11 Zusammenfassung und Ausblick

Die MRT-gestützte Gewebebiopsie findet eine hohe Bedeutung bei der differentialdiagnostischen Beurteilung von Brusttumoren, speziell wenn die Röntgen- und Ultraschallmammographie den Befund nicht so darstellen, dass eine normale Biopsie ausreichend sicher durchführbar ist. Geschlossene MR-Tomographen werden dabei aufgrund signifikanter Vorteile gegenüber offenen Geräten bevorzugt eingesetzt. Die zur Zeit im klinischen Einsatz befindlichen Biopsieeinrichtungen ermöglichen jedoch aus Platz- und Kompatibilitätsgründen keinen direkten Eingriff im geschlossenen MRT. Als ein großer Nachteil muss der Patient heute aus dem MRT-Untersuchungsbereich verlagert werden; unter Umständen sind mehrfache Repositionierungen zur Anfertigung von Kontrollaufnahmen notwendig. Die Konsequenzen sind zeitaufwendige Untersuchungen, zunehmende Patientenbelastung und mögliche Deplazierungen der abzuklärenden Zielregion. Hinzu kommen die gerätetechnischen Defizite, wodurch Biopsien von Tumorarealen unter 10 mm Größe oft nicht mehr möglich sind.

Im Vergleich zu den heutigen MR-mammadiagnostischen Biopsiemethoden stellt die vorliegende Arbeit einen neuen Ansatz vor, der die bildgebende Untersuchung beider Mammae und die anschließende Durchführbarkeit von präzisen Biopsien direkt im Isozentrum eines geschlossenen MR-Tomographen ermöglicht. Hierzu wurde ein komplett neuartiges Biopsiesystem entwickelt, das die Vorteile der MRT nutzt und neben einer hohen Zielgenauigkeit keine Patientenverlagerung während der gesamten Untersuchung mehr erfordert. Dieses Biopsiesystem könnte seine Anwendung speziell in der Brustkrebsfrühdiagnostik zur Abklärung von Kleintumoren unter 1 cm Größe finden. Ein derartiges System war dem Stand der Technik nicht bekannt, wie umfangreiche Recherchen zu Beginn dieser Arbeit darlegten. Insofern wurde in methodischer, technologischer und wissenschaftlicher Sicht Neuland betreten. Das derartige Systeme noch am Anfang ihrer Entwicklung standen, ließ sich auf [Seite 123↓]verschiedene Faktoren zurückführen. Zum Teil mangels Erfahrungen in Bezug auf die Realisierung komplexer Handhabungssysteme für Anwendungen in MR-tomographischen Umgebungen, zum anderen aufgrund des hohen Forschungs- und Entwicklungsaufwandes und den damit verbundenen Kosten. Ein wesentlicher Aspekt liegt hier in den extremen Randbedingungen geschlossener MR-Tomographen, aufgrund ihrer räumlichen Enge im Untersuchungsbereich und der starken Magnetfelder, begründet. Das technische System muss ferner die störungsfreie Bildgebung, auch durch den vermehrten Einsatz von Fremdmaterialien, erfüllen.

Ausgehend von der Problemanalyse und Zieldefinition dieser Arbeit wurden zunächst in mehreren konzeptionellen Schritten grundlegende Ansätze und Funktionsprinzipien für dieses Biopsiesystem festgelegt. Besonders hervorzuheben ist die Interventionsmethode, die sich von anderen Systemen in der Art unterscheidet, dass eine Patientin in der Bauchlage gemeinsam mit der Biopsieeinrichtung im MRT-Tunnel platziert werden kann, wobei der Eingriff in einem flachen Arbeitsraum unterhalb der Patientin erfolgt. Für die bildgebende diagnostische Untersuchung wurde eine neu entwickelten MR-Mamma-Doppel-Spule (Philips) angeschafft, die hochauflösende simultane Untersuchungen beider Mammae ermöglicht. Auf der Basis eines neuartigen Mamma-Stabilisierungssystems mit vier individuell verstellbaren Fixationsplatten können Interventionen vorteilhafterweise nicht nur an beiden Mammae, sondern auch von der Kopf- und Fußseite (cranial-caudal) im MR-Tomographen durchgeführt werden. Ein besonderes Merkmal liegt ferner in der Möglichkeit, räumliche Nadelinklinationen um einen invarianten Punkt durchzuführen, wodurch mit hoher Genauigkeit annähernd jede Zielregion zwischen den Fixationsplatten (komprimierte Mamma) erreicht werden kann. Die Platten enthalten hierfür spezielle Aussparungen zur Aufnahme und Applikation des medizinischen Instrumentes, deren Anordnung und Form zur Minimierung des bioptischen Totraumes bei grösstmöglicher Anpressfläche optimiert wurde. Die Nadel ist hierbei in einem invarianten Punkt abgestützt und gelagert, so dass größeren Nadeldurchbiegungen entgegengewirkt werden kann. Dieses Konzept ist in dieser Form bisher einmalig. Mittels einer besonderen Bewegungskinematik lassen sich die für die räumliche Navigation der Nadel benötigten 5 Freiheitsgrade mit nur drei aktiven Linearantrieben realisieren, wobei ein hohes Mass in der Präzision der Nadelausrichtung, aber auch steuerungstechnische und konstruktive Vorteile erreicht werden. Problematisch war die Suche nach MR-kompatiblen Antriebssystemen zur Steuerung der Linearantriebe, da konventionelle Antriebslösungen für diese Aufgabe nicht in Frage kamen. Hierzu wurden mehrere Tests und Recherchen durchgeführt, die Auswahl fiel zuletzt auf piezoelektrische Motoren, die aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften für präzise Steuerungsaufgaben, insbesondere für den Einsatz in starken Magnetfeldern, prädestiniert sind. Für die Durchführung der Gewebeentnahmen wurde ein neuartiges Hochgeschwindigkeits-Stanzbiopsieinstrument entwickelt, das aufgrund eines speziellen Steuerungsprinzips und neuer Aktuatortechnologien klein gehalten werden konnte und deshalb für Interventionen in engen Arbeitsräumen optimal geeignet ist. Das Instrument lässt sich im MRT-Isozentrum vollständig automatisch betreiben und ist für Biopsienadeln der Größe 14 G und Stanztiefen von 15 mm konzipiert. Eine patentierte Tiefenregulierung erlaubt Nadeleindringtiefen in die Brust bis maximal 60 mm in 0,5 mm Schrittweiten.

Zur Realisierung des Biopsiesystems waren umfangreiche wissenschaftliche Untersuchungen notwendig, da zu Beginn der Arbeit nur wenige hilfreiche Literaturquellen und Fachkenntnisse vorlagen. Ein Schwerpunkt lag dabei in MR-tomographischen Materialuntersuchungen, die das Ziel hatten, handelsübliche Konstruktionswerkstoffe im Hinblick auf ihre Verwendbarkeit für das Biopsiesystem zu testen. Hierzu wurden unterschiedliche metallische und nichtmetallische Probekörper im Isozentrum eines 1,5-Tesla MR-Tomographen positioniert und die Schnittbilder von Phantomobjekten auf Bildartefakte hin untersucht. Die Ergebnisse ermöglichten eine Klassifizierung der verwendeten Materialien in Relation zu Mindestabständen zum Phantom für artefaktfreie Schnittbilder. Nach ähnlicher Methodik erfolgten Untersuchungen des piezoelektrischen Systems. Zu den weiteren Untersuchungen zählten:

Die konstruktive Entwicklung diese Biopsiesystems forderte zahlreiche Neukonzeptionen und spezielle Systemkomponenten aus Kunststoff oder Faserverbundwerkstoff. Kritische Bauteile wie zum Beispiel [Seite 124↓]die Mamma-Kompressionsplatten und die Patientenauflage wurden dabei hinsichtlich ihrer Festigkeiten und Verformungen durch messtechnische oder analytische Hilfsmittel und Methoden (Finite-Elemente) überprüft und gestaltungstechnisch optimiert. Neben der gerätetechnischen Entwicklung wurden systemspezifische Softwareprogramme entwickelt, eine DICOM-unterstützende Planungssoftware mit benutzerfreundlicher Oberfläche zur automatischen Bestimmung der Zielkoordinaten gehört und das Steuerungsprogramm mit intuitiv zu bedienenden Eingabemasken für die Interventionsdurchführung, das sogleich auch eine netzwerkunabhängige Biopsieplanung ermöglicht. Sowohl die Planung als auch die Steuerung des Biopsiesystems kann über die entwickelte Gerätesteuerung, die sich im MRT-Raum befindet und mit einem LCD-Monitor ausgestattet ist, erfolgen. Die Referenzierung des Instrumentes auf das Punktionsziel erfolgt über signalsensitive MR-Marker in den Kompressionsplatten, die sich in den MR-Schnittbildern wiederfinden lassen. Vor der Biopsie wird das Instrument an der Kompressionsplatte an der die Intervention durchgeführt wird, kalibriert. In dieser Arbeit wurde die Machbarkeit eines neuartigen Ansatzes aufgezeigt und der realisierte Prototyp im MR-Tomographen erfolgreich getestet. Im Rahmen einer umfangreichen Evaluierung des Prototypen an Phantommodellen konnte eine hohe Präzision des Biopsiesystems kleiner 1 mm nachgewiesen werden. Wie die Tests gleichermaßen zeigten, ist das Biopsiesystem ausreichend MR-kompatibel, so dass von störungsfreien Bildern während der Intervention ausgegangen werden kann.

Summa Summarum

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen in wissenschaftlicher und entwicklungstechnischer Sicht, dass der verfolgte Ansatz, d.h. auch ein komplexes automatisiertes System für medizinische Anwendungen in geschlossenen MR-Tomographen mit hoher Genauigkeit realisierbar ist. Der in dieser Arbeit entwickelte Prototyp besitzt dabei klare Vorteile gegenüber herkömmlichen Einrichtungen, insbesondere in Bezug auf die Tumorerreichbarkeit und die Punktionsgenauigkeit. Zudem ließe sich mit diesem System ein Untersuchungstermin einsparen, da die diagnostische Bildgebung und Biopsie aufeinanderfolgend im MR-Tomographen erfolgen könnten. Für die MR-gestützte Mammadiagnostik könnte der neue Ansatz einen wertvollen Beitrag für präzise Gewebeentnahmen, insbesondere zur histologischen Abklärung von Kleintumoren leisten. Dies könnte zu einer wünschenswerten Verbesserung der Heilungschancen und der Überlebenswahrscheinlichkeit der Patienten führen. Zusammenfassend sollen die, mit diesem neuen Ansatz erreichten ausschlaggebenden Verbesserungen im Rahmen der MR-gestützen Mammauntersuchung, speziell mit geschlossenen MR-Tomographen, genannt werden:

  1. Verbesserung des klinischen Workflows durch Kombination einer Diagnostik- und Biopsiespule, so dass sowohl die bildgebende Diagnostik als auch die Intervention in einer Untersuchung stattfinden könnte.
  2. Verbesserung der Methode durch Vermeidung von nachteiligen Patientenverlagerungen (Fixierung suspekter Areale) zwischen den einzelnen Untersuchungsschritten und durch Minimierung der Interventionsdauer.
  3. Verbesserung der Genauigkeit der Methode dadurch, dass die Intervention mit Hilfe eines MR-kompatiblen automatischen Positioniersystems und Instrumentes direkt im MRT-Isozentrum präzise stattfinden kann und das die Punktion von der Fuß- oder Kopfseite machbar ist, um kürzere Punktionswege zu erhalten.

Das vorgestellte Biopsiesystem wurde patentiert und bereits erfolgreich auf der MEDICA und auf Fachtagungen präsentiert. Es bleibt zu hoffen, dass der vorgestellte Ansatz und die gewonnenen wissenschaftlichen und entwicklungstechnischen Ergebnisse dieser Arbeit auch einen Beitrag und Anstoß für zukünftige MRT-Interventionstechniken geben können. In diesem Zusammenhang soll abschließend auf zwei mögliche Neuansätze hingewiesen werden.

  1. Mit Hilfe von auswechselbaren oder kombinierbaren Instrumenten könnte dieses System einen zusätzlichen Beitrag zur Brustkrebstherapie leisten.
  2. Durch Systemmodifikation könnte das Interventionsspektrum auch auf andere anatomische Regionen übertragen werden.


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02.09.2004