Methoden

Die Daten dieser Arbeit wurden gewonnen aus der volumetrischen Auswertung der Magnet-Resonance-Tomographie(MRT)-Reihen von in der Neurochirurgie der Charité, Campus Virchow-Klinikum (UKRV), an einem primären Glioblastoma multiforme im Zeitraum vom April 1997 bis zum Oktober 2000 operierten Patienten. Die einzelnen Schritte in diesem Prozess sollen im Folgenden erläutert werden.

Patientenrecherche und -verwaltung

Die Recherche nach den Patienten in einer retrospektiven Studie bedarf besonderer Sorgfalt, weil die Protokollierung oft uneinheitlich und unvollständig erfolgt. Entscheidend für die Aufnahme der Patienten ist deren histologisch gesicherte Diagnose.

Datenbank

Die Patientenverwaltung wird mit einer Microsoft Access 2000 Datenbank – „GBM-Studienpatienten“ – bewältigt. Programmiert wurde sie durch Herrn Jochen Hubertus. Die der Datenbank zugrunde liegende Struktur stellt sich wie folgt dar:

Sieben Tabellen (Patienten, Primärtumor, Rezidiv, Biopsie, Chemotherapie, Laborwerte, Radiatio)

Verknüpfung der Tabellen untereinander mittels referentieller Integrität

Zentrale Tabelle ‚Patienten’

Dateneingabe über mehrere Formulare

Datenanalyse und –zusammenstellung mit Hilfe von Abfragen

Die Daten dieser Datenbank werden via ODBC-Treiber direkt mit SPSS 10.0 verknüpft und stehen so der statistischen Analyse zur Verfügung.

Aktualisierung

Weil viele der Patienten erst im Laufe der Arbeit in der Studie aufgenommen wurden, war es notwendig die Patientenklientel permanent zu aktualisieren. Dies geschah vor allem durch die Arbeit im Archiv der Klinik für Neurochirurgie (UKRV, Mittelallee 2). Fehlende Daten wurden durch direktes Nachfragen beim Hausarzt oder den Patienten selbst ergänzt. Der Parameter der Sterbedaten wurde wegen seiner zentralen Bedeutung für die Analyse beim Landeseinwohneramt Berlin Mitte erfragt.

Diagnostik/ Verlauf

Bei entsprechender Symptomatik des Patienten wird ein kraniales Prä-OP-MRT in einer der vier hauseigenen Anlagen durchgeführt. Neben zwei 1,5-T-Scannern früher Baureihen (Siemens Magnetom SP63) stehen mit dem Philips Gyroscan ACS-NT (mit Powertrack 6000) und dem Siemens Symphony zwei Geräte mit schnellen Gradienten zur Verfügung. Der größte Teil der Aufnahmen wurde an den zwei 1,5-T-Scannern gemacht. Eine MRT-Serie besteht in der Regel aus 141 Bildern, mit sieben Teilen (s. Tab. 2).

TR

TE

TA

Bilder

1

Übersicht in drei Ebenen(T1)

40,00

6,00

63,70

3

2

Übersicht transversal(T1)

2500,00

12,00

63,70

22

3

T2 axial

2500,00

80,00

63,70

22

4

T1 axial

690,00

15,00

63,70

22

5

T1 mit KM axial

690,00

15,00

63,70

22

6

T1 mit KM frontal

690,00

15,00

63,70

22

7

T1 mit KM sagittal

690,00

15,00

63,70

22

Tab. 2 Übersicht über die Zusammensetzung eines MRT-Datensatzes bei Patienten mit Glioblastomen

Zur Sichtbarmachung der Läsion im T1-gewichteten MRT appliziert man 0,2 ml Kontrastmittel (Magnevist® [Gadopentetsäure], Schering) pro Kilogramm Körpergewicht, das sich im Bereich des tumorbedingten Blut-Hirn-Schrankendefekts akkumuliert. Für diese Arbeit relevant sind die Bilder der Punkte 3-5 aus Tabelle 2. Die Schichtdicke beträgt meist 6 mm, mit einer Matrix von 0,9 mm x 0,9 mm. Zuweilen weichen diese Werte etwas von der Norm ab und sind dann bei der Volumetrie zu berücksichtigen (siehe unten). Der Datensatz wird anschließend auf Laserplatten der Firma Plasmon Data Systems (U.K.), Typ LM1200, archiviert.

Nach der Operation erfolgt in den ersten 72 Stunden das Früh-MRT in gleicher Weise um das Resektionsergebnis zu evaluieren. Diese Früh-MRT-Bilder sind die Grundlage der hier durchgeführten Volumetrie. Das standardmäßige Follow-up sieht vor, bei den Patienten alle drei Monate erneut ein MRT zu machen, um frühzeitig das Verhalten des Tumors und dessen Ansprechen auf die Therapie beurteilen zu können.

Neuronavigation

Als technisches Hilfsmittel zur optimalen Zugangsplanung und intraoperativen Tumorlokalisation dient die Neuronavigation. Durch sie ist es möglich mit den Daten der präoperativen MRT-Bilder ein virtuelles dreidimensionales Bild zu generieren, das den Tumor mit seiner Lage im Kopf repräsentiert (s.Abb. 6). Das Programm Stereotaxy Targeting Programm, STP (Leibinger, Freiburg) errechnet hieraus die Koordinaten des Tumors, projiziert das virtuelle Bild in das Operationsmikroskop und passt die Koordinaten der Tumorregion den Bewegungen des Mikroskops im Raum an. Die Neurochirurgie am UKRV arbeitet mit dem Mehr-Koordinaten-Manipulator (MKM®) (s.Abb. 4) der Firma Zeiss (Oberkochen).

Abb. 4 Navigationssystem MKM mit Operationsmikroskop, Roboterarm und Bedienkonsole [53]

Für die Navigation werden hochaufgelöste, T1 betonte MRT-Datensätze in transversaler Schichtführung verwendet. Die Referenzierung, das heißt die Verbindung der räumlichen Information aus dem Datensatz mit der Position des Patienten während der Operation, erfolgt mittels fest am Kopf fixierter Oberflächenmarker, die das System automatisch wieder erkennt und in Beziehung setzt (s. Abb. 5).

Abb. 5 3D-Oberflächenrekonstruktion des Anatomischen, T1 betonten Datensatzes mit fixierten Oberflächenmarkern [53].

Nach der Markierung bedeutender Strukturen (Tumor, Blutgefäße, funktionell wichtige Areale, u.a.) im eingelesenen präoperativen MRT ist es möglich, diese in das Sichtfeld des Operationsmikroskops zu projizieren (Abb. 6,7).

Abb. 6 Planung des operativen Eingriffs bei einem links temporal gelegenen, zystischen Gliom im Programm STP. In der 3-D-Rekonstruktion ist das motorische Sprachareal als rotes Volumen dargestellt. Der rote Pfeil entspricht der Trajektorie in der optischen Achse des Operationsmikroskops [53].

Abb. 7 Intraoperative Einstellung aus dem Okular des Operationsmikroskops bei der operativen Entfernung eines links temporal gelegenen zystischen Meningeoms. Der Tumor ist als große, zentrale Kontur wiedergegeben. Die Entfernung der Zielstruktur vom Fokus des Operationsmikroskops beträgt 13,2 mm. Das motorische Sprachzentrum liegt lateral des Tumors und ist in dieser Ansicht als rautenförmige Kontur wiedergegeben [53].

5-Aminolaevulinsäure (5-ALA)

Im Rahmen einer Studie wird derzeit der Wert einer Sichtbarmachung des Tumors mittels 5-ALA hinsichtlich der Erhöhung der Radikalität der Resektion eruiert. Dazu appliziert man dem Patienten drei Stunden vor Narkoseeinleitung eine Dosis von 20mg 5-ALA pro Kilogramm Körpergewicht oral als wässrige Lösung. 5-ALA wird normalerweise über Protoporphyrin IX zu Häm, dem roten Blutfarbstoff verstoffwechselt. In Tumorzellen findet dieser Umbau nicht vollständig statt. Protoporphyrin IX akkumuliert in der Tumorzelle. Dafür ursächlich scheinen ein Enzymdefekt bei der Hämsynthese und die vermehrte Aufnahme von 5-ALA in die Stoffwechsel aktive, entartete Zelle zu sein [54].

Zu Beginn werden unter normalem weißem Licht der leicht zu identifizierende Anteil des Tumors, sowie die nekrotischen Areale reseziert. Wann immer nötig, ist es dem Chirurgen möglich durch das Einbringen eines dielectric 440nm short-pass Filters in die Lichtquelle ein blau-violettes Licht zu erzeugen. Unter diesem blau-violetten Licht ist der Tumor tief rot und von dem normalen Hirngewebe gut abzugrenzen. Das Grenzgebiet zwischen Tumor und gesunden Gewebe erscheint pink. (s.Abb. 8).

Abb. 8 Bilder durch das Operationsmikroskop. Rechts im Weißlichtmodus. Der Tumor ist schlecht zu sehen. Links im Blaulichtmodus. Der Tumor leuchtet rosa und kann gut gesehen werden.

Medikation

Bei keiner zusätzlich bestehenden Grunderkrankung wird das perifokale Ödem mit dreimal täglich 8mg Fortecortin® über drei Tage behandelt. An den nachfolgenden drei Tagen appliziert man dreimal täglich 4mg um dann den Patienten auf eine Erhaltungsdosis von dreimal 2mg täglich einzustellen. Während des Klinikaufenthaltes erhalten sie außerdem noch einmal täglich 0,3ml Fraxiparin® als Thromboseprophylaxe und zur Nacht 300mg Ranitidin® als Magenschutz.

Der weitere Einsatz antiödematoser und antikonvulsiver Medikamente richtet sich nach der klinischen Symptomatik des Patienten.

Im Rahmen der postoperativen Therapie beziehungsweise Rezidivtherapie werden die Chemotherapeutika CCNU® (Lomustine), Vincristine® der Firma medac, Natulan® (Procarbazin) der Firma sima tau, sowie Temodal® (Temozolomide) von Essex Pharma verwendet.

Das Chemotherapeutikum Lomustine wird als Mono- oder als Kombinationstherapie im sogenannten PCV-Schema mit Vincristin und Procarbazin kombiniert. Dabei appliziert man je Zyklus 110 mg/m2 KO Lomustine an Tag eins, 60 mg/m2 KO Procarbazin an den Tagen 8-21 und 1,4 mg/m2 KO Vincristin an den Tagen acht und 29. Nach dem Auftreten myelosuppressiver Symptome erfolgt eine Dosisanpassung auf 75% des Ausgangswertes bei einer Toxizität Grad 2 und auf 50% bei Grad 3 [55].

Temodal hat eine Zulassung in Deutschland für die Behandlung von Patienten, die eine Standardtherapie eines malignen Glioms erfahren haben und die Rezidive oder eine Progression des Tumors aufweisen. Das Medikament wird oral in einer Dosis von 200 mg/m2 KO über fünf Tage pro Zyklus appliziert. Die Dauer eines Zyklus beträgt 28 Tage. Bei chemotherapeutischer Vorbehandlung mit einem anderen Präparat beginnt man mit 150mg/m2 KO und steigert dann zum zweiten Zyklus.

Volumetrie

Das volumetrische Ausmessen des Resttumorgewebes in den Früh-MRT-Bildern als wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit, sowie die Volumetrie der Follow-up-MRT-Reihen sollen an dieser Stelle erläutert werden.

Recherche

Mit Hilfe des radiologieinternen Terminalsystems ROBSYS® zur Termin-, Patienten-, Befund- und Bildverwaltung ist es möglich, anhand des Patientennachnamens oder dessen Geburtsdatum die an ihm erbrachten radiologischen Leistungen aufzufinden. Nach erfolgtem Login steht zur Patientenrecherche eine Archivfunktion zur Verfügung. Über diese hat man die Möglichkeit anhand des Patientennamens oder –Geburtsdatums eine Liste aller am Patienten erbrachten radiologischer Leistungen einzusehen und daraus die entsprechenden MRT-Reihen auszuwählen.

Liegt zu den Bildern eine radiologische Befundung vor, so wird sie angezeigt. Sie dient als ergänzende Information bei der Auswertung des Bildermaterials. Aus ihr gehen Angaben zum Befinden der Person, Durchführung der Untersuchung, Lokalisation und Ausdehnung des kontrastmittelaufnehmenden Areals, sowie Aussagen im Vergleich zu Voraufnahmen.

Im Anschluss daran werden weitere Daten zu den Bildern geliefert, wobei hiervon die Laserplattennummer von Bedeutung ist.

Überspielen der MRT-Reihen

Mit den aus der ROBSYS-Recherche erhaltenen Informationen ist es möglich, die Bilder aus dem MRT-Archiv im alten Röntgenhaus (Südstraße 3, Charité Campus Virchow-Klinikum) aufzufinden. Anhand der Laserplattennummer findet man den Datenträger auf dem die Bilder der jeweiligen Patienten gespeichert werden. Um den Speicherbedarf zu verkleinern liegen die Dateien in gezipter Form vor.

Die Patientendaten müssen wieder in das System des Magnetom geladen werden um sie auf den Rechner mit der Software zur volumetrischen Auswertung überspielen zu können. Von Magnetom aus hat man Zugang zu Marvin®, einem System im Intranet der Charité um große Mengen digitalisierter Patientendaten zu veröffentlichen. Marvin hat eine Kapazität von circa 380 Gigabyte.

Volumetrische Vermessung

Das eigentliche Bearbeiten der Bilder erfolgt im Seminarraum des Bettenhochhauses der Strahlentherapie, Südring 5 (Charité, Campus Virchow-Klinikum). Dort befinden sich fünf Workstations der Firma Silikon Graphics. Die Computer vom Typ O2 mit einem 180 MHz MIPS R 5000 (IP32) Prozessor, einer MIPS R 5000 FPU und 256 MB RAM arbeiten mit dem Unix-Betriebssystem IRIX 6.5. Sie dienen als Server des Radiologie-Intranet und haben demnach Anschluss an Marvin und das Intranet der Charité. Nach erfolgtem Login ist der erste Schritt der Download der gezipten MRT-Bilder von Marvin in ein für jeden Patienten eigenes Verzeichnis. Zugang zu Marvin erhält man mit einem Internetbrowser, in diesem Fall mit dem Netscape® 4.7. Unter der Adresse http://marvin.str.charite.de öffnet sich eine Loginmaske und man kommt nach dem Anmelden zum Bilder- und Befundarchiv. Die hier zwischengespeicherten Daten werden wieder mittels Patientennamen oder –geburtsdatum aufgerufen und per Mausklick über entsprechendem Button der Download gestartet.

Bevor nun mit den Daten gearbeitet werden kann muss ein unzip erfolgen.

An dieser Stelle kann die eigentliche Arbeit der Volumetrie begonnen werden. Dazu startet man das Programm zur volumetrischen Vermessung, den MEDICAL IMAGE EDITOR (mie), Rel. 2.3 (Dez 22 1998). Dieses Programm wurde im Auftrag des Deutschen Herzzentrums zu Berlin (DHzB) und der Charité, Campus Virchow-Klinikum, von Jens Tröger (jens.troeger@ukrv.de) programmiert.

Weil es später wichtig ist, die T1-gewichteten Bilder mit und ohne Kontrastmittel gegeneinander zu vergleichen wird das Programm zweimal gestartet und dann nebeneinander auf dem Bildschirm platziert (s. Abb. 9).

Abb. 9 Desktop mit zweimal gestartetem mie. Bereich links oben ist der eigentliche Arbeitsbereich, in dem der Tumor, die Nekrose und das Ödem markiert werden. Links unten sieht man das Referenzbild zu links oben aber ohne Kontrastmittel. Die Mitte oben dient als Toolbox für das Bild links oben. Rechts ist der Browser, der als Übersicht über den geladen Datensatz dient. In der Mitte unten befindet sich der Browser für den Bereich links unten.

Am Anfang der Arbeit wird für jeden Datensatz der Patienten eine neue Studie angelegt, in der nur die für die Volumetrie relevanten Bilder enthalten sind. Von Interesse sind hier die axialen Aufnahmen, genauer die T1-gewichteten mit und ohne Kontrastmittel, sowie die T2-gewichteten. Neben der Selektion der Bilder wird an dieser Stelle die Kalibrierung und der Tischvorschub – sprich die Schichtdicke – angepasst. Ein zentraler Schritt, weil das Programm aus diesen Daten das Volumen des Tumors errechnet. Angaben zu Schichtdicke und Kalibration sind in jedem Datensatz unter dem Menüpunkt Statistik gespeichert.

Nun kann die neue Studie erzeugt werden. Im Arbeitsbereich ist das Zoom und das Gray Window noch anzupassen um das Bild in ausreichender Größe, Helligkeit und Kontrast betrachten zu können.

Damit das Programm die einzelnen Tumorregionen zuordnen und separat voneinander berechnen kann werden drei Objekte definiert:

Oedem(Perifokales Ödem)

KM(Kontrastmittelaufnehmendes Areal)

Necrosis(Nekrotisches Areal)

denen mittels RGB-Farbskala eine Farbe zugeordnet wird (s.Tab. 3)

R

G

B

Oedem

255

50

0

KM

0

0

255

Necrosis

255

255

0

Tab. 3 RGB-Farbskala mit den Werten zu den einzelnen Objekten

Prinzip des Programms ist es anhand der Graustufen des MRT-Bildes Regionen gleichen Dichtegrades zu selektieren. Dazu wird manuell ein Helligkeitsintervall bestimmt, das der gesuchten Struktur entspricht. Bei Verwendung eines möglichst engen Intervalls ist es möglich die gesuchte Struktur von der Umgebung relativ scharf abzugrenzen. Die Software markiert dann alle Regionen auf dem ausgewählten Bild mit der gleichen Graustufe. Per Mauszeiger müssen dann noch die markierten, aber nicht zum Krankheitsbild gehörenden Areale entfernt werden.

Ist das Graustufenintervall erst einmal festgelegt kann auf allen Schichten des Datensatzes einfach durch Mausklick die interessante Region ausgewählt werden. Das Programm umfährt dann wieder automatisch die Konturen der Struktur. Zwar steht eine Funktion zur automatischen Intervallerkennung auf allen Schichten zur Verfügung, es hat sich jedoch die manuelle Methode wegen geringerer Störanfälligkeit durchgesetzt.

Diese Prozedur mit Festlegen des Graustufenintervalls und Auswählen der gesuchten Region auf allen Ebenen muss für alle drei Objekte – Oedem, KM, Necrosis – durchgeführt werden. Die Konturen des Ödems werden in den T2-gewichteten, der Kontrastmittel aufnehmende Anteil des Tumors und die Nekrose werden in den T1-gewichteten Aufnahmen umfahren. Beim Kontrastmittel aufnehmenden Gewebe ist zu beachten, dass oft Artefakte ein ähnliches Aussehen vortäuschen. Um falsche Messungen zu vermeiden ist es nun wichtig die Aufnahmen mit gegen die ohne Kontrastmittel zu vergleichen. Dazu wurde zu Beginn der medical image editor (mie) zweimal gestartet. Areale, die sowohl mit als auch ohne Kontrastmittel hyperintens erscheinen müssen als Blutprodukte angesehen werden und sind durch den direkten Vergleich der beiden Bilder voneinander zu unterscheiden. Manuell werden diese Regionen dann entfernt.

Am Ende der Arbeit berechnet das Programm anhand der markierten Areale, der Schichtdicke und der Pixelgröße der Aufnahmen das Volumen des Kontrastmittels aufnehmenden Tumoranteils, der Nekrose und des Ödems in cm3. Die gewonnenen Daten werden dann in der Datenbank GBM-Studienpatienten gespeichert und so der späteren statistischen Analyse zugängig.

Erhobene Daten

Geburtsdatum

Histologische Diagnose

Operationsdatum

Daten zu den Prä-OP-, Früh-, 1. – 5. Spät-MRT

Kontrastmittelaufnehmendes Areal

Nekrose

Ödem

Datum

Daten zur Radiatio

Datum

Art der Bestrahlung

Wie viel Gray

Adjuvante Therapie

Datum

Dosierung

Präparat

KFI

Sterbedatum

Statistische Analyse

Betreut durch das Institut für Biometrie der Charité, Campus Westend, erfolgte die biostatistische Auswertung der Daten unter Zuhilfenahme des Analyseprogramms SPSS für Windows, Rel. 10.0.7, sowie der Tabellenkalkulation Microsoft Excel XP, Rel. 10.2614.2625. Alle Zielgrößen wurden zunächst mit den Methoden der exploratorischen Datenanalyse untersucht und deskriptiv in Excel ausgewertet . Mit SPSS wurden basierend auf dem Modell von Kaplan-Meier Berechnungen zur Überlebensanalyse angestellt und mittels Cox-Regression eine Multivarianzanalyse durchgeführt.

Eine Einteilung der Patienten erfolgte nach mehreren Gesichtspunkten:

Geschlecht

Resttumormasse im Früh-MRT. Hierbei wurde die Einteilung wie folgt festgelegt:

Kein Resttumor im MRT nachweisbar

Resttumor mit einer Größe von 0,01 cm3 bis 2,00 cm3

Resttumor mit einer Größe von 2,01 cm3 und darüber

Diese Einteilung wurde aus statistischen Gesichtspunkten heraus so gewählt.

Chemotherapie

CCNU

Temodal

Keine Chemotherapie

Therapieversuche mit Mistelextrakten beziehungsweise ähnlichen Wirksubstanzen, deren Wirkung pharmakologisch nicht gesichert sind, wurden nicht beachtet.

Rezidivoperation

Ein-/ Ausschlusskriterien

Gegenstand dieser Studie sind Patienten, bei denen in der Neurochirurgie des UKRV ein primäres, supratentorielles Glioblastom WHO Grad IV reseziert wurde. Folgende Einschlusskriterien wurden definiert:

Kriterien der Operation

Operabilität des Tumors

Alter > 18 Jahre

Karnofsky-Index präoperativ >= 70

Einverständnis des Patienten

Kriterien der Rezidivoperation

Symptomatischer Tumorprogress

Kriterien der Chemotherapie

Radiologisch nachweisbarer Tumorprogress

Karnofsky-Index >= 70

Rezidivoperation nicht möglich oder nicht sinnvoll

Einverständnis des Patienten

Zum Ausschluss aus der Studie führten:

Sekundäres Glioblastom

Astrozytome anderer Dignität

Keine Operation

Ausschließlich biopsierte Patienten

Patienten ohne Früh-MRT

Perioperativer Karnofsky-Index unter 70