Nichtinvasives Quellimaging aus EKG Mappingdaten

Forschungsprojekt P 14207Nichtinvasives Quellimaging aus EKG MappingdatenBernhard TILG 24.01.2000 Das nichtinvasive Imaging elektrischer Quellen im menschlichen Herzen gewinnt auf Grund der Verfügbarkeit von Systemen zum Mapping des Elektrokardiogramms (EKG) in Kombination mit bildgebenden Verfahren (z.B. Magnetresonanz Imaging (MRI und aufgrund kürzlich entwickelter inverser Algorithmen zunehmend an Bedeutung. Während der letzten Jahre wurden von unserer Arbeitsgruppe in Graz die grundlegenden mathematischen und numerischen Verfahren für dieses elektrische Quellimaging entwickelt. Zur Zeit findet eine erste klinische Validierungsstudie im Rahmen des Projektes J1506-MED an der University of California San Francisco (UCSF) statt. Während der letzten beiden Jahre wurden in der klinischen Elektrophysiologie zwei invasive Mappingverfahren (CARTOTM , EnSiteTM ) eingeführt. Die von der Arbeitsgruppe in Graz entwickelte und in diesem beantragten Projekt weiter zu entwickelnde und weiter zu validierende Methode wird es erlauben, die Aktivierungszeitverteilung an der Herzoberfläche nichtinvasiv aus EKG Mappingdaten zu bestimmen. Aus der Sicht der Kardiologen wird dieses Verfahren eine attraktive Alternative zu den bislang eingesetzten invasiven und für den Patienten belastenden Kathetermappingverfahren sein. Es werden weltweit große Anstrengungen unternommen, numerische Verfahren für dieses elektrische Quellimaging zu entwickeln. Allerdings ist es weltweit noch nicht gelungen, die klinische Relevanz dieses neuen Imagingverfahrens zu demonstrieren. In diesem Projekt sollen sehr wichtige klinische Validierungsstudien in Zusammenarbeit mit der Universitätsklinik Innsbruck, weitere Forschungsarbeiten und eine technische Weiterentwicklung des Quellimaging-Verfahrens durchgeführt werden. Ein wesentlicher Teil des Projektes wird sich mit der Anwendung von 3D Ultraschall als bildgebendes Verfahren für die Quellrekonstruktion beschäftigen. Die Bestimmung der Aktivierungszeiten aus dem EKG Map erfolgt bislang unter Einsatz quadrilateraler Randelemente. Diese Formulierung soll in diesem Projekt auf eine Dreiecksformulierung adaptiert werden. In diesem Zusammenhang muß der Einfluß der elektrischen Anisotropie im Myokard auf das Vorwärts- und Rückwärtsproblem untersucht werden. Die Segmentierung und das Meshing drei-dimensionaler morphologischer Datensätze (MRI) erfolgte bislang händisch und interaktiv. Für eine künftige online klinische Anwendung muß dieser Schritt automatisiert werden. Hierfür sind aufwendige Entwicklungsarbeiten notwendig. Für die Bestimmung der Aktivierungszeiten ist die Methode um einen iterativen Algorithmus zu erweitern. Erste Studien haben gezeigt, daß dieser Schritt für eine ausreichend genaue Bestimmung des Aktivierungszeitmaps - insbesondere im Atrium - von sehr großer Bedeutung ist. Für das Quellimaging im Atrium müssen QRST-Subtraktionsalgorithmen (weiter-) entwickelt werden. Klinische Validierungsstudien und eine klinische Applikation der Imagingverfahren sollen an der Universitätsklinik für Innere Medizin, Department für Kardiologie durchgeführt werden (18 Patienten, Kathetermessungen, (128/64-kanaliges) EKG Map, MRI (Thorax, (cine) cardiac), 3D Ultraschall; Sinusrhytmus, Ektopie, pre-excitation, fibrillation, tachycardia).

Die Forschungen in P14207-MED beschäftigen sich mit der Modellierung des menschlichen Thorax und mit einem neuen mathematischen Verfahren zur Rekonstruktion der elektrischen Aktivität im menschlichen Herzen. Die entwickelte Methodik wurde erfolgreich an vier Patienten angewandt und klinisch validiert. Die Diagnostik von Herzrhythmusstörungen erfolgt bisher mit Katheter-Mappingverfahren oder mit konventionellen Kathetertechniken. Diese Eingriffe stellen in Regel eine gravierende Belastung für den Patienten dar, erlauben es nicht "Einmalereignisse" zu erfassen und können des weiteren nicht zum screening herangezogen werden. Aus diesem Grund werden weltweit schon länger Anstrengungen unternommen, eine nicht-invasive Methode zu entwickeln, mit welcher obige Nachteile behoben werden können. Im Projekt P14207-MED wurden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten vorangetrieben, um ein solches nicht-invasives Diagnostikverfahren zu ermöglichen. Vom Patienten werden hierfür zunächst anatomische Daten (z.B. mit Hilfe der Magnetresonanztomographie (MR)) und ein erweitertes Elektrokardiogramm (EKG Mapping, z.B. mit 65 Elektroden) erfasst. Aus den MR Daten wird darauf hin ein Computermodell des Thorax (Volumenleitermodell) generiert, welches die physikalische Beziehung zwischen den elektrischen Quellen im Herzmuskel und den EKG Mappingdaten beschreibt. Basierend auf diesem Computermodell wird anschließend aus den EKG Mappingdaten durch Lösung eines sogenannten schlecht-konditionierten inversen Problems die elektrische Aktivierungssequenz (d.h. die räumlich-zeitliche Ausbreitung der elektrischen Erregung) im Herzmuskel berechnet und graphisch dargestellt. Dieser neue Ansatz erlaubt es dem Kardiologen dieselbe Information nicht-invasiv zur Verfügung zu stellen wie dies mit invasiven Verfahren möglich ist. Die Lösung dieses inversen Problems unter klinischen Bedingungen stellt einen sehr schwierigen Schritt dar und kann als wesentliche Innovation betrachtet werden. In P14207-MED wurden zwei technisch-wissenschaftliche Detailaspekte besonders behandelt: 1.) die mathematische Modellbildung des Volumenleiters: Es wurde eine neuartige Dreiecksformulierung entwickelt die es erlaubt, individuelle Thorax-Geometrien sehr genau nachzubilden und 2.) eine neuartiger Rekonstruktionsalgorithmus zur Berechnung der elektrischen Aktivierungssequenz. Diese beiden technischen Innovationen wurden anhand von vier Messungen an Patienten erprobt und klinisch evaluiert. Die erzielten Lokalisationsergebnisse (im Vergleich mit der klinischen Referenzmethode) waren für Sinusrhythmus und fokale Stimulation im rechten Ventrikel im Bereich von 6 bis 14 Millimeter. Zur quantitativen Beurteilung wurde der erste endokardiale Durchbruch der elektrischen Erregung herangezogen. Diese und andere Forschungen werden im START Y144-INF Programm intensiv weiterverfolgt. Globales Ziel dieser Forschungen ist es, die bildgebenden Verfahren wie MR, Ultraschall, Computertomographie, Biplane-Fluoroskopie um das Imaging elektrischer Funktion im Herzmuskel zu erweitern. Außerdem soll das Gebiet der "inversen Elektrokardiographie" für eine potentielle Anwendung entwickelt und klinisch etabliert werden. Das nichtinvasive Imaging elektrischer Funktion im menschlichen Herzen wird langfristig gesehen weitreichende Auswirkungen auf die Diagnostik und Therapie von Herzrhythmusstörungen haben.