I Einleitung

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Eingeführt wurde die diagnostische und therapeutische Endoskopie der zentralen Atemwege 1897 durch G. Killian (55). Mit Weiterentwicklungen in der Endoskopie und dem Einsatz eines flexiblen Bronchoskops durch Ikeda et. al. (51) erweiterte sich das Spektrum der Indikationen für diese Untersuchungsmethode stetig.

Heute ist die Bronchoskopie nach wie vor im Management sowohl bei angeborenen als auch bei erworbenen Stenosen der großen Atemwege von zentraler Bedeutung (1, 106, 107). Sie ist die Methode der Wahl zur Diagnosestellung und für die Bestimmung von Lokalisation, Ausdehnung und Konfiguration sowie den möglicherweise vorhandenen dynamischen Anteilen der Atemwegsverengung (22, 23). Durch die Möglichkeit zu Biopsie und Bronchiallavage ist die Bronchoskopie wichtig zur Klärung der Pathologie und Mikrobiologie der Stenosen. Darüber hinaus können über die Beurteilung der Schleimhautbeschaffenheit und der Blutungsbereitschaft von Läsionen wertvolle Informationen für die Therapieentscheidung gewonnen werden. Als endoskopisch-therapeutische Interventionen stehen vor allem die Lasertherapie sowie die Ballondilatation und Stentimplantation zur Verfügung (13, 37, 50, 75, 88, 108). Neuere Entwicklungen auf diesem Gebiet sind die Koagulation mit dem Argonbeamer und spezifischere Behandlungsformen bei malignen Prozessen mittels Photodynamischer Therapie, Kryotherapie und Gentherapie (38, 66, 78, 89).

Angesichts dieses weiten Spektrums an diagnostischen und therapeutischen Möglichkeiten haben sich unterschiedlichste Methoden zur Evaluation von tracheobronchialen Stenosen entwickelt. In der klinischen Anwendung hat sich bisher jedoch noch keine Methode durchgesetzt, mit der Stenosen bronchoskopisch allgemein standardisiert und objektiv beschrieben werden können. Dabei wird die Notwendigkeit einer einheitlichen Erfassung der Morphologie einer Stenose schon lange diskutiert (11, 34). Für die sinnvolle Entwicklung von einheitlichen Behandlungsstrategien, einer standardisierten Erhebung von therapieentscheidenden prognostischen Faktoren, untersucherunabhängigen Verlaufsbeschreibungen, operationsvorbereitenden Untersuchungen und für die Diskussion der Ergebnisse ist eine allgemeine objektivierbare Einteilung von Stenosen unbedingt notwendig.

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Cotton et al. (16,17) haben in den 80er-Jahren eine Graduierung von Stenosen aufgrund der bronchoskopisch jeweils sichtbaren prozentualen Reduktion der Querschnittsfläche vorgestellt. Diese auf subjektivem Eindruck beruhende Einteilung wurde 1994 von Myer et al. (69) so modifiziert, dass die prozentuale Obstruktion des Atemweges mit Hilfe von

Endotrachealentuben objektiviert und mit Hilfe einer Tabelle in vier Schweregrade eingestuft wird. Diese als Myer-Cotton-Klassifikation bekannte Methode hat sich für die subglottischen Stenosen im Kindesalter inzwischen weitgehend durchgesetzt (3, 36, 70). Da sie sich jedoch ausschließlich auf eine konzentrische Querschnittsfläche bezieht, werden unregelmäßige Querschnittsflächen nur unzureichend und Eigenschaften wie die Länge und die genaue Lage der Stenose gar nicht erfasst, obwohl im Erwachsenenalter gerade letzteres einen maßgeblichen Einfluss auf den therapeutischen Erfolg bei der subglottischen Stenose hat (60, 61, 62). Auch die Konfiguration des stenotischen Prozesses und mögliche dynamische Anteile können nicht beschrieben werden. Die Autoren selbst beschränken daher die Anwendung ihres Graduierungssystems auf feste, ausgewachsene subglottische Stenosen. Alle anderen Stenosetypen, wie z. B. die Laryngomalazie oder die Tracheomalazie und alle Arten von Trachealstenosen sind explizit ausgeschlossen.

Eine umfassendere Einteilung von Stenosen der zentralen Atemwege könnte auf der Grundlage einer quantitativen Vermessung erfolgen. Limitierende Faktoren dafür ergeben sich jedoch in der Bronchsokopie gleichermaßen wie in der gastroenterologischen Endoskopie aus den Eigenschaften des jeweiligen optischen Systems. Werden diese Eigenschaften nicht berücksichtigt, haben die endoskopischen Größen- bzw. Flächenbestimmungen eine Ungenauigkeit bis zu einem Faktor 3 (93). Huber et al. (49) kommen nach einer Studie an Hunden sogar zu dem Schluss, dass bei der Bestimmung der prozentualen Flächenminderung bei Trachealstenosen keinerlei Korrelation zwischen den Messungen und den Kontrollmessungen bestehen.

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Das erste Problem bei der visuellen Größenbestimmung ist die sphärische Verzerrung des bronchoskopischen Bildes. Normalerweise werden an allen endoskopischen Geräten Weitwinkellinsen eingesetzt, die ein großes Sichtfeld („field of view“) garantieren. Diese Weitwinkellinsen bedingen jedoch eine auch als „fassförmig“ bezeichnete sphärische Verzerrung (21). Das bedeutet, dass die Strukturen in der Peripherie des Bildes im Verhältnis zu den zentral gelegenen Strukturen enger zusammenliegend dargestellt werden und so der Eindruck entsteht, das bronchoskopische Bild sei am Rand kreisförmig gestaucht. Gerade Linien werden zum Rand hin gebogen und Abstände wirken kürzer als in der Mitte. Folge davon ist zum einen, dass ein und dasselbe Objekt am Rand des Bildes kleiner wirkt als in der Mitte des Bildes. Zum anderen werden in Abhängigkeit von der Position im Bild die Proportionen und Konturen der abgebildeten Struktur verändert und die Objekte im endoskopischen Bild nicht in ihren realen Dimensionen abgebildet (100).

Ein anderes Problem bei der quantitativen Evaluierung der Atemwege mittels Bronchoskopie ist die fehlende Möglichkeit, die Entfernung zwischen der Bronchoskopspitze und der zu vermessenden Struktur zu bestimmen. In zweidimensionalen Abbildungen wie dem endoskopischen Bild hängt die Größe einer Struktur nicht nur von ihren tatsächlichen Maßen ab, sondern auch von der Entfernung zum Betrachter. In der Endoskopie bzw. Bronchoskopie wird die Größe eines Objekts von der Entfernung zwischen Endoskopspitze und der zu vermessenden Struktur bestimmt. Je weiter das Objekt entfernt ist, desto kleiner stellt es sich dar (29).

Die dritte Herausforderung bei der Vermessung der zentralen Atemwege und ihrer Stenosen ist die quantitative Längenvermessung der Stenose. Grundsätzlich können anhand von zweidimensionalen Bilddaten keine dreidimensionalen Messungen durchgeführt werden. Ohne äußeren Bezugspunkt ist es für den Untersucher kaum möglich, die Position der Bronchoskopspitze in Längsrichtung des Atemweges quantitativ zu bestimmen und den untersuchten Abschnitt zu vermessen.

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Um in der Endoskopie trotz dieser Schwierigkeiten objektivierbare Größenangaben machen zu können, wurden zahlreiche Verfahren mit unterschiedlichen Ansätzen entwickelt.

Eine bis heute übliche Technik ist das Einführen von Referenzkörpern mit bekannter Größe über den Arbeitskanal. Als Referenzkörper werden beispielsweise Biopsiezangen aber auch extra zu diesem Zweck gefertigte Eichgegenstände genutzt (64, 98). Unter der Annahme, dass die zu vermessende Struktur den gleichen optischen Verzerrungen unterliegt wie der eingeführte Gegenstand, wird sie im Hinblick auf die Größe mit dem eingeführten Gegenstand verglichen. Die gleiche optische Verzerrung erfährt der Referenzgegenstand aber nur, wenn er sich in exakt der gleichen Entfernung zum Endoskopobjektiv und genau in der gleichen Bildposition wie das interessierende Objekt befindet und etwa gleich groß ist. Sind diese Bedingungen nicht erfüllt, gilt für den eingeführten Gegenstand aufgrund der unterschiedlichen Entfernung zum Endoskopobjektiv und durch die verzerrte Darstellung von Bildperipherie und Bildmitte ein anderer Verzerrungsmaßstab. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Fehler bei der visuellen Größenbestimmung mit Hilfe einer offenen Biopsiezange bis über 40% beträgt(64, 100). Vor diesem Hintergrund wurden sowohl für die Gastroskopie als auch für die Bronchoskopie Methoden zur Flächenbestimmung entwickelt, bei denen die Objektiv-Objekt-Entfernung und die sphärische Verzerrung miterfasst wurden. Dafür wurden quadratische Referenzgitter auf Glasplatten oder am Monitor erstellt, welche die gesamte endoskopische Bildfläche abdeckten und eine durch einen Referenzkörper definierte Entfernung zum Endoskopobjektiv aufwiesen (53, 72). Mit Hilfe dieses Referenzgegenstandes wurde den jeweiligen endoskopischen Aufnahmen das passende Gitter zugeordnet und die zu bestimmende Fläche konnte anhand der Eichquadrate des Referenzgitters ausgezählt werden. Die Ergebnisse dieser Vermessungsmethoden wiesen eine verbesserte Genauigkeit auf, die Anwendung blieb jedoch durch die nachträgliche manuelle Zuordnung und Auszählung der Eichgitter umständlich.

Einen wichtigen Fortschritt für die quantitative Analyse von endoskopisch abgebildeten Strukturen stellte die computergestütze Flächenanalyse in Pixel und die rechnerische Korrektur der optischen Oberflächenverzerrung dar. Ebenfalls mit Eichrastern, die in definierten Abständen zum Endoskopobjektiv aufgenommen wurden, haben mehrere Autoren einzelne Korrekturfaktoren in Abhängigkeit zur Entfernung zwischen Endoskopobjektiv und Objekt, sowie zur Lage im bronchoskopischen Sichtfeld berechnet (21, 29, 87). Mit Hilfe der erstellten Tabellen und Diagramme konnte der jeweils passende Koeffizient gefunden und die Größe des entsprechenden Objekts bestimmt werden.

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Mit der Entwicklung von Korrekturalgorithmen, welche die sphärische Verzerrung der Linse insgesamt korrigieren (57, 64, 92), wurde die endoskopische Bildanalyse noch weiter vereinfacht. Über die Nachbearbeitung am PC können seither die Strukturen unabhängig von ihrer Position im endoskopischen Bild in ihren realen Dimensionen dargestellt werden. Während zuerst auch dabei noch mit einer längeren Bildbearbeitungszeit gerechnet werden musste, stellten Asari et al. (2) schließlich einen Entzerrungsalgorithmus vor, der so schnell arbeitet, dass die Bildbearbeitung und damit die Korrektur der endoskopischen Bilder online, das heißt schon während der endoskopischen Aufnahme, möglich ist.

Die Softwareentwicklung zur Kompensation der sphärischen Verzerrung löste jedoch noch nicht das Problem der fehlenden Information über die Entfernung zwischen Endoskop- bzw. Bronchoskopspitze und Objekt. Für die quantitative Vermessung von abgebildeten Strukturen war auch bei korrigierter Verzerrung weiterhin die Einbringung eines Referenzobjektes für die Kalibrierung notwendig, damit eine Umrechnung von Pixel in metrische Maßeinheiten erfolgen konnte (56, 64, 100). In der klinischen Anwendung ist die Auswahl eines geeigneten Referenzgegenstandes jedoch schwierig und die Einführung eines solchen Fremdkörpers nicht immer möglich. Dörffel et al. (22) lösten dieses Problem für die zentralen Atemwege, indem sie statt eines Referenzkörpers eine Lasersonde durch den Arbeitskanal des Bronchoskops einführten. Die Laserlichtsonde projiziert ohne direkten Schleimhautkontakt einen Lichtring in bekannter Entfernung zum Bronchoskopobjektiv auf die Trachealwand. Die Atemwegsquerschnittsfläche, die mittels Lichtring markiert wird, kann in der Nachbearbeitung entsprechend der Entfernung zum Bronchoskopobjektiv entzerrt und der Flächeninhalt berechnet werden.

Zur dreidimensionalen Vermessung in der Endoskopie findet man anders als für die quantitative zweidimensionale Vermessung nur wenige Publikationen. In der Gastroenterologie sind Methoden vorgestellt worden (12, 110, 111), bei denen das Endoskop in seiner Bauart verändert und mit zusätzlichen Geräten ausgestattet werden muss, damit aus den zweidimensionalen Bildern Informationen zur dreidimensionalen Struktur gewonnen werden können. Für den klinischen Gebrauch hat dies den Nachteil, mit hohen zusätzlichen Kosten verbunden zu sein.

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Für die dreidimensionale Erfassung der zentralen Atemwege konnte jedoch im Gegensatz zur Gastroenterologie die Tatsache genutzt werden, dass die großen Atemwege eine anatomisch sehr stabile Form haben und das Bronchoskop selbst entlang der z-Achse bewegt wird. Dunham und Wolf (24) haben darauf basierend ein Verfahren vorgestellt, mit dem sie kindliche Atemwege dreidimensional darstellen konnten. Unter der Voraussetzung, dass das Bronchoskop sich gleichmäßig schnell bewegt, wurde der auf Videoband aufgenommene bronchoskopierte Trachealabschnitt von der Glottis bis zur Karina in gleich große Intervalle unterteilt. Die jeweiligen Atemwegsquerschnitte wurden in einer computergestützten Bildnachbearbeitung in Pixel umgerechnet, entzerrt und dreidimensional rekonstruiert. Obwohl in dieser Arbeit unklar bleibt, auf welchem Messverfahren die quantitativen Angaben zur Distanz sowohl zwischen Bronchoskopspitze und Bildebene als auch zwischen Karina und Glottis beruhen, ist damit jedoch ein Prinzip gegeben, mit dem unter der Verwendung von herkömmlichen Bronchoskopiegeräten neben dem Atemwegsquerschnitt auch die Längsachse erfasst wird und komplexere Stenosen beurteilt werden können.


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25.04.2006