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Einleitung

Die Fortschritte im Bereich der Datenakquisition mittels hochauflösender Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) während der letzten Jahre haben nicht nur die Abbildungsqualität verbessert, sondern waren auch mit einer steigenden Menge an auszuwertenden und zu archivierenden Daten verbunden. Die Notwendigkeit der effizienten Befundung, sowie die technischen Entwicklungen im Bereich der Computertechnologie und der Softwareapplikationen haben den Weg für neue Visualisierungstechniken geebnet. Die in dieser Arbeit beschriebene virtuelle Zisternoskopie basiert auf der Technik des Volume Rendering (VR), der jüngsten der zurzeit existenten Nachverarbeitungsroutinen im Bereich der dreidimensionalen (3D) Datennachverarbeitung. Diese bietet im Vergleich zu ihren Vorgängern, der Maximum Intensity Projektion (MIP), dem Surface Rendering (SR) und der multiplanaren Reformation (MPR), entscheidende Vorteile bezüglich Darstellungsqualität, Genauigkeit und Übersichtlichkeit.

1.1 Historischer Rückblick

Bis zum Beginn der 80er Jahre des vergangenen Jahrhunderts war für die radiologische Diagnostik von Pathologien, insbesondere Tumoren des Kleinhirn-Brückenwinkels (KHBW) und der basalen Zisternen ein aufwendiges, invasives und für den Patienten unangenehmes Procedere notwendig. Neben verschiedenen mit Strahlenbelastung verbundenen Übersichts- und Spezialaufnahmen des Schädels, die indirekte Hinweise auf Raumforderungen geben sollten, spielte die Zisternographie eine wichtige Rolle. Mit Hilfe von intrathekalen Luft- oder Kontrastmittelinjektionen (Pantopaque) und durch spezifische Lagerungsmanöver wurde eine Negativ- bzw. Positivkontrastierung der Zisternen erreicht [1,2]. Diese invasive und für den Patienten in einem Großteil der Fälle mit Kopfschmerzen und Übelkeit verbundene Maßnahme erlaubte in vielen Fällen Rückschlüsse auf Größe und unter Umständen auch auf die Art einer Raumforderung. Die Darstellung von Hirnnerven oder neurovaskulären Konflikten hingegen war nicht möglich.

In den 80er Jahren konnte die Bildgebung durch die Einführung der computertomographischen (CT) Zisternographie optimiert werden. Es boten sich erste Möglichkeiten, Hirnnerven darzustellen. Eine intrathekale Kontrastmittelinjektion (Metrizamid) war jedoch auch für diese Untersuchungsmethode notwendig [3].


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Erst die Einführung der Magnetresonanztomographie ermöglichte es, unter Verzicht auf ionisierende Strahlen, die basalen Zisternen und die sie durchlaufenden Hirnnerven qualitativ hochwertig darzustellen [4]. Das anfängliche Problem der zu großen Schichtdicke (3-5 mm) lösten Casselman et al. [5] mit der 1993 vorgestellten 3DFT CISS Sequenz, einer stark T2-gewichteten Gradientenechosequenz, der bis heute die größte Effektivität in der intrazisternalen Darstellung der Hirnnerven und der Darstellung operativ verifizierter neurovaskulärer Konflikte zugesprochen wird [6,7,8,9].

Die virtuelle Zisternoskopie (VZ) ist eine Form der virtuellen Endoskopie zur Darstellung der basalen Zisternen basierend auf dreidimensionalen (3D) MRT-Datensätze. Sie wurde erstmals 1998 beschrieben [10,11,12] und ermöglicht eine umfassende, nicht invasive Darstellung der intrazisternalen Strukturen und ihrer komplexen räumlichen Beziehungen zueinander in endoskopischer Sichtweise, ohne Einschränkungen durch operativ-technische Gegebenheiten. Als klinische Anwendungsbereiche sind vor allem die Visualisierung neurovaskulärer Konflikte (NVK) und die Bildgebung intrazisternaler Raumforderungen von Bedeutung.

1.2 Demonstration der Hirnnervenbildgebung mittels Computertomographie

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden, zum Vergleich mit den aktuellen Visualisierungsformen mittels MRT, auch alternative Darstellungsmöglichkeiten der Hirnnerven, basierend auf Schnittbildern der CT, betrachtet. Es wurden hierbei zwei historische Arten der zisternalen Kontrastgebung eingesetzt.

Die gezeigten Visualisierungen der Nn. trigemini entstanden im Rahmen einer zervikalen Myelographie, bei der es regelhaft zu einem Kontrastmittelübertritt in die basalen Zisternen kommt, sowie im Rahmen einer experimentellen CT-Untersuchung eines anatomischen Kopfpräparates. Die Kontrastverstärkung wurde zum einen durch ein jodhaltiges Kontrastmittel (Myelographie) und zum anderen durch Luft, die die Zisternen des Kopfpräparates ausfüllte erreicht.

Sowohl die Zisternographie mittels Luft als auch mittels jodhaltigem Kontrastmittel stellten ehemals in der klinisch-neuroradiologischen Routine etablierte Verfahren dar, deren Durchführung jedoch mit potenziellen Nebenwirkungen verbunden war [1,2,3,13].

Mit beiden Methoden lassen sich gut die kräftigen fünften Hirnnerven darstellen. Das Schnittbild einer routinemäßig durchgeführten CT des Hirnstammes in der [Seite 10↓]gleichen Ebene hingegen zeigt, dass hier die natürliche Kontrastierung gegenüber dem umgebenden Liquor nicht ausreicht, um eine Aussage bezüglich der Hirnnerven machen zu können. Als Goldstandard gilt heute die Darstellung mittels MRT [5,7,8,14,15].

Abb. 1a-d: Axiale CT- und MRT-Schnitte auf Höhe der Nn. trigemini im Vergleich
a) zervikale Myelographie mittels jodhaltigem, nicht-ionischem Röntgenkontrastmittel (Isovist-300, Schering, Berlin), b) anatomisches Kopfpräparat im CT-Schnitt, c) CT des Hirnstamms ohne Kontrastmittel, d) 3DFT CISS MRT.


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1.3  Anatomie

Die basalen Zisternen, die sich als erweiterter Liquorraum zwischen Hirnbasis und Schädelbasis vom Foramen magnum bis zur Crista galli am Vorderrand der vorderen Schädelgrube erstrecken, lassen sich in eine hintere und eine vordere Basalzisterne unterteilen. Die vordere Basalzisterne umfasst das Gebiet zwischen dem Dorsum sellae und dem Vorderrand der vorderen Schädelgrube. Die hintere Basalzisterne reicht vom Foramen magnum bis zum Dorsum sellae. Sie setzt sich zusammen aus der Cisterna pontocerebellaris, der Cisterna interpeduncularis und der Cisterna ambiens. Der Raum zwischen Kleinhirnunterfläche und Medulla oblongata wird von der Cisterna cerebellomedullaris ausgefüllt.

Abb. 2a-b: Anatomie der basalen Zisternen und Abgänge der Hirnnerven vom Hirnstamm
a) Liquorräume im Bereich des Hirnstamms und des Kleinhirns. Die Cisterna interpeduncularis, die Cisterna ambiens und die Cisterna pontocerebellaris (nicht abgebildet) bilden gemeinsam die hintere Basalzisterne. b) Hirnnervenabgänge der HN V-VIII und ihre Beziehungen zu den benachbarten Arterien . Bildquellen: 2a) nach Netter, F., Atlas der Anatomie des Menschen, Stuttgart, New York: Thieme, 1997; 2b) nach Sobotta, J., Atlas der Anatomie des Menschen, München, Wien, Baltimore: Urban und Schwarzenberg, 1993

Die Hirnnerven (HN) V-VIII durchqueren in ihrem Verlauf die hintere Basalzisterne. Der N. trigeminus (HN V) verlässt den Hirnstamm seitlich des Pons und zieht von dort nach ventral durch den Porus nervi trigemini in die Cavitas trigeminalis, wo sich das Ganglion trigeminale befindet. Man kann im Verlauf des Nerven einen kräftigen sensiblen von einem kleineren motorischen Anteil unterscheiden.
Der N. abducens (HN VI) tritt zwischen Pons und Medulla oblongata direkt oberhalb der Pyramide in die Zisternen ein. Von dort zieht er in ventro-rostraler Richtung zum Clivus, wo er durch die Dura mater hindurchtritt und im Bereich des Sinus cavernosus weiter verläuft. Der intrazisternale Verlauf der Nn. facialis (HN VII) [Seite 12↓]et vestibulocochlearis (HN VIII) erstreckt sich zwischen dem Kleinhirn-Brückenwinkel und dem Meatus acusticus internus. Dabei liegt der N. facialis (mit dem N. intermedius) etwas ventral des N. vestibulocochlearis.

Die Stelle des Eintritts bzw. des Austritts der Hirnnerven in bzw. aus dem Hirnstamm, genau genommen den Übergang zwischen zentralnervösem und peripherem Anteil der Nerven, bezeichnet man als Wurzeleintritts- (-austritts-) zone (WEZ). Wegen der fehlenden oder dünneren Markscheide ist dieser Bereich, vor allem der intrazisternale zentralnervöse Anteil der Hirnnerven, besonders empfindlich für neurovaskuläre Affektionen [16].

Pathophysiologisch relevante Arterien der Region sind die Aa. vertebrales und davon abgehend die A. inferior posterior cerebelli (PICA), sowie die A. basilaris mit ihren Abgängen, der A. inferior anterior cerebelli (AICA) und der A. superior cerebelli (SCA). Als Vene ist die V. petrosa, die anterolateral unter dem N. trigeminus verläuft, um dann in den Sinus petrosus superior zu münden, pathophysiologisch von Bedeutung.

1.4 Methoden der dreidimensionalen Datennachverarbeitung

Grundlagen

Grundsätzlich ist jeder dreidimensionale Datensatz, im vorliegenden Fall der MRT-Datensatz, aus kleinsten Volumen-Elementen, so genannten „Voxeln“ aufgebaut. Diese Voxel sind kleine Quader, deren Kantenlänge durch die Auflösung und Schichtdicke des Datensatzes und deren SignaIintensität durch die Magnetresonanz-Eigenschaften des gescannten Gewebes bestimmt werden. Haben diese Voxel in allen drei Raumrichtungen die gleiche Ausdehnung, so bezeichnet man sie als isotrop. Die Aufstapelung dieser kleinen Quader im dreidimensionalen Raum repräsentiert so das gesamte Untersuchungsvolumen.

Zweidimensionale (2D) digitale Bilder dagegen bestehen aus Picture Elements (Pixel), deren Kantenlänge analog zu den Voxeln durch die Auflösung bestimmt wird. Der Unterschied zu den Voxeln besteht in der Zweidimensionalität, Pixel sind in einer Ebene angeordnet.


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Abb. 3: Aufbau digitaler 3D Volumina aus Voxeln und 2D Bilder aus Pixeln

Abbildungen auf den üblichen Ausgabemedien, Röntgenfilme oder Bildschirme, bestehen immer aus einer Summe von 2D Bildpunkten. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Informationen eines 3D Datensatzes so nachzuverarbeiten, dass sie auf eine Ebene projizierbar sind. Einer Vielzahl von Voxeln mit ihren unterschiedlichen Signalintensitäten muss also ein entsprechendes Pixel mit einer bestimmten Signalintensität bzw. Farbe zugeordnet werden. Unweigerlich geht diese Projektion mit einem Verlust an Information einher. Es ist also von entscheidender Bedeutung für die Qualität der Nachverarbeitung, möglichst viele für die Befundung relevante Informationen zu vermitteln und unwichtige Informationen zu unterdrücken. Die nachfolgend beschriebenen vier gängigen Nachverarbeitungsmethoden gehen dabei von ganz unterschiedlichen Ansätzen aus.

Multiplanare Reformation (MPR)

Eine Abbildung von bis zu 100 % der Untersuchungsdaten ist unter Verwendung der MPR möglich. Das Verfahren besteht darin, Schnittebenen durch das Untersuchungsvolumen zu legen und die jeweils angeschnittenen Voxel als Pixel abzubilden. Dabei können die Ebenen prinzipiell in ihrer Lage im Raum frei gewählt werden. Das Volumen kann durch eine Vielzahl paralleler Schnittebenen komplett in Scheiben geschnitten werden. Wenn die Scheiben nicht dicker als die Ausmaße eines Voxels in der entsprechenden Ebene sind, wird die gesamte Information des Ausgangsdatensatzes übermittelt. Nachteile dieser gebräuchlichsten Nachverarbeitungsmethode sind die Vielzahl auszuwertender Schichten und die hohen Anforderungen an das räumlichen Vorstellungsvermögen des befundenden Arztes.


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Abb. 4a-b: Prinzip der multiplanaren Reformation und Beispiel
a) Schnittebenen können in jeder beliebigen Raumrichtung durch das Untersuchungsvolumen gelegt werden, den dabei angeschnittenen Voxeln wird je ein Pixel des Schnittbildes zugeordnet b) Beispiel: MPR, axialer Schnitt auf Höhe der Nn. facialis et vestibulocochlearis

Maximum Intensity Projection (MIP)

Die MIP basiert auf einer Funktion, die das Untersuchungsvolumen von nur einer Seite aus betrachtet und aus jeder Reihe von Voxeln nur das bzw. die mit der höchsten Signalintensität herausfiltert. Das die Reihe von Voxeln repräsentierende Pixel bekommt genau diese Intensität zugewiesen. Mit diesem Verfahren lässt sich z.B. die Kontinuität des Labyrinthes, deren Beurteilung sonst sehr schwierig wäre und viele Schnittbilder erfordern würde, übersichtlich auf nur wenigen Abbildungen darstellen.

Die Vorraussetzung für die MIP ist eine Datenakquisition, bei der die interessierende Struktur die größte Intensität erreicht oder eine vorbereitende Selektion des nachzuverarbeitenden Subvolumens.

Schwierigkeiten bei der Befundung von MIP-Rekonstruktionen können dadurch auftreten, dass keinerlei Tiefeninformationen weitergegeben werden. Strukturen mit hoher Intensität, die hintereinander liegen, verschmelzen so miteinander. Die Beurteilung erfordert daher sowohl mehrere Rekonstruktionen aus verschiedenen Blickrichtungen als auch profunde anatomische Kenntnisse des Untersuchungsgebietes, um die richtige räumliche Zuordnung der Strukturen zu gewährleisten.


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Abb. 5a-b: Prinzip der Maximum Intensity Projection und Beispiel
a) Bei Betrachtung des Untersuchungsvolumens von rechts ergibt sich die dargestellte MIP-Rekonstruktion. Zusammenhängende Strukturen mit hoher Signalintensität (hell) stellen sich als solche dar, über ihren Verlauf in der räumlichen Tiefe oder Kontaktpunkte mit räumlich dahinter liegenden Strukturen liefert eine einzige MIP-Rekonstruktion keinen Aufschluss. b) Beispiel: MIP des Labyrinthes

Surface Rendering (SR) und Volume Rendering (VR)

Einen besseren räumlichen Eindruck der dargestellten Strukturen bieten die beiden Verfahren Surface Rendering und Volume Rendering. Die Unterschiede liegen in der Auswahl der dargestellten Bildinformationen. Beim SR wird aus jeder Reihe von Voxeln immer nur das dem Betrachter Nächstgelegene selektiert, dessen Signal innerhalb eines vorher festgelegten Intensitätsbereiches liegt. Aus den selektierten Voxeln wird ein Netz aus Polygonen berechnet, das dann eine Oberfläche bzw. Grenzschicht abbilden kann. Die restlichen Voxel, ca. 90%, [17] werden nicht mit in die Berechnung einbezogen. Mit dieser Methode, lassen sich z.B. Knochenoberflächen gut darstellen. Zur realistischen Abbildung der Oberflächen kommt das so genannte Shaded Surface Display (SSD), eine Technik zur Oberflächenschattierung zur Anwendung.

Das Volume Rendering bezieht im Gegensatz zum SR alle Datensatzinformationen in die Rekonstruktion mit ein. Zwar wird auch bei diesem Verfahren eine schwellenwertabhängige Selektion vorgenommen, doch werden hier die Voxel jenseits eines Schwellenwertes lediglich als durchsichtig dargestellt. Sie stehen bei einer Schwellenwertänderung jederzeit wieder zur Verfügung. Es wird somit nicht wie beim SR eine Oberfläche berechnet und die restlichen Daten verworfen, sondern sämtliche Voxel des Untersuchungsvolumens werden in sichtbare und nicht sichtbare eingeteilt.


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Durch diese Einteilung entstehen anstelle der nicht sichtbaren Voxel „Hohlräume“, durch die eine virtuelle Kamera navigiert werden kann. Ein räumlicher Eindruck entsteht durch perspektivische Darstellung (Nahe der Kamera liegende Objekte werden größer dargestellt als weiter entfernt liegende Objekte gleicher Größe.) und das so genannte Depth Cueing (= perspektivischer Lichtabfall: Je weiter ein Objekt von der Kamera entfernt ist, desto dunkler wird es dargestellt.). Bei geeigneten Datensätzen, kann den Voxeln entsprechend ihrer Intensität im Untersuchungsvolumen auch ein unterschiedlich abgestufter Grad an Transparenz zugeordnet werden. Zur Darstellung nicht transparenter Oberflächen kann auch beim VR das SSD angewendet werden.

Abb. 6: Prinzipien des Surface Rendering und des Volume Rendering
Die Betrachtung des Untersuchungsvolumens von vorn und die Definition der hellen Voxel als transparent führen zu den gezeigten SR- bzw. VR-Rekonstruktionen. Beide Verfahren bieten eine realistische dreidimensionale Darstellung von Oberflächen, beim VR wird jedoch auch der hinter der ersten Oberfläche liegende Datensatz mit in die Rekonstruktion einbezogen.

Der Nachteil schwellenwertbasierter Nachverarbeitung liegt in der Untersucherabhängigkeit. Je nach Definition des Schwellenwertes können die dargestellten Strukturen in ihrer Größe und Form variieren oder gar nicht visualisiert werden.

Die daraus resultierende Untersucherabhängigkeit lässt sich nur mit Hilfe eines standardisierten Nachverarbeitungsprotokolls reduzieren, in dem Schwellenwerte und darzustellende Strukturen, z.B. durch definierte Standardansichten, vorgegeben sind.


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1.5  Fragestellungen

Die Qualität der 3D Visualisierung und somit die diagnostische Wertigkeit der virtuell-endoskopischen Bildgebung hängt von der Ortsauflösung der Primärdaten und von den verwendeten Rekonstruktionsalgorithmen ab. Die Eignung eines Visualisierungsprotokolls für den Einsatz in der Bildgebungsroutine wiederum wird bestimmt von der Komplexität und Zeitdauer der Datenakquisition und
-nachverarbeitung.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte zunächst ein hochauflösendes MRT-Datenakquisitions(DA)-Protokoll definiert werden, das eine 3D Auflösung im Submillimeter-Bereich bietet, ohne Messzeiten zu überschreiten, wie sie in der neuroradiologischen Routinebildgebung üblich sind. Basierend auf den resultierenden Datensätzen sollte unter Einbeziehung einer größtmöglichen Menge an Bilddaten ein standardisiertes Nachverarbeitungs(NV)-Protokoll entwickelt werden, das die dreidimensionale Darstellung pathoanatomisch wichtiger Details der Hirnnerven V–VIII in ihrem intrazisternalen Verlauf ermöglicht.

Das standardisierte virtuell-zisternoskopische NV-Protokoll sollte anschließend bei Patienten mit Verdacht auf ein zisternales neurales Kompressionssyndrom oder andersartige zisternale Pathologien mit Hirnnervenbeteiligung bezüglich seiner Bildqualität und Eignung für die Bildgebungsroutine evaluiert werden.


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19.10.2004