittelt wird, ist schlussendlich unwesentlich und entsprechend kann die Ermittlung grundsätzlich beliebig erfolgen. Grundsätzlich ist auch denkbar, nur eine solche Achse festzulegen, insbesondere wenn nur Interesse an einer spezifischen Myokardregion besteht.
Grundsätzlich ist die Festlegung beliebig vieler solcher Achsen denkbar, wobei mit drei Achsen ein guter Allgemeineindruck des Myokards erhalten werden kann. Bevorzugt werden die Achsen auf der Darstellung des Myokards in zirkumferentieller Richtung, wobei das Myokard als runde Kreisfläche sichtbar ist, jeweils um 60° zueinander verwinkelt bzw. gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet. Weiterhin bevorzugt verlaufen alle Achsen im Wesentlichen durch den Mittelpunkt dieser Kreisfläche, d.h., alle drei Achsen treffen sich in einem Punkt, der in der Mitte des zirkulär dargestellten Myokards liegt. Ganz besonders bevorzugt wird die erste Achse mitt-infero-septal zu mitt-antero-lateral, die zweite Achse mitt-infero-lateral zu mitt-antero-septal und die dritte Achse mitt-infero zu mitt-antero verlaufend angeordnet.
Schließlich wird ebenfalls bevorzugt eine geometrische Abmessung des enddiastolischen und/oder des endsystolischen Diameters bzw. der enddiastolischen und/oder der endsystolischen Myokarddicke auf Basis, insbesondere entlang, der festgelegten Achsen vorgenommen.
Die endsystolische Dicke (hesint) der inneren Wandhälfte jeder einzelnen Myokardregion wird bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils nach der Formel $h e s i n t = \sqrt[2]{\frac{({(R e d + h e d i n t)}^{2} - R e d^{2}) \cdot ({(R e s + D i c k e s)}^{2} - R e s^{2})}{{(R e d + D i c k e d)}^{2} - R e d^{2}} + R e s^{2}} - R e s$
berechnet, wobei (Red) der enddiastolische Radius, (Res) der endsystolische Radius, (Dicked) die enddiastolische Dicke, (Dickes) die endsystolische Dicke und (hedint) die enddiastolische interne Wandhälfte der jeweilig untersuchten Myokardregion ist. Dabei entspricht die enddiastolische interne Wandhälfte der Hälfte der enddiastolische Dicke (Dicked): $h e d i n t = \frac{D i c k e d}{2}$
Der jeweilige Radius der Myokardregion entspricht, soweit dieser nicht unmittelbar bei der geometrischen Abmessung bestimmt wurde, der Hälfte des mit Hilfe bzw. entlang der Achsen abgelesenen Diameters. Die Berechnung der endsystolischen Dicke sowie aller anderen Größen bezüglich der elastischen Eigenschaften kann bzw. muss für alle Myokardregionen einzeln vorgenommen werden, indem die jeweiligen Werte für diese Myokardregion eingesetzt werden.
Der endsystolische zirkumferentielle Stress (σescirc) jeder einzelnen Myokardregion wird bei einer ebenfalls besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens jeweils nach der Formel $σ e s c i r c = P e s d y n \cdot \frac{R e s^{2} \cdot (1 + \frac{{(R e s + D i c k e s)}^{2}}{{(R e s + h e s i n t)}^{2}})}{{(R e s + D i c k e s)}^{2} - R e s^{2}}$
berechnet, wobei (Res) der endsystolische Radius, (Dickes) die endsystolische Dicke und (hesint) die endsystolische interne Wandhälfte der jeweiligen Myokardregion ist. (Pesdyn) ist der endsystolische Druck im linken Ventrikel in der Einheit kdyne, der dem mittels Manschettenmessung in mmHg gemessenen systolischen Druck multipliziert mit 0,9 und nachfolgend mit 1333 - zur Umrechnung von mmHg zu kdyne - entspricht.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das gesamte endsystolische Tangentenmodul des Myokards aus dem Quotienten des endsystolischen zirkumferentiellen Gesamtstresses aller Myokardregionen und des endsystolischen zirkumferentiellen Gesamtstrains aller Myokardregionen berechnet wird. Der Gesamtstress des Myokards entspricht dabei bevorzugt dem Mittelwert des Stresses aller untersuchten Myokardregionen und/oder der Gesamtstrain des Myokards entspricht dabei bevorzugt dem Mittelwert des Strains aller untersuchten Myokardregionen. Der Strain der einzelnen Myokardregionen kann bevorzugt von dem Echokardiographiegerät, einem Computer oder aus den Aufnahmen der Myokardabbildungen abgelesen werden.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachstehend näher erläutert:

Zur Durchführung des Verfahrens zur nichtinvasiven Messung des endsystolischen zirkumferentiellen Tangentenmoduls des linksventrikulären Myokards basierend auf dem zirkumferentiellen Strain bestimmt mittels der Speckle-Tracking-Methode wird der zu untersuchende Patient in der linken Seitenlage auf einer für die Echokardiographie vorgesehenen Liege positioniert. Nachfolgend werden drei selbstklebende EKG-Elektroden auf dem Rücken des Patienten platziert und mit EKG-Kabeln eines Echogeräts zur Echokardiographie verbunden. Zudem wird auf dem rechten Arm des Patienten eine Manschette eines automatischen Blutdruckmessgerätes platziert.

Anschließend wird das Echogerät auf hohe Frequenzrate der 2D-Bilder von mindestens 60 Hz umgestellt und bei Bedarf wird zudem die EKG-Kurve optimiert. Dann wird mit einer standardmäßig ablaufenden Echokardiographie begonnen (parasternale lange Achse, parasternale kurze Achse, apikale 4-, 2- und 3-Kammerblick, substernaler Blick mit jeweils entsprechenden Standardmessungen).
Während der Untersuchung werden dann mehrere 2D-Aufnahmen des mittleren Schnitts in der parasternalen kurzen Achse aufgenommen, wobei alle Aufnahmen des Myokards über mindestens zwei Herzzyklen während einer Exspiration des Patienten und bei einer möglichst runden Kontur des linken Ventrikels erfolgten. Auf diese Weise werden Basisaufnahmen für die spätere Strainanalyse sowie eine geometrische Analyse erhalten.
Im Verlauf der Untersuchung, insbesondere unmittelbar vor der Aufnahme der Basisaufnahmen des Myokards, wird einmalig eine automatische Blutdruckmessung durchgeführt.
Zur Berechnung des endsystolischen zirkumferentiellen Tangentenmodul wird dann zunächst der endsystolische Druck im linken Ventrikel berechnet, indem der unmittelbar vor der Aufnahme der Basisaufnahmen des Myokards automatisch gemessene systolische Blutdruck mit 0,9 multipliziert wird und das Ergebnis ggf. noch in die Einheit kdyne durch Multiplikation mit 1333 umgerechnet wird.
Der zirkumferentielle Strain wird für jede untersuchte Myokardregion mittels einer Software auf dem Echogerät berechnet und ausgegeben. Zudem werden vom Echogerät die Basisaufnahmen des Myokards zur weiteren Analyse als Bilddateien exportiert.
Zur Ermittlung des Stresses und des Tangentenmoduls werden sowohl in den endsystolischen, als auch in den enddiastolischen Myokardbasisaufnahmen zunächst drei jeweils exakt durch die Mitte der kontralateralen Myokardregionen verlaufende Achsen festgelegt, wobei die erste Achse mitt-infero-septal zu mitt-antero-lateral, die zweite Achse mitt-infero-lateral zu mitt-antero-septal und die dritte Achse mitt-infero zu mitt-antero verlaufend angeordnet wird. Die Bestimmung der Mitte bzw. des geometrischen Mittelpunktes der jeweiligen Myokardregion erfolgt dabei, indem entlang des Umfangs des Myokards verlaufende, vom Ultraschallgerät automatisch eingefügte Punkte betrachtet werden, die für jede Myokardregion voneinander unterscheidbar sind, insbesondere eine andere Farbe aufweisen. Dazu wird bei einer ungeraden Anzahl an Punkten einer Myokardregion die Achse exakt auf den mittleren Punkt gelegt und bei einer geraden Anzahl exakt zwischen die beiden mittleren Punkte. Gleiches wird für die gegenüberliegende Myokardregion wiederholt, sodass die Achse jeweils die beiden sich gegenüberliegenden Myokardregionen mittig teilt. Die Anordnung der Achsen kann dann dadurch bestätigt werden, dass an die Grenze zwischen zwei benachbarten Myokardregionen jeweils eine Tangente angelegt wird und kontrolliert wird, ob die Achse zugleich auch durch den Schnittpunkt zweier benachbarter Tangenten verläuft. Zusätzlich oder alternativ können auch die beiden Grenzen einer Myokardregion durch eine Gerade verbunden werden und kontrolliert werden, ob die Achse durch die Mitte dieser Gerade verläuft. Anschließend erfolgt eine geometrische Abmessung des enddiastolischen und des endsystolischen Diameters auf Basis der festgelegten Achsen.
Aus den ausgemessenen Diametern wird dann die endsystolische Dicke (hesint) der inneren Wandhälfte jeder Myokardregion berechnet. Weiterhin kann dann der endsystolisch zirkumferentielle Stress (σescirc) jeder Myokardregion unter Verwendung des berechneten endsystolischen Drucks im linken Ventrikel berechnet werden.
Für Bestimmung des zirkumferentiellen Stresses sind die folgenden Parameter notwendig:

1) Pesvent ist der endsystolische Druck im linken Ventrikel.
2) Diamed ist der enddiastolische Diameter des linken Ventrikels - gemessen auf der entsprechenden Achse zwischen den Endokardgrenzen der kontralateralen Regionen des Myokards im parasternalen mittventrikulären Kurzachsenblick.
3) Diames ist der endsystolische Diameter des linken Ventrikels - gemessen auf der entsprechenden Achse zwischen den Endokardgrenzen der kontralateralen Regionen des Myokards im parasternalen mittventrikulären Kurzachsenblick.
4) Red ist der enddiastolische Radius des linken Ventrikels - berechnet als die Hälfte des enddiastolischen Diameters (Diamed) für die entsprechende Myokardregion.
5) Res ist der endsystolische Radius des linken Ventrikels - berechnet als die Hälfte des endsystolischen Diameters (Diames) für die entsprechende Myokardregion.
6) Dicked ist die enddiastolische Dicke des Myokards - gemessen in jeder Myokardregion als der Abstand zwischen Endokard und Epikard auf der entsprechenden Achse.
7) Dickes ist die endsystolische Dicke des Myokards - gemessen in jeder Myokardregion als der Abstand zwischen Endokard und Epikard auf der entsprechenden Achse.
8) hedint ist die enddiastolische Dicke der inneren Wandhälfte - entsprechend der Hälfte der enddiastolischen Dicken des Myokards, also der Hälfte von Dicked in der entsprechenden Myokardregion.
9) hesint ist die endsystolische Dicke der inneren Wandhälfte, die mathematisch berechnet werden muss, da diese nicht der geometrischen Hälfte von endsystolischen Wanddicke entspricht!

Schließlich kann zur Bestimmung des endsystolischen zirkumferentiellen Gesamtstresses aller Myokardregionen der Mittelwert aller berechneten endsystolischen zirkumferentiellen Stresse der einzelnen Myokardregionen gebildet werden. Entsprechend kann durch Bilden des Mittelwerts auch der endsystolische zirkumferentielle Gesamtstrain bestimmt werden.
Schließlich entspricht das endsystolische Tangentenmodul des Gesamtmyokards aus dem Quotienten des endsystolischen zirkumferentiellen Gesamtstresses aller Myokardregionen und des endsystolischen zirkumferentiellen Gesamtstrains aller Myokardregionen berechnet. Zudem kann für jede einzelne Myokardregion das endsystolische Tangentenmodul berechnet werden, wobei ein nachfolgender Vergleich der endsystolischen Tangentenmodule der einzelnen Myokardregionen untereinander hilft, die Myokardregionen zu identifizieren, die verändert und folglich ggf. näher zu untersuchen sind.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften des Myokards sowie zur Ermittlung des zirkumferentiellen Tangentenmoduls und/oder des zirkumferentiellen Stresses des Myokards basierend auf dem zirkumferentiellen Strain, mit den Schritten: - Untersuchung des Myokards mittels Echokardiographie zur Aufnahme von Myokardabbildungen, - Messung und/oder Berechnung des linksventrikulären Blutdrucks, - Bestimmung des zirkumferentiellen Strains automatisch mittels der Software des Ultraschallgeräts zur Durchführung der Echokardiographie, - Geometrische Abmessung der Myokardabbildungen zur Ermittlung des Myokarddiameters und/oder der Myokarddicke, und - Berechnung der Dicke der inneren Myokardwandhälfte auf Basis des Myokarddiameters und/oder der Myokarddicke, sowie - Berechnung des zirkumferentiellen Tangentenmoduls und/oder des zirkumferentiellen Stresses auf Basis der Dicke der inneren Myokardwandhälfte sowie des gemessenen und/oder berechneten ventrikulären Blutdrucks.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung des Myokards mittels transthorakaler Echokardiographie zur Aufnahme der Myokardaufnahmen und/oder mittels Echokardiographie in der parasternalen kurzen Achse erfolgt, sodass die Deformation des Myokards in einer zirkulären Richtung auf runden Myokardflächen sichtbar wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Myokardabbildungen mittels Echokardiographie während mindestens zwei Herzzyklen und während der Exspiration erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme der Myokardabbildungen mittels Echokardiographie während wenigstens zwei Enddiastolen und/oder Endsystolen erfolgt und zur Bestimmung des Strains und/oder des Stresses und/oder des Tangentenmoduls endsystolische und/oder enddiastolische Myokardabbildungen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar vor und/oder während der Aufnahme der Myokardabbildungen eine Blutdruckmessung erfolgt, die bevorzugt automatisch mittels Manschettenmessung und/oder in Linksseitenlage durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des endsystolischen, intraventrikulären Drucks für die Berechnung des Stresses der unmittelbar vor und/oder während der Aufnahme der Myokardabbildungen gemessene systolische Blutdruck mit 0,9 multipliziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des zirkumferentiellen Strains mittels der Speckle-Tracking-Methode erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Stresses und/oder des Tangentenmoduls - in den Myokardabbildungen zunächst wenigstens drei durch den Mittelpunkt und/oder radial zur kreisförmigen Myokardabbildung verlaufende Achsen zwischen kontralateralen Myokardregionen festgelegt werden, - wobei bevorzugt die erste Achse mitt-infero-septal zu mitt-antero-lateral, die zweite Achse mitt-infero-lateral zu mitt-antero-septal und die dritte Achse mitt-infero zu mitt-antero verlaufend angeordnet ist, - und anschließend eine geometrische Abmessung des enddiastolischen und/oder des endsystolischen Diameters bzw. der enddiastolischen und/oder der endsystolischen Myokarddicke auf Basis der festgelegten Achsen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen jeweils mittig in den vom Ultraschallgerät automatisch auf den Myokardabbildungen bestimmten kontralateralen Myokardregionen festgelegt werden, wozu bevorzugt an den Grenzen zweier Myokardregionen jeweils eine Tangente angelegt wird und die Achsen durch den Schnittpunkt der beiden Tangenten einer Myokardregion verlaufend angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die endsystolische Dicke (hesint) der inneren Wandhälfte jeder Myokardregion nach der Formel $h e s i n t = \sqrt[2]{\frac{({(R e d + h e d i n t)}^{2} - R e d^{2}) \cdot ({(R e s + D i c k e s)}^{2} - R e s^{2})}{{(R e d + D i c k e d)}^{2} - R e d^{2}} + R e s^{2}} - R e s$
berechnet wird, mit Red = enddiastolischer Radius der Myokardregion, Res = endsystolischer Radius der Myokardregion, Dicked = enddiastolische Dicke der Myokardregion, Dickes = endsystolische Dicke der Myokardregion, und hedint = enddiastolische interne Wandhälfte der Myokardregion, die der Hälfte der Dicked entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der endsystolische zirkumferentielle Stress (σescirc) jeder Myokardregion nach der Formel $σ e s c i r c = P e s d y n \cdot \frac{R e s^{2} \cdot (1 + \frac{{(R e s + D i c k e s)}^{2}}{{(R e s + h e s i n t)}^{2}})}{{(R e s + D i c k e s)}^{2} - R e s^{2}}$
berechnet wird, mit Res = endsystolischer Radius der Myokardregion, Dickes = endsystolische Dicke der Myokardregion, hesint = interne Wandhälfte der Myokardregion endsystolisch, und Pesdyn = endsystolischer Druck im linken Ventrikel in kdyne.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Myokardregion das endsystolische Tangentenmodul des Myokards aus dem Quotienten des endsystolischen zirkumferentiellen Stresses der jeweiligen Myokardregion und des endsystolischen zirkumferentiellen Strains der jeweiligen Myokardregion berechnet wird und nachfolgend die endsystolischen Tangentenmodule aller Myokardregionen verglichen werden, um Abweichungen im elastischen Verhalten des Myokards einer Region von den übrigen Myokardregionen festzustellen.