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Visualisierung von Elektrokardiogrammen (EKG)


Mit dem Bio-Interface alias PSI-Tools sollte 1997 die Erregungsausbreitung des Herzens visualisiert werden. Ziel war es, aus einer hochkanaligen EKG-Ableitung ein Erregungsmodell des Herzens zu rekonstruieren.

Es lag die Hoffnung zugrunde, daß durch Variation der Leitgeschwindigkeit bestimmte Merkmale üblicher, statischer Rekonstruktionen besser sichtbar gemacht werden können.

Die EKG-Daten wurden von Spezialisten des Deutschen Herzzentrums um Dr. Krenzke zur Verfügung gestellt. Den ersten Schritt stellte die Visualisierung der Zeitfunktionen (Kanaldaten) dar:

Abb. 1: Zeitfunktionen einer 75-Kanal Ableitung am Herzen

Abb. 2: Räumliche Elektrodenanordnung

Visualisierungsergebnisse

Entgegen der Hoffnung, mit Leitgeschwindigkeitsvariationen spezielle Merkmale aus den hochkanaligen EKGs zutage zu bringen, versagte diese Methode. Die entstehenden Filme waren allesamt schlechter als übliche, statische Rekonstruktionen. Deshalb wurde für PSI-Tools ein spezieller, statischer Rekonstruktionsalgorithmus programmiert, der sich in die Software leicht einfügen ließ.

Einige Ergebnisse statischer Kanaldatenrekonstruktion, generiert mit dem Dämpfungsterm von PSI-Tools unter Annahme unendlicher Leitgeschwindigkeit sind hier zu sehen. Eine 45-Kanalaufnahme (400 Samples, 500 Sps) wurde in 4 Schnittebenen visualisiert. Unter Berücksichtigung kurzer Ladezeiten wurde eine geringe Bildauflösung gewählt. Die Ergebnisse sind vergleichbar mit Ergebnissen einer Spline-Interpolation der jeweiligen Oberfläche, wobei eine radiale Amplitudenabhängigkeit angenommen wurde.

Abb.3: Herz mit Schnittebenen V, H, O, U. Die ungefähre Lage des Sinusknotens an der rechten Herzwand ist durch einen roten Punkt markiert.

Die Kürzel bedeuten:

Die Kartierungen sind in zwei Varianten zu finden:

Statische Rekonstruktionen

Farbtabelle: blau: positiver Pegel, gelb: negativer Pegel.

  1. Aufnahme 45-kanalig, Schnittebene V (absolut, relativ):

  2. Aufnahme 45-kanalig, Schnittebene H (absolut):

  3. Aufnahme 45-kanalig, Schnittebene O (absolut, relativ):

  4. Aufnahme 45-kanalig, Schnittebene U (absolut):

In den V-Movies (Sicht von vorn) ist die Ausbreitung vom Vorhof über die Kammern von dextral nach sinistral zu erkennen. In der Sicht von oben (O) ist die zeitliche Zuordnung der Kammererregung nachvollziehbar.

Die Relativbilder in den Aufnahmen 1. und 3. zeigen den Sinusknoten als Ausgangspunkt der Erregung (gelber Fleck), der in den Absolutbildern unsichtbar bleibt. Der Unterschied zwischen den um +/-5cm versetzt aus dem Herzzentrum angeordneten Schnittebenen (V gegen H; O gegen U) ist relativ gering.

Fazit

Mit relativ geringen Mitteln ist es möglich, mit PSI-Tools zu brauchbaren, statischen Visualisierungen der Muskelerregung des Herzens aus EKGs zu kommen. Erstaunlich sind die in der flächigen Visualisierung zu bemerkenden, räumlich-zeitlichen Abhängigkeiten im Bewegungsablauf der Herzkammern, die bei einer Betrachtung der Kanaldaten nicht so offenbar werden.

Die statisch erreichbare Auflösungsqualität ist allerdings nicht besser, als die derzeit am DHZ vorhandene. In der relativen Berechnung wird der Sinusknoten als Ausgangspunkt der Erregung sichtbar.

Der Versuch interferenzieller Rekonstruktionen auf pseudo-homogenen Laufzeiträumen wurde ergebnislos abgebrochen. Die Erregungsausbreitung im Herzen ist zu inhomogen. Ein derzeit ungelöstes Problem stellt hierbei die Umsetzung auf ein inhomogenes Laufzeitmodell der Herznerven dar.

Mit einer interferenziellen Rekonstruktion wäre es möglich, Defekte schnell und ursächlich sicher zu erkennen. Anwendung der HIT würde es gestatten, obige Kanaldaten in Ausbreitungmodelle umzurechnen, sodaß zusätzlich zu obigen Visualisierungen der Muskelerregung unkompliziert ein dynamisches Modell der Erregungsausbreitung in den Herznerven berechnet werden könnte.

Danksagung

Herzlichen Dank an Herrn Dr. Krenzke vom Deutschen Herzzentrum Berlin für die Bereitstellung von Datenmaterial sowie für fruchtbare Fachdiskussionen.




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