Projekt 09937/01

Verbesserte Frühdiagnostik der koronaren Herzkrankheit (KHK) durch eine nicht radioaktive, innovative Untersuchungsmethode: die Streß-Echokardiographie mittels Rohdatensignalanalyse

Projektdurchführung

Gemeinschaftspraxis Dr. med. Brand,Dr. med. F. Weingartner, Dr. med. U. Brügmann
Institutstr. 14
81241 München

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Versuch einer Verbesserung der Frühdiagnostik der koronaren Herzkrankheit, der in der Bundesrepublik ca. 150.000 Menschen pro Jahr zum Opfer fallen. Die bisherigen Diagnoseverfahren sind sehr materialaufwendig und durch deren Eigenschaften (Röntgen, radioaktive Isotopen) sehr umweltbelastend, zudem mit außerordentlich hohen Kosten verbunden und letztlich nicht flächenhaft einsetzbar. Die Stress-Echokardiographie (SE) hat sich als geeignet erwiesen, einen entscheidenden Diagnosebeitrag zu leisten. Um dies zu erreichen, muss die SE untersucherunabhängiger gemacht werden. Dies ist nur über reproduzierbare Messdaten möglich.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs gilt zwei prinzipielle Fragen zu beantworten:
1. Gibt es quantifizierbare Ischämieparameter des menschlichen Herzens
2. Lassen sich diese Ischämieparameter aus Utraschalldaten des Herzens mit ausreichender Messgenauigkeit reproduzierbar ableiten.
Lösungsschritt: Benutzung des B-Bildes der Echokardiographie im Rohdaten (=RF) -Mode um zyklische Dichteschwan-kungen des Myokards im systolisch-diastolischen Ablauf quantitativ auswerten zu können. Nach Optimierung der RF-Datenaquisition an gesunden Probanden erfolgt der Versuch einer Typisierung pathologischer RF-Daten an einem diagnostisch bereits bekannten Patientenkollektiv. Hier sollen die pathologischen RF-Daten in Untersuchungsreihen der konventionellen kardiologischen Diagnostik gegenübergestellt werden. Schwerpunkt der eigenen Entwicklungsarbeit ist die EDV-Anpassung des offline-Verfahrens für die RF-Analyse gemeinsam mit der Fachhochschule Ulm und danach die medizinisch-diagnostische Zuordnung der Ergebnisse in die bisherigen Konzepte der Kardiologie.
Praktische Umsetzung:
3 Zeitpakete von je ca. 16 Monaten zur Optimierung der Ultraschall-Geräte für RF-Daten-Gewinnung, Aquisition von RF-Daten an verschiedenen Patientenserien, rechnergestützte Datenauswertung. Ein Gelingen des Projektes würde in hohem Maße nuklearkardiologische und radiologische Untersuchungen überflüssig machen.
Patienten und Methode:
(Sämtliche Patienten waren über die Untersuchungen vorab informiert und damit einverstanden, der RF-Datenabgriff änderte weder den Untersuchungsablauf, die Belastungsdauer noch die Indikations- Stellung)
Alle Patienten wurden auf einer hydraulisch kippbaren Untersuchungsliege (Fa. Ergoline) fahrradergometrisch ausbelastet, die RF-Daten von der Herzspitze im 4- und 2-Kammerblick in Ruhe, unter max. Belastung und in der Erholungsphase abgegriffen.
Mit den Ultraschallgeräten System V und Vivid V der Fa. GE konnten unverfälschte Rohdaten mit breiter dynamic range von ca. 70 dB akquiriert werden. Durch die Verwendung von Ultraschall-Rohdaten konnte im Vergleich zu üblicherweise verwandten Videodaten der Informationsgehalt der Ultraschall-Bilder auf 65.000 : 1 gesteigert werden.
Pro Schnittbild analysierten wir 7 regions of interest (ROI´s) mit Hilfe einer Softwareeigenentwicklung (Prof. Brucher, Prof. Gross) densitometrisch. Pro ROI wurden die max. akustische Dichteschwankung (delta dB), die gemittelte Ultraschall-Rückstreuenergie als sog. integrierter backscatter (average dB = avdB) und die zeitliche Kohärenz zwischen Ende der elektrischen und Ende der mechanischen Systole bestimmt. Auftretende Asynchronien zwischen elektrischer und mechanischer Systole wurden als prozentuale zeitliche Veränderung (auftretende Zeitverschiebung im Verhältnis zur Dauer eines kompletten EKG-Zyklus) angegeben.
Die Ergebnisse jeder ROI pro Patient (insgesamt ca. 130 pro Patient und Untersuchung) wurden jeweils nur mit der gleichen ROI in Ruhe, unter Maximalbelastung und während Erholung verglichen. Während einer Untersuchung wurden keine Veränderungen der Bildverstärkung vorgenommen, wir benötigten somit keine externe Eichung für unsere Messungen.


Ergebnisse und Diskussion

Bei den Normalpersonen finden sich pro ROI, abhängig von Ruhe (R), Belastung (B) oder Erholung (E):
1) Es gibt keine messrelevante Zeitverschiebung zwischen mechanischer u elektrischer Systole während R, B oder E; die gemessene Zeitdifferenz bleibt im Mittel stets unter 5%. Die auftretenden geringen Zeitverschiebungen sind in der erwartbaren Messfehlerbreite erklärbar.
2) Die maximale zyklische Schwankung delta-dB liegt im Mittel für R/B/E bei: 7/10/11 dB, d.h. unter B kommt es zu einer statistisch signifikanten Steigerung um ca. 40 % im Vergleich zur R-Untersuchung
3) der Anteil der Rückstreuenergie pro ROI, der sog gemittelte integrated backscatter (=avdB) schwächt sich unter R/B/E leicht ab: -23/-24/-25 dB. Damit konnte ein Normalkollektiv mit ausrei-chender statistischer Abgrenzung definiert werden.

Bei den pathologischen Fällen untersuchten wir ausnahmslos Patienten mit bekanntem Coronarstatus.
Dabei zeigte sich:
1) Entsprechend der Ausprägung der regionalen Durchblutungsstörung (und damit verbunden die regionale Bewegungsstörung der Herzwand) kommt es unter B zu einer Verspätung der Kontraktion dieses Wandabschnittes. Das Ausmaß der Verspätung entwickelt sich von Normal oder leicht verlängert (=kleiner 10 %) sukzessive unter B auf bis zu 20 %.
2) Die Steigerung der max. zyklischen Schwankung delta-dB der ischämischen ROI´s bleibt bei B deutlich unter den 40%, die wir im Normalkollektiv finden
3) Die Rückstreuenergie avdB der ischämischen ROI´s steigt im Gegensatz zu den normal durchbluteten ROI´s leicht an.

Diskussion:
Bereits seit über dreißig Jahren war aus den Anfängen der Echokardiagraphie bekannt, dass sich unter Ischämie am Herzen eine regionale Kontraktionsverspätung einstellt: Dies wurde erstmals als postsystolic thickening der Herzwand bezeichnet und fand mangels einer geeigneten Messmethode keinen Eingang in die Alltagsroutine. Neuere Untersuchungen machen es wahrscheinlich, dass es sich auch um eine frühdiastolische Muskelentspannungsstörung (Relaxationsstörung) handeln könnte. Damit verbunden wäre eine Verbesserung der diagnostischen Sicherheit (höhere Sensitivität).
Ebenso lange bekannt ist das akustische Phänomen der zyklischen Schwankung des Herzmuskels im EKG-Ablauf. Auch diese Methode konnte sich mangels geeigneter Messtechnik nicht durchsetzen, da Rohdatenverarbeitung extrem hohe Rechnerleistungen verlangt und die Ultraschallgeräteanbieter erst seit wenigen Jahren das hohe Entwicklungspotenzial der RF-Datenanalyse erkannt haben.
Die Erklärung für die Steigerung der zyklischen Schwankung des gesunden Herzens unter Belastung liefert die Annahme, dass die Zunahme der Muskelkontraktion unter Belastung sich widerspiegelt in erhöhten akustischen Änderungen im zellulären Bereich - die Höhe der zyklischen Schwankung somit die kontraktile Performance des Herzmuskels darstellt - die sich bei Ischämie entsprechend verschlechtert.
Die Erhöhung des integrated backscatters pro ROI unter Ischämie wird wissenschaftlich mit der Rasch einsetzenden subzellulären Desintegrität der kontraktilen Strukturen erklärt, die zeitgleich mit vermehrter Wassereinlagerung (Ödembildung) die Backscattererhöhung erklären können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Derzeit läuft eine Voranfrage bei einem Patentanwaltsbüro zur Abklärung evtl. patentrechtlicher Absicherungen der entwickelten Meßmethode.
Unmittelbar danach sind eine wissenschaftliche Veröffentlichung in einem englischsprachigen Fachjournal (von uns gewünscht: Computers in medicine) und eine Referatsbewerbung für die Herbsttagung der Deutschen Gesellschaft für Kardiologie - Herz und Kreislaufforschung e. V. geplant.


Fazit

Die bisherige rein qualitative Ergebnisbeschreibung der echokardiographischen Ischämiediagnostik lässt sich durch die densitometrische Auswertung von Radiofrequenz-Daten auf eine zuverlässige quantifizierbare Basis stellen. Die Methode der Stress-Echokardiographie wird durch die Messung der drei be-schriebenen Ischämieparameter quantifizierbar, damit untersucherunabhängiger und durch die Erfassung eines vermutlich spätsystolischen bzw. frühdiastolischen Ischämieparameters noch sensitiver.
Die vorgestellte Methode eignet sich für den breiten Einsatz für Querschnittsuntersuchungen der Bevölkerung zur Früherkennung der belastungsinduzierten Myokardischämie. Sie ist in hohem Maße ressourcenschonend, preisgünstig und stark umweltentlastend durch erwartbare massive Rückgänge der Anzahl von radiologischen und nuklearmedizinischen Herzuntersuchungen.
Notwendig ist nun eine breite Öffentlichkeitsarbeit um den Bekanntheitsgrad dieser Methode zu steigern, eine Umsetzung der bisherigen Forschungs-Software in eine anwenderfreundliche EDV-Benutzeroberfläche und eine breite Evaluierung der Methode an den bisher in Klinik und Forschung angewandten kardiologischen Messmethoden.
Mein persönlicher Dank gilt allen Projektbeteiligten, insbesondere den beiden für uns verantwortlichen Mitarbeitern der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, Herrn Dr. Lay und Herrn Vedder, deren hoher persönlicher Einsatz den Fortschritt unseres Projektes maßgeblich positiv mitbeeinflusste.