Ultraschall-Perfusionsbildgebung für die Schlaganfalldiagnostik auf Basis eines Modells. Modell für die Destruktionskinetik von US-Kontrastmittel

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1 Ultraschall-Perfusionsbildgebung für die Schlaganfalldiagnostik auf Basis eines Modells für die Destruktionskinetik von Kontrastmittel C. Kier 1 K. Meyer-Wiethe 2 G. Seidel 2 T. Aach 3 1 Institut für Signalverarbeitung Universität zu Lübeck 2 Klinik für Neurologie Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Campus Lübeck 3 Lehrstuhl für Bildverarbeitung RWTH Aachen BVM 2006

2 Motivation Wie kann Ultraschall die Schlaganfalldiagnostik verbessern?

3 Motivation Wie kann Ultraschall die Schlaganfalldiagnostik verbessern? Gold-Standard für Diagnose von Schlaganfall ist MRT.

4 Motivation Wie kann Ultraschall die Schlaganfalldiagnostik verbessern? Gold-Standard für Diagnose von Schlaganfall ist MRT. Teuer.

5 Motivation Wie kann Ultraschall die Schlaganfalldiagnostik verbessern? Gold-Standard für Diagnose von Schlaganfall ist MRT. Teuer. Zeitaufwändig.

6 Motivation Wie kann Ultraschall die Schlaganfalldiagnostik verbessern? Gold-Standard für Diagnose von Schlaganfall ist MRT. Teuer. Zeitaufwändig. Ortsgebunden.

7 Motivation Wie kann Ultraschall die Schlaganfalldiagnostik verbessern? Gold-Standard für Diagnose von Schlaganfall ist MRT. Teuer. Zeitaufwändig. Ortsgebunden. Ultraschall als preisgünstige, schnelle bedside Alternative.

8 Motivation Wie kann Ultraschall die Schlaganfalldiagnostik verbessern? Gold-Standard für Diagnose von Schlaganfall ist MRT. Teuer. Zeitaufwändig. Ortsgebunden. Ultraschall als preisgünstige, schnelle bedside Alternative. Sequenz von Schnittbildern visualisiert Konzentrationsverlauf eines US-Kontrastmittels im Blut.

9 Gliederung 1 Diminution Harmonic Imaging (DHI) 2 3

10 Harmonic Imaging Harmonic Imaging Destruktionskinetik Verwendung eines Kontrastmittels bestehend aus Mikrobläschen.

11 Harmonic Imaging Harmonic Imaging Destruktionskinetik Verwendung eines Kontrastmittels bestehend aus Mikrobläschen. Bläschen werden abhängig vom Schalldruck zerstört.

12 Harmonic Imaging Harmonic Imaging Destruktionskinetik Verwendung eines Kontrastmittels bestehend aus Mikrobläschen. Bläschen werden abhängig vom Schalldruck zerstört. Puls wird mit 1,8MHz gesendet, empfangen werden auch harmonische Schwingungen.

13 Harmonic Imaging Harmonic Imaging Destruktionskinetik Verwendung eines Kontrastmittels bestehend aus Mikrobläschen. Bläschen werden abhängig vom Schalldruck zerstört. Puls wird mit 1,8MHz gesendet, empfangen werden auch harmonische Schwingungen. Diese bilden Kontrastmittel und somit Perfusion ab.

14 Harmonic Imaging Destruktionskinetik Harmonic Imaging mit Destruktionskinetik Diminution Harmonic Imaging (DHI)

15 Beispiel einer DHI-Sequenz Harmonic Imaging Destruktionskinetik Wdh.

16 Beispiel einer DHI-Sequenz Harmonic Imaging Destruktionskinetik Wdh.

17 Beispiel einer DHI-Sequenz Harmonic Imaging Destruktionskinetik Wdh.

18 Beispiel einer DHI-Sequenz Harmonic Imaging Destruktionskinetik Wdh.

19 Beispiel einer DHI-Sequenz Harmonic Imaging Destruktionskinetik Wdh.

20 Beispiel einer DHI-Sequenz Harmonic Imaging Destruktionskinetik Wdh.

21 Beispiel einer DHI-Sequenz Harmonic Imaging Destruktionskinetik Wdh.

22 Beispiel einer DHI-Sequenz Harmonic Imaging Destruktionskinetik Wdh.

23 Beispiel einer DHI-Sequenz Harmonic Imaging Destruktionskinetik Wdh.

24 Gliederung Diminution Harmonic Imaging (DHI) Stand der Forschung Weiterentwicklung 1 Diminution Harmonic Imaging (DHI) 2 Stand der Forschung Weiterentwicklung 3

25 Stand der Forschung Weiterentwicklung Destruktion, Abfluß und Zufluß des Kontrastmittels können durch folgendendes Modell 1 beschrieben werden: 1 Eyding et al., Stroke 34 (2003) 77 83

26 Stand der Forschung Weiterentwicklung Destruktion, Abfluß und Zufluß des Kontrastmittels können durch folgendendes Modell 1 beschrieben werden: Rekursives Modell c(n + 1) = }{{} d c(n) e } p t {{} Destruktion Abfluss n Anzahl der Ultraschallpulse c(n) KM-Konzentration beim n-ten Puls t Zeit zwischen zwei Pulsen d Destruktionskoeffizient, 0 d 1 p Perfusionskoeffizient 1 Eyding et al., Stroke 34 (2003) 77 83

27 Stand der Forschung Weiterentwicklung Destruktion, Abfluß und Zufluß des Kontrastmittels können durch folgendendes Modell 1 beschrieben werden: Rekursives Modell c(n + 1) = }{{} d c(n) e } p t {{} + c(1) (1 e p t). Destruktion Abfluss }{{} Zufluss n Anzahl der Ultraschallpulse c(n) KM-Konzentration beim n-ten Puls t Zeit zwischen zwei Pulsen d Destruktionskoeffizient, 0 d 1 p Perfusionskoeffizient 1 Eyding et al., Stroke 34 (2003) 77 83

28 Stand der Forschung Weiterentwicklung Geschlossene Form ( c(n) = c(1) x n 1 + y x n 1 ) 1 x 1

29 Stand der Forschung Weiterentwicklung Geschlossene Form ( c(n) = c(1) x n 1 + y x n 1 ) 1, mit x 1 x = d e p t 0 x 1, da p 0

30 Stand der Forschung Weiterentwicklung Geschlossene Form ( c(n) = c(1) x n 1 + y x n 1 ) 1, mit x 1 x = d e p t 0 x 1, da p 0 y = 1 e p t 0 y 1, da p 0.

31 Weiterentwicklung Stand der Forschung Weiterentwicklung Das sich einstellende Gleichgewicht kann als Grenzwert g des Modells interpretiert werden (mit n ):

32 Weiterentwicklung Stand der Forschung Weiterentwicklung Das sich einstellende Gleichgewicht kann als Grenzwert g des Modells interpretiert werden (mit n ): Grenzwertbetrachtung y g = lim c(n) = c(1) n x 1

33 Weiterentwicklung Stand der Forschung Weiterentwicklung Das sich einstellende Gleichgewicht kann als Grenzwert g des Modells interpretiert werden (mit n ): Grenzwertbetrachtung g = lim n c(n) = c(1) = c(1) e p t 1 d e p t 1. y x 1 Grenzwert hängt ab von Ausgangskonzentration c(1), vom Perfusionskoeffizienten p sowie vom Destruktionskoeffizienten d.

34 Stand der Forschung Weiterentwicklung Schätzung des Destruktionskoeffizienten d c(2) lim t 0 c(1)

35 Stand der Forschung Weiterentwicklung Schätzung des Destruktionskoeffizienten d c(2) lim t 0 c(1) = 1 c(1) lim t 0 =1 =0 {}}{{}}{ c(1) d e p t + c(1) (1 e p t)

36 Stand der Forschung Weiterentwicklung Berechnung des Perfusionskoeffizienten p Bestimmung des Grenzwerts g

37 Stand der Forschung Weiterentwicklung Berechnung des Perfusionskoeffizienten p Bestimmung des Grenzwerts g Umformung der Formel für g liefert: p = 1 t ln ( g d c(1) g c(1) )

38 Visualisierung der Parameter Stand der Forschung Weiterentwicklung Farbkodierte Darstellung Perfusionskoeffizient

39 Visualisierung der Parameter Stand der Forschung Weiterentwicklung Farbkodierte Darstellung Destruktionskoeffizient

40 Gliederung Diminution Harmonic Imaging (DHI) Studie Diskussion 1 Diminution Harmonic Imaging (DHI) 2 3 Studie Diskussion

41 Studie Diskussion Versuchsstudie an 8 Patienten Von 8 Patienten jeweils DHI-Sequenzen und MRT-Aufnahmen erstellt.

42 Studie Diskussion Versuchsstudie an 8 Patienten Von 8 Patienten jeweils DHI-Sequenzen und MRT-Aufnahmen erstellt. Perfusionsstörung im MRT bei um mehr als 4 Sekunden verzögerter Durchblutung.

43 Studie Diskussion Versuchsstudie an 8 Patienten Von 8 Patienten jeweils DHI-Sequenzen und MRT-Aufnahmen erstellt. Perfusionsstörung im MRT bei um mehr als 4 Sekunden verzögerter Durchblutung. In DHI-Parameterbildern Perfusionsstörungen durch erfahrene Neurologen von Hand markiert.

44 Studie Diskussion Versuchsstudie an 8 Patienten Von 8 Patienten jeweils DHI-Sequenzen und MRT-Aufnahmen erstellt. Perfusionsstörung im MRT bei um mehr als 4 Sekunden verzögerter Durchblutung. In DHI-Parameterbildern Perfusionsstörungen durch erfahrene Neurologen von Hand markiert. Größe der Perfusionsdefekte mittels Spearman Ranking Verfahren verglichen.

45 Studie Diskussion Versuchsstudie an 8 Patienten Von 8 Patienten jeweils DHI-Sequenzen und MRT-Aufnahmen erstellt. Perfusionsstörung im MRT bei um mehr als 4 Sekunden verzögerter Durchblutung. In DHI-Parameterbildern Perfusionsstörungen durch erfahrene Neurologen von Hand markiert. Größe der Perfusionsdefekte mittels Spearman Ranking Verfahren verglichen. Allein Perfusionskoeffizient weist signifikante Korrelation mit MRT-Ergebnissen auf.

46 Diskussion Diminution Harmonic Imaging (DHI) Studie Diskussion DHI hat neben anderen HI-Methoden aufgrund der kurzen Untersuchungszeit das größte Potential.

47 Diskussion Diminution Harmonic Imaging (DHI) Studie Diskussion DHI hat neben anderen HI-Methoden aufgrund der kurzen Untersuchungszeit das größte Potential. Ergebnisse der Studie sind vorläufig, aber vielversprechend.

48 Diskussion Diminution Harmonic Imaging (DHI) Studie Diskussion DHI hat neben anderen HI-Methoden aufgrund der kurzen Untersuchungszeit das größte Potential. Ergebnisse der Studie sind vorläufig, aber vielversprechend. Direkte Berechnung von p und d ist schneller und genauer.

49 Diskussion Diminution Harmonic Imaging (DHI) Studie Diskussion DHI hat neben anderen HI-Methoden aufgrund der kurzen Untersuchungszeit das größte Potential. Ergebnisse der Studie sind vorläufig, aber vielversprechend. Direkte Berechnung von p und d ist schneller und genauer. Schwäche der Methode ist noch die untersucherabhängige Bestimmung der Perfusionsdefekte.

50 Diskussion Diminution Harmonic Imaging (DHI) Studie Diskussion DHI hat neben anderen HI-Methoden aufgrund der kurzen Untersuchungszeit das größte Potential. Ergebnisse der Studie sind vorläufig, aber vielversprechend. Direkte Berechnung von p und d ist schneller und genauer. Schwäche der Methode ist noch die untersucherabhängige Bestimmung der Perfusionsdefekte. Auch an anderen Organen anwendbar.

51 Fazit Diminution Harmonic Imaging (DHI) Studie Diskussion

52 Fazit Diminution Harmonic Imaging (DHI) Studie Diskussion Fazit Vorgestellte Methode verspricht kostengünstige und schnelle Diagnostik der Perfusion unter minimaler Belastung des Patienten.

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