”Integration magnetresonanztomographischer und
computertomographischer Daten mit isotropen Voxeln
in die Protonenbestrahlungsplanung
bei okularen Tumoren”

Habilitationsschrift

zur Erlangung der Venia legendi
für das Fach Diagnostische Radiologie

dem Fakultätsrat der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin
vorgelegt

von

Herrn Dr. med. Arne-Jörn Lemke

geboren am 21.02.1967 in Berlin

Präsident: Prof. Dr. Jürgen Mlynek

eingereicht: 13. Dezember 2000

habilitiert: 6. November 2001

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung
  • 1.1  Bildgebende Diagnostik okularer Tumoren
  • 1.2 Behandlung intraokularer Tumoren
  • 1.3 Bestrahlungsplanung für die Protonentherapie mit "Eyeplan"
  • 1.4 Ziel der Untersuchungen
• 2  Methodik
  • 2.1  Diagnostik okularer Tumoren
    • 2.1.1  Quantifizierung des Melaningehaltes von Aderhautmelanomen mit der MRT
    • 2.1.2 Erscheinungsbild des Aderhautmelanoms in der MRT
    • 2.1.3 Differentialdiagnostik Aderhautmelanom gegenüber anderen Tumoren
    • 2.1.4 Vergleich der MRT mit der Sonographie bezüglich der Erkennung von bulbusüberschreitendem Wachstum
    • 2.1.5 Genauigkeit der MRT bei der Tumorvolumetrie
      • 2.1.5.1  In-vitro-Experiment an isolierten Schweineaugen
      • 2.1.5.2 In-vivo-Vergleich zweier volumetrischer Verfahren bei Patienten mit Aderhautmelanomen und Aderhautmetastasen
  • 2.2 Erstellung von Datensätzen für die Bestrahlungsplanung von Augentumoren
    • 2.2.1  Erstellung isotroper MRT-Datensätze
      • 2.2.1.1  Vergleich von Oberflächenspulen unterschiedlicher Größe
      • 2.2.1.2 MR-Phantom zur Bestimmung der geometrischen Genauigkeit
      • 2.2.1.3 Schichtdickenphantom
    • 2.2.2 Erstellung isotroper CT-Datensätze
      • 2.2.2.1  Multiplanare Reformatierungen auf der Basis von Spiral-CT-Datensätzen
      • 2.2.2.2 Überprüfung der gemessenen CT-Dichte mit gewebeäquivalentem Phantom
    • 2.2.3 Evaluierung verschiedener Clipmaterialien in CT, MRT und Durchleuchtung
    • 2.2.4 Bildfusion von CT- und MRT-Bilddaten
      • 2.2.4.1  Interne Überprüfung der Registrierungsgenauigkeit mit Gelphantom
      • 2.2.4.2 Externe Überprüfung der Registrierungsgenauigkeit im Rahmen des Vanderbilt-Projektes
      • 2.2.4.3 Patientenuntersuchungen Bildfusion mittels Landmarken-basierter Registrierung
      • 2.2.4.4 Patientenuntersuchungen Bildfusion mittels Voxel-basierter Registrierung
• 3 Ergebnisse
  • 3.1  Diagnostik okularer Tumoren
    • 3.1.1  Quantifizierung des Melaningehaltes von Aderhautmelanomen mit der MRT
    • 3.1.2 Erscheinungsbild des Aderhautmelanoms in der MRT
    • 3.1.3 Differentialdiagnostik Aderhautmelanom gegenüber anderen Tumoren
    • 3.1.4 Vergleich der MRT mit der Sonographie bezüglich der Erkennung von bulbusüberschreitendem Wachstum
    • 3.1.5 Genauigkeit der MRT bei der Tumorvolumetrie
      • 3.1.5.1  In-vitro-Experiment an isolierten Schweineaugen
      • 3.1.5.2 In-vivo-Vergleich zweier volumetrischer Verfahren bei Patienten mit Aderhautmelanomen und Aderhautmetastasen
  • 3.2 Erstellung von Datensätzen für die Bestrahlungsplanung von Augentumoren
    • 3.2.1  Erstellung isotroper MRT-Datensätze
      • 3.2.1.1  Vergleich von Oberflächenspulen unterschiedlicher Größe
      • 3.2.1.2 MR-Phantom zur Bestimmung der geometrischen Genauigkeit
      • 3.2.1.3 Schichtdickenphantom
    • 3.2.2 Erstellung isotroper CT-Datensätze
      • 3.2.2.1  Multiplanare Reformatierungen auf der Basis von Spiral-CT-Datensätzen
      • 3.2.2.2 Überprüfung der gemessenen CT-Dichte mit gewebeäquivalentem Phantom
    • 3.2.3 Evaluierung verschiedener Clipmaterialien in CT und MRT
    • 3.2.4 Bildfusion der CT- und MRT-Bilddaten
      • 3.2.4.1  Interne Überprüfung der Registrierungsgenauigkeit mit Gelphantom
      • 3.2.4.2 Externe Überprüfung der Registrierungsgenauigkeit im Rahmen des Vanderbilt-Projektes
      • 3.2.4.3 Patientenuntersuchung Bildfusion mittels Landmarken-basierter Registrierung
      • 3.2.4.4 Patientenuntersuchung Bildfusion mittels Voxel-basierter Registrierung
• 4  Diskussion
  • 4.1  Diagnostik okularer Tumoren
    • 4.1.1  Quantifizierung des Melaningehaltes von Aderhautmelanomen mit der MRT
    • 4.1.2 Erscheinungsbild des Aderhautmelanoms in der MRT
    • 4.1.3 Differentialdiagnostik Aderhautmelanom gegenüber anderen Tumoren
    • 4.1.4 Vergleich der MRT mit der Sonographie bezüglich der Erkennung von bulbusüberschreitendem Wachstum
    • 4.1.5 Genauigkeit der MRT bei der Tumorvolumetrie
      • 4.1.5.1  In-vitro-Experiment an isolierten Schweineaugen
      • 4.1.5.2 In-vivo-Vergleich zweier volumetrischer Verfahren bei Patienten mit Aderhautmelanomen und Aderhautmetastasen
  • 4.2 Erstellung von Datensätzen für die Bestrahlungsplanung von Augentumoren
    • 4.2.1  Erstellung isotroper MRT-Datensätze
      • 4.2.1.1  Vergleich von Oberflächenspulen unterschiedlicher Größe
      • 4.2.1.2 MR-Phantom zur Bestimmung der geometrischen Genauigkeit
      • 4.2.1.3 Schichtdickenphantom
    • 4.2.2 Erstellung isotroper CT-Datensätze
      • 4.2.2.1  Multiplanare Reformatierungen auf der Basis von Spiral-CT-Datensätzen
      • 4.2.2.2 Überprüfung der gemessenen CT-Dichte mit gewebeäquivalentem Phantom
    • 4.2.3 Evaluierung verschiedener Clipmaterialien in CT, MRT und Durchleuchtung
    • 4.2.4 Bildfusion von CT- und MRT-Bilddaten
      • 4.2.4.1  Interne Überprüfung der Registrierungsgenauigkeit mit Gelphantom
      • 4.2.4.2 Externe Überprüfung der Registrierungsgenauigkeit im Rahmen des Vanderbilt-Projektes
      • 4.2.4.3 Patientenuntersuchungen Bildfusion mittels Landmarken-basierter Registrierung
      • 4.2.4.4 Patientenuntersuchungen Bildfusion mittels Voxel-basierter Registrierung
• 5 Zusammenfassung
• Literaturanhang
• Danksagung
• Eidesstattlicher Erklärung:

Tabellen

• Tab. 3-1: Qualitative Auswertung der Pigmentierung im Vergleich MRT vs. Histologie,  Übereinstimmung in 58% (T1-Gewichtung) bzw. 53% (T2-Gewichtung)
• Tab. 3-2: Quantitative Auswertung der Pigmentierung im Vergleich MRT vs. Histologie, Übereinstimmung in 86% (T1-Gewichtung) bzw. 26% (T2-Gewichtung)
• Tab. 3-3: Morphologische Parameter bei häufigen Bulbustumoren (absolute Fallzahlen in Klammern)  (* eine intraokulare Metastase eines Melanoms wurde wegen der geringen Größe nicht berücksichtigt)
• Tab. 3-4: Signalverhalten von Bulbustumoren in der T1-Gewichtung im Vergleich zum Glaskörper
• Tab. 3-5: Signalverhalten von Bulbustumoren in der T2-Gewichtung im Vergleich zum Glaskörper
• Tab. 3-6: Dosisabschätzung für 2-mm-Inkremental-CT und 1-mm-Spiral-CT der Orbita [69,70]
• Tab. 3-7: Diagnosen und Qualitätsparameter der 30 orbitalen Raumforderungen
• Tab. 3-8: Gemessene Dichtewerte der gewebeäquivalenten Testzylinder (mit Standardabweichungen) im Vergleich zu den theoretischen CT-Werten und den gemessenen Referenzwerten aus Villingen
• Tab. 3-9: Mediane Fehler für die CT/MRT-Registrierung, Ergebnisses des Vanderbilt-Projektes
• Tab. 3-10: Maximale Fehler für die CT/MRT-Registrierung, Ergebnisses des Vanderbilt-Projektes

Bilder

• Abb. 1-1: Ophthalmoskopischer Blick auf ein typisches Aderhautmelanom
• Abb. 1-2: Dopplersonographische Darstellung eines Aderhautmelanoms  (links vor und rechts nach intravenöser Signalverstärkerapplikation)
• Abb. 1-3: Magnetresonanztomographisches Bild eines Aderhautmelanoms, links T1-Gewichtung nach intravenöser Gabe eines paramagnetischen Kontrastmittels, rechts T2-Gewichtung
• Abb. 1-4: Metallartefakte in der MRT des Gesichtsschädels durch eine Metallplatte, die nach Orbitabodenfraktur implantiert worden war
• Abb. 1-5: CT-Bild eines Aderhautmelanoms (links Melanom, rechts Artefakte durch Tantalum-Clips)
• Abb. 1-6: Zyklotron des Hahn-Meitner-Institutes Berlin
• Abb. 1-7: Dosisprofile verschiedener Strahlenarten
• Abb. 1-8: Auf den Bulbus aufgenähte Tantalum-Clips an einem enukleierten Auge
• Abb. 1-9: Collage mehrerer Fundusfotos mit Markierung von drei Tantalum-Clips am Tumorrand sowie einem vierten Clip auf etwa 9.30 Uhr und Einzeichnung des Bestrahlungszielvolumens
• Abb. 1-10: Bestrahlungsplan in der Planungssoftware „Eyeplan“ aus zwei verschiedenen Blickrichtungen mit Leitstrukturen (Bulbuswand, Tumor, Sehnerv, Macula, Clips), Bestrahlungsvolumen und Isodosen
• Abb. 1-11: Positionierung des Patienten in der Bestrahlungseinrichtung des Hahn-Meitner-Institutes
• Abb. 1-12: Röntgenkontrolle der Tantalum-Clips am Bestrahlungsgerät vor Bestrahlungsbeginn
• Abb. 2-1: Oberflächenspule für das Siemens Magnetom SP63 (5 cm Durchmesser) mit  einer Schwimmbrille, die zur Fixierung der Spule am Patienten verwendet wird
• Abb. 2-2: Tumorformen, die bei Aderhautmelanomen beobachtet werden können
• Abb. 2-3: Oberflächenspulen für das Philips Gyroscan (8 cm und 5 cm Durchmesser)
• Abb. 2-4: Plexiglas-Phantom zur Bestimmung der geometrischen Genauigkeit
• Abb. 2-5: Schichtdicken-Phantom für die MRT (Testmessung) an 10 Scheiben
• Abb. 2-6: 16 exemplarische Schichten des Schichtdicken-Phantoms, mit den keilförmigen  Aussparungen, die von Schicht zu Schicht um 22,5° treppenartig verschoben sind
• Abb. 2-7: Schichtdicken-Phantom für die MRT mit 306 Scheiben à 0,1 mm vor Anbringung der längs zum Phantom verlaufenden Schrauben
• Abb. 2-8: Phantom zur Überprüfung von CT-Dichtewerten (rechts Detail)
• Abb. 2-9: Kommerzielle Tantalum-Clips zur Markierung von Aderhaut- melanomen (im Größenvergleich zu einer Büroklammer)
• Abb. 2-10: Exemplarisches Vorgehen bei der manuellen Editierung der Marker am Beispiel  der MRT (linke Spalte), der CT (mittlere Spalte) und der PET (rechte Spalte), die  Bilddaten stammen aus einer Publikation der Vanderbilt-Universität [147]
• Abb. 3-1: Gemischt-pigmentiertes Aderhautmelanom (rechtes Auge), links oben MRT-Schicht T1-gewichtet, rechts oben MRT-Schicht T2-gewichtet, links unten ophthalmoskopischer Blick,  rechts unten histologisches Präparat (T=Melanom, G=Glaskörper, E=subretinale Effusion,  O=Nervus opticus, S=Sklera, R=Retina, Z=Ziliarkörper, L=Linse)
• Abb. 3-2: Stark pigmentiertes Aderhautmelanom (rechtes Auge), links oben MRT-Schicht T1- gewichtet, rechts oben MRT-Schicht T2-gewichtet, links unten ophthalmoskopischer Blick,  rechts unten histologisches Präparat (M= Melanom, G= Glaskörper, E= subretinale Effusion,  O= Nervus opticus, S= Sklera, L= Linse)
• Abb. 3-3: Mittelstark pigmentiertes Aderhautmelanom (linkes Auge), links oben MRT-Schicht T1-gewichtet, rechts oben MRT-Schicht T2-gewichtet, links unten ophthalmoskopischer Blick,  rechts unten histologisches Präparat (T=Melanom, G=Glaskörper, E=subretinale Effusion,  O=Nervus opticus, S=Sklera, R= Retina, L= Linse)
• Abb. 3-4: Amelanotisches Melanom (rechtes Auge), links oben MRT-Schicht T1-gewichtet, rechts oben MRT-Schicht T2-gewichtet, links unten ophthalmoskopischer Blick, rechts unten histologisches Präparat  (T=Melanom, G=Glaskörper, E=subretinale Effusion, O=Nervus opticus, S=Sklera, R=Retina, L=Linse)
• Abb. 3-5: Hügelförmiges Aderhautmelanom (rechtes Auge), links MRT-Schicht T1-gewichtet, rechts MRT-Schicht T2-gewichtet (T=Melanom, G=Glaskörper, E=subretinale Effusion, L=künstliche Linse)
• Abb. 3-6: Pilzförmiges Aderhautmelanom (rechtes Auge), links MRT-Schicht T1-gewichtet, rechts MRT-Schicht T2-gewichtet (T=Melanom, G=Glaskörper, E=subretinale Effusion, L=künstliche Linse)
• Abb. 3-7: Flaches, linsenförmiges Aderhautmelanom (rechtes Auge), links MRT-Schicht T1-gewichtet, rechts MRT-Schicht T2-gewichtet (T=Melanom, G=Glaskörper, L=Linse)
• Abb. 3-8: Gemischt pigmentiertes Aderhautmelanom (linkes Auge), links MRT-Schicht T1-gewichtet, rechts MRT-Schicht T2-gewichtet (T=Melanom, G=Glaskörper, E=subretinale Effusion, L=Linse)
• Abb. 3-9: Amelanotisches Aderhautmelanom (rechtes Auge), links oben MRT-Schicht T1-gewichtet nativ, rechts oben nach Kontrastmittelgabe, links unten MRT-Schicht T2-gewichtet  (T=Melanom, G=Glaskörper, E=subretinale Effusion, L=Linse)
• Abb. 3-10: Bulbusmetastasen (3 Herde), MRT-Schicht T1-gewichtet in  koronarer Schichtführung (T=Metastasen, G=Glaskörper)
• Abb. 3-11: Tumorformen, die bei den häufigsten Bulbustumoren auftreten
• Abb. 3-12: Tumorformen bei Bulbustumoren in der MRT, links oben rasenförmiger Tumor (Metastase), rechts oben flacher Tumortyp (Aderhautmelanom), links unten hügelartige Form (Metastase), rechts unten pilzförmiger Tumor (Aderhautmelanom) (T=Melanom/Metastase, G=Glaskörper, L= Linse)
• Abb. 3-13: Ziliarkörperinfiltration eines Aderhautmelanoms anterior des Bulbusäquators,  MRT-Schicht T1-gewichtet nach Kontrastmittelgabe  (T=Melanom mit Ziliarkörperinfiltration, L=Linse, O=Nervus opticus)
• Abb. 3-14: Aderhautmelanom mit retroorbitalem Tumor, MRT-Schicht T1-gewichtet nach Kontrastmittelgabe (T=Melanom mit retrobulbärem Anteil (Pfeil), G=Glaskörper, E=subretinale Effusion)
• Abb. 3-15: Aderhautmelanom mit Optikusinfiltration, links MRT-Schicht T1-gewichtet nativ, rechts MRT-Schicht T1-gewichtet nach Kontrastmittelgabe (T=Melanom, G=Glaskörper, E=subretinale Effusion, I=Optikusinfiltration und aufgeweitete Optikusscheide, L=Kunstlinse)
• Abb. 3-16: Bulbusmetastase mit ausgedehnter Effusion, MRT-Schicht T1-gewichtet  (T=Metastase, E=subretinale Effusion, L=Linse, O=Nervus opticus)
• Abb. 3-17: Signalintensität von Aderhautmelanomen in der MRT (T1-gewichtet) in Abhängigkeit vom Grad der Pigmentierung, links oben hohe Signale bei hohem Melaningehalt, rechts oben mittlere Signalintensitäten bei mittlerem Pigmentierungsgrad, links unten niedrige Signale bei amelanotischem Melanom (T=Melanom, G=Glaskörper, E=subretinale Effusion, L=Linse, O=Nervus opticus)
• Abb. 3-18: Typisches Retinoblastom, links MRT-Schicht T1-gewichtet, rechts MRT-Schicht  T2-gewichtet (T=Retinoblastom, G=Glaskörper, E=subretinale Effusion, L= Linse)
• Abb. 3-19: Typisches Hämangiom des Bulbus, links oben MRT-Schicht T1-gewichtet nativ, rechts oben MRT-Schicht T1-gewichtet nach Kontrastmittelgabe, links unten MRT-Schicht T2-gewichtet  (T= Melanom, G= Glaskörper, L= Kunstlinse)
• Abb. 3-20: Optikusinfiltration eines Aderhautmelanoms (histologisch gesichert)  nachweisbar in der MRT (links, Pfeil), falsch negativ in der Sonographie (rechts)
• Abb. 3-21: Extrabulbäres Tumorwachstum eines Aderhautmelanoms, nachweisbar als  signalreiche Raumforderung außerhalb des Bulbus in der MRT (links, Pfeil) und als  echoarme Raumforderung in der Sonographie (rechts, Pfeil)
• Abb. 3-22: Vergleich des MR-Bildes eines präparierten tumorfreien Schweineauges (links) mit dem MRT-Bild eines menschlichen Tumor-tragenden Auges (rechts) (L=Linse, T=Melanom)
• Abb. 3-23: Beispiele für unterschiedliche Formen der erzeugten Tumoren in präparierten Schweineaugen, links runde Tumorform, rechts pilzförmiger Tumor (T=künstlicher Tumor, L=Linse)
• Abb. 3-24: Präpariertes Schweineauge, links Original-MRT-Bild (T1-Gewichtung),  rechts nach halbautomatischer Segmentierung (rot schraffiert)
• Abb. 3-25: Korrelation zwischen gemessenem und realem  Volumen des künstlichen Tumors mit Regressionsgeraden
• Abb. 3-26: Gegenüberstellung der Tumorvolumina, die mit  „summation of area“- und Durchmesser-Methode bestimmt wurden
• Abb. 3-27: Vergleich von MRT-Aufnahmen mit Oberflächenspulen unterschiedlichen Durchmessers, links geringeres Signal-Rausch-Verhältnis mit der 8-cm-Spule, rechts 5-cm-Spule
• Abb. 3-28: Vergleich der obersten (links) und untersten (rechts) MRT-Schicht mit überlagertem 1-cm-Gitternetz (grün) und der fotografisch nachgewiesenen Position der Spitze der 100 Bohrungen (rot)
• Abb. 3-29: 9 exemplarische MRT-Schichten mit einer Schichtdicke von 0,6 mm im Abstand  von 3,0 mm, links oben Spulen-nahe Schicht, rechts unten Spulen-ferne Schicht
• Abb. 3-30: Vergleich der MRT-Bilder des Schichtdickenphantoms mit unterschiedlichen Schichtdicken, links oben 0,3 mm, rechts oben 0,4 mm und links unten 0,6 mm Schichtdicke
• Abb. 3-31: Vergleich transversaler Originalschichten mit einer Schichtdicke von 1 mm (links) und  2 mm (rechts) und den dazugehörigen koronaren und sagittalen Reformatierungen
• Abb. 3-32: Tränendrüsenlymphom in der dünnschichtigen Computertomographie,  links transversale 1-mm-Originalschicht, rechts koronare Reformatierung
• Abb. 3-33: Optikusgliom in der dünnschichtigen Computertomographie,  links transversale 1-mm-Originalschicht, rechts koronare Reformatierung
• Abb. 3-34: Neuritis N. optici in der dünnschichtigen Computertomographie,  links transversale 1-mm-Originalschicht, rechts koronare Reformatierung
• Abb. 3-35: Transversale CT-Bilder der sechs Probenzylinder von oben nach unten
• Abb. 3-36: Koronares CT-Bild der sechs Probenzylinder im wassergefüllten Phantom
• Abb. 3-37: Tantalum-Clip in der computertomographischen Darstellung  (links Weichteilfenster, rechts Knochenfenster)
• Abb. 3-38: Zirkonium-Clip in der computertomographischen Darstellung  (links Weichteilfenster, rechts Knochenfenster)
• Abb. 3-39: Magnetresonanztomographische in-vivo-Darstellung eines Tantalum-Clips (links)  und eines Zirkonium-Clips (rechts) (jeweils T1-gewichtete Sequenz)
• Abb. 3-40: Fusionierter Datensatz des sogenannten Koordinatenkastens, Kodierung der  Metallmarker aus der CT-Untersuchung (rot) und des Gels (weiß) innerhalb des  Kunststoffkastens aus der MRT-Untersuchung, der in beiden Modalitäten nicht dargestellt ist
• Abb. 3-41: Dreidimensionale Darstellung des gleichen Datensatzes,  Metallmarker aus der CT-Untersuchung (rote Kugeln) und  der Gelfüllung (weiß) des Kunststoffkastens aus der MRT
• Abb. 3-42: Einzelschichten eines CT-Datensatzes (kleines Sehnerv-nahes Aderhautmelanom), 0,5 mm Schichtdicke, links oben Weichteilfenster mit Darstellung der zwei Clips (Pfeile), links unten korrespondierend Knochenfenster, rechts oben Clips am Tumorrand (Pfeil), rechts unten Knochenfenster
• Abb. 3-43: Einzelschichten des MRT-Volumendatensatzes desselben Patienten, 0,3 mm Schichtdicke,  T1-Gewichtung, links Schicht kranial des Tumors auf Höhe der Linse (L) mit zwei Clips (Pfeile),  rechts Schicht auf Höhe des Tumors (T) und des Sehnerven mit einem Clip (Pfeil)
• Abb. 3-44: Landmarken-basierte Bildfusion desselben Patienten, links unregistrierter Datensatz  mit den segmentierten Clips aus der CT (orange Kugeln) und der MRT (blaue Kugeln), rechts  nach erfolgter Registrierung MRT-Schicht mit zwei überlagerten CT-Clips
• Abb. 3-45: Voxel-basierte Bildfusion eines Patienten mit Aderhautmelanom des rechten Auges, linke Spalte MRT mit exemplarischen 0,3-mm-Schichten und nur mäßiger Erkennbarkeit der Clips (Pfeile), mittlere Spalte CT in 0,5-mm-Schichten, Knochenfensterdarstellung, rechte Spalte Bildfusion der CT- und MRT-Daten, die MRT-Bilder wurden für die Fusion automatisch um 25° gedreht
• Abb. 3-46: Voxel-basierte Bildfusion desselben Patienten mit Aderhautmelanom (rosa), Linse (weiß) im  Verhältnis zu den Markierungsclips aus der CT (rot) und MRT (grün), geringe Abweichungen der MRT-basiert segmentierten Clips (rot) von den CT-basiert segmentierten Clips (grün) aufgrund von Augenbewegungen bei insuffizienter Retrobulbäranästhesie