Signal Processing Concepts for the Assessment of Coronary Plaques with Intravascular Ultrasound

Intravaskularer Ultraschall (IVUS) ist ein Abbildungsverfahren zur Diagnose von koronaren Herzkrankheiten in der klinischen Kardiologie. Die Bildgebung erfolgt hierbei invasiv unter Verwendung von Kathetersystemen mit miniaturisierten Array-Schallwandlern oder rotierenden Einzelelementwandlern. In der vorliegenden Arbeit sind neue Verfahren zur Verarbeitung von intravaskularen Ultraschallsignalen entwickelt worden. Ziel dieser Verfahren ist die Charakterisierung von Ablagerungen in den menschlichen Herzkranzgefassen (koronare Plaques). Ein grosses Risiko stellen so genannte vulnerable Plaques dar, die zu akuten Verschlussen der Herzkranzgefasse fuhren konnen. Solche Plaques konnen mit konventionellen Abbildungsverfahren morphologisch bisher nicht zuverlassig erkannt werden, sie besitzen jedoch charakteristische Gewebeeigenschaften, deren Analyse zur Plaquedifferenzierung herangezogen werden kann. Ein Schwerpunkt dieser Dissertation ist die Charakterisierung von Plaques durch Abbildung ihrer mechanischen Eigenschaften mit Ultraschall. Bei dieser Methode wird die resultierende radiale Verschiebung des zu untersuchenden Gewebes, die aus der durch Variation des Blutdrucks wahrend des Herzzyklus hervorgerufenen mechanischen Kompression resultiert, durch Korrelation hochfrequenter Echosignale vor und nach der Kompression geschatzt. Die Dehnung des Gewebes wird aus der lokalen Verschiebung berechnet und kann daraufhin ortsaufgelost abgebildet werden. Dies erlaubt eine Beurteilung des mechanischen Verhaltens koronarer Plaques. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die mechanischen Eigenschaften und das Dehnungsverhalten von Blutgefassen zunachst anhand eines zylindrischen Modells untersucht, wobei insbesondere auf geometrieabhangige Artefakte bei der Dehnungsabbildung eingegangen wurde. Weiterhin wurde ein recheneffizientes Verfahren zur Abbildung der Dehnung entwickelt, welches sowohl mit Arraywandlern als auch mit Einzelelementwandlern evaluiert worden ist. Fur die Korrektur von geometrieabhangigen Dehnungsartefakten wurde ein Konzept zur modifizierten Fokussierung mit Synthetischen-Apertur-Verfahren entwickelt. Anhand von Simulationen von ArrayUltraschallwandlern wurde gezeigt, dass Artefakte aufgrund exzentrischer Schallwandlerpositionen korrigiert werden konnen. Unter Verwendung von rotierenden Einzelelementwandlern ist weiterhin ein echtzeitfahiges System zur Dehnungsabbildung realisiert worden. Anhand von Ergebnissen einer Studie an Ultraschallphantomen wurde die Dekorrelation der Ultraschallsignale aufgrund von Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit des Schallwandlers analysiert sowie ein Konzept zur Korrektur der resultierenden Bildartefakte aufgezeigt. Die Anwendbarkeit der entwickelten Algorithmen zur Dehnungsabbildung wurde experimentell durch in vitro und in vivo Versuche gezeigt. Es konnte eine Dehnung des Gewebes von bis zu 2 % abgebildet werden. Das dargestellte Verfahren zur Dehnungsabbildung erfordert eine prazise Segmentierung der Koronargefasse. Zu diesem Zweck sind zwei alternative Konturerkennungsverfahren entwickelt und anhand von in-vivo Datensatzen verifiziert worden. Eine Vergleichsstudie mit manueller Segmentierung zeigt, dass hiermit die Gefasswande mit hoher Genauigkeit segmentiert werden konnen. Bei der Klassifizierung von Blut und Gefassgewebe wurde eine Flache von 0.95 unter der ROC Kurve erreicht. Neben der Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Plaques wurde weiterhin ein neues Konzept zur Beurteilung des hamodynamischen Schweregrades von Verengungen (Stenosen) der Koronargefasse entwickelt. Anhand der Analyse von intrakoronaren Druck- und Flussgeschwindigkeitsmessungen wurden Parameter zur Charakterisierung des Stenosewiderstandes entwickelt und in einer klinischen in vivo Studie verifiziert. Ein Vergleich zu etablierten Diagnosemethoden zeigt die Anwendbarkeit dieses Verfahrens, zur klinischen Validierung sind jedoch weitere Studien erforderlich.