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Gegenstand der Erfindung ist das
Gating zur medizinischen Bildgebung und insbesondere ein Verfahren
und ein System zur Auswahl gewillkürter kardialer Phasen in physiologischen,
nicht elektrischen Signalen für
das kardiale Gating.
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Bei vielen Anwendungen wird es häufig gewünscht, ein
Bild zu einem bestimmten Zeitpunkt eines variablen Zyklusses zu
erhalten, wie beispielsweise einer Spitze des variablen Zyklusses,
um das Verhalten an dieser Spitze zu analysieren. Auf dem Gebiet
der Medizin werden bildgebende Systeme häufig dazu verwendet, interne
physiologische Information eines Subjekts zu erhalten. Beispielsweise kann
ein medizinisches bildgebendes System dazu verwendet werden, Bilder
einer Knochenstruktur, des Kopfes, des Herzens, der Lungen und verschiedener anderer
Teile eines Subjekts zu erhalten. Medizinische bildgebende Systeme
umfassen bildgebende Magnetoresonanzsysteme (MRI), Computertomographiesysteme
(CT), Röntgenstrahlsysteme,
Ultraschallsysteme und verschiedene andere bildgebende Einrichtungen.
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Das Gating ist zur Charakterisierung
unterschiedlicher Attribute eines dynamischen (sich bewegenden)
Organs während
der Bildgebung essentiell. Die meist verbreiteten Techniken des
Gatings (gesteuerten Durchlassens) beinhal ten Gating anhand kardialer,
respiratorischer oder peripherer Impulse und werden bei zahlreichen
medizinischen Anwendungen der verschiedenen Diagnosetypen einschließlich CT,
MR, Röntgenstrahlung,
Ultraschall und PET-CT verwendet.
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Kardiales Gating ist ein wesentlicher
Teil der kardialen Bildgebung, wenn Bildgebungsverfahren, wie beispielsweise
CT oder Magnetoresonanz (MR) genutzt werden, um bewegungsverursachte
Artefakte zu minimieren. Gegenwärtige
kardiale bildgebende Einrichtungen nutzen gleichzeitig aufgenommene EKG-Daten,
um CT-Projektionsdaten mit kardialer Phaseninformation zu etikettieren.
Im Wesentlichen wird die R-Welle des EKGs für diesen Zweck benutzt. Die
Herzfunktionen werden durch zwei unterschiedliche Perioden gekennzeichnet,
die Systole und Diastole genannt werden. In der Systole zieht der
Herzmuskel das Volumen des linken Ventrikels zusammen, um den Inhalt
durch die Aortenklappe herauszupumpen. Während der Diastole oder diastolischen Periode
füllt sich
das linke Ventrikel durch die Mitralklappe. An dem Ende der Systole
weist das linke Ventrikel sein kleinstes Volumen auf, weil es sich
zusammengezogen hat, um das Blut herauszupumpen. Das Ende der Diastole
ist der Punkt, an dem das linke Ventrikel sein größtes Volumen
aufweist, weil es mit Blut gefüllt
und bereit ist, dieses auszupumpen. Während der diastolischen Periode
ist das Herz relativ bewegungslos, wodurch Bilder, die aus während dieser
Periode gesammelten Daten erzeugt werden, als Ergebnis der beschränkten Bewegung
klarer sind.
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1 veranschaulicht
einen kardialen Zyklus einer EKG-Signalkurve einschließlich eines
systolischen Zustands oder Periode und eines diastolischen Zustands
oder Periode des Herzens. Die Abschnitte des EKG-Signals, die mit
Q, R und S bezeichnet sind, werden als QRS-Komplex bezeichnet, in
denen das R-Merkmale oder die R-Welle das prominenteste, d.h. eine
höchste
Amplitude aufweisende Merkmal des gesamten EKG-Signals. Der kardiale
Zyklus wird typischerweise als mit einer R-Welle beginnend und sich
bis zum eintretenden nächsten R-Welle
fortsetzend definiert.
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EKG-Gating wählt Zeitpunkte, zu denen das beste
Bild des Herzens verfügbar
ist. An dem Patienten wird ein EKG-Gerät
angeschlossen. Es wird eine Periode des Kardialzyklusses, beispielsweise
als die Zeit zwischen den R-Peaks des EKGs bestimmt. Eine der bekannten
Anwendungen liegt darin, einen R-Peak zusammen mit einer bestimmten
Periode des kardialen Zyklusses als Referenz zu nehmen, um während der
Perioden eines kardialen Zyklusses für den das Herz näherungsweise
stationär
ist, oder für Perioden
für die
die Bildgebung gewünscht
ist, gegatete Bilder zu erhalten.
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Es wird nun auf 2 verwiesen, bei der zwei gemeinhin genutzte
Ansätze,
die gemeinsam bei 130 veranschaulicht sind, zum Bestimmen
der diastolischen und der systolischen Phase in einem kardialen
Zyklus unter Verwendung eines EKG-Signals gezeigt sind. In der Kurve 132 sind
die systolische 134 und die diastolische 136 Phase
bei x und bei y % in Bezug auf einen kardialen Zyklus zentriert.
In der Kurve 140 weist die systolische Phase 142 eine
gewisse Verzögerung
von dem vorausgehenden R-Peak 146 auf. Ähnlich weist die systolische
Phase 144 eine gewisse Verzögerung gegen den vorigen R-Peak 148 auf.
Die diastolische Phase 152 weist einen gewissen Vorlauf
zu dem nächsten
R-Peak 148 auf und ähnlich
weist die diastolische Phase 154 einen gewissen Vorlauf
zu dem nächsten
R-Peak 150 auf. Diese Ansätze 130 basieren auf
der Annahme, dass die kardialen Phasen innerhalb eines gewissen Zeitintervalls
während
des kardialen Zyklusses eintreten. Diese Annahme muss nicht notwendigerweise für jeden
kardialen Zyklus und für
jedes Individuum in einer Population genau zutreffen.
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Wenn unter Nutzung der oben mit 2 beschriebenen Ansätze der
Ort der systolischen und der diastolischen Phase ermittelt oder
geschätzt
worden sind, kann eine Bildrekonstruktion durchgeführt werden. 3 veranschaulicht eine Halbscan-
und Multisektor-Bildrekonstruktion, wobei „I" das Bild repräsentiert, das von einem einzelnen
Zyklus und entsprechend zwei aufeinander folgenden Zyklen rekonstruiert
worden ist. In der Kurve 122 von EKG-Wellenformen 120 bilden
Projektionen 126 eines einzelnen kardialen Zyklusses einen
Datensatz für
die Bildrekonstruktion, auch bekannt als Halbscanrekonstruktion.
In der Kurve 124 werden Subsets 128 von Projektionen 126 mehrerer
kardialer Zyklen miteinander verschnitten, auch bekannt als sektor-basierte Rekonstruktion,
um einen vollständigen
Datensatz für
eine Rekonstruktion zu bilden.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die oben diskutierten und andere
Nachteile und Defizite werden durch ein Verfahren überwunden oder
gemildert, bei dem in einem kardialen Zyklus ein optimaler Triggerpunkt
ausgewählt
wird, wobei das Verfahren beinhaltet, dass ein Eingangssignal geliefert
wird, das nicht elektrische mit dem Herzen zusammenhängende Daten
beinhaltet, wobei das Eingangssignal analysiert wird, um herzbezogene
Merkmale zu erfassen, wobei diese Merkmalskandidaten durchsucht
werden, um optimale Merkmale herauszufinden und wobei ein optimaler
Triggerpunkt ausgewählt
wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform
beinhaltet ein Verfahren zur Auswahl willkürlicher kardialer Phasen für das kardiale
Gating das Identifizieren eines Triggerpunkts, der den Beginn einer
systolischen oder diastolischen Phase in einem Signal identifiziert, wobei
der Triggerpunkt zu einem Zeitpunkt t1 vorliegt, das Auswählen einer
Zeit δt
vor dem Triggerpunkt, die sich von einem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt
t1 erstreckt, wobei der Zeitpunkt t0 vor dem Zeitpunkt t1 liegt,
und das Auswählen
eines Zeitintervalls T, in dem das Bild rekonstruiert wird, wobei
sich das Zeitintervall T von dem Zeitpunkt t0 zu einem Zeitpunkt
t2 erstreckt, wobei t2 später
liegt als der Zeitpunkt t0. Bei einer anderen Ausführungsform
beinhaltet ein Verfahren der Bildrekonstruktion unter Verwendung
des kardialen Gatings, dass ein Signal geliefert wird, das eine
Anzahl aufeinander folgender kardialer Zyklen kennzeichnet, wobei
das Verfahren für
jeden kardialen Zyklus beinhaltet, dass ein Triggerpunkt festgelegt
wird, der den Beginn einer systolischen Phase oder einer diastolischen
Phase identifiziert, wobei der Triggerpunkt zu einem Zeitpunkt t1 gegeben
ist, dass eine Zeitspanne δt
spezifiziert wird, die vor dem Triggerpunkt liegt und sich von einem Zeitpunkt
t0 bis zu einem Zeitpunkt t1 erstreckt, wobei der Zeitpunkt t0 früher ist
als der Zeitpunkt t1, und dass ein Zeitintervall T ausgewählt wird,
in dem das Bild rekonstruiert wird, wobei sich das Zeitintervall
T von dem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt t2 erstreckt, wobei
der Zeitpunkt t2 später
ist als der Zeitpunkt t0 und wobei über wenigstens ein Zeitintervall T
ein Bild rekonstruiert wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform
ist ein Speichermedium mit einem maschinenlesbaren Computerprogrammcode
versehen, wobei der Code Instruktionen beinhaltet, die einen Computer
veranlassen, ein Verfahren zur Auswahl eines optimalen Triggerpunkts
in einem kardialen Zyklus auszuführen,
wobei das Verfahren beinhaltet, dass ein Eingangssignal geliefert
wird, das nicht elektrische kardial bezogene Daten enthält, dass
das Eingangssignal analysiert wird, um Merkmalskandidaten zu erfassen,
dass die Merkmalskandidaten durchsucht werden, um optimale Merkmale
herauszufinden und dass ein optimaler Triggerpunkt ausgewählt wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform
ist ein Speichermedium mit einem maschinenlesbaren Computerprogrammcode
versehen, wobei der Code Instruktionen enthält, die einen Computer veranlassen,
ein Verfahren zur willkürlichen
Auswahl einer kardialen Phase für
das kardiale Gating zu implementieren, wobei das Verfahren beinhaltet,
dass ein Triggerpunkt identifiziert wird, der den Beginn einer systolischen
Phase oder einer diastolischen Phase in einem Signal kennzeichnet,
wobei der Triggerpunkt zu einem Zeitpunkt t1 vorliegt, dass eine
Zeit δt
vor dem Triggerpunkt festgelegt wird, die sich von einem Zeitpunkt
t0 bis zu einem Zeitpunkt t1 erstreckt, wobei die Zeit t0 vor dem
Zeitpunkt t1 liegt, und dass ein Zeitintervall T ausgewählt wird,
indem ein Bild rekonstruiert wird, wobei sich das Zeitintervall
T von dem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt t2 erstreckt, wobei
der Zeitpunkt t2 später
ist als der Zeitpunkt t0.
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Bei einer anderen Ausführungsform
beinhaltet ein System zur Auswahl eines optimalen Triggerpunkts
in einem kardialen Zyklus einen nicht elektrischen Sensor, der mechanische
Vibrationen oder Schwingungen des Herzens erfasst, eine Verarbeitungseinheit,
die mit dem mechanischen Sensor verbunden ist, wobei die Verarbeitungseinheit
ein von dem mechanischen Sensor ausgegebenes Signal verarbeitet,
das Signal analysiert, um Merkmalskandidaten zu erfassen, die Merkmalskandidaten
durchsucht, um optimale Merkmale zu selektieren und einen optimalen
Triggerpunkt auswählt.
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Bei einer anderen Ausführungsform
beinhaltet ein System zur Bildrekonstruktion unter Nutzung des kardialen
Gatings einen nichtelektrischen Sensor, der die mechanische Vibration
des Herzens erfasst, einen Verarbeitungseinheit, die mit dem mechanischen
Sensor verbunden ist, wobei die Verarbeitungseinheit ein von dem
mechanischen Sensor ausgesandtes Signal verarbeitet, einen Triggerpunkt identifiziert,
der den Beginn einer systolischen Phase oder einer diastolischen
Phase in dem Signal kennzeichnet, wobei der Triggerpunkt zu einem
Zeitpunkt t1 vorliegt, das Festlegen einer Zeit δt vor dem Triggerpunkt, die
sich von einem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt t1 erstreckt,
wobei der Zeitpunkt t0 früher
ist als der Zeitpunkt t1, und wobei sie ein Zeitintervall T auswählt, in
dem das Bild rekonstruiert wird, wobei sich das Zeitintervall T
von dem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt t2 erstreckt, wobei
der Zeitpunkt t2 später
ist als der Zeitpunkt t0.
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Die oben diskutierten und andere
Eigenschaften und Vorzüge
der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden
detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich und gewürdigt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht
eine herkömmliche EKG-Signalform,
wie sie bei bekannten bildgebenden Systemen Anwen dung findet.
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2 veranschaulicht
bekannte EKG-Signalformen, bei denen die systolische und die diastolische
Phase innerhalb eines speziellen Prozentsatzes des kardialen Zyklusses
zentriert oder mit einer gewissen Verzögerung von einem benachbarten Peak
angenommen werden.
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3 veranschaulicht
EKG-Signalformen, bei denen Bilder aus einem einzelnen Zyklus oder zwei
aufeinander folgenden Zyklen rekonstruiert werden.
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4 veranschaulicht
ein Diagramm einer Sensoranordnung in ihrer Anordnung relativ zu
einem Patienten.
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5 veranschaulicht
ein Diagramm eines Beschleunigungssignals eines kardialen Zyklusses.
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6 veranschaulicht
ein Diagramm eines Beschleunigungssignals, eine Blutdruckkurvenform, ein
Phonokardiogramm und ein Aortapulssignal.
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7 veranschaulicht
ein Diagramm eines Verfahrens zur Bestimmung eines Triggerpunkts.
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8 veranschaulicht
einen Trainingsprozess, der bei dem Verfahren zur Bestimmung des Triggerpunkts
gemäß 7 verwendet werden kann.
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9 veranschaulicht
ein abgewandeltes Verfahren zur Bestimmung eines Triggerpunkts,
das ein Verfahren zur Musteranpassung (Template Matching) beinhaltet.
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10 veranschaulicht
ein Beispiel des Template Matching-Verfahrens nach 9 angewendet auf ein Beschleunigungssignal
zur Auswahl eines Triggerpunkts.
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11 veranschaulicht
Kurvenformen, bei denen Bilder über
ein Zeitintervall "T" rekonstruiert werden,
das durch die Zeit vor dem Beginn der unterschiedlichen Phasen bestimmt
ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei diesem Verfahren und System wird
die mechanische Bewegung des Herzens dazu verwendet, die kardialen
Phasen verlässlich
zu erfassen und die Möglichkeit
zur Auswahl einer willkürlichen
Phase zur Rekonstruktion der Bilder zu schaffen.
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Bei einem Verfahren, das auf mechanischer Bewegung
beruht, müssen,
wenn es für
das kardiale Gating anwendbar sein soll, die folgenden drei Bedingungen
zutreffen: 1) Kausalität:
das Gatingsignal muss gerade vor der kardialen Bewegung eintreffen (d.h.
es muss die Fähigkeit
haben „in
der Zeit vorauszusehen"),
2) Spezifität:
Das Gatingsignal muss von einem Ereignis abgeleitet sein, das kardialen
Ursprung hat, und 3) Gültigkeit:
das Gatingsignal muss auf verlässliche
Weise unter Nutzung eines Signaturanalyseansatzes erhalten worden
sein. Somit müssen
für jedes
biologische Signal eines Wandlers, damit es biologische Relevanz
hat, Bedingungen wie Kausalität,
Spezifität
und Signatur/Muster-Analyse erfüllt
sein. Verfahren und Systeme die solche Bedingungen für kardiales,
respiratorisches und peripheres Pulsgating erfüllen, werden in dem US-Patent
Nr. (125517, GEM-0071) erfüllt,
die gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht und
durch diesen Verweis zur Gänze
hier mitaufgenommen ist.
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Bei diesem Verfahren und dem unten
beschriebenen System geht es um die kardiale Signatur/Muster-Analyse
der nicht elektrischen Signale. Dieses Verfahren und System ist
auf nicht elektrische Signale anwendbar, wie beispielsweise periphere Pulse,
Phonokardiogramme sowie Bewegungs/Beschleunigungssignale, die unter
Nutzung verschiedener nicht elektrischer Sensoren erhalten werden,
zu de nen Bewegungs-, Beschleunigungs-, Druck-, Ultraschall-, Kraft-,
optische, piezo-elektrische, resistive, induktive und kapazitive
Wandler gehören.
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Ein nicht elektrischer Sensor, wie
beispielsweise ein mechanischer (Beschleunigungs-) Sensor wird bei
diesem Verfahren, falls nicht anderweitig spezifiziert, als Beispiel
verwendet, obwohl jeder andere geeignete Typ eines nicht elektrischen
Sensors eingeschlossen sein kann. Um die Spezifität zu verbessern,
kann eine Sensoranordnung, wie beispielsweise ein Beschleunigungsmesser
oder jeder der oben beschriebenen elektrischen Sensoren direkt auf
der Brustwand 40 vor dem Herzen eines Patienten 42 platziert
werden, der vorzugsweise rücklings auf
einem Tisch 38 liegt, wie in 4 veranschaulicht.
Alternativ kann der Sensor 12, wenn der Sensor 12 mit
der Bildgebung, für
die das Gating in erster Linie durchgeführt wird, in Konflikt kommt,
aus dem Blickfeld durch Verwendung eines fluidgefüllten, nicht metallischen,
nicht leitenden Rohrs 44 entfernt werden. Das Rohr 44 kann
ein flaches Ende 46 aufweisen, das an den Patienten 42 geklebt,
geheftet oder anderweitig gesichert ist und das andere Ende 48 kann
unter dem Sensor 12 unter der Bodenfläche 16 platziert werden.
Bei dieser Anordnung werden die dem Herzen spezifischen Vibrationen
zu dem Sensor 12 fortgeleitet, der außerhalb des Bildgebungsblickfelds
angeordnet ist. Die kardialen Vibrationen des Patienten werden unter
Verwendung der fluidgefüllten
Leiteinrichtung 44 zu dem Sensor 12 übertragen. Wenn
der Sensor 12 ein Beschleunigungsmesser ist, wird die Beschleunigung
durch die Sensorbox 26 aufgezeichnet und zur Signalverarbeitung,
Computeranalyse und Anzeige 50 weitergeleitet. Obwohl die Aufnahme
des Rohrs 44 einen gewissen Leitungsverzug in das System
einführt,
wird nicht erwartet, dass die Kausalität des Signals sig nifikant verschlechtert
wird. Alternative Methoden zur Entfernung des Sensors 12 aus
dem Bildgebungsblickfeld sind im Rahmen dieses Verfahrens ebenso
wie die Anordnung des Sensors 12 direkt auf der Brust 40 des
Patienten 42 gangbar, wenn eine solche Platzierung die
Bildgebung nicht stört.
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Wenn ein nicht elektrischer Sensor,
wie beispielsweise ein Beschleunigungsmesser mit einem sich bewegenden
Körper,
wie beispielsweise der vorderen Brustwand 40, wie in 4 veranschaulicht, in Berührung gebracht
wird, wird die Bewegung der vorderen Brustwand 40 erfasst,
die die mechanische Bewegung des Herzens repräsentiert. 5 veranschaulicht die Beschleunigung
der Herzklappen, wie sie von dem mechanischen Sensor erfasst wird.
Alternative Typen nicht elektrischer Sensoren ergeben andere Arten
von Signalen. Das erfasste Beschleunigungssignal 200, wie
es in 5 dargestellt
ist, weist unterscheidungskräftige
Merkmale auf, die unterschiedliche Phasen des Herzens trennen. Die
ersten Peaks 202, 204 entsprechen dem Schließen atrio-ventrikulärer Klappen,
dem Schließen 202 der
Mitralklappe und dem Schließen 204 der
Trikuspidalklappe oder dem Beginn der Systole und der üblicherweise
kleinere zweite Peak 206 entspricht dem Schließen der
Semilunarklappen, dem Schließen
der Aorten- und Pulmonalklappe oder dem Anfang der Diastole.
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Wie in 6 veranschaulicht
ist, kann die Blutdruckkurve 210 aus der Beschleunigungskurve 200 durch
zweimalige Integration des Signals 200 über ein gegebenes Zeitintervall
und durch Beseitigung der Signaldrift errechnet werden. Die abgeleitete
Druckkurve 210 entspricht gut dem Aortenpuls 212 oder
dem Karotispuls in Abhängigkeit
von der Platzierung des Sensors auf dem Körper des Subjekts während die
Beschleunigungskurve 200 gut mit dem Phonokardiogramm 214 korreliert,
dessen akkustisches Signal die Herztöne repräsentiert. Alternativ kann das
Beschleunigungssignal 200 von der Druckkurve 210 durch
Bildung der zweiten Ableitung abgeleitet werden. Der (nicht veranschaulichte)
Blutgeschwindigkeitsfaktor kann auf gleiche Weise entweder durch
Integration des Beschleunigungssignals 200 über ein
gegebenes Zeitintervall oder durch Bildung der ersten Ableitung
der Druckkurve 210 und umgekehrt bestimmt werden. Somit
kann die allgemein bei 220 veranschaulichte kardiale Information, die
auf eine Art erhalten worden ist, dazu verwendet werden, Information
der anderen Art rechnerisch abzuleiten, ohne mehrere Sensoren nutzen
zu müssen.
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Beim retrospektiven kardialen Gating
müssen
für jeden
kardialen Zyklus Triggerpunkte bestimmt werden und diese Information
wird dann zur Bildrekonstruktion genutzt. Wie mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben, sind die herkömmlichen Herangehensweisen
beim Bestimmen der Phasen nicht immer präzise. Zur Bestimmung der optimalen Triggerpunkte
in jedem kardialen Zyklus ist der in 7 generalisierte
Algorithmus veranschaulicht. 7 veranschaulicht
ein Diagramm, das unterschiedliche Vorgänge bei einem Triggerpunktbestimmungsverfahren,
Prozess, Algorithmus und System 230 veranschaulicht. Der
Segmentierungsblock 236 kann, muss aber nicht, bei allen
Anwendungsfällen zur
Triggerpunktbestimmung vorhanden sein. Der Trainingsprozess 244 kann
Information aus einer existierenden Datenbank 242 nutzen,
um in einem unbekannten Fall Parameter abzuleiten. Individuelle Module
des Prozesses 230 zur Bestimmung von Triggerpunkten werden
weiter unten beschrieben.
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Das Eingangssignal 232 enthält kardial
bezogene Daten, die von einem nicht elektrischen Sensor erhalten
sind, wie beispielsweise dem mechanischen Sensor 12, der
mit Bezug auf 4 beschrieben
worden ist, obwohl alternative Anordnungen und alternative nicht
elektrische Sensoranordnungen zur Akquisition kardial bezogener
Daten ebenfalls im Umfang des Algorithmus 230 liegen.
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Im Hinblick auf die Vorverarbeitung 234 liegt die
prinzipielle Aufgabe von Hervorhebetechniken darin, die Daten so
zu verarbeiten, dass das Ergebnis für eine spezifische Anwendung
besser geeignet als die originalen Daten. Die Rohdaten können unter Verwendung
räumlicher
Domainmethoden vorverarbeitet werden, wie beispielsweise Pointprocessingverfahren,
was Exponentation, räumliche
Filtermethoden einschließlich
verschiedener Glättungs-
und Schärfungsoperationen
oder Frequenzdomainmethoden einschließlich verschiedener Filter
oder Kombinationen solcher Methoden einschließt jedoch nicht auf diese verwendet
ist, einschließen.
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Die Segmentation 236 unterteilt
ein Signal in seine Bausteine, wie beispielsweise unterschiedliche Phasen
oder optimale Triggerpunktposition auf der Basis vorbestimmter Kriterien.
Das Niveau auf dem diese Unterteilung ausgeführt wird hängt von dem zu lösenden Problem
ab. Dieser Schritt 236 kann in dem Prozess 230 den
schlussendlichen Erfolg oder Misserfolg der Analyse bestimmen. Tatsächlich führt eine effektive
Segmentation meistens zu einer erfolgreichen Lösung. Es sollte hier angemerkt
werden, dass die Segmentation 236 entweder vor oder nach
einer Merkmalserfassung 238 durchgeführt werden kann.
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In Bezug auf die Merkmalserfassung 238 ist die
Sig nalanalyse ein Prozess des Aufdeckens, Identifizierens und Verstehens
von Mustern, die für
die Leistungsfähigkeit
einer signalbasierten Aufgabe relevant sind. Jede Signalanalysetechnik
kann Eigenschaften beinhalten, wie beispielsweise 1) die Fähigkeit,
einschlägige
Information aus einem Hintergrund irrelevanter Details zu extrahieren;
2) die Fähigkeit, aus
Beispielen zu lernen und dieses Wissen zu verallgemeinern, so dass
es auf neue und unterschiedliche Umstände angewendet werden kann,
und 3) die Fähigkeit,
Schlussfolgerungen aus nicht vollständiger Information zu ziehen.
Bilderkennungstechniken, wie beispielsweise Template Matching, neuronale Netzwerke
und strukturelle Methoden, die jede strukturelle Beziehungsinformation
in einem Muster nutzen, können
verwendet werden, um bei der Merkmalsdetektion 238 Merkmale
zu erfassen.
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Wenn die Merkmale bei der Merkmalserfassung 238 berechnet
sind, kann ein vortrainierter Klassifikationsalgorithmus bei der
Klassifikation 240 verwendet werden, um die erfassten Segmente
des Signals in unterschiedliche Phasen zu kategorisieren. Neuronale
Netzwerke, regelbasierte Methoden oder Fuzzy-Logic kann zur Klassifikation
verwendet werden, was aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Eine Datenbank 242 (kardiale
Rohdaten von dem mechanischen Sensor), die sowohl normale als auch
abnormale (eine oder mehrere Krankheitszustände in jedem Datensatz) Daten
enthält,
wird dazu verwendet, den Algorithmus beim Training 244 zu trainieren.
Wie in 8, die einen
Ablauf eines Trainingsprozesses veranschaulicht, spezieller veranschaulicht
ist, beinhaltet ein Trainingsset 242 die Berechnung unterschiedlicher
Merkmalskandidaten, wie beispielsweise Charakteristika normaler
oder abnormaler (ein oder mehrere Krankheitszustände in jedem Datensatz) Daten,
das Verhältnis
zwischen unterschiedlichen Krankheitszuständen und spezifische Signalcharakteristika
oder andere zutreffende Faktoren aus einer existierenden Datenbank.
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Ein Merkmalsselektionsalgorithmus,
der auf die Merkmalsdetektion 238 oder als Teil der Klassifikation 240 durchgeführt werden
kann, kann die Merkmalskandidaten sortieren und lediglich die zweckmäßigen selektieren
sowie solche beseitigen, die keine Information oder redundante Information
beinhalten. Diese Entscheidung kann auf Klassifikationsergebnissen
mit unterschiedlichen Kombinationen der Merkmalskandidaten basieren.
Der Merkmalsselektionsalgorithmus wird außerdem dazu verwendet, die Dimensionalität von einem
praktischen Standpunkt her zu reduzieren, weil die Berechnungszeit
enorm ist, wenn die Anzahl der zu berechnenden Merkmale groß ist. Somit
wird ein Merkmalssatz erhalten, der optimal zwischen den unterschiedlichen
Merkmalen in einem Signal unterscheiden kann. Es kann eine optimale
Merkmalsselektion unter Verwendung bekannter Abstandsmessungen einschließlich Divergenzmessungen,
Bhattacharya-Distanz, der Mahalanobis-Distanz durchgeführt werden.
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Nachdem der Merkmalssatz aus dem
Trainingsprozess 244 erhalten worden ist, erhalten die verschiedenen
Blöcke
(z.B. Vorverarbeitung 234, Segmentation 236, Merkmalsdetektion 238,
Klassifikation 240 und Auswahl 250 des optimalen
Triggerpunkts) des Prozesses 230 zur Bestimmung des Triggerpunkts,
wie in 7 veranschaulicht,
mit geeigneter Information beliefert.
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Wie in 7 veranschaulicht
ist, können
in jedem Schritt (z.B. Signalaufnahme 232, Vorverarbeitung 234, Segmentation 236,
Merkmalserfassung 238, Klassifikation 240 und
Wahl 250 eines optimalen Triggerpunkts) des Prozesses 230 Akquisitionsparameter 248 genutzt
werden, um unterschiedliche Kriterien für eine Auswahl 250 des
optimalen Triggerpunkts zu bestimmen. Akquisitionsparameter können die
Abtastrate des akquirierten Signals, die Kenntnis über die
Platzierung des Sensors, die Art des Signals, das aufgenommen wird,
die Art der Anwendung, der Typ der Krankheit, falls bereits bekannt usw.
sein. Außerdem
kann in dem Schritt Herzschlagberechnung die Herzfrequenz berechnet
und in den letzten Schritt des Prozesses eingeleitet werden. Diese
Grundprozesse, d.h. die unterschiedlichen Blöcke und Schritte, die in dem
Gesamtverfahren 230 veranschaulicht sind, können parallel
oder in unterschiedlichen Kombinationen ausgeführt werden. Bei einer gegebenen
Anwendung kann es sein, dass lediglich einige dieser Kombinationen
benutzt werden müssen,
jedoch werden sie in 7 mit
allen ihren Möglichkeiten
angegeben, um die verschiedenen Modifikationen des Datenflusses
aufzuzeigen, die möglich
sind.
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In 9 ist
ein Beispiel für
eine Anwendung eines Netzwerks für
einen Prozess 230 mit einem Template-Matching-Verfahren veranschaulicht.
Ein exemplarischer Algorithmus 260 für den Mustererkennungsansatz
ist eine revidierte Version des allgemeineren umfassenden Prozesses 230.
Der Algorithmus 260 beinhaltet Signaleingabe 232 und/oder
Vorverarbeitung 234. Die Signaleingabe bzw. das Eingangssignal 232 kann
durch die Rohdaten 232 oder ein vorverarbeitetes Signal 234 gebildet
sein, was von den Merkmalen abhängt,
die zu extrahieren sind. Alternativ können beide Signale 232, 234 parallel
benutzt werden.
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Innerhalb der Merkmalserfassung 238 würde ein
automa tisiertes optimales Muster innerhalb der ersten paar Sekunden
von jedem Datensatz selektiert, der in dem Schritt Template Selection 262 verarbeitet
werden soll. In dem Schritt Template-Matching 264 wird
das selektierte Template mit dem Echtzeitsignal verglichen, um einen
Korrelationsvektor zu bilden. Der Schwellwertbildungsschritt 266 kann
zwei separate Prozesse beinhalten. (1) Vergleichen des Korrelationsvektors
aus dem Template Matching Schritt 264 mit einer Schwelle, um die
Punkte zu wählen,
die mit jedem kardialen Zyklus gut korreliert sind. Dieser Prozess
liefert einen Satz von Kandidaten von Triggerpunkten für jeden
Zyklus. Es können unterschiedliche
Kriterien dazu genutzt werden, die Triggerpunkte aus diesem Satz
auszuwählen.
(2) Separater Schwellwertvergleich des vorverarbeiteten Signals 234 aus
dem ersten Schritt.
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Bei der Klassifikation 240 ist
ein Kriterium den Datenpunkt mit maximaler Korrelation zu nutzen und
jeden anderen Datenpunkt nicht zu nutzen, bis die Zeit, die der
aktuellen kardialen Periode entspricht, erreicht ist. Alternativ
kann der erste Datenpunkt, der die Schwelle nach der aktuellen kardialen Periode überschreitet,
verwendet werden. Ein anderes Verfahren beinhaltet die Verwendung
des segmentierten vorverarbeiteten Signals zusammen mit dem segmentierten
Korrelationsvektor, um einen optimalen Triggerpunkt 250 in
jedem Zyklus zu bestimmen. Der optimale Triggerpunkt des Schritts
250, Auswahl eines optimalen Triggerpunkts, wird für jeden
kardialen Zyklus zu der bildgebenden Einrichtung gesandt, um dieser
ein Gate-Signal zu liefern.
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Eine Veranschaulichung dieses Ansatzes
ist in 10 veranschaulicht,
die das Template-Matching Verfahren, das auf ein Beschleunigungssignal 200 angewendet
wird, diagrammartig veranschaulicht. Es wird aus den ersten wenigen
Sekunden aus den Daten durch den Schritt Template-Auswahl 262 ein
optimales Template ausgewählt.
Die Schritte Template-Matching 264 und Schwellwertvergleich 266 erfassen
Triggerpunktkandidaten 282. Die beste Triggerpunktauswahl 250 ist
unter Verwendung zweier unterschiedlicher Ansätze dargestellt. Der Triggerpunkt 284 kann
danach ausgewählt
werden, dass eine gewisse Schwelle überschritten wird, die durch einen
Nutzer/Bediener vorgewählt
werden kann und es kann der Triggerpunkt 286 so gewählt werden, dass
er eine maximale Korrelation aufweist, d.h. die beste Übereinstimmung
eines Beschleunigungssignals mit einem Template hat.
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11 veranschaulicht
den Anfang der Systole "S" und der diastolischen
Phase "D"., δt" repräsentiert
die Zeit vor dem Anfang der unterschiedlichen Phasen. "T" repräsentiert das Zeitintervall
(die Phase), die der Nutzer auswählen
würde,
um Bilder in unterschiedlichen Phasen zu rekonstruieren und "I" repräsentiert die Bilder, die rekonstruiert
werden. Wenn die Triggerpunkte einmal ausgewählt sind, d.h. 284 oder 286,
wie in 10 veranschaulicht,
kann ein Nutzer ein Zeitintervall δt innerhalb der Kurve 300 angeben,
wie in 11 veranschaulicht
ist, indem er die Rekonstruktion der Bilder durchführen möchte und
die Bilder können
in einem Intervall T rekonstruiert werden. Dieses Intervall "δt" kann vor der ersten Spitze des kardialen
Zyklusses, d.h. 306 liegen, um eine atriale Kontraktion
zu erfassen oder vor der zweiten Spitze, d.h. 308, um den
Anfang der Diastole oder in Abhängigkeit
von der Anwendung jeder anderen willkürlichen Phase zu erfassen.
Die Bilder I werden aus der Kurve 302 auf der Basis individueller
Intervalle T rekonstruiert, wie in Kurve 304 veranschaulicht
ist, wobei die Daten von ein oder mehreren kardialen Zyklen dazu
verwendet werden, ein einzelnes Bild I zu rekonstruieren.
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Es versteht sich, dass die oben beschriebenen
Verfahren auf unterschiedliche diagnostische Modalitäten anwendbar
sind, wie beispielsweise CT, MR, Röntgenstrahlung, Ultraschall
und PET-CT, ohne auf diese beschränkt zu sein.
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Somit versetzen die hier geoffenbarten
Verfahren, Prozesse, der Algorithmus und das System den Nutzer in
die Lage, unterschiedliche kardiale Phasen auf der Basis der mechanischen
Bewegung des Herzens akkurat auszuwählen, was bislang nicht möglich war.
Das oben beschriebene Netzwerk schafft die Möglichkeit, kardiale Phasen
auf der Basis der mechanischen Bewegung des Herzens zu bestimmen
und unterschiedliche kardiale Phasen zu unterscheiden.
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Es sollte angemerkt werden, dass
alle oben beschriebenen Verfahren mit einem bildgebenden System
oder innerhalb eines Signalprozessors genutzt werden können, der
mit einem Computer und einem Display verbunden ist, wie beispielsweise durch
Nr. 50 in 5 veranschaulicht,
und insbesondere können
sie in einem Speicher abgespeichert sein, der durch eine Verarbeitungseinheit
in dem Prozessor abgearbeitet wird. Es liegt außerdem innerhalb des Bereichs
der Erfindung, dass die geoffenbarten Verfahren in Form eines computerimplementierten
Verfahrens und Apparats zur Umsetzung solcher Verfahren angewendet
werden. Die vorliegende Erfindung kann außerdem in Form eines Computerprogrammcodes
vorliegen, der Instruktionen enthält, die auf einem greifbaren
Medium verkörpert
sind, wie beispielsweise Disketten, CD-Roms, Hard Drives oder jedem
anderen computerlesbaren Speichermedium, wobei der Computerprogrammcode
in einem Computer geladen und von diesem ausgeführt wird, wobei der Computer
ein Gerät
zur Umsetzung der Erfindung wird. Die vorliegende Erfindung kann
außerdem
in Form von Computerprogrammcode verwirklicht sein, der beispielsweise
in einem Speichermedium gespeichert, in einen Computer geladen und/oder von
diesem ausgeführt
wird oder als ein Datensignal verkörpert sein, unabhängig ob
dieses über
einen modulierten Träger übertragen
wird oder nicht, über ein
sonstiges Transmissionsmedium, wie beispielsweise elektrische Verdrahtungen
oder Kabel, Glasfasern oder elektromagnetische Strahlung, wobei
der Computerprogrammcode in einen Computer geladen und von diesem
ausgeführt
wird, wobei der Computer eine Einrichtung zur Ausübung der
Erfindung wird. Wenn der Computerprogrammcode in einen Mehrzweckmikroprozessor
implementiert wird, konfigurieren die Computerprogrammcodesegmente
den Mikroprozessor als spezifische logische Schaltungen.
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Während
die Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist,
versteht es sich für
den Fachmann, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden und
Elemente durch ihre Äquivalente
ersetzt werden können,
ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele Abwandlungen an
der Lehre der Erfindung gemacht werden, um eine Anpassung an eine
spezielle Situation oder ein Material vorzunehmen, ohne den wesentlichen
Bereich der Erfindung zu verlassen. Es ist deshalb beabsichtigt, dass
die Erfindung nicht auf das speziell geoffenbarte Ausführungsbeispiel
beschränkt
ist, das als beste Umsetzung zur Ausführung der Erfindung angesehen
wird, die Erfindung soll vielmehr alle Ausführungsformen umfassen, die
in den Bereich der nachfolgenden Ansprüche fallen. Außerdem stellt
die Verwendung der Begriffe erster, zweiter usw. keine Ordnung oder
Wichtigkeit dar, vielmehr werden die Begriffe erster, zweiter usw.
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lediglich dazu verwendet, ein Element
von einem anderen zu unterscheiden.