2 Material und Methoden

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Die Studie entstand aus einer Zusammenarbeit zwischen der Medizinischen Klinik mit Schwerpunkt Hepatologie und Gastroenterologie (Direktor: Prof. Dr. med. Bertram Wiedenmann), der Chirurgischen Klinik und Poliklinik (Direktor: Prof. Dr. med. Peter Neuhaus) sowie der Klinik für Strahlenheilkunde der Charité, Campus Virchow-Klinikum (Direktor: Prof. Dr. med. Dr. h.c. Roland Felix) an der Humboldt-Universität zu Berlin.

2.1  Patientenkollektiv

In einer prospektiven Studie wurden zwischen Mai 1999 und Dezember 2000 70 Patienten mit einer fokalen Pankreasläsion unklarer Dignität oder einem hochgradigen Tumorverdacht zur CT und PET überwiesen. Einschlusskriterien waren von Seiten der Anamnese eine typische Symptomatik (unklarer Gewichtsverlust, retroperitoneale Schmerzsymptomatik, Inappetenz, Übelkeit und Erbrechen, schmerzloser Ikterus, Leistungsknick), ausgeprägte Risikofaktoren sowie eine entsprechende Vorgeschichte. Laborchemische Kriterien waren deutlich erhöhte Tumormarker (CA 19-9), eine auffällige Stuhldiagnostik sowie ein neu aufgetretener Diabetes mellitus. In wenigen Fällen (n=4) war der Verdacht auf eine unklare Pankreasläsion durch vorangegangene auswärtige Bildgebung bedingt.

Das hier ausgewertete Patientenkollektiv umfasst diese 70 Patienten, die im Rahmen dieser Studie mit CT und PET untersucht wurden und bei denen eine Bildfusion erfolgen konnte. Bei allen Patienten wurde eine histologische Diagnose bezüglich der Dignität der Läsion angestrebt, die bei der Auswertung der verschiedenen Verfahren als Goldstandard benutzt wurde. Dies konnte in 89 % der Fälle erreicht werden.

↓25

Je nach Stadium der Erkrankung erfolgte eine Sicherung der Diagnose durch Resektion, Probelaparotomie oder bildgesteuerte Punktion mit anschließender Gewinnung histologischen Materials oder durch den klinischen Verlauf über mindestens ein Jahr. Wie immer ist das Punktionsergebnis bei Malignitätsnachweis beweisend. Wiederholte Punktionen ohne Malignitätsnachweis führten dazu, dass die Patienten im Verlauf eingestuft wurden.

In 38 von 70 Fällen wurde eine vollständige Resektion des Pankreas durchgeführt, so dass eine histologische Sicherung auch von Umgebungsinfiltration, Lymphknotenbefall und Fernmetastasierung möglich wurde (Staging). Dieses Kollektiv aus 38 Patienten wurde für die Auswertung bezüglich Umgebungsinfiltration, Lymphknotenbefall und Fernmetastasen näher betrachtet und dort als das eigentliche Kollektiv zugrundegelegt.

Die Geschlechtsverteilung lag bei 1,12 zu 1 (37 männliche und 33 weibliche Patienten). Das mittlere Alter betrug 61 Jahre (Standardabweichung 12 Jahre) bei einem Medianwert von 62 Jahren. Der jüngste Patient war 20 Jahre und der älteste 80 Jahre alt.

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Zum Zeitpunkt der Diagnosestellung konnte bei 18,6% unserer Patienten (n=13) ein Diabetes mellitus nachgewiesen werden.

Bei 14 Patienten (20%) lag ein schmerzloser Ikterus vor, 27 (38,6%) gaben anamnestisch eine abdominelle Schmerzsymptomatik an, 18 (25,7%) erlitten innerhalb der letzten 6 Monate einen Gewichtsverlust über 5 kg, 7 (10%) von diesen hatten mehr als 10 kg Körpergewicht verloren. Bei 4 Patienten war keine klare Symptomatik nachweisbar.

2.2  Etablierte bildgebende Diagnostik

2.2.1  Computertomographie (CT)

Die Patienten wurden im nüchternen Zustand von den betreuenden Stationen zur Untersuchung überwiesen. Zur besseren Differenzierung zwischen Dünndarm, Magen und Pankreas wurden ihnen 1 l Flüssigkeit oral (negativ-Kontrast) und 4 ml Buscopan© i.v. verabreicht. Dadurch wurde sichergestellt, dass die zugeführte Flüssigkeit für die Dauer der Untersuchung im oberen Verdauungstrakt verbleibt und dass keine Spasmen innerhalb des Verdauungstraktes auftraten (Darmparalyse, (39) ). Diese Technik der sogenannten Hydro-CT wird bei Untersuchungen des Pankreas bevorzugt, um eine mögliche Infiltration der Duodenalwand bei T3-Stadien und der Magenwand bei T4-Stadien sicherer zu erfassen (39). Bei Vorliegen eines Glaukoms, Überempfindlichkeit gegen Butylscopolaminiumbromid oder Harnverhalt wurde auf die Gabe von Buscopan© verzichtet.

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Das Patientenkollektiv spaltet sich bezüglich der CT-Untersuchung in zwei Gruppen. Ursprünglich wurde für die CT auf ein Spiral-CT (Somatom Plus, Siemens AG, Erlangen) zurückgegriffen. Seit der Einführung eines neuen Multislice-CT (Somatom Plus 4 Volume Zoom, Siemens AG, Erlangen) in die Klinik wurden nachfolgende Patienten mittels dieses Gerätes untersucht. Beiden Gruppen gemein ist die Untersuchung des Abdomens in nativer, arterieller und venöser Phase, wobei die Kontrastmitteluntersuchungen mit 100 ml Ultravist 370® (Schering AG, Berlin) erfolgten. Die Patienten wurden in Rückenlagerung mit den Armen hinter dem Kopf positioniert, um mögliche störende Artefakte durch die sonst im Strahlengang befindlichen Arme zu vermeiden.

Eine wichtige Größe zur Kennzeichnung von Spiralaufnahmen ist der Pitch. Während dieser bei der Einzeilen-Spiral-CT eindeutig als Tischvorschub pro Umdrehung bezogen auf die kollimierte Schichtdicke definiert ist (Beispiel: 5 mm Kollimation bei 10 mm Tischvorschub = Pitch von 2), sind bei der Mehrzeilen-CT verschiedene Definitionen im Gebrauch. Siemens und GE beziehen den Tischvorschub pro Umdrehung auf die kollimierte Breite einer Einzelschicht (Beispiel 4x 2,5 mm Kollimation bei 10 mm Tischvorschub = Pitch von 4) (40-42). Da der bei dieser Definition stets „erhöhte“ Pitchwert für Missverständnisse sorgen kann, wird in dieser Arbeit die Pitchdefinition von Picker, wie sie auch von Baum et al. genutzt wird, vertreten (43). Diese bezieht den Tischvorschub pro Umdrehung auf die Gesamtbreite des verwendeten Detektors (beim obigen Beispiel Pitch von 1).

Spiral-CT:

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Die Untersuchungsplanung erfolgte nach Erstellen eines nativen a.p.-Topogramms (120 kV, 130 mA). Das zu untersuchende Volumen für das Topogramm liegt zwischen den Mamillen und dem Beckenkamm. Anhand dieses Topogramms wurden die 3 verschiedenen Phasen der Untersuchung geplant. Die CT-Untersuchung nutzte eine Röhrenspannung von 240 mA und 120 kV .

Die native Untersuchung wurde in 8 mm Kollimation, 8 mm Tischvorschub (Pitch = 1) und 8 mm Rekonstruktionsintervall angefertigt. Für die arteriellen Aufnahmen betrug die Kollimation 5 mm bei 5 mm Tischvorschub (Pitch = 1) und einen Rekonstruktionsintervall von 5 mm. Das Gesamtvolumen des Kontrastmittels Ultravist 370® (100 ml) wurde mit 4 ml/s über den venösen Zugang infundiert. Der Scanvorgang wurde mit einer Verzögerung von 18 Sekunden nach Beginn der Kontrastmittelinjektion gestartet.

Für die venöse Kontrastierung (80 s Verzögerung) wurde eine Kollimation von 8 mm bei einem Tischvorschub von ebenfalls 8 mm (Pitch = 1) und einer Datenrekonstruktion von 8 mm benutzt. Die Bilder aller drei Phasen wurden auf üblichen Röntgen-Film dokumentiert und den Betrachtern zugänglich gemacht.

↓29

Einen Überblick über die verwendeten Parameter gibt Tabelle 2.1.

Multislice-CT:

Nach der Anfertigung eines nativen a.p.-Topogramms (100 mA, 120 kV) des Abdomens wurden die einzelnen Untersuchungsabschnitte geplant. Das Untersuchungsvolumen reicht von den Mamillen bis zur Spina iliaca superior anterior.

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Die native Phase wurde in einer 4 x 5 mm Kollimation bei 20 mm Tischvorschub (Pitch = 1) angefertigt (120kV, 165 mA). Das Bildmaterial wurde in 8 mm Abständen rekonstruiert und dokumentiert.

Die arterielle Phase wurde mit einer Kollimation von 4 x 1 mm und einem Tischvorschub von 4 mm (Pitch = 1) ausgeführt. Die Aufnahmen wurde 18 s nach dem Start der intravenösen Kontrastierung mittels 100 ml Ultravist 370® bei einem Flow von 4 ml/s angefertigt. Die Bilder wurden in 5 mm Schichtabstand rekonstruiert und dokumentiert.

Das CT-Protokoll für die venöse Phase schrieb ebenfalls eine Kollimation von 4 x 1 mm bei einem Tischvorschub von 4 mm (Pitch =1) vor. Der Scanvorgang wurde 80 s nach der Kontrastmittelinjektion begonnen. Die Bildinformationen wurden in 8 mm Schichten rekonstruiert und dokumentiert.

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Einen Überblick über die verwendeten Parameter gibt Tabelle 2.1.

Tabelle 2.1: CT-Parameter im Vergleich

 

Kollimation (mm)

Tischvorschub (mm)

Pitch

Datenrekonstruktion (mm)

nativ

8

8

1

8

Spiral-CT

arteriell

5

5

1

5

venös

8

8

1

8

nativ

4 X 5

20

1

8

Multisclice-CT

arteriell

4 X 1

4

1

5

venös

4 X 1

4

1

8

Die digitalen Datensätze wurden für die Bildfusion von der Arbeitskonsole des CT-Scanners über das hauseigene Intranet auf einen Bildserver (Zentralrechner) überspielt. Dieses ermöglichte, von allen PC-Arbeitsplätzen mit einem Passwort diese Bilder auf ein lokales Speichermedium zu übertragen.

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Die Bilder in nativer, arterieller und venöser Phase wurden im Sinne einer doppelblinden Auswertung zur Beurteilung zwei unabhängigen radiologisch erfahrenen Betrachtern vorgelegt und mittels eines Bewertungsbogens beurteilt. Bekannt war den Auswertern nur die Fragestellung nach Läsionen des Pankreas. Die Auswertung umfasste folgende Parameter: Hypo-/Hyperdensität in arterieller / venöser Phase, Erweiterung des Ductus pancreaticus, Kalkablagerungen, die Atrophie des Pankreasschwanzes und auffällige Lymphknoten (größer als 5 mm). Die CT-Bilder wurden auch nach DHC-Stents, Aszites, Cholestase, Umgebungs- und Gefäßinfiltration, Metastasen und weiteren Veränderungen untersucht und das weitere Prozedere vorgeschlagen. Für die Einschätzung der Resektabilität wurden folgende Parameter verwendet: Infiltration der V. mesenterica superior, des venösen Confluens aus V. mesenterica superior, V. lienalis und V. portae, die Infiltration der A. mesenterica superior, der A. lienalis, der A. hepatica oder des Truncus coeliacus sowie ferner die Infiltration von Magen oder des Lig. hepatoduodenale. Die Beurteilung einer Tumorinfiltration in das Duodenum ist für das präoperative Staging unwesentlich, da es bei einer Resektion nach Whipple standardmäßig reseziert wird. Die endgültigen Diagnosen wurden im Konsens gestellt.

2.2.2 Positronenemissionstomographie

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein Verfahren, das in Abhängigkeit der verwendeten Radiopharmazeutika unterschiedliche Aspekte der Tumorbiologie nachweisen kann. Es handelt sich dabei um ein Schnittbildverfahren, dass die Verteilung der gewählten radioaktiven Nuklide im Körper abbildet.

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Physikalische Grundlagen:

Positronen sind die Antiteilchen der Elektronen mit positiver Ladung. Sie entstehen beim Zerfall von instabilen Atomkernen zusammen mit einem Neutrino. Das Neutrino entweicht ohne Wechselwirkung mit dem umliegenden Gewebe, während das Positron durch das Gewebe abgebremst wird und zur Ruhe kommt. In diesem Moment fängt es sich ein Elektron aus seiner Umgebung und bildet ein Positronium, welches sofort im Zuge der Annihilation zu zwei Gammaquanten zerfällt, die in gegengesetzter Richtung auseinander fliegen. Die Energie der Gammaquanten beträgt jeweils 511 keV, also die Hälfte der Energie des Positrons (44).

Die Gammaquanten werden von zwei gegenüberliegenden Detektoren registriert und erfasst. Treffen beide zum gleichen Zeitpunkt ein, liegt der Ort der Annihilation genau in der Mitte der Verbindungslinie. Das verwendete Koinzidenzfenster legt dabei fest, wie groß der Zeitunterschied zwischen der Ankunft der beiden Quanten sein darf, um noch als ein Ereignis registriert zu werden. Es beträgt üblicherweise 12 ns. Die Auflösung der Messung hängt nur von der Größe der individuellen Detektoren ab, die bei der Messung verwendet werden. Die Quantifizierung erfolgt durch die Umrechnung der Aktivität in SUV = Standard Uptake Value–Werte. Dazu wird die in einem Pixel gemessene Aktivität auf die injizierte Aktivität und das Patientengewicht normiert. Zur Messung wurde ein Scanner der Firma Siemens benutzt (Siemens ECAT EXACT 47, Siemens AG, Forchheim, Deutschland), dessen 24 Detektorringe die Bilder simultan in 47 Ebenen und mit einer Schichtdicke von 5,15 mm aufnehmen. Das axiale Sichtfeld beträgt bei diesem System 242,05 cm mit einer axialen Auflösung im Zentrum von 5,15 mm (full width at half maximum). Die Positronenemissionstomographie wird als 2D-Messung durchgeführt, um Störungen durch intensiv strahlende Regionen zu vermeiden. Die gesamte Messung wird in drei Teile zu je ca. 12 Minuten gegliedert. Dabei werden drei Bildblöcke erzeugt, die an der Steuerkonsole am Ende aller drei Messungen zu einem Datenvolumen zusammengeführt werden.

↓34

Die Parameter, welche die Messung quantitativ beeinflussen können (zufällige Koinzidenzen, Schwächung, Todzeiteffekte und Korrektur der Streustrahlung) wurden über Softwarelösungen eingegrenzt.

Vor der Positronenemissionstomographie-Untersuchung mussten die Patienten mindestens 10 Stunden fasten, damit eine gleichmäßige Aufnahme der radioaktiv markierten Glucose in alle Gewebe gewährleistet werden kann. Nach i.v.-Applikation von 5 MBq 2-[18F]-FDG pro kg Körpergewicht mit einer anschließenden Ruhezeit von 60-90 min erfolgte eine Ganzkörper-Positronenemissionstomographie-Emissionsmessung mit integrierter Transmissionsmessung und iterativer Bildrekonstruktion (Osem-Verfahren) (45-47). Die Aufnahmezeit pro Bettposition beträgt 12 min. Der Patient liegt für die Dauer der Untersuchung in Rückenlage im Positronenemissionstomographie-Scanner. Dabei liegen seine Arme neben dem Körper positioniert. Um Bewegungsartefakte zu vermeiden, sollen Bewegungen des Körpers für die Dauer der Untersuchung vermieden werden.

Die Darstellung von Pankreaskarzinomen geling in der Positronenemissionstomographie mit 18-Fluor-Desoxy-Glukose (2-[18F]-FDG), da in diesen Tumoren ein Glukosetransporter und glykolytische Schlüsselenzyme gegenüber gutartigen Läsionen wie chronischen Pankreatitiden deutlich überexprimiert sind. 2-[18F]-FDG hat eine Halbwertszeit von 110 min und zerfällt in 18ODG, welches in Zuge der normalen Verstoffwechselung abgebaut wird.

↓35

Die Auswertung der Untersuchung wurde anhand von visuellen fokalen Mehrspeicherungen vorgenommen. Dabei wird der Positronenemissionstomographie-Datensatz als Volumendarstellung abgebildet. Bei einer sichtbaren fokalen Mehrspeicherung wird der SUV-Wert ermittelt. Als Differenzierungskriterium zwischen entzündlichen Veränderungen und Neoplasien galt ein SUV von < 3,5 für Entzündung und > 3,5 für Neoplasie. Dieser Wert wurde zum einen anhand der Literatur und zum anderen an einer internen Pilotstudie ermittelt, in der die Patienten mit gesicherter Pankreasneoplasie und Patienten mit gesicherter Entzündung in der Positronenemissionstomographie gemessen und deren Werte gegenübergestellt wurden.

2.3 Bildfusion

Die Bildverarbeitung erfolgte mit einer nicht kommerziell verfügbaren Software auf der Plattform von AVS (Advanced Visualization Systems, Waltham, MA, USA). Die von Informatikern der Strahlenklinik und Poliklinik im Rahmen des Projektes entwickelte Software (IMAFUS) ermöglicht es, die einzelnen Arbeitsschritte, die im nachfolgenden noch detailliert beschrieben werden, auf der Basis einer graphischen Oberfläche durchzuführen. Diese benutzerfreundliche Anwendung ist bisher einzigartig in der Radiologie und bietet dem Benutzer eine Vielfalt interaktiver Möglichkeiten, welche auch an der jeweiligen Stelle beschrieben werden.

Die Berechnungen wurden auf einer O2 Workstation (Silicon Graphics, Palo Alto, USA) durchgeführt. Die Datensätze von CT und Positronenemissionstomographie wurden dazu über das interne Netzwerk (ATM, Ethernet) auf die Workstation transferiert. Die Bildfusion umfasste verschiedene Arbeitsschritte, darunter auch vorbereitende Maßnahmen:

↓36

Initial wurden die CT und Positronenemissionstomographie- Datensätze zu Studien zusammengefasst. Diese Prozedur umfasst die Auswahl der geeigneten Serie (nur CT, meist in arterieller Phase), das Entfernen der Übersichtsbilder und der Kalibrierung der Bilder durch Definition von Schichtabstand und Pixelgröße sowie der Fenstereinstellung (Weichteilfenster mit -200 bis +300 HU).

Der zweite Arbeitsschritt beinhaltet die Integration der CT und Positronenemissionstomographie-Studien in das Bildfusionsprogramm „IMAFUS“. Beide Studien werden simultan eingeladen und vom Benutzer vorerst separat bearbeitet. Die Bildserien werden in den Speicher der Workstation geladen und stehen dort dem Bearbeiter unmittelbar als dreidimensionaler Datensatz zur Verfügung.

Die Bildfusion selbst gliedert sich in zwei verschiedene Arbeitsgänge zur Erzeugung einer neuen Bildmodalität, dem Fusionsdatensatz. Der erste Schritt ist die Registrierung der verschiedenen Datensätze. Hierzu wird die gegenseitige räumliche Lage zweier verschiedener Bildmodalitäten durch mathematische Verfahren einander angepasst und angeglichen. Der zweite Schritt beinhaltet die Visualisierung, bei der die zwei ursprünglichen Bildinformationen zu einem neuen Bild zusammengesetzt werden.

2.3.1  Registrierung

↓37

Zur automatischen Registrierung zweier Datensätze stehen viele verschiedene Verfahren zur Verfügung. Diese Verfahren lassen sich grob in zwei Gruppen untergliedern, in die geometriebasierten Verfahren und in die voxelbasierten Verfahren.

Geometriebasierte Verfahren. Bei den geometriebasierten Verfahren wird die Bildinformation in geeigneter Weise abstrahiert und somit reduziert. Dabei entstehen geometrische Objekte (Achsen, Punktmengen, Oberflächen), die das abgebildete Objekt (Patient) in typischer Weise repräsentieren. Diese geometrischen Objekte werden dann über mathematische Berechnungen wie die oberflächenbasierte Registrierung und Landmarkenregistrierung miteinander zur Deckung gebracht. Diese Art der Registrierung wurde in vielen älteren Studien benutzt. Allerdings wurden in jüngeren Arbeiten Nachteile bezüglich der Genauigkeit und Stabilität gegenüber den nachfolgend beschriebenen voxelbasierten Verfahren nachgewiesen (48-52).

Voxelbasierte Verfahren. Den Voxeln (≅ den kleinsten Bildvolumeneinheiten = 3D-Pixel) medizinischer Bilddaten sind entsprechend der Bildinformationen einzelne Grauwerte zugeordnet. Diese können zwischen verschiedenen Bildern verglichen und so für die Registrierung benutzt werden. Hierzu ist, anders als bei den geometriebasierten Verfahren, keine (manuelle) Vorarbeit wie das Segmentieren der Oberflächen anatomischer Objekte erforderlich.

↓38

Grundlage der voxelbasierten Registrierungsverfahren bildet ein geeignetes Ähnlichkeitsmaß (die sog. Metrik). Hierbei wird zwei Bilddatensätzen der Grad ihrer Ähnlichkeit in Form eines Zahlenwertes zugeordnet. Dieser Wert variiert mit dem Grad der räumlichen Beziehung der Daten zueinander und ermöglicht so die Unterscheidung zwischen „korrekter“ und „inkorrekter“ Lage.

Für die in der vorliegenden Untersuchung verwendeten Bildfusion wird die sogenannte „Normalized Mutual Information“ benutzt (48, 52, 53). Die Grundlage dieser Metrik bildet der Begriff der Entropie aus der Informationstheorie. Hintergrund ist die Beobachtung, dass bei registrierten Bilddaten durch den zweiten Datensatz weniger zusätzliche Information über die des ersten hinaus geliefert wird als bei unregistrierten Daten.

Um den Vorgang der automatischen Registrierung zu beschleunigen und das Risiko eines Fehlschlages zu verringern, erfolgte zuerst eine manuelle grobe Anpassung der beiden Datensätze. Hierzu wurden in erster Linie die Position in x, y und z-Richtung korrigiert (Genauigkeit ca. 5 mm). Dies erfolgte unter Verwendung von Schiebereglern im Dialogfenster „manuelle Transformation“ (Abb. 2.1). Das Ergebnis der manuellen Transformation wurde unmittelbar visualisiert. Die Registrierung konnte so vom Benutzer interaktiv gezielt variiert werden.

↓39

Abbildung 2.1: Manuelle Transformation: Rotation in der X, Y und Z-Achse sowie Translation in der X, Y und Z-Achse

Wurde eine grobe Übereinstimmung in den drei Achsen erzielt, erfolgte die automatische Registrierung.

Bei der automatischen Registrierung wird der Datensatz A gegenüber dem Datensatz B um eine wählbare Startdifferenz (üblicherweise 8 mm) in alle 12 möglichen Richtungen (Translation in der x-, y- und z-Richtung sowie Rotation um die x-, y- und z-Achse, Abb. 2.2) bewegt und dann die Metrik berechnet. Die Position mit der höchsten Metrik wird als neue Startposition definiert und der Prozess beginnt erneut. Ziel ist das Finden derjenigen Transformation, die einen möglichst hoher Wert in der Metrik erzielt. Wenn diese sich durch weiteres Verschieben oder Rotieren nicht erhöht, wird eine kleinere Positionsdifferenz gewählt (50% der vorherigen Differenz) und der Vorgang erneut gestartet. Wenn bei der kleinsten Schrittweite (üblicherweise 0,1 bis 0,01 mm bzw. Grad) keine weitere Erhöhung der Metrik erreicht wird, gilt dies als Endpunkt für die Registrierung.

↓40

Die resultierende Registrierung beider Datensätze wird am Ende des Arbeitsschrittes wiederum sofort visualisiert.

Abbildung 2.2: Prinzip der automatischen Registrierung

Die angewandte Registrierung im Programm IMAFUS verwendet in erster Linie starre Transformationen, bei denen dasselbe starre Objekt ohne Verformung oder Skalierung an das andere angepasst wird. Alternativ ist eine elastische Registrierung möglich, bei der lokale Deformationen errechnet werden. Diese gleichen Verformungen aus, die durch Atmung, Herzschlag oder Bewegung entstehen. Diese Form der Registrierung ist aufgrund der hohen Zahl an Freiheitsgraden sehr zeitintensiv, so dass eine Integration in den klinischen Alltag derzeit nicht praktikabel ist. Auch werden im Bereich des Abdomens nur wenige Verformungen erwartet, die sich auf die Bildfusion negativ auswerten würden. Bei Fortschreiten der Entwicklung in der Computertechnik ist jedoch der Einsatz elastischer Verfahren in der Klinik sehr wohl denkbar und kann gegenüber den bisherigen Verfahren weitere Verbesserungen ermöglichen.

2.3.2 Visualisierung

↓41

Um die Information der Positronenemissionstomographie von derjenigen der CT unterscheiden zu können, wird das Positronenemissionstomogramm mittels einer Regenbogentabelle farbkodiert (Abb. 2.3):

Abbildung 2.3: Farbtransformation eines PET von der Grauwertdarstellung in die Regenbogenfarbtabelle.

Als Basis für die neue Bildmodalität wird die CT genutzt, welche als Grauwertbild im üblichen Weichteilfenster abgebildet wird (-200 bis +300 HU). Dieser Darstellung wird das farbcodierte Positronenemissionstomogramm überlagert. Um die anatomische Information der CT hierbei nicht zu verdecken, wird dem Positronenemissionstomographie-Datensatz eine variabele Transparenz zugewiesen (Alpha-Blending). Dabei wird jedem Pixel zusätzlich zum Farbwert eine Information für seine Durchsichtigkeit zugefügt. Speziell werden Bereiche der Positronenemissionstomographie umso intensiver dargestellt, je höher die SUV-Werte in der jeweiligen Region sind. In Bereichen geringer Aktivität erscheint fast vollständig die anatomische Information der CT.

↓42

Dieses Verfahren ermöglicht die gemeinsame Darstellung von CT und Positronenemissionstomographie, bei der beide Bildinformationen gleichzeitig nutzbar sind. Um für den Betrachter uninteressante Daten zu entfernen, wird nach visueller Überprüfung der Region of Interest die Darstellung des farbcodierten Positronenemissionstomographie auf die Bereiche der höchsten Intensitäten reduziert. Ziel ist es, die hohe anatomische Auflösung des CT-Datensatzes dem ganzen Bild zugänglich zu machen und die Information des Positronenemissionstomographie in Form von Hot-Spots (rote Farbcodierung) auf die anatomische Darstellung zu projizieren. Im Endbild erscheint dann die metabolische Information durchscheinend rot auf dem Grauwertbild der CT (Abb. 2.4).

Abbildung 2.4: Fertiges Bildfusionsbild

2.3.3 Validierung

Unbedingte Vorraussetzung, um die erzeugten Bilder in der klinischen Routine verwenden zu können, ist eine hohe Genauigkeit der Registrierung. Zur Qualitätskontrolle sollte im optimalen Fall die Qualität der Registrierung im Vergleich mit der korrekten Transformation bestimmt werden. Für klinische Daten ist dies jedoch mit einem nicht vertretbaren Aufwand und mit Belastungen für den Patienten verbunden (stereotaktischer Rahmen, implantierbare Knochenmarker). Läge die korrekte Transformation vor, wäre die Registrierung zudem ohnehin nicht mehr notwendig.

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Alternativ existieren verschiedene Verfahren zur Bewertung der Registrierungsgenauigkeit. Zwei Aspekte sind hierbei ausschlaggebend: Die Genauigkeit (Fähigkeit, die Registrierungstransformation exakt zu bestimmen) und die Stabilität (Unempfindlichkeit gegenüber Ausgangsbedingungen). Beides wurde für das von uns genutzte Registrierungsverfahren durch Teilnahme am Projekt „Evaluation of Retrospective Medical Image Registration“ der Vanderbilt-University (Nashville, TN, USA) bewertet.

Mit dem Ziel, einen Überblick über die erreichbare Genauigkeit automatischer Registrierungsverfahren zu gewinnen, stellt dieses Projekt den zur Zeit einzigen allgemein verfügbaren Standard für starre Registrierungen dar. Einzelheiten sind unter folgender URL verfügbar: http://cswww.vuse.vanderbilt.edu/~jayw/results.html

Das Prinzip der Studie soll im folgenden kurz erläutert werden:

↓44

Im Rahmen des Vanderbilt-Projektes wurden zunächst neun, später 19 Patienten mit kraniellen Raumforderungen (andere liegen nicht vor) Datensätze der Modalitäten MRT, CT und Positronenemissionstomographie aufgenommen. Ein stereotaktischer Rahmen sowie eine große Zahl implantierter Marker ermöglichten die exakte Bestimmung der korrekten Registrierungstransformation (mittlerer Fehler <0,3 mm).

Durch manuelles Editieren der Datensätze wurden der stereotaktische Rahmen sowie die übrigen künstlichen Landmarken aus den Bildern entfernt (Abb. 2.5):

Abbildung 2.5: System der Vanderbilt-Datensätze

↓45

Die so entstandenen Datensätze ermöglichen eine echte retrospektive Überprüfung automatischer Registrierungsverfahren. Interessierten Arbeitsgruppen wurden die Datensätze für die Anwendung ihrer jeweiligen Registrierungsverfahren zur Verfügung gestellt. Die von den Projektteilnehmern an die Organisatoren zurückgemeldeten Transformationen wurden dann mit den mittels stereotaktischer Rahmen als Gold-Standard ermittelten Transformationen verglichen.

2.3.4 Statistische Methoden

Um die Wertigkeit der verschiedenen radiologischen Verfahren miteinander vergleichen zu können, bedient sich diese Arbeit der üblichen statistischen Kenngrößen Sensitivität, Spezifität, positiv prädikativer Wert und negativ prädikativer Wert. Besondere Aufmerksamkeit erhält die Sensitivität, da es bei Pankreasmalignomen sinnvoll erscheint, eher die erkrankten Patienten zu detektieren als die Gesunden. Dabei wird angenommen, dass es für das Wohl des Patienten besser ist, falsch-positiv eingestuft zu werden als falsch-negativ.

Der bei dem direkten Vergleich der verschiedenen Modalitäten verwendete Konkordanzindex Cohen’s Kappa beschreibt das Maß an Übereinstimmung zweier Verfahren (A/B) bezüglich einer Alternative (+/-) an denselben Objekten (54). Formel und Ergebnisbeurteilung werden in dieser Arbeit vorausgesetzt.

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Um die Frage nach Signifikanz zu klären benutzt diese Arbeit den McNemar-Test. Es handelt sich dabei um einen nichtparametrischen Test für zwei verbundene dichotome Variablen. Mit der Chi-Quadrat-Verteilung prüft der Test auf Änderungen bei den Antworten. Ein Signifikanzwert kleiner 0,05 wird üblicherweise als signifikant gewertet.


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23.11.2006