Archiv "Virtuelle Bronchoskopie" (10.05.2002)

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ie Nachverarbeitung volumetri- scher Bilddatensätze aus der Spi- ral-Computertomographie (Spi- ral-CT) wird mit der Komplexität anatomischer und pathologischer Struk- turen und der Datenflut durch die Tech- nologie der Multi-Detektor-Spiral-CT (MD-SCT) ein zunehmend wichtiger Aspekt der Bildinterpretation und klinischen Befundpräsentation. In den letzten Jahren wurden deshalb große Anstrengungen unternommen, techni- sche Entwicklungen im Bereich der Bildnachverarbeitungsprozesse voran- zutreiben und deren Wertigkeit für die klinische Praxis zu evaluieren.

Die Spiral-CT ist der Goldstan- dard in der bildgebenden Diagnostik des Thorax und dessen Veränderungen (22). Die flexible fiberoptische Bron- choskopie gilt als das Verfahren der Wahl bei der Abklärung von Bronchial- erkrankungen, da Schleimhautverän- derungen früh diagnostiziert und Pro- ben für weitere histologische Abklärun- gen gewonnen werden können (5). In mehreren Studien konnte gezeigt werden, dass die axiale Dünnschicht-Spi- ral-CT jedoch auch bei der Diagnostik der Erkrankungen der Luftwege zunehmend bedeutsam wird (9–11). Ein

Nachsorgeverfahren des Tracheobron- chialsystems sollte, wie auch ein Scree- ningverfahren, für Patienten möglichst wenig belastend sein, diese einem mög- lichst geringen Risiko aussetzen, eine hohe Sicherheit beim Nachweis suspekter Veränderungen haben und für das Gesundheitssystem mit minimalen Ko- sten verbunden sein. Eine vergleichen- de Analyse der computertomographi- schen Bronchoskopie oder auch virtuellen Bronchoskopie mit der flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie zur Ab- klärung der jeweiligen Indikationen er- scheint deshalb sinnvoll.

Bildnachverarbeitung

Aus den akquirierten Volumenda- tensätzen der Spiral-CT wird im Allge- meinen eine große Zahl axialer Schnitt- bilder rekonstruiert. Diese sind jedoch weder für die diagnostische Interpreta- tion, noch für das Verständnis komple- xer anatomischer Verhältnisse ideal (19, 21). Oft wird argumentiert, dass Bildre-

konstruktionen zwar eine wertvolle diagnostische Ergänzung der axialen Schnittbilder darstellen, da sie auf diesen Daten basieren, hierdurch aber keine zusätzlichen diagnostischen Informa- tionen gewonnen werden könnten, son- dern im Gegenteil dadurch Bildinfor- mationen verloren gehen (3). Dennoch konnte gezeigt werden, dass sagittale und koronare multiplanare Rekon- struktionen (MPRs), im Vergleich zu den axialen Schnittbildern, die topographische Orientierung verbessern (1).

Weiterhin wurde in mehreren Studi- en (4, 6, 7, 9, 12, 14) über eine höhere Treffsicherheit bei der Diagnostik und Beurteilung des Auftretens, des Schwe- regrades und der Längenausdehnung von Tracheobronchialstenosen, im Ver- gleich zu den axialen Schnittbildern des Thorax-CT, berichtet, wenn alternative Rekonstruktionstechniken wie die Multiplanare-Rekonstruktion (MPR), die Maximum-Intensitäts-Pro- jektion (MIP), die Oberflächendarstel- lung (SSD), die Volumendarstellung (VR) oder die virtuelle Bronchoskopie (VB) verwendet werden. Die Qualität der Bildnachverarbeitung wird dabei wesentlich von den Akquisitionspa- rametern der Spiral-CT-Untersuchung

Virtuelle Bronchoskopie

Marcus D. Seemann, Claus D. Claussen

Zusammenfassung

Die virtuelle Bronchoskopie (VB) ist eine sinn- volle, nichtinvasive Alternative zur fiberopti- schen Bronchoskopie (FOB), insbesondere wenn diese abgelehnt wird, nicht durchführ- bar oder kontraindiziert ist. Besonders bei Pati- enten mit fehlender Compliance, bei Patienten die intensivpflichtig und künstlich beatmet sind, aber auch bei Kindern ist die schnelle Datenakquisition mit einem Multi-Detektor- Spiral-CT (MD-SCT) mit anschließender virtuel- ler Bronchoskopie diagnostisch wertvoll. Die virtuelle Bronchoskopie kann als komplemen- täres Verfahren zur fiberoptischen Broncho- skopie für die Beurteilung von Tracheobron- chialstenosen, der Planung und als Kontrollun- tersuchung in der Nachsorge von operativen, interventionellen und palliativen Therapie- maßnahmen angewendet werden und ist mög- licherweise auch als Screening-Methode bei Verdacht auf Bronchialkarzinome sinnvoll. Mit

der optimierten und verbesserten Darstellung in Form einer transparenten, farbkodierten 3- D-Oberflächendarstellung erlaubt die virtuelle Bronchoskopie gleichzeitig eine gute bis opti- male Visualisierung der Oberflächenstrukturen der Luftwege und der umgebenden mediasti- nalen Strukturen und verbessert damit die bild- gebende Diagnostik von endotrachealen und endobronchialen Erkrankungen.

Schlüsselwörter: virtuelle Bronchoskopie, Dia- gnosestellung, Computertomographie, Tracheo- bronchialsystem, 3-D-Bildverarbeitung

Summary

Virtual Bronchoscopy

Virtual bronchoscopy (VB) offers a practical non- invasive alternative to fiberoptic bronchoscopy and is particularly promising for patients in whom fiberoptic bronchoscopy is not feasible,

contraindicated or refused. Especially in patients without compliance, for patients in the intensive care unit and for children the fast data acquisi- tion with a multi-slice detector spiral CT scanner is very valuable. VB can be used as a complemen- tary procedure to fiberoptic bronchoscopy in evaluating airway stenosis as well as in planning and follow-up of surgical, interventional and palliative therapy of patients. It is likely to be accepted increasingly as a screening method for people with suspected bronchial carcinoma.

With an optimized and improved depiction by transparent color-coded shaded-surface virtual bronchoscopy allows a simultaneous visualiza- tion of the surfaces of the airways and the surrounding mediastinal structures and im- proves the diagnostic imaging of endotracheal and endobronchial diseases.

Key words: virtual bronchoscopy, diagnosis, computerized tomography, tracheobronchial system, 3D visualization

Radiologische Klinik, Abteilung für Radiologische Dia- gnostik (Ärztlicher Direktor: Prof. Dr. med. Claus D.

Claussen) des Universitätsklinikums Tübingen

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und damit der Qualität der axialen Schnittbilder (4, 13, 29), aber auch den Limitationen der Spiral-CT bezüglich räumlicher Auflösung und Kontrast- auflösung (11), beeinflusst. Die virtuelle Bronchoskopie ist eine neue, speziel- le 3-D-Darstellungs- und Beurteilungs- technik, bei der axiale Dünnschicht- Spiral-CT-Daten des Thorax in realistisch simulierte, endoluminale Ansich- ten generiert werden (16, 23, 24, 26, 28).

Methodische Ansätze der 3-D- Bildnachverarbeitung

Es gibt zwei grundlegend verschiedene methodische Ansätze der 3-D-Bild- nachverarbeitung, die auch die Grund- lage der virtuellen Endoskopie darstellen, die 3-D-Oberflächendarstellung (Surface Rendering) und die Volumen- darstellung (Volume Rendering) (17, 18, 23, 27).

Die 3-D-Oberflächendarstellung ver- mittelt die Oberflächeninformation der interessierenden und deshalb segmen- tierten Strukturen. Sie erfordert die Aus- wahl von Schwellwerten für die Volume- Growing-Segmentation, um damit das Luftwegmodell, das die Grenzschicht zwischen Tracheobronchialwand und Luft bildet, zu erstellen. Kritisch für die korrekte Darstellung von Strukturen mittels schwellwertbasierter Segmentati- onsschemata sind die Sensitivität ge- genüber Partialvolumeneffekten sowie die Wahl des Rekonstruktionsalgorith- mus und des Schwellwertes beziehungs-

weise Schwellwertintervalls (26). Die Wahl des Schwellwertes beziehungswei- se Schwellwertintervalls beeinflusst dabei wesentlich die Größe der segmentier- ten Strukturen und damit die Messwerte, zum Beispiel das Ausmaß der Tracheo- bronchialstenose, aber auch das Ausmaß der Segmentationsleckagen (26).

Die kontinuierliche Weiterentwick- lungen der Hard- und Software, vor al- lem jedoch die zunehmende Automati- sierung der aufwendigen und zeitintensi- ven Segmentation einzelner Strukturen werden den Einsatz einer oberflächen- basierten virtuellen Endoskopie für die Routineapplikation praktikabel werden lassen. Ein Nachteil der ober- flächenbasierten virtuellen Broncho- skopie ist der Verlust an extraluminaler Information (9), weshalb Erfahrungen mit 3-D-Bildrekonstruktionen und ein gutes Verständnis für die endoskopi- sche Ansicht des Tracheobronchial- systems als wesentliche Voraussetzung angesehen werden (2).

Die Volumenvisualisierung verwendet dagegen durch die direkte 3-D-Vi- sualisierung der unbearbeiteten Schnitt- bildsequenzen die Bildinformation des gesamten Spiral-CT-Volumendatensat-

zes. Durch Veränderungen der Licht- durchlässigkeit der Volumendarstellung ist eine realistisch simulierte, endoluminale Ansicht mit der Möglichkeit, Strukturen auch jenseits der Tracheo- bronchialwand zu beurteilen, gegeben (8). Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die schlechtere Beurteilung der Ober- flächenstrukturen der Luftwege.

Die Durchführung einer virtuellen Bronchoskopie mit der 3-D-Ober- flächendarstellung ermöglicht eine Dar- stellung ähnlich der flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie, ohne Darstel- lungsmöglichkeit der mediastinalen Strukturen und somit ohne wesentliche Zusatzinformation gegenüber der flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie (Abbildung 1a, 2a, 3a). Die Durch- führung einer virtuellen Bronchoskopie mit einer transparenten, farbkodierten 3-D-Oberflächendarstellung vereint die Vorteile der oberflächenbasierten und der volumenbasierten Darstellung und ermöglicht aufgrund einer gleichzeitigen ordentlichen bis optimalen intralumi- nalen Beurteilung der Oberflächen- strukturen der Luftwege und der extraluminalen Strukturen jenseits der Tra- cheobronchialwand eine verbesserte endoluminale Darstellung (25). Aufgrund der besseren räumlichen Orientierung der zugrunde liegenden individuellen anatomischen und pathologischen Ver- hältnisse, als auch deren exakte topographische Zuordnung zu den großen mediastinalen und hilären Gefäßen besteht bei dieser Darstellungsform die Mög- lichkeit auf eine zeitraubende detaillierte Analyse und Präsentation der axialen Schnittbilder weitestgehend zu verzichten (Abbildung 1b, 2b, 3b).

Vergleich der virtuellen Bronchoskopie und der

fiberoptischen Bronchoskopie

Vorteile der virtuellen Bronchoskopie Im Gegensatz zur flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie ermöglicht die virtuelle Bronchoskopie, aufgrund der je- derzeit verfügbaren axialen CT-Schnitt- bilder, eine Korrelation und Beurteilung endoluminaler Befunde mit den umgebenden extraluminalen Strukturen und somit eine Differenzierung der Ursache M E D I Z I N

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Abbildung 1: Inoperables Hypopharynxkarzinom mit einer lymphogenen, mediastinalen Metastase im linken Oberlappen nahe der distalen Trachea, die hier zu einer größeren Impression geführt hat, bei einer 63-jährigen Patientin. Virtuelle Broncho- skopie der Trachea auf Grundlage einer farbko- dierten 3-D-Oberflächendarstellung des Tracheob- ronchialsystems (weiß) und der lymphogenen, me- diastinalen Metastase (grün), mit Blick auf die Tra- chealbifurkation a) unter Verwendung einer 3-D- Oberflächendarstellung und b) einer transparen- ten 3-D-Oberflächendarstellung des Tracheobron- chialsystems. (Aus Seemann MD et al.: Hybrid 3D visualization of the chest and virtual endoscopy of the tracheobronchial system: possibilities and limi- tations of clinical application. Lung Cancer 2001;

32: 237–246. Mit freundlicher Genehmigung des Elsevier Verlags, Irland).

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partieller oder kompletter Verschlüsse bedingt durch anatomische Strukturen (Aortenbogen und Trachealknorpel), artifizielle Veränderungen (Atem- und Bewegungsartefakte, kardiale und arte- rielle Pulsationen und Sekretionen) und reelle Kompressionen (Tumoren und Lymphknoten) (2, 10). Die virtuelle Bronchoskopie könnte deshalb präope- rativ, bei der präzisen Operationspla- nung und Abklärung der Operabilität eine wichtige Rolle spielen, wenn sowohl die Ursache der Impression als auch deren exakte topographische Zuordnung zu wichtigen mediastinalen Strukturen, wie den großen Gefäßen, bekannt ist.

In der Literatur wird die Durch- führung der virtuellen Bronchoskopie bei der Beurteilung von Tracheobron- chialstenosen, der gezielten transbron- chialen Nadelaspirationsbiopsie und dem Screening von endobronchialen Tumoren als komplementäres Verfah- ren zur flexiblen fiberoptischen Bron- choskopie empfohlen (8, 28). Im Gegen- satz zur flexiblen fiberoptischen Bron- choskopie können hier selbst hochgra- dige Stenosen überwunden werden und somit deren Länge, aber auch die Area- le hinter diesen Stenosen beurteilt werden (2, 9). Dadurch wird möglicherwei- se die Einschätzung hinsichtlich einer parenchymsparenden Maßnahme im Sinne einer Manschettenresektion zum Nutzen des Patienten erleichtert.

Der Einsatz als Screeningmethode könnte bei Patienten mit einem geringen klinischen Verdacht auf eine endobronchiale Erkrankung, besonders bei jungen Patienten mit Infektionen oder Hämoptysen (10) und für Lun- gentransplantationsempfänger mit Ver- dacht auf Anastomosenstenose wertvoll sein (2, 9). Das Verfahren könnte aber auch zur kurzfristigen Kontrolle primär suspekter Endoskopiebefunde eingesetzt werden, das heißt zur Durch- führung einer vorgezogenen „virtuellen“ Kontrolle schon nach drei Mona- ten anstelle einer konventionellen Überprüfung erst nach einem halben Jahr. Die virtuelle Bronchoskopie ist aber auch für die Planung und die Er- folgskontrolle endoskopisch palliativer Maßnahmen ausgedehnter Tumorläsio- nen mit Indikation für Ballondilatation, Stentplatzierung, Laser- und Kryothe- rapie interessant.

Aufgrund der Möglichkeit der Durch- führung funktioneller Untersuchungen mittels in- und exspiratorisch akquirierten Spiral-CT-Datensätzen kann die Be- urteilung des Schweregrades einer Mal- azie des Tracheobronchialsystems vorge- nommen werden, sodass Stents mit einer höheren therapeutischen Sicherheit im- plantiert werden könnten. Weiterhin könnte die virtuelle Bronchoskopie als nichtinvasives Verfahren in der postope- rativen Nachsorgeuntersuchung nach Tumorresektion und therapeutischen In- terventionen, ohne zusätzliches Risiko für die Patienten nützlich sein (2, 9).

Nachteile der virtuellen Bronchoskopie Die Nachteile der virtuellen Broncho- skopie sind aus der Technik der Spiral- CT ableitbar. So ist zunächst für die Ak- quisition des Volumendatensatzes eine Strahlenexposition notwendig, deren Höhe von der Wahl der Untersuchungs- parameter abhängig ist. Die Daten von einigen Studien (2, 6, 9, 15) haben gezeigt, dass die virtuelle Bronchoskopie

extrem genau in der Detektion und dem Grading von fokalen Bronchiallä- sionen und Bronchialstenosen ist, aller- dings diesbezüglich keine 100-prozenti- ge Treffsicherheit hat.

Distal gelegene Abschnitte des Bronchialsystems machen die Applika- tion von speziellen Schwellwertinter- vallen notwendig und können mit der virtuellen Bronchoskopie nur dann gut beurteilt werden, wenn sie nicht mit vis- kösem Sekret oder koaguliertem Blut gefüllt sind (2). Ein großer Nachteil der virtuellen Bronchoskopie ist die fehlen- de Möglichkeit spezifische bronchosko- pische Befunde, wie die Oberfläche der Bronchialschleimhaut sowie die Farbe oder Beschaffenheit von Gewe- beanormalitäten zu beschreiben (2, 9).

Die virtuelle Bronchoskopie spielt deshalb bei der Abklärung von Infektio- nen und Ischämien sowie der Dehiszenz im Anastomosenbereich nach Lungen- transplantationen nur eine geringe Rol- le (9).

Die endobronchiale, submukosale oder peribronchiale Ausdehnung, dis- krete Infiltration oder kleine extralumi- nale Impression von fokalen Verände- rungen und Tumoren sind in der virtuellen Bronchoskopie häufig nicht nach- weisbar oder werden unterbewertet (2, 10). In der virtuellen Bronchoskopie kann lediglich das morphologische Er- scheinungsbild endobronchialer Er- krankungen, bronchialer Irregularitä- ten oder diskreter intraluminaler Fül- lungsdefekte beschrieben werden. Dies lässt jedoch keinen Rückschluss auf die zugrunde liegende histopathologische Diagnose zu (10). Weiterhin können Biopsien für die zytologische, mikro- M E D I Z I N

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Abbildung 2: Inoperables Bronchialkarzinom im Bereich des rechten Oberlappens bei einem 54- jährigen Patienten. Virtuelle Bronchoskopie des rechten Hauptbronchus auf Grundlage einer farb- kodierten 3-D-Oberflächendarstellung des Trache- obronchialsystems (weiß), des Bronchialkarzinoms (grün) und der rechten Pulmonalarterie (rot), mit Blick auf den rechten Ober- und Unterlappenbron- chus unter Verwendung einer 3-D-Oberflächendar- stellung und b) einer transparenten 3-D-Ober- flächendarstellung des Tracheobronchialsystems.

(Aus Seemann MD et al.: Hybrid rendering of the chest and virtual bronchoscopy. Eur J Med Res 2000; 5: 431–437. Mit freundlicher Genehmigung des I. Holzapfel Verlags, München).

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biologische und histopathologische Ab- klärung mit dieser Methode nicht gewonnen werden (2). Bei Patienten mit persistierenden Symptomen und nega- tivem Untersuchungsergebnis in der virtuellen Bronchoskopie ist die weitere Abklärung mittels einer flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie erforder- lich (9).

Resümee

Innovationen im Bereich der Bildnach- verarbeitungsprozesse können das Ver- ständnis und somit die Akzeptanz und den diagnostischen Wert der Schnitt- bildverfahren für die klinische Praxis erhöhen. Die virtuelle Endoskopie auf der Grundlage von Datensätzen der Spiral-CT spielt bei der Diagnostik des Tracheobronchialsystems, im Vergleich zur flexiblen fiberoptischen Broncho- skopie, bisher nur eine untergeordnete Rolle. Bei Verdacht auf eine thorakale Raumforderung ist eine weitere Ab- klärung mittels einer Spiral-CT-Unter- suchung notwendig. Eine geringfügige Änderung der Untersuchungsparame- ter mit Verwendung einer dünneren Schichtdicke könnte aus einer notwen- digen Staging-Untersuchung die Durch- führung einer virtuellen Bronchoskopie ermöglichen und bei einem Teil der Pa-

tienten die Durchführung einer flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie überflüssig machen.

Eine Wachablösung in der Rolle des Goldstandards ist jedoch vorerst nicht zu erwarten, dafür liegen bei diesem neuen, wenn auch zukunftsträchtigen Verfahren gegenwärtig noch zu wenige Erfahrungen vor. Die virtuelle Bron- choskopie (VB) stellt jedoch in schwie- rigen Situationen eine sinnvolle Alter- native zur flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie dar und ist besonders dann vielversprechend, wenn diese abgelehnt wird, nicht durchführbar oder kontraindiziert ist. Insbesondere bei Patienten mit fehlender Compliance, bei Patienten die intensivpflichtig und künstlich beatmet sind, aber auch bei Kindern ist die schnelle Datenakquisiti- on mit einem Multi-Detektor-Spiral- CT (MD-SCT) mit anschließender vir- tueller Bronchoskopie diagnostisch be- reits sehr wertvoll.

Weiterhin kann die VB als komple- mentäres Verfahren zur flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie zur Beurtei- lung von Tracheobronchialstenosen, der

Planung und als Kontrolluntersuchung in der operativen, interventionellen und palliativen Therapie von Patienten verwendet werden und könnte möglicher- weise auch als Screeningmethode bei Patienten mit Verdacht auf endobronchiale Tumoren (8, 28) – ähnlich wie die virtuelle Kolonoskopie – sinnvoll sein.

Durch computergestützte Simulati- onsmodelle können präoperativ indivi- duelle Planungen und Simulationen von chirurgischen Eingriffen und Interven- tionen durchgeführt, aber auch entspre- chende operative Erfahrungen erwor- ben werden. Die virtuelle Bronchosko- pie mit der optimierten und verbesserten Darstellung einer transparenten, farbkodierten 3-D-Oberflächendarstel- lung ist ein qualitativ hochwertiges Nachverarbeitungsverfahren von Bild- daten, das eine gleichzeitige ordentliche bis optimale intraluminale Visualisie- rung und Beurteilung der Oberflächen- strukturen der Luftwege und der umgebenden extraluminalen Strukturen jenseits der Tracheobronchialwand ermög- licht und damit die Diagnostik von endotrachealen und endobronchialen Erkrankungen verbessert, aber auch eine gezielte transbronchiale Nadelaspi- rationsbiopsie erlaubt (25). Aufgrund der besseren räumlichen Orientierung der zugrunde liegenden individuellen, anatomischen und pathologischen Ver- hältnisse, als auch deren exakter topo- graphischer Zuordnung zu den großen mediastinalen und hilären Gefäßen besteht bei der Beurteilung des Tracheo- bronchialsystems die Möglichkeit auf eine zeitraubende detaillierte Analyse und Präsentation der axialen Schnittbilder weitestgehend zu verzichten (19, 20).

Manuskript eingereicht: 27. 11. 2001, revidierte Fassung angenommen: 29. 1. 2002

❚Zitierweise dieses Beitrags:

Dtsch Arztebl 2002; 99: A 1302–1305 [Heft 19]

Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literatur- verzeichnis, das über den Sonderdruck beim Verfasser und über das Internet (www.aerzteblatt.de) erhältlich ist.

Anschrift für die Verfasser:

Dr. med. Marcus D. Seemann Radiologische Klinik

Abteilung für Radiologische Diagnostik Universitätsklinikum Tübingen Hoppe-Seyler-Straße 3 72076 Tübingen

E-Mail: marcus.seemann@med.uni-tuebingen.de M E D I Z I N

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Abbildung 3: Lungenemphysem bei einer 50-jähri- gen Patientin, bei der nach unilateraler, rechtsseiti- ger Lungentransplantation eine Stenose im Anasto- mosenbereich des Hauptbronchus, aber auch distal davon im Bronchus intermedius aufgetreten war.

Nach endoluminaler Dilation der Stenosen wurde in den Hauptbronchus und den Bronchus intermedius jeweils ein Metallgitterstent eingebracht. Virtuelle Bronchoskopie der Trachea auf Grundlage einer farbkodierten 3-D-Oberflächendarstellung des Tra- cheobronchialsystems (weiß) und der Metallgitter- stents (rot), mit Blick auf den rechten Hauptbron- chus unter Verwendung a) einer 3-D-Oberflächen- darstellung und b) einer transparenten 3-D-Ober- flächendarstellung des Tracheobronchialsystems mit einer Messung des Durchmessers des Haupt-

bronchus im Bereich der

Metallgitterstents. (Aus Seemann MD et al.:

Hybride 3-D-Visualisierung des Thorax und ober- flächenbasierte virtuelle Bronchoskopie in der ope- rativen und interventionellen Therapiekontrolle.

Fortschr Röntgenstr 2001; 173: 650–657. Mit freundlicher Genehmigung des Georg Thieme Ver- lags, Stuttgart/New York).