Einführung in die Medizinische Informatik, Wintersemester 2024/25 - Teil 8 - PDF

Einführung in die Medizinische Informatik Wintersemester 2024/25 – Teil 8 uni-siegen.de Prof. Dr. Kai Hahn 9. Dezember 2024 uni-siegen.de 5.1 Diagnosegeräte 5.1.3 Schlafdiagnostik Schlafdiagnostik Schlafstörungen gehören zu den häufigsten Krankheit...

Einführung in die Medizinische Informatik Wintersemester 2024/25 – Teil 8 uni-siegen.de Prof. Dr. Kai Hahn 9. Dezember 2024 uni-siegen.de 5.1 Diagnosegeräte 5.1.3 Schlafdiagnostik Schlafdiagnostik Schlafstörungen gehören zu den häufigsten Krankheiten. Schlafdiagnostik bezeichnet Verfahren und Methoden, die sowohl zur Beurteilung des gestörten und normalen Schlafs als auch zur Kontrolle einer eingeleiteten Therapie herangezogen werden können. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 3 Schlafdiagnostik 1. Stufe: – Fragen zur Vorgeschichte, Anamneseerhebung und ein standardisierter Kurzfragebogen 2. Stufe: – klinische Untersuchungen mit Labortests und spezieller Schlaf-Wach-Anamnese 3. Stufe: – Ambulante Langzeitableitungen, bei denen insbesondere Atmung, O2-Gehalt des Blutes, Herzfrequenz und Körperlage kontinuierlich erfasst werden. Diese Messungen sind zum größten Teil ambulant durchführbar. 4. Stufe: – Ableitungen meist unter stationären Bedingungen im Schlaflabor. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 4 Schlaflabor EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 5 Polysomnographie Die im Schlaflabor durchgeführte Diagnostik wird als Polysomnographie bezeichnet Bei einer stationären Polysomnographie werden folgende Überwachungen standardmäßig durchgeführt: – Hirnstrombild (EEG) – Herzrhythmus (EKG) – Sauerstoffgehalt des Blutes (Pulsoxymetrie) – Körpertemperatur – Atemfluss (Mund und Nase) – Atmungsbewegung – Muskelspannung (EMG) – Beinbewegung – Augenbewegung (EOG) – Körperlage EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 6 Polysomnographie Die im Schlaflabor durchgeführte Diagnostik wird als Polysomographie bezeichnet Bei einer stationären Polysomnographie werden folgende Überwachungen standardmäßig durchgeführt: – Hirnstrombild (EEG) – Herzrhythmus (EKG) – Sauerstoffgehalt des Blutes (Pulsoxymetrie) – Körpertemperatur – Atemfluss (Mund und Nase) – Atmungsbewegung – Muskelspannung (EMG) – Beinbewegung – Augenbewegung (EOG) – Körperlage EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 7 5.1 Diagnosegeräte 5.1.4 Lungenfunktionsdiagnostik Lungenfunktionsdiagnostik (Spirometrie) Indirektes Verfahren zur Registrierung der Lungenventilation (mit Hilfe von Spirometern). Die Spirometrie wird zur Überwachung der Atmung, z. B. in der Intensivmedizin, eingesetzt. Spirometer sind nicht invasive Diagnosegeräte, die das Lungenvolumen und die Zeit zum Ein- /Ausatmen messen können. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 9 Lungenfunktionsdiagnostik Grafische Interpretation einer Atemstrommessung EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 10 Lungenfunktionsdiagnostik Aus dem Verhalten des Atemflusses lassen sich Rückschlüsse auf mögliche Erkrankungen ziehen. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 11 Flowmeter nach Fleischer Der Atemstrom wird durch einen Widerstand unterbrochen, wodurch das Messröhrchen in zwei Druckbereiche aufgeteilt wird. Je nach Flussrichtung ist der Atemdruck vor dem Widerstand größer als nach dem Widerstand. Die Druckdifferenz vor und nach dem Widerstand ist proportional der Atemstrom- geschwindigkeit. Die Druckdifferenzen werden fortlaufend über Druckwandler in elektrische Signale überführt. hohe Anfälligkeit gegen Sputum, Hygiene des Mundstücks EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 12 Ultraschall-Flowmeter Schräg zum Atemrohr (!) sind Ultraschallelemente angeordnet, die kurze Schallimpulse emittieren. Die Frequenzen der Impulse werden abwechselnd in beiden Richtungen ermittelt. Es stellt sich eine Frequenzverschiebung ein. Diese ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit (s.u. – Doppler-Effekt), dabei unabhängig von allen anderen Störeinflüssen wie Temperatur, Feuchte oder Viskosität des Atemgases. Hohe Messgenauigkeit, Kalibrierungsfreiheit, absolute Hygiene und zusätzliche Möglichkeit, die Molmasse des Atemgases zu ermitteln. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 13 Dopplerverfahren Nutzung des Dopplereffekts zur Messung von Bewegungen – Dopplereffekt*: Geschwindigkeitsabhängige * Benannt nach dem Frequenzverschiebung der österreichischen reflektierten Welle Mathematiker und Physiker Christian Doppler (1803 – 1853) – Anwendung zum Beispiel für Messungen des Atem- oder Blutflusses (s.u.) EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 14 Dopplerverfahren Nutzung des Dopplereffekts zur Messung von Bewegungen – Dopplereffekt: Geschwindigkeitsabhängige Frequenzverschiebung der reflektierten Welle – Anwendung zum Beispiel für Messungen des Atem- oder Blutflusses (s.u.) EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 15 Weiterführende Lungenfunktionsdiagnostik Im Gegensatz zur einfachen Spirometrie erfordert eine weiterführende pulmologische Funktionsdiagnostik einen erheblich größeren methodischen, apparativen und personellen Aufwand. Verbreitete Maßnahmen: – Bodyplethysmographie – Ergospirometrie – Elektrische Impedanztomografie (EIT) EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 16 Bodyplethysmographie Bodyplethysmograph, auch Ganzkörperplethysmograph genannt, besteht aus einer abgeschlossenen Kammer in die sich der Patient begibt – „ähnlich einer Telefonzelle“ wie man immer wieder in den Fachbüchern liest (Telefonzelle? – wissen Sie noch, was das ist?). Die Atmung des Patienten ruft thorakale Bewegungen hervor, die sich im Kammerinneren als Volumen- und Druckänderungen auswirken, dort erfasst und ausgewertet werden. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 17 Ergospirometrie Die Ergospirometrie dient zur Bestimmung von Ventilation und Gasaustausch unter definierter körperlicher Belastung. Ergospirometriemessplätze bestehen aus: – Belastungsgerät (Ergometer) zur Herstellung einer physikalisch exakt vorgegebenen Belastung – Sensoren zur Bestimmung der Ventilation – Gasanalysatoren für O2 und CO2 – EKG-Gerät – Rechner zur Online-Erfassung und Auswertung der Messdaten EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 18 EIT – Elektrische Impedanztomografie Lungenfunktionsdiagnostik durch Messung elektrischer Impedanzen – Brustgurt mit Elektroden – Messung el. Widerstände aus unterschiedlichen Richtungen – Rekonstruktion eines Lungenquerschnittsbildes (ähnlich der Computertomographie, s.u.) – Stationärer Einsatz bei akuter Lungeninsuffizienz z. B. PulmoVista 500 (Dräger) – 16 Elektroden – 20 Frames/s EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 19 5.1 Diagnosegeräte 5.1.5 Sonstige Diagnosegeräte Elektronystagmographie Die Nystagmographie ist eine Methode zur messtechnischen Erfassung, Analyse und Bewertung von spontanen oder durch externe Reize ausgelösten Augenbewegungen. Nystagmen sind die unkontrollierbaren, rhythmischen Bewegungen eines Auges, auch Augenzittern genannt. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 21 Pulsoxymetrie Ermittlung der arteriellen Sauerstoffsättigung mittels Messung der Lichtabsorption bzw. der Lichtremission bei Durchleuchtung der Haut (PPG – Photoplethysmografie) Lichtabsorption unterscheidet sich je nach Auftreffen auf sauerstoffbeladenes oder sauerstofffreies Hämoglobin. Absorptionsverhalten besonders im roten Spektralbereich unterschiedlich (rote LED). Hoher Sauerstoffgehalt = mehr rotes Licht wird zurückgeworfen. Fremdlichtabschirmung notwendig. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 22 Blutdruckmessung Gemessen wird der Mittlere arterielle Druck (MAD). Systolischer und diastolischer Blutdruckwert werden modellbasiert daraus berechnet. Manuell: Korotkov-Geräusche Elektronisch: Oszillometrisches Messverfahren EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 23 Messung der Körpertemperatur Fieberthermometer und IT ?? – Ja!! – Gemessen wird das von der Haut reflektierte Infrarotspektrum – keine Temperatur! – Der interne Prozessor berechnet daraus einen Temperaturwert. – Zudem steuert er das Ausgabedisplay. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 24 Blutzuckermessung NEU: Nicht-invasive Blutzuckermessung. Keine Analyse von Blutstropfen mehr erforderlich – keine unangenehmen Hauteinstiche! Die Firma Diamontech aus Berlin entwickelt ein Gerät, das mittels Infrarotspektroskopie den Blutglukosegehalt durch die Haut hindurch messen kann. Die heute gebräuchlichen CGM-Sensoren (Continuous Glucose Monitoring) dringen in die Haut ein und sind daher invasiv. CGM-Sensor EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 25 5.2 Bildgebende Verfahren 5.2.1 Sonografie Ultraschalldiagnostik - Sonografie Bildgebendes Verfahren, bei dem mittels Ultraschall (Schallwellen oberhalb der für Menschen hörbaren Frequenz von 20 kHz) Bilder aufgenommen werden. Einsatzbereiche – Medizin – Veterinärmedizin – aber auch Materialprüfung Ursprung – Militärische Ultraschallverfahren z. B. zur Ortung von Unterseebooten (SONAR) EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 27 Zur Einstimmung Ein kleiner Film: Ultraschall Neue Chancen für die Medizin Doku (2015): https://www.youtube.com/watch?v=rEdX6oV2pj0 EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 28 Grundlagen Schallerzeugung – Verwendung eines Piezo-Aktors, der elektrisch angeregt eine einstellbare akustische Frequenz erzeugt (typisch für Sonografie: Ultraschall von 1 – 10 MHz). Schalldetektion – Verwendung eines Piezo-Sensors, der akustische Frequenzen als mechanische Vibrationen wahrnimmt und diese in ein elektrisches Signal umsetzt. Sonografie-Schallkopf – Kombinierter Piezo-Sensor-Aktor (Ultraschallwandler - Transducer), der abwechselnd auf Schallerzeugung und Schalldetektion geschaltet werden kann (Impuls-Echo-Verfahren). EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 29 Reflexion - Absorption - Wellenwiderstand Materialien unterschiedlicher Dichte sind durch unterschiedliche Schallausbreitungs- geschwindigkeiten gekennzeichnet. Das Produkt aus Dichte ρ und Schallgeschwindigkeit c definiert den Wellenwiderstand z des Materials. An Grenzflächen von Materialien unterschiedlichen Wellenwiderstandes kommt es zu Reflexion (R) und Absorption, deren relative Größen vom Wellenwiderstand abhängen. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 30 Reflexion - Absorption - Wellenwiderstand Da Wasser nicht reflektiert (Rw=0), Luft dagegen nahezu Totalreflexion aufweist (Rl=0,98), wird bei Sonografieaufnahmen ein stark wasserhaltiges Kontaktgel verwendet, das zwischen Sonde und Körper großzügig aufgetragen wird. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 31 Reflexion - Absorption - Wellenwiderstand Schallgeschwindigkeiten unterscheiden sich in verschiedenen Körpergeweben. Die Unterschiede sind jedoch relativ gering, so dass Sonografiegeräte häufig auf eine mittlere Schallgeschwindigkeit (1530 m/s) geeicht sind. Reflexionsfaktoren an exemplarischen Grenzflächen EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 32 Auflösung – Eindringtiefe - Frequenzen Hohe Frequenz – geringe Eindringtiefe Niedrige Frequenz – geringe Ortsauflösung Anwendungsabhängig muss die passende Frequenz gewählt werden EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 33 Pulsreflexionsverfahren (Impuls-Echo-Verfahren) Erzeugung eines kurzen Pulses angepasster Frequenz (ideal wäre genau eine Sinusschwingung, was aber technisch nicht realisierbar ist). Messung der Reflexionen dieses Pulses. Nächster Puls wird erst deutlich nach Abklingen der Reflexionen des Vorgängerpulses abgesetzt. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 34 A-Mode Amplitude-Mode Historisch erstes Darstellungsverfahren Grundform des Pulsreflexionsverfahrens Die Amplituden eines einzelnen reflektierten Signals werden gegen die Verzögerung aufgetragen. So kann nur das Vorliegen von Grenzflächen in definierten Tiefen angezeigt werden. NB: Damit wird nicht das gewohnte Bild der durchschallten anatomischen Struktur erzeugt! A-Mode ist heute praktisch nicht mehr im Einsatz. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 35 B-Mode Brightness-Mode Die Amplitude des reflektierten Signals wird nicht als Peak, sondern als Punkt repräsentiert. Ursprünglich wurde ein detektiertes Echo als weißer Punkt dargestellt, wenn seine Amplitude einen einstellbaren Schwellwert überschritt („bistabiles Bild“). Später konnte die Echo-Intensität als Grauwert („grayscale“) kodiert werden. NB: B-Mode liefert als Einzelmessung auch kein Bild. Wird diagnostisch deshalb nicht in dieser Form verwertet. bistabil grayscale EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 36 Compound-Scan Ursprüngliche Form der Nutzbarmachung der B-Mode-Technik für die Bilderzeugung. Der Schallkopf wird mechanisch so beschränkt, dass er manuell nur in einer festgelegten Ebene bewegt werden kann. Dann werden viele B-Mode-Aufnahmen aus unterschiedlichen Positionen und Winkeln gemacht und auf dem Bildschirm positionsgerecht überlagert. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 37 2D-B-Mode (auch 2D realtime mode) Nutzung einer Sonde mit vielen parallelen Transducern, die viele, zeitgleich aufgenommene B-Mode-Echos zur Erzeugung eines 2D-Grauwertbildes (B-Bild) nutzt. – Heute am weitesten verbreitete Form der B-Mode-Aufnahmetechnik unter Verwendung von Sonden mit parallelen Transducer-Arrays. – Aufbau eines 2D-Bildes durch Überlagern synchron und parallel aufgenommener benachbarter B-Mode-Linien – Die konkrete Bildform hängt von der verwendeten Sondengeometrie ab (s.u.) – NB: Dieser Bildaufnahmemodus wird heute häufig einfach als B-Mode bezeichnet. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 38 TM-Mode (heute meistens M-Mode genannt) Motion-Mode Hier werden örtlich konstante (einzelne) B- Mode-Linien in einer zeitlichen Abfolge nebeneinander auf dem Display angezeigt. Dadurch lässt sich Bewegung innerhalb der dargestellten Reflexionslinie erkennen. Einsatz z.B. zur Herzklappendiagnostik EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 39 TM-Mode (heute meistens M-Mode genannt) Die Einführung des M-Mode lieferte die Grundlage für das heute weit verbreitete Verfahren der Echokardiografie, der Herzuntersuchung mittels Ultraschallbildgebung. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 40 Dopplerverfahren PW-Doppler – Pulswellen-Doppler – Arbeitet mit dem Pulsreflexionsverfahren – Es wird eine konstante Position festgelegt, an der die Frequenzverschiebungen ausgewertet werden. – Die Messresultate werden als Geschwindigkeitsspektrum über den Messbereich dargestellt – Duplex-Darstellung bildet B- Mode-Bild und Dopplerspektrum gleichzeitig ab EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 41 Dopplerverfahren Farbdoppler – Weiteres Verfahren der Duplex- Sonographie – Doppler-Messungen finden im Bereich eines auswählbaren zweidimensionalen Bereichs von Sample-Positionen statt. – Die gemittelte Frequenzverschiebung jeder Einzelmessung wird farbcodiert. – Die codierten Punkte werden positionsgerecht dem B-Mode-Bild überlagert. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 42 Dopplerverfahren TDI – Tissue Doppler Imaging (Gewebedoppler) – Unter Nutzung des Dopplereffekts lässt sich nicht nur Blutfluss messen, sondern auch die Bewegung von Gewebestrukturen – Wird häufig eingesetzt, um Herzwand- oder Herzklappenbewegungen zu visualisieren – Alternativverfahren zum M-Mode. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 43 4D-Sonografie Basis: 3D-Sonografie – Dabei wird während einer 2D-B-Mode-Aufnahme zusätzlich eine definierte Verschwenkung des Schallkopfes vorgenommen. – Aus der so entstehenden Folge von 2D-Aufnahmen kann eine 3D-Repräsentation rekonstruiert werden. Zusätzlich: Die Zeitdimension – Kann man in schneller Folge 3D-Aufnahmen eines zu diagnostizierenden Bereichs erzeugen, lassen sich diese zu einem bewegten „Ultraschallfilm“ zusammensetzen. – Voraussetzung: Hinreichend schnelle Aufnahmemöglichkeit für ein B-Mode-Bild, hohe Rechnerleistung für Störungselimination und Echtzeitbildrekonstruktion. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 44 Sonden Sondentypen – Linear: Viele Piezoelemente in einer Reihe angeordnet – Convex (Curved-Array): ähnlich wie Linearsonden, nur sind die Piezoelemente auf einem Kreisbogen angeordnet – Sektor (Phased-Array): Einige wenige Piezoelemente, die einen elektronisch schwenkbaren Impuls erzeugen EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 45 Sonden Linearsonden – Es werden immer mehrere Piezoelemente parallel angesteuert. – Durch Interferenzeffekte und eine geeignete Frequenzauswahl ergibt sich dadurch ein einstellbarer Fokusbereich in definierter Tiefe. – Der aktivierte Bereich von Piezoelementen wird schrittweise über das Lineararray geführt. Convexsonden – Operieren nach demselben Prinzip. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 46 Sonden Sektorsonden – Aufgrund von Interferenzen zwischen benachbarten Piezoelementen entsteht eine schräg verlaufende Schallausbreitung, die durch geeignete Phasenmodulation gezielt dynamisch verschwenkt werden kann (Phased Array). – Vorteil Verschattungen unter der Hautoberfläche (z.B. Rippen) können umgangen werden. – Nachteil Strahlaufweitung mit zunehmender Tiefe führt zu reduzierter Ortsauflösung. EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 47 Systemarchitektur eines Sonografiegeräts EMI - Vorlesung Teil 8 – 2024/25 48 Vielen Dank Prof. Dr. Kai Hahn Am Eichenhang 50 57076 Siegen [email protected] Einführung in die Medizinische Informatik 9. Dezember 2024 49