DE4306037A1 - Gerät und Verfahren zum Verknüpfen mindestens eines aus einem Elektrokardiogramm lokalisierten Zentrums intrakardialer Aktivität mit einem Ultraschall-Schnittbild - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät und ein Verfahren zum Ver­ knüpfen mindestens eines aus einem Elektrokardiogramm lo­ kalisierten Zentrums intrakardialer Aktivität mit einem Ultraschall-Schnittbild

Die nichtinvasive Registrierung elektrischer Potentiale mittels Elektroden an der Haut in Form eines Elektrokardio­ gramms hat seit langem einen festen und bedeutungsvollen Platz in der medizinischen Diagnostik des Herzens. Die Potentiale an der Körperoberfläche haben ihren Ursprung in elektrischen Stromimpulsen, die periodisch oder sporadisch im Herzen auftreten und im allgemeinen nicht ortsfest sind. Aus der Potentialverteilung an der Körperoberfläche läßt sich über ein Körpermodell, welches die wesentlichen elek­ trischen Eigenschaften des Thorax nachbildet, ein Zentrum oder mehrere Zentren intrakardialer Aktivität lokalisieren.

Aus der US-PS 4 736 751 ist bekannt, intrakraniale Aktivi­ täten mit der Anatomie zu verknüpfen. Die Aktivitäten wer­ den durch äquivalente Stromdipole aus einem Elektroenze­ phalogramm bzw. Magnetoenzephalogramm bestimmt und lokali­ siert. Die anatomische Struktur des Gehirns wird über eine Abtastung mit einem Magnetresonanz-Bildgerät ermittelt. Nach der Abtastung steht ein dreidimensionaler Bilddaten­ satz zur Verfügung. Zur Verknüpfung der anatomischen Daten mit den lokalisierten äquivalenten Stromdipolen muß sowohl im Koordinatensystem des Bilddatensatzes wie auch im Koordinatensystem des EEG die Position von zumindest drei externen markanten Punkten, wie z. B. das Inion, das Nasion und eines weiteren Punktes, bekannt sein. Damit können die übrigen Daten über eine Koordinatentransformation mit einer Translation und einer orthogonalen Rotation zur Deckung gebracht werden.

Dieses Verfahren läßt sich prinzipell auch für Untersu­ chungen am Herzen anwenden. Nachteilig ist dabei jedoch, daß die Daten aus zwei Koordinatensystemen in Deckung ge­ bracht werden müssen, um den Ort der äquivalenten Strom­ dipole in einer Bilddarstellung der Anatomie markieren zu können.

Eine erste Vereinfachung des Verfahrens ergibt sich, wenn die Lokalisierung der Herzaktivität aus einem Magnetokar­ diogramm erfolgt und die anatomischen Daten über eine Ultraschall-Abtastung gewonnen werden, wie in der WO 92/04862 beschrieben ist. Erfolgt die Ultraschall-Abtastung ohne eine Umlagerung des Patienten, dann genügt es, daß das Koordinatensystem der Bilddaten und das Koordinatensystem Magnetokardiogramm-Daten einen festen Bezug zueinander haben. Die Verknüpfung der Daten erfolgt dann nach einer Kalibrierung der Koordinatensysteme zueinander. Nachteilig ist dabei zum einen der große apparative Aufwand zur Loka­ lisierung der Aktivität und zum anderen, daß die Daten in zwei Koordinatensystemen vorliegen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein einfach aufgebautes Gerät und ein einfaches Verfahren anzugeben, mit denen Bilddaten der anatomischen Struktur und lokali­ sierte Zentren intrakardialer Aktivität miteinander ver­ knüpft werden können.

Die erstgenannte Aufgabe wird durch ein Gerät mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst. Die zweitgenannte Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 ge­ löst. Der einfache Aufbau und das einfache Verfahren wird dadurch ermöglicht, daß die Bilddaten und die Magnetokar­ diogramm-Daten in demselben Koordinatensystem ermittelt werden.

Weitere Vorteile werden im Zusammenhang mit der Beschrei­ bung eines Ausführungsbeispiels angegeben, das im folgenden anhand einer Figur erläutert wird. Dabei zeigt:

Fig. 1 in einem Blockschaltbild den Aufbau eines Geräts zur Verknüpfung von Bilddaten der Anatomie mit lokali­ sierten Zentren intrakardialer elektrischer Akti­ vität.

Auf einer Patientenliege 2 befindet sich ein Patient 4, an dessen Oberkörper 6 eine Anzahl von etwa 30 bis 80 Elek­ troden 8 befestigt sind. Die Elektroden 8 sind um den ganzen Oberkörper verteilt, hier sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur drei Elektroden 8 dargestellt. Die Elektroden 8 sind mit einem Elektrokardiographie-Gerät (EKG-Gerät) 10 verbunden, mit dem der zeitliche Verlauf der Potentiale an den einzelnen Elektroden 8 aufgezeichnet werden kann. Die vielkanalige Erfassung der Potentiale am Oberkörper 6 ist auch unter der Bezeichnung EKG-Mapping be­ kannt.

Mit einem Positionserfassungssystem 12, das ein Betriebsge­ rät 14, einen Sender 16 und einen Empfänger 18 umfaßt, wird die Position der Elektroden 8 ermittelt. Das hier benutzte Positionserfassungssystem 12 arbeitet auf der Grundlage eines bekannten elektromagnetischen Verfahrens, bei dem der Sender 16 elektromagnetische Wellen aussendet, die mit dem als Antenne ausgebildeten Empfänger 18 empfangen werden. Das Betriebsgerät 14 ermittelt aus den Empfangssignalen neben den drei Raumkoordinaten des Ortes des Senders 16 auch drei Orientierungswinkel, die eine Aussage über die Richtung des Senders 16 im Raum ermöglichen. Ein derartiges Positionserfassungssystem 12 wird unter dem Namen "Bird" von der Fa. Ascension Technology Corp. Burlington, Vermont, USA, vertrieben. Es sind jedoch auch berührungslose Posi­ tionserfassungssysteme 12 einsetzbar, die den Ort und die Richtung eines frei beweglichen Teils des Positonserfas­ sungssystems 12 über Luft-Ultraschallwellen oder auch über Licht- oder Infrarotwellen ermitteln. Selbstverständlich sind auch Positionserfassungssysteme 12 einsetzbar, bei denen ein beweglicher Teil an einem Gelenkarm mit darin angeordneten linearen Positionsgebern oder Winkelgebern befestigt ist. Die Realisierung des Positionserfassungs­ system 12 als Gelenkarm ist jedoch in der Handhabung nicht so komfortabel.

Zur Erfassung der Position von am Rücken angeordneten Elektroden 8 können in der Patientenliege 2 entsprechende Ausnehmungen eingebracht sein, die hier jedoch nicht dar­ gestellt sind. Hier ist vielmehr die flache Kontur des Rückens durch die Kontur der Liegefläche der Patientenliege 2 ersetzt.

Der Ausgang des EKG-Geräts 10 und des Betriebsgeräts 14 sind mit den Eingängen einer Auswerteeinheit 20 verbunden, mit dem der Ort mindestens eines Zentrums der Aktivität in Abhängigkeit der mit dem Positionserfassungssystem 12 er­ faßten Positionen der Elektroden 8 aus dem zeitlichen Ver­ laufs des Elektrokardiogramms ermittelt wird. Von Vorteil ist hier, daß bei einer großen Anzahl von Elektroden 8, die in der Größenordnung von etwa 30 bis 80 liegt, und bei einer allseitigen Anordnung der Elektroden 8 auf dem Ober­ körper 6 des Patienten auf eine zusätzliche Erfassung der Kontur des Oberkörpers 6 verzichtet werden kann. Die Posi­ tionen der Elektroden 8 definieren dann ausreichend genau die Kontur des Oberkörpers 6. Ist die Anzahl der Elektroden kleiner oder soll die Genauigkeit erhöht werden, wird die Kontur des Oberkörpers 6 über die Abtastung weiterer Punkte bestimmt.

Auf der Grundlage der Kontur wird in der Auswerteeinheit 20 ein Körpermodell des Oberkörpers erstellt, worin die elek­ trischen Eigenschaften des Oberkörpers nachgebildet sind.

Ein geeignetes Körpermodell ist z. 3. in Bömmel, F. et al.: "Localization of current dipoles in the human heart with analytical and boundary element methods, 8th Int. Conf. on Biomagnetism, Münster, 18-24, 8. 1991, Book of Abstracts, 351-352 beschrieben.

Zur Bestimmung der Zentren der Herzaktivität werden ein oder mehrere Stromdipole nach Ort und Größe in einem iterativen Verfahren so lange variiert, bis eine durch die Stromdipole auf der Oberfläche des Körpermodells erzeugte Modellpotentialverteilung mit der gemessenen Potentialver­ teilung am besten übereinstimmt. Die dabei festgestellte Anzahl und Positionen der Stromdipole werden jeweils als Zentrum der Herzaktivität angesehen.

Ein dreidimensionaler Bilddatensatz wird mittels eines Ultraschall-Applikators 22, der mit einem Ultraschall-Bild­ gerät 24 verbunden ist, erstellt. Der Ultraschall-Appli­ kator 22 ist als mechanischer oder elektronischer Sektor­ scanner ausgebildet. Die Erstellung des dreidimensionalen Bilddatensatzes über Ultraschallabtastung ist im Gegensatz zur Magnetresonanz-Abtastung deshalb besonders vorteilhaft, weil sie ohne eine Umlagerung des Patienten erfolgen kann. Das ist eine Voraussetzung, damit die EKG-Daten und die Bilddaten in demselben Koordinatensystem aufgenommen werden können. Die Untersuchungsposition selbst kann beliebig sein, wenn gewährleistet ist, daß sie während der Unter­ suchung unverändert bleibt. Insbesondere kann die Untersu­ chung auch in der für die Ultraschallabtastung besonders günstigen Linksseitenlage durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß EKG und Ultraschallabtastung zeitlich zu­ sammenhängend stattfinden können und damit Änderungen der Herzlage z. B. aufgrund unterschiedlicher Magenfüllung vermieden werden.

Vereinfachend für den Aufbau der Vorrichtung ist es, daß die Position der Elektroden 8 und die Position des Ultra­ schall-Applikators 22 mit demselben Positionserfassungs­ system 12 ermittelt wird. Der Sender 16 ist dazu auf den Ultraschall-Applikator 22 aufgesteckt und die Spitze des Ultraschall-Applikators 22 ist als Abtaststift ausgebildet. Die Positionen der Elektroden 8 werden in einer festge­ legten Reihenfolge ermittelt, indem der Untersucher den Abtaststift und damit den Sender 16 zu den Elektroden 8 bringt. Wenn die als Abtaststift ausgeformte Oberfläche des Ultraschall-Applikators 22 den Mittelpunkt der Elektroden 8 berührt, werden die augenblicklichen Positionsdaten des Senders 16 vom Betriebsgerät als Position der jeweiligen Elektrode 8 an die Auswerteeinheit 20 weitergegeben. Diese Position kann z. B. automatisch beim Berühren oder mit Hilfe eines von Untersucher zu betätigenden Tasters abgegeben werden. Gegebenenfalls führt die Auswerteeinheit 20 noch eine Positionskorrektur durch, wenn der Sender 16 und der Abtaststift in einem größeren Abstand zueinander am Ultraschall-Applikator 22 angeordnet sind.

Der am Ultraschall-Applikator 22 angeordnete Abtaststift hat eine feste Relation zu der vom Ultraschall-Applikator 22 abgetasteten Schnittebene. Die Position des Ultraschall- Applikators 22 bei der Abtastung der Schnittebenen wird ebenfalls vom Betriebsgerät festgehalten, wobei gleich­ zeitig eine Zuordnung der abgetasteten Schnittebene zu der jeweiligen Position und der Richtung des Ultraschall-Appli­ kators 22 erfolgt. Der dreidimensionale Bilddatensatz kann sowohl vor der EKG-Messung als auch nach der EKG-Messung erstellt werden, solange gewährleistet ist, daß die Pa­ tientenlage unverändert bleibt.

Die Auswerteeinheit 20 und das Ultraschall-Bildgerät 24 sind mit einer Bilddarstellungseinheit 26 verbunden. Als Bilddarstellungseinheit 26 kann auch der Monitor des Ultraschall-Bildgerätes 24 benutzt werden. Die von der Auswerteeinheit 20 ermittelten Positionen der Stromdipole werden in einem Schnittbild markiert, wenn das Schnittbild diese Position umfaßt, bzw. in ein zu der Position nächst­ liegendes Schnittbild eingetragen. Es ist ebenso möglich, aus Originalbildern rekonstruierte Sekundärschnitte oder auch durch Interpolation erzeugte Schnittbilder zu ver­ wenden, um die Position genau im Schnittbild anzeigen zu können. Die Markierung der Position kann auch in einer Übersichtsdarstellung des Untersuchungsgebiets, wie z. B. in einer pseudo-dreidimensionalen Darstellung des Herzen, erfolgen.

Claims (7)

1. Gerät zum Verknüpfen mindestens eines aus einem Elektro­ kardiogramm lokalisierten Zentrums intrakardialer Aktivität mit einem Ultraschall-Schnittbild mit

• - einer Anzahl Elektroden (8), die an den Oberkörper (6) eines Patienten befestigbar sind,
• - einem mit den Elektroden (8) verbundenen Elektrokardio­ graphie-Gerät (10), das aus den von den Elektroden (8) gemessenen Potentialen ein Elektrokardiogramm der Aktivität ermittelt,
• - einem mit einem Ultraschallgerät (24) verbundenen Ultra­ schall-Applikator (22),
• - einem Positionserfassungssystem (12), mit dem die Posi­ tion der Elektroden (8) und die Position und Orientierung des Ultraschall-Applikators (22) ermittelt werden kann,
• - eine mit dem Positionserfassungssystem (12) und dem Elektrokardiographie-Gerät (10) verbundene Auswerteein­ heit (20) zur Bestimmung des Ortes intrakardialer Aktivität in Abhängigkeit der erfaßten Positionen der Elektroden (8) und des Elektrokardiogramms und
• - eine mit dem Ultraschallgerät (24) und der Lokalisie­ rungseinheit (20) verbundene Bilddarstellungseinheit (26) zur gleichzeitigen Anzeige das Ortes und des Ultraschall­ schnittbildes, worin sich der Ort befindet oder welches dem Ort am nächsten liegt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Positionserfassungssystem (12) zur Erfassung der Kontur des Oberkörpers (6) an weiteren Punkten ausgebildet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Teil des Positionser­ fassungssystems (12) mit dem Ultraschall-Applikator (22) verbunden ist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Applikator (22) als Abtaststift ausgebildet zur Erfassung der Positionen der Elektroden (8) und der wei­ teren Punkte.

5. Verfahren zum Verknüpfen mindestens eines aus einem Elektrokardiogramm lokalisierten Zentrums intrakardialer Aktivität mit einem Ultraschall-Schnittbild, bei dem am Oberkörper (6) eines Patienten zur Messung des Elektro­ kardiogramms eine Anzahl von Elektroden (8) angeordnet ist und bei dem zur Erstellung des Schnittbildes ein Gebiet um die intrakardiale Aktivität mit einem Ultraschall-Appli­ kator (22) abgetastet wird, mit den Schritten:

• a) Abgreifen von elektrischen Potentialen, die von der in­ trakardialen Aktivität verursacht werden, mittels der Elektroden (8),
• b) Erfassen der Elektrodenpositionen der Elektroden mit einem Positionserfassungssystem (12),
• c) Erstellen eines Körpermodells des Oberkörpers in Ab­ hängigkeit der erfaßten Elektrodenpositionen,
• d) Bestimmen des Ortes intrakardialer Aktivität aus dem Elektrokardiogramm mittels des Körpermodells,
• e) Erfassen einer Applikatorposition und einer Applikator­ orientierung des Ultraschall-Applikators (22) während der Erstellung mindestens eines Schnittbildes des Ge­ biets um die Aktivität,
• f) Markieren des mindestens einen Ortes in dem Schnittbild, worin der Ort liegt oder welches dem Ort am nächsten liegt und
• g) Anzeigen des Schnittbildes mit der Markierung.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kontur des Oberkörpers (6) an weiteren Punkten mit dem Positionserfassungssystem (12) erfaßt wird und daß das Körpermodell zusätzlich in Abhängigkeit der Position der weiteren Punkte erstellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (16) des Positionserfassungssystems (12) mit dem Ultraschall-Appli­ kator (22) verbunden ist und daß der Ultraschall-Applikator (22) als Abtaststift ausgebildet ist, mit dem die Elektrodenpositionen oder die Positionen der weiteren Punkte erfaßt werden.