Vergleichende Volumetrie von Ultraschall- und Magnetresonanztomografie- Datensätze mit einem Hybridphantom

In der vorliegenden Studie wurde die Genauigkeit von Ultraschall-und MRT-Bildern untersucht. Dazu wurde ein Phantom konstruiert, dass aus drei Kompartimenten bestand: Einem grossen Komparitment, welches die Gehirnmasse simulierte, und zwei kleinen Kompartimenten, die die beiden Raumforderungen "Hämatom" und "Ventrikeltumor" darstellten. Von jeder dieser beiden Raumforderungen wurden acht Modelle mit verschiedenen, bekannten Volumina hergestellt. Ultraschalldatensätze wurden sagittal (alle Hämatommodelle und 4 Tumormodelle) und koronar (4 Tumormodelle) gewonnen. MRT-Datensätze (T2 gewichtete koronare Schichtaufnahmen wurden rekrutiert. Das Volumen jeder Raumforderung beider Bildgebungsmethoden wurde mit manueller Segmentierung von zwei unabhängigen Beobachtern achtmal ermittelt. In der Studie fanden sich bei beiden Objektklassen, Objekten und beiden Beobachtern lediglich minimale, wenn auch statistisch signifikante Abweichungen (p>0,05) von den tatsächlichen Volumina: Die Abweichung betrug für die Bildmodalität Ultraschall für die Objektklasse "Hämatom" 1,99+/- 1,44% und für die Objektklasse "Tumor" 2,21+/-1,70%. Für die Bildmodalität MRT betrug sie für die Objektklasse "Hämatom" 2,9+/- 0,0143% und für die Objektklasse "Tumor" 1,48+/-0,0135%. Die Fehler ergaben sich unabhängig von der Bildmodalität, der Objektklasse, des Volumens und der Beobachter. Es konnte im Allgemeinen aber eine divergierende Tendenz zwischen den beiden Bildmodalitäten beobachtet werden, wobei bei der Bildmodalität Ultrschall zur Unterschätzung und bei der Bildmodalität MRT zur Überschätzung des Volumens tendiert wurde. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die sonografische Volumenermittlung von Gehirnläsionen der MRT-Bildgebung ebenbürtig ist. Somit könnte die Sonografie bei dieser Fragestellung eine kostengünstige und intraoperativ einsetzbare Alternative zur Magnetresonanztomografie darstellen

Vergleichende Volumetrie von Ultraschall- und Magnetresonanztomografie- Datensätze mit einem Hybridphantom

In der vorliegenden Studie wurde die Genauigkeit von Ultraschall-und MRT-Bildern untersucht. Dazu wurde ein Phantom konstruiert, dass aus drei Kompartimenten bestand: Einem grossen Komparitment, welches die Gehirnmasse simulierte, und zwei kleinen Kompartimenten, die die beiden Raumforderungen "Hämatom" und "Ventrikeltumor" darstellten. Von jeder dieser beiden Raumforderungen wurden acht Modelle mit verschiedenen, bekannten Volumina hergestellt. Ultraschalldatensätze wurden sagittal (alle Hämatommodelle und 4 Tumormodelle) und koronar (4 Tumormodelle) gewonnen. MRT-Datensätze (T2 gewichtete koronare Schichtaufnahmen wurden rekrutiert. Das Volumen jeder Raumforderung beider Bildgebungsmethoden wurde mit manueller Segmentierung von zwei unabhängigen Beobachtern achtmal ermittelt. In der Studie fanden sich bei beiden Objektklassen, Objekten und beiden Beobachtern lediglich minimale, wenn auch statistisch signifikante Abweichungen (p>0,05) von den tatsächlichen Volumina: Die Abweichung betrug für die Bildmodalität Ultraschall für die Objektklasse "Hämatom" 1,99+/- 1,44% und für die Objektklasse "Tumor" 2,21+/-1,70%. Für die Bildmodalität MRT betrug sie für die Objektklasse "Hämatom" 2,9+/- 0,0143% und für die Objektklasse "Tumor" 1,48+/-0,0135%. Die Fehler ergaben sich unabhängig von der Bildmodalität, der Objektklasse, des Volumens und der Beobachter. Es konnte im Allgemeinen aber eine divergierende Tendenz zwischen den beiden Bildmodalitäten beobachtet werden, wobei bei der Bildmodalität Ultrschall zur Unterschätzung und bei der Bildmodalität MRT zur Überschätzung des Volumens tendiert wurde. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die sonografische Volumenermittlung von Gehirnläsionen der MRT-Bildgebung ebenbürtig ist. Somit könnte die Sonografie bei dieser Fragestellung eine kostengünstige und intraoperativ einsetzbare Alternative zur Magnetresonanztomografie darstellen

Ultraschallbasierte Navigation für die minimalinvasive onkologische Nieren- und Leberchirurgie

In der minimalinvasiven onkologischen Nieren- und Leberchirurgie mit vielen Vorteilen für den Pa- tienten wird der Chirurg häufig mit Orientierungsproblemen konfrontiert. Hauptursachen hierfür sind die indirekte Sicht auf die Patientenanatomie, das eingeschränkte Blickfeld und die intra- operative Deformation der Organe. Abhilfe können Navigationssysteme schaffen, welche häufig auf intraoperativem Ultraschall basieren. Durch die Echtzeit-Bildgebung kann die Deformation des Organs bestimmt werden. Da viele Tumore im Schallbild nicht sichtbar sind, wird eine robuste automatische und deformierbare Registrierung mit dem präoperativen CT benötigt. Ferner ist eine permanente Visualisierung auch während der Manipulation am Organ notwendig. Für die Niere wurde die Eignung von Ultraschall-Elastographieaufnahmen für die bildbasierte Re- gistrierung unter Verwendung der Mutual Information evaluiert. Aufgrund schlechter Bildqualität und geringer Ausdehnung der Bilddaten hatte dies jedoch nur mäßigen Erfolg. Die Verzweigungspunkte der Blutgefäße in der Leber werden als natürliche Landmarken für die Registrierung genutzt. Dafür wurden Gefäßsegmentierungsalgorithmen für die beiden häufigsten Arten der Ultraschallbildgebung B-Mode und Power Doppler entwickelt. Die vorgeschlagene Kom- bination beider Modalitäten steigerte die Menge an Gefäßverzweigungen im Mittel um 35 %. Für die rigide Registrierung der Gefäße aus dem Ultraschall und CT werden mithilfe eines bestehen- den Graph Matching Verfahrens [OLD11b] im Mittel 9 bijektive Punktkorrespondenzen definiert. Die mittlere Registrierungsgenauigkeit liegt bei 3,45 mm. Die Menge an Punktkorrespondenzen ist für eine deformierbare Registrierung nicht ausreichend. Das entwickelte Verfahren zur Landmarkenverfeinerung fügt zwischen gematchten Punkte weitere Landmarken entlang der Gefäßmittellinien ein und sucht nach weiteren korrespondierenden Gefäß- segmenten wodurch die Zahl der Punktkorrespondenzen im Mittel auf 70 gesteigert wird. Dies erlaubt die Bestimmung der Organdeformation anhand des unterschiedlichen Gefäßverlaufes. Anhand dieser Punktkorrespondenzen kann mithilfe der Thin-Plate-Splines ein Deformationsfeld für das gesamte Organ berechnet werden. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Registrierung im Mittel um 44 % gesteigert. Die wichtigste Voraussetzung für das Gelingen der deformierbaren Registrierung ist eine möglichst umfassende Segmentierung der Gefäße aus dem Ultraschall. Im Rahmen der Arbeit wurde erstmals der Begriff der Regmentation auf die Segmentierung von Gefäßen und die gefäßbasierte Registrie- rung ausgeweitet. Durch diese Kombination beider Verfahren wurde die extrahierte Gefäßlänge im Mittel um 32 % gesteigert, woraus ein Anstieg der Anzahl korrespondierender Landmarken auf 98 resultiert. Hierdurch lässt sich die Deformation des Organs und somit auch die Lageveränderung des Tumors genauer und mit höherer Sicherheit bestimmen. Mit dem Wissen über die Lage des Tumors im Organ und durch Verwendung eines Markierungs- drahtes kann die Lageveränderung des Tumors während der chirurgischen Manipulation mit einem elektromagnetischen Trackingsystem überwacht werden. Durch dieses Tumortracking wird eine permanente Visualisierung mittels Video Overlay im laparoskopischen Videobild möglich. Die wichtigsten Beiträge dieser Arbeit zur gefäßbasierten Registrierung sind die Gefäßsegmen- tierung aus Ultraschallbilddaten, die Landmarkenverfeinerung zur Gewinnung einer hohen Anzahl bijektiver Punktkorrespondenzen und die Einführung der Regmentation zur Verbesserung der Ge- fäßsegmentierung und der deformierbaren Registrierung. Das Tumortracking für die Navigation ermöglicht die permanente Visualisierung des Tumors während des gesamten Eingriffes

Quantitative Schnittbildanalyse der mimischen Muskulatur

Welche mimischen Muskeln können durch klinische Ultraschallgeräte reproduzierbar erfasst und vermessen werden? Der M. mentalis, M. depressor anguli oris, M. depressor labii inferioris, M. zygomaticus major, M. orbicularis oris, M. orbicularis oculi, M. procerus, M. nasalis und der M. frontalis sowie der Kaumuskeln M. temporalis und M. masseter sind reproduzierbar darstellbar. Damit sind 9 von 23 mimischen Muskeln immer, und mit dem M. corrugator supercilii, M. levator labii superioris, M. levator labii superioris alaeque nasi, M. buccinator, M. zygomaticus minor und M. risorius 15 von 23 mimischen Muskeln in den meisten Fällen per Sonographie darstellbar. Welche quantitativen Daten lassen sich erfassen und wie hoch ist deren Reliabilität? Die besten Inter-Oberserver-Reliabilitäten zeigten sich bei den Querschnittflächen des M. mentalis, M. depressor anguli oris, M. depressor labii inferioris und M. zygomaticus (ICC in Ruhe ? 0,965) sowie der maximale Durchmesser des M. orbicularis oris, M. orbicularis oculi, und der M. frontalis sowie dem maximalen Durchmesser der Kaumuskeln M. temporalis, M. masseter (ICC in Ruhe ? 0,815). Wie groß sind die darstellbaren mimischen Muskeln? Gibt es Geschlechts- und Altersunterschiede? Gibt es Zusammenhänge mit der Körpergröße, oder dem -gewicht? An Referenzwerte von 140 Freiwilligen im Alter zwischen 21 und 93 Jahren konnte gezeigt werden, dass es keine relevanten Seitenunterschiede bei der mimischen Muskulatur gibt. Es zeigte sich jedoch eine Korrelation zwischen dem Körpergewicht und der Muskelgröße. Im Gegensatz dazu hatte das Alter keinen relevanten Effekt auf die mimischen Muskeln, obwohl bei Hals- und Kaumuskeln eine Abnahme der Muskelgröße im Laufe des Lebens bekannt ist. Ist die Methode geeignet, pathologische Veränderungen der mimischen Muskulatur zu detektieren? Wenn es zu keiner Reinervation kam, zweite sich die deutlichste Abnahme der Querschnittsflächen und Durchmesser um den 3. bis 7. Monat nach Beginn der Fazialisparese. Nach Reinnervation kam es nicht nur zu einer Zunahme der zuvor atrophierten Muskulatur bis zur Angleichung an die gesunde Gegenseite, sondern teilweise deutlich darüber hinaus. Diese Hypertrophie scheint das sonoanatomische Korrelat des klinischen Phänomens des Hyperkinesie bzw. der Synkinesie bei Defektheilung nach axonaler Schädigung und fehlgeleiteter bzw. überschießender Reinnervation des N. fazialis zu sein. Sind 3D-Ultraschall-Aufnahmen der mimischen Muskulatur möglich und enthalten Ihre Daten neue Erkenntnisse, die 2D-Ulraschall-Aufnahmen nicht hätten liefern können? Der M. frontalis, M. orbicularis oculi, M. depressor anguli oris, M. depressor labii inferioris und M. mentalis können erfasst werden und so Volumeninformationen, die sonst nur MRT und CT vorbehalten waren, gewonnen werden. Zukünftige sollte es durch z. B. Freihand-Aufnahmen unter Navigations-Kontrolle möglich sein, noch mehr Muskeln zu vermessen und so die 3D-Sonographie eine echte Alternative zur MRT darstellen. Können auch in MRT-Datensätze die mimischen Muskeln reproduzierbar identifiziert und segmentiert werden? Wenn ja, was ist dafür ein sinnvolles Vorgehen? Ähnlich wie beim Ultraschall, sind auch beim MRT zu dünne oder schlecht abgegrenzte Muskeln nicht zu erfassen. In allen Regionen des Gesichts sind aber ausreichend gut identifizierbare Muskeln vorhanden: Einer im Internet veröffentlichen Anleitung folgend sind der M. frontalis, M. procerus, M. risorius, M. corrugator supercilii, M. orbiculairs oculi, M. nasalis, M. zygomaticus major, M. zygomaticus minor, M. levator labii superior, M. orbicularis oris, M. depressor anguli oris, M. depressor labii inferioris und M. mentalis, sowie die beiden Kaumuskeln M. masseter und M. temporalis reproduzierbar segmentierbar (ICC = 0,82). Korrelieren die in den Bildgebungen gesehenen Veränderungen mit elektrophysiologischen Untersuchungsergebnissen? Wie ergänzen sich diese Methoden? In der klinisch definierten Denervierungsphase zeigten sich Korrelationen zwischen den Ultraschalluntersuchungen des Muskels und den Nadel-EMG-Ergebnissen: Vermehrte Einstichaktivität, das Fehlen von pathologischer Spontanaktivität, vermehrte Willküraktivität und normale Morphologie der Muskelaktionspotentiale korrelierte mit einer höheren Muskelgröße. Mit Blick auf die klinischen Parameter zeigte sich eine negative Korrelation zwischen dem Stennert Parese Index in Ruhe und der Muskeldicke in Ruhe. Nach Schaffung von Referenzwerte bei unterschiedlichen Krankheitsverläufen könnte die Sonographie zukünftige ungünstige Verläufe bereits in den ersten Tagen der Erkrankung erkennen und damit die Therapie beeinflussen