gms | German Medical Science

50. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie (gmds)
12. Jahrestagung der Deutschen Arbeitsgemeinschaft für Epidemiologie (dae)

Deutsche Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie
Deutsche Arbeitsgemeinschaft für Epidemiologie

12. bis 15.09.2005, Freiburg im Breisgau

HeAT - Heart Analysis Tool

Meeting Abstract

  • Dennis Säring - Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Hamburg
  • Jan Ehrhardt - Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Hamburg
  • Alexander Stork - Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Hamburg
  • Martin Bannsmann - Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Hamburg
  • Gunnar Lund - Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Hamburg
  • Heinz Handels - Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Hamburg

Deutsche Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie. Deutsche Arbeitsgemeinschaft für Epidemiologie. 50. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie (gmds), 12. Jahrestagung der Deutschen Arbeitsgemeinschaft für Epidemiologie. Freiburg im Breisgau, 12.-15.09.2005. Düsseldorf, Köln: German Medical Science; 2005. Doc05gmds456

Die elektronische Version dieses Artikels ist vollständig und ist verfügbar unter: http://www.egms.de/de/meetings/gmds2005/05gmds407.shtml

Veröffentlicht: 8. September 2005

© 2005 Säring et al.
Dieser Artikel ist ein Open Access-Artikel und steht unter den Creative Commons Lizenzbedingungen (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.de). Er darf vervielf&aauml;ltigt, verbreitet und &oauml;ffentlich zug&aauml;nglich gemacht werden, vorausgesetzt dass Autor und Quelle genannt werden.


Gliederung

Text

Einleitung und Fragestellung

Ein wichtiger Bestandteil der Beurteilung eines Myokardinfarktpatienten ist die Analyse von Bewegungsstörungen und Formveränderungen (cardiac remodeling) des Herzens nach dem Infarkt. Modernen 4D-MRT Aufnahmetechniken wie das CineMR und die kontrastmittelverstärkte delayed enhancement Sequenz (DE-Sequenz) ermöglichen eine nicht-invasive Untersuchung des schlagenden Herzens und bilden die Basis für die Analyse des linken Ventrikels. Die dyskinetischen Bereiche des Herzmuskelgewebes lassen sich durch Betrachtung der CineMR-Sequenz lokalisieren. Die Infarktzone erkennt der Mediziner in der DE-Sequenz [1].

In einer Studie sollen die Bilddaten von einem Patientenkollektiv quantitativ ausgewertet werden. Hierzu wurden CineMR- und DE-Sequenzen kurz nach Auftreten der Blutunterversorgung des Herzens sowie 6 Monate danach aufgenommen.

Die wesentlichen Parameter bei der Beurteilung von Bewegungsstörung und Remodeling sind u.a. die Wanddicke in der endsystolischen und enddiastolischen Phase, die Wandbewegung des Endo- und Epikards sowie die Länge, Fläche und das Volumen des Infarktbereiches im Verhältnis zum gesunden Bereich. Ein besonderes Interesse dieser Studie liegt in der genauen Analyse von lokalen Formveränderungen (local remodeling). Bei der Menge dieser hochaufgelösten Bilddaten ist für den Arzt die visuelle Interpretation und die Erstellung einer reproduzierbaren Analyse nur schwer möglich. Daher wurde das Tool HeAT (Abk. f.: Heart Analysis Tool) zur Unterstützung des Arztes bei der kombinierten Analyse von Wandbewegung und Infarktgröße entwickelt. HeAT soll dem Mediziner reproduzierbare Ergebnisse bei der Berechnung von globalen und lokalen Maßzahlen liefern. Die gewonnenen statistischen Daten aus dem Kollektiv sollen eine frühzeitige Vorhersage des Ausmaßes der Wandbewegungsstörung bei aktuellen Patientenfällen ermöglichen. Dadurch wäre der Arzt in der Lage, notwendige Interventionen oder Operationen frühzeitig planen zu können.

Material und Methoden

Das Analyseprogramm HeAT wurde unter Verwendung der frei erhältlichen Toolkits ITK & VTK entwickelt [2]. Es wurden bestehende Funktionalitäten aus den Toolkits problemorientiert angepasst und eigene Klassen in C++ programmiert.

Mit Hilfe von modernen Aufnahmetechniken wurden für jeden Patienten CineMR- und DE-Sequenzen erzeugt. Bei den CineMR-Daten wurde das Herz in der Kurzachsensicht (short axis view) von der Herzspitze (apex cordis) bis zur linken Segelklappe (Mitralklappe) in 1cm Schichtabstand aufgenommen. Hierbei wurden mittels EKG-Triggerung für jede Schicht innerhalb eines Herzzyklus 20 zeitlich äquidistante Aufnahmen erstellt. Bewegungsartefakte durch die Atmung wurden durch Luftanhalten des Patienten reduziert. Da der Infarktbereich in diesen Datensätzen nicht zu erkennen ist, wurden kontrastmittelverstärkte DE-Sequenzen erzeugt. In den DE-Sequenzen stellt sich der irreversibel erkrankte Myokardbereich durch einen hohen Intensitätswert gut dar, so dass hier der Infarktbereich lokalisiert werden kann. Durch das besondere Aufnahmeverfahren existieren die DE-Schichten aber nur zum endsystolischen Zeitpunkt. In HeAT wird ein nicht-lineares Registrierungsverfahren verwendet, dass zwischen den 20 zeitlichen CineMR-Daten jeder Schicht ein Bewegungsfeld berechnet. Durch die Übertragung dieser Bewegungsinformation auf die zum enddiastolischen Zeitpunkt statische DE-Schicht ist es möglich, künstliche delayed enhancement Bilder zu beliebigen Zeitpunkten zu berechnen. Somit ist die Möglichkeit gegeben, den Infarktbereich in allen CineMR-Daten zu lokalisieren (s. Abb. 1 [Abb. 1]). In HeAT kann der Arzt die avitalen Bereiche in der DE-Sequenz segmentieren und beide Bildmodalitäten durch eine schichtweise Überlagerung der Infarktkontur auf die korrespondierende Cine-Schicht kombinieren.

Um eine Vergleichbarkeit bei der Herzanalyse zu gewährleisten wurde in HeAT eine Methode realisiert, bei der die Mittellinie zwischen den Herzwandkonturen Ausgangspunkt für alle Berechnungen ist. Die benötigten Herzwandkonturen werden durch ein interaktives Segmentierungsverfahren aus den CineMR-Bildern gewonnen. Für die Analyse wird die Mittellinie in n äquidistante Punkte unterteilt. Durch diese Punkte werden senkrecht zur Mittellinie Grenzen gelegt, welche die Fläche zwischen den Konturen in n Segmente unterteilt (default: n = 100). Der intra- und interviduelle Vergleich der Segmente erfolgt über eine eindeutig festgelegte Nummerierung. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die Orientierung der zu vergleichenden Bilddaten annähernd gleich ist. Für die quantitative Analyse werden in jeder Schicht der enddiastolische und der endsystolische Phase bestimmt. Aufbauend auf den Herzwandkonturen zum Zeitpunkt der Enddiastole/Endsystole und den Segmenten, bzw. Segmentgrenzen werden die globalen Parameter wie Wanddicke, Wandbewegung, etc. bestimmt. HeAT ermöglicht neben der globalen Bewegungsanalyse zusätzlich die Auswahl lokaler Herzwandbereiche (regions of interest), indem interaktiv Segmente zusammengefasst und ausgewertet werden können. Diese Funktionalität wurde umgesetzt, da die Analyse des avitalen und vitalen Gewebes sowie des Übergangsbereiches im Detail von besonderem medizinischem Interesse ist. Bei der Auswahl des lokalen Bereiches kann der Mediziner sich an dem überlagerten Infarkt orientieren, welcher wie zuvor beschrieben aus den DE-MR-Sequenzen extrahiert wurde. Die berechneten Daten werden in Tabellen abgelegt, können grafisch angezeigt und vom Anwender weitergehend analysiert werden.

Ergebnisse und Diskussion

Bei der Entwicklung der Funktionalitäten von HeAT standen 5 Datensätze von Patienten mit teilweise unterschiedlichen Krankheitsbildern zur Verfügung. Zur Evaluation erster Ergebnisse wurden zunächst die Datensätze eines gesunden Patienten und die eines Infarktpatienten komplett analysiert und miteinander verglichen (s. Abb. 2 [Abb. 2]). In der Analyse konnten Bereiche detektiert werden, in denen sich beispielsweise die Herzwandbewegungen zwischen dem gesunden und dem erkrankten Patienten deutlich unterschieden.

Die Mediziner haben sowohl die visuelle Unterstützung durch die Überlagerung des Infarktbereiches auf den Cine-Daten als auch die Möglichkeit der frei wählbaren Definition von lokalen Herzwandbereichen für die detaillierte Bewegungsanalyse als sehr hilfreich empfunden.

Ausblick

Für die nähere Zukunft ist geplant, das Heart Analysis Tool im Bereich der Segmentierung zu erweitern, um den Zeitaufwand für die Analyse weiter zu reduzieren. Im Bereich der Visualisierung sollen neben den 2D Sichten auch 3D Darstellungen des Herzens integriert werden, auf denen farbcodiert funktionale Parameter, wie die Dicke des Myokards, zu erkennen sind.


Literatur

1.
Lund GK, Stork A, Saeed M, Bansmann MP, Gerken JH, Muller V, Mester J, Higgins CB, Adam G, Meinertz T. Acute myocardial infarction: evaluation with first-pass enhancement and delayed enhancement MR imaging compared with 201 Tl SPEC&T imaging. Radiology 232 (2004) 49 - 57.
2.
ITK Homepage, http://www.itk.org