IV  Ergebnisse

IV.1 Evaluierung an Modellen

▼ 24 (fortgesetzt)

Bei der Testung der Methode am Modell war die Querschnittsflächenmarkierung durch die Lasersonde auf allen bronchoskopischen Aufnahmen zu sehen und wurde quasi zeitgleich zu der Untersuchung computergestützt identifiziert. In den klinischen Untersuchungen wurde die Messung in 10 Fällen erfolgreich beendet. Der entsprechende Algorithmus der Software Endo 3D arbeitete dabei zuverlässig, sofern keine zusätzliche Lichtquelle interferierte. Mit der Software Endo 3D wurde außerdem die sphärische Verzerrung online transformiert und auch online eine quantitative Bestimmung der Querschnittsfläche ausgeführt. Bei allen Modellen und den zehn Atemwegsabschnitten gelang die Erzeugung und das Exportieren eines 3D-Datensatzes, der sich problemlos über die Software Amira 2.3 dreidimensional darstellen ließ.

IV.1.1 Validierung an Kunststoffmodellen

An den Kunststoffmodellen wurden mit der Überprüfung der Intraklassenkorrelationskoeffizienten ICC sowohl als Ausdruck der Übereinstimmung der bronchoskopisch gemessenen Werte mit den wahren Werten als auch als Ausdruck der Übereinstimmung der Messwiederholungen untereinander ( und ) gute Übereinstimmungen getestet.

IV.1.1.1 Online-Bestimmung von Durchmesser- und Querschnittsflächen

▼ 25 

In der Validierung der Durchmesser- und Querschnittsflächenbestimmung erreichte der ICC bei allen 20 Messreihen jeweils einen Wert > 0,99, wobei das 95%-Konfidenzintervall (95% CI) bei der Durchmesserbestimmung in keinem Fall größer als [0,99; 1,0] und bei der Querschnittsbestimmung in keinem Fall größer als [0,98; 1,0] war.

Bei den Messungen mit einem Abstand von 15 mm zwischen Laserlichtmarkierung und Bronchoskopobjektiv fiel in der graphischen Darstellung nach Bland und Altman (4) für die Durchmesser- und die Querschnittsflächenbestimmungen ein geringer systematischer Fehler auf: Die Abweichungen der bronchoskopisch gemessenen Werte von den realen Werten wichen im Verlauf des Wertespektrums umso mehr nach unten ab, je größer der Durchmesser bzw. die zu vermessende Querschnittsfläche waren (Abb. IV.1). Die Fläche von 95,0 mm wurde in den 20 Messungen maximal um -3,4 mm zu klein gemessen, bei

einer Fläche von 176,7 mmbetrug die maximale negative Abweichung -1,5 mm und bei einer Fläche von 363,1 mm traten absolute Abweichungen bis maximal -52,9 mm auf.

▼ 26 

Abbildung IV.1: Messfehler in der Querschnittsflächenbestimmung an Kunststoffzylindern. Dargestellt sind die Ergebnisse der Messungen mit einem 15-mm-Abstand der Laserlichtmarkierung zur Bronchoskopspitze. Die x-Achse gibt die aus den Fabrikangaben berechneten realen Maße an, die y-Achse gibt die Differenzen von gemessenen und realen Querschnittsflächen an.

Zur weiteren Evaluierung des Messfehlers wurde ergänzend eine Messreihe mit einer Entfernung von 17 mm zwischen Laserlichtmarkierung und Bronchoskopspitze durchgeführt. Hier fand sich im Bland-Altmann-Plot bis zu einem Durchmesser von 18,2 mm bzw. bis zu einer Querschnittsfläche von 260,2 mmmit einer maximalen Abweichung von +0,4 mm bzw. +8,9 mm kein systematischer Fehler im Verlauf des Wertespektrums. Erst bei einem Durchmesser von 21,5 mm bzw. einer Querschnittsfläche von 363,1 mm trat eine deutliche Differenz auf (Abb. IV.2).

Abbildung IV.2: Messfehler in der Querschnittsflächenbestimmung an Kunststoffzylindern. Dargestellt sind die Ergebnisse der Messung mit einem 17-mm-Abstand der Laserlichtmarkierung. Die x-Achse gibt die aus den Fabrikangaben berechneten realen Maße an, die y-Achse gibt die Differenzen von gemessenen und realen Querschnittsflächen an.

▼ 27 

Die Konsistenz der Messergebnisse untereinander ( wurdenbei einer Laserlichtmarkierung im Abstand von 15 mm sowohl für die Bestimmung des Durchmessers als auch für die Bestimmung der Querschnittsfläche mit einem ICC > 0,99 (Durchschnittswerte für das 95%-Konfidenzintervall [0,98; 1,00]) getestet.

In den Abb. IV.3a und IV.3b ist für die Durchmesser- und Querschnittsflächenbestimmung veranschaulicht, wie die Werte bei 20 Messwiederholungen vom gemeinsamen Mittelwert abwichen.

Für die bei der Durchmesserbestimmung im Bereich bis 18,2 mm war das 95%-Intervall der zu erwartenden Inkonsistenz sehr schmal: Auch im schlechtesten Fall konnte die untere Grenze mit -0,4 mm und die obere Grenze mit +0,3 mm angegeben werden. Eine Ausnahme bildete die Vermessung des Zylinders mit dem größten Durchmesser. Hier betrug die Abweichung bis zu -0,5 mm.

▼ 28 

Für die bei der Querschnittsflächenbestimmung wurde im Bland-Altman-Plot eine Zunahme der Abweichungen proportional zur Größe der Querschnittsfläche beobachtet. Entsprechend lagen die Grenzen des 95%-Intervalls der zu erwartenden Inkonsistenz im Bereich bis 260,2 mm bei -7,6 mm und +8,2 mmrelativ dicht zusammen. Auf den gesamten Messbereich bezogen lagen die Grenzen weiter auseinander: im schlechtesten Fall bei -13,3 mm und +8,6 mm. Die größte Abweichung vom Mittelwert bei der Querschnittflächenbestimmung betrug -16,3 mm.

(a)

(b)
Abbildung IV.3a/b: bei a) der Durchmesserbestimmung und b) der Querschnittsflächenbestimmung an Kunststoffzylindern mit einem 15-mm-Abstand der Laserlichtmarkierung zur Bronchoskopspitze. Die x-Achse gibt die gemeinsamen Mittelwerte aller Messungen an, die y-Achse zeigt die absolute Abweichung der einzelnen Messung vom gemeinsamen Mittelwert. Die gestrichelten Linien zeigen die Grenzen des Bereichs, in dem mit ca. 95% die Abweichungen aller individuellen Messwerte liegen.

▼ 29 

Die wurde von 2 Untersuchern in jeweils 10 Messungen für 10 verschiedene Durchmesser getestet. Der ICC erreicht > 0,99 (95% CI [0,99; 1,00]). Im Bland-Altman-Plot zeigte sich eine geringfügige unsystematische Zunahme der Abweichungen in Abhängigkeit von der Größe des Durchmessers (Abb. IV.4). Die Grenzen des 95%-Intervalls lagen bei [-2,0 mm; +1,1 mm].

Abbildung IV.4: bei der Durchmesserbestimmung an Kunststoffzylindern mit einem 15-mm-Abstand der Laserlichtmarkierung zur Bronchoskopspitze. Die x-Achse gibt die Mittelwerte der Ergebnisse der Untersucher A und B an, die y-Achse gibt die absolute Differenz zwischen den Ergebnissen der Untersucher A und B an. Die gestrichelten Linien zeigen die Grenzen des Bereichs, in dem 95% aller Abweichungen zu erwarten sind.

IV.1.1.2 Volumenbestimmung

Auch bei der Testung der Validität der neuen Methode hinsichtlich der Volumenbestimmung betrug der ICC als Ausdruck der Übereinstimmung von bronchoskopisch gemessenen Volumina und realen Werten bei allen drei Messreihen ICC > 0,99 mit jeweils einem 95% CI [0,99; 1,00].

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Alle Messreihen wurden mit einem Abstand von 15 mm zwischen Laserlichtmarkierung und Bronchoskopspitze gemessen. Die Ergebnisse der bronchoskopischen Volumenmessung waren im Mittel um -140,6 mmkleiner als die realen Werte. Die größte positive Abweichung betrug +178,3 mm, die größte negative Abweichung -1804,0 mm.


In einem nach Bland und Altman (4) modifizierten Plot ist in Abb. IV.5 der Zusammenhang von Querschnittsfläche und Volumenmessfehler dargestellt. Es zeigte sich, dass die Unterschätzung der bronchoskopischen Volumenmessung eindeutig von der Querschnittsflächengröße des Modells abhängig war, analog dem proportionalen Fehler, der in der Querschnittsflächenvermessung bei einem 15-mm-Abstand der Laserlichtmarkierung zur Bronchoskopspitze deutlich wurde (Abb. IV.1).

Abbildung IV.5: Messfehler in der Volumenmessung an Kunststoffzylindern mit einem 15-mm-Abstand der Laserlichtmarkierung zur Bronchoskopspitze. In einem modifizierten Bland-Altman-Plot wird der Zusammenhang von Querschnittsfläche und Volumenmessfehler dargestellt. Die x-Achse gibt die aus den Fabrikangaben berechneten realen Querschnittsflächen an, die y-Achse gibt den Bereich der Differenzen zwischen den gemessenen und den aus den Fabrikangaben berechneten realen Volumina an.

▼ 31 






Validierung an Schweineluftröhren

Mit dem neuen Verfahren ließ sich bei allen Präparaten aus Schweinluftröhren mit einem Abstand von 17 mm zwischen Laserlichtmarkierung und Bronchoskopspitze die Vermessung der physiologisch unregelmäßigen Konturen durchführen und problemlos dreimal wiederholen. Mit der sequenziellen Querschnittsflächenbestimmung wurde in allen Fällen zuverlässig ein 3D-Datensatz erstellt und exportiert. Die Übereinstimmung zwischen den bronchoskopisch ermittelten Werten und der als Referenzmethode durchgeführten Wasservolumetrie erreichte bei allen 3 Messzyklen einen ICC > 0,99 (95% CI jeweils [0,99; 1,00]).

Im Bland-Altman-Plot zeigte sich keine eindeutige Abhängigkeit der Differenzen von der Größe der Volumina (Abb.IV.6). Ein systematischer proportionaler oder konstanter Fehler konnte bei entsprechenden Verteilungen der Messwertdifferenzen ausgeschlossen werden. Die Grenzen des 95%-Intervalls der zu erwartenden Abweichungen lagen für die einzelnen Messungen im schlechtesten Fall bei -483,2 mm und +522,7 mm.

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Abbildung IV.6: Messabweichungen bei der Volumenmessung an Präparaten aus Schweineluftröhren mit einem 17-mm-Abstand der Laserlichtmarkierung zur Bronchoskopspitze. Als Referenzmethode wurde eine Wasservolumetrie durchgeführt. Die x-Achse gibt die Mittelwerte aus Wasservolumetrie und Bronchoskopie an, die y-Achse gibt die Abweichung zwischen den beiden Methoden an. Die gestrichelten Linien zeigen die Grenzen des Bereichs, in dem 95% aller Abweichungen erwartet werden. : Messreihe 1, : Messreihe 2, : Messreihe 3. Die gestrichelten Linien zeigen die Grenzen des Bereichs, in dem 95% aller Abweichungen zu erwarten sind.

IV.1.2 Validierung an einem künstlichen Stenosemodell

An einem künstlichen Modell in der Konfiguration einer sogenannten Sanduhrstenose konnten ebenfalls erfolgreich eine sequenzielle Querschnittsflächenbestimmung und eine anschließende Rekonstruktion des Datensatzes durchgeführt werden. Abbildung IV.11 zeigt die bronchoskopische dreidimensionale Darstellung des erfassten Abschnitts. Bei der vergleichenden Volumenbestimmung von bronchoskopischer Messung und Wasservolumetrie trat zunächst ein Unterschied von über 3000 mm zugunsten der Wasservolumetrie auf, da mit der Wasservolumetrie das komplette Modell vermessen wurde, mit dem Bronchoskop poststenotisch jedoch nur ein Teil erfasst werden konnte. In einer zweiten Wasservolumetrie wurde nur der tatsächlich bronchoskopisch zugängliche Bereich vermessen. Der Unterschied reduzierte sich auf weniger als 400 mm. Die mit der CT ermittelten Daten zeigten sowohl mit der Vermessung des gesamten Modells als auch mit der Vermessung des bronchoskopisch erfassbaren Teils eine gute Übereinstimmung (Tab. IV.1).

 

Bronchoskopie

Wasservolumetrie

CT

Sanduhrstenose (1):

4398 mm

7650 mm

7624 mm

bronchoskopisch zugäng licher Bereich(2):

4398 mm

4760 mm

4441 mm

IV.2 Klinische Anwendung

▼ 33 

Bei 10 von 14 Patienten konnte das Verfahren bis zum Ende durchgeführt werden. Die bronchoskopische Untersuchung dauerte dabei mit der Vermessung nur wenige Minuten länger, ohne dass es infolge der Vermessung zu Komplikationen kam. In 6 Fällen erfolgte sowohl eine Online-Auswertung parallel zur Bronchoskopie als auch eine spätere Videoauswertung. In den übrigen Fällen wurde für die Querschnitts- und Volumenbestimmung ausschließlich die Videodokumentation verwendet. Dabei wurde das Volumen bei 9 Patienten im Rückzug vom letzten Trachealknorpel und bei 1 Patienten im Vorschub vom Ringknorpel bestimmt. Die Lasersonde ließ sich gut einführen und wurde so fixiert, dass der Laserlichtmarkierung in einem Abstand von 17 mm zur Bronchoskopspitze die interessierende Querschnittsfläche markierte. Die Querschnittsflächen wurden jeweils am Ende einer Inspiration bestimmt und als Datensatz für die Volumenmessung gespeichert.

Bei insgesamt 4 von 14 Fällen konnte die Vermessung nicht erfolgreich bis zum Ende durchgeführt werden. In 1 Fall musste die Vermessung abgebrochen werden, da während der Untersuchung ein akuter Sauerstoffsättigungsabfall auftrat. In 3 Fällen verhinderten starke Unruhe und Hustenreize der Patienten eine adäquate sequentielle Vermessung.

IV.2.1 Querschnittsflächenbestimmung

Die Ergebnisse der computergestützten Querschnittsflächenbestimmungen bei den 10 beendeten Messungen sind insgesamt zufriedenstellend. Exemplarisch sind in den Abbildungen IV.7a und IV.7b die Ergebnisse der Querschnittsflächenbestimmung von Patient 3 aus der Bronchoskopie und aus den CT-Daten dargestellt. Die Trachea wurde im Rückzug ausgehend vom letzten Trachealknorpel untersucht. In diesem Fall lag eine längerstreckige Kompressionsstenose vor mit einer bronchoskopisch gemessenen Reduktion der Querschnittsfläche von gerundet 310 mmauf 139 mmim. Das Ergebnis der 3D-Rekonstruktion wird in der Abbildung IV.12 gezeigt.

▼ 34 

Abbildung IV.7a-b: Klinische Querschnittsflächenbestimmung in der Trachea bei Patient 3. Dargestellt sind auf der y-Achse a) die Ergebnisse der bronchoskopischen Vermessung und b) die Ergebnisse der computertomographischen Auswertung in Abhängigkeit zur Länge des untersuchten Trachealabschnitts (x-Achse).


Im Vergleich zwischen dem videobronchoskopisch gemessenen Querschnitt mit der CT-Schicht des gleichen Bereichs ergab sich für die gemessenen Querschnittsflächen eine Übereinstimmung mit einem ICC = 0,97 (95% CI [0,95; 1,00]).

Der Bland-Altman-Plot zeigte keine systematische Verteilung der Abweichungen (Abb. IV.8), so dass ein systematischer Fehler proportionaler oder konstanter Art ausgeschlossen werden konnte. Die maximale Abweichung bertrug 79,5 mm. Die Grenzen des Bereichs, in dem 95% aller Abweichungen lagen, wurden bei [-47 mm; +50 mm] getestet.

▼ 35 

Abbildung IV.8: Klinische Querschnittsflächenbestimmung an der Trachea von Pat. 3 mit einer Laserlichtmarkierung in einem Abstand von 17 mm zur Bronchoskopspitze. Die x-Achse gibt die Mittelwerte von Computertomographie und Bronchoskopie an, die y-Achse gibt die absolute Differenz zwischen den Querschnittsflächenmessungen der Bronchoskopie und der Computertomographie an.

IV.2.2 Volumenbestimmung

Für die aus der Videoaufnahme bestimmten Volumina der Trachealabschnitte wurde ein ICC = 0,99 (95% CI [0,95, 1,00]) getestet. Die Ergebnisse aus der Volumenmessung anhand der Videoaufzeichnungen stimmten besser mit den Ergebnissen der Computertomographie überein als die online bestimmten Volumenwerte. Die mittlere Differenz von computertomographisch und videobronchoskopisch erhobenen Volumenwerten betrug gerundet 1430 mm, die mittlere Differenz zwischen den computertomographischen Ergebnissen und den online erhobenen Ergebnissen betrug gerundet 3020 mm. Die maximale Differenz zur CT betrug 3450 mm für Videobronchoskopie und 6540 mm für die Online-Auswertung der Bronchoskopie, die minimale Differenz zwischen CT und Bronchoskopie betrug 165 mm für die Videobronchoskopie und 1800 mm für die Online-Auswertung der Bronchoskopie (Tab. IV.2).



Online-Bronchoskopie

Video-Bronchoskopie

Computertomographie

 

Länge
(mm)

Volumen
(mm3)

Länge
(mm)

Volumen
(mm3)

Länge
(mm)

Volumen
(mm3)

Patient 1

70

18 680

75

21 160

72

20 480

Patient 2

125

32 300

120

30 860

120

29 470

Patient 3

95

19 410

90

21 210

96

23 020

Patient 4

-

-

90

16 250

88

17 410

Patient 6

-

-

15

2 130

16

2 290

Patient 8

90

17 340

95

20 420

94

23 870

Patient 9

-

-

100

28 100

100

28 610

Patient 10

120

30 050

120

25 810

122

27 980

Patient 13

-

-

95

28 800

96

29 390

Patient 14

80

21 720

70

18 120

70

20 470

▼ 36 

Für die graphische Darstellung wurde bei der geringen Fallzahl zum Vergleich beider Methoden der Passing-Bablok-Plot verwendet (Abb. IV.9). In der linearen Regression nach Passing und Bablok (74) unterschieden sich Bronchoskopie und Computertomographie bei einem großen 95%-CI jedoch weder hinsichtlich der Steigung noch hinsichtlich des x-Achsenabschnitts () signifikant (Tab. IV.3). Damit ist bei den vorliegenden Messungen nicht von einem systematischen Messfehler auszugehen.

    
 

y = -1991 + 1,05 x

[-11140; 994]

[0,88; 1,41]


▼ 37 

Abbildung IV.9: Klinische Volumenmessung mit einer Laserlichtmarkierung in einem Abstand von 17 mm zur Bronchoskopspitze. Dargestellt ist im Passing-Bablok-Plot der Zusammenhang von computertomographisch ermittelten Volumina (x-Achse) und bronchoskopisch gemessenen Volumina (y-Achse). Die durchgezogene Linie kennzeichnet die Regressionsgerade, die gestrichelten Linien kennzeichnen die Grenzen des 95%-Konfidenzintervalls.

Die Rekonstruktion der Objektoberfläche, das sogenannte , und die Visualisierung der vermessenen Modelle konnten mit den online gewonnen 3D-Datensätzen über das Softwareprogramm Amira (Version 2.3 für Windows, ZIB, Berlin 1999-2003, Indeed – Visual Concepts GmbH, Berlin) problemlos umgesetzt werden. Die Modelle wurden mit einer Schichtsequenz von 1 mm (Abb. IV.9-11) wesentlich detaillierter dargestellt als die aus den klinischen Untersuchungen erhobenen Datensätze mit einem Schichtabstand von 5 mm (Abb. IV.12).

Abbildung IV.10: Visualisierung von 3D-Datensätzen der Kunststoffzylinder. Abgebildet ist der Zylinder Nr. 5 mit 9,25 mm Durchmesser und 29 mm Länge in 1-mm-Querschnittschichtung.

▼ 38 

Die rekonstruierten Modelle bzw. Atemwegsabschnitte konnten aus jedem Blickwinkel betrachtet und beliebige Distanzen ausgemessen werden. Abbildung IV.10 zeigt dies exemplarisch am Beispiel des Präparates 16 aus Schweinetrachea.

Die Abbildung IV.11 zeigt die dreidimensionale Darstellung des künstlichen Atemwegsmodells mit einer Stenose, die nur von der querschnittsmarkierenden Lasersonde, nicht aber vom Bronchoskop passiert werden konnte. Der poststenotische Bereich wird so weit in Längsrichtung dargestellt, wie die Lasersonde über das Bronchoskop hinausreichte, in diesem Fall 15 mm. Ein sogenannter blinder Bereich, der entsteht, wenn der Durchmesser des Atemwegs sich abrupt ändert und der stenotische Bereich die Sicht auf die Laserlichtmarkierung verdeckt, entstand bei der Konfiguration dieses Stenosemodells nicht.

Abbildung IV.11: Visualisierung von Modell 10 aus Schweinetrachea aus 1-mm-Schichtsequenzen. Nach dem rendering sind beliebige Distanzen bestimmbar.

▼ 39 

Abbildung IV.12: Visualisierung des Modells der Sanduhrstenose aus 1-mm-Schichtsequenzen. Der poststenotische Bereich (links hinten im Bild) wird nur etwa 15 mm weit rekonstruiert, da das Bronchoskop die Stenose nicht passieren kann.

Als Beispiel für die Visualisierung der klinisch untersuchten Atemwegsabschnitte ist in Abbildung IV.12 die Trachea von Patient 3 abgebildet, deren Querschnittsdaten im Abschnitt IV.4.1 und IV.4.2 vorgestellt werden. Deutlich ist die Lumenverengung durch die Kompressionsstenose auf der Abbildung IV.12 links vorne bis etwa zur Mitte des rekonstruierten Trachealabschnitts sichtbar.

Abbildung IV.13: Visualisierung der Patiententrachea 3 in 5-mm-Schichtsequenz. Blick von kranial. Deutlich sichtbar ist eine langstreckige Stenose, die klinisch als Kompressionsstenose imponierte.


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25.04.2006