Abstract:

Computer models of the heart can improve the understanding of the electrophysiological processes in healthy and diseased heart. They become more and more important for detailled diagnosis of arrhythmias and for optimization of therapy. Models of myocardium cells known today are described - they are based on the properties of all relevant ion channels in the cell membrane. Then it is demonstrated, how many cells can be joined to form a cell patch and how finally the complete heart can be modelled. A simpler approach is using a so called cellular automaton that allows for a significant reduction of calculation time while sacrifying some accordance to reality. Adaptive cellular automatons allow for a fast simulation with acceptable accuracy. Using them some results were gained for the simulation of typical arrhythmias, in the field of validation using an animal model and for therapy planning with RF-ablation.

Abstract:

The measurement of the surface-EMG during electrical stimulation requires the suppression of the stimulus pulse close to the source. This is necessary because of the discharge currents spreading within the human body caused by the stimulation pulse and the drift effects at the electrodes distorting the EMG-signal. A measurement-system will be presented, which splits the EMG in a detection and a processing path. A special converter keeps the base line at zero level. The detection path sets the gain of the recording amplifier and identifies the stimulation pulse to control its suppression. The processing of the EMG is conducted in the main path way. By these means the EMG including M-wave is undistorted and unbiased presented. The results will be discussed taking the physiology relevance into account.

Abstract:

PURPOSE: To assess respiratory motion models for coronary magnetic resonance angiography (CMRA). In this study various motion models that describe the respiration-induced 3D displacements and deformations of the main coronary arteries were compared.MATERIALS AND METHODS: Multiple high-resolution 3D coronary MR images were acquired in healthy volunteers using navigator-based respiratory gating, each depicting the coronary vessels at different respiratory motion states. In the images representing the different inspiratory states the displacements and deformations of the main coronary vessels with respect to the end-expiratory state were determined, by means of elastic registration. Several correction models (superior-inferior (SI) translation, 3D translation, and 3D affine transformation) were tested and compared with respect to their ability to map a selected inspiratory to the end-expiratory motion state.RESULTS: 3D translation was found to be superior over SI translation, which is commonly used for prospective motion correction in CMRA. The 3D affine transformation was found to be the best correction model considered in this study. Furthermore, a large intersubject variability of the model parameters was observed.CONCLUSION: The results of this study indicate that a patient-adapted 3D correction model (3D translation or better 3D affine) will considerably improve prospective motion correction in CMRA.

Abstract:

Image processing was used as a fundamental tool to derive motion information from magnetic resonance (MR) images, which was fed back into prospective respiratory motion correction during subsequent data acquisition to improve image quality in coronary MR angiography (CMRA) scans. This reduces motion artifacts in the images and, in addition, enables the usage of a broader gating window than commonly used today to increase the scan efficiency. The aim of the study reported in this paper was to find a suitable motion model to be used for respiratory motion correction in cardiac imaging and to develop a calibration procedure to adapt the motion model to the individual patient. At first, the performance of three motion models [one-dimensional translation in feet-head (FH) direction, three-dimensional (3-D) translation, and 3-D affine transformation] was tested in a small volunteer study. An elastic image registration algorithm was applied to 3-D MR images of the coronary vessels obtained at different respiratory levels. A strong intersubject variability was observed. The 3-D translation and affine transformation model were found to be superior over the conventional FH translation model used today. Furthermore, a new approach is presented, which utilizes a fast model-based image registration to extract motion information from time series of low-resolution 3-D MR images, which reflects the respiratory motion of the heart. The registration is based on a selectable global 3-D motion model (translation, rigid, or affine transformation). All 3-D MR images were registered with respect to end expiration. The resulting time series of model parameters were analyzed in combination with additionally acquired motion information from a diaphragmatic MR pencil-beam navigator to calibrate the respiratory motion model. To demonstrate the potential of a calibrated motion model for prospective motion correction in coronary imaging, the approach was tested in CMRA examinations in five volunteers.

Abstract:

Diagnose und Therapie von Herz-Kreislauf-Erkrankungen erfordern eine immer engere Zusammenarbeit von Ärzten, Naturwissenschaftlern und Ingenieuren. Das vorliegende Lehrbuch wagt daher den Versuch eines Brückenschlages zwischen den Disziplinen. Im ersten Drittel werden die medizinischen Grundlagen der wichtigsten Herz-Kreislauffunktion und -erkrankungen vermittelt. Auf dieser Basis wird der Aufbau und die Funktionsweise der bekannten Diagnose- und Therapieverfahren aus dem Bereich der Kardiologie erläutert. Dies umfasst sowohl den aktuellen Stand der Technik als auch die neuesten Trends.Das Buch richtet sich somit an Studierende, Lernende und Praktizierende in medizinischen, natur- und ingenieurwissenschaftlichen Berufen. Ziel des Buches ist es, ein gegenseitiges VerstAndnis zu wecken, um neue Techniken sinnvoll entwickeln und sicher anwenden zu können

Abstract:

Magnetic resonance imaging (MRI) is still contraindicated in patients with implanted active medical devices, as the applied radiofrequency (RF) fields can lead to significant heating of the implants and the electrodes. A head model with an implanted deep brain stimulation electrode (DBS) was exposed to a continuous RF-field similar to the excitational field used in MRI at a frequency of 64 MHz. In this study a two-step procedure for the accurate estimation of electrode-heating during MRI is presented. First the energy loss was calculated in the frequency domain during an applied RF-pulse. Then a thermodynamic algorithm taking heat transfer mechanisms into account was used. The applied method showed to be numerically stable and gave more accurate results than first calculated using a simple worst-case approximation.

Abstract:

Magnetocardiography (MCG) deals with the measurement of biomagnetic fields due to electrical excitation of the heart. The solution of the inverse problem of MCG and electrocardiography (ECG) is the reconstruction and visualization of the excitation process. The calculation is performed from MCG data recorded by multichannel systems. For a maximum of information content an optimized magnetometer arrangement is determined which is not realized at present. The information content with respect to imaging of bioelectric sources is defined by the slope of the singular values, respective the signal-to-noise ratio and the dimension of the nullspace. Reconstruction errors due to modelling errors are not taken into account in this work. The nullspace describes the set of non-detectable source patterns in MCG and ECG. A conventional commercial sensor arrangement will be compared to an improved sensor composition. Recent publications show evidence that MCG contains more or different diagnostic information in cardiac arrhythmia and infarction diagnosis than electrocardiography. Therefore, first results of a general comparison of the information content of MCG and ECG are presented.

Abstract:

Non invasive source reconstruction from Electrocardiography (ECG) and Magnetocardiography (MCG) data is a highly discussed research field. In this work we investigate mathematically the source space of the Inverse Problem of Electrocardiography with respect to the information content. Starting from the modeled source space of distributed epicardial potentials we compare several ECG electrode configurations, i.e. a 32-, 64-optimized channel electrode arrangement, that we determined for our individual torso model, the 256-lead ECG configuration which was recorded at the Ragnar Granit Instiute, Technical University of Tampere, Finland and the 128 channel system of the BioMag Laboratory, Helsinki University Central Hospital, Finland.

Abstract:

Noninvasive Imaging of the bioelectric processes on the heart using Electrocardiography (ECG) and Magnetocardiography (MCG) data is a widely discussed research topic of the recent years. The source space of ECG is compared with the source space of MCG and vice versa to investigate the difference of information content of these mapping techniques for source imaging purposes. The approach allows the calculation of the intersection and non-intersection part (the calculation of silent sources) of MCG (ECG) in comparison to ECG (MCG). The investigation was carried out on a Finite Element model which was constructed from a magnetic resonance imaging (MRI) dataset of a volunteer. Anisotropic fibre orientation was applied to myocardium to investigate its effect on the differences of the source spaces.

Abstract:

A new approach to the reconstruction of transmembrane potentials (TMP) in anisotropic finite element heart model is presented. The solution is sought in the form of 3D patches constructed by the interpolation of TMP distributions. The method is evaluated using TMP distributions generated with a cellular automaton.

Abstract:

The paper presents a simulation of the transient temperature distribution in the human body caused by induced eddy currents during magnetic resonance imaging (MRI). In a first simulation the validity of the used heat conduction equation was proven using a simple example of a cool-down-process of a sphere. Thereafter the heating of a phantom model with an implanted electrode placed in a MRI-System (active body coil) was examined. The resulting increase in temperature was compared with existing measurements. Finally the implications of the heating of the tissue are discussed based on the observed experimental and numerical results.

Abstract:

Gegenstand dieser Studienarbeit ist der Vergleich zweier verschiedener elektrophy- siologischer Modelle der Erregungsausbreitung im Herzen. Diese Modelle werden daraufhin untersucht, inwieweit sie bei simulierten Fibrillationen in menschlichem Vorhofgewebe vergleichbare Ergebnisse liefern.Eine Einfu ̈hrung in das Thema und die Aufgabenstellung liefert das erste Kapitel. Das zweite Kapitel hat die Elektrophysiologie von Einzelzellen und das Verhalten von Herzmuskelzellen im Zellverband zum Inhalt. Die verwendeten Modelle werden im dritten Kapitel vorgestellt. Es handelt sich dabei zum einen um ein Zellmodell, bei dem sich die elektrophysiologischen Eigen- schaften der Einzelzelle aus gekoppelten Differentialgleichungen ergeben. Zusammen mit einem der anschließend vorgestellten Erregungsausbreitungsmodelle ermo ̈glicht es eine Simulation der Erregung im Zellverband. Zum anderen wird der Zellula ̈re Automat eingefu ̈hrt, der ein regelbasiertes Modell darstellt. Da mit den ausgewa ̈hl- ten elektrophysiologischen Modellen kreisende Erregungen simuliert werden, finden zusa ̈tzlich verschiedene Modellvorstellungen fu ̈r die Auslo ̈sung kreisender Erregun- gen Beru ̈cksichtigung.Im vierten Kapitel werden die Ergebnisse dieser Arbeit beschrieben. Unter verschie- denen Voraussetzungen werden die Wesensmerkmale der beiden Modelle bei Ar- rhythmien in Form von kreisenden Erregungen untersucht und verglichen. Die zu- grunde liegende Anatomie erstreckt sich dabei in ein, zwei und drei Dimensionen. Das Verhalten der Modelle wird zuna ̈chst in homogenen Gewebeausschnitten betrachtet. Daru ̈ber hinaus wird der Einfluss von anatomischen Hindernissen untersucht, wie sie beispielsweise durch nicht erregbares Gewebe vorliegen. Die Simulationen wer- den zusa ̈tzlich bei einer verringerten Leitfa ̈higkeit des Gewebes durchgefu ̈hrt, um den Einfluss leitfa ̈higkeitsa ̈ndernder Pharmaka auf die Erregungsmuster zu ermitteln. Ei- ne abschließende Beurteilung und eine Zusammenfassung der Gemeinsamkeiten und Unterschiede im Verhalten der Modelle bei kreisenden Erregungen runden dieses Kapitel ab.

Abstract:

In der vorgestellten Arbeit werden neue Materialgesetze entwickelt und auf ihre Eignung zur mathematischen Beschreibung der elastomechanischen Eigen- schaften des Herzgewebes hin untersucht. In einer Einfu ̈hrung wurde auf die Bedeutung dieser Materialgesetze hingewiesen und daraus eine Motivation zur Entwicklung von Materialgesetzen abgeleitet. In einem Kapitel zur Anatomie des Herzgewebes (Kapitel 2) wurden dessen Zusammensetzung und seine ela- stomechanischen Eigenschaften beschrieben.Um die elastomechanischen Eigenschaften der unterschiedlichen Gewebear- ten mathematisch beschreiben zu ko ̈nnen, wurde in Kapitel 3 eine Einfu ̈hrung in die Kontinuumsmechanik gegeben. In Kapitel 4 wurden Materialgesetze und Messungen an Myokardgewebe an unterschiedlichen Versuchstieren sowohl in vivo, wie in vitro vorgestellt. Einige Messergebnisse wurden zusammen mit ab- geleiteten Aussagen vorgestellt. Messapparaturen zur Durchfu ̈hrung von in vi- tro Tests, bei denen in einem Durchgang die Scherungen und Dehnungen in alle drei Raumrichtungen vermessen werden ko ̈nnen, haben bisher noch keine ausreichenden Ergebnisse geliefert. Die Ergebnisse unterschiedlicher Messungen haben Ansa ̈tze fu ̈r Materialgesetze geliefert, welche die anisotropen, hyperela- stischen und inhomogenen Eigenschaften des Gewebes auf verschiedene Weisen kombinieren und integrieren. Diese Ansa ̈tze wurden ebenfalls in Kapitel 4 be- schrieben.Um Materialgesetze in komplexen Geometrien anwenden zu ko ̈nnen, wird die numerische Feldrechnung benutzt. Hierzu wurde in Kapitel 5 eine kurze Einfu ̈hrung gegeben. Parallel zu einem neuen Materialgesetz wurde dessen Ein- bindung in ein vorhandenes Softwarepaket vorangetrieben. Um den komplexen Lo ̈sungsalgorithmus zu u ̈berpru ̈fen, war es no ̈tig den Energieerhaltungssatz fu ̈r den Fall kleiner Verschiebungen anzusetzen und zu na ̈hern. Auf diese Weise konnte die Funktion der Software besta ̈tigt werden. Durch die Erweiterung eini- ger C++- und Perl-Programme war es auch mo ̈glich, die Funktion der Software fu ̈r komplexe Geometrien zu pru ̈fen.In Kapitel 6 wurde ein neuer Ansatz vorgestellt, welcher die Isotropieei- genschaften von den hyperelastischen Eigenschaften trennt. Darin werden die Isotropieeigenschaften mit einem linearelastischen Zusammenhang beschrieben und anschließend Ansa ̈tze fu ̈r eine hyperelastische Beschreibung vorgestellt, mit denen sich die nichtlinearen Eigenschaften des Myokardgewebes nachbilden las- sen.