Die Software erkennt ein verengtes Gefäß automatisch und extrahiert es - sagt der Physiker Stefan Wesarg. Wenn er von extrahieren spricht, dann meint er natürlich nur, dass ein verengtes Gefäß visuell am Computermonitor hervorgehoben wird.
"Mit unserer Software klickt der Radiologe mit einer Maus am Bildschirm dreimal in das Gefäß: Anfangspunkt, gibt eine initiale Richtung vor und definiert, bis wohin das Gefäß untersucht werden soll. Und dann wird innerhalb weniger Sekunden das Gefäß extrahiert, anschließend analysiert. Der Arzt bekommt einerseits eine Kurve angezeigt, wo der Durchmesserverlauf entlang des Gefäßes dargestellt wird, andererseits werden auch Verengungen direkt in der dreidimensionalen Ansicht der Computertomographiedaten dargestellt, und gleichzeitig werden auch in dieser 3D-Ansicht Verkalkungen indiziert. Mit kleinen Pfeilen wird auf diese Position hingewiesen."
In etwa vier Minuten ist die gesamte Diagnose eines einzelnen Herzkranzgefäßes mit dem neuen Cardio Analysis Tool, abgeschlossen, und Gefäßverschlüsse des Herzens werden automatisch erkannt. Zuerst wird die Arterie mit den neuen, in Darmstadt entwickelten Algorithmen aus dem Gesamtbild heraussegmentiert. Stefan Wesarg:
"Algorithmen, die Herzkranzgefäße aus den Bilddaten extrahieren, das nennt man Segmentierung. Und basierend darauf werden dann mit mathematischen Verfahren vor allem die Durchmesser der Gefäße bestimmt, um dann Indizien zu haben, ob es zu einer Gefäßverengung gekommen ist. Unser Algorithmus wurde auch schon mal testweise an MRI- oder Kernspintomographie-Datensätzen getestet. Allerdings reicht das MRI heutzutage von der räumlichen Auflösung noch nicht an das CT ran."
Noch sind die Daten also nicht gut genug, die die strahlungsfreie Kernspintomographie liefert. Die kleinen Markierungs-Pfeile sind ein deutlicher Hinweis auf Verengungen durch harte Plaques. Aber auch die wirklich gefährlichen weichen Kalkablagerungen werden indirekt erkannt, sagt der Darmstädter Experte für Kognitives Computing und für Medizinische Bildgebende Verfahren.
"Hard Plaques sind also Verkalkungen, zeichnen sich dadurch aus, dass sie dichter sind als so genannte Soft Plaques, das sind weiche Plaques. Wenn sie dichter sind, dann zeichnen sie sich in der Computertomographie als deutlich hellere Bereiche ab. Das heißt man hat dort schon mal ein deutlich höheres Signal, um sie zu identifizieren. Andererseits sind Soft Plaques, die nicht direkt sichtbaren Plaques, die gefährlicheren, weil die eben abreißen können und zu einer Verstopfung des Gefäßes führen. Allerdings haben wir eben durch die Kombination der einerseits Detektion von Verkalkungen und andererseits der Detektion von Verengung, so genannte Stenosen, die Möglichkeit, auch diese Soft Plaques zu detektieren, weil sich Soft Plaques eben durch eine Verengung des Gefäßdurchmessers manifestieren."
Klinische Tests mit 50 Frankfurter Patienten haben bewiesen, dass die neue Analysesoftware tatsächlich eine leistungsfähige Grundlage ist für Hersteller von Bildanalyse-Software. Die Tests zeigten hohe Qualität, also Treff-Sicherheit, der Auswertung bei doppelter Geschwindigkeit, konstatieren die Forscher. Die Strahlenbelastung ist minimiert worden und nicht größer als bei der nach wie vor am häufigsten praktizierten Methode, der invasiven Katheteruntersuchung durch die Beinvene.
"Natürlich ist es für den Patienten schonender, wenn eine nichtinvasive Bildaufnahmetechnik verwendet wird. Das heißt, jeder Patient kann davon profitieren. Und in den letzten Wochen erschienen auch erste Studien in den USA, dass die Strahlenbelastung mit den neuen 64-Zeilen-Geräten so weit heruntergefahren werden kann, dass die Strahlenbelastung bei einer Computertomographie mittlerweile nicht mehr höher ist als bei einer konventionellen Angiographie, wo ja letzten Endes nur eine einzige Durchleuchtung stattfindet. Hier in der Computertomographie haben wir dreidimensionale Bilddaten vorliegen und damit noch viel weitergehende Analysemöglichkeiten, die sich nicht nur auf die Analyse von Gefäßverengungen beschränken."
Aber noch gibt es viel Forschungs- und Entwicklungsbedarf, beispielsweise um auch von Herzkatheteruntersuchungen stammende, ältere Aufnahmen in den radiologischen Workflow, in die medizinische Prozesskette, einzuspeisen. So könnte man idealerweise den gesamten Verlauf koronarer Herzkrankheiten rekonstruieren. Den Ärzten wird die Arbeit durch das automatisch detektierende Cardio Analysis Tool zwar stark erleichtert, aber sie werden nicht ersetzt und müssen trotz optimaler Computerunterstützung für das Stellen der Diagnose weiterhin ihren Beitrag leisten.
"Die Software stößt dann an ihre Grenzen, wenn die Bildqualität nicht ausreichend ist. In solchen computertomographischen Aufnahmen wird auch ein Kontrastmittel gespritzt. Allerdings ist hier der Vorteil, dass dieses Kontrastmittel einfach in den Arm gespritzt werden kann ohne einen aufwändigen Katheter. Wenn die Kontrastmittelanreicherungen in den Herzkranzgefäßen nicht ausreichend ist, dann ist entsprechend der Kontrast der Herzkranzgefäße im Vergleich zum umgebenden Gewebe nicht ausreichend hoch, und dann würde unsere Software auch Probleme haben und keine zuverlässigen Extraktion der Gefäße, sondern eine entsprechend schlechte Analyse hervorbringen."
"Mit unserer Software klickt der Radiologe mit einer Maus am Bildschirm dreimal in das Gefäß: Anfangspunkt, gibt eine initiale Richtung vor und definiert, bis wohin das Gefäß untersucht werden soll. Und dann wird innerhalb weniger Sekunden das Gefäß extrahiert, anschließend analysiert. Der Arzt bekommt einerseits eine Kurve angezeigt, wo der Durchmesserverlauf entlang des Gefäßes dargestellt wird, andererseits werden auch Verengungen direkt in der dreidimensionalen Ansicht der Computertomographiedaten dargestellt, und gleichzeitig werden auch in dieser 3D-Ansicht Verkalkungen indiziert. Mit kleinen Pfeilen wird auf diese Position hingewiesen."
In etwa vier Minuten ist die gesamte Diagnose eines einzelnen Herzkranzgefäßes mit dem neuen Cardio Analysis Tool, abgeschlossen, und Gefäßverschlüsse des Herzens werden automatisch erkannt. Zuerst wird die Arterie mit den neuen, in Darmstadt entwickelten Algorithmen aus dem Gesamtbild heraussegmentiert. Stefan Wesarg:
"Algorithmen, die Herzkranzgefäße aus den Bilddaten extrahieren, das nennt man Segmentierung. Und basierend darauf werden dann mit mathematischen Verfahren vor allem die Durchmesser der Gefäße bestimmt, um dann Indizien zu haben, ob es zu einer Gefäßverengung gekommen ist. Unser Algorithmus wurde auch schon mal testweise an MRI- oder Kernspintomographie-Datensätzen getestet. Allerdings reicht das MRI heutzutage von der räumlichen Auflösung noch nicht an das CT ran."
Noch sind die Daten also nicht gut genug, die die strahlungsfreie Kernspintomographie liefert. Die kleinen Markierungs-Pfeile sind ein deutlicher Hinweis auf Verengungen durch harte Plaques. Aber auch die wirklich gefährlichen weichen Kalkablagerungen werden indirekt erkannt, sagt der Darmstädter Experte für Kognitives Computing und für Medizinische Bildgebende Verfahren.
"Hard Plaques sind also Verkalkungen, zeichnen sich dadurch aus, dass sie dichter sind als so genannte Soft Plaques, das sind weiche Plaques. Wenn sie dichter sind, dann zeichnen sie sich in der Computertomographie als deutlich hellere Bereiche ab. Das heißt man hat dort schon mal ein deutlich höheres Signal, um sie zu identifizieren. Andererseits sind Soft Plaques, die nicht direkt sichtbaren Plaques, die gefährlicheren, weil die eben abreißen können und zu einer Verstopfung des Gefäßes führen. Allerdings haben wir eben durch die Kombination der einerseits Detektion von Verkalkungen und andererseits der Detektion von Verengung, so genannte Stenosen, die Möglichkeit, auch diese Soft Plaques zu detektieren, weil sich Soft Plaques eben durch eine Verengung des Gefäßdurchmessers manifestieren."
Klinische Tests mit 50 Frankfurter Patienten haben bewiesen, dass die neue Analysesoftware tatsächlich eine leistungsfähige Grundlage ist für Hersteller von Bildanalyse-Software. Die Tests zeigten hohe Qualität, also Treff-Sicherheit, der Auswertung bei doppelter Geschwindigkeit, konstatieren die Forscher. Die Strahlenbelastung ist minimiert worden und nicht größer als bei der nach wie vor am häufigsten praktizierten Methode, der invasiven Katheteruntersuchung durch die Beinvene.
"Natürlich ist es für den Patienten schonender, wenn eine nichtinvasive Bildaufnahmetechnik verwendet wird. Das heißt, jeder Patient kann davon profitieren. Und in den letzten Wochen erschienen auch erste Studien in den USA, dass die Strahlenbelastung mit den neuen 64-Zeilen-Geräten so weit heruntergefahren werden kann, dass die Strahlenbelastung bei einer Computertomographie mittlerweile nicht mehr höher ist als bei einer konventionellen Angiographie, wo ja letzten Endes nur eine einzige Durchleuchtung stattfindet. Hier in der Computertomographie haben wir dreidimensionale Bilddaten vorliegen und damit noch viel weitergehende Analysemöglichkeiten, die sich nicht nur auf die Analyse von Gefäßverengungen beschränken."
Aber noch gibt es viel Forschungs- und Entwicklungsbedarf, beispielsweise um auch von Herzkatheteruntersuchungen stammende, ältere Aufnahmen in den radiologischen Workflow, in die medizinische Prozesskette, einzuspeisen. So könnte man idealerweise den gesamten Verlauf koronarer Herzkrankheiten rekonstruieren. Den Ärzten wird die Arbeit durch das automatisch detektierende Cardio Analysis Tool zwar stark erleichtert, aber sie werden nicht ersetzt und müssen trotz optimaler Computerunterstützung für das Stellen der Diagnose weiterhin ihren Beitrag leisten.
"Die Software stößt dann an ihre Grenzen, wenn die Bildqualität nicht ausreichend ist. In solchen computertomographischen Aufnahmen wird auch ein Kontrastmittel gespritzt. Allerdings ist hier der Vorteil, dass dieses Kontrastmittel einfach in den Arm gespritzt werden kann ohne einen aufwändigen Katheter. Wenn die Kontrastmittelanreicherungen in den Herzkranzgefäßen nicht ausreichend ist, dann ist entsprechend der Kontrast der Herzkranzgefäße im Vergleich zum umgebenden Gewebe nicht ausreichend hoch, und dann würde unsere Software auch Probleme haben und keine zuverlässigen Extraktion der Gefäße, sondern eine entsprechend schlechte Analyse hervorbringen."