Koronare Herzkrankheiten sind die häufigste Todesursache in Industrienationen. Wenn sich die Koronargefäße im Körper des Menschen mit Ablagerungen („Plaque“) zusetzen und somit die Sauerstoffzufuhr zum Herzen verschlechtert wird, kann das nicht nur zu Kurzatmigkeit sondern auch zum Herztod führen. Damit es gar nicht erst so weit kommt, arbeitet der Lehrstuhl „Computergrafik, Visualisierung und Bildverarbeitung“ von Frau Prof. Dr. Gitta Domik des Instituts für Informatik der Universität Paderborn daran, die Früherkennung von koronaren Herzkrankheiten und die Operationsplanung zu verbessern. Die Herausforderung dabei ist die schnelle Erkennung und Lokalisierung von Plaque in den Koronarien.
„Es geht darum, die medizinischen Daten so aufzubereiten, dass der behandelnde Arzt anhand von Bildern erkennen kann, ob gefährliche Engstellen in den Koronargefäßen vorhanden oder im Aufbau sind“, erklärt Diplom-Informatiker Stephan Arens, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Projektteam. Dabei gilt es zu beachten, dass längst nicht alle Ablagerungen gefährliches Potential bergen. „Es ist daher spannend, bereits im Vorfeld sagen zu können, ob ein Plaque gefährlich werden kann oder nicht“, sagt Arens. „Die Entscheidung dazu kann noch kein Computer vorwegnehmen, sondern nur ein erfahrener Arzt.“
Dieser will sich bei der Diagnose in die Besonderheiten der Koronarien des Patienten vertiefen sowie Abgrenzungen und die genaue Lage der Plaque erkennen. Dabei dürfen ihn keine unnötigen Informationen aufhalten – schon aus Zeitgründen nicht, denn erfahrungsgemäß soll eine Diagnose in zehn Minuten abgeschlossen sein. Die technische Herausforderung, für die anfallenden großen Datenmengen eines Brust-CTs eine zeitsparende Methode zu finden, die es den behandelnden Ärzten ermöglicht, zügig die passende Diagnose zu stellen, ist Aufgabe der Informatiker.
Die derzeit wichtigste Visualisierungstechnik für diesen Zweck ist die so genannte Curved Planar Reformation (CPR), die dazu beiträgt, die enorme Datenmenge zu reduzieren und aus der Informationsflut an Daten lediglich die relevanten herauszufiltern. Die CPR in der an der Universität Paderborn weiterentwickelten Form erlaubt ein Ausblenden aller nicht-relevanten Organe im Brustbereich und eine Fokussierung auf die Koronarien: Die den Herzmuskel umspannenden Koronararterien lassen sich abrollen, lang ziehen und um die Längsachse drehen, womit eine genaue Lokalisierung der Ablagerungen und Abschätzung der Distanzen zwischen Plaque möglich wird. Letzteres ist auch für eine Operationsplanung zum Einsetzen von Stents und Bypässen von großer Bedeutung. Hinter diesem Algorithmus steckt viel Mathematik und geschickte Programmierung von schnellen Grafikkarten.
Die Güte einer solchen Visualisierungstechnik lässt sich nur an den erzielten Ergebnissen des Mediziners messen. Von Stephan Arens in letzter Zeit öfter durchgeführte „kontrollierte Benutzerexperimente“ können Zeit und Qualität von Diagnosen im Labor messbar machen. Sie sind sehr aufwendig, weshalb der Lehrstuhl Domik einer der wenigen ist, der sich derzeit damit beschäftigt. Und das, obwohl die Bedeutung der Qualitätsüberprüfung von visuellen Darstellungen, gerade als Teil der medizinischen Diagnose, immer stärker gefordert wird.
Um medizinische Daten und auch Know-How auszutauschen, besteht seit 1995 eine Kooperation mit dem Herz- und Diabeteszentrum NRW in Bad Oeynhausen. So entwickeln die Wissenschaftler des Informatik-Instituts seit 2005 die Software „Volume Studio“, die dann im Herz- und Diabeteszentrum zu Forschungszwecken eingesetzt wird.
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Autorin: Katharina Bätz, Institut für Informatik
