WO2001020477A2 - Computerbasiertes verfahren zur automatischen aufbereitung von daten biomagnetischer felder, insbesondere von magnetokardiographischen daten - Google Patents

Computerbasiertes verfahren zur automatischen aufbereitung von daten biomagnetischer felder, insbesondere von magnetokardiographischen daten Download PDF

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WO2001020477A2
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Fritz Steinberg
Stepanowitsch Romanovych
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Squid Ag
ROMANOVYCH, Stella
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    • G06T2207/30048—Heart; Cardiac

Definitions

  • the invention relates to a computer-based method for the automatic preparation of data from biomagnetic fields, in particular magnetocardiographic data.
  • the invention relates to a method which allows biomagnetic fields recorded automatically in one plane or in several points of a plane by means of one or more detectors, in particular by means of a SQUID detector, for example visualize in the form of magnetic field maps and automatically evaluate and classify the information contained in the field.
  • the development of highly sensitive magnetographs requires new methods for processing the acquired data, since the previously known methods are extremely time-consuming and can only be carried out by a few specialists.
  • the data should be processed automatically so that the diagnostically relevant information contained in the detected magnetic fields can be easily recognized and evaluated by a doctor.
  • the method is to compare and automatically classify the diagnostically relevant information contained in the data with stored information, in order to support the doctor in his diagnosis. Certain information should e.g. be visualized in the form of streamlined maps.
  • Distribution of the current densities on a surface is chosen as the model of the sources, which represents the vector size acquired.
  • a map of directional arrows is obtained, the size of which is proportional to the amount of a current density. Mapping currents in such a manner creates certain difficulties. On the part of the calculated range, where the modulo value of the current densities is several times smaller than the maximum, it is not readily possible to estimate the size and direction of the arrows on the map of arrows. The sources with low intensity thus fall out of the investigation.
  • a method for automatically visualizing cardiac currents through streamlines in the plane is described in the article by R. Killman, G.G. Jaros, P. Wach, R. Graumann, W. Moshage, M.
  • the result of solving the inverse problem is one of the above-mentioned maps of oriented arrows, the size of which is proportional to the modulus of the current density.
  • the invention is based on the object on the one hand of specifying a method for processing the data of the detected biomagnetic field, by means of which the currents causing the biomagnetic field pass through
  • Streamlines can be visualized in the plane and are thus particularly easily accessible for visual evaluation by trained personnel or a doctor.
  • the surface density of a double layer of magnetic charges (single layer of magnetic dipoles) or, which is equivalent to this, a function of the currents is selected as the model of the biological currents.
  • a remarkable feature of this function is that the projection of your level lines onto a calculated level represents streamlines. Therefore, by solving one you get
  • Integral equation regarding the density of a double layer of magnetic charges a map of the streamlines, the right term of the equation being the distribution of e.g. reproduce the magnetic field measured in a plane near the thorax (components of the magnetic induction vector or its derivatives).
  • the distribution of its sources in the examined body e.g. is in the heart. If these sources have the character of separate magnetic dipoles, the axis of which is perpendicular to a plane, they are interpreted as magnetic sheets and in one using the method on an output unit, e.g. On a screen or a printer, preferably a colored card, they look like separate eddies of electricity.
  • the main innovation lies in the treatment of the physical and mathematical model of the sources of an elementary magnetic field in one plane as a function of the current and its use in an integral equation as wanted unknowns.
  • the level lines of the function obtained after solving this equation represent the streamlines.
  • the maps of the streamlines give a more visual representation of the spread of a stream in a calculated plane compared to the maps of the current density vectors (arrows).
  • the sources of both large and small intensities are precisely depicted on a map of streamlines.
  • the current eddies that are located near calculated area locations are mapped regardless of their size and intensity. The method therefore makes it possible not only to see the usual patterns of biocurrents in the heart, for example, but also to distinguish details of this current flow.
  • the results of a solution to the inverse problem by the above-mentioned method make it possible to build up maps of current density vectors, while the results obtained with previously known methods cannot be used to build up streamline maps.
  • the current function is a scalar, and the current density is a vector that is in the
  • Level has two projections. Therefore, for the same level network, the set of values required for a current function is twice smaller than the set of values required when considering the projections of current density vectors. Accordingly, the order of the linear algebraic equation system to be solved is twice lower.
  • mapping of the currents in the plane by streamlines allows the accuracy of the solution to be significantly improved, so that it becomes possible to visualize even small details, including the small diameter current vortices.
  • MCG magnetocardiographic
  • EKG electrocardiology
  • Criteria are automatically compared with at least one predefined normal value and that if the data deviate from the normal value by a predetermined amount, a signal which can be output on an output device and signals the deviation is generated.
  • the signal can be output acoustically, but in particular optically, e.g. by displaying a value determined from the data in red, while normal values are shown in black or green.
  • the recorded data automatically go through different analysis stages, with the complexity of the analysis increasing at each stage.
  • the individual stages are summarized in Table 1. The following stages of analysis are carried out:
  • the first stage of analysis is similar to the procedure for the morphological analysis of conventional ECGs, especially since MCG curves look like EKG curves and both have the same nomenclature of waves and intervals - PQRST. Myocardial ischemia can already be detected at this analysis level.
  • spectrotemporal analysis i.e. determining the relative energy of a cardio signal spectrum for different frequency bands and determining the spectral variability
  • time domain analysis especially
  • QRS duration of the signal
  • an average of the MCG is formed at various measuring points.
  • the purpose of such analysis is to determine the homogeneity of ventricular depolarization and to use this data to evaluate the risk of arrhythmias.
  • Such an approach is also used to estimate the risk of graft rejection.
  • all measurement points are summed up.
  • Such an approach gives a more generalized representation of some properties of myocardial stimulation. It is particularly advantageous to calculate the fields under the P wave and the QRS complex. The size of these fields reflects the energy generated during the excitation of the anterior chambers and ventricles of the heart. The ratio of these fields can also be calculated so as to estimate the electrical activity of the antechambers in comparison to the electrical activity of the ventricles.
  • This parameter has been shown to be related to the degree of heart failure.
  • the data of a vector MCG can be consulted, which is registered in special one-position leads systems.
  • the amplitude values of the X, Y and Z components during the P wave, the QRS complex and the ST-T interval, the amplitude and direction of the spatially maximum QRS vector, the QRS vector duration and so on calculated and used for the diagnosis of myocardial ischemia.
  • the analyzes are usually carried out together with an EKG analysis.
  • the informational value of the MCG data grows dramatically with the transition to the subsequent stages of analysis, especially for mapping the magnetic field (MF mapping).
  • This method means the construction of distribution maps to determine the induction of the magnetic field in measuring points
  • each magnetic field distribution map can advantageously be determined automatically: first, the number of extremes of the magnetic field (in the physical sense, local extremes of a magnetic field are points with maximum values compared to neighboring points), in other words, the inhomogeneity of the map, and secondly the mutual arrangement of these extremes.
  • the homogeneity of the magnetic field card reflects the homogeneity of the electrical source that induces this card. This in turn shows that there are no myocardial sites that differ significantly from neighboring zones in terms of their electrophysiological properties, so that there are no local injury currents. Normally, the card has a dipole structure at every point in the cardiocycle, i.e. there is only a minimum and a maximum. It is clear that the occurrence of additional extremes proves the presence of additional local currents.
  • This orientation reflects the direction of the spread of the excitation front at the moment of the cardio cycle under consideration.
  • the maps are drawn from certain characteristic times of the cardio cycle, e.g. of QRS use, R-max, QRS-offset, T-max, T-offset, visually analyzed. Integrated maps calculated during the entire QRS complex and / or the St-T interval can be examined.
  • the qualitative visual analysis methods for magnetic field maps are sufficient to obtain a general description of important properties of the electrophysical process in the myocardium in each individual case, but they are unable to give a quantitative description of the properties uncovered and do not allow this to get statistical parameters for a group of patients. Therefore, the next step in the analysis of magnetic field distribution maps is the application of the quantitative criteria.
  • the simplest approach is to calculate the number of extremes in each card and to extend to all examined cardio cycle intervals.
  • the relative "smoothness index” is also used, which represents the sum of the correlation factors between four successive maps at the beginning of the ST segment.
  • the criterion based on the estimation of the complexity of the trajectories of the extrema during ventricular excitation is known.
  • the variability of the ratio of the largest positive to the largest negative extreme values during the ST-T interval can be used as a further quantitative criterion.
  • a homogeneity coefficient is known, which is to be used for the integral estimation of the number of extremes and their sharpness over the ST-T interval.
  • An interesting approach is a special spatial transformation (KLM transformation) of the magnetic field distribution cards and the calculation of the non-dipolar contributions in each card. Sometimes other quantitative parameters are used.
  • Solving the inverse electrodynamic problem regarding cardiology means the reconstruction of the electrical events in the heart on the basis of the measurements carried out on the surface of a human body. In the case of the MCG, the measurement is not carried out on the surface of a body, but above the surface in a measuring plane.
  • the first level is a representation of a source as an equivalent dipole. It is assumed that the entire electrical activity of the heart is focused on one point. Such a representation does not mean that the heart is actually a point source. It means that the results of its activity on the surface of a body are equivalent to the effects that could be measured if a point source were present. Such a representation of the source serves as a warning basis for vector cardiography. It is clear that it is not allowed to determine the own activities of different parts of the heart.
  • the second level of data representation based on the solution of the inverse problem is the reconstruction of the sources in the form of charge distributions in one
  • the first approach is to interpret a magnetic field source as a map of the distribution of charge density vectors
  • the second approach allows a map of fixed charge lines to be drawn and is more promising.
  • the image of the charge distribution already allows the characteristics of different sources and the to be estimated simultaneously
  • the third level is the reconstruction of a spatial, three-dimensional bioelectric source, i.e. restoring sources closest to reality.
  • the reconstruction of three-dimensional sources requires the use of extremely complex physical models and mathematical algorithms.
  • Determining the position of a point source at the start of an ectopic QRS complex is used to determine the origin of ventricular arrhythmia, and the same procedure is used in the delta wave for additional localization of the path.
  • an automatic method is also proposed that makes it possible for the doctor to estimate the number, direction, intensity and size of eddies at every moment of the cardio cycle and thus their behavior during depolarization or repolarization. It is useful to have a parallel to magnetocardiography
  • cardiac visualization methods such as X-rays, computed tomography, magnetic resonance imaging, etc. Which of these methods should be chosen depends on the requirements for the detailed resolution of the anatomical information, which in turn depends on the specific clinical task. Experience shows that in most cases it is sufficient to use simple X-rays or that it is even possible not to use cardiac visualization procedures at all without reducing the value of the MCG examination.
  • each successive stage of the analysis is specified and further develops the information obtained in the previous stage.
  • the sensitivity of the algorithm when diagnosing IHD would be 86% if only the analysis of the magnetic field distribution cards were used. If, in addition, the analysis based on the solution of the inverse problem was applied, the sensitivity increased to 94%.
  • the form of the medical conclusion made by the magnetocardiographist and passed on to the clinician is very important.
  • Conclusions are used that consist of two parts.
  • quantitative and semi-quantitative characteristics of the current MCG are given (homogeneity of the cards, direction of the ECD and the vectors of the current density, current density values, etc.).
  • the discovered changes are automatically related to physiological conclusions or types of heart disease, for example: "... disorders that occurred during ventricular repolarization are evidence of a high (medium, low) probability of IHD" or " ... from a high risk of arithmetic occurrence "or” in comparison with previous MCGs there are significant positive changes which confirm the efficiency of an anti-anginal (antiarithmic) therapy ".
  • All criteria can be divided into four groups. Within the groups, they are arranged in the order of ascending analysis levels. Group 1. Criteria for estimating the signal-to-noise ratio. A. Visual estimation of high-frequency, low-amplitude waves along average MCG curves.
  • C Homogeneity coefficient (CH). The normal value is no more than 0.95.
  • the main clinical significance of the group of criteria is the determination of cardiac disorders in general and in particular the determination of the risk of cardiac arithmia and the assessment of the effectiveness of an antiarithmic therapy.
  • A Visual estimation of the approximate direction of the corresponding current dipoles based on the magnetic field distribution maps.
  • B * Quantitative analysis of the corresponding current dipole direction based on the magnetic field distribution maps.
  • the normal direction during the ST-T interval is down to the left (for no more than 2/3 of the duration of the ST-T interval).
  • the normal direction during the QRS complex consists of three phases: 1st phase to the bottom right, 2nd phase to the bottom left, 3rd phase upwards.
  • C * Analysis of the effective dipole depth.
  • Normal parameter during the QRS complex there are four different movements of a dipole in the depth.
  • the first movement is forward, that second movement (the main one) is directed backwards, the third movement is directed forwards, the fourth movement is directed backwards.
  • D Visual estimation of the direction of current propagation based on the maps of the streamlines and the maps of the current density vectors.
  • E * Quantitative analysis of the direction of propagation of the current based on the maps of the streamlines and the maps of the current density vectors. Normal direction during the ST-T interval is down to the left (for no more than 2/3 of the duration of the ST-T interval).
  • Normal direction during the QRS complex consists of three phases: 1st phase directed to the bottom right, 2nd phase directed to the bottom left, 3rd phase directed upwards.
  • cardiac disorders in general, particularly the diagnosis of various forms of ischemia and the assessment of the effectiveness of anti-chemical therapy.
  • the ratio of the current density at the point in time 80 ms after ST use to the current density in the J point should not be less than 2.5 - the ratio of the current density values at the R-max point to that at the T-max point should not be greater than 3.5.
  • the main clinical significance of this group of criteria is the determination of heart disorders in general, in particular the diagnosis of various forms of ischemia and heart failure, as well as the assessment of therapy efficiency.
  • the large number and structure of the criteria reflects the many aspects of the information contained in the MCG and also the historical direction of software development: from the morphological analysis of the MCG curves to the solution of the two-dimensional inverse problem. Now all of the above sentences are used in practical work.
  • the ordinal number of the card is determined from that in which the direction of the equivalent ventricular repolarization current dipole became stably normal, i.e. pointed to the bottom left (during no more than 1/3 of the ST-T interval duration, whereby the larger the ordinal number of the card mentioned the greater the severity of the ischemia).
  • the duration of the existence of additional extremes during the repolarization process is estimated (not more than 1/3 of the duration of the ST-T interval, the longer the duration of the existence of additional extremes, the greater the severity of the ischemia).
  • Analysis of effective dipole parameters within the ST-T interval The effective dipole depth in J point is estimated (the depth at this point should be the largest within the ST-T interval).
  • the approximate direction of most current density vectors in each card is estimated and their deviation from the normal left down direction determined.
  • the presence of additional vortexes in each streamline card is determined.
  • Quantitative analysis of the vetricular repolarization voltage lines and density vector maps The ordinal number of the map is determined based on the map in which the direction of most current density vectors is stably normal, i.e. was directed to the bottom left (no more than 1/3 of the duration of the ST-T interval, the larger the card order number, the greater the severity of the ischemia).
  • the duration of the existence of additional voltage vortices is determined (not more than 1/3 of the duration of the ST-T interval, the greater the duration of the existence of additional ones
  • the ratio of the current density at the point in time 80 ms after ST use to the current density at the J point is determined (it should not be less than 2.5).
  • the ratio of the current density values at the R-max point to that at the T-max point is calculated (it should not be greater than 3.5).
  • Each subsequent stage of the analysis supplements and extends the information from the previous stage.
  • the proposed method is based on various successive stages of MCG analysis: visual qualitative and quantitative analysis of the magnetic table field distribution maps, analysis of the effective current dipole localization, qualitative and quantitative criteria of the current distribution. All these steps make it possible to carry out a comprehensive, accurate and versatile assessment of the homogeneity of the excitation, the direction of the currents, the performance characteristics of the excitation at any time and the behavior of all these parameters during the entire repolarization process.
  • the analysis of the effective dipole depth not only allows two-dimensional distributions of a source to be obtained, but to a certain extent its three-dimensional distribution.
  • the problem is as follows: Determination of the most significant electrophysical properties of ventricular depolarization using magneto-cardiography, which can serve as criteria for the distinction between normal and pathological functional states of the heart and also for obtaining information about various heart diseases.
  • the first of these methods represents the spectral analysis of the last part of the QRS complex, comparable to the analysis of the late potentials on the EKG.
  • the second method is the analysis of the mutual arrangement of positive and negative extrema in each magnetic field distribution card.
  • the third procedure ren represents a visual and quantitative estimate of the differences between the current map and a reconstructed normal map.
  • the fourth procedure provides an estimate of the orientation and strength of the current dipoles during the QR interval.
  • the fifth procedure provides an estimate of the current density distribution and the values in the QRS maximum vectors at the different times of the
  • Each of these known methods allows the estimation of only one aspect of ventricular depolarization: homogeneity of the excitation or direction of the equivalent current dipoles or current density at defined times of the depolarization. Therefore, there are no quantitative criteria that allow the depolarization process to be assessed not only at discrete times, but throughout the entire process.
  • Each of these methods is based on only one stage of the analysis: on the magnetic field distribution cards or the parameters of effective dipoles or the current density distribution cards.
  • the proposed method is based on various successive stages of MCG analysis: visual qualitative and quantitative analysis of the magnetic field distribution cards, analysis of the location of effective current dipoles, qualitative and quantitative criteria of the current distribution.
  • Criteria based on a performance characteristic estimate (curves of the maximum and the average density of a current during depolarization) during the entire depolarization process. All of the above criteria allow the ventricular depolarization process to be assessed more comprehensively, in more detail and more precisely, and conclusions can be drawn on this basis about the functional myocardial state.
  • the problem is as follows: MCG determination of the electrophysical properties of the ventricular repolarization resulting from myocardial ischemia. This is particularly important in patients with a non-informative ECG.
  • MCG ischemia diagnosis in patients with an unchanged ECG There are two methods for MCG ischemia diagnosis in patients with an unchanged ECG, namely: method of visually estimating magnetic field distribution cards and evaluation method of the effective current dipole parameters.
  • the first of these methods provides a visual estimate of the quantity and arrangement of the magnetic extremes and the direction of the dipoles at different moments during the repolarization period.
  • the second method provides an estimate of the direction and strength of the
  • the disadvantage of the first of these methods is the fact that only the spatial distribution of the magnetic field can be obtained without taking into account the direction of the dipoles and the power characteristic. Conversely, the second method does not take into account the spatial distribution of a magnetic field.
  • a common disadvantage of these two methods is the lack of quantitative criteria, which made it possible to estimate the repolarization process not only at a discrete point in time, but throughout the entire process. These methods are unable to estimate the severity of the ischemia. Each of them only allows one aspect of ventricular repolarization to be assessed: the homogeneity of the
  • the method offered is based on various successive stages of MCG analysis: visual qualitative and quantitative analysis of the magnetic field distribution maps, analysis of the location of the effective current dipoles, qualitative and quantitative criteria of the current distribution. All of these steps allow a comprehensive, accurate and versatile estimation of the excitation homogeneity, the direction of the currents, the performance characteristics of the excitation at any time and the behavior of all these parameters during the entire repolarization process.
  • those based on the analysis of the effective dipole depth allow it Criteria not only to obtain two-dimensional distributions of a source, but also, to a certain extent, to obtain its three-dimensional distributions. This makes it possible to significantly improve the sensitivity and specificity of a method and not only to diagnose the presence of ischemia, but also to assess its degree.
  • the problem is as follows: determination of myocardial necrosis resulting from myocardial infarction, i.e. Development of MCG equivalents for myocardial necrosis. There are various methods of evaluating myocardial necrosis
  • MCG a morphological analysis of the QRS complex
  • method of visual assessment of delay-free magnetic field distribution maps and time-integrated maps method of qualitative and quantitative evaluation of residual maps
  • method of evaluating the effective current dipole parameters method of calculating current densities.
  • the first method represents the estimation of the QRS complex type in different measuring points, equivalent to the standard EKG analysis.
  • the second method is the analysis of the mutual arrangement of positive and negative extrema in each magnetic field distribution map.
  • the third method is a visual and quantitative assessment of the differences between The current method and a reconstructed normal map.
  • the fourth method represents an estimate of the direction and strength of the current dipoles during the QRS interval.
  • the fifth method represents an estimate of the current density distribution and the values in the QRS maximum vectors to different ones Points in time of depolarization.
  • Each of these methods makes it possible to estimate only one aspect of ventricular depolarization: homogeneity of the excitation or direction of the equivalent current dipoles or current density at defined times of the depolarization. Therefore, there are no quantitative criteria that allow the depolahization process to be assessed not only at certain times, but throughout the entire process.
  • Each of these methods is based on only one stage of the analysis: on magnetic field distribution cards or effective dipole parameters or current density distribution cards. Only the second procedure is used to diagnose non-Q infarction, i.e. in patients with a non-informative or doubtful ECG.
  • the proposed method is based on various successive stages of MCG analysis: visual qualitative and quantitative analysis of the magnetic field distribution cards, analysis of the location of the effective current dipoles, qualitative and quantitative criteria for the current distribution. All of these steps allow a comprehensive, accurate and versatile assessment of the homogeneity of the excitation, the direction of the currents, the performance characteristics of the excitation at all times the behavior of all these parameters during the entire depolarization process.
  • the criteria based on the analysis of the effective dipole depth not only allow the two-dimensional distribution of a source to be obtained, but also, to a certain extent, its three-dimensional distribution.
  • the main new innovations of the invention offered are: a) successive use of different stages of MCG analysis.
  • Area S s as source level.
  • the magnetic field is detected by second-order gradiometers that are placed above the measuring plane in such a way that the pick-up coil lies in the measuring plane.
  • a signal is measured at the overlapping centers of a pick-up coil with nxn nodes in this level.
  • the grid of mxm nodes is chosen on S s .
  • the components s 2s 2 + s 3 are vertical (z) components of the magnetic induction in the points Q "Q '" Q "" where Q, a node of the lattice and the points Q'"Q", above S m in the distances b and 2b, where b is the baseline of the gradiometer.
  • Coefficient a ti also depends on the position of a node Mj on a grid S s .
  • the right part of the equation represents the distribution in the nodes Q, a signal from a gradiometer.

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Abstract

Computerbasieres Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten biomagnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Daten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbereiten der Daten des erfaßten biomagnetischen Feldes anzugeben, mittels welchem die das biomagnetische Feld hervorrufenden Ströme durch Stromlinien in der Ebene derart visualisiert werden können, daß sie einer visuellen Auswertung durch geschultes Personal oder einen Arzt in besonders einfacher Weise zugänglich werden.

Description

Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten biomagnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Daten
Die Erfindung betrifft ein computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten biomagnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Daten. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, das es erlaubt, daß mittels eines oder mehrerer Detektoren, insbesondere mittels eines SQUI D-Detektors in einer Ebene bzw. an mehreren Punkten einer Ebene aufgenommene biomagnetische Felder automatisch z.B. in Form von Magnetfeldkarten zu visualisieren und die in dem Feld enthaltenen Informationen automatisch zu evaluieren und zu klassifizieren.
Da sich biomagnetischen Felder - anders als die elektrischen Felder - nicht-leitungsgebunden ausbreiten und weitgehend unverfälscht außerhalb eines biologischen Körpers, also zum Beispiel in einer Ebene über dem menschlichen Herzen nicht-invasiv gemessen werden können, stellt die Erfassung biomagnetischer Felder mitteis neuer, hoch-sensitiver Erfassungsgeräte, wie zum Beispiel dem in der internationalen Patentanmeldung PCT/DE00/02472 beschriebenen Magnetographen, der vorteilhaft in einer nicht-abgeschirmten Umgebung eingesetzt werden kann, eine Technik dar, die in den kommenden Jahren breite medizinische Anwendung finden wird. Insbesondere werden Vorsorgeuntersuchungen möglich, bei denen in einfacher und schneller Weise weite Bevölkerungskreise zum Beispiel auf ihr Herzinfarktrisiko untersucht werden können.
Die Entwicklung hoch-sensitiver Magnetographen, insbesondere solcher, die in nicht-abgeschirmten Umgebungen eingesetzt werden können, erfordert neue Verfah- ren zur Aufbereitung der erfaßten Daten, da die bislang bekannten Verfahren äußerst zeitaufwendig sind und nur von wenigen Spezialisten ausgeführt werden können. Die Daten sollen weitestgehend automatisch so aufbereitet werden, daß die in den erfaßten Magnetfeldern enthaltenen diagnotisch relevanten Informationen von einem Arzt leicht erkannt und bewertet werden können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform soll das Verfahren die in den Daten enthaltenen diagnostisch relevanten Informationen mit gespeicherten Informationen vergleichen und automatisch klassifizieren, um so den Arzt bei seiner Diagnose zu unterstützen. Bestimmte Informationen sollen z.B. in Form von Stromlinienkarten visualisiert werden.
Sollen biomagnetische Ströme, insbesondere die Ströme im Herzen, die in der klinischen Diagnostik erwiesenermaßen eine besonders hohe Relevanz besitzen, dar- gestellt werden, muß ein sogenanntes "inverses Problem" gelöst werden, das heißt, daß aus den erfaßten Magnetfeldern, die von den biomagnetischen Strömen hervorgerufen werden, die die Felder hervorrufenden Ströme berechnet werden müssen.
In Anbetracht der Komplexität eines inversen Problems bei der Lokalisation magnetischer Feldquellen werden verschiedene vereinfachende Annahmen bei der
Lösung gemacht. Eine dieser Annahmen ist beispielsweise, daß alle Quellen in derselben Ebene positioniert und in einer bestimmten Distanz von einer Meßoberfläche angeordnet sind. Die erzielten Resultate davon ab, welches physikalische Modell und entsprechend welches mathematische Modell man als Modell der magnetischen Feld- quellen wählt. Falls man einen flachen Quellenbereich wählt, wird üblicherweise die
Verteilung der Stromdichten auf einer Oberfläche als Modell der Quellen gewählt, die die erfaßte Vektorgröße darstellt. Nach Lösung eines inversen Problems erhält man eine Karte von gerichteten Pfeilen, deren Größe proportional zum Betrag einer Stromdichte ist. Das Abbilden von Strömen in einer solchen Weise bedingt bestimmte Schwierigkeiten. Auf Seiten des berechneten Bereiches, wo der Modulo-Wert der Stromdichten mehrere Male kleiner ist als das Maximum, ist es nicht ohne weiteres möglich, auf der Karte von Pfeilen die Größe und Richtung der Pfeile abzuschätzen. Die Quellen mit kleiner Intensität fallen so aus der Untersuchung. Ein Verfahren zur automatischen Visualisieren von Herzströmen durch Stromlinien in der Ebene wird in dem Aufsatz von R. Killman, G.G. Jaros, P. Wach, R. Graumann, W. Moshage, M. Renhard, P.H. Fleischmann: Localisation of Myocardial Ischaemia from the Magnetocardiogramm using Current Density Reconstruction Method: Computer Simulation Study, Biological Engineering & Computing, September, 1995, Seiten 643 - 651 , beschrieben. Gemäß dem in dem genannten Aufsatz beschriebenen Verfahren erhält man als Resultat der Lösung des inversen Problems eine der genannten Karten von orientierten Pfeilen, deren Größe proportional zum Modulus der Stromdichte ist.
Das aus dem genannten Aufsatz bekannte Verfahren zum Abbilden von Herz- strömen durch Stromlinien in der Ebene hat jedoch den Nachteil, daß in Bereichen, in denen die Stromdichten modulu 3 und mehr geringer sind als das Maximum, eine visuelle Beurteilung des mit dem Verfahren erzeugten Musters von Pfeilen hinsichtlich ihrer Größe und Richtung nicht mehr ohne weiteres möglich ist. In der Praxis hat sich gezeigt, daß im Hinblick auf eine vernünftige Fehlerabschätzung lediglich ein bis zwei besonders intensive Bereiche eine magnetischen Feldes visualisiert werden können. Die übrigen, weniger intensiven Bereiche können nicht sichtbar wahrgenommen werden.
Davon ausgehend liegt der Erfindung zum einen die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbereiten der Daten des erfaßten biomagnetischen Feldes anzuge- ben, mitteis welchem die das biomagnetische Feld hervorrufenden Ströme durch
Stromlinien in der Ebene visualisiert werden können und so einer visuellen Auswertung durch geschultes Personal oder einen Arzt in besonders einfacher Weise zugänglich werden.
Die Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des An- spruchs 1.
Als Modell der biologischen Ströme wird erfindungsgemäß die Oberflächendichte einer doppelten Schicht von magnetischen Ladungen (einfache Schicht magnetischer Dipole) oder, was äquivalent hierzu ist, eine Funktion der Ströme gewählt. Eine bemerkenswerte Eigenschaftdieser Funktion ist, daß die Projektion Ihrer Niveaulinien auf eine berechnete Ebene Stromlinien darstellt. Deshalb erhält man durch Lösen einer
Integralgleichung betreffend die Dichte einer doppelten Schicht von magnetischen Ladungen eine Karte der Stromlinien, wobei die rechten Glieder der Gleichung die Verteilung des z.B. in einer Ebene nahe des Thorax gemessenen magnetischen Feldes (Komponenten des magnetischen Induktionsvektors oder dessen Ableitungen) wieder- geben.
Erfindungsgemäß wird angenommen, daß die tatsächlich voluminösen Quellen des Feldes in einer (berechneten) Ebene angeordnet sind, die parallel zu der gemessenen Ebene verläuft. Gemäß einem akzeptierten physikalischen und mathematischen Modell der Quellen eines magnetischen Feldes wird eine Integralgleichung aufgestellt und gelöst, deren rechtes Glied das gemessene magnetische Feld darstellt und deren
Lösung die Verteilung seiner Quellen im untersuchten Körper, also z.B. im Herzen ist. Falls diese Quellen den Charakter separater magnetischer Dipole besitzen, deren Achse senkrecht zu einer Ebene geführt ist, werden sie als magnetische Blätter interpretiert und in einer unter Verwendung des Verfahrens auf einer Ausgabeeinheit, z.B. ei- nem Bildschirm oder einem Drucker ausgegebenen, vorzugsweise farbigen Karte, sehen sie aus wie separate Stromwirbel.
Die wesentliche Neuerung liegt in der Behandlung des physikalischen und mathematischen Modells der Quellen eines elementaren magnetischen Feldes in einer Ebene als Funktion des Stroms und seine Verwendung in einer Integralgleichung als gesuchte Unbekannte. Die nach Lösung dieser Gleichung erhaltenen Niveaulinien der Funktion (die Linien konstanter Werte) repräsentieren die Stromlinien..
Die Karten der Stromlinien geben im Vergleich zu den Karten der Stromdichtevektoren (Pfeile) eine mehr visuelle Repräsentation der Ausbreitung eines Stroms in einer berechneten Ebene. Auf einer Karte von Stromlinien sind die Quellen sowohl großer als auch kleiner Intensität präzise abgebildet. Die Stromwirbel, die sich nahe berechneten Bereichsorten befinden, werden unabhängig von ihrer Größe und Intensität abgebildet. Deshalb macht es das Verfahren möglich, nicht nur übliche Muster der Bioströme zum Beispiel im Herzen zu sehen, sondern auch Details dieses Stromflus- ses zu unterscheiden.
Die Resultate einer Lösung des inversen Problems durch das genannte Verfahren erlaubt es, Karten von Stromdichtevektoren aufzubauen, während die Resultate, die mit bislang bekannten Verfahren erhalten werden, nicht dazu verwendet werden können, Stromlinienkarten aufzubauen. Die Stromfunktion ist ein Skalar, und die Stromdichte ist ein Vektor, der in der
Ebene zwei Projektionen hat. Deshalb ist für dasselbe Ebenennetz die Menge benötigter Werte einer Stromfunktion zweimal kleiner als die Menge der benötigten Werte bei der Betrachtung der Projektionen von Stromdichtevektoren. Dementsprechend ist auch die Ordnung des zu lösenden linearen algebraischen Gleichungssystems zweimal niedriger.
Nach Lösung des algebraischen Systems und Differenziation einer Stromfunktion ist es möglich, die Verteilung der Stromdichtevektoren wie in der traditionellen Formulierung zu finden.
Die Abbildung der Ströme in der Ebene durch Stromlinien erlaubt es auf, die Genauigkeit der Lösung wesentlich zu verbessern, so daß es möglich wird, auch eher kleine Details einschließlich der Stromwirbel kleinen Durchmessers zu visualisieren.
Handelt es sich bei dem erfaßten Daten um magnetokardiogrphische (MCG)-Daten, so sollen elektrische Ereignisse im Herzen evaliert und Rückschlüsse auf den physiologischen Status des Herzens gezogen werden. Die für diesen Zweck benötigten Informationen sind in dem oberhalb der Thorax-Oberfläche aufgezeichneten magnetischen Feld des Herzens enthalten, jeodch auf Grund ihrer "kryptischen" Form nicht für eine direkte Interpretation geeignet. Eine besondere Aufgabe der Erfindung ist daher die Aufbereitung solcher sich während des Kardiozyklus ändernden magneto- kardiographischer Daten derart, daß ein Mediziner aus ihnen direkt Aufschluß über den physiologischen Zustand des untersuchten Herzens erhält. Es sollte dazu ein haltbares und klares System von diagnostischen Kriterien entwickelt werden, vergleichbar dem aus der Elektrokardiologie (EKG) bekannten Standardkriteriensatz.
Dazu wird ein computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten biomagnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Da- ten, vorgeschlagen, bei welchem zumindest ausgewählte Daten nach vorgegebenen
Kriterien automatisch mit wenigstens einem vordefinierten Normalwert verglichen werden und daß bei Abweichung der Daten von dem Normalwert um ein vorgegebenes Maß ein auf einer Ausgabeeinrichtung ausgebbares die Abweichung signalisierendes Signal erzeugt wird. Das Signal kann akustisch, insbesondere aber optisch ausgege- ben werden, z.B. durch Darstellung eines aus den Daten ermittelten Wertes in rot, während Normalwerte in schwarz oder grün dargestellt werden.
Erfindungsgemäß durchlaufen die erfaßten Daten dazu automatisch unterschiedliche Analysestufen, wobei die Komplexität der Analyse auf jeder Stufe zunimmt. Die einzelnen Stufen sind in Tabelle 1 zusammengaßt. Im einzelnen werden folgende Analysestufen durchlaufen:
1. Amplituden-Zeit-Analyse verschiedener MCG-Kurven.
2. Analyse hoch-auflösender MCG.
3. Analyse summierter MCG und Vector MCG (VMCG).
4. Qualitative Analyse der magnetischen Feld-Verteiiungskarten. 5. Quantitative Analyse der magnetischen Feld-Verteilungskarten.
6. Analyse der effektiven Dipol-Charakteristiken.
7. Analyse der zweidimensionalen Ladungsverteilung.
8. Analyse der dreidimensionalen Ladungsverteilung.
Die erste Analysestufe ist ähnlich dem Verfahren bei der morphologischen Analyse üblicher EKG, zumal MCG-Kurven wie EKG-Kurven aussehen und beide dieselbe Nomenklatur von Wellen und Intervallen - PQRST - besitzen. Auf dieser Analysestufe kann bereits myocardiale Ischämie erkannt werden.
Bei der zweiten Analysestufe, der spektrotemporale Analyse (d.h. der Bestimmung der relativen Energie eines Kardiosignal-Spektrums für verschiedene Frequenz- bänder und Bestimmen der spektralen Variabilität) und Zeitbereich-Analyse (vor allem
QRS-Dauer) des Signals) wird in verschiedenen Meßpunkten ein Durchschnitt des MCG gebildet. Üblicherweise ist der Zweck einer solchen Analyse die Bestimmung der Homogenität der ventrikularen Depolarisation und Verwendung dieser Daten zur Evaluation des Risikos des Auftretens von Arhythmien. Ein solcher Ansatz wird auch an- gewandt um das Risiko der Abstoßung von Transplantaten abzuschätzen. Auf der dritten Analysestufe wird über alle Meßpunkten summiert. Ein solcher Ansatz gibt eine mehr generalisierte Repäsentation über einige Eigenschaften der myocardialen Anregung. Vorteilhaft ist es insbesondere, die Felder unter der P-Welle und dem QRS-Komplex zu berechnen. Die Größe dieser Felder spiegelt die Energie wider, die während der Anregung der Vorkammern und Ventriculi des Herzens erzeugt wird. Ferner kann das Verhältnis dieser Felder berechnet werden, um so die elektrische Aktivität der Vorkammern im Vergleich zu elektrischen Aktivität der Ventrikel abzuschätzen. Es hat sich gezeigt, daß dieser Parameter mit dem Grad des Herzversagens in Beziehung steht. Auf derselben Analysestufe können die Daten eines Vektor-MCG hinzugezogen werden, die in speziellen einpositionalen Leads-Systemen registriert wird. Die Amplitudenwerte der X-, Y- und Z-Komponenten während der P-Welle, dem QRS-Komplex und dem ST-T-Intervall, die Amplitude und Richtung des räumlich maximalen QRS- Vectors, die QRS-Vector-Dauer usw. können kalkuliert und für für die Diagnose myo- kardialer Ischämie verwendet werden. Üblicherweise werden die Analysen zusammen mit einer EKG-Analyse durchgeführt.
Der Informationswert der MCG-Daten wächst dramatisch mit dem Übergang zu den folgenden Stufen der Analyse, insbesondere zum Kartographieren des magnetischen Feldes (MF-Mapping). Dieses Verfahren bedeutet die Konstruktion von Vertei- lungskarten der Induktion des magnetischen Feldes in Meßpunkten zu bestimmten
Momenten innerhalb des Kardoizyklus. Diese Karten werden nach dem Prinzip der geographischen Karten konstruiert, d.h. Bereiche mit identischen Werten bestimmter Parameter besitzen die selbe Farbe. Es ist wichtig zu verstehen, daß jede Karte aus allen Meßpunkten resultiert. Die Interpretation der elektrischen Aktivität des Herzens basierend auf diesem
Ansatz hat eine Reihe von wesentlichen Vorteilen. Zunächst kann mit der Hilfe von Interpretationsverfahren alle wichtigen Daten, einschließlich der Daten, die zwischen den Punkten des Meßgitters erhalten werden könnten, in die Berechnung einbezogen werden. Zweitens stellen Karten eine natürliche Projektion der elektromagnetischen Phänomene dar, die überhalb der Thorax-Oberfläche an verschiedenen Stellen des
Herzens, wenn auch nur ungefähr, registriert wurden.
Vorteilhaft können zwei besonders wichtige Eigenschaften jeder magnetischen Feldverteilungskarte automatisch bestimmt werden: erstens die Anzahl der Extrema des magnetischen Feldes (im physikalischen Sinn sind lokale Extrema eines magneti- sehen Feldes Punkte mit maximalen Werten im Vergleich zu benachbarten Punkten), mit anderen Worten also die Inhomogenität der Karte, und zweitens die wechselseitige Anordnung dieser Extrema.
Die Homogenität der magnetischen Feldkarte spiegelt die Homogenität der elektrischen Quelle, die diese Karte induziert, wieder. Dies wiederum zeigt, daß es keine myocardischen Orte gibt, die sich wesentlich von benachbarten Zonen hinsichtlich ihrer elektrophysiologischen Eigenschaften unterscheiden, so daß es keine lokalen Verletzungsströme gibt. Normalerweise hat die Karte zu jedem Zeitpunkt des Kardio- zyklus eine Dipol-Struktur, d.h., es existiert nur ein Minimum und ein Maximum. Es ist klar, daß das Auftreten zusätzlicher Extrema das Vorhandensein zusätzlicher lokaler Ströme belegt.
Aus physiologischer Sicht ist eine weitere wichtige Charakteristik der Karten, wie bereits oben erwähnt, die wechselseitige Anordnung der Minima und Maxima des magnetischen Feldes. Falls man eine Linie von einem Minimum zu einem Maximum und dann wiederum diese Linie entgegen dem Uhrzeigersinn um 90° dreht, so wird die erhaltene Richtung der Orientierung des entsprechenden Ladungsdipols entsprechen.
Diese Orientierung reflektiert die Richtung der Ausbreitung der Anregungsfront in dem jeweils betrachteten Moment des Kardiozyklus.
Basierend auf diesen Prinzipien werden die Karten von bestimmten charakteristischen Zeitpunkten des Kardiozyklus, z.B. des QRS-Einsatzes, R-max, QRS-offset, T-max, T-offset, visuell analysiert. Es können integrierte Karten, die während des gesamten QRS-Komplexes und/oder dem St-T-Intervall berechnet wurden, untersucht werden. Die qualitativen visuellen Analyseverfahren für magnetische Feldkarten sind ausreichend, um eine allgemeine Darstellung wichtiger Eigenschaften des elektrophy- sikalischen Prozesses im Myocardium in jedem individuellen Fall zu erhalten, aber sie sind nicht in der Lage, eine quantitative Beschreibung der aufgedeckten Eigenschaften zu geben und erlauben es nicht, statistische Parameter für eine Gruppe von Patienten zu erhalten. Deshalb ist der folgende Schritt der Analyse magnetischer Feldverteilungskarten die Anwendung der quantitativen Kriterien.
Es wurden verschiedene quantitative Kriterien für einen vielseitige Abschätzung verschiedener Karten und Zeitserien von Karten entwickelt.
Der einfachste Ansatz ist die Berechnung der Anzahl von Extrema in jeder Karte und in Ausweitung auf alle untersuchten Intervalle von Kardiozyklen. Dabei wird auch der relative "Glattheits-Index" angewandt, der die Summe der Korelationsfaktoren zwischen vier aufeinanderfolgenden Karten am Anfang des ST-Segmentes darstellt. Daneben ist auch das auf der Abschätzung der Komplexität der Trajektorien der Extrema während der ventricularen Anregung basierende Kriterium bekannt. Als weiteres quantitatives Kriterium kann die Variabilität des Verhältnisses der größten positiven zu den größten negativen Extremwerten während des ST-T-Intervalls verwendet wer- den. Ferner ist ein Homogenitäts-Koeffizient bekannt, der zur integralen Abschätzung der Anzahl von Extrema und deren Schärfe über das ST-T-Intervall abzuschätzen. Ein interessanter Ansatz besteht in einer speziellen räumlichen Transformation (KLM- Transformation) der magnetischen Feldverteilungskarten und der Berechnung der nicht-dipolaren Beiträge in jeder Karte. Manchmal werden auch andere quantitative Parameter verwendet. Daneben wurden einige andere Ansätze der magnetischen
Kartographie in verschiedenen Aufsätzen beschrieben. So wurde in einem Aufsatz simultan mit den traditionellen Karten einer magnetischen Feldverteilung Karten verwendet, die eine räumliche Verteilung eines quantitativen Indexes darstellt, der die Zerlegung eines QRS-Komplexes in jedem Punkt eines Meßgitters widerspiegelt. Dies erhöht die Genauigkeit der Untersuchung bei Patienten mit VT. Die räumliche Verteilung des QT-Intervalls und die Dauer seiner Teile verbunden mit der Berechnung einiger Glattheits-Indizes wird in einem anderen Aufsatz beschrieben. Der Zweck all dieser verschiedenen Indizes ist der selbe, nämlich eine quantitative Inhomogenitätsgradabschätzung der magnetischen Feldverteiiungskarten und damit - bis zu einem gewissen Grad - der Welle, die dieses Feld produziert, anzugeben.
Dabei ist es jedenfalls notwendig, zu verstehen, daß die Abschätzung der elektrischen Phänomene im Myocardium auf Basis der magnetischen Feldverteilung keine direkte Abschätzung ist.
Eine mehr unmittelbare und physiologisch wertvollere Information kann aus der MCG-Analyse auf Basis der Lösung des inversen elektrodynamischen Problems gewonnen werden. Lösung des inversen elektrodynamischen Problems betreffend die Kardiologie meint die Rekonstruktion der elektrischen Ereignisse im Herzen auf Basis der auf der Oberfläche eines menschlichen Körpers ausgeführten Messungen. Im Fall der MCG wird die Messung nicht auf der Oberfläche eines Körpers, sondern oberhalb der Oberfläche in einer Meßebene ausgeführt.
Es ist grundsätzlich unmöglich, die Eigenschaften elektrischer Quellen im Herzen, die das EKG erzeugen, allein auf der Basis dieses EKGs zu berechnen. Es wurde bereits gesagt, daß die Leitfähigkeit von Geweben und die Form eines Körpers einen wesentlich geringeren Einfluß auf das MCG (verglichen mit dem EKG) besitzt, so daß die räumliche Auflösung von MCG wesentlich größer ist als die von EKG. Deshalb er- laubt ein Magnetokardiogramm die wesentlich präzisere Lösung des inversen Problems, obwohl die auf Basis eines MCG rekonstruierten Quellen mit Sicherheit idealisiert und nicht komplett mit den tatsächlichen übereinstimmen.
Es gibt wenigstens drei Ebenen der Nachbildung und Darstellung bioelektri- scher Quellen im Herzen.
Die erste Ebene ist eine Darstellung einer Quelle als äquivalenter Dipol. Dabei wird angenommen, daß die gesamte elektrische Aktivität des Herzens in einem Punkt fokusiert ist. Eine solche Darstellung bedeutet nicht, daß das Herz tatsächlich eine Punktquelle ist. Es bedeutet, daß die Resultate seiner Aktivität auf der Oberfläche ei- nes Körpers äquivalent zu den Effekten sind, die gemessen werden könnten, wenn eine Punktquelle präsent wäre. Eine solche Darstellung der Quelle dient als Warneh- mungsbasis einer Vector-Kardiographie. Es ist klar, daß es nicht erlaubt, die eigenen Aktivitäten verschiedener Teile des Herzens zu bestimmen.
Die zweite Ebene der Datendarstellung auf Basis der Lösung des inversen Problems ist die Rekonstruktion der Quellen in Form von Ladungsverteilungen in einer
Schicht. Dabei können zwei Ansätze verwendet werden. Der erste Ansatz besteht in der Interpretation einer magnetischen Feldquelle als eine Karte der Verteilung von Ladungsdichtevektoren, der zweite Ansatz erlaubt es, eine Karte von festen Ladungslinien zu zeichnen und ist vielversprechender. Da Bild der Ladungsverteilung erlaubt be- reits die simultane Abschätzung der Charakteristiken verschiedener Quellen und der
Anregung verschiedener Teile des Herzens.
Schließlich besteht die dritte Ebene in der Rekonstruktion einer räumlichen, dreidimensionalen bioelektrischen Quelle, d.h. die Wiederherstellung von Quellen die der Realität am nächsten kommen. Es ist jedoch klar, daß die Rekonstruktion von dreidimensionalen Quellen die Anwendung höchstkomplizierter physikalischer Modelle und mathematischer Algorithmen erfordert.
Die Bestimmung der Position einer Punktquelle im Moment des Anfangs eines ectopischen QRS-Komplexes wird angewandt um den Ursprungsort ventrikularer Arhythmie zu bestimmen, und das selbe Verfahren wird in der Delta-Welle zur zusätzli- chen Lokalisation des Pfades angewandt. Die Stärke des effektiven Dipols im R-
Maximum-Punkt wurde auch angewandt als Kriterium zur Abschätzung des Risikos von Abstoßungen nach Herztransplantationen.
Andere Parameter des effektiven Dipols - seiner Orientierung in einer Frontebene in charakteristischen Momenten des Kardiozyklus - werden als Kriterium für Patienten bei der Ischemie-Diagnose verwendet. In unserer Sicht können sehr wertvol- le Informationen aus der Abschätzung des Dipol-Verhaltens nicht nur in bestimmten charakteristischen Momenten des Kardiozyklus, sondern während des gesamten Anregungsprozesses gewonnen werden. So ist z.B. die Form der Kurven der Dipol- Orientierung und die Stärke während des QR-Intervalls ein empfindlicher Marker für MI. In unseren Aufsätzen analysieren wir die Kurven äquivalenter Dipol-Tiefen während der ventrikularen Anregung, d.h. den Charakter der Dipol-Bewegung in einer Vorwärts- Rückwärtsrichtung. Wir gehen davon aus, daß zu einem gewissen Grad die Kurve die Verteilung der Quellen in einer sagittalen Ebene wiedergibt, was üblicherweise außerhalb der Analyse verbleibt, da MCG üblicherweise nur in einer frontalen Ebene regi- striert wird. Deshalb ist es möglich, die gemeinsame Analyse von Feld-(oder La- dungs-)Verteilungskarten und die Kurve von einer Quellentiefe als vereinfachte Analyse einer dreidimensionalen Ladungsverteilung anzusehen. Wie erwartet erscheint die Analyse sehr informativ für die Diagnose von MI einschließlich Nicht-Q MI zu sein.
Die Analyse der Verteilungskarten der Ladungs-Dichtevectoren oder Ladungs- linien gibt zusätzliche Optionen im Vergleich zu den vorangehenden Analyseebenen.
Es ist wichtig zu bemerken, daß diese Niveaus der Analyse charakteristisch nur für MCG sind und, sofern wir wissen, keine Analogie in der EKG-Diagnose hat. Sie ermöglicht es, ein Bild der Ladungsverteilungen im Myocardium einschließlich der sogenannten "Verletzungsströme" zu visualisieren. Anwesenheit und Richtung dieser Ströme wird visuell abgeschätzt. Als eine quantitative Abschätzung der Stromverteilung wird der Stromdichtewert verwendet, z.B. in der Spitze des QRS-Komplexes. Wir analysieren die Kurven der maximalen und der durchschnittlichen Stromdichte in jeder Karte während des gesamten Kariozyklus. Eine solche Analyse erscheint sehr brauchbar für die verschiedenen Formen der Ischemie.
Erfindungsgemäß wird ferner ein automatsiches Verfahren vorgeschlagen , daß dem Arzt die Möglichkeit zur Verfügung stellt, die Anzahl, Richtung, Intensität und Größe von Stromwirbeln in jedem Moment des Kardiozyklus abzuschätzen und damit ihr Verhalten während der Depolarisation oder Repolarisation. Zweckmäßig ist es, parallel zur Magnetokardiographie es notwendig ist, ein
Herz-Visualisierungsverfahren anzuwenden, wie z.B. Röntgen, Computertomographie, Kernspinresinanztomographie usw.. Welches dieser Verfahren gewählt werden sollte hängt von den Anforderungen an die detaillierte Auflösung der anatomischen Informationen ab, die wiederum von der konkreten klinischen Aufgabe abhängt. Die Erfahrung zeigt, daß es in den meisten Fällen ausreicht, einfaches Röntgen anzuwenden oder daß es sogar möglich ist, überhaupt keine Herz-Visualisierungsverfahren anzuwenden, ohne daß es zu einer Reduzierung des Wertes der MCG-Untersuchung käme.
Bei der Analyse gemäß Tabelle 1 ist jede aufeinanderfolgende Stufe der Analyse spezifiziert und entwickelt weiter die Informationen, in der vorangehenden Stufe erhalten wurden. Beispielsweise wäre die Sensitivität des Algorithmus bei der Diagnose von IHD, wenn man nur die Analyse der magnetischen Feldverteilungskarten anwendete, 86 %. Falls man zusätzlich dazu die Analyse basierend auf der Lösung des inversen Problems anwendete, erhöhte sich die Sensitivität auf 94 %.
Die Form der medizinischen Schlußfolgerung, die von dem Magnetokardiogra- phologen gemacht und an den Kliniker weitergeleitet wird, ist sehr bedeutend. Es werden Schlußfolgerungen verwendet, die aus zwei Teilen bestehen. Im ersten Teil werden quantitative und halb-quantitative Charakteristiken des aktuellen MCG angegeben (Homogenität der Karten, Richtung des ECD und der Vectoren der Stromdichte, Stromdichtewerte usw.). Im zweiten Teil der Schlußfolgerung werden die entdeckten Veränderungen mit physiologischen Schlüssen oder Typen von Herzkrankheiten automatesch in Beziehung gesetzt, z.B.: "... Störungen, die während der ventrikularen Repolarisation wurden, zeugen von hoher (mittlerer, geringer) Wahrscheinlichkeit von IHD" oder "... von einem hohen Risiko des Auftretens von Arithmien" oder "im Vergleich mit vorangehen- den MCG zeigen sich signifikante positive Veränderungen, die die Effizienz einer anti- anginalen (antiarithmischen) Therapie bestätigen".
Sicher ist das vorgeschlagene Interpretationsschema und die Form der Schlüsse nicht komplett oder das einzig mögliche. Jedes Interpretationsniveau und die separaten Parameter erfordern eine detaillierte Analyse aus Sicht der Informationstheorie. Nach allem wird es möglich, einen Satz von formalisierten Entscheidungsregeln für die
Diagnose verschiedener Herzzustände auf Basis MCG-Daten anzugeben.
Es steht ohne Zweifel, daß die Entwicklung und Standardisierung eines Schemas für die medizinische Interpretation von MCG eine der bedeutendsten notwendigen Bedingungen für eine breite Anwendbarkeit des Verfahrens ist. Jedenfalls ist es bereits jetzt möglich, anzuerkennen, daß die geschaffenen
Kriterien und die Interpretationsschemata die Anwendung von MCG als reales und wirklich nützliches diagnostisches Werkzeug anzuerkennen.
Im allgemeinen können alle Kriterien in vier Gruppen eingeteilt werden. Innerhalb der Gruppen sind sie in der Reihenfolge aufsteigender Analysestufen angeordnet. Gruppe 1. Kriterien zur Abschätzung des Signal-Rausch-Verhältnisses. A. Visuelle Abschätzung der Hochfrequenz-Niedrig-Amplitutde-Wellen entlang durchschnittlicher MCG-Kurven.
Gruppe 2. Kriterien für die Abschätzung der Anregungshomogenität.
A. Visuelle Abschätzung der Verschiedenheit der magnetischen Feldkarten. B. Quantitative Analyse der Anzahl von Extrema. Dabei ist der Normalwert - nicht mehr als drei Extrema in jeder Karte.
C. Koeffizient der Homogenität (CH). Der Normalwert ist nicht mehr als 0,95. D*- δmm/max während des ST-T-Intervalls (min/max- Verhältnis der maximalen negativen Extremwerte zu den minimalen negativen Extremwerten zu jedem Zeitpunkt). Der Normalwert ist nicht größer als 0, 15.
E*. δZ0 während ST-T-Intervall (Z0 - Tiefe der effektiven Dipole in jedem Zeitpunkt). Der Normalwert ist nicht mehr als 0,20.
F. Visuelle Abschätzung der Ungleichheit der Stromverteilungskarten. G*. Quantitative Analyse der Stromwirbelanzahl. Der Normalwert ist nicht mehr als drei Wirbel in jeder Karte.
Die hauptsächliche klinische Signifikanz der Gruppe von Kriterien ist die Bestimmung von Herzstörungen im allgemeinen und im besonderen die Bestimmung des Risikos von kardialer Arithmie und die Abschätzung der Effektivität einer Antiarithmi- sehen Therapie.
Gruppe 3. Kriterien für die Analyse der Anregung der Richtung der Wellenfron- tausbreitung.
A. Visuelle Abschätzung der ungefähren Richtung der entsprechenden Stromdipole basierend auf den magnetischen Feldverteilungskarten. B*. Quantitative Analyse der entsprechenden Stromdipolrichtung basierend auf den magnetischen Feldverteilungskarten. Die Normale Richtung während des ST-T- Intervalls ist nach links unten (während nicht mehr als 2/3 der Dauer des ST-T- lntervalls). Die Normale Richtung während des QRS-Komplexes besteht aus drei Phasen: 1. Phase nach rechts unten, 2. Phase nach links unten, 3. Phase nach oben. C*. Analyse der effektiven Dipoltiefe.
Normaler Parameter während des ST-T-Intervalls - die Tiefe im J-Punkt sollte hauptsächlich in dem Intervall liegen.
Normaler Parameter während des QRS-Komplexes - vier unterschiedliche Bewegungen eines Dipols in der Tiefe existieren. Die erste Bewegung ist vorwärts gerichtet, die zweite Bewegung (die hauptsächliche) ist rückwärts gerichtet, die dritte Bewegung ist vorwärts gerichtet, die vierte Bewegung ist rückwärts gerichtet.
D. Visuelle Abschätzung der Richtung der Stromausbreitung basierend auf den Karten der Stromlinien und den Karten der Stromdichtevectoren. E*. Quantitative Analyse der Ausbreitungsrichtung des Stroms basierend auf den Karten der Stromlinien und den Karten der Stromdichtevectoren. Normale Richtung während des ST-T-Intervalls ist nach links unten (während nicht mehr als 2/3 der Dauer des ST-T-Intervalls).
Normale Richtung während des QRS-Komplexes besteht aus drei Phasen: 1. Phase nach rechts unten gerichtet, 2. Phase nach links unten gerichtet, 3. Phase nach oben gerichtet.
Die hauptsächliche klinische Signifikanz dieser Gruppe von Kriterien ist die Bestimmung von Herzstörungen im allgemeinen, insbesondere die Diagnose verschiedener Formen der Ischemie und die Abschätzung der Effizienz einer antiischemischen Therapie.
Gruppe 4. Kriterien für die Analyse absoluter und relativer Intensität des elektrischen Prozesses im Myocardium.
A*. Analyse der relativen Vorkammern zur ventrikularen elektrischen Aktivität (P/QRS-Integralverhältnis). Der Normalwert - nicht mehr als 0,13.
B*. Analyse der Stromdichtewerte. Normalwerte sind:
- das Verhältnis der Stromdichte im Zeitpunkt 80 msec nach ST-Einsatz zur Stromdichte im J-Punkt sollte nicht kleiner als 2,5 sein - das Verhältnis der Stromdichtewerte am R-max-Punkt zu dem am T-max-Punkt sollte nicht größer als 3,5 sein.
Die hauptsächliche klinische Signifikanz dieser Kriteriengruppe ist die Bestimmung von Herzstörungen im allgemeinen, insbesondere die Diagnose verschiedener Formen der Ischemie und des Herzversagens, sowie die Abschätzung der Therapieef- fizienz.
Die große Anzahl und Struktur der Kriterien spiegelt die vielen Aspekte der im MCG enthaltenen Informationen und auch die historische Richtung der Softwareentwicklung wieder: von der morphologischen Analyse der MCG-Kurven zur Lösung des zweidimensionalen inversen Problems. Jetzt werden in der praktischen Arbeit alle oben genannten Sätze verwendet. Manchmal gibt es bei der Analyse des MCG von einigen Patienten Inconsistenzen zwischen diesen Kriterien (beispielsweise entspricht ein Indikator der Norm, während ein anderer einen abnormalen Wert zeigt). Das ist der Grund, warum es notwendig ist, basierend auf diskreminater Clusteranalyse oder anderen mathematischen Methoden für die Mustererkennung sorgfältig die informativen Möglichkeiten jedes Indikators zu bestimmen und sodann einen Satz von formalisierten Lösungsregeln für verschiedene klinische Aufgaben anzugeben, die automatisch arbeiten können. Dann wird es möglich, einige Kriterien zurückzuweisen. Diagnostische Kriterien für die Diagnose myocardialer Ischemie unter Verwendung magnetocardiographischer Daten. Qualitative Analyse der Karten der Verteilung des ventrikularen magetischen Repola sationsfeldes gemäß der Rechte-Hand-Regel wird die ungefähre Richtung der entsprechen- den Stromdipole in jeder Karte bestimmt und ihr Abweichen von der normalen Richtung nach links unten ermittelt. die Anwesenheit zusätzlicher Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte wird ermittelt.
Quantitative Analyse der ventrikularen magnetischen Repolarisationsfeldvertei- lungskarten.
Die Ordnungszahl der Karte wird bestimmt ausgehend von derjenigen, in welcher die Richtung des äquivalenten ventrikularen Repolarisations-Stromdipols stabil normal wurde, d.h. nach links unten zeigte (während nicht mehr 1/3 der ST-T- Intervalldauer, wobei je größer die Ordnungszahl der genannten Karte desto größer die Schwere der Ischemie).
Dauer der Existenz zusätzlicher Extrema während des Repolarisationsprozes- ses wird abgeschätzt (nicht mehr als 1/3 der Dauer des ST-T-Intervalls, je größer die Dauer der Existenz zusätzlicher Extrema, desto größer die Schwere der Ischemie). Analyse der effektiven Dipol-Parameter innerhalb des ST-T-Intervalls - Die effektive Dipol-Tiefe in J-Punkt wird abgeschätzt (die Tiefe in diesem Punkt sollte die größte innerhalb des ST-T-Intervalls sein).
Qualitative Analyse der ventrikularen Repolarisations-Spannungslinien und Dichtevectorkarten.
Die ungefähre Richtung der meisten stromdichtevectoren in jeder Karte wird abgeschätzt und ihr Abweichen von der normalen Richtung nach links unten bestimmt. Die Anwesenheit zusätzlicher Stromwirbel in jeder Stromlinienkarte wird ermittelt.
Quantitative Analyse der vetrikularen Repolarisations-Spannungslinien und Dichte-Vectorkarten - Die Ordnungszahl der Karte wird bestimmt, ausgehend von der Karte, in welcher die Richtung der meisten stromdichtevectoren stabil normal, d.h. nach links unten gerichtet, wurde (nicht mehr als 1/3 der Dauer des ST-T-Intervalls, je größer die Kartenordnungszahl, desto größer die Schwere der Ischemie).
Die Dauer der Existenz zusätzlicher Spannungswirbel wird ermittelt (nicht mehr als 1/3 der Dauer des ST-T-Intervalls, je größer die Dauer der Existenz zusätzlicher
Spannungswirbel, desto größer die Schwere der Ischemie).
Quantitative Stromdichte Parameter innerhalb des ST-T-Intervalls
Das Verhältnis der Stromdichte im Zeitpunkt 80msec nach ST-Einsatz zur Stromdichte im J-Punkt wird bestimmt (es sollte nicht kleiner als 2,5 sein). - Das Verhältnis der Stromdichtewerte im R-max-Punkt zu dem im T-max-Punkt wird berechnet (es sollte nicht größer sein als 3,5).
Jede nachfolgende Stufe der Analyse ergänzt die Informationen aus der vorangehenden Stufe und weitet diese aus.
Auf der Basis aller oben genannten Kriterien wird der Schluß über das Vorlie- gen und die Schwere der myocardialen Ischemie gezogen.
Es werden folgende vorteilhafte Weiterbildungen vorgeschlagen. Zwei von ihnen sind die grundlegenden und offenbaren einen "Instrumentensatz" für die umfangreiche Analyse der ventrikularen Repolarisation bzw. Depolarisation. Zwei weitere Patente sind der Unterscheidung der bedeutendsten Herzkrankheiten gewidmet: chroni- sehe Ischemie und dem myocardialen Infarkt. In der Zukunft wird es möglich sein, diagnostische Verfahren für einige andere Herzkrankheiten anzugeben.
1 ) Verfahren zur Evaluation der ventrikularen Repolarisation unter Verwendung magnetocardiographischer Daten
3) Das Problem ist das folgende: die Bestimmung der elektrophysikalischen Eigenschaften der ventrikularen Repolarisation, die die größte Signifikanz besitzen, unter Verwendung der Magnetocardiographie, wobei die Eigenschaften als Kriterium für die Separation von normalen und pathologischen Funktionszuständen des Herzens und zur Formulierung von Schlüssen über bestimmte Herzkrankheiten dienen können.
Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf verschiedenen aufeinanderfolgen- den Stufen der MCG-Analyse: visuelle qualitative und quantitative Analyse der magne- tischen Feldverteilungskarten, Analyse der effektiven Stromdipollokalisation, qualitative und quantitative Kriterien der Stromverteilung. All diese Schritte erlauben es, eine umfassende, akkurate und vielseitige Abschätzung der Homogenität der Anregung, der Richtung der Ströme, der Leistungscharaktertistik der Anregung in jedem Zeitpunkt und das Verhalten all dieser Parameter während des gesamten Repolarisationsprozesses auszuführen. Neben diesen Kriterien erlaubt es die Analyse der effektiven Dipoltiefe nicht nur zweidimensionale Verteilungen einer Quelle, sondern, bis zu einem gewissen Grad, ihre dreidimensionale Verteilung zu erhalten.
Wesentlich neue Innovationen der angebotenen Erfindung sind: a) aufeinanderfolgende Anwendungen verschiedener Stufen der MCG-Analyse b) Abschätzung der Richtungsänderungen des äquivalenten Stromdipols auf den magnetischen Feldverteilungskarten und auf den Karten der Stromlinienverteilung während der Repolarisation. c) Abschätzung der effektiven Dipoltiefenkurve. d) Auf einer Abschätzung der Leistungscharakteristik basierende Kriterien (Kurven maximaler und durchschnittlicher Dichte eines Stroms während der Repolarisation).
Alle oben genannten Kriterien erlauben es, den ventrikularen Repolarisations- prozeß umfassender, detaillierter und genauer abzuschätzen und auf dieser Basis Schlüsse über den funktionalen Zustand des Myocardiums zu ziehen. Verfahren zur Evaluation der ventrikularen Depolarisation unter Verwendung magnetocardiaographischer Daten.
Das Problem ist das folgende: Bestimmung der signifikantesten elektrophysika- lischen Eigenschaften der ventrikularen Depolarisation unter Verwendung der Magne- tocardiographie, die als Kriterien für die Unterscheidung von normalen und Pathologi- sehen Funktionszuständen des Herzens und auch zur Gewinnung von Aussagen über verschiedene Herzkrankheiten dienen können.
Es gibt verschiedene Verfahren zur Evaluation der ventrikularen Depolarisation, nämlich: Verfahren der späten Felder, Verfahren der visuellen Abschätzung momentaner magnetischer Feldverteilungskarten und zeitlich integrierter Karten, Verfahren der qualitativen und quantitativen Evaluation von Residuen-Karten, Verfahren der Evaluation der effektiven Stromdipol-Parameter, Verfahren der Stromdichteberechnung.
Das erste dieser Verfahren repräsentiert die Spektralanalyse des letzten Teils des QRS-Komplexes, vergleichbar mit der Analyse der späten Potentiale beim EKG. Das zweite Verfahren stellt die Analyse der wechselseitigen Anordnung von positiven und negativen Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte. Das dritte Verfah- ren stellt einer visuelle und quantitative Abschätzung der Unterschiede zwischen der aktuellen Karte und einer rekonstruierten normalen Karte dar. Das vierte Verfahren stellt eine Abschätzung der Orientierung und Stärke der Stromdipole während des QR- Intervalls dar. Das fünfte Verfahren stellt eine Abschätzung der Stromdichteverteilung und der Werte in den QRS-maximum-Vectoren zu den verschiedenen Zeitpunkten der
Depolarisation dar.
Jedes dieser bekannten Verfahren erlaubt die Abschätzung nur eines Aspektes der ventrikularen Depolarisation: Homogenität der Anregung oder Richtung der äquivalenten Stromdipole oder Stromdichte in definierten Zeitpunkten der Depolarisation. Deshalb gibt es keine quantitativen Kriterien, die es erlaubten, den Depolarisationspro- zeß nicht nur in diskreten Zeitpunkten, sondern während des gesamten Prozesses abzuschätzen. Jedes dieser Verfahren basiert nur auf einer Stufe der Analyse: auf den magnetischen Feldverteilungskarten oder den Parametern effektiver Dipole oder den Stromdichte-Verteilungskarten. Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf verschiedenen aufeinanderfolgenden Stufen der MCG-Analyse: visuelle qualitative und quantitative Analyse der magnetischen Feldverteilungskarten, Analyse der Lokalisation effektiver Stromdipole, qualitative und quantitative Kriterien der Stromverteilung. All diese Schritte erlauben es, eine umfassende, genaue und vielseitige Abschätzung der Homogenität der Anregung, der Richtung der Ströme, der Leistungscharakteristik der Anregung in jedem Zeitpunkt und das Verhalten all dieser Parameter während des gesamten Depolarisationsprozesses. Daneben erlauben es die auf der Analyse der effektiven Dipoltiefe basierenden Kriterien, nicht nur die zweidimensionalen Verteilungen einer Quelle, sondern, bis zu einem gewissen Grade, auch deren dreidimensionale Verteilungen zu erhalten. Wesentliche neue Innovationen der angebotenen Erfindung sind: a) konsekutive Anwendung verschiedener Stufen der MCG-Analyse. b) Abschätzung der Richtungsänderungen der äquivalenten Stromdipole auf magnetischen Feldverteilungskarten und auf Karten der Stromlinienverteilung während der Depolarisation. c) Abschätzung der effektiven Dipoltiefenkurven. d) Kriterien, die auf einer Leistungscharakteristikabschätzung (Kurven der maximalen und der durchschnittlichen Dichte eines Stroms während der Depolarisation) während des gesamten Depolarisationsprozesses beruhen. Alle oben genannten Kriterien erlauben es, den ventrikularen Depolarisations- prozeß umfassender, detaillierter und genauer abzuschätzen und auf dieser Basis Schlüsse über den funktionalen myocardialen Zustand zu ziehen.
Verfahren zur Diagnose myocardialer Ischemie unter Verwendung magneto- cardiographischer Daten bei Patienten mit nicht-verändertem Ruhe-EKG.
Das Problem ist das folgende: MCG-Bestimmung der elektrophysikalischen Eigenschaften der ventrikularen Repolarisation, die von myocardialer Ischemie herrührt. Dies ist besonders bedeutend bei Patienten mit nicht-informativen EKG.
Es gibt zwei Verfahren zur MCG-Ischemie-Diagnose bei Patienten mit nicht- verändertem EKG, nämlich: Verfahren der visuellen Abschätzung magnetischer Feldverteilungskarten und Evaluationsverfahren der effektiven Stromdipolparameter. Das erste dieser Verfahren stellt eine visuelle Abschätzung der Quantität und Anordnung der magnetischen Extrema und der Richtung der Dipole in verschiedenen Momenten während der Repolarisationsperiode dar. Das zweite Verfahren stellt eine Abschätzung der Richtung und der Stärke der
Stromdipole in definierten Momenten des Kardiozyklus dar.
Nachteil der ersten dieser Verfahren ist die Tatsache, daß nur die räumliche Verteilung des magnetischen Feldes erhalten werden kann ohne Berücksichtigung der Richtung der Dipole und der Leistungsckarakteristik. Umgekehrt berücksichtigt das zweite Verfahren nicht die räumliche Verteilung eines magnetischen Feldes. Gemeinsamer Nachteil dieser beiden Verfahren ist das Fehlen quantitativer Kriterien, die es erlaubten, den Repolarisationsprozeß nicht nur in einem diskreten Zeitpunkt, sondern während des gesamten Prozesses abzuschätzen. Diese Verfahren sind nicht in der Lage, die Schwere der Ischemie abzuschätzen. Jedes von ihnen erlaubt es lediglich, nur einen Aspekt der ventrikularen Repolarisation abzuschätzen: die Homogenität der
Anregung oder die Richtung der äquivalenten Stromdipole und die Stärke in bestimmten Momenten der Repolarisation.
Das angebotene Verfahren basiert auf verschiedenen aufeinanderfolgenden Stufen der MCG-Analyse: visuelle qualitative und quantitative Analyse der magneti- sehen Feldverteilungskarten, Analyse der Lokalisation der effektiven Stromdipole, qualitative und quantitative Kriterien der Stromverteilung. Alle diese Schritte erlauben es, eine umfassende, genaue und vielseitige Abschätzung der Anregungshomogenität, der Richtung der Ströme, der Leistungscharakteristik der Anregung in jedem Zeitpunkt und des Verhaltens all dieser Parameter während des gesamten Repolarisationspro- zesses. Daneben erlauben es die auf der Analyse der effektiven Dipoltiefe basierenden Kriterien nicht nur zweidimensionalen Verteilungen einer Quelle, sondern, bis zu einem gewissen Grad, auch deren dreidimensionale Verteilungen zu erhalten. Dies macht es möglich, die Sensitivität und Spezifität eines Verfahrens signifikant zu verbessern und nicht nur das Vorliegen einer Ischemie zu diagnostizieren, sondern auch ihren Grad abzuschätzen.
Wesentliche neue Innovationen der angebotenen Erfindung sind: a) aufeinanderfolgende Anwendung verschiedener Stufen der MCG-Analyse b) Abschätzung der Richtungsänderungen der äquivalenten Stromdipole auf magnetischen Feldverteilungskarten und auf Karten der Verteilung der Stromlinien während der Repolarisation c) Evaluation zusätzlicher Extrema und der Strombereichs-Lebenszeit während der Repolarisation. d) Abschätzung der effektiven Dipoltiefenkurven. e) Kriterien basierend auf einer Abschätzung der Leistungscharakteristiken (Kurven der maximalen und der durchschnittlichen Dichte eines Stroms während der Repolarisation).
Alle oben genannten Kriterien erlauben es, die Sensitivität und Genauigkeit der Diagnose myocardialer Ischemie mittels MCG bei Patienten mit nicht-verändertem EKG signifikant zu verbessern. Verfahren zur Diagnose myocardialer Nekrose unter Verwendung magnetocar- diographischer Daten.
Das Problem ist das folgende: Bestimmung der myocardialen Nekrose, die von einem myocardialen Infarkt herrührt, d.h. Entwicklung von MCG-Äquivalenten der myocardialen Nekrose. Es gibt verschiedene Verfahren der Evaluation myocardialer Nekrose unter
Verwendung von MCG, nämlich: Verfahren der morphologischen Analyse des QRS- Komplexes, Verfahren der visuellen Abschätzung verzögerungsfreier magnetischer Feldverteilungskarten und zeitlich integrierter Karten, Verfahren der qualitativen und quantitativen Evaluation von Residuenkarten, Evaluationsverfahren der effektiven Stromdipolparameter, Verfahren der Berechnung von Stromdichten.
Das erste Verfahren stellt die Abschätzung des QRS-Komplex-Typus in verschiedenen Meßpunkten dar, äquivalent zur Standard EKG-Analyse.
Das zweite Verfahren stellt die Analyse der wechselseitigen Anordnung von positiven und negativen Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte dar. Das dritte Verfahren stellt eine visuelle und quantitative Abschätzung der Unterschiede zwi- schen der aktuellen Karte und einer rekonstruierten normalen Karte dar. Das vierte Verfahren stellt eine Abschätzung der Richtung und Stärke der Stromdipole während des QRS-Intervalls dar. Das fünfte Verfahren stellt eine Abschätzung der Stromdichteverteilung und der Werte in den QRS-Maximum-Vectoren zu verschiedenen Zeitpunk- ten der Depolarisation dar.
Jedes dieser Verfahren erlaubt es, nur einen Aspekt der ventrikularen Depolarisation abzuschätzen: Homogenität der Anregung oder Richtung der äquivalenten Stromdipole oder Stromdichte in definierten Zeitpunkten der Depolarisation. Deshalb gibt es keine quantitativen Kriterien, die es erlaubten, den Depolahsationsprozeß nicht nur in den bestimmten Zeitpunkten, sondern während des gesamten Prozesses abzuschätzen. Jedes dieser Verfahren basiert nur auf einer Stufe der Analyse: auf magnetischen Feldverteilungskarten oder effektiven Dipolparametern oder Stromdichtevertei- lungskarten. Nur das zweite Verfahren wird zur Diagnose des Nicht-Q-Infarktes, also bei Patienten mit nicht-informativem oder zweifelhaftem EKG verwandt. Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf verschiedenen aufeinanderfolgenden Stufen der MCG-Analyse: visuelle qualitative und quantitative Analyse der magnetischen Feldverteilungskarten, Analyse der Lokalisation der effektiven Stromdipole, qualitative und quantitative Kriterien für die Stromverteilung. All diese Schritte erlauben eine umfassende, genaue und vielseitige Abschätzung der Homogenität der Anregung, der Richtung der Ströme, der Leistungscharakteristik der Anregung in jedem Zeitpunkt das Verhalten all dieser Parameter während des gesamten Depolarisationsprozesses. Daneben erlauben es die auf der Analyse der effektiven Dipoltiefe basierenden Kriterien nicht nur, die zweidimensionale Verteilung einer Quelle, sondern, bis zu einem gewissen Grade, auch deren dreidimensionale Verteilung zu erhalten. Die wesentlichen neuen Innovationen der angebotenen Erfindung sind: a) aufeinanderfolgende Anwendung verschiedener Stufen der MCG-Analyse. b) Abschätzung der Richtungsänderungen der äquivalenten Stromdipole auf magnetischen Feldverteilungskarten und auf Karten der Stromlinienverteilung während der Depolarisation. c) Abschätzung der effektiven Dipoltiefenkurven. d) Kriterien basierend auf der Abschätzung der Leistungscharakteristik (Kurven der maximalen und durchschnittlichen Dichte eines Stroms während der Depolarisation) während des gesamten Depolarisationsprozesses.
Alle oben genannten Kriterien erlauben es, die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Diagnose myocardialer Nekrose mittels MCG signifikant zu verbessern. In der Figur 1 sind nach Art eines Flußdiagramm die wichtigstens Schritte bei der Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 gezeigt.
Zur Berechnung der Quellen eines erfaßten biomagnetischen Feldes werden zwei parallele z.B. quadratische Flächen betrachtet, die um den Abstand h voneinan- der entfernt sind. Die "obere" Fläche Sm wird als Meßebene bezeichnet, die "untere"
Fläche Ss als Quellenebene. Das magnetische Feld wird durch Gradiometer zweiter Ordnung erfaßt, daß überhalb der Meßebene so plaziert siind, daß die aufnehmende Spule (Pick-up-Coil) in der Meßebene liegt. Die Messung eines Signals erfolgt an den überlappenden Zentren eines Pick-up-Coils mit n x n Knoten in dieser Ebene. Das Gitter von m x m Knoten wird auf Ss gewählt.
Die Integralgleichung (IE) Ax=y wird gelöst, wobei die Koeffizienten einer Matrix a,j, i=1 , n2, j=1 , m2 definiert werden durch den Ausdruck s=sr2s2+s3. Die Komponenten s 2s2+s3 sind vertikale (z) Komponenten der magnetischen Induktion in den Punkten Q„ Q'„ Q"„ wobei Q, ein Knoten des Gitters und die Punkte Q'„ Q", oberhalb von Sm in den beiden Distanzen b und 2b sind, wobei b die Baselinedes Gradiometers ist. Der
Koeffizient ati hängt auch von der Position eines Knotens Mj auf einem Gitter Ss ab. Der rechte Teil der Gleichung stellt die Verteilung in den Knoten Q, eines Signals eines Gradiometers dar.
Nach Lösung von IE mit Hilfe der SV-Dekomposition einer Stromfunktion oder einer Verteilung der magnetischen Momente erhält man δ in einer Quellenebene. Seine Isolinien sind Stromlinien. Die Verteilung der Stromdichtevectoren findet man mittels der Formel j=[grad x, n].
Für die Definition der Abstände zwischen Ebene Ss und Sm - d.h. die "Tiefe" - geht man wie folgt vor: Man löst das Problem für die Werte hk, k=1 ,p und bestimmt eine Position auf einer Ebene Ss, für welche die Norm || xk.||/ (x,)max minimal ist. Der gefundene Wert h k* wird verbessert durch Führen einer Parabel durch die Punkte h k.-1 t h k«, h k*+ι und Berechnen einer Position eines Minimums dieser Parabel.
Figure imgf000024_0001
integrierte Schlüsse hinsichtlich der Inhomogenitätsrate und des Typus des myocardiologischen elektrophysiologischen Prozesses, Richtungen der momentanen elektromagnetischen Kraft (EMF) und der
Stromdichte, elektrische Atria und ventrikulare Aktivität.
Schlüsse hinsichtlich verschiedener Formen von myocardialer Ischemie, supraventrikularer und ventrikularer Rhythmusstörungsrisiken, Rate des Herzversagens, Veränderungen des elektrophysiologischen Prozesses unter Behandlung oder diagnostische Tests.
Tabelle 1

Claims

Patentansprüche
. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten biomagnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Daten, umfassend die folgenden, auf einer Oberflächendichte magnetischer Momente (Schicht magnetischer Dipole) oder, was äquivalent hierzu ist, einer Funktion der Ströme als physikalisches und mathematisches Modell der Quellen eines biomagnetischen Feldes beruhenden Schritte:
Aufstellen einer die Oberflächendichte der magnetischen Momente betreffen- den Integralgleichung, deren rechtes Glied die von einem Gradiometer gemessene zweite Ableitung der magnetischen Feldinduktion in Normalenrichtung zur Meßebene ( BJdz2) darstellt;
Bestimmen analytischer Ausdrücke für Faktoren einer Matrix A, die den integralen Operator dier genannten Intergralgleichung annähert, und Berechnung dieser Ma- trix;
Interpolation der gemessenen Werte der Funktion y^Bz/Sz2 in den Knoten eines vorzugsweise klein dimensionierten Gitters;
Lösung gemäß Tickhonov eines linearen algebraischen Gleichungssystems Ax = y, wobei x die Oberflächendichte der magnetischen Momente ist; - Aufbau einer Niveaulinienkarte der Oberflächendichte der magnetischen Momente oder, was äquivalent hierzu ist, einer Stromlinienkarte und Auslesen der Karte in eine Speichereinheit oder eine Ausgabeeinheit.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradienten der Oberflächendichte der magnetischen Momente automatisch berechnet und eine Karte der Stromdichten aufgebaut und in eine Speichereinheit oder eine Ausgabeeinheit ausgelesen wird.
3. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten bio- magnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Daten, insbesondere nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ausgewählte Daten nach vorgegebenen Kriterien automatisch mit wenigstens einem vordefinierten Normalwert verglichen werden und daß bei Abweichung der Daten von dem Normalwert um ein vorgegebenes Maß ein auf einer Ausgabeeinrichtung ausgebbares die Abwei- chung signalisierendes Signal erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Größe der Felder unter der P-Welle und dem QRS-Komplex berechnet werden. Die Größe dieser Felder spiegelt die Energie wider, die während der Anregung der Vorkammern und Ventriculi des Herzens erzeugt wird. Ferner kann das Verhältnis dieser Felder berechnet werden, um so die elektrische Aktivität der Vorkammern im Vergleich zu elektrischen Aktivität der Ventrikel abzuschätzen. Es hat sich gezeigt, daß dieser Parameter mit dem Grad des Herzversagens in Beziehung steht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der in der Beschreibung erwähnten Parameter aus den erfaßten Daten automatisch berechnet und mit einem Normalwert verglichen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßten Daten automatisch unterschiedliche Analysestufen, wobei die Komplexität der Analyse auf jeder Stufe zunimmt, durchlaufen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der folgenden Analysestufen durchlaufen wird: Amplituden-Zeit-Analyse verschiedener MCG-Kurven; Analyse hoch-auflösender MCG; Analyse summierter MCG und Vek- tor-MCG (VMCG); Qualitative Analyse der magnetischen Feld-Verteilungskarten;
Quantitative Analyse der magnetischen Feld-Verteilungskarten; Analyse der effektiven Dipol-Charakteristiken; Analyse der zweidimensionalen Ladungsverteilung; Analyse der dreidimensionalen Ladungsverteilung.
8. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung magnetokardio- graphischer Daten, umfassend die Schritte:
Abschätzung der wechselseitigen Anordnung der maximalen positiven und negativen Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte.
Abschätzen der Richtung des äquivalenten Stromdipols in jeder Karte unter Verwendung der Rechte-Hand-Regel.
Abschätzen der Anwesenheit zusätzlicher Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte und Dauer deren Existenz während des Repolarisationsprozesses. Berechnung des Verhältnisses der maximalen negativen zu den maximalen positiven Extrema in jeder Karte und der Standardableitung dieser Parameter während des Verfahrens. Abschätzung der effektiven Dipoltiefenkurve während der Repolarisation, Abschätzung der Verteilung und wechselseitigen Anordnung einer Stromlinie und der Richtungen der Stromdichtevectoren in jeder Karte während der Repolarisation. - Abschätzung der Kurven durchschnittlicher und maximaler Stromdichte während der Repolarisation. automatisches Bewerten der ventrikularen Repolarisation hinsichtlich der Konformität des aktuellen Repolarisationsprozesses im Vergleich zu normalen Parametern.
9. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung magnetokardio- graphischer Daten, umfassend die folgenden Schritte die wechelseitige Anordnung der maximalen positiven und negativen Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte wird abgeschätzt.
Gemäß der Rechte-Hand-Regel wird die Richtung des äquivalenten Stromdi- pols in jeder Karte abgeschätzt.
Das Vorhandensein zusätzlicher Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte und die Dauer deren Vorhandensein wird während des Depolarisationsprozesses abgeschätzt.
Die effektive Dipoltiefenkurve während der Depolarisation wird abgeschätzt. - Die Verteilung und wechselseitige Anordnung von Stromlinien und die Richtungen der Stromdichtevectoren in jeder Karte während der Depolarisation wird abgeschätzt.
Die Dauer der Existenz zusätzlicher Strombezirke während des Depolarisationsprozesses wird abgeschätzt. - Die Kurven der durchschnittlichen und maximalen Stromdichte während der
Depolarisation wird abgeschätzt.
Automatisches Bewerten der Konformität des aktuellen Depolarisationsprozesses mit normalen Parametern.
10. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung magnetokardio- graphischer Daten, umfassend die folgenden Schritte die wechselseitige Anordnung der maximalen positiven und negativen Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte wird abgeschätzt.
Gemäß der Rechte-Hand-Regel wird die Richtung der äquivalenten Stromdipole in jeder Karte abgeschätzt. Die Anwesenheit zusätzlicher Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte und die Dauer deren Existenz wird während des Repolarisationsprozesses abgeschätzt.
Die Ordnungszahl der Karte beginnend vom Zeitpunkt, zu dem die Richtung des äquivalenten Stromdipols der ventrikularen Repolarisation stabil normal wurde, d.h. nach links unten gerichtet.
Die effektive Dipoltiefe im J-Punkt wird abgeschätzt.
Die Verteilung und wechselseitige Anordnung der Stromlinien und der Richtungen der Stromdichtevectoren in jeder Karte während der Repolarisation wird abge- schätzt.
Die Ordnungszahl der Karte beginnend vom Zeitpunkt, zu dem die Richtung der maximalen Stromdichtevectoren der ventrikularen Repolarisation stabil normal wurde, d.h. nach links unten gerichtet, wird bestimmt.
Die Dauer der Existenz zusätzlicher Strombereiche während des Repolarisati- onsprozesses wird abgeschätzt.
Die Kurven der durchschnittlichen und der maximalen Stromdichte während der Repolarisation am Beginn des ST-T-Intervalls werden abgeschätzt.
Die Verhältnisse der maximalen und der durchschnittlichen Stromdichten im QRS-Maximum zu dem im T-Maximum werden abgeschätzt. Automatisches Bewerten der Abschätrzungen hinsichtlich des Vorhandenseins und der Schwere einer myocardialen Ischemie, insbesondere bei bei Patienten mit nicht-verändertem Ruhe-EKG umfassend die folgenden Schritte:
11. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung magnetokardio- graphischer Daten, umfassend die folgenden Schritte die wechselseitige Anordnung der maximalen positiven und negativen Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte wird abgeschätzt.
Gemäß der Rechte-Hand-Regel wird die Richtung der äquivalenten Stromdipole in jeder Karte abgeschätzt. - Ermitteln der Zeitperioden, während deren die Richtung der effektiven Dipole 1. nach rechts oder nach rechts unten, 2. nach links unten, 3. nach rechts oder oder nach oben gerichtet bleibt.
Die Anwesenheit zusätzlicher Extrema in jeder magnetischen Feldverteilungskarte und die Dauer deren Existenz während des Depolarisationsprozesses wird abge- schätzt. Die relative Amplitude der nach oben und nach unten gerichteten Bewegung der effektiven Dipole während der Depolarisation wird abgeschätzt.
Die Verteilung und wechselseitige Anordnung einer Stromlinie und die Richtungen der Stromdichtevectoren in jeder Karte während der Depolarisation wird abge- schätzt.
Ermitteln der Zeitperiode, während welcher die Richtung der maximalen Stromdichtevectoren 1. nach rechts oder nach rechts unten gerichtet, 2. nach links unten gerichtet, drittens nach rechts oder nach rechts oben gerichtet bleibt.
Abschätzung der Dauer der Existenz zusätzlicher Strombereiche während des Depolarisationsprozesses wird abgeschätzt.
Die Spitzenwerte der durchschnittlichen und maximalen Stromdichte während der Depolarisation und die Form der entsprechenden Kurven wird abgeschätzt.
Automatisches Bewerten der Abschätzungen hinsichtlich des Vorhandenseins myocardialer Nekrose.
12. Computerbasiertes Verfahren zur automatischen Aufbereitung von Daten biomagnetischer Felder, insbesondere von magnetokardiographischen Daten, wie aus der Beschreibung ersichtlich.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergleich der betrachteten Daten mit den Normalwerten die betrachteten Daten automatisch in einer selbstlernenden Datenbank gespeichert werden und nach vorgebbaren Kriterien zur fortlaufenden Bildung und Überprüfung von Normalwerten und tolerablen Abweichungen der Normalwerte hinzugezogen werden können.
14. Anwendung eines der beanspruchten und/oder beschriebenen Verfahren zur automatischen Analyse der Daten eines Patentienten, vorzugsweise der Daten größere Patentientenmengen im Rahmen, insbesondere eines Screeningtest, zur Evaluation des Risikos, an bestimmten Krankheiten, insbesondere einer der in der Anmeldung genannten Herzkrankheiten zu erkranken.
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