Yoshimi Teresa Sugano: Bronchoskopische Vermessung und dreidimensionale Darstellung der Trachea |
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Aus der Medizinischen Klinik mit Schwerpunkt Kardiologie, Angiologie und Pneumologie (Campus Mitte)
der Medizinischen Fakultät der Charité - Universitätsmedizin Berlin
DISSERTATION
Bronchoskopische Vermessung und dreidimensionale Darstellung der Trachea
Zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor medicinae (Dr. med.)
vorgelegt der Medizinischen Fakultät
der Charité – Universitätsmedizin Berlin
von
Yoshimi Teresa
Sugano
aus Düsseldorf
Dekan: Prof. Dr. med. Martin Paul
Gutachter:
1. Prof. Dr. med. Ch. Witt
2. Prof. Dr. med. O. Kaschke
3. Prof. Dr. med. K. Häußinger
Datum der Promotion: 13. Februar 2006
meiner Familie
Zusammenfassung
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist ein neues bronchoskopisches Verfahren entwickelt und getestet worden, mit dem eine Längs- und Querschnittsvermessung zentraler Atemwegesstenosen in Echtzeit ermöglicht wird und anschließend eine 3D-Rekonstruktion des untersuchten Abschnitts dargestellt werden kann.
Für die Querschnittsflächenbestimmung wird durch den Arbeitskanal des Bronchoskops eine Lasersonde eingeführt und ein Laserlichtring auf die Trachealwand projiziert. Die Abbildung des Lichtrings wird im bronchoskopischen Bild noch während der Untersuchung mit Hilfe einer speziell im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Software Endo3D segmentiert und vermessen. Durch Speichern aufeinanderfolgender Querschnittsflächen kann ein 3D-Datensatz erstellt, visualisiert und das Volumen berechnet werden.
Experimentell wurde die Methode an Kunststoffmodellen mit bekannten Maßen und Präparaten aus Schweineluftröhren getestet. Die Referenzwerte für die Volumen der Schweineluftröhren wurden durch Wasservolumetrie bestimmt. Klinisch wurde die Methode in einer Pilotstudie getestet. Bei 10 Patienten wurden Querschnitte und Volumen unterschiedlich langer Trachealabschnitte vermessen. Als Vergleichsmethode wurde jeweils eine CT durchgeführt.
Die Ergebnisse im experimentellen Teil zeigten bei sehr guter Reproduzierbarkeit eine gute Korrelation zwischen den bronchoskopisch gemessenen Werten und den realen bzw. Referenzwerten. Die Korrelation der klinischen Ergebnisse erwies sich als befriedigend ohne Hinweis auf einen systematischen Fehler. Ein kleiner systematischer Messfehler im experimentellen Teil zeigte sich als irrelevant für die Klinik.
Die hier vorgestellte Methode ermöglicht untersucherunabhängige Verlaufsbeschreibungen von Stenosen und erlaubt die Schaffung einer einheitlichen Klassifikation. Darüber hinaus ist damit zukünftig eine individualisierten Stentimplantation sowie Tumorvolumenberechnungen denkbar.
Eigene Schlagworte:
Bronchoskopie, dreidimensional, Stenose, Trachea
Abstract
In this paper a new bronchoscopic method was developed and tested, that performs measuring both cross-sectional areas and length of central airway stenoses in real-time. Furthemore this method enables to represent a three-dimensional reconstruction of the airway section that was analysed. To measure th cross-section area, a laser probe inserted into the operating channel of a bronchoscope projects a ring of light onto the trachal wall and marks the cross-sectional area. A new software especially developed for this method makes it possible to identify the projected ring of light and measures the cross-sectional area after applying lens distortion correction algorithms. By saving a succession of cross-sections 3D-data is provided for visualizing and volume calculation.
The measuring accurracy was first tested employing plastic tubes with known diameters and 17 models of porcine trachea. The cilinical evaluation was realized in a pilot study. Sections of different length of tracheas of 10 patients were analysed by both the new method and by CT.
The results of the experimental part showed good correlation between the reference methods and a very good reliability. The correlation between CT and bronchoscopic measuring results was slightly less good than the experimental correlation, but they showed no systematic measuring error. A little systematic error in the experimental evaluation prooved to be irrelevant for clinical results.
The new method enabels objective description of stenoses and makes it possible to develop a standardized classification. In future indvidual stent construcions or calculation of tumor volumes are conceivable.
Keywords:
bronchoscopy, three-dimensional, stenosis, trachea
Inhaltsverzeichnis
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I Einleitung
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II Zielsetzung
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III Material und Methoden
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III.1
Methode
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III.1.1 Abstandsbestimmung und Querschnittsmarkierung
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III.1.2 Halbautomatisierte Identifikation der Laserlichtmarkierung
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III.1.2.1 Berichtigung der von der Sonde verdeckten Bereicht
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III.1.2.2 Verstellbare Parameter zur besseren Erkennung der Laserlichtmarkierung
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III.1.3 Computergestützte Querschnittsflächenbestimmung
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III.1.4 Erstellen und Speichern eines 3D-Datensatzes
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III.1.5 Visualisierung des 3D-Datensatzes und Volumenbestimmung
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III.2
Evaluierung der Methode
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III.2.1 Validierung an Kunststoffmodellen
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III.2.2 Validierung an Schweineluftröhren
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III.2.3 Validierung an einem künstlichen Stenosemodell
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III.2.4 Klinische Anwendung
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III.3
Statistik
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IV
Ergebnisse
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IV.1 Evaluierung an Modellen
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IV.1.1 Validierung an Kunststoffmodellen
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IV.1.1.1 Online-Bestimmung von Durchmesser- und Querschnittsflächen
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IV.1.1.2 Volumenbestimmung
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IV.1.2 Validierung an einem künstlichen Stenosemodell
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IV.2 Klinische Anwendung
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IV.2.1 Querschnittsflächenbestimmung
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IV.2.2 Volumenbestimmung
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IV.3
-
V
Diskussion
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V.1 Die Methode im Zusammenhang bisheriger Verfahren
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V.1.1 Lungenfunktionelle Methoden
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V.1.2 Radiologische Methoden
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V.1.3 Endoskopische Verfahren
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V.2 Diskussion der Ergebnisse und Fehlermöglichkeiten
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V.3 Bedeutung der Ergebnisse und Perspektiven
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VI Zusammenfassung
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Literaturverzeichnis
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Abkürzungsverzeichnis
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Danksagung
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Eidesstattliche Erklärung
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Veröffentlichung
Bilder
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Abbildung III.1: Schemazeichnung. Darstellung der einzelnen Komponenten für eine Online-Vermessung der zentralen Atemwege.
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Abbildung III.2: Schemazeichnung. Spitze der Lasersonde. Das Laserlicht wird über eine HCS-Faser auf einen Reflektorkegel gelenkt und in einem Winkel von annähernd 90° auf die Umgebungsstruktur projiziert.
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Abbildung III.3: Laserlichtsonde im Lumen eines angeschnittenen Plastikröhrchens. Das Laserlicht wird in einem Winkel von annähernd 90° auf die Wand des Röhrchens projiziert und markiert den Querschnitt.
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Abbildung III.4: Laserlichtmarkierung eines Atemwegsquerschnitts am Schweinemodell in 15 mm Abstand zur Bronchoskopspitze. Verwendet wurde das Bronchoskop Olympus BF 1 T 30.
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Abbildung III.5: Halbautomatisierte Identifikation des Laserlichtrings. Ausgehend von einem Zentrum im Bild, das sich innerhalb des Lichtrings befindet, werden strahlenförmig Linien generiert, die den jeweils hellsten Punkt und damit die Laserlichtmarkierung identifizieren. Im Bild ist nur ein Teil der 80 tatsächlich verwendeten Strahlen zu sehen.
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Abbildung III.6: Comptergestützte Querschnittsflächenbestimmung. In der rechte Bildhälfte ist die Eichvorlage mit den Gitterpunkten und dem optischen Zentrum (kleiner Kreis o). Der größere Kreis zeigt den Ausgangspunkt des Strahlenalgorithmus zur Identifikation der Laserlichtmarkierung. Vgl. Abb. III.5. Links wird die noch nicht korrigierte Querschnittsfläche angezeigt.
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Abbildung III.7: Visualisierung eines Modells aus einem Schweinebronchus. Durch die hellen Punktkreise werden die einzelnen Schichten der Querschnittsflächenbestimmung dargestellt. Der Abstand zwischen den Schichten beträgt 1 mm.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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Abbildung IV.11: Visualisierung von Modell 10 aus Schweinetrachea aus 1-mm-Schichtsequenzen. Nach dem rendering sind beliebige Distanzen bestimmbar.
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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.
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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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XDiML DTD Version 4.0 | Zertifizierter Dokumentenserver der Humboldt-Universität zu Berlin | HTML-Version erstellt am: 25.04.2006 |