Stand der Graustufenanalyse in der Humanmedizin

Erste Versuche zur Quantifizierung von Bildern wurden bereits mit Einführung der Sonographie in die klinische Diagnostik unternommen (SCHENTKE u. RENGER 1962;

WELLS et al. 1969; MOUNTFORD u. WELLS 1972). Diese Methodik beruhte auf der Auswertung einzelner A-Scans, die vom Oszilloskop abfotografiert und von Hand vermessen wurden. Mit dem Einsatz von Compound-Scannern schritt die Entwicklung der parametrischen Ultraschallmessung fort (LERSKI et al. 1979, 1981; LORENZ et al.

1984; ZUNA et al. 1984), scheiterte aber noch immer an den technischen Voraussetzungen, die eine hohe Variabilität und geringe Reproduzierbarkeit der Messungen bedingten. Erst der Einsatz von Real-time Ultraschallscannern ermöglichte die artefaktfreie Auswahl von Ultraschallbildern zur optimalen Positionierung der ROI (GEBEL u. KUBALE 1982).

Die eindimensionale Häufigkeitsverteilung der Graustufen eines B-Bildes wurde mit Einführung der Computertechnologie möglich (GEISSLER et al. 1975).

Die zweidimensionale Texturanalyse wurde von HARALICK (1979) zunächst für die Analyse des Bildmusters von Satellitenaufnahmen verwendet. Bis heute ist dies gültiger Standard der medizinischen Bildanalyse.

Die erste rechnergestützte Analyse von Grauwerten in der Sonographie wurde von RÄTH et al. (1984) durchgeführt. Sie umrandeten im eingefrorenen Compoundbild ein Gebiet (ROI), in dem jeder Bildpunkt entsprechend seiner Helligkeit auf einer Skala von 256 (8 bit) einem bestimmten Grauwert zugeordnet wurde. Die Häufigkeit jeder

Graustufe wurde in Form eines Histogramms dargestellt. Der Begriff der Echogenität konnte so objektiviert werden. Die Autoren stellten außerdem fest, dass eine Aufteilung mit 64 Graustufen (6 bit) die gleichen Ergebnisse lieferte.

Inzwischen finden nichtinvasive quantitative Methoden Anwendung in der Kardiologie (McPHERSON et al. 1986, SKORTON u. COLLINS 1988, LIEBACK et al. 1994), Andrologie (NAUTH et al. 1984; HAMM u. FOBBE 1995; FERDEGHINI et al. 1995), Plazentadiagnostik (MORRIS 1988), Mammabeurteilung (BADER et al. 1997), Ophthalmologie (THIJSSEN et al. 1992), der Beurteilung von Lebererkrankungen (THIJSSEN et al. 1993, RÄTH et al. 1985, BLECK et al. 1996), von Milzerkrankungen (BLECK et al. 1997a) und Nierenerkrankungen (BLECK et al. 1997b) sowie der Pankreasdiagnostik (BLECK et al. 1998) und Schilddrüsendiagnostik (HELD u.

NICKEL 1980). Das Spektrum der eingesetzten Analysemethoden reicht dabei von eindimensionalen Grauwertanalysen bis zu aufwendigen, rechenintensiven Prozeduren.

Nachfolgend werden einige Anwendungsbereiche der Graustufenanalyse in der Humanmedizin dargestellt.

2.2.3.1 Graustufenanalyse in der Andrologie

FEIBER et al. (1984) verwiesen in ihrer Studie zur Prostatasonographie beim Menschen auf die hohe Fehlerquote der visuellen Analyse sonographischer Befunde, die sie im geringen Differenzierungsvermögen der Graustufen durch das menschliche Auge und in der Vielparametrigkeit der Diagnosemerkmale sahen. Sie nutzten für ihre automatische Bildauswertung 21 berechnete EDV-Merkmale und klassifizierten nach diesen zusammen mit 10 weiteren visuellen Merkmalen die Bilder in bestimmte Befundgruppen. Mit einer Sensitivität von 72,7 % und einer Spezifität von 75,8 % stand die visuelle Differenzierung von Prostataadenom und

-karzinom deutlich hinter der rechnerunterstützen Analyse, die in beiden Punkten eine Treffsicherheit von 90,5 % erreichte. HUYNEN et al. (1994) erzielten eine Treffsicherheit von 80,8 % gegenüber 76,5 % bei visueller Beurteilung der Prostatasonographie.

ZIELKE et al. (1985) setzten ein rechnerunterstütztes Verfahren zur Auswertung von Ultraschallbildern ein, um eine Differenzierung von Karzinom und Adenom zu erreichen.

Die Methode umfasste Verfahren zur Bildvorbereitung, Merkmalsextraktion und Klassifikation. Die Spezifität und Sensitivität der Methode lag bei über 90% in der Diagnose von malignen oder benignen Neoplasien der Prostata. Visuell konnten hier maximal 75% erreicht werden. Die Autoren sahen in ihrer Methode einen guten Ansatz zur Quantifizierung von Ultraschallbildern und damit einer verbesserten Diagnostik tumoröser Prostataläsionen.

HAMM und FOBBE (1995) gelang mit Hilfe der eindimensionalen Graustufenanalyse die Differenzierung präpuberaler und geschlechtsreifer Hoden, während FERDEGHINI et al. (1995) eine mehrdimensionale Texturanalyse einsetzten, um die physiologischen Entwicklungsstadien des Hodens vom Neugeborenen bis zum Alter von 65 Jahren differenziert darstellen zu können. Die Objektivierung sonographischer Daten sahen die Autoren als bedeutenden Informationsgewinn zur Darstellung histologischer Prozesse am Hoden.

2.2.3.2 Graustufenanalyse in der Gynäkologie

In der Diagnostik von Mammatumoren wird seit langem nach Methoden zur nichtinvasiven Dignitätsbeurteilung geforscht. Die Unterscheidung von Karzinomen und Fibromen sowie zwischen proliferativen Brusterkrankungen und Fettgewebsnekrosen wurde durch die Graustufenanalyse mit hoher Sensitivität möglich (GARRA et al. 1993;

BADER et al. 1994). Die Zahl der Gewebebiopsien konnte damit deutlich reduziert werden. ZIELKE et al. (1985) verglichen die Wertigkeit der Mammasonographie und der Mammographie und kamen zu dem Schluss, dass sich in Abhängigkeit vom Alter der Patientinnen beide Analysemethoden ergänzen.

In der Schwangerschaftsdiagnostik hatte die Beurteilung altersbedingter und nikotinabhängiger plazentärer Veränderungen durch die Graustufenanalyse ebenfalls entscheidende Vorteile erbracht. MORRIS (1988) führte Untersuchungen um eine schwangerschaftsassoziierte Bluthochdruckgefahr und deren Behandlung zur

Vermeidung foetaler Schäden durch. Ein weiteres bedeutendes Einsatzgebiet der Graustufenanalyse ist die Beurteilung der foetalen Lungenreife. Dazu verglichen SOHN et al. (1992) das foetale Lebergewebe, dessen Textur sich im Laufe der Entwicklung nur gering verändert, mit der Gewebetextur der Lunge, die in Abhängigkeit zur Schwangerschaftsdauer erheblichen Veränderungen unterworfen ist. Es gelang ihnen mit Hilfe einer computerunterstützten Analyse von Sonogrammen eine neue Methode zur Früherkennung von Geburtsrisiken zu entwickeln.

2.2.3.3 Graustufenanalyse in der Kardiologie

In der Diagnostik kardialer Erkrankungen kommt den nichtinvasiven quantitativen Methoden ein großer Stellenwert zu. Im Vordergrund stand die Entdeckung myokardinfarktgeschädigter Gewebeareale bei den Untersuchungen von McPHERSON et al. (1986). Auch die Klassifikation von Kardiomyopathien konnte mit Hilfe der Graustufenanalyse ergänzt werden (SKORTON u. COLLINS 1988; LIEBACK et al.

1989). Da eine eindimensionale Analyse der Graustufen für eine Beschreibung der Gewebetextur nicht ausreichte, wurde in weiteren Untersuchungen die räumliche Anordnung der Grauwerte berücksichtigt. Entzündungen, bindegewebige Umbauprozesse und Proteinablagerungen an den Gefäßen konnten so quantitativ erfasst werden (PINAMONTI et al. 1989; LIEBACK-ZIMMERMANN 1993; LIEBACK et al. 1996). In der Transplantationsmedizin können so Abstoßungsreaktionen mit Hilfe quantitativer Untersuchungen frühzeitig diagnostiziert werden (LIEBACK et al. 1989, 1991, 1994; HARDOUIN et al. 1994; STEMPFLE et al. 1994).

2.2.3.4 Graustufenanalyse des Pankreas

KÖLBEL et al. (1987) setzten die Grauwertanalyse zur quantitativen Erfassung der Echogenität des gesunden Pankreas in Abhängigkeit von Alter und Gewicht ein. Sie korrelierten dabei den mittleren Grauwert des Pankreas mit dem des retroperitonealen Fettgewebes und zeigten, dass die Echogenität des normalen Pankreas im Vergleich

zum Fett als Referenzgewebe genauer festgelegt werden kann, als mit dem Grauwert des Pankreas selbst. Dies unterscheidet die Pankreassonographie von der Sonographie oberflächlicher Organe, wie der Schilddrüse, bei der die Einbeziehung eines Referenzgewebes als nicht erforderlich erachtet wird.

Auch WILDGRUBE und DEHWALD (1990) zeigten die Bedeutung von Grauwertanalysen für die Objektivierung sonographisch erfassbarer Strukturen auf. Sie machten deutlich, dass das Echomuster nur unter standardisierten Bedingungen und bei weitgehender Ausfüllung der Schnittebene quantifizierbar ist. In Randzonen und bei Überlagerungen wurden verfälschte Mischwerte gemessen.

2.2.3.5 Graustufenanalyse der Leber

RÄTH et al. (1985) zeigten am Beispiel der Leber, dass die diagnostische Genauigkeit der rechnerunterstützten Bildanalyse des Ultraschall-B-Bildes hinsichtlich Reproduzierbarkeit, Spezifität und Sensitivität der subjektiven Bilddiagnostik überlegen ist. Nach Auswertung von drei repräsentativen Leberlängsschnitten mit jeweils drei ROI zeigte sich eine Spezifität der Analyse von 95 % und eine Sensitivität von 98 %. Die visuelle Beurteilung lag bei 70 bis 90 %. NAUTH et al. (1983) gaben die Treffsicherheit der Befunde mit 90 % bei der rechnergestützten Analyse und 77 % bei visueller Auswertung an. LORENZ et al. (1984) überprüften die Anwendbarkeit der geräteintegrierten Grauwerthistogrammanalysen am Modell der Lebersonographie beim Menschen. Sie ermittelten aus der Untersuchung von Normalpersonen Referenzwerte, auf deren Basis sie als Maß für die Vergleichbarkeit der Meßsysteme Intertestvariationen definierten. Als Maß für die Reproduzierbarkeit verwendeten sie den Begriff der Intratestvariation, die durch mehrmalige Messungen einer Person ermittelt wurde. Die Autoren zeigten, dass bei standardisierter Geräteeinstellung und einer möglichst groß gewählten ROI reproduzierbare Ergebnisse ermittelt werden können, ein Wechsel der Ultraschallsysteme jedoch unterschiedliche Ergebnisse liefert.

LERSKI et al. (1981) verglichen mit der eindimensionalen Graustufenanalyse gesundes Leberparenchym mit verfettetem Lebergewebe. Signifikante Unterschiede wurden für

die mittlere Helligkeit, den maximalen und minimalen Grauwert, sowie die Verteilung der Grauwerte nachgewiesen. GEBEL et al. (1984) ermittelten über eine eindimensionale Grauwertanalyse des gesunden Leberparenchyms stabile Grauwerte. Auf dieser Basis konnten diffuse Leberparenchymerkrankungen differenziert werden, auch wenn sie visuell nicht zu erkennen waren.

Herdförmige Läsionen waren hingegen nur mit Hilfe der zweidimensionalen Analyse zufriedenstellend zu erfassen (LAYER et al. 1991). ZENDEL et al. (1989) verglichen die Aussagekraft der quantifizierten Echogenitätsbestimmung der Leber im Ultraschall mit der Leberdichte im CT in Bezug auf die Leberverfettung. Sie nutzten dazu einen Grauwertebereich von 1 bis 64, der nach RÄTH et al. (1984) dieselbe Aussagekraft bietet, wie 256 Graustufen. Sie kamen zu dem Schluss, dass mit Hilfe der GSA eine Abschätzung der Leberverfettung möglich ist, da sich die Grauwerte mit zunehmendem Fettanteil erhöhen. Er sah die GSA als ergänzende Methode zu den morphologischen Verfahren. HESS et al. (1986) untersuchten bei diffusen Leberparenchymveränderungen die Frage, inwieweit die in Ultraschallgeräten implementierten quantitativen Grauwertanalysen die subjektiven sonographischen Beurteilungen unterstützen oder verbessern können, und welche Wertigkeit subjektive Aussagen und quantitative Verfahren haben. Die subjektive Beurteilung wurde dabei auf die Parameter Echogenität, Vergröberung und Inhomogenitäten reduziert und zeigte zufriedenstellende Übereinstimmungen bei verschiedenen Untersuchern. Die Grauwertanalyse wurde bei stabilen Geräteeinstellungen mit einer standardisierten ROI an einer definierten Stelle vorgenommen. Mittelwert und Standardabweichung zeigten eine lineare Abhängigkeit. Inhomogenität und Vergröberung als Kriterien zur Differentialdiagnose von Lebererkrankungen waren sowohl in der subjektiven, als auch in der quantitativen Analyse wenig aussagekräftig, so dass die Grauwertanalyse keine wesentlichen Zusatzinformationen bei der Beurteilung diffuser Leberparenchymveränderungen lieferte.

Zusammenfassend wurde die GSA von den Autoren als wertvolle Ergänzung der visuellen Diagnostik bei diffusen Leberveränderungen gesehen, während chronische

Leberparenchymschäden und fokale Läsionen sich mit diesen Verfahren nicht sicher differenzieren liessen (RÄTH et al. 1985; LAYER et al. 1990).

2.2.3.6 Graustufenanalyse der Milz

BLECK et al. (1997a) gelang mit Hilfe der ein- und mehrdimensionalen GSA die Differenzierung von gesundem und durch Megalie verändertem Milzgewebe. Hierdurch konnten sie einen entscheidenden Fortschritt in der Milzdiagnostik erzielen, da der Gewebebeurteilung ohne Biopsie besonders bei diesem stark durchbluteten Organ eine besondere Bedeutung zukommt.

2.2.3.7 Graustufenanalyse der Schilddrüse

BECKER et al. (1989) untersuchten die Aussagekraft quantitativer Grauwertanalysen für die Diagnostik diffuser Schilddrüsenerkrankungen. Sie nutzten dafür bei konstanter Geräteeinstellung eine möglichst große ROI und verglichen die quantitativ ermittelten Grauwerte mit den qualitativen durch subjektive Einschätzung des Untersuchers erhobenen Befunden. Selbst bei sonographisch geübten Untersuchern war in 18 % der Fälle eine fehlerhafte Beurteilung zu verzeichnen. Die Objektivierung der Echogenität durch quantitative Erfassung der Grauwerte bei konstanten physikalischen Geräteparametern und frei wählbarer ROI-Größe wird daher empfohlen. Auf dieser Grundlage waren auch histologische Veränderungen und die Notwendigkeit diesbezüglicher weiterführender Untersuchungen abzuleiten. MÜLLER-GÄRTNER (1986) nutzte die Grauwerthistogrammanalyse zur diagnostischen Bewertung von Schilddrüsenveränderungen. Umschriebene und diffuse Parenchymveränderungen wurden mit Hilfe histologischer Kriterien definiert und sonographisch unauffällige Schilddrüsenbefunde mit Hilfe klinischer und laborchemischer Parameter definiert. Die Auswertung der Grauwerte zeigte, dass die Grauwertanalyse durch Objektivierung und Quantifizierung von Echogenitäten bei der Schilddrüsendiagostik von großer praktischer Bedeutung ist. ZIELKE et al. (1985) ermittelten mit Hilfe des Verfahrens der

Bildvorbereitung, Merkmalsextraktion und Klassifikation eine Spezifität und Sensitivität von über 90% bei der Diagnose von Morbus Basedow, gegenüber 80 % bei visueller Bewertung. Auch HIRNING et al. (1989) nutzten eine mehrdimensionale Texturanalyse.

Zur Abschätzung der Dignität bei der sonographischen Beurteilung tumoröser Entartungen der Schilddrüse erwies sich dieses Analyseverfahren als aussagekräftige Ergänzung der invasiven Methode der Feinnadelbiopsie.

2.2.3.8 Graustufenanalyse der Lymphknoten

GLASER et al. (1990) setzten die Endosonographie sowohl zur Bestimmung der Tumorinvasionstiefe eines Rektumkarzinoms als auch zur Beurteilung des pararektalen Lymphknotens im Rahmen des präoperativen Stagings ein. Mit Hilfe histologischer Befunde von 27 postoperativen Resektaten wurde die Aussagekraft sonographischer Befunde zur Dignität von Lymphknotenveränderungen geprüft. Bei maximaler ROI wurden der mittlere Grauwert, der mittlere Gradient und die Grauwertbetonung statistisch ermittelt. Lymphknoten mit entzündlichem und tumorinfiltriertem Gewebe zeigten unabhängig von ihrer Größe und vom umgebenden Fettgewebe signifikante Unterschiede im mittleren Grauwert und mittleren Gradienten. Tumoröses Gewebe fand sich tendenziell im echoarmen Bereich mit niedrigem mittleren Grauwert und entzündliches Gewebe eher in höheren Grauwertbereichen wieder. Aufgrund starker Überschneidungen der beiden Befunde, wurde eine Klassifizierung der Lymphknotenveränderungen im mittlerern Bereich erschwert. Dennoch trägt nach GLASER et al. (1990) die GSA wesentlich zur Differenzierung tumorinfiltrierter und entzündlicher Lymphknoten bei.

2.2.4 Stand der Graustufenanalyse in der veterinärmedizinischen