DE4307545A1 - Device and method for determining the location and/or the extent of ischemias and/or infarcts in the heart of a patient - Google Patents

Device and method for determining the location and/or the extent of ischemias and/or infarcts in the heart of a patient

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DE4307545A1 DE19934307545 DE4307545A DE4307545A1 DE 4307545 A1 DE4307545 A1 DE 4307545A1 DE 19934307545 DE19934307545 DE 19934307545 DE 4307545 A DE4307545 A DE 4307545A DE 4307545 A1 DE4307545 A1 DE 4307545A1
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Abstract

A device for determining the location and/or the extent of ischemias and/or infarcts comprises a multichannel measuring system (2, 4) for measuring electric and/or magnetic field quantities (variables) which are generated by a cardiac activity during at least a portion of a cardiac cycle at a number of measuring points. Connected to the multichannel measuring system (2, 4) is a classifier (18) which is capable of learning and whose inputs can be fed input values which correspond to the measured values measured during the at least one portion of the cardiac cycle. The classifier (18) which is capable of learning is connected to a visual means (22) of representation which serves to display the location and/or the extent of the ischemia and/or of the infarct as a function of localisation data output at the outputs (20) of the classifier (18) which is capable of learning. Likewise claimed is a method for operating the device for locating ischemias and/or infarcts. <IMAGE>

Description

Ein Gerät und ein Verfahren zur Bestimmung des Ortes und/oder der Ausdehnung von Ischämien und/oder Infarkten im Herzen eines Lebewesens ist bekannt aus dem Artikel von RS Mac Leod/MJ Gardner/BM Horacek mit dem Titel: "Hochauflösende EKG-Mapping-Verfahren für Untersuchungen während Koronardilatation", erschienen in Biomedizinische Technik 35 (Ergänzungsband 1990), Seiten 236 bis 237. Dort wird das von der Herzaktivität verursachte elektrische Potential mit Hilfe von am Oberkörper angebrachten Elek troden gemessen und in einer Rekonstruktion daraus die Potentiale an der Herzoberfläche (epikardiale Potentiale) berechnet. An apparatus and method for determining the location and / or extent of ischemia and / or infarction in the heart of a living being is known from the article by RS MacLeod / MJ Gardner / BM Horacek entitled: "High-resolution ECG mapping method for examinations during coronary dilation ", published in Biomedical Engineering 35 (Suppl 1990), pages 236 to 237. There, the electrical potential caused by the heart activity is measured trodes with the help of attached to the upper body Elek and the potentials (in a reconstruction of it at the heart surface epicardial potentials) calculated. Die Verteilung und der zeitliche Verlauf der epikardialen Potentiale erlauben Rückschlüsse auf den Ort und die Ausdehnung von geschädigtem ischämischem Herzge webe. The distribution and the timing of the epicardial potentials allow conclusions on the location and extent of damaged tissue ischemic dukes. Jedoch läßt das Modell der epikardialen Potentiale bedeutende elektrophysiologische Eigenschaften, wie z. However, the model of epicardial potentials can be significant electrophysiological properties such. B. die endokardialen Potentiale sowie die Erregungsausbreitung im Herzen, außer acht. As the endocardial potentials and the excitation propagation in the heart, out of consideration.

Aus einem mit einem biomagnetischen Meßsystem gemessenen Magnetokardiogramm (MKG) läßt sich mit dem Modell des Infarktdipols, wie es in dem Artikel von M. Saarinen/T. From a measured with a biomagnetic measurement system magnetocardiogram (MCG) can be the model of Infarktdipols as in the article by M. Saarinen / T. Katile/J. Katile / J. Nenonen/M. Nenonen / M. Seppaenen/P. Seppänen / P. Siltenen mit dem Titel: "Simulated and measured magnetocardiogramms in localized inyocardial abnormalities" erschienen in "Biomagnetism: Applications and Theory, herausgegeben von H. Weinberg und T. Katila, Pergamon Press, New York, 1985, Seiten 59 bis 63, generell ein einzelner Ort rekonstruieren. Aussagen über an mehreren Orten gleichzeitig auftretenden Ischämien und über Infarkte mit gesprenkelter Geometrie sind mit einem vernünftigen Rechenaufwand nicht mehr möglich. Siltenen entitled "Simulated and Measured magneto cardio program in localized inyocardial abnormalities" published in "Biomagnetism: Applications and Theory, edited by H. Weinberg and T. Katila, Pergamon Press, New York, 1985, pages 59 to 63, generally a single place reconstruct. statements about simultaneously occurring at several locations ischemia and infarction with speckled geometry are no longer possible with a reasonable computational effort.

Bei der Bestimmung des Ortes und/oder der Ausdehnung von Ischämien oder Infarkten ergibt sich das Problem, daß ein fache Quellenmodelle, wie der Einzeldipol, die Elektro physiologie des Herzens nicht ausreichend genau nachbilden und somit nur begrenzt gültige Aussagen über den Ort und die Ausdehnung geben. In determining the location and / or extent of ischemia or infarction, the problem arises that a multiple source models, such as the Einzeldipol, the electric physiology not replicate sufficiently accurate and thus provide only limited statements about the location and extent of the heart , Wünschenswerte komplexere Rechen modelle sind jedoch so rechenzeitaufwendig, daß sie einer Anwendung in der klinischen Praxis im Wege stehen. However Desirable complex computing models are so computationally expensive that they are an application in clinical practice in the way.

Aus dem Artikel von UR Abeyratne/Y. The article by UR Abeyratne / Y. Kinouchi/H. Kinouchi / H. Oki/J. Oki / J. Okada/F. Okada / F. Shichÿo/K. Shichÿo / K. Matsumoto mit dem Titel: "Artificial Neural Networks for Source Localisation in the Human Brain", erschienen in Brain Topography, Vol.4, No.1, 1991, pp. Matsumoto entitled: "Artificial Neural Networks for Source Localization in the Human Brain", published in Brain Topography, Vol.4, No.1, 1991, pp. 3 bis 21, ist bekannt, zur Lokalisation von Einzeldi polen einen lernfähigen Klassifikator in Form eines ent sprechend trainierten neuronalen Netzes zu verwenden. 3 to 21, is known for the localization of Einzeldi Poland an adaptive classifier in the form of an accordingly trained neural network to use. Dem neuronalen Netz werden die von einem Vielkanalmeßsystem zu einem Zeitpunkt gemessenen Felder einer elektrophysiologi schen Aktivität zugeführt. The neural network measured by a Vielkanalmeßsystem at a time fields of an electrophysiological activity rule will be applied. Daraus bildet das neuronale Netz sechs Ausgangsgrößen, die den Parametern eines Dipols ent sprechen. From this, the neural network is six output variables, which speak to the parameters of a dipole ent. Jedoch benutzt das neuronale Netz zur Quellen lokalisation lediglich die zu einem einzigen Zeitpunkt ge messene Information. However, the neural network to sources used localization only the ge at a single time-measured information. Ischämien oder Infarkte lassen sich auf der Grundlage dieses Lokalisierungsverfahrens nicht be stimmen. Ischaemia or infarction can not be voting be based on this localization process.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Gerät und ein Verfahren anzugeben, womit der Ort und/oder die Ausdeh nung von Ischämien und/oder Infarkten aus elektro- und/oder magnetokardiographischen Meßwerten bestimmt werden kann. The invention now has for its object to provide an apparatus and method whereby the location and / or the Ausdeh voltage of ischemias and / or infarcts of electrical and / or magnetocardiographic measured values ​​can be determined.

Die erstgenannte Aufgabe wird durch ein Gerät mit den Merk malen des Anspruchs 1 gelöst. The first-mentioned object is achieved by an apparatus having the characteristics set of claim 1. Die zweitgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. The second-mentioned object is achieved by a method having the features of claim 15.

Die Verwendung eines lernfähigen und entsprechend trai nierten Klassifikators erlaubt es, ein komplexes Herzmodell zu verwenden, das die elektrophysiologischen Eigenschaften von Ischämien und/oder Infarkten genau nachbildet. The use of a trainable and correspondingly trai ned classifier makes it possible to use a complex heart model that accurately simulates the electrophysiological properties of ischemia and / or infarction. Der lernfähige Klassifikator kann mit dem Modell trainiert wer den, wobei der zum Training benötigte Rechenaufwand nur einmal betrieben werden muß und entsprechend hoch sein darf. The adaptive classifier can be trained with the model who the, the computational effort required for training must only be used once and must be correspondingly high. Dagegen ermöglicht der einmal trainierte Klassifika tor die Erkennung und Lokalisation des geschädigten Herzge webes aus den gemessenen Feldgrößen in kurzer Zeit. By contrast, allows the once trained Klassifika tor the detection and localization of the damaged tissue disorders dukes from the measured field sizes in a short time. Mit anderen Worten: trotz eines die Wirklichkeit gut nachbil denden komplexen Modells läßt sich in akzeptabler Zeit krankhaftes Gewebe erkennen und lokalisieren. In other words, in spite of the reality well Nachbil Denden complex model can be seen abnormal tissue and localize within an acceptable time.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Anzahl der Eingänge der Anzahl der insgesamt abge tasteten Meßwerte eines Herzzyklus entspricht. An advantageous embodiment is characterized in that the number of inputs to the number of total abge keyed measured values ​​of a cardiac cycle corresponds. Alle in den Meßwerten vorhandenen Informationen können damit ohne Datenkompression ausgewertet werden. All information contained in the measured values ​​can thus be evaluated without data compression.

Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Herzzyklus in bis zu 200 Abtastzeitpunkte unterteilt ist. A further embodiment is characterized in that the cardiac cycle is divided into up to 200 sampling points. Damit kann eine zur Lokalisierung von Ischämien und/oder Infarkten ausreichende Information aus dem zeit lichen Verlauf der Meßwerte gewonnen werden. This allows one to be extracted from the time course of the measured values ​​handy for locating ischemia and / or infarction sufficient information.

Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Abstand der Abtastzeitpunkte im QRS-Komplex des Herz zyklus geringer ist als im übrigen Bereich des Herzzyklus. A further embodiment is characterized in that the distance of the sampling in the QRS complex of the cardiac cycle is lower than in the remaining region of the cardiac cycle. Diese dem Herzzyklus angepaßte Abtastung erzeugt weniger redundante Information als eine nicht angepaßte Abtastung in gleichen Zeitabständen. This is adapted to the cardiac cycle sampling produces less redundant information as an unmatched scanning at equal time intervals.

In Abhängigkeit der Anforderungen an die Genauigkeit der Erkennung von krankhaftem Gewebe beträgt die Anzahl der Meßpunkte zwischen ungefähr 20 und 256. Eine für normale Anwendung ausreichende Genauigkeit wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht, daß die Anzahl der Meßpunkte 30 bis 64 beträgt. Depending on the requirements on the accuracy of the detection of diseased tissue, the number of measurement points between about 20 and 256. A is sufficient for normal application precision is achieved in a further advantageous embodiment in that the number of measurement points 30-64 is.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist jedem Ausgang ein Bereich des Herzmodells zugeordnet. In a further advantageous embodiment, each output is associated with a region of the heart model. Durch die Zusammenfassung in größere Bereiche ergibt sich eine günstige Struktur für den Klassifikator. By consolidating into larger areas results in a favorable structure for the classifier.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich da durch aus, daß der Klassifikator so trainiert ist, daß die Werte an den Ausgängen ein Maß für die Ausdehnung der Ischämien und/oder der Infarkte um die Mittelpunkte der den Ausgängen entsprechenden Bereiche darstellt. A further advantageous embodiment is characterized by that from that the classifier is trained so that the values ​​at the outputs represents a measure of the extent of the ischemia and / or infarction at the centers of the respective areas of the outputs.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Ort und/oder die Ausdehnung graphisch dargestellt. In a further advantageous embodiment of the location and / or the expansion is plotted.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Herzmodell aus einer der Physiologie entsprechenden Anord nung von Modell-Herzzellen, denen elektrophysiologische Herzparameter zugeordnet sind, wobei in der Praxis drei Parameter, nämlich Erregungsausbreitungsgeschwindigkeit, Refraktärzeit und Aktionspotentialform ausreichend sind zur Modellierung von krankhaftem Gewebe. In a further advantageous embodiment of the heart model from a physiology corresponding Anord consists voltage of model cardiac cells to which are associated electrophysiological cardiac parameters, in practice, three parameters, namely excitation propagation rate, refractory period and action potential shape sufficient for modeling of diseased tissue.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Figuren erläutert. The invention is explained below with reference to two figures. Dabei zeigt: In which:

Fig. 1 die Struktur eines Geräts zur Bestimmung des Ortes und/oder die Ausdehnung von Ischämien und/oder Infark ten und Fig. 1 th the structure of an apparatus for determining the location and / or the incidence of ischaemia and / or Infark and

Fig. 2 eine Variante des Geräts nach Fig. 1 mit einer Daten kompressionsstufe. Fig. 2 compression stage a variant of the apparatus of Fig. 1 with a data.

In Fig. 1 ist mit 2 als Vielkanalmeßsystem ein Magnetokar diogramm-Gerät (MKG-Gerät) symbolisiert, wie es vom grundsätzlichen Aufbau her aus der US-PS 5 152 288 bekannt ist. In Fig. 1, with 2 as a Vielkanalmeßsystem Magnetokar diogramm device (MKG device) symbolizes, as is known from the basic design of U.S. Patent 5,152,288. Das dort offenbarte MKG-Gerät umfaßt eine 12-Kanal- Meßanordnung, mit der berührungslos und gleichzeitig an 12 Meßpunkten ein von einer elektrophysiologischen Aktivität erzeugtes Magnetfeld gemessen werden kann. The disclosed MKG device comprises a 12-channel measuring arrangement, a signal generated by an electro-physiological activity magnetic field can be measured with the contact and at the same time at 12 measuring points. Da hier ischämische oder infarzierte Bereiche und nicht nur ein zelne Punkte im Herzen lokalisiert werden sollen, werden mindestens etwa 20 Meßkanäle benötigt. Because here ischemic or infarcted areas and not just indi vidual points should be located in the heart, at least about 20 measurement channels are required. Ein derartiges Gerät ist in dem Artikel von Schneider et al. Such a device is described in the article by Schneider et al. mit dem Titel U.Multichannel Biomagnetic System for Study of Electrical Activity in the Brain and Heart" erschienen in Radiology, Vol. 176, No. 3, Sept. 1990, pp. 825-830, beschrieben. In Abhängigkeit der bei der Auswertung erzielbaren Genauigkeit steigt die Anzahl der Meßkanäle auf bis zu 256. Ein guter Kompromiß zwischen dem apparativen Aufwand und der Genauigkeit liegt bei etwa 30 bis 60 Meßkanälen. entitled U.Multichannel Biomagnetic System for Study of Electrical Activity in the Brain and Heart appeared "in Radiology, Vol. 176, No. 3, September 1990, pp. 825-830, described below. Depending on the recoverable in the evaluation accuracy increases the number of measuring channels up to 256. A good compromise between the apparatus complexity and the accuracy is approximately 30 to 60 measurement channels.

Von der Herzaktivität erzeugte Potentiale auf der Körper oberfläche können ebenfalls mit einem Elektrokardiographie- Gerät 4 (EKG-Gerät) als Vielkanalmeßsystem gemessen werden. Of heart activity generated potentials on the body surface 4 (ECG) can also be measured as Vielkanalmeßsystem with a electrocardiograph device. Jedoch muß das EKG-Gerät 4 eine gegenüber einem Standard- EKG-Gerät mit 12 Kanälen erhöhte Anzahl von Meßkanälen um fassen. However, the ECG unit 4 must take a relative to a standard ECG device with 12 channels increased number of measurement channels in order. Die Anzahl der benötigten Meßkanäle liegt in dem selben Bereich wie bei dem MKG-Gerät 2 . The number of required measurement channels is in the same range as in the maxillofacial unit. 2 Das MKG-Gerät 2 und/oder das EKG-Gerät 4 sind mit einer Signalverarbei tungsschaltung 6 verbunden. The MKG device 2 and / or the ECG device 4 are processing circuit 6 connected to a Signalverarbei. Die Signalverarbeitungsschal tung 6 dient der Anpassung und Aufbereitung der Meßwerte des MKG-Gerätes 2 und des EKG-Gerätes 4 . The signal processing TIC 6 is used for adapting and processing of the measured values of the MKG device 2 and the ECG device. 4 Die Signalverar beitungsschaltung 6 umfaßt in jedem Kanal einen Verstärker, ein Bandpaßfilter, einen Abtaster 7 und eine nachfolgende Digitalisierungsstufe. The Signalverar beitungsschaltung 6 comprises an amplifier in each channel, a band pass filter, a sampler 7 and subsequent digitization stage. Gegebenenfalls werden darin auch die Meßwerte über mehrere Herzzyklen gemittelt. If necessary, the measured values ​​are averaged over several cardiac cycles in it.

Eine Auswerteeinheit 8 ist mit den Ausgängen der Signalver arbeitungsschaltung 6 verbunden. An evaluation unit 8 is connected to the outputs of the Signalver processing circuit 6 is connected. Die Auswerteeinheit 8 um faßt ein Schieberegister 10 , dessen Eingänge 12 mit der Signalverarbeitungsschaltung 6 verbunden sind. The evaluation unit 8 to summarizes a shift register 10 whose inputs 12 are connected to the signal processing circuit. 6 Das Schiebe register 10 dient der Zwischenspeicherung der seriell ein laufenden abgetasteten Meßwerte aus mindestens einem Herz zyklus. The shift register 10 is used for intermediate storage of the series a current sampled measured values from at least one cardiac cycle. Die Anzahl der Schieberegistereingänge 12 ist iden tisch mit der Anzahl der Meßpunkte oder Meßkanäle. The number of shift register 12 inputs is identical table with the number of measuring points or measuring channels. Die Länge des Schieberegisters 10 ist ausreichend um die Ab tastwerte zumindest eines Teils eines Herzzyklus, jedoch vorzugsweise eines vollständigen Herzzyklus, zwischen speichern zu können. The length of the shift register 10 is sufficient to sample values from at least a portion of a cardiac cycle, but preferably of a complete cardiac cycle, to save between. Am Ende des Herzzyklus stehen an Aus gängen 14 des Schieberegisters 10 gleichzeitig alle abge tasteten Meßwerte zur Ausgabe bereit. At the end of the cardiac cycle simultaneously all compatible groped measured values are available for output to from junctions 14 of the shift register 10th Die Anzahl der Schie beregisterausgänge 14 entspricht somit der Gesamtzahl der Meßwerte, die während eines Herzzyklus aufgenommen werden. The number of shift beregisterausgänge 14 thus corresponds to the total number of measured values, which are taken during a cardiac cycle.

Die Schieberegisterausgänge 14 sind mit Eingängen 16 eines als neuronales Netz ausgebildeten lernfähigen Klassifi kators 18 verbunden, der ebenfalls zur Auswerteeinheit 8 gehört. The shift register outputs 14 are connected to inputs 16 of a trained neural network as an adaptive classifi kators 18, which also belongs to the evaluation unit. 8

Eine spezielle Hardware, auf der ein geeignetes neuronales Netz ablauffähig ist, ist in dem Artikel von Ramacher, U.; A special hardware on which a suitable neural network can be run, is in the article by Ramacher, U .; Raab, W.; Raab, W .; Anlauf, J.; Start-up, J .; Hachmann, U.; Hachmann, U .; Wesseling, M. mit dem Titel "Synapse X:A general Purpose Neurocomputer", er schienen in Proc. Wesseling, M. titled "Synapse X: A general purpose neural computer", he appeared in Proc. II Int. II Int. Conf. Conf. on Micro Electr. on Micro Electr. for Neural Networks, 1991, beschrieben. for Neural Networks, described the 1,991th

Da nicht alle Meßwerte zeitlich miteinander korreliert sind, ist hier ein teilvernetztes neuronales Netz 18 ein gesetzt. Since not all measured values are correlated with each other in time, here a partially crosslinked neural network is a set 18th An den Ausgängen 20 des neuronalen Netzes 18 wer den Werte ausgegeben, die ein Maß für den Ort und Ausdeh nung von Ischämien und/oder Infarkten ist. 18 who go to the outputs 20 of the neural network the values that voltage is a measure of the place and Ausdeh of ischemia and / or infarction. In Abhängigkeit der gewünschten Auflösung bei der Lokalisation umfaßt das neuronale Netz 10 bis 200 Ausgänge. Depending on the desired resolution in the localization of the neural network comprising 10 to 200 outputs. Die Ausgänge 20 des neuronalen Netzes 18 sind mit visuellen Darstellungsmitteln 22 verbunden, die eine Graphikeinheit 24 umfaßt. The outputs 20 of the neural network 18 are connected to visual display means 22 comprising a graphics unit 24th Die Graphikeinheit 24 bereitet die an den Ausgängen 20 ausgege benen Werte auf, um dem Betrachter in einer graphischen Darstellung eine gute Vorstellung über Lage und/oder Aus dehnung des geschädigten Bereichs auf einem Bildschirm 26 geben zu können. The graphics unit 24 processes the ausgege at the outputs 20 surrounded values, to give the viewer a graph showing a good idea about the location and / or from expansion of the damaged area on a screen 26th Gleichzeitig können die Meßwerte in einem Protokoll 28 festgehalten werden. At the same time, the measured values can be recorded in a protocol 28th

Jedem Ausgang 20 ist ein Bereich des Herzmodells zugeord net. Each output net 20 is an area of the heart model zugeord. Die an den Ausgängen 20 ausgegebenen Lokalisierungs daten sind ein Maß für die Ausdehnung eines geschädigten Gebiets. The localization outputted at the outputs 20 data are a measure of the extent of the damaged area. Beispielsweise bedeutet eine "Null" an einem Aus gang 20 , daß in dem entsprechenden Bereich nur gesundes Ge webe vorhanden ist, während eine "Eins" bedeutet, daß das gesamte Gebiet geschädigt ist. For example, a "zero" on an off means gear 20 that in the corresponding area only healthy tissue Ge is present, while a "one" means that the entire area is damaged. Zwischenwerte besagen, daß entsprechende kleinere Bereiche geschädigt sind. Intermediate values ​​indicate that corresponding smaller areas are damaged.

In einer Variante ist in Fig. 2 dem neuronalen Netz 18 eine Datenkompressionsstufe 29 vorgeschaltet. In a variant in Fig. 2 the neural network is connected upstream of 18, a data compression stage 29. Damit kann die An zahl der Eingänge 16 verringert werden, was sich wiederum günstig auf das Training des neuronalen Netzes auswirken kann. In order for the to be number of inputs 16 decreases, which in turn can have a positive effect on the training of the neural network. Durch die Datenkompressionsstufe kann gleichzeitig die Anzahl der zum Training benötigten Muster deutlich ver kleinert werden, weil die Anzahl der zu bestimmenden Para meter beim Training, nämlich die Anzahl der Neuronen und Gewichte, kleiner ist. By the data compression stage, the number of required for training pattern can be downsized significantly ver the same time, because the number to be determined para meters in training, namely the number of neurons and weights, is smaller. Die Datenkompressionsstufe 29 ar beitet z. The data compression stage 29 ar beitet z. B. nach dem Verfahren der Hauptkomponentenzerle gung, wobei die jeweils zu einem Zeitpunkt vorliegenden Meßwerte aller Kanäle als n-dimensionaler Vektor betrachtet werden, n ist dabei die Anzahl der Meßkanäle. B. supply according to the method of the Hauptkomponentenzerle, the present one at a time measured values ​​of all channels are considered as an n-dimensional vector where n is the number of measuring channels.

Neben einer Kompression durch Filterung und Stauchung be züglich des Zeitverlaufs der Meßwerte ist auch eine Kom pression bezüglich der Anzahl der zu verarbeitenden Zeit reihen oder Meßkanäle möglich. In addition to a compression by filtering and compression züglich be the time course of the measured values ​​is also a com pression on the number of rows to be processed time or measurement channels possible. Dazu bietet sich das schon oben erwähnte Verfahren der Hauptkomponentenzerlegung an oder auch ein neuronales Kompressionsnetzwerk, wie es in der deutschen Patentanmeldung P 42 07 595.5 beschrieben ist. These already mentioned above method of principal component analysis offers the or a neural network compression, as described in German Patent Application P 42 07 595.5.

Das neuronale Netz 18 ist erst dann entsprechend leistungs fähig, wenn es mit einer Vielzahl von Feldmustern, die charakteristisch für Lage und Ausdehnung der Ischämie und/oder des Infarktes sind, trainiert worden ist. The neural network 18 is accordingly capable of power only when it has been trained with a plurality of field patterns that are characteristic for the location and extent of the ischemia and / or infarction. Dazu kann ein Herzmodell verwendet werden, wie es in dem Artikel von R. Killmann, P.; To a heart model can be used as described in the article by R. Killmann, P .; Wach F.; Wax F .; Dienstl, unter dem Titel: "Three-dimensional Computermodell of the entire human heart for simulation of reentry and tachycardia: gap phenomeon and Wolff-Parkison-White syndrome" Basic Research in Cardiology 86, 1991, pp. Serv, under the title: "Three-dimensional computer model of the human heart for Entire simulation of reentry and tachycardia: gap phenomeon and Wolff-Parkinson-White syndrome" Basic Research in Cardiology 86, 1991, pp. 485-501, beschrieben ist. 485-501, is described. In dem Herzmodell ist das Herz in Volumenzellen aufgeteilt, die entsprechend der Herzphysiologie zusammenhängen. In the heart model in the heart cells volume is divided, according to the related cardiac physiology. Jeder Zelle sind elektrophysiologische Parameter zugeordnet. Each cell are associated with electrophysiological parameters. Hier werden die Parameter Erregungsausbreitungsgeschwindigkeit, Refraktärzeit und Aktionspotentialform den Zellen zuge ordnet. Here, the parametric excitation propagation velocity, refractory period and action potential shape of the cells are fed assigns. Sie können im Rahmen des physiologisch Sinnvollen frei gewählt werden. They can be freely selected within the physiologically meaningful. Die Zellen haben eine Ausdehnung von ca. 2,5 mm. The cells have an extension of approximately 2.5 mm. Ausgehend von einer Erregung am Sinusknoten werden darauffolgend bei der Erregungsausbreitung die ein zelnen Volumenzellen aktiviert entsprechend den ihnen zu geordneten elektrophysiologischen Parametern. On the basis of an excitation on the sinus node which an individual volume cells are activated according to their electrophysiological parameters to parent subsequently in the excitation propagation. Die Erre gungsausbreitung ist begleitet von einem elektrischen und magnetischen Feld, das dann an den den Meßorten entspre chenden Modellorten berechnet werden kann. The supply Erre propagation is accompanied by an electric and magnetic field which the measurement locations entspre sponding model locations can be calculated on the. Den berechneten Werten kann zu Trainingszwecken noch Rauschen überlagert werden. The calculated values ​​can for training yet noise are superimposed.

Zur Beschreibung des ischämischen und/oder infarzierten Bereichs wird das Herzmodell in 10 bis 200 Bereiche aufge teilt, wobei angenommen wird, daß ein geschädigtes Gebiet im Mittelpunkt des Bereichs mit einer entsprechenden Aus dehnung angeordnet ist. For a description of ischemic and / or infarcted region, the heart model is used in 10 to 200 portions splits up, wherein it is assumed that a damaged region is disposed in the expansion center of the region with a corresponding corner.

Im Training werden die den einzelnen Neuronen des neuro nalen Netzes 18 zugeordneten Gewichtsfaktoren bestimmt. In workout allocated to the individual neurons of the neuro-dimensional network 18 weight factors are determined. Zu Beginn des Trainings sind alle Gewichte mit zufälligen Wer ten belegt. At the beginning of training all weights with random About ten occupied. Bei manchen Netzwerktypen ist es möglich, Vor wissen über den modellierten Prozeß, hier die Bestimmung von Ort und Ausdehnung aus den Meßwerten, durch eine Vor belegung der Gewichte vor dem Training einzubringen. For some types of networks, it is possible before to know about the modeled process to bring here the determination of the location and extent of the measured values, by an on assignment of the weights before training. Das wirkt sich ggf. günstig auf die zum Training benötigte Zeit oder auf die Stabilität des Trainingsprozesses aus, insbe sondere wenn eine große Anzahl von Gewichten belegt werden muß. This has a favorable effect on the possibly required for training time or on the stability of the training process from, in particular sondere when a large number of weights must be assigned. Die Vorbelegung kann z. The default setting for can. B. über ein K-means clustering oder K-nearest neighbour clustering erfolgen. Example, via a K-means clustering or K-nearest neighbor clustering.

Zum Training werden nun in willkürlicher und zufälliger Reihenfolge die elektrophysiologischen Parameter entspre chend der Modell-Ischämie und/oder des Modell-Infarktes im Herzmodell variiert. For training purposes the electrophysiological parameters are now in an arbitrary and random order accordingly the model ischemia and / or infarction model varies in the heart model. Das Training kann auch nach dem Ver fahren der Permutation, dh in einer Epoche werden dem Netzwerk 18 alle Trainingswerte in zufälliger Reihenfolge angeboten, oder dem Verfahren des Batch-Learning, dh in einer Epoche werden dem Netzwerk 18 alle Trainingswerte in vorgegebener Reihenfolge angeboten, erfolgen. Training can even after the United drive the permutation, ie in a period are offered to the network 18 all training values in random order, or the procedure of the batch learning, ie in a period are offered to the network 18 all training values in a predetermined order, carried , Als Epoche ist hier der Ausschnitt aus der Trainingsphase definiert, in dem das neuronale Netz 18 alle Lernmuster einmal zum Training angeboten bekommt. As the epoch of detail of the training phase is defined here, in which the neural network gets offered all learning patterns once the training 18th Der Vorteil von stochastischem Lernen besteht darin, daß das Netzwerk 18 nicht die Reihen folge der Trainingsdaten lernt. The advantage of stochastic learning is that the network 18 does not follow the ranks of learning training data. Ein zusätzlicher Vorteil der Permutation ist auch, daß das Netzwerk alle Trainings daten gleich häufig - und zwar in jeder Epoche - sieht. An additional advantage of the permutation is that the network all the training data equally often - seen - in any era. Bei der Permutation konvergiert das Training auch schneller als beim Batch-Learning. In the permutation training converges faster than with batch learning.

In Fig. 1 und 2 ist die Trainingsphase durch die Funktions blöcke 30 , 32 und 34 symbolisiert. In Figs. 1 and 2, the training phase is the function blocks by 30, 32 and 34 symbolizes. Der Funktionsblock 30 stellt das oben angegebene Herzmodell mit der Aufteilung in Volumenelemente dar. Der Funktionsblock 32 variiert den Ort und die Ausdehnung von den Modell-Ischämien oder/oder Mo dell-Infarkten. The function block 30 provides the heart model above is with the division into volume elements. The function block 32 varies the location and extent of the ischemia model and / or Mo dell infarction. In der Recheneinheit 34 wird nun ein von dem eingestellten Herzmodell erzeugtes magnetisches und/ oder elektrisches Feld an den Modellmeßpunkten berechnet und über das Schieberegister den Eingängen 16 des neuro nalen Netzes 18 zugeführt. In the arithmetic unit 34 a signal generated by the set heart model magnetic and / or electric field is now calculated on the Modellmeßpunkten and supplied via the shift register to the inputs 16 of the neuro-dimensional network 18th Den Ausgängen 20 wird in der Trainingsphase der Ort und die Ausdehnung der den Rechen werten zugrundeliegenden Modell-Ischämie und/oder des Mo dell-Infarktes zugeführt. The outputs 20 is fed in the training phase, the location and extent of the underlying model ischemia evaluate the rake and / or the Mo-dell infarction. Über eine interne Rückkopplung im neuronalen Netz 18 werden daraus die den versteckten Neuronen zugehörenden Gewichte eingestellt. The hidden neurons belonging weights are set therefrom via an internal feedback in the neural network 18th

Die Trainingsphase des neuronalen Netzes kann in Abhängig keit von der Komplexität des Herzmodells bis zu mehrere Stunden oder Tage Rechenzeit benötigen. The training phase of the neural network can be up to several hours or days required in Dependent speed of the complexity of the heart model of computing time. Ist jedoch das neuronale Netz 18 einmal trainiert, dh die Gewichte be stimmt, kann das neuronale Netz 18 in kurzer Zeit aufgrund der Eingangsdaten die entsprechenden Ausgangsdaten ausge ben. However, the neural network 18 once trained, ie the weights right be, the neural network 18 may be ben in a short time due to the input data, the corresponding output data.

Claims (27)

1. Gerät zur Bestimmung des Ortes und/oder der Ausdehnung von Ischamien und/oder Infarkten im Herzen eines Lebewesens mit 1. Device for determining the location and / or extent of Ischamien and / or infarctions in the heart of a living being with
  • - einem Vielkanalmeßsystem ( 2 , 4 ) zum Messen von elektri schen und/oder magnetischen Feldgrößen, die von einer Herzaktivität erzeugt werden, während mindestens eines Teils eines Herzzyklus an einer Anzahl von Meßpunkten, - a Vielkanalmeßsystem (2, 4) for measuring electrical rule and / or magnetic field quantities produced by a cardiac activity during at least part of a cardiac cycle at a number of measuring points,
  • - einem mit dem Vielkanalmeßsystem ( 2 , 4 ) verbundenen trai nierten lernfähigen Klassifikator ( 18 ), dessen Eingängen ( 16 ) Eingangswerte zuführbar sind, die den während des mindestens einen Teils des Herzzyklus gemessenen Meß werten entsprechen, wobei dem lernfähigen Klassifikator ( 18 ) durch Zuführen von Trainingsdaten, die den Feld größen an den Meßorten entsprechen, an die Eingänge ( 16 ) trainiert ist, welche Trainingsdaten mit Hilfe eines Herzmodells berechnet werden, das den Erregungsverlauf des Herzens während des Herzzyklus aus variierten Orten und variierten Ausdehnungen von Modell-Ischämien und/oder Modell-Infarkten nachbildet, und wobei an Ausgängen des lernfähigen Klassifikators ( 18 ) Lokalisationsdaten aus gegeben werden können, die dem Ort und/oder der Ausdeh nung der Ischämie und/oder des Infarktes entsprechen, und - trai connected one with the Vielkanalmeßsystem (2, 4) ned trainable classifier (18), whose input (16) input values are supplied corresponding to evaluate the during the at least measured one part of the cardiac cycle measuring, wherein by the trainable classifier (18) supplying training data, the sizes of the field corresponding to the measurement locations, to the inputs (16) is trained, which training data is computed using a heart model, which the excitation curve of the heart during the cardiac cycle from varied locations, and varying extents of model ischaemia and / reproduces or infarction model, and wherein at the outputs of the trainable classifier (18), localization data may be given, the voltage of the location and / or the Ausdeh of ischemia and / or infarction of the corresponding, and
  • - einem mit dem lernfähigen Klassifikator ( 18 ) verbundenen visuellen Darstellungsmittel ( 21 ) zum Anzeigen des Ortes und/oder der Ausdehnung der Ischämie und/oder des In farktes in Abhängigkeit der Lokalisierungsdaten. - visual display means associated with the one trainable classifier (18) (21) for displaying the location and / or the extent of the ischemia and / or In farktes in dependence of the location data.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der mindestens eine Teil des Herzzyklus den QRS-Komplex und die ST-Strecke umfaßt. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the at least one portion of the heart cycle comprises the QRS complex and the ST segment.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Anzahl der Eingänge ( 16 ) der Anzahl der insgesamt abgetasteten Meßwerte eines Herzzyklus entspricht. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the number of inputs (16) corresponds to the total number of sampled measured values of a cardiac cycle.
4. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß vor dem lernfähigen Klassi fikator ( 18 ) eine Datenkompressionsstufe ( 29 ) angeordnet ist und daß die Anzahl der Eingänge ( 16 ) geringer ist als die Anzahl der insgesamt abgetasteten Meßwerte. 4. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that a data compression stage (29) is arranged in front of the trainable classification fikator (18) and that the number of inputs (16) is less than the total number of sampled measured values.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abtaster ( 7 ) zwischen dem Vielkanalmeßsystem ( 2 , 4 ) und dem neuronalen Netz ( 18 ) angeordnet ist, der die während des Teils des Herzzyklus gemessenen Meßwerte in allen Kanälen gleich zeitig an bis zu 200 Abtastzeitpunkten abtastet. 5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that a scanner (7) between the Vielkanalmeßsystem (2, 4) and the neural network (18) is arranged, the measured during the part of the cardiac cycle measured values in all the channels simultaneously scanning at up to 200 sampling instants.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Abtaster ( 7 ) geeignet ist, den Abstand der Abtastzeitpunkte im QRS-Komplex des Herzzyklus geringer zu wählen als im übrigen Bereich des Herzzyklus. 6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the scanner (7) is adapted to select the distance of the sampling in the QRS complex of the cardiac cycle is lower than in the remaining region of the cardiac cycle.
7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Meß punkte ungefähr 20 bis 256 beträgt. 7. An apparatus according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the number of measurement points is about 20 to 256th
8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anzahl der Meßpunkte ungefähr 30 bis 64 beträgt. 8. Apparatus according to claim 7, characterized in that the number of the measurement points is about 30 to 64th
9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Ausgang ( 20 ) ein Bereich des Herzmodells zugeordnet ist. 9. An apparatus according to any one of claims 1 to 8, characterized in that each output (20) a portion of the heart model is assigned.
10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der lernfähige Klassifikator ( 18 ) so trainiert ist, daß die Lokalisierungsdaten ein Maß für die Ausdehnung der Ischämien und/oder der Infarkte um die Mittelpunkte der den Ausgängen ( 20 ) entsprechenden Bereiche darstellen. 10. Apparatus according to claim 9, characterized in that the trainable classifier (18) is trained so that the localization data is a measure of the extent of the ischemia and / or infarction at the center points of the outputs (20) corresponding areas.
11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß das visuelle Darstellungsmittel ( 22 ) geeignet ist, den Ort und/oder die Ausdehnung graphisch darzustellen. 11. An apparatus according to any one of claims 1 to 10, as characterized by that the visual display means (22) is adapted to display the location and / or the extension graphically.
12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß das Herz modell aus einer der Physiologie entsprechenden Anordnung von Modell-Herzzellen besteht, denen elektrophysiologische Herzparameter zugeordnet sind. 12. An apparatus according to any one of claims 1 to 11, as by in that the core consists of a model of the physiology corresponding array of model cardiac cells to which are associated electrophysiological cardiac parameters.
13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die elektrophysiologischen Parameter die Erregungsausbreitungsgeschwindigkeit, die Refraktärzeit und die Aktionspotentialform umfassen. 13. Apparatus according to claim 12, characterized in that the electro-physiological parameters include the excitation propagation speed, the refractory period and action potential shape.
14. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da durch gekennzeichnet, daß der lernfähige Klassifikator ( 18 ) als neuronales Netz aus gebildet ist. 14. An apparatus according to any one of claims 1 to 13, as characterized by, that the trainable classifier (18) is formed as a neural network.
15. Verfahren zur Bestimmung des Ortes und/oder der Ausdeh nung von Ischämien und/oder Infarkten im Herzen eines Lebe wesens mit den Schritten: 15. A method for determining the location and / or the Ausdeh voltage of ischemia and / or infarction in the heart of a bon system comprising the steps:
  • - Messen von elektrischen und/oder magnetischen Feldgrößen, die von einer Herzaktivität erzeugt werden, während min destens eines Teils eines Herzzyklus an einer Anzahl von Meßpunkten mit einem Vielkanalmeßsystem ( 2 , 4 ), - measuring electric and / or magnetic field quantities produced by a cardiac activity, while min least a portion of a cardiac cycle at a number of measuring points with a Vielkanalmeßsystem (2, 4),
  • - Zuführen von Eingangswerten, die den während des min destens einen Teils des einen Herzzyklus gemessenen Meß werten entsprechen, an Eingänge eines trainierten lern fähigen Klassifaktors ( 18 ), wobei der lernfähige Klassi fikator ( 18 ) durch Zuführen von Trainingsdaten, die den Feldgrößen an den Meßorten entsprechen, an die Eingänge trainiert ist, welche Trainingsdaten mit Hilfe eines Herzmodells berechnet wurden, das den Erregungsverlauf des Herzens während des Herzzyklus aus variierten Orten und variierten Ausdehnungen von Modell-Ischam-ien und/oder Modell-Infarkten nachbildet, und wobei an Ausgängen des lernfähigen Klassifikators ( 18 ) Lokalisierungsdaten aus gegeben werden, die dem Ort und/oder der Ausdehnung der Ischämie und/oder des Infarktes entsprechen, und - supplying input values corresponding to values of a portion of a cardiac cycle measured measuring the during min least, capable to inputs of a trained learning Klassifaktors (18), said trainable classification fikator (18) by supplying training data to the field sizes in the measurement locations correspond, is trained on the inputs which training data has been calculated using a heart model, which simulates the excitation history of the heart during the cardiac cycle from varied locations, and varying extents of model Ischam-ien and / or model infarcts, and wherein at outputs the trainable classifier (18) location data from are given which correspond to the location and / or the extent of the ischemia and / or of the infarct, and
  • - Anzeigen des Ortes und/oder der Ausdehnung der Ischämie und/oder des Infarktes mittels visueller Darstellungs mittel ( 22 ) in Abhängigkeit der Lokalisierungsdaten. - displaying the location and / or the extent of the ischemia and / or infarction of the means of visual presentation means (22) in dependence of the location data.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet, daß der mindestens eine Teil des Herzzyklus den QRS-Komplex und die ST-Strecke umfaßt. 16. The method according to claim 15, characterized in that the at least a portion of the heart cycle comprises the QRS complex and the ST segment.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Eingänge ( 16 ) der Anzahl der insgesamt abgetasteten Meßwerte eines Herzzyklus entspricht. 17. The method of claim 15 or 16, characterized in that the number of inputs (16) corresponds to the total number of sampled measured values of a cardiac cycle.
18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte einer Datenkompression unterzogen werden. 18. The method of claim 15 or 16, characterized in that the measured values ​​of data compression are subjected.
19. Verfahren nach Anspruch 15 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Herzzyklus in bis zu 200 Abtastzeitpunkte unterteilt ist. 19. The method according to claim 15 or 18, characterized in that the cardiac cycle is divided into up to 200 sampling points.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch ge kennzeichnet, daß der Abstand der Abtast zeitpunkte im QRS-Komplex des Herzzyklus geringer ist als im übrigen Bereich des Herzzyklus. 20. The method according to claim 19, characterized in that the distance of the scanning points in time in the QRS complex of the cardiac cycle is lower than in the remaining region of the cardiac cycle.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, da durch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Meßpunkte 20 bis 256 beträgt. 21. The method according to any one of claims 15 to 20, as by in that the number of measurement points is 20-256.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch ge kennzeichnet, daß die Anzahl der Meßpunkte 30 bis 64 beträgt. 22. The method according to claim 21, characterized in that the number of measurement points 30-64 is.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, da durch gekennzeichnet, daß das Herz modell in Bereiche eingeteilt ist und daß jedem Bereich ein Ausgang ( 20 ) zugeordnet ist. 23. The method according to any one of claims 15 to 22, as by in that the heart model is divided into areas and that each area is associated with an output (20).
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch ge kennzeichnet, daß der lernfähige Klassifika tor ( 18 ) so trainiert ist, daß die Lokalisierungsdaten ein Maß für die Ausdehnung der Ischämien und/oder der Infarkte um die Mittelpunkte der den Ausgängen ( 20 ) entsprechenden Bereiche darstellt. 24. The method according to claim 23, characterized in that the adaptive Klassifika gate (18) is trained, so that the localization data is a measure of the extent of the ischemia and / or infarction at the center points of the outputs (20) corresponding regions ,
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, da durch gekennzeichnet, daß der Ort und/oder die Ausdehnung graphisch dargestellt werden. 25. The method according to any one of claims 15 to 24, as characterized by, that the location and / or the extension can be represented graphically.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, da durch gekennzeichnet, daß das Herz modell aus einer der Physiologie entsprechenden Anordnung von Modell-Herzzellen besteht, denen elektrophysiologische Herzparameter zugeordnet sind. 26. The method according to any one of claims 15 to 25, as by in that the core consists of a model of the physiology corresponding array of model cardiac cells to which are associated electrophysiological cardiac parameters.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch ge kennzeichnet, daß die elektrophysiologischen Parameter die Erregungsausbreitungsgeschwindigkeit, die Refraktärzeit und die Aktionspotentialform umfassen. 27. The method according to claim 26, characterized in that the electro-physiological parameters include the excitation propagation speed, the refractory period and action potential shape.
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