Standardisierung und Evaluation
der virtuellen Endoskopie von Nase und Nasennebenhöhlen
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin an der Medizinischen Hochschule Hannover
vorgelegt von Marijke Verink aus Göttingen
Hannover 2007
Angenommen vom Senat der Medizinischen Hochschule Hannover am: 19.02.08
Gedruckt mit Genehmigung der Medizinischen Hochschule Hannover
Präsident:
Prof. Dr. med. Dieter Bitter-Suermann
Betreuer der Arbeit:
Prof. Dr. med. Hartmut Becker
Referent der Arbeit:
Prof. Dr. med. Timo Stöver
Korreferent der Arbeit:
Prof. Dr. med. Thomas Tschernig
Tag der mündlichen Prüfung:
19.02.08
Promotionsausschussmitglieder:
Prof. Dr. med. Michael Galanski Prof. Dr. med. Michael Gebel Prof. Dr. med. Christian Strassburg
In Liebe und Dankbarkeit widme ich diese Arbeit meinen Großeltern
Ingrid von Gartzen und Willy Verink
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG 6
2 ALLGEMEINER TEIL 9
2.1 Anatomie der Nase und NNH 9
2.2 Technische Grundlagen 12
2.2.1 Grundlagen der helikalen Mehrschicht-CT 12
2.2.2 Grundlagen der 3D-Nachbearbeitung von CT-Datensätzen 15
3 MATERIAL UND METHODEN 20
3.1 Patienten 20
3.1.1 Patienten ohne Pathologie im Bereich der Nase und der
Nasennebenhöhlen 20
3.1.2 Patienten mit Pathologie im Bereich der Nase und der
Nasennebenhöhlen 20
3.2 Akquisition der Datensätze mittels helikaler Mehrschicht-CT 21
3.3 2D- und 3D-Nachverarbeitung der Datensätze 22
3.3.1 2D-Nachverarbeitung 22
3.3.2 3D-Nachverarbeitung: Virtuelle Endoskopie 23
3.4 Evaluation der Methode anhand des Patientenkollektivs ohne
pathologische Veränderungen im Bereich der Nase und NNH 24
3.4.1 Erstellung von Standardansichten 24
3.4.2 Dreizehn Standardansichten im Multiview-Modus 26
3.4.3 Bestimmung optimaler Schwellenwerte zur Darstellung der
anatomischen Gegebenheiten 32
3.4.4 2D-Bewertung des Kollektivs gesunder Patienten 33
3.4.5 3D-Bewertung der virtuell endoskopischen Bilder des Kollektivs
gesunder Patienten 34
3.4.6 Vergleich 2D-und 3D Bewertung des Kollektivs gesunde Patienten 34 3.5 Anwendung der etablierten Methode auf pathologisch veränderte Nasen
und NNH 34
3.6 Statistische Auswertung 35
4 ERGEBNISSE 36
4.1 Evaluation der Methode anhand des gesunden Patientenkollektivs 36
4.1.1 Patienten 36
4.1.2 Darstellungsqualität in Abhängigkeit vom gewählten Inkrement 37 4.1.3 Bestimmung optimaler Schwellenwerte zur Darstellung der Nase und
der NNH 37
4.2 2D- und 3D-Darstellung 40
4.2.1 2D-Darstellung 40
4.2.2 3D-Darstellung: Virtuelle Endoskopie 42
4.3 2D- und 3D-Vergleich 44
4.4 Anwendung der Methode bei Patienten mit Pathologie im Bereich der
Nase und NNH 45
4.4.1 Auswertung der VE pathologisch veränderter Nasenhaupt- und NNH
unabhängig von Diagnose und Struktur 45
4.4.2 Auswertung der VE in Beziehung zur betrachteten Struktur mit
pathologischer Veränderung 45
4.4.3 Auswertung der Daten nach Diagnose 46
5 DISKUSSION 50
5.1 Patienten ohne Pathologie im Bereich der Nase und Nasennebenhöhlen 50 5.2 Akquisition der Datensätze mittels helikaler Mehrschicht-CT 50
5.3 3D Darstellung: Virtuelle Endoskopie 53
5.4 Etablierung und Evaluation der Methode anhand des gesunden
Patientenkollektivs 55
5.4.1 Standardansichten 55
5.4.2 Inkrement 57
5.4.3 Schwellenwerte 58
5.4.4 Artefakte 59
5.5 2D- und 3D- Darstellung 62
5.6 Patienten mit Pathologie im Bereich der Nasen und
Nasennebenhöhlen 64
5.7 Anwendung der etablierten Methode auf pathologisch veränderte NNH 65
5.7.1 Entzündliche Veränderungen der Nase und NNH 65
5.7.2 Sonstige pathologische Veränderungen 69
5.8 Schlussfolgerung und Ausblick 71
6 ZUSAMMENFASSUNG 73
7 LITERATURVERZEICHNIS 75
8 ANHANG 79
8.1 Erklärung laut Promotionsordnung 79
8.2 Lebenslauf 80
8.3 Schriftenverzeichnis 81
8.3.1 Originalpublikationen 81
8.3.2 Vorträge 81
8.3.3 Poster 81
8.4 Danksagung 82
8.5 Verzeichnis der Abbildungen 83
8.6 Verzeichnis der Tabellen 85
8.7 Verzeichnis der Abkürzungen 86
1 EINLEITUNG
Die visuelle Darstellung der Anatomie und Pathologie der Nase ist Voraussetzung für Diagnostik und Therapie krankhafter Prozesse der Nase und Nasennebenhöhlen (NNH).
Bildgebende Untersuchungen der Nase und NNH umfassen unter anderem konventionelle Röntgenaufnahmen, die Computertomographie (CT) und die Magnetresonanztomographie (MRT).
Konventionelle Röntgenaufnahmen werden nur noch selten angefertigt, da sie unzureichende Spezifität und Sensitivität gegenüber chronischen Entzündungen im Bereich der NNH aufweisen [Schuhknecht und Simmen 2002]. CT wie auch MRT- Schichtbilder dienen der zweidimensionalen (2D) Bildgebung und sind Datengrundlage zur Erstellung von 3D-Ansichten.
Die CT stellt den Goldstandard insbesondere in der Darstellung von chronisch- entzündlichen Erkrankungen der Nase und NNH dar [Soujanen und Regan 1995, Weiss et al. 2001, Vogl et al. 2000, Schuhknecht und Simmen 2002]. Sie dient nicht nur diagnostischen Zwecken, sondern ist seit Jahren als Grundlage für die Vorbereitung auf operative Eingriffe anerkannt [Dammann et al. 1995, Lang et al. 2002].
Vorteile der CT sind die überlagerungsfreie Darstellung der knöchernen Anatomie und der anatomischen Varianten, eine hohe Ortsauflösung sowie gute Differenzierung von Knochen- und Weichteilstrukturen unterschiedlicher Dichte.
Hinsichtlich der Weichteilauflösung ist die MRT der CT überlegen. Der bessere Weichteilkontrast ermöglicht eine genauere Unterscheidung von Tumorgewebe, Schleimhautschwellung und Flüssigkeitsretention.
Es bestehen verschiedene Möglichkeiten der 3D-Bildgebung. Mit Hilfe von computergestützten Methoden wird zum Beispiel eine große Anzahl von 2D-Schichtbildern zusammengefasst, um daraus 3D-Ansichten zu generieren [Klingbiel et al. 2001]. Dem Betrachter wird somit die Möglichkeit einer räumlichen Vorstellung gegeben.
Häufig verwendete 3-D Darstellungsmethoden sind die Virtuelle Endoskopie (VE) mittels Surface Rendering (SR) und das Partial Volume Rendering (PVR). Beide Verfahren wurden bereits für den sinunasalen Bereich erprobt. In allen Arbeiten, die sich mit der 3D- Darstellung der Nase und NNH befassten, bildeten CT-Schichtbilder die Grundlage hierfür.
Ein virtueller Flug durch die Nase und NNH wurde 1997 durch Gilani et al. vorgestellt. De Nicola et al. veröffentlichten im selben Jahr Einzelfallbeispiele virtuell endoskopischer Abbildungen eines Normalbefunds sowie unterschiedlicher Fälle chronischer Sinusitis.
Rogalla et al. verglichen 1998 die Abbildungsqualität von koronalen mit virtuell endoskopisch generierten Bildern bei Patienten mit chronischer oder akuter Sinusitis und evaluierten den zusätzlichen Nutzen der 3D-Bilder für den Operateur. Hopper et al.
markierten für den Operateur wichtige Strukturen auf koronalen Bildern und erörterten den präoperativen Nutzen der PVR-Technik, die auf die zuvor markierten Strukturen angewendet wurde [Hopper et al. 1999]. Han et al. 2000 und Di Rienzo et al. 2003 verglichen die VE mit der fiberoptischen Endoskopie (FE).
Keine der genannten Arbeiten nahm eine Standardisierung der untersuchte 3D- Darstellungsmethoden vor. Der Vergleich der FE wie auch der Vergleich der koronalen 2D- Schichtbilder mit den 3D-Darstellungmethoden fand mit individuell festgelegten Parametern für die Datenakquisition und auch für die Datennachverarbeitung statt.
Als Ziel der vorliegenden Arbeit wurde daher die Standardisierung einer 3D- Darstellungsmethode angestrebt. Diese sollte die strukturierte Anwendung in der klinischen Routine ermöglichen. Hierzu wurde die VE als Darstellungsmethode gewählt, da sie ein schnelles und in der klinischen Routine praktikables Verfahren ist. Sie ermöglicht die Generierung endoluminaler 3D-Ansichten aus Schichtbildern von Hohlorganen und wurde erstmals 1994 auf dem Jahrestreffen der Radiologic Society of North America (RSNA) vorgestellt. Mittlerweile gibt es eine große Anzahl von Untersuchungen zur klinischen Anwendbarkeit der VE [Davis et al. 1996, Dessl et al. 1994, Rodt et al. 2002, Klingbiel et al.
2001]. Sie wird bereits in vielen Gebieten der Medizin zur ergänzenden Klärung radiologischer Fragestellungen eingesetzt und kommt u. a. zur Bildgebung des Mittelohrs, der Hirnventrikel, der Atemwege, des Gastrointestinaltrakts und der harnableitenden Strukturen zur Anwendung.
In dieser Arbeit wurde die Standardisierung einer virtuellendoskopischen Untersuchungstechnik für die Nase und die NNH mit Hilfe zuvor akquirierter CT-Bilder vorgenommen. Die Untersuchungstechnik wurde hinsichtlich der Darstellung der normalen Anatomie der Nase und NNH an gesunden Patienten evaluiert und mit der Darstellung in 2D-axialen, - koronalen und - sagittalen Bildern verglichen.
Anhand von CT-Daten der Patienten ohne Pathologie im Bereich der Nase und NNH wurden geeignete Schwellenwerte für die optimale Darstellung der 3D-Bilder definiert.
Weiterhin wurde der qualitative Unterschied in der Bildgebung der Nase und NNH bei Verwendung unterschiedlicher Rekonstruktionsinkremente erörtert.
Anhand der zuvor erarbeiteten Standardisierung der Ansichten wurde der zusätzliche Nutzen der virtuellen Bildgebung bezogen auf pathologische Veränderungen im Bereich der Nase- und NNH untersucht.
bezeichnet die Fortsetzung des Hiatus semilunaris nach kranial. Der Tränennasengang (Ductus nasolacrimalis) endet im unteren Nasengang.
Die Vielzahl der möglichen anatomischen Varianten im Bereich der Nase und NNH trägt zur Komplexität dieses Gebietes bei [Earwaker 1993, Landsberg und Friedman 2001, Penning 2002, Perez-Pinas et al. 2000, Rao und El-Noueam 1998, Shung-Shik et al. 2001]. Zur Häufigkeit des Auftretens einer Nasenseptumdeviation finden sich unterschiedliche Angaben, die von einer Häufigkeit von 20% [Blaugrund 1989] bis zu 58% [Perez-Pinas et al.
2001] in der Normalbevölkerung reichen. Nicht jede Septumdeviation weist klinische Relevanz auf. Variationen der Ethmoidalzellen sind sehr häufig, zu nennen sind Aggernasi-, Haller-, und Onodi-Zellen. Es handelt sich hierbei um Ethmoidalzellen, die in benachbarte Regionen expandieren. Aggernasi-Zellen liegen vor der mittleren Nasenmuschel und können den Abfluss der Stirnhöhle behindern. Sie treten je nach Untersuchung in 10% bis zu 98% der Fälle auf. [Earwaker 1993, Perez-Pinas et al 2000]. Hallerzellen sind infraorbitale Zellen, die sich im Dach der Kieferhöhle befinden. Sie können den Ausgang der Kieferhöhle einengen. Hallerzellen wurden durch Perez-Pinas et al abhängig von Definition in 2.7%- 45% der Fälle gezeigt. Bei Onodi-Zellen handelt es sich um hintere Ethmoidalzellen, die sich in die Keilbeinhöhle ausbreiten. Sie reichen unter Umständen medial bis zur Sella turcica und lateral bis an den Optikuskanal. Die Prävalenz der Onodi- Zellen wird zwischen 10% und 98% angegeben.
Der Processus uncinatus variiert in seinem Ansatz an der Schädelbasis. Es gibt zahlreiche Untersuchungen zur Lage des Processus uncinatus, die unterschiedliche Einteilungen vornehmen [Landsberg und Friedman 2001, Schuhknecht und Simmen 2002, Pruna 2003].
Schuhknecht und Simmen nennen 2 Typen: Typ I setzt lateral an der Lamina papyracea an (75% der Fälle) an, während Typ II a medial mit der vorderen Schädelbasis und Typ II b mit der mittleren Nasenmuschel verbunden sind. Je nach Lage des Processus uncinatus drainiert die Stirnhöhle entweder über das Infundibulum ethmoidale (Typ II a, b) oder direkt (Typ I) in die Nasenhaupthöhle.
Eingriffe an den NNH setzten Kenntnisse über den Gefäßverlauf voraus. Die Arteria (A.) ethmoidalis anterior liegt etwa auf der Grenze zwischen vorderem und mittlerem Drittel des Siebbeins. Die A. carotis interna und der Nervus (N.) opticus befinden sich in direkter Nachbarschaft zur Keilbeinhöhle.
Schichtbilddatensätzen mit geringer Schichtdicke wurde somit möglich. Die Weiterentwicklung der ES-CT führte zur MS-CT. Zurzeit befinden sich MS-CT auf dem Markt, die 2, 4, 16 oder sogar 64 Schichten gleichzeitig erfassen [Flohr et al. 2002]. Die mit Hilfe der CT erfassten Schwächungswerte werden als CT- Rohdaten bezeichnet. Die Bildrekonstruktion ergibt schließlich den Bilddatensatz [Prokop und Galanski 2006]. Im Folgenden werden wichtige Schritte der Rekonstruktion erläutert. Zunächst wird auf die zu wählenden Basisparameter der Bildakquirierung, Schichtkollimation, Pitch und Rekonstruktionsinkrement eingegangen.
Wegen der Kollimierung eines schmalen Strahlenfächers trägt bei ES-CT-Scannern nur ein Bruchteil der von der Röntgenröhre emittierten Quanten zum Bild bei [Ohnesorge et al.
1999]. Bei der MS-CT werden mehrere Detektorzeilen aneinander gereiht und somit ein größerer Teil des Strahlenfächers genutzt [Rydberg et al. 2000].Man unterscheidet zwei Mehrzeilendetektorsysteme, den Fixed-Array-Detector und den Adaptive-Array-Detector.
Der Fixed-Array-Detector setzt sich aus Detektorelementen gleicher Größe zusammen, während der Adaptive-Array-Detector aus unterschiedlich großen Detektorelementen, die in der Patientenlängsachse ausgerichtet sind, aufgebaut ist.
Die Anwendung von herkömmlichen Bildrekonstruktionsverfahren setzt voraus, dass alle zur Rekonstruktion nötigen Messstrahlen in der gleichen Ebene liegen. Bei den MS-CT trifft dies näherungsweise für die inneren Detektorzeilen zu. Die Neigung der Messstrahlung zur Ebene, die orthogonal zur z-Achse (Körperlängsachse) steht, wird als Cone-Winkel bezeichnet. Er nimmt zu, je weiter außen die Detektorzeile liegt. Der Cone-Winkel führt zu einer Schichtverschmierung in axialer Richtung und damit zu Artefaktbildungen [Rydberg et al. 2000]. Der Adaptive-Array-Detector berücksichtigt die Begrenzungen, die durch den Cone-Winkel gegeben sind, solange nicht mehr als 4 Schichten simultan akquiriert werden [Ohnesorge et al. 1999, Flohr et al. 2002]. Bei Akquirierung von mehr als 4 Schichten kommen spezielle Rekonstruktionsverfahren zur Anwendung.
Die Dicke der Aufnahmeschicht wird über zwei Größen definiert. Zum einen geschieht dies durch die Kollimation des Fächerstrahls der Röntgenröhre, welcher in der z-Achse ausgerichtet wird, und zum anderen durch die Zuordnung der Messsignale der Detektorelemente zu einzelnen Schichten [Kalender 1999]. Einerseits gilt je breiter die Schichtkollimation ist, desto geringer der Dosisbedarf (mAs-Werte) bei konstanter Bildqualität. Andererseits wird bei schmalerer Schichtkollimation und konstanter Dosisapplikation das Rauschen reduziert und eine bessere Kontrastauflösung gewährleistet [Prokop und Galanski 2006].
Der Pitchfaktor gibt Auskunft über den Tischvorschub in Relation zum kollimierten Strahlenfächer. Der Pitch ist definiert als Tischvorschub pro Umdrehung bezogen auf die Gesamtbreite der kollimierten Breite einer Einzelschicht. Somit ergibt sich:
Pitchfaktor = Tischvorschub in mm pro Rotation/ Schichtkollimation in mm
Je größer der Pitchfaktor, desto kürzer ist die Gesamtaufnahmezeit [Rydberg et al. 2000].
Bei der konventionellen CT wird eine Schicht üblicherweise nach einer Rotation errechnet.
Bei der Helikal-CT wird der Patient während der Aufnahme kontinuierlich bewegt. Zu Beginn einer Rotation werden andere Bereiche erfasst als am Ende einer Rotation [Kalender 1999]. Zur Erstellung von planaren Schichten aus einer Projektionsebene wird daher eine so genannte Interpolation der eigentlichen Rekonstruktion der Bilddaten vorgeschaltet. Hierbei werden Projektionsdaten aus davor und dahinter liegenden Messdaten einer Rotation zur Berechnung herangezogen. Zurzeit sind zwei Verfahren gebräuchlich. Bei der 360° linearen Interpolation (360 LI) werden benachbarte Projektionen gleichen Projektionswinkels in aufeinander folgenden Umläufen verwandt. Bei der 180°
linearen Interpolation (180 LI) werden nach einem Halbumlauf komplementäre Daten benutzt [Ohnesorge et al. 1999]. Heute werden überwiegend 180°-LI-Algorithmen eingesetzt, da sie schlanke Schichtprofile ermöglichen [Kalender 1999, Wilting und Timmer 1999].
Datensatzisotropie ist beim 4-Zeilen-CT nicht gegeben, da die Auflösung in der x-y-Ebene um ein Mehrfaches höher ist als in der z-Achse [Flohr et al. 2002]. Dadurch bekommen die einzelnen Volumenelemente eines Datensatzes (Voxel) eine Quaderform und nicht wie angestrebt eine Würfelform. Angenähert isotrope Ortsauflösung wird durch die Wahl einer dünnen Schichtkollimation und einer überlappenden Bildrekonstruktion möglich [Kalender 1999].
Ein Hauptvorteil der helikalen Einzelschicht- und Mehrschicht-CT gegenüber der konventionellen CT liegt in der Möglichkeit, im Nachhinein das Zentrum der rekonstruierten Schicht nach freiem Ermessen auf der z-Achse zu wählen. Den Abstand aufeinander folgender Schichtpositionen bezeichnet man als Inkrement. Es ist ohne Erhöhung der applizierten Dosis möglich, Schnittbilder zu rekonstruieren, die sich stark überlappen.
relevanten Strukturen verschiedene Algorithmen zur Verfügung. Diese basieren auf geometrischen Prinzipien oder auf einer Kombination aus Schwellenwertverfahren und geometrischen Verfahren [Shin et al. 2000, Damian 2002, Prokop und Galanski 2006].
Die häufigsten Segmentationsverfahren zur Erstellung von 3D-Ansichten sind Surface Rendering (SR), Perspective Volume Rendering (PVR) und Intensitätsprojektion (IP). In dieser Arbeit wurde SR als Grundlage für die VE verwendet. Daher soll auf die IP und die PVR nur kurz eingegangen werden.
Das SR war der erste 3D-Darstellungsalgorithmus, der auf medizinische Datensätze angewendet wurde. Hierbei handelt es sich um eine 2D-Darstellung einer 3D-Oberfläche mit Hilfe von Perspektive, Schatten, Textur und anderen optischen Hilfsmitteln. Das Prinzip von SR besteht darin, die Oberfläche einer interessierenden Struktur in Form von verbundenen Polygonen darzustellen. Die abgebildete Oberfläche wird über einen Schwellenwert definiert. Bei der Segmentation mit einem Schwellenwertverfahren hat jedes Voxel eines selektierten Volumens einen Abschwächungswert, der innerhalb eines vom Benutzer gewählten Intervalls liegt [Udupa1999]. Die Opazität gibt die Undurchlässigkeit eines Voxels für einen virtuellen Lichtstrahl in Prozent an. Innerhalb des vom Benutzer gewählten Intervalls besitzen alle Werte maximale Opazität während Werte außerhalb des Intervalls nicht dazu gehören und nicht zum Bild beitragen [Galanski und Prokop 1998].
Der SR-Algorithmus berechnet nur Oberflächen, das verbleibende Volumen wird außer Acht gelassen. Im Vergleich zum PVR resultiert daraus eine höhere Geschwindigkeit und Flexibilität in der Nachbearbeitung der Daten [Damian 2002].
Abb. 6 Diagramm zur Erläuterung des SR-Algorithmus 1
Nach dem Setzen des Schwellenwertes für die Oberfläche kann ein „Schwarz auf Weiss“ - oder ein „Weiss auf Schwarz“ - Paradigma gesetzt werden. Ersteres ermöglicht die Berechnung eines Objektes mit einem im Vergleich zur Umgebung hypodensen virtuellen Lumen. Letzteres erlaubt die Berechnung einer Struktur die im Vergleich zur Umgebung höhere Dichtewerte aufweist. Das SR ist somit nicht an ein tatsächliches Lumen gebunden, sondern an allen Grenzflächen mit differenten Strahlenabsorptionswerten möglich [Dessl et al. 1997]. Das PVR-Verfahren ermöglicht die direkte Visualisierung der Volumendaten ohne vorherige Segmentation. Der Kontext der Originaldaten bleibt somit erhalten. Der PVR- Algorithmus ordnet jedem Voxel des Objektes eine Opazitätswert zwischen 100% und 0%
zu. Entlang eines virtuellen Lichtstrahls durch das interessierende Volumen wird der Beitrag jedes Voxels addiert. Das Ergebnis wird für jedes Pixel im Display berechnet und dargestellt. PVR kann zu einem größeren Informationsgehalt der 3D-Darstellung führen, benötigt jedoch leistungsfähigere Computer [Fishman et al. 1991, Calhoun et al 1999].
1 Die Voxelwerte 4 bis 9 liegen innerhalb der gewählten oberen und unteren Schwellenwerte. Bei der Berechnung der Oberfläche mit Hilfe von Polygonen werden die hinter dem Voxel mit dem Wert 5 gelegenen Voxel nicht berücksichtigt [Rodt 2002]
Abb. 7 Diagramm zur Erläuterung des PVR- Algorithmus 2
Bei der IP wird ein Bild dadurch erstellt, dass Strahlen entsprechend der Blickrichtung durch ein segmentiertes Volumen geschickt werden. Jedem Strahl wird ein Pixel in der Betrachtungsebene zugeordnet und das Ergebnis anhand bestimmter Vorgaben wie z.B.
maximaler oder minimaler CT-Wert berechnet. Man unterscheidet zwischen Maximum (MIP), Average (AIP) und Minimum Intensitätsprojektion (MinIP). Diese Methode ist besonders nützlich, wenn simple Strukturen mit wenig variierenden intrastrukturellen Intensitäten sich von ihrer Umgebung unterscheiden, wie z.B. nach erfolgter Kontrastmittelapplikation [Udupa 1999]. Die IP wird vorwiegend zur Darstellung von Gefäß- und Bronchialstrukturen verwendet. [Prokop und Galanski 2006].
Zur Darstellung eines 3-D Models in zwei Dimensionen ist die Ray-Casting Methode die zurzeit am Weitesten verbreitete Methode. Hierbei werden Voxel entlang eines parallelen
2 Den Voxelwerten 1 bis 5 ist eine Opazität von 0% zugeordnet, 6 eine Opazität von 25%, 7 eine Opazität von 50%, 8 eine Opazität von 75% und den Voxelwerten 9 bis 11 eine Opazität von 100%.
Der untere Teil des Diagramms zeigt die gewichtete Summation entlang des Lichtstrahls durch das Volumen mit Hilfe der PVR-Gleichung. Der resultierende Wert (6) ist sowohl durch die Opazitäten als auch die Werte der Voxel entlang des Lichtstrahles beeinflusst [Rodt 2002]
oder wahlweise divergenten virtuellen Strahlengangs addiert. Anhand der Summe der Voxelwerte für jeden Strahl wird ein Grauwert für das entstehende Pixel berechnet [Calhoun et al. 1999]. Diese Schattierungsalgorithmen, die die Schattierung entsprechend der Orientierung eines Objekts für ein oder mehrere Lichtquellen berechnen, sind maßgeblich an der Tiefenwirkung beteiligt. Entfernte Strukturen werden dunkler dargestellt als solche, die näher am Betrachter liegen.
3 MATERIAL UND METHODEN
3.1 Patienten
3.1.1 Patienten ohne Pathologie im Bereich der Nase und der Nasennebenhöhlen
Zur Standardisierung und Evaluation der Methoden mussten Patienten ausgewählt werden, die keine pathologischen Veränderungen im Bereich der Nase und NNH zeigten. Um eine unnötige Strahlenexposition der Patienten zu vermeiden, wurden 30 Patienten verschiedener Abteilungen der Medizinische Hochschule Hannover (MHH) gewählt, die im Rahmen der klinischen Routine ein NNH-CT oder Mittelgesicht (MG)-CT erhielten.
Die radiologische Unauffälligkeit im Bereich der Nase und NNH galt als Einschlusskriterium.
Eine maximale Pneumatisation der NNH ist erst ab einem Lebensalter von 20 Jahren erreicht. Aus diesem Grund wurden ausschließlich Patienten mit einem Alter über 20 Jahren berücksichtigt, wobei einschränkend zu erwähnen ist, dass eine Veränderung der Pneumatisation der Stirnhöhle bis zum 30. Lebensjahr möglich ist [Penning 2002].
Nasenseptumdeviationen werden nach Perez-Pinas et al. (2000) bei 58% der Normalbevölkerung angetroffen. Daher galt eine Septumdeviation nur als Ausschlusskriterium, wenn sie so markant war, dass sie eine Verschiebung in der Anatomie der Nase bewirkte und dazu führte, dass eine der beiden Nasenhaupthöhlen bzw. ihre angrenzenden Strukturen nicht mehr sicher zu differenzieren waren.
3.1.2 Patienten mit Pathologie im Bereich der Nase und der Nasennebenhöhlen
Es wurden ausschließlich Patienten der Abteilung Hals-Nasen-Ohrenheilkunde der MHH ausgewählt, die im Rahmen der klinischen Routine ein präoperatives CT erhielten, welches pathologische Veränderungen im Bereich der Nase- und NNH zeigte.
Ausgeschlossen wurden Patienten mit einem Alter unter 20 Jahren, sowie Patienten, die im Bereich der Nase und NNH bereits operiert worden waren.
Die Kategorisierung der Patienten in Diagnosegruppen erfolgte anhand der erstellten Diagnose durch den operierenden Arzt sowie durch den Abgleich der intraoperativen Befunde mit den zuvor gespeicherten CT-Daten.
Folgende Diagnosen wurden bei der Einteilung der pathologischen Fälle in Untergruppen berücksichtigt: Chronische Sinusitis, chronisch polypöse Sinusitis, akute Sinusitis und
„sonstige pathologische Veränderungen“. Zu letzteren zählten gutartige und bösartige Tumore sowie Mukozelen.
3.2 Akquisition der Datensätze mittels helikaler Mehrschicht-CT
Die Rohdatensätze wurden mit einem MS-CT (GE CT LightSpeed QX/i, General Electric (GE) Medical Systems, Milwaukee WI, USA) in der Abteilung Neuroradiologie der MHH unter Verwendung des dosisreduzierten Routineprotokolls akquiriert. Die Scan-Ebene lag parallel zum harten Gaumen. Eine Korrektur der Gantrykippung war bei diesem Gerät bei helikaler Datenakquisition nicht möglich. Es besitzt einen Fixed-Array-Detector, der matrixartig aus Elementen gleicher Größe zusammengesetzt ist. Der Detektor besteht aus 16 Zeilen, die in der Rotationsachse je 1.25 mm Schichtdicke definieren. Die kollimierten Schichtdicken 4 × 1.25 mm, 4 × 2.5 mm, 4 × 3.75 mm und 4 × 5 mm erhält man durch Zusammenschalten der einzelnen Detektorzeilen [Ohnesorge et al. 1999].
Der Scout wurde mit einer Röhrenspannung von 80 kV und einer Anodenstromstärke von 10 mA aufgenommen. Die anschließende Datenakquisition erfolgte mit Hilfe des angepassten dosisreduzierten Routineprotokolls. Je nach klinischer Fragestellung wurden Routineprotokolle für das Mittelgesicht, für die NNH oder NNH-Navigation benutzt.
Tab. 1.
MS-CT Scan-Protokolle für das Mittelgesicht, NNH und NNH-NavigationAnschließend erfolgte eine Bildrekonstruktion unter Verwendung eines hochauflösenden Knochenalgorithmus mit einem Blickfeld (DVOF) von 18 cm und Rekonstruktionsinkrementen von jeweils 1 mm [Gilani et al 1997, Rogalla et al 1998, Hopper et al., Han et al. 2000, Tirelli et al. 2003] und 0.6 mm. Die applizierte Dosis betrug gemittelt ca. 28 mGy beim MG bzw. NNH-Protokoll und 20 mGy beim NNH-Navigations- Protokoll.
Weiterhin wurde zur Rekonstruktion ein 180 LI-Algorithmus verwendet. Bei einer Bildmatrix von 512 × 512 betrug die Kantenlänge der Voxel 0.1875 mm in x-y-Richtung und je nach Rekonstruktionsinkrement 0.6 mm bzw. 1.0 mm in z-Richtung
.
3.3 2D- und 3D-Nachverarbeitung der Datensätze
3.3.1 2D-Nachverarbeitung
Die nach dem Routineprotokoll in axialen Schichten akquirierten Datensätze wurden nach der Bestimmung des Inkrements und der vereinheitlichenden Umrechnung des DFOV von 22 cm auf 18 cm, falls ein NNH-Navigations-Protokoll verwendet worden war, auf eine Ultra1-Workstation (Sun Microsystems, Palo Alto CA, USA), die mit dem Betriebssystem Advantage Windows 3.1 ausgestattet war, transferiert und gespeichert.
Für die folgende Auswertung der anatomischen Strukturen mit Hilfe der Software eFilm 1.5.3. (eFilm Medical Inc., Toronto, Ontario, Kanada) wurden die Datensätze vom Dicomformat in ein anderes Datenformat umgeschrieben. Die Bildinformation veränderte sich hierdurch nicht.
In Anlehnung an die Untersuchungsergebnisse von Husstedt et al. (1998) wurde die Fensterweite auf 3600 umgerechnet und die Fensterlage auf +600 gesetzt.
Die Bewertung der Strukturen wurde anhand von axialen Schichten und zusätzlich an paraorthogonal zu den axialen Schichten stehenden koronalen und sagittalen Reformationen (multiplanare Reformationen) vorgenommen.
3.3.2 3D-Nachverarbeitung: Virtuelle Endoskopie
Die 3D-Verarbeitung zur VE erfolgte ebenfalls auf der Ultra1-Workstation mit der Navigator- Software Version 2.0.8 gamma (GE) unter Verwendung einer hochauflösenden 512 × 512 Matrix. Da keine isotropen Voxel vorlagen, wandte das Programm einen Interpolationsalgorithmus an, der zu einem Glättungseffekt führt [Kalender, Calhoun et al.
1999]. Die Navigator-Software ermöglicht den Surface-Rendering-Algorithmus.
Folgende Parameter der 3D-Darstellung wurden gewählt:
• 3D-Bild glätten
• Schwellenmodus "Schwarz auf Weiß"
• Blendenöffnungswinkel 60°
• Werte für Raumlicht, Tiefenperspektive, Licht X und Y wurden auf 0 gesetzt
Die Navigator-Software präsentiert dem Betrachter einen Bildschirm, der in vier gleichgroße Bilder unterteilt ist. Eines der Bilder zeigt das 3D-Bild. Die drei anderen Bilder repräsentieren die jeweiligen planaren (2D-) Schnittebenen. Ein Kreuz mit einem Strich verbunden (Cursor) zeigt die aktuelle Position und Blickrichtung des Betrachters im 3D Bild an. Die Blickrichtung in der 3D-Darstellung kann sowohl direkt in der 3D-Darstellung, als auch über die drei Referenzbilder frei verändert werden und unterliegt keiner Richtungsbindung (Siehe Abb. 8).
Abb. 8 Erklärung der Navigatorsoftware: Der Cursor befindet sich in der Nasenhaupthöhle und zeigt von anterior nach posterior. In dieser Position wird eine 3D-Abbildung der mittleren Nasenmuschel (Pfeil) generiert
3.4 Evaluation der Methode anhand des Patientenkollektivs ohne pathologische Veränderungen im Bereich der Nase und NNH
3.4.1 Erstellung von Standardansichten
Es wurden 13 standardisierte Ansichten im Bereich der Nase und Nasennebenhöhlen erstellt. Bei der Evaluation der Standardansichten zur Bestimmung geeigneter Schwellenwerte wurde deutlich, dass eine genauere Definition der zu betrachtenden Strukturen innerhalb der betrachteten Ansichten sinnvoll ist. Es interessierte u. a. die Abbildung der Ausführungsgänge bzw. Öffnungen der NNH sowie der angrenzenden Strukturen.
Tab. 2. Standardansichten und aus dieser Sicht bewertete Strukturen
3.4.2 Dreizehn Standardansichten im Multiview-Modus
Abb. 9 Standardansicht 1; Blick in den Nasenhauptgang von anterior auf die mittlere linke Nasenmuschel(Pfeil)
Abb. 10 Standardansicht 2; Blick auf den Processus uncinatus; Verlauf von anterior superior nach posterior inferior (Siehe Pfeile)
Abb. 11 Standardansicht 3; Hiatus semilunaris. Blick aus Nasenhaupthöhle von medial nach lateral (Pfeile)
Abb. 12 Standardansicht 4; Blick von superior auf die inferiore Begrenzung der Kieferhöhle
Abb. 13 Standardansicht 5; Blick von lateral auf die mediale Begrenzung der Kieferhöhle und Ostium maxillare(Pfeil)
Abb. 14 Standardansicht 6; Blick von inferior auf die superiore Begrenzung der Kieferhöhle
Abb. 15 Standardansicht 7; Blick von außen auf das Ostium der Keilbeinhöhle(Pfeil), der Cursor befindet sich im Recessus sphenoethmoidalis
Abb. 16 Standardansicht 8; Blick von posterior auf die anteriore Begrenzung der Keilbeinhöhle einschließlich Ostium (Pfeil)
Abb. 17 Standardansicht 9; Blick auf das Ostium der Stirnhöhle vom Ductus nasofrontalis aus (Pfeil)
Abb. 18 Standardansicht 10; Blick von superior auf das Ostium der Stirnhöhle (Pfeil)
Abb. 19 Standardansicht 11; Blick auf die Öffnung des Ductus nasolacrimalis, den unteren Nasengang
Abb. 20 Standardansicht 12; Blick auf die Choanen von posterior analog zur Rhinoscopia posterior
Abb. 21 Standardansicht 13; Blick auf den Torus tubae auditoriae mit Öffnung der Tubae auditoriae(Pfeile)
Die oben dargestellten Ansichten bilden Strukturen ab, die häufig Gegenstand von Studien über die Anatomie der Nase und NNH sind. Sie wurden in Übereinkunft mit der Abteilung Hals-Nasen-Ohrenheilkunde als klinisch relevant für Diagnostik und präoperative Vorbereitung übernommen.
Ansicht 1 ist angelehnt an die Rhinoscopia anterior, welche zur Inspektion der Nasenhaupthöhle mit einem Nasenspeculum durchgeführt wird [Boenninghaus 1996].
Ansichten 2 und 3 zeigen den osteomeatalen Komplex, welcher eine zentrale Rolle für Operationen im Bereich der Kieferhöhlen spielt [Schuhknecht und Simmen 2002, Pruna 2003]. Die Ansichten 4,5,6 bilden die Kieferhöhlenanatomie von innen ab. Abbildungen 7 und 8 verdeutlichen die Anatomie der Keilbeinhöhle, 9 und 10 die der Stirnhöhle. Mit Hilfe von Ansicht 11 wird der Ductus nasolacrimalis dargestellt. Standardansichten 12 und 13 imitieren die Rhinoscopia posterior, mit welcher der Nasenrachen dargestellt wird. Die Darstellung der Siebbeinzellen war virtuellendoskopisch nicht durchführbar.
3.4.3 Bestimmung optimaler Schwellenwerte zur Darstellung der anatomischen Gegebenheiten
Für die Standardansichten wurden zunächst geeignete Schwellenwerte bestimmt. Es wurden Abbildungen der 13 Standardansichten bei Rekonstruktionsinkrementen von jeweils
0.6 mm und 1 mm generiert und bei aufgehobener oberer Begrenzung und unteren Schwellenwerten von jeweils -500 Hounsfield-Units (HU), -450 HU, -400 HU, -350 HU, -300 HU, -250 HU und -200 HU gespeichert. Anschließend wurden diese Bilder hinsichtlich der Abbildungsqualität und dem Vorhandensein von Artefakten bewertet. Bei der Beurteilung der vorhandenen Artefakte wurde nur das Auftreten von Pseudoforamina und das Verschmelzen von anatomischen Strukturen berücksichtigt. Kabelwellenförmige und spiralförmige Artefakte, sowie Verzerrungen und Moiré-Artefakte wurden vernachlässigt [Bode et al. 2001]. Die Bewertung der Bilder wurde von zwei Beurteilern vorgenommen. Die Ergebnisse wurden anschließend korreliert. Jeder Beurteiler bewertete jeweils 5460 Bilder.
Für die Abbildungsqualität galt folgende Benotung:
• Nicht abgebildete oder abgrenzbare Strukturen wurden mit 0 bewertet
• Nicht vollständig abgebildete oder abgrenzbare Strukturen wurden mit 1 benotet
• In der Gesamtheit gut abgrenzbare Strukturen wurden mit 2 benotet
Bei der Bewertung von vorhandenen Artefakten wurde eine ähnliche Benotung durchgeführt:
• Keine erkennbaren Artefakte wurden mit O benotet
• Wenig Artefakte wurden mit 1 benotet
• Eine große Anzahl von Artefakten wurden mit 2 benotet
Die resultierenden Ergebnisse der Schwellenwerte für die optimale Darstellung der einzelnen Strukturen wurden auf Patienten ohne Pathologie im Bereich der Nase und NNH und an Patienten mit pathologischen Veränderungen angewendet.
3.4.4 2D-Bewertung des Kollektivs gesunder Patienten
Eine Bewertung der zuvor definierten Strukturen erfolgte anhand von Bildern in jeweils axialer Schichtung, koronaler Schichtung und sagittaler Schichtung jeweils bei einem Inkrement von 0.6 und 1 mm.
Im Multiview-Modus der Navigator-Software wurden die jeweiligen Schichten mit Hilfe des Cursors durchgeblättert und nach den qualitativen Kriterien der Abbildung der jeweiligen Struktur mit 0 als nicht abgrenzbar, 1 als nur teilweise abgrenzbar und 2 als gut abgrenzbar benotet.
3.4.5 3D-Bewertung der virtuell endoskopischen Bilder des Kollektivs gesunder Patienten
Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Schwellenwertauswertung wurden die 19 Strukturen der 13 Standardansichten bei -250 und -450 HU und einer Schichtdicke von jeweils 1 mm und 0.6 mm gespeichert und anschließend analog zu der beschriebenen Benotung der multiplanaren Schichten bewertet. Die mit 2 und 1 benoteten Strukturen wurden mit dem Cursor markiert und durch Cursor-Korrelation im axialen, koronaren und sagittalen Schichtbild verifiziert.
3.4.6 Vergleich 2D-und 3D Bewertung des Kollektivs gesunde Patienten
Die Qualität der 2D-und 3D Darstellung wurde unter Berücksichtigung der einzelnen Strukturen verglichen.
3.5 Anwendung der etablierten Methode auf pathologisch veränderte Nasen und NNH
Anhand der zuvor etablierten Standardansichten wurde die Bewertung der pathologisch veränderten Nasenhaupt- und NNH folgendermaßen vorgenommen:
• Standardansichten, die keine anatomische Veränderung der aus dieser Sicht
betrachteten Strukturen zeigten, wurden nicht bewertet.
• Standardansichten, welche aufgrund weichteil- oder flüssigkeitsäquivalenter Ausfüllung für die VE nicht darstellbar waren, wurden statistisch erfasst, aber nicht bewertet.
• Strukturen, die pathologische Veränderungen aufwiesen, wurden hinsichtlich folgender Aspekte beurteilt: Zusätzlicher Informationsgehalt zur Lage, zur Ausbreitung und/oder zur Morphologie der pathologisch veränderten Gegebenheiten. Dabei galt 0=kein zusätzlicher Informationsgewinn, 1= zusätzlicher Informationsgewinn
Insgesamt wurden die ersten 11 Standardansichten 200 mal bewertet (Die linke und rechte Nasenregion jeweils 100 mal), die unpaarigen Standardansichten 12 und 13 (Choanen und Torus tubae auditoriae) jeweils 100 mal.
3.6 Statistische Auswertung
Bei den erhobenen Werten zur Bewertung der Bildgebung im Bereich der Nase und NNH handelt es sich um ordinale Werte. Ordinale Werte bedingen die Anwendung nicht- parametrischer Tests, die einen Vergleich von Variablen unter Erstellung von Rängen erlauben. Der Wilcoxon-Test ermöglicht den Vergleich von zwei abhängigen Variablen, während der Friedman-Test mehrere abhängige Variablen prüft. Das Signifikanzniveau wurde auf p<0.5 festgelegt. Zur graphischen Darstellung der Ergebnisse wurden Mittelwerte verwendet.
4 ERGEBNISSE
4.1 Evaluation der Methode anhand des gesunden Patientenkollektivs
4.1.1 Patienten
Von den 30 Patienten waren 15 männlich und 15 weiblich. Das Alter der Patienten betrug zwischen 21 und 91 Jahren (MW 52,28 Jahre, SD 21,81 Jahre).
Im Folgenden wird auf oben genannte Patienten, die nach den Ausschlusskriterien keine Pathologie der Nase und NNH aufweisen, per definitionem als Kollektiv „normale Patienten“
Bezug genommen.
Tab. 3. Indikationen zur Untersuchung der Patienten ohne pathologischen Befund im Bereich der Nase und NNH.
Friedman-Test durchgeführt. Dabei wurde die Auswertung für die Bildgebung mit 1 mm sowie 0.6 mm Schichtdicke berücksichtigt.
Tab. 4. Beste Abbildung der einzelnen Standardansichten in Abhängigkeit vom gewählten Schwellenwert
Abb. 23 Darstellung der Mittelwerte der Bewertung der 13 Standardansichten bei einem Inkrement von 1 mm.
Strukturen innerhalb der betrachteten Standardansichten sinnvoll ist. In der weiteren Bewertung wurde deshalb von hier an differenziert auf die Darstellung der Ausführungsgänge der NNH sowie auf die der Ausführungsgänge angrenzenden Anatomie innerhalb einer Standardansicht geachtet.
Aufgrund der oben genannten Ergebnisse wurde der Vergleich der 2D- und 3D-Darstellung mit folgenden Parametern durchgeführt:
• 13 Standardansichten und 19 Strukturen innerhalb dieser Ansichten
• Inkrement: 1 mm
• Virtuelle Endoskopie bei Schwellenwerten von HU -250 und -450
• Bewertung axialer, koronaler und sagittaler Schichten
Damit wurde der von der Wahl des Schwellenwerts abhängigen Darstellungsqualität einzelner Strukturen Rechnung getragen.
4.2 2D- und 3D-Darstellung
4.2.1 2D-Darstellung
Die koronale Bildgebung ergab die qualitativ und quantitativ besten Ergebnisse in der Darstellung der nasalen Strukturen.
Mit der axialen, koronalen und sagittalen Bildgebung ließen sich sämtliche ausgewählten Strukturen der Standardansichten abbilden.
Eine nicht optimale Darstellung (niedrige Ränge) in allen 3 Verfahren fällt bei Hiatus semilunaris (4), Ostium sphenoidale von innen und außen (9, 11) sowie bei Ostium frontale auf (Siehe Abb. 25).
Die Wahl der multiplanaren Bildgebung hat Einfluss auf die Abbildungsqualität der Strukturen.
Tab. 5. Signifikant bessere Darstellung der betrachteten Struktur in Abhängigkeit von der Schichtung, jeweils mit einem Kreuz markiert
4.3 2D- und 3D-Vergleich
Strukturen, die in der multiplanaren Bildgebung niedrige Mittelwerte in der Darstellungsqualität zeigten, ergaben für die 3D-Darstellung ähnliche Werte. Dies ist für den Hiatus semilunaris (4), Ostium Recessus sphenoethmoidalis(9), Ostium Sinus sphenoidalis(11) und Ductus nasofrontalis (14) deutlich.
Abb. 27 Vergleichende Darstellung der multiplanaren Darstellung mit der 3D-Darstellung 5
5 1) Septum, 2) Mittlere Nasenmuschel, 3) Processus uncinatus, 4) Hiatus semilunaris, 5) Boden Sinus maxillaris, 6)Ostium Sinus maxillaris, 7) Mediale Begrenzung Sinus maxillaris, 8) Dach Sinus maxillaris, 9) Ostium Recessus sphenoethmoidalis, 10) Begrenzung Sinus sphenoethmoidalis, 11) Ostium Sinus sphenoidalis, 12) Septum Sinus sphenoidalis, 13) Boden Sinus sphenoidalis, 14) Ductus nasofrontalis, 15) Ostium Sinus frontalis, 16) Mediale Begrenzung Sinus frontalis, 17) Ductus nasolacrimalis, 18) Choanae, 19) Torus tubae auditoriae
4.4 Anwendung der Methode bei Patienten mit Pathologie im Bereich der Nase und NNH
4.4.1 Auswertung der VE pathologisch veränderter Nasenhaupt- und NNH unabhängig von Diagnose und Struktur
Insgesamt wurden nach dieser Methode 100 Patienten ausgewählt, 74 männliche und 26 weibliche. Das Alter der Patienten betrug zwischen 20 und 80 Jahren (MW:
47 Jahre, SD 15,85 Jahre).
Insgesamt wurde die VE auf 3600 Standardansichten angewendet. Davon waren 1326 Ansichten nicht von einer pathologischen Veränderung betroffen und 601 durch komplette Weichteilausfüllung nicht generierbar. Insgesamt waren 1673 pathologisch veränderte Strukturen durch die VE beurteilbar. Hieraus ergab sich folgende Verteilung:
• Standardansichten nicht von Pathologie beeinflusst: 37%
• Standardansicht aufgrund von Weichteilausfüllung nicht einstellbar: 17%
• VE zur Beurteilung von Zusatzinformation hinsichtlich der pathologischen Veränderung erfolgt: 46%
4.4.2 Auswertung der VE in Beziehung zur betrachteten Struktur mit pathologischer Veränderung
Die Auswertung der generierten Zusatzinformation, in Prozent, ergab niedrige Werte für Processus uncinatus (3), Hiatus semilunaris (4), Ostium maxillare (6), Ostium sphenoidale von außen und innen (9, 11), Ductus frontalis (14), Ostium frontale (15) und Ductus nasolacrimalis (Siehe Abb. 28).
Abb. 28 Darstellung der durch die VE generierten Zusatzinformation in % bezogen auf die Anzahl aller pathologischen Veränderungen im Bereich der jeweilig betrachteten Struktur 6
4.4.3 Auswertung der Daten nach Diagnose
Insgesamt wurden 100 pathologische Fälle gesammelt. Es wurden 62 Patienten mit chronischer Sinusitis, 22 mit chronisch polypöser Sinusitis, 6 mit akuter Sinusitis und 10 Patienten mit „sonstigen pathologischen Veränderungen“ bewertet. Unter
„sonstige pathologische Veränderungen“ fielen vier invertierte Papillome der Kieferhöhlen, zwei Mukozelen der Stirnhöhle, ein Osteom des Siebbeins und ein Hämangiom in der Nasenhaupthöhle. Ein Patient wies nasale Veränderungen infolge einer hereditären Telangiektasie (Morbus Osler) auf.
6 1) Septum, 2) Mittlere Nasenmuschel, 3) Processus uncinatus, 4) Hiatus semilunaris, 5) Boden Sinus maxillaris, 6)Ostium Sinus maxillaris, 7) Mediale Begrenzung Sinus maxillaris, 8) Dach Sinus maxillaris, 9) Ostium Recessus sphenoethmoidalis, 10) Begrenzung Sinus sphenoethmoidalis, 11) Ostium Sinus sphenoidalis, 12) Septum Sinus sphenoidalis, 13) Boden Sinus sphenoidalis, 14) Ductus nasofrontalis, 15) Ostium Sinus frontalis, 16) Mediale Begrenzung Sinus frontalis, 17) Ductus nasolacrimalis, 18) Choanae, 19) Torus tubae auditoriae.
Tab. 7. Auswertung aller pathologischen Fälle nach Diagnose
Abb. 29 Verteilung der Diagnosen der pathologisch veränderten NNH
4.4.3.1 Vergleich chronische Sinusitis und chronisch polypöse Sinusitis
Die Anzahl der Fälle der chronischen Sinusitis mit (n=62) und chronisch polypösen Sinusitis (n=22) erlaubte den Vergleich der beiden Gruppen. Abb. 30verdeutlicht den Informationsgewinn durch die VE im Fall der chronischen Sinusitis.
Abb. 30 Darstellung der generierten Zusatzinformation in Abhängigkeit von bewerteter Struktur bei der chronischen Sinusitis 7
Die VE generierte für die Strukturen 3, 4, 6, 9, 11, 15, 17 und 18 wenig zusätzlichen Informationsgewinn im Fall der chronischen Sinusitis. Die VE auf die polypöse Sinusitis angewandt ergab wenig Informationsgewinn für Strukturen 3, 4, 6, 9, 11, 15, 17 und 18.
Dies bedeutet, dass die VE für beide Erkrankungen gleich aussagekräftig ist.
Die VE erlaubt weniger häufig Information zur Morphologie, Ausbreitung und Lage einer Pathologie, wenn sie auf Strukturen in engen anatomischen Verhältnissen angewandt wird.
7 1) Septum, 2) Mittlere Nasenmuschel, 3) Processus uncinatus, 4) Hiatus semilunaris, 5) Boden Sinus maxillaris, 6)Ostium Sinus maxillaris, 7) Mediale Begrenzung Sinus maxillaris, 8) Dach Sinus maxillaris, 9) Ostium Recessus sphenoethmoidalis, 10) Begrenzung Sinus sphenoethmoidalis, 11) Ostium Sinus sphenoidalis, 12) Septum Sinus sphenoidalis, 13) Boden Sinus sphenoidalis, 14) Ductus nasofrontalis, 15) Ostium Sinus frontalis, 16) Mediale Begrenzung Sinus frontalis, 17) Ductus nasolacrimalis, 18) Choanae, 19) Torus tubae auditoriae.
Abb. 31 Darstellung der generierten Zusatzinformation in Abhängigkeit von bewerteter Struktur bei der chronisch polypösen Sinusitis
4.4.3.2 Sonstige pathologische Veränderungen
Die Erkrankungen der Nase und NNH, die in die Kategorie „sonstigen pathologische Veränderungen“ fallen, werden in der Diskussion besprochen.
5 DISKUSSION
5.1 Patienten ohne Pathologie im Bereich der Nase und Nasennebenhöhlen
Um unnötige Strahlenbelastung zu vermeiden, wurden Patienten ausgewählt, die im Rahmen der klinischen Routine ein NNH-CT oder Mittelgesicht (MG)-CT erhielten.
Das dosisreduzierte Routineprotokoll der Neuroradiologie der MHH fand hierbei Anwendung [Husstedt et al. 1998].
Die Sammlung einer ausreichenden Zahl Fälle wurde durch die Selektion anhand der Auswahlkriterien eingeschränkt. Wegen der großen Variabilität der Nasenanatomie gestaltete sich die Definition „regelrechte Anatomie“ schwierig. Zudem bedingten die Auswahlkriterien den Ausschluss pädiatrischer Fälle von der Studie. Der Großteil computertomographischer Darstellungen wird angesichts der Strahlenbelastung und der Epidemiologie der Pathologien an ausgewachsenen Patienten durchgeführt. In ausgewählten Fällen ist sie jedoch für die Beurteilung kindlicher Nasenanatomie nützlich.
Bisdas et al zeigten in einer dieser Promotionsarbeit arbeit vorausgehenden Veröffentlichung virtuellendoskopische Bilder eines Neugeborenen mit Choanalatresie. Die für diesen Fall angefertigten 3D-Abbildungen verdeutlichten die Lage der Atresie ausgezeichnet und bestätigten somit den klinischen Verdacht.
Eine Standardisierung der Schwellenwerte und Standardansichten für pädiatrische Fälle wurde nicht vorgenommen. Diese wäre zur Komplettierung der Studie wünschenswert. In Anbetracht der geringen Zahl pädiatrischer Fälle, hätte dieser Aspekt den zeitlichen Rahmen der Studie gesprengt. Es ist jedoch anzunehmen, dass die Methode, zumindest die Standardisierung der Schwellenwerte und die Wahl des Inkrements, auf jüngere Patienten übertragen werden kann. Inwieweit die Standardansichten anwendbar sind, bleibt zu erörtern.
5.2 Akquisition der Datensätze mittels helikaler Mehrschicht-CT
Die koronale CT stellt den Goldstandard zur präoperativen Orientierung für den Operateur dar. Die ES-CT bedingte die extreme Hyperflexion der Halswirbelsäule. Mit Einführung der helikalen CT wurde eine schnellere und strahlenreduzierte Datenerhebung gewährleistet.
Durch die spiralförmige Datenaufnahme entsteht ein dreidimensionaler Gesamtdatensatz, der multiplanare Rekonstruktionen ermöglicht [Soujanen et al. 1995, Koitschev et al. 2002].
Koitschev et al. und Lang et al. demonstrierten, dass sekundäre koronale Rekonstruktionen der NNH im Vergleich zu den Originalaufnahmen die diagnostisch relevante Information in guter Qualität dokumentieren und teilweise durch die Vermeidung von Zahnartefakten sogar bessere Ergebnisse erbringen.
Die Exposition der Schilddrüse ist bei der axialen Schichtung im primären Strahlengang vollständig vermeidbar. Die Strahlenexposition der Linse bleibt bei der Untersuchung der Nase und NNH unvermeidbar [Cohnen et al 1998, Damian et al. 2000].
Eine größtmögliche Dosisreduktion sollte in jedem Fall angestrebt werden. Die Strahlenexposition ist unter anderem abhängig vom Röhrenstrom, der Röhrenspannung, dem Pitch-Faktor, dem Fokusachsenabstand und der Röhrenfilterung. Röhrenstrom, Röhrenspannung und Pitch sind die am besten beeinflussbaren Größen. Mit Reduktion der mAS-Einstellung nehmen die Energiedosen an den Risikoorganen in linearem Verhältnis ab [Dammann et al. 2000]. Kearney et al. zeigten dass eine Dosis von 40 mA zur koronalen Darstellung der NNH ausreichend ist (1997).
Bei der Diagnostik der Nasennebenhöhlen steht die Beurteilung von Knochen- und Weichteilstrukturen, die von Luft umgeben sind im Vordergrund.
Aufgrund der großen Absorptionsunterschiede zwischen den hier gelegenen Geweben beeinflusst ein Anstieg des Rauschens bei abnehmender Dosis die diagnostische Qualität der Aufnahme nicht wesentlich [Dammann et al. 2000].
In dieser Studie wurden mA- Werte von 40 und 80 mA verwendet. Dies war abhängig von der Fragestellung der Untersuchung. Die Standardisierung der Methode erfolgte ausschließlich mit dem NNH- oder Mittelgesicht-Modus, der mit 40 mA Röhrenstromstärke gefahren wird. Das Dosisleistungsprodukt betrug 334.63 mGy x cm, der CT-Dosisindex 31.35 mGy. Das Dosisleistungsprodukt der Untersuchung mit dem Navigations-Protokoll lag bei 274.38 mGy x cm, der CT-Dosisindex bei 20 mGy.
Es gibt bisher keine Untersuchungen zur eingesetzten Röhrenstromstärke und zu deren Einfluss auf die Qualität der virtuellen Darstellung. Es ist nicht auszuschließen, dass eine erhöhte Dosis zu besseren Ergebnissen führt. In welchem Umfang die Dosis erhöht werden müsste, um gegebenenfalls zu besserer Abbildungsqualität zu führen oder andersherum, welche Dosisreduktion zur signifikanten Qualitätsminderung der VE führt, bleibt hier offen.
Wie auch bei dieser Studie lag die Röhrenspannung bei den anderen Studien zur NNH-VE bei 120 KV. Es wurden Anodenstromstärken von 50 mA bis zu 175 mA verwendet. [Gilani et al. 1997, Rogalla et al. 1998, Hopper et al. 1999].
Da die Daten der Scan-Protokolle anderer Studien nicht vollständig waren, war ein Vergleich der Dosisleistungsprodukte nicht möglich.
Insgesamt sollte eine Orientierung an den Dosisprotokollen für die routinemäßige multiplanare Darstellung der NNH angestrebt werden, da die koronale und die sagittale Schichtung für die meisten Fragestellungen unverzichtbar bleibt und die VE allenfalls als zusätzliches Mittel gesehen werden sollte.
Bei der Weiterverarbeitung und der anschließenden Bewertung der 2D-Schichtbilder wurde eine Fensterweite von 3600 HU und eine Fensterlage von +600 HU gewählt. Die Fensterweite von 3600 HU stellt einen guten Kompromiss zwischen ausreichend rauscharmer Abbildung und gutem Kontrast der anatomischen Strukturen bei der verwendeten reduzierten Strahlendosis und der damit erhöhten Standardabweichung der CT-Schwächungswerte dar. Die Fensterlage von + 600 HE bewirkte eine Verschiebung der dargestellten Grauwerte in Bereiche, die vom menschlichen Auge besonders gut aufgelöst werden können [Husstedt et al. 1998].
Das räumliche Auflösungsvermögen des akquirierten Datensatzes wird durch den Schichtabstand und die Auflösung der jeweiligen Scan-Ebene, sowie durch die Möglichkeit, Strukturen aufgrund ihrer unterschiedlichen CT-Schwächungswerte zu differenzieren, bestimmt.
Sicherlich sollte eine optimale Auflösung angestrebt werden. In Bezug auf die Nase und NNH stellt sich jedoch die Frage, im Gegensatz zur Beurteilung filigraner Strukturen wie z.B. der Ohrknöchelchen, wie viel Detailgenauigkeit von Nöten ist. Wird die präoperative Vorbereitung angestrebt, hat sich gezeigt, dass koronalen Abbildungen in 3 mm bis 4 mm rekonstruierter Schichtdicke zur Lokalisation der relevanten Landmarken ausreichend sind [Schwickert 1994, Vogl 2000].
Das Navigationssystem, das sich während der Datenkollektion in der MHH in Erprobung befand, wurde mit Schichten von einem 1 mm starken Rekonstruktionsinkrement „gefahren“
[Heermann et al.2002].
In dieser Arbeit wurden leicht anisotrope Voxel in Kauf genommen. Die Erstellung isotroper Voxel bedingt eine dünne Schichtkollimation. Dies wiederum steht der dabei produzierten Datenmenge und der damit verbundenen benötigten Rechenzeit entgegen.
Es wurden in Abhängigkeit des gewählten Rekonstruktionsintervalls bis zu 170 Schnittbilder pro Untersuchung erstellt. Berücksichtigt man das Scannen der Datenmenge, die Bildberechnung, die Bildrekonstruktion, den Transfer der Daten auf die Workstation und das Erstellen der Standardansichten, betrug die Bearbeitungszeit pro Untersuchung 12-15 Minuten.
Um die benötigte Zeit zur Rekonstruktion der 2D Schnittbilder und den Datentransfer zu beschleunigen und somit die Eingliederung in die klinische Routine zu erleichtern, muss entweder das Arbeiten mit anisotropen Voxeln oder aber die Anwendung eines größeren FOV und der daraus folgenden reduzierten Auflösung in x-y-Richtung akzeptiert werden [Shin et al. 2000].
5.3 3D Darstellung: Virtuelle Endoskopie
Ziel der virtuellen Endoskopie ist die detailgenaue Darstellung und nach Möglichkeit die größengerechte Abbildung anatomischer Verhältnisse und pathologischer Veränderungen.
Bisher wurden 2 Segmentierungsverfahren zur 3D-Darstellung der Nase und NNH erprobt.
Bei beiden Methoden handelt es sich um automatisierte Segmentationsverfahren.
Die erste eruierte und für den sinunasalen Bereich erprobte 3D-Darstellungsmethode war der PVR-Modus: Gilani et al erstellten 1997 einen Flug durch die Nase und NNH. Die Generierung eines dreiminütigen Fluges nahm mehrere Stunden Zeit in Anspruch. Eine weitere Arbeit untersuchte die Möglichkeit wichtige Landmarken präoperativ zu markieren und sie virtuell mittels PVR zu entfernen [Hopper et al. 1999]. Eine Arbeit von Gotwald et al. zeigten 2001 einzelne PVR-Darstellungen der NNH.
Das in dieser Arbeit verwendete Segmentationsverfahren wurde erstmals durch De Nicola et al 1997 an Einzelfällen erprobt. Es folgten Rogalla et al., Han et al. und Tirelli et al., die die VE mit der FE verglichen.
Grundsätzlich muss man davon ausgehen, dass nach einer Segmentation modifizierte Daten vorliegen. Somit sind alle segmentierten Daten potentiell fehlerhaft. Jedes Segmentationsverfahren birgt Vor- und Nachteile bzw. unterschiedliche Fehlerquellen. Der SR-Modus erlaubt, Segmentationen innerhalb weniger Sekunden zu erstellen und ermöglicht damit eine Echtzeitnavigation. Er ist deshalb augenblicklich in der klinischen Anwendung vorteilhaft. Limitiert ist diese Methode, da sie von einheitlichen Voxelwerten ausgeht. Treffen zwei Gewebe aufeinander, wird der Mittelwert beider Gewebedichten in
einem Voxel dargestellt. Beim SR wird theoretisch davon ausgegangen, dass jedes Voxel nur eine Gewebeart enthält. Aus diesem Grund ist es schwierig, einen Schwellenwert zu definieren, der eine bestimmte Gewebeoberfläche darstellt und eine genaue Unterscheidung der Kontaktflächen benachbarter Gewebe ermöglicht [Fishman et al. 1991, Schneider 2005]. Mit Zunahme des Auflösungsvermögens werden immer kleinere Voxelmaße und dadurch die Differenzierung unterschiedlicher Gewebearten möglich.
Folglich kann der SR-Modus in seiner Darstellungskraft genauer werden.
Das SR bietet sich für die Darstellung der Nase und NNH wegen der großen Schwellenwertunterschiede in diesem Bereich (Luft gegen Schleimhaut) durchaus an.
Ähnliche kontrastreiche Gebiete sind das Tracheobronchialsystem, die Blase, das Mittelohr und, je nach Präparation, der Darm. Das SR wird hier als gute zusätzliche Darstellungsmodalität gesehen [Dessl et al. 1997, Udupa 1998, Wyatt et al. 2000, Burmeister 2000].
Der PVR Modus hingegen umgeht die binäre Eigenschaft des Schwellenwertmodus, indem er jedem Voxel einen Prozentwert zuordnet. Es wurde gezeigt, dass der PVR Modus in der Darstellung von Details dem SR Modus überlegen ist [Rieker et al. 1998, Calhoun et al.
1999]. Zudem ermöglicht der PVR Modus Wandstrukturen transparent darzustellen und so über benachbarte Gewebe eine Aussage zu machen [Dessl et al. 1997].
Manuelle Segmentationsverfahren wären für die Nase und NNH denkbar gewesen, sie sind aber ebenfalls nicht nur zeitaufwändiger, sondern bergen die Gefahr der interindividuellen Beeinflussbarkeit. Dies erschwert die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.
Ziel dieser Arbeit war die Standardisierung einer 3D-Darstellungsmethode vorzunehmen.
Es sollte eine möglichst geringe Variation in der interindividuellen Beurteilung und die zügige Bearbeitung der Daten gewährleistet sein, daher waren manueller Verfahren bzw.
die Anwendung des PVR-Modus dem Ziel dieser Arbeit nicht angemessen. Aus dem gleichen Grund wurde auch auf die Anwendung formbasierter Filterungen wie der „Erosion“
und „Dilatation“, die das Abtragen oder Hinzufügen von Voxelschichten ermöglichen [Shin et al. 2000] verzichtet.
In der klinischen Anwendung, in der nicht mehr von einer regelrechten Anatomie ausgegangen werden kann, stellt die Beeinflussbarkeit der Methode ebenfalls einen Unsicherheitsfaktor dar.
Vergleichende Studien von PVR und VE liegen für den sinunasalen Bereich bisher nicht vor. Es ist davon auszugehen, dass mit zunehmender Rechengeschwindigkeit der
Computer die Limitationen des PVR-Algorithmus durch die aufwendigen Rechenoperationen in den Hintergrund treten [Calhoun et al. 1999].
5.4 Etablierung und Evaluation der Methode anhand des gesunden Patientenkollektivs
5.4.1 Standardansichten
Die Bildgebung der Nase und NNH dient der Diagnostik entzündlicher und neoplastischer Erkrankungen, zudem spielt sie eine tragende Rolle für die präoperative Vorbereitung und intraoperative Orientierung.
Die Nasennebenhöhlenchirurgie orientiert sich an anatomischen Details und wird daher häufig als Landmarkenchirurgie bezeichnet.
Die Standardansichten sollten einerseits der Standardisierung der Methode dienen, andererseits wichtige Orientierungspunkte abbilden.
Insgesamt wurde ein recht umfangreiches Bild der Nasenanatomie gewählt.
Vier Studien verglichen die fiberoptische Endoskopie mit der der VE [Rogalla et al. 1998, Han et al. 2000, Tirelli et al. 2003, Bisdas et al 2004]. Die Wahl der Strukturen, die hier zur Evaluation gewählt wurden, ähnelte der Auswahl anderer Studien. Bisher nahm keine Arbeit Bezug auf die Darstellung des superioren Anteils der Nasenhaupthöhle. Dies mag an der variierenden Anatomie oder der Schwierigkeit, Landmarken in diesem Bereich zu definieren, liegen.
In der Definition der Standardansichten wurde auf die Bewertung jener Orientierungshilfen geachtet, die im Kontakt mit dem Nasenhöhlendach beziehungsweise der lateralen Nasenwand stehen. Dies sind die mittlere Nasenmuschel, der Processus uncinatus, der Ductus nasofrontalis und der Recessus sphenoethmoidalis. Sie stellen allesamt Strukturen dar, die bei unvorsichtiger Manipulation Verletzungen der Schädelbasis herbeiführen können [Sung-Shik et al. 2001].
Als Auslösemechanismus der chronischen Rhinosinusitis werden funktionelle Veränderungen der Schleimhaut angesehen, die durch Schwellung, Beeinträchtigung der mukozilliären Drainage, Sekretstase und Infektion einen Circulus vitiosus in Gang setzen.
Urheber dieser bis heute gebräuchlichen Theorie war Messerklinger in den frühen siebziger Jahren [Stammberger 1986].
