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DE4307545A1 - Device and method for determining the location and/or the extent of ischemias and/or infarcts in the heart of a patient - Google Patents

Device and method for determining the location and/or the extent of ischemias and/or infarcts in the heart of a patient

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Publication number
DE4307545A1
DE4307545A1 DE4307545A DE4307545A DE4307545A1 DE 4307545 A1 DE4307545 A1 DE 4307545A1 DE 4307545 A DE4307545 A DE 4307545A DE 4307545 A DE4307545 A DE 4307545A DE 4307545 A1 DE4307545 A1 DE 4307545A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
cardiac cycle
heart
classifier
extent
ischemia
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE4307545A
Other languages
German (de)
Inventor
Klaus Dipl Phys Abraham-Fuchs
Reinmar Dipl Ing Dr T Killmann
Martin F Dr Ing Schlang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE4307545A priority Critical patent/DE4307545A1/en
Publication of DE4307545A1 publication Critical patent/DE4307545A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

A device for determining the location and/or the extent of ischemias and/or infarcts comprises a multichannel measuring system (2, 4) for measuring electric and/or magnetic field quantities (variables) which are generated by a cardiac activity during at least a portion of a cardiac cycle at a number of measuring points. Connected to the multichannel measuring system (2, 4) is a classifier (18) which is capable of learning and whose inputs can be fed input values which correspond to the measured values measured during the at least one portion of the cardiac cycle. The classifier (18) which is capable of learning is connected to a visual means (22) of representation which serves to display the location and/or the extent of the ischemia and/or of the infarct as a function of localisation data output at the outputs (20) of the classifier (18) which is capable of learning. Likewise claimed is a method for operating the device for locating ischemias and/or infarcts. <IMAGE>

Description

Ein Gerät und ein Verfahren zur Bestimmung des Ortes und/oder der Ausdehnung von Ischämien und/oder Infarkten im Herzen eines Lebewesens ist bekannt aus dem Artikel von R. S. Mac Leod/M. J. Gardner/B. M. Horacek mit dem Titel: "Hochauflösende EKG-Mapping-Verfahren für Untersuchungen während Koronardilatation", erschienen in Biomedizinische Technik 35 (Ergänzungsband 1990), Seiten 236 bis 237. Dort wird das von der Herzaktivität verursachte elektrische Potential mit Hilfe von am Oberkörper angebrachten Elek­ troden gemessen und in einer Rekonstruktion daraus die Potentiale an der Herzoberfläche (epikardiale Potentiale) berechnet. Die Verteilung und der zeitliche Verlauf der epikardialen Potentiale erlauben Rückschlüsse auf den Ort und die Ausdehnung von geschädigtem ischämischem Herzge­ webe. Jedoch läßt das Modell der epikardialen Potentiale bedeutende elektrophysiologische Eigenschaften, wie z. B. die endokardialen Potentiale sowie die Erregungsausbreitung im Herzen, außer acht.A device and a method for determining the location and / or the expansion of ischemia and / or infarcts in the Heart of a living being is known from the article by R. S. Mac Leod / M. J. Gardner / B. M. Horacek with the title: "High-resolution ECG mapping procedures for examinations during coronary dilation ", appeared in Biomedical Technik 35 (supplementary volume 1990), pages 236 to 237. There becomes the electrical caused by cardiac activity Potential with the help of elec trodes measured and in a reconstruction the Potentials on the heart surface (epicardial potentials) calculated. The distribution and the time course of the epicardial potentials allow conclusions to be drawn about the location and the expansion of damaged ischemic heart weave. However, the model of epicardial potential leaves important electrophysiological properties, such as. B. the endocardial potential as well as the spread of excitation in the heart, except eight.

Aus einem mit einem biomagnetischen Meßsystem gemessenen Magnetokardiogramm (MKG) läßt sich mit dem Modell des Infarktdipols, wie es in dem Artikel von M. Saarinen/T. Katile/J. Nenonen/M. Seppaenen/P. Siltenen mit dem Titel: "Simulated and measured magnetocardiogramms in localized inyocardial abnormalities" erschienen in "Biomagnetism: Applications and Theory, herausgegeben von H. Weinberg und T. Katila, Pergamon Press, New York, 1985, Seiten 59 bis 63, generell ein einzelner Ort rekonstruieren. Aussagen über an mehreren Orten gleichzeitig auftretenden Ischämien und über Infarkte mit gesprenkelter Geometrie sind mit einem vernünftigen Rechenaufwand nicht mehr möglich.From a measured with a biomagnetic measuring system Magnetocardiogram (MKG) can be with the model of the Infarct dipoles, as described in the article by M. Saarinen / T. Katile / J. Nenonen / M. Seppaenen / P. Siltenen with the title: "Simulated and measured magnetocardiograms in localized inyocardial abnormalities "appeared in" Biomagnetism: Applications and Theory, edited by H. Weinberg and T. Katila, Pergamon Press, New York, 1985, pages 59 to 63, generally reconstruct a single place. statement About ischemia occurring simultaneously in several places  and about infarcts with speckled geometry are with a reasonable computing effort is no longer possible.

Bei der Bestimmung des Ortes und/oder der Ausdehnung von Ischämien oder Infarkten ergibt sich das Problem, daß ein­ fache Quellenmodelle, wie der Einzeldipol, die Elektro­ physiologie des Herzens nicht ausreichend genau nachbilden und somit nur begrenzt gültige Aussagen über den Ort und die Ausdehnung geben. Wünschenswerte komplexere Rechen­ modelle sind jedoch so rechenzeitaufwendig, daß sie einer Anwendung in der klinischen Praxis im Wege stehen.When determining the location and / or the extent of Ischemia or infarction gives rise to the problem that one multiple source models, such as the single dipole, the electric Do not reproduce the physiology of the heart with sufficient accuracy and thus only valid statements about the place and give the expansion. Desirable more complex rakes however, models are so time-consuming that they are one Obstacles to application in clinical practice.

Aus dem Artikel von U. R. Abeyratne/Y. Kinouchi/H. Oki/J. Okada/F. Shichÿo/K. Matsumoto mit dem Titel: "Artificial Neural Networks for Source Localisation in the Human Brain", erschienen in Brain Topography, Vol.4, No.1, 1991, pp. 3 bis 21, ist bekannt, zur Lokalisation von Einzeldi­ polen einen lernfähigen Klassifikator in Form eines ent­ sprechend trainierten neuronalen Netzes zu verwenden. Dem neuronalen Netz werden die von einem Vielkanalmeßsystem zu einem Zeitpunkt gemessenen Felder einer elektrophysiologi­ schen Aktivität zugeführt. Daraus bildet das neuronale Netz sechs Ausgangsgrößen, die den Parametern eines Dipols ent­ sprechen. Jedoch benutzt das neuronale Netz zur Quellen­ lokalisation lediglich die zu einem einzigen Zeitpunkt ge­ messene Information. Ischämien oder Infarkte lassen sich auf der Grundlage dieses Lokalisierungsverfahrens nicht be­ stimmen.From the article by U. R. Abeyratne / Y. Kinouchi / H. Oki / J. Okada / F. Shichÿo / K. Matsumoto with the title: "Artificial Neural Networks for Source Localization in the Human Brain ", published in Brain Topography, Vol.4, No.1, 1991, pp. 3 to 21, is known for the localization of single di Poland has an adaptable classifier in the form of an ent to use a speech-trained neural network. The neural networks become those of a multi-channel measurement system fields of an electrophysiology measured at a point in time activity. From this the neural network forms six output variables that correspond to the parameters of a dipole speak. However, the neural network uses sources localization only at a single time measured information. Ischemia or infarctions can be based on this localization process not be vote.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Gerät und ein Verfahren anzugeben, womit der Ort und/oder die Ausdeh­ nung von Ischämien und/oder Infarkten aus elektro- und/oder magnetokardiographischen Meßwerten bestimmt werden kann.The invention is based on the object, a device and specify a procedure by means of which the location and / or the extent of ischemia and / or infarcts from electrical and / or magnetocardiographic measurements can be determined.

Die erstgenannte Aufgabe wird durch ein Gerät mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst. Die zweitgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.The first-mentioned task is performed by a device with the Merk paint the claim 1 solved. The second task  is by a method having the features of claim 15 solved.

Die Verwendung eines lernfähigen und entsprechend trai­ nierten Klassifikators erlaubt es, ein komplexes Herzmodell zu verwenden, das die elektrophysiologischen Eigenschaften von Ischämien und/oder Infarkten genau nachbildet. Der lernfähige Klassifikator kann mit dem Modell trainiert wer­ den, wobei der zum Training benötigte Rechenaufwand nur einmal betrieben werden muß und entsprechend hoch sein darf. Dagegen ermöglicht der einmal trainierte Klassifika­ tor die Erkennung und Lokalisation des geschädigten Herzge­ webes aus den gemessenen Feldgrößen in kurzer Zeit. Mit anderen Worten: trotz eines die Wirklichkeit gut nachbil­ denden komplexen Modells läßt sich in akzeptabler Zeit krankhaftes Gewebe erkennen und lokalisieren.The use of a learnable and accordingly trai nated classifier allows a complex heart model to use that the electrophysiological properties accurately reproduced by ischemia and / or infarction. Of the a classifier capable of learning can be trained with the model the, whereby the computing effort required for training only must be operated once and be correspondingly high may. On the other hand, the classifica once trained enables the detection and localization of the damaged heart webes from the measured field sizes in a short time. With in other words: despite a good picture of reality The complex model can be built in an acceptable time Detect and localize pathological tissue.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Anzahl der Eingänge der Anzahl der insgesamt abge­ tasteten Meßwerte eines Herzzyklus entspricht. Alle in den Meßwerten vorhandenen Informationen können damit ohne Datenkompression ausgewertet werden.An advantageous embodiment is characterized by that the number of inputs the total of the abge the measured values correspond to a cardiac cycle. All in the Existing information can thus be measured without Data compression can be evaluated.

Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Herzzyklus in bis zu 200 Abtastzeitpunkte unterteilt ist. Damit kann eine zur Lokalisierung von Ischämien und/oder Infarkten ausreichende Information aus dem zeit­ lichen Verlauf der Meßwerte gewonnen werden.Another embodiment is characterized in that the cardiac cycle is divided into up to 200 sampling times is. This can be used to localize ischemia and / or infarcts sufficient information from the time the course of the measured values can be obtained.

Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Abstand der Abtastzeitpunkte im QRS-Komplex des Herz­ zyklus geringer ist als im übrigen Bereich des Herzzyklus. Diese dem Herzzyklus angepaßte Abtastung erzeugt weniger redundante Information als eine nicht angepaßte Abtastung in gleichen Zeitabständen. Another embodiment is characterized in that the distance between the sampling times in the QRS complex of the heart cycle is less than in the rest of the cardiac cycle. This scan adapted to the cardiac cycle produces less redundant information as an unmatched scan at equal intervals.  

In Abhängigkeit der Anforderungen an die Genauigkeit der Erkennung von krankhaftem Gewebe beträgt die Anzahl der Meßpunkte zwischen ungefähr 20 und 256. Eine für normale Anwendung ausreichende Genauigkeit wird in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht, daß die Anzahl der Meßpunkte 30 bis 64 beträgt.Depending on the requirements for the accuracy of the Detection of pathological tissue is the number of Measuring points between approximately 20 and 256. One for normal Adequate accuracy will be applied in a further advantageous embodiment achieved in that the The number of measuring points is 30 to 64.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist jedem Ausgang ein Bereich des Herzmodells zugeordnet. Durch die Zusammenfassung in größere Bereiche ergibt sich eine günstige Struktur für den Klassifikator.In a further advantageous embodiment, everyone Output assigned to an area of the heart model. Through the A summary into larger areas results in a favorable structure for the classifier.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich da­ durch aus, daß der Klassifikator so trainiert ist, daß die Werte an den Ausgängen ein Maß für die Ausdehnung der Ischämien und/oder der Infarkte um die Mittelpunkte der den Ausgängen entsprechenden Bereiche darstellt.Another advantageous embodiment stands out from that the classifier is trained so that the Values at the outputs are a measure of the expansion of the Ischemia and / or the infarction around the centers of the Represents corresponding areas.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Ort und/oder die Ausdehnung graphisch dargestellt.In a further advantageous embodiment, the location and / or the expansion is shown graphically.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Herzmodell aus einer der Physiologie entsprechenden Anord­ nung von Modell-Herzzellen, denen elektrophysiologische Herzparameter zugeordnet sind, wobei in der Praxis drei Parameter, nämlich Erregungsausbreitungsgeschwindigkeit, Refraktärzeit und Aktionspotentialform ausreichend sind zur Modellierung von krankhaftem Gewebe.In a further advantageous embodiment, there is Heart model from an arrangement corresponding to the physiology Model heart cells, which electrophysiological Cardiac parameters are assigned, with three in practice Parameters, namely excitation propagation speed, Refractory period and form of action potential are sufficient for Modeling pathological tissue.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Figuren erläutert. Dabei zeigt:The invention is described below with reference to two figures explained. It shows:

Fig. 1 die Struktur eines Geräts zur Bestimmung des Ortes und/oder die Ausdehnung von Ischämien und/oder Infark­ ten und Fig. 1 shows the structure of a device for determining the location and / or the extent of ischemia and / or infarction and

Fig. 2 eine Variante des Geräts nach Fig. 1 mit einer Daten­ kompressionsstufe. Fig. 2 shows a variant of the device of FIG. 1 with a data compression level.

In Fig. 1 ist mit 2 als Vielkanalmeßsystem ein Magnetokar­ diogramm-Gerät (MKG-Gerät) symbolisiert, wie es vom grundsätzlichen Aufbau her aus der US-PS 5 152 288 bekannt ist. Das dort offenbarte MKG-Gerät umfaßt eine 12-Kanal- Meßanordnung, mit der berührungslos und gleichzeitig an 12 Meßpunkten ein von einer elektrophysiologischen Aktivität erzeugtes Magnetfeld gemessen werden kann. Da hier ischämische oder infarzierte Bereiche und nicht nur ein­ zelne Punkte im Herzen lokalisiert werden sollen, werden mindestens etwa 20 Meßkanäle benötigt. Ein derartiges Gerät ist in dem Artikel von Schneider et al. mit dem Titel U.Multichannel Biomagnetic System for Study of Electrical Activity in the Brain and Heart" erschienen in Radiology, Vol. 176, No. 3, Sept. 1990, pp. 825-830, beschrieben. In Abhängigkeit der bei der Auswertung erzielbaren Genauigkeit steigt die Anzahl der Meßkanäle auf bis zu 256. Ein guter Kompromiß zwischen dem apparativen Aufwand und der Genauigkeit liegt bei etwa 30 bis 60 Meßkanälen.In Fig. 1, 2 as a multichannel measuring system symbolizes a Magnetokar diogram device (MKG device), as is known from the basic structure of US Pat. No. 5,152,288. The MKG device disclosed therein comprises a 12-channel measuring arrangement with which a magnetic field generated by an electrophysiological activity can be measured contactlessly and simultaneously at 12 measuring points. Since ischemic or infarcted areas and not just a single point in the heart are to be localized, at least about 20 measuring channels are required. Such a device is described in the Schneider et al. with the title U. Multichannel Biomagnetic System for Study of Electrical Activity in the Brain and Heart "published in Radiology, Vol. 176, No. 3, Sept. 1990, pp. 825-830. Depending on the achievable in the evaluation Accuracy increases the number of measuring channels up to 256. A good compromise between the expenditure on equipment and the accuracy is around 30 to 60 measuring channels.

Von der Herzaktivität erzeugte Potentiale auf der Körper­ oberfläche können ebenfalls mit einem Elektrokardiographie- Gerät 4 (EKG-Gerät) als Vielkanalmeßsystem gemessen werden. Jedoch muß das EKG-Gerät 4 eine gegenüber einem Standard- EKG-Gerät mit 12 Kanälen erhöhte Anzahl von Meßkanälen um­ fassen. Die Anzahl der benötigten Meßkanäle liegt in dem­ selben Bereich wie bei dem MKG-Gerät 2. Das MKG-Gerät 2 und/oder das EKG-Gerät 4 sind mit einer Signalverarbei­ tungsschaltung 6 verbunden. Die Signalverarbeitungsschal­ tung 6 dient der Anpassung und Aufbereitung der Meßwerte des MKG-Gerätes 2 und des EKG-Gerätes 4. Die Signalverar­ beitungsschaltung 6 umfaßt in jedem Kanal einen Verstärker, ein Bandpaßfilter, einen Abtaster 7 und eine nachfolgende Digitalisierungsstufe. Gegebenenfalls werden darin auch die Meßwerte über mehrere Herzzyklen gemittelt.Potentials generated by the cardiac activity on the body surface can also be measured with an electrocardiography device 4 (EKG device) as a multi-channel measuring system. However, the EKG device 4 must include an increased number of measuring channels compared to a standard EKG device with 12 channels. The number of measuring channels required is in the same range as for the MKG device 2 . The MKG device 2 and / or the EKG device 4 are connected to a signal processing circuit 6 . The signal processing circuit 6 serves to adapt and process the measured values of the MKG device 2 and the EKG device 4 . The Signalverar processing circuit 6 comprises in each channel an amplifier, a bandpass filter, a scanner 7 and a subsequent digitization stage. If necessary, the measured values are also averaged over several cardiac cycles.

Eine Auswerteeinheit 8 ist mit den Ausgängen der Signalver­ arbeitungsschaltung 6 verbunden. Die Auswerteeinheit 8 um­ faßt ein Schieberegister 10, dessen Eingänge 12 mit der Signalverarbeitungsschaltung 6 verbunden sind. Das Schiebe­ register 10 dient der Zwischenspeicherung der seriell ein­ laufenden abgetasteten Meßwerte aus mindestens einem Herz­ zyklus. Die Anzahl der Schieberegistereingänge 12 ist iden­ tisch mit der Anzahl der Meßpunkte oder Meßkanäle. Die Länge des Schieberegisters 10 ist ausreichend um die Ab­ tastwerte zumindest eines Teils eines Herzzyklus, jedoch vorzugsweise eines vollständigen Herzzyklus, zwischen­ speichern zu können. Am Ende des Herzzyklus stehen an Aus­ gängen 14 des Schieberegisters 10 gleichzeitig alle abge­ tasteten Meßwerte zur Ausgabe bereit. Die Anzahl der Schie­ beregisterausgänge 14 entspricht somit der Gesamtzahl der Meßwerte, die während eines Herzzyklus aufgenommen werden.An evaluation unit 8 is connected to the outputs of the signal processing circuit 6 . The evaluation unit 8 comprises a shift register 10 , the inputs 12 of which are connected to the signal processing circuit 6 . The shift register 10 is used for the intermediate storage of the serially sampled measured values from at least one cardiac cycle. The number of shift register inputs 12 is identical to the number of measuring points or measuring channels. The length of the shift register 10 is sufficient to be able to temporarily store the sample values of at least part of a cardiac cycle, but preferably a complete cardiac cycle. At the end of the cardiac cycle, all sampled measured values are simultaneously available for output from outputs 14 of the shift register 10 . The number of shift register outputs 14 thus corresponds to the total number of measured values that are recorded during a cardiac cycle.

Die Schieberegisterausgänge 14 sind mit Eingängen 16 eines als neuronales Netz ausgebildeten lernfähigen Klassifi­ kators 18 verbunden, der ebenfalls zur Auswerteeinheit 8 gehört.The shift register outputs 14 are connected to inputs 16 of an adaptive classifier 18 designed as a neural network, which also belongs to the evaluation unit 8 .

Eine spezielle Hardware, auf der ein geeignetes neuronales Netz ablauffähig ist, ist in dem Artikel von Ramacher, U.; Raab, W.; Anlauf, J.; Hachmann, U.; Wesseling, M. mit dem Titel "Synapse X:A general Purpose Neurocomputer", er­ schienen in Proc. II Int. Conf. on Micro Electr. for Neural Networks, 1991, beschrieben.A special hardware on which a suitable neural Network is executable is in the article by Ramacher, U .; Raab, W .; Anlauf, J .; Hachmann, U .; Wesseling, M. with the Title "Synapse X: A general purpose neurocomputer", he appeared in proc. II Int. Conf. on Micro Electr. for neural Networks, 1991.

Da nicht alle Meßwerte zeitlich miteinander korreliert sind, ist hier ein teilvernetztes neuronales Netz 18 ein­ gesetzt. An den Ausgängen 20 des neuronalen Netzes 18 wer­ den Werte ausgegeben, die ein Maß für den Ort und Ausdeh­ nung von Ischämien und/oder Infarkten ist. In Abhängigkeit der gewünschten Auflösung bei der Lokalisation umfaßt das neuronale Netz 10 bis 200 Ausgänge. Die Ausgänge 20 des neuronalen Netzes 18 sind mit visuellen Darstellungsmitteln 22 verbunden, die eine Graphikeinheit 24 umfaßt. Die Graphikeinheit 24 bereitet die an den Ausgängen 20 ausgege­ benen Werte auf, um dem Betrachter in einer graphischen Darstellung eine gute Vorstellung über Lage und/oder Aus­ dehnung des geschädigten Bereichs auf einem Bildschirm 26 geben zu können. Gleichzeitig können die Meßwerte in einem Protokoll 28 festgehalten werden.Since not all measured values are correlated with one another in time, a partially networked neural network 18 is set here. At the outputs 20 of the neural network 18, the values are output that are a measure of the location and extent of ischemia and / or infarcts. Depending on the desired resolution in the localization, the neural network comprises 10 to 200 outputs. The outputs 20 of the neural network 18 are connected to visual display means 22 , which comprises a graphics unit 24 . The graphics unit 24 prepares the values output at the outputs 20 in order to be able to give the viewer a good idea in a graphical representation of the position and / or extension of the damaged area on a screen 26 . At the same time, the measured values can be recorded in a log 28 .

Jedem Ausgang 20 ist ein Bereich des Herzmodells zugeord­ net. Die an den Ausgängen 20 ausgegebenen Lokalisierungs­ daten sind ein Maß für die Ausdehnung eines geschädigten Gebiets. Beispielsweise bedeutet eine "Null" an einem Aus­ gang 20, daß in dem entsprechenden Bereich nur gesundes Ge­ webe vorhanden ist, während eine "Eins" bedeutet, daß das gesamte Gebiet geschädigt ist. Zwischenwerte besagen, daß entsprechende kleinere Bereiche geschädigt sind.An area of the heart model is assigned to each output 20 . The localization data output at the outputs 20 are a measure of the extent of a damaged area. For example, a "zero" at an exit 20 means that only healthy tissue is present in the corresponding area, while a "one" means that the entire area is damaged. Intermediate values indicate that corresponding smaller areas are damaged.

In einer Variante ist in Fig. 2 dem neuronalen Netz 18 eine Datenkompressionsstufe 29 vorgeschaltet. Damit kann die An­ zahl der Eingänge 16 verringert werden, was sich wiederum günstig auf das Training des neuronalen Netzes auswirken kann. Durch die Datenkompressionsstufe kann gleichzeitig die Anzahl der zum Training benötigten Muster deutlich ver­ kleinert werden, weil die Anzahl der zu bestimmenden Para­ meter beim Training, nämlich die Anzahl der Neuronen und Gewichte, kleiner ist. Die Datenkompressionsstufe 29 ar­ beitet z. B. nach dem Verfahren der Hauptkomponentenzerle­ gung, wobei die jeweils zu einem Zeitpunkt vorliegenden Meßwerte aller Kanäle als n-dimensionaler Vektor betrachtet werden, n ist dabei die Anzahl der Meßkanäle.In one variant, a data compression stage 29 is connected upstream of the neural network 18 in FIG . The number of inputs 16 can thus be reduced, which in turn can have a favorable effect on the training of the neural network. The data compression level also allows the number of patterns required for training to be significantly reduced because the number of parameters to be determined during training, namely the number of neurons and weights, is smaller. The data compression stage 29 works z. B. by the method of main component generation, the measured values of all channels present at a time being considered as an n-dimensional vector, n being the number of measuring channels.

Neben einer Kompression durch Filterung und Stauchung be­ züglich des Zeitverlaufs der Meßwerte ist auch eine Kom­ pression bezüglich der Anzahl der zu verarbeitenden Zeit­ reihen oder Meßkanäle möglich. Dazu bietet sich das schon oben erwähnte Verfahren der Hauptkomponentenzerlegung an oder auch ein neuronales Kompressionsnetzwerk, wie es in der deutschen Patentanmeldung P 42 07 595.5 beschrieben ist. In addition to compression by filtering and compression with regard to the time course of the measured values, a comm pression regarding the number of time to be processed rows or measuring channels possible. That is a good thing methods of main component decomposition mentioned above or a neural compression network, as in the German patent application P 42 07 595.5 is.  

Das neuronale Netz 18 ist erst dann entsprechend leistungs­ fähig, wenn es mit einer Vielzahl von Feldmustern, die charakteristisch für Lage und Ausdehnung der Ischämie und/oder des Infarktes sind, trainiert worden ist. Dazu kann ein Herzmodell verwendet werden, wie es in dem Artikel von R. Killmann, P.; Wach F.; Dienstl, unter dem Titel: "Three-dimensional Computermodell of the entire human heart for simulation of reentry and tachycardia: gap phenomeon and Wolff-Parkison-White syndrome" Basic Research in Cardiology 86, 1991, pp. 485-501, beschrieben ist. In dem Herzmodell ist das Herz in Volumenzellen aufgeteilt, die entsprechend der Herzphysiologie zusammenhängen. Jeder Zelle sind elektrophysiologische Parameter zugeordnet. Hier werden die Parameter Erregungsausbreitungsgeschwindigkeit, Refraktärzeit und Aktionspotentialform den Zellen zuge­ ordnet. Sie können im Rahmen des physiologisch Sinnvollen frei gewählt werden. Die Zellen haben eine Ausdehnung von ca. 2,5 mm. Ausgehend von einer Erregung am Sinusknoten werden darauffolgend bei der Erregungsausbreitung die ein­ zelnen Volumenzellen aktiviert entsprechend den ihnen zu­ geordneten elektrophysiologischen Parametern. Die Erre­ gungsausbreitung ist begleitet von einem elektrischen und magnetischen Feld, das dann an den den Meßorten entspre­ chenden Modellorten berechnet werden kann. Den berechneten Werten kann zu Trainingszwecken noch Rauschen überlagert werden.The neural network 18 is only capable accordingly when it has been trained with a large number of field patterns which are characteristic of the location and extent of the ischemia and / or the infarction. A heart model can be used for this, as described in the article by R. Killmann, P .; Wach F .; Dienstl, entitled: "Three-dimensional computer model of the entire human heart for simulation of reentry and tachycardia: gap phenomeon and Wolff-Parkison-White syndrome" Basic Research in Cardiology 86, 1991, pp. 485-501. In the heart model, the heart is divided into volume cells that are related according to the cardiac physiology. Electrophysiological parameters are assigned to each cell. Here the parameters of excitation propagation speed, refractory time and action potential form are assigned to the cells. They can be freely chosen within the framework of the physiologically sensible. The cells are approximately 2.5 mm wide. Starting from an excitation at the sinus node, the individual volume cells are then activated during the excitation propagation in accordance with the electrophysiological parameters assigned to them. The excitation propagation is accompanied by an electric and magnetic field, which can then be calculated at the corresponding model locations. Noise can be superimposed on the calculated values for training purposes.

Zur Beschreibung des ischämischen und/oder infarzierten Bereichs wird das Herzmodell in 10 bis 200 Bereiche aufge­ teilt, wobei angenommen wird, daß ein geschädigtes Gebiet im Mittelpunkt des Bereichs mit einer entsprechenden Aus­ dehnung angeordnet ist.To describe the ischemic and / or infarcted The heart model is divided into 10 to 200 areas divides, assuming a damaged area in the center of the range with a corresponding off stretch is arranged.

Im Training werden die den einzelnen Neuronen des neuro­ nalen Netzes 18 zugeordneten Gewichtsfaktoren bestimmt. Zu Beginn des Trainings sind alle Gewichte mit zufälligen Wer­ ten belegt. Bei manchen Netzwerktypen ist es möglich, Vor­ wissen über den modellierten Prozeß, hier die Bestimmung von Ort und Ausdehnung aus den Meßwerten, durch eine Vor­ belegung der Gewichte vor dem Training einzubringen. Das wirkt sich ggf. günstig auf die zum Training benötigte Zeit oder auf die Stabilität des Trainingsprozesses aus, insbe­ sondere wenn eine große Anzahl von Gewichten belegt werden muß. Die Vorbelegung kann z. B. über ein K-means clustering oder K-nearest neighbour clustering erfolgen.The weight factors assigned to the individual neurons of the neural network 18 are determined in training. At the beginning of the training, all weights are assigned random values. With some network types, it is possible to introduce knowledge about the modeled process, here the determination of location and extent from the measured values, by pre-assigning the weights before the training. This may have a favorable effect on the time required for training or on the stability of the training process, especially when a large number of weights have to be occupied. The pre-assignment can e.g. B. via K-means clustering or K-nearest neighbor clustering.

Zum Training werden nun in willkürlicher und zufälliger Reihenfolge die elektrophysiologischen Parameter entspre­ chend der Modell-Ischämie und/oder des Modell-Infarktes im Herzmodell variiert. Das Training kann auch nach dem Ver­ fahren der Permutation, d. h. in einer Epoche werden dem Netzwerk 18 alle Trainingswerte in zufälliger Reihenfolge angeboten, oder dem Verfahren des Batch-Learning, d. h. in einer Epoche werden dem Netzwerk 18 alle Trainingswerte in vorgegebener Reihenfolge angeboten, erfolgen. Als Epoche ist hier der Ausschnitt aus der Trainingsphase definiert, in dem das neuronale Netz 18 alle Lernmuster einmal zum Training angeboten bekommt. Der Vorteil von stochastischem Lernen besteht darin, daß das Netzwerk 18 nicht die Reihen­ folge der Trainingsdaten lernt. Ein zusätzlicher Vorteil der Permutation ist auch, daß das Netzwerk alle Trainings­ daten gleich häufig - und zwar in jeder Epoche - sieht. Bei der Permutation konvergiert das Training auch schneller als beim Batch-Learning.For training, the electrophysiological parameters are now varied in a random and random order in accordance with the model ischemia and / or the model infarction in the heart model. The training can also take place after the permutation has been carried out, ie all training values are offered to the network 18 in a random order in one epoch, or the batch learning method, ie all training values are offered to the network 18 in a given order in one epoch . The section from the training phase is defined here as the epoch, in which the neural network 18 is offered all learning patterns once for training. The advantage of stochastic learning is that the network 18 does not learn the order of the training data. An additional advantage of permutation is that the network sees all training data equally often - in every epoch. With permutation, training also converges faster than with batch learning.

In Fig. 1 und 2 ist die Trainingsphase durch die Funktions­ blöcke 30, 32 und 34 symbolisiert. Der Funktionsblock 30 stellt das oben angegebene Herzmodell mit der Aufteilung in Volumenelemente dar. Der Funktionsblock 32 variiert den Ort und die Ausdehnung von den Modell-Ischämien oder/oder Mo­ dell-Infarkten. In der Recheneinheit 34 wird nun ein von dem eingestellten Herzmodell erzeugtes magnetisches und/ oder elektrisches Feld an den Modellmeßpunkten berechnet und über das Schieberegister den Eingängen 16 des neuro­ nalen Netzes 18 zugeführt. Den Ausgängen 20 wird in der Trainingsphase der Ort und die Ausdehnung der den Rechen­ werten zugrundeliegenden Modell-Ischämie und/oder des Mo­ dell-Infarktes zugeführt. Über eine interne Rückkopplung im neuronalen Netz 18 werden daraus die den versteckten Neuronen zugehörenden Gewichte eingestellt.In Fig. 1 and 2, the training phase blocks by the multifunction 30, 32 and 34 symbolizes. The function block 30 represents the heart model indicated above with the division into volume elements. The function block 32 varies the location and the extent of the model ischemia or / or model infarction. In the arithmetic unit 34 , a magnetic and / or electric field generated by the set heart model is now calculated at the model measuring points and fed to the inputs 16 of the neural network 18 via the shift register. In the training phase, the outputs 20 are supplied with the location and the extent of the model ischemia and / or the model infarction on which the computing values are based. The weights associated with the hidden neurons are set therefrom via an internal feedback in the neural network 18 .

Die Trainingsphase des neuronalen Netzes kann in Abhängig­ keit von der Komplexität des Herzmodells bis zu mehrere Stunden oder Tage Rechenzeit benötigen. Ist jedoch das neuronale Netz 18 einmal trainiert, d. h. die Gewichte be­ stimmt, kann das neuronale Netz 18 in kurzer Zeit aufgrund der Eingangsdaten die entsprechenden Ausgangsdaten ausge­ ben.The training phase of the neural network can take up to several hours or days of computing time, depending on the complexity of the heart model. However, once the neural network 18 has been trained, ie the weights have been determined, the neural network 18 can output the corresponding output data in a short time on the basis of the input data.

Claims (27)

1. Gerät zur Bestimmung des Ortes und/oder der Ausdehnung von Ischamien und/oder Infarkten im Herzen eines Lebewesens mit
  • - einem Vielkanalmeßsystem (2, 4) zum Messen von elektri­ schen und/oder magnetischen Feldgrößen, die von einer Herzaktivität erzeugt werden, während mindestens eines Teils eines Herzzyklus an einer Anzahl von Meßpunkten,
  • - einem mit dem Vielkanalmeßsystem (2, 4) verbundenen trai­ nierten lernfähigen Klassifikator (18), dessen Eingängen (16) Eingangswerte zuführbar sind, die den während des mindestens einen Teils des Herzzyklus gemessenen Meß­ werten entsprechen, wobei dem lernfähigen Klassifikator (18) durch Zuführen von Trainingsdaten, die den Feld­ größen an den Meßorten entsprechen, an die Eingänge (16) trainiert ist, welche Trainingsdaten mit Hilfe eines Herzmodells berechnet werden, das den Erregungsverlauf des Herzens während des Herzzyklus aus variierten Orten und variierten Ausdehnungen von Modell-Ischämien und/oder Modell-Infarkten nachbildet, und wobei an Ausgängen des lernfähigen Klassifikators (18) Lokalisationsdaten aus­ gegeben werden können, die dem Ort und/oder der Ausdeh­ nung der Ischämie und/oder des Infarktes entsprechen, und
  • - einem mit dem lernfähigen Klassifikator (18) verbundenen visuellen Darstellungsmittel (21) zum Anzeigen des Ortes und/oder der Ausdehnung der Ischämie und/oder des In­ farktes in Abhängigkeit der Lokalisierungsdaten.
1. Device for determining the location and / or the extent of ischemia and / or infarcts in the heart of a living being with
  • a multichannel measuring system ( 2 , 4 ) for measuring electrical and / or magnetic field quantities generated by cardiac activity during at least part of a cardiac cycle at a number of measuring points,
  • - A with the multichannel measuring system ( 2 , 4 ) connected trained learnable classifier ( 18 ), the inputs ( 16 ) of which input values can be supplied which correspond to the measured values measured during the at least part of the cardiac cycle, with the learnable classifier ( 18 ) by Feeding of training data corresponding to the field sizes at the measuring locations to which the inputs ( 16 ) are trained, which training data are calculated with the aid of a cardiac model which shows the course of excitation of the heart during the cardiac cycle from varied locations and varied extents of model ischemia and / or replicates model infarcts, and wherein at the outputs of the classifier ( 18 ) capable of learning, localization data can be output which correspond to the location and / or the extent of the ischemia and / or the infarction, and
  • - A visual representation means ( 21 ) connected to the classifier ( 18 ) capable of learning, for displaying the location and / or the extent of the ischemia and / or the infarct depending on the localization data.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der mindestens eine Teil des Herzzyklus den QRS-Komplex und die ST-Strecke umfaßt.2. Device according to claim 1, characterized records that the at least part of the Cardiac cycle includes the QRS complex and the ST segment. 3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anzahl der Eingänge (16) der Anzahl der insgesamt abgetasteten Meßwerte eines Herzzyklus entspricht.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the number of inputs ( 16 ) corresponds to the number of total measured values of a cardiac cycle. 4. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor dem lernfähigen Klassi­ fikator (18) eine Datenkompressionsstufe (29) angeordnet ist und daß die Anzahl der Eingänge (16) geringer ist als die Anzahl der insgesamt abgetasteten Meßwerte.4. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that a data compression stage ( 29 ) is arranged in front of the learnable classifier ( 18 ) and that the number of inputs ( 16 ) is less than the total number of measured values sampled. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abtaster (7) zwischen dem Vielkanalmeßsystem (2, 4) und dem neuronalen Netz (18) angeordnet ist, der die während des Teils des Herzzyklus gemessenen Meßwerte in allen Kanälen gleich­ zeitig an bis zu 200 Abtastzeitpunkten abtastet.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that a scanner ( 7 ) between the multi-channel measuring system ( 2 , 4 ) and the neural network ( 18 ) is arranged, which simultaneously measures the measured values measured during the part of the cardiac cycle in all channels scans at up to 200 sampling times. 6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abtaster (7) geeignet ist, den Abstand der Abtastzeitpunkte im QRS-Komplex des Herzzyklus geringer zu wählen als im übrigen Bereich des Herzzyklus.6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the scanner ( 7 ) is suitable to choose the distance between the sampling times in the QRS complex of the cardiac cycle less than in the rest of the cardiac cycle. 7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch­ gekennzeichnet, daß die Anzahl der Meß­ punkte ungefähr 20 bis 256 beträgt.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized characterized in that the number of measuring points is approximately 20 to 256. 8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anzahl der Meßpunkte ungefähr 30 bis 64 beträgt.8. Apparatus according to claim 7, characterized records that the number of measuring points is approximately 30 to 64. 9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch­ gekennzeichnet, daß jedem Ausgang (20) ein Bereich des Herzmodells zugeordnet ist.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that a region of the heart model is assigned to each output ( 20 ). 10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der lernfähige Klassifikator (18) so trainiert ist, daß die Lokalisierungsdaten ein Maß für die Ausdehnung der Ischämien und/oder der Infarkte um die Mittelpunkte der den Ausgängen (20) entsprechenden Bereiche darstellen.10. Apparatus according to claim 9, characterized in that the adaptable classifier ( 18 ) is trained so that the localization data represent a measure of the extent of the ischemia and / or the infarcts around the centers of the areas corresponding to the exits ( 20 ). 11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß das visuelle Darstellungsmittel (22) geeignet ist, den Ort und/oder die Ausdehnung graphisch darzustellen.11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the visual representation means ( 22 ) is suitable for graphically representing the location and / or the extent. 12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß das Herz­ modell aus einer der Physiologie entsprechenden Anordnung von Modell-Herzzellen besteht, denen elektrophysiologische Herzparameter zugeordnet sind.12. Device according to one of claims 1 to 11, there characterized by that the heart model from an arrangement corresponding to the physiology of model heart cells, which are electrophysiological Heart parameters are assigned. 13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektrophysiologischen Parameter die Erregungsausbreitungsgeschwindigkeit, die Refraktärzeit und die Aktionspotentialform umfassen.13. Apparatus according to claim 12, characterized ge indicates that the electrophysiological Parameters the rate of excitation propagation, the Refractory period and the action potential form include. 14. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß der lernfähige Klassifikator (18) als neuronales Netz aus­ gebildet ist.14. Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the learnable classifier ( 18 ) is formed as a neural network. 15. Verfahren zur Bestimmung des Ortes und/oder der Ausdeh­ nung von Ischämien und/oder Infarkten im Herzen eines Lebe­ wesens mit den Schritten:
  • - Messen von elektrischen und/oder magnetischen Feldgrößen, die von einer Herzaktivität erzeugt werden, während min­ destens eines Teils eines Herzzyklus an einer Anzahl von Meßpunkten mit einem Vielkanalmeßsystem (2, 4),
  • - Zuführen von Eingangswerten, die den während des min­ destens einen Teils des einen Herzzyklus gemessenen Meß­ werten entsprechen, an Eingänge eines trainierten lern­ fähigen Klassifaktors (18), wobei der lernfähige Klassi­ fikator (18) durch Zuführen von Trainingsdaten, die den Feldgrößen an den Meßorten entsprechen, an die Eingänge trainiert ist, welche Trainingsdaten mit Hilfe eines Herzmodells berechnet wurden, das den Erregungsverlauf des Herzens während des Herzzyklus aus variierten Orten und variierten Ausdehnungen von Modell-Ischam-ien und/oder Modell-Infarkten nachbildet, und wobei an Ausgängen des lernfähigen Klassifikators (18) Lokalisierungsdaten aus­ gegeben werden, die dem Ort und/oder der Ausdehnung der Ischämie und/oder des Infarktes entsprechen, und
  • - Anzeigen des Ortes und/oder der Ausdehnung der Ischämie und/oder des Infarktes mittels visueller Darstellungs­ mittel (22) in Abhängigkeit der Lokalisierungsdaten.
15. A method for determining the location and / or extent of ischemia and / or infarction in the heart of a living being, comprising the steps of:
  • - Measuring electrical and / or magnetic field quantities generated by a cardiac activity during at least part of a cardiac cycle at a number of measuring points with a multi-channel measuring system ( 2 , 4 ),
  • - Feeding input values, which correspond to the measured values measured during at least part of a cardiac cycle, to inputs of a trained, learnable classifier ( 18 ), the learnable classifier ( 18 ) by supplying training data that match the field sizes to the Measuring locations correspond to which the entrances are trained, which training data have been calculated with the aid of a heart model which simulates the course of excitation of the heart during the cardiac cycle from varied locations and varying extents of model ischemia and / or model infarcts, and at the outputs of the learnable classifier ( 18 ) localization data are output which correspond to the location and / or the extent of the ischemia and / or the infarction, and
  • - Displaying the location and / or the extent of the ischemia and / or the infarction by means of visual representation ( 22 ) depending on the localization data.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der mindestens eine Teil des Herzzyklus den QRS-Komplex und die ST-Strecke umfaßt.16. The method according to claim 15, characterized ge indicates that the at least part of the cardiac cycle includes the QRS complex and the ST segment. 17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Eingänge (16) der Anzahl der insgesamt abgetasteten Meßwerte eines Herzzyklus entspricht.17. The method according to claim 15 or 16, characterized in that the number of inputs ( 16 ) corresponds to the number of total sampled measured values of a cardiac cycle. 18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte einer Datenkompression unterzogen werden.18. The method according to claim 15 or 16, characterized characterized in that the measured values of a Undergo data compression. 19. Verfahren nach Anspruch 15 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Herzzyklus in bis zu 200 Abtastzeitpunkte unterteilt ist.19. The method according to claim 15 or 18, characterized characterized that the cardiac cycle in up is divided into 200 sampling times. 20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abstand der Abtast­ zeitpunkte im QRS-Komplex des Herzzyklus geringer ist als im übrigen Bereich des Herzzyklus.20. The method according to claim 19, characterized ge indicates that the distance between the samples times in the QRS complex of the cardiac cycle is less than in the rest of the cardiac cycle. 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Meßpunkte 20 bis 256 beträgt. 21. The method according to any one of claims 15 to 20, there characterized in that the number the measuring points are 20 to 256.   22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anzahl der Meßpunkte 30 bis 64 beträgt.22. The method according to claim 21, characterized ge indicates that the number of measuring points is 30 is up to 64. 23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, da­ durch gekennzeichnet, daß das Herz­ modell in Bereiche eingeteilt ist und daß jedem Bereich ein Ausgang (20) zugeordnet ist.23. The method according to any one of claims 15 to 22, characterized in that the heart model is divided into areas and that each area is assigned an output ( 20 ). 24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der lernfähige Klassifika­ tor (18) so trainiert ist, daß die Lokalisierungsdaten ein Maß für die Ausdehnung der Ischämien und/oder der Infarkte um die Mittelpunkte der den Ausgängen (20) entsprechenden Bereiche darstellt.24. The method according to claim 23, characterized in that the adaptable classifier ( 18 ) is trained so that the localization data represents a measure of the extent of the ischemia and / or the infarcts around the centers of the areas corresponding to the exits ( 20 ) . 25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ort und/oder die Ausdehnung graphisch dargestellt werden.25. The method according to any one of claims 15 to 24, there characterized by that the place and / or the extent can be graphically represented. 26. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, da­ durch gekennzeichnet, daß das Herz­ modell aus einer der Physiologie entsprechenden Anordnung von Modell-Herzzellen besteht, denen elektrophysiologische Herzparameter zugeordnet sind.26. The method according to any one of claims 15 to 25, there characterized by that the heart model from an arrangement corresponding to the physiology of model heart cells, which are electrophysiological Heart parameters are assigned. 27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektrophysiologischen Parameter die Erregungsausbreitungsgeschwindigkeit, die Refraktärzeit und die Aktionspotentialform umfassen.27. The method according to claim 26, characterized ge indicates that the electrophysiological Parameters the rate of excitation propagation, the Refractory period and the action potential form include.
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