Virtual Bronchoscopy using Image Data Sets from Positron-Emission-Tomography and Computed-Tomography Institut für Medizinische Informatik

Aktuelle Themen

Virtuelle Bronchoskopie mit Positronenemissions- und Computertomographie-Bilddaten

Karl-Hans Englmeier, Alexander Jovanovic, M. Mühling, Marcus D. Seemann1

rebs ist die zweithäufigste Todesursache in der westlichen Welt. Eine wirksame Behandlungsplanung hängt wesentlich von einer frühzeitigen Diagnose und gezielten Therapie ab. Krankheiten wie Krebs beginnen in der Regel mit Veränderungen auf der molekularen Ebene. Wenn die Anzahl der betroffenen Zellen einmal die Schwelle zur anatomischen Veränderung erreicht hat, kann die Erkrankung bereits so weit fortgeschritten sein, dass es für eine erfolgreiche Behandlung zu spät ist. Allerdings muss eine morphologische Veränderung nicht notwendigerweise Malignität bedeuten. Die Befundung und das Staging von Krebs wie auch die Bewertung des Erfolgs therapeutischer Maßnahmen hängen heute in hohem Maße von bildgebenden Modalitäten wie CT und MRT ab, die sich jedoch nur zur Erkennung anatomischer Veränderungen in Läsionen eignen. Immer häufiger werden heute auch Bildgebungstechniken wie die Positronenemissionstomographie (PET) eingesetzt, die im molekularen Bereich angesiedelt sind. Funktionelle Bildgebungsverfahren delektieren funktionelle Änderungen im Gewebe, die

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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik rechts der Isar, Technische Universität München, Ismaninger Str. 22, 81675 München

ancer is the second leading cause of death in the western world. Early diagnosis and targeted therapy provide the basis for planning effective treatment. Diseases like cancer generally begin with alterations at the molecular level. When the number of affected cells reaches the threshold for anatomical change, the disease can already be so advanced that it is too late for successful treatment. Equally, morphological change is not necessarily associated with malignancy. Diagnosis and staging of cancer, and evaluation of therapeutic success, depend today to a large extent on imaging techniques like computed tomography (CT) and magnetic resonance tomography (MRT). However, these can only be used to identify anatomical changes in lesions. Increasingly, imaging techniques like positron emission tomography (PET) are used that are based at the molecular level. Functional imaging techniques detect functional changes in tissues that play a role in the diagnosis and staging of the disease. Virtual reality techniques, especially virtual endoscopy, have also become more important in PET-CT diagnostics. On the one hand, these methods enable simultaneous visualisation of morphological and

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bei Diagnose und Staging der Erkrankung eine Rolle spielen. Techniken der virtuellen Realität, insbesondere der virtuellen Endoskopie könnten bei der PET-CT-Diagnostik zunehmend an Bedeutung gewinnen. Einerseits ermöglichen diese Verfahren die simultane Visualisierung morphologischer und metabolischer Veränderungen, andererseits können für den Diagnostiker mit Hilfe endoluminaler, dreidimensionaler Bilder und Szenen die enormen Bilddatenmengen der PET-CT verständlich und in intuitiver Form dargestellt werden. Voraussetzung dafür ist, dass die Bilddaten der PET und der CT nach der Bildfusion mit Bildverarbeitungsmethoden segmentiert werden und anschließend mit einem 3DVisualisierungssystem und Verfahren der virtuellen Realität dargestellt werden. In Zusammenarbeit mit der Nuklearmedizinischen Klinik und Poliklinik der TU München wurde für die virtuelle Bronchoskopie ein System entwickelt, das die Genauigkeit bei der Diagnostik von Bronchialkarzinomen verbessern soll.

metabolic relationships; on the other hand, the enormous amount of image data from PET-CT can be made understandable in an intuitive form with the aid of endoluminal three-dimensional (3-D) images and scenes. The prerequisite is that the image data from PET and CT are segmented after fusion using image analysis techniques and subsequently projected using a 3-D imaging system and virtual reality techniques. Together with the Department of Nuclear Medicine of the Technical University, Munich, a system has been developed for virtual bronchoscopy that is intended to improve diagnostic precision in cases of bronchial carcinoma.

Diagnostik PET/CT ist eine Fusionsbildgebung, bei der die anatomisch hochauflösende Darstellung des Mehrzeilen-Spiral-CT’s mit der spezifischen molekularen/metabolischen Bildgebung der PET in einem Untersuchungsgang kombiniert werden. Hierdurch können z.B. Ganzkörperuntersuchungen zur Stadieneinteilung bösartiger Tumore in einem einzigen Untersuchungsgang in ca. 20 Minuten durchgeführt werden. Die hohe Detailgenauigkeit der Darstellung der anatomischen Körperstrukturen mit der Spiral-CT und die spezifische „Anfärbung“ pathologischer Gewebeveränderungen mit geeigneten molekularen Sonden und PET führen zu einer erheblichen Verbesserung der Diagnostik der häufigsten bösartigen Tumore und zu einer Verkürzung des diagnostischen Ablaufes. Eine Vielzahl spezifischer radioaktiver Arzneimittel sowie flexible Untersuchungsprotokolle des kontrastmittelverstärkten Mehrzeilen-Spiral-CT’s ermöglichen ein

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vielseitiges und problemorientiertes klinisches Anwendungsspektrum. Mit der Einführung von 18F-Fluor-2-deoxyglukose (18F-FDG) als empfindlicher Tracer in bildgebenden PET-Untersuchungen auf Malignität und der Möglichkeit, durch Verabreichung von nur einer Dosis den gesamten Körper mittels PET zu untersuchen, entwickelte sich der PET-Ganzkörperscan mit FDG zu einer wirksamen Untersuchungsmethode. Mit FDG erhaltene PET-Bilder zeigen in der Regel jedoch nur wenige anatomische Einzelheiten. Andere, tumorspezifischere PET-Tracer zeigen noch weniger physiologische Akkumulation, und die Ergebnisbilder enthalten daher so gut wie keine anatomischen Informationen. Es besteht somit ein großer Bedarf, funktionelle Bilder dieser Art in einen anatomischen Zusammenhang zu setzen. CT und PET können als sich gegenseitig ergänzende Bildgebungsmodalitäten betrachtet werden,

Abb. 1: PET CT-Scanner-System der Klinik und Poliklinik für Nuklearmedizin am Klinikum rechts der Isar.

deren Kombination wesentlich leistungsfähiger zu sein verspricht als jede der beiden Techniken allein. Zur retrospektiven Registrierung von Bilddatensätzen aus CT und PET stehen verschiedene Computeralgorithmen zur Verfügung. Diese Vorgehensweise eignet sich am besten für rigide Organe wie zum Beispiel das Gehirn. Bei anderen Körperregionen kann es jedoch weit eher zu Misserfolgen kommen, da der Patient meistens zwischen zwei Geräten transportiert und auf verschiedene Betten positioniert werden muss. Eine Alternative zu einer Softwarelösung ist ein Scanner, der zur Minimierung der zeitlichen und räumlichen Unterschiede zwischen den beiden Bildgebungsmodalitäten in nur einer Sitzung sowohl funktionelle als auch anatomische Informationen erfasst. Für PET CT-Scanner ist das Leitprinzip, dass der PET-Teil des Kombinations-Scana

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Virtuelle Bronchoskopie Mit Hilfe des in der Nuklearmedizinischen Klinik und Poliklinik des Klinikums rechts der Isar installierten PET-CT-Scanners Biograph 16 der Firma Siemens (Abb. 1) wurden im Rahmen einer Studie 8 Patienten mit kleinzelligem Lungenkarzinom untersucht. Der Zweck dieser Studie sollte die diagnostischen Möglichkeiten der virtuellen Bronchoskopie mit PET CT-Daten demonstrieren. Alle Patienten erhielten vor der Untersuchung 18F-FDG mit einer Aktivität von 200 MBq. In Abhängigkeit von der Patientengröße wurde an sieben bis acht Positionen mit einem 700 mm field of view die Emission gemessen. Nach Rekonstruktion der PETBilder lagen diese in einer Auflösung von 128 x 128 Bildpunkten vor (Abb 2a). Die Röntgencomputertomographie wurde mit einem 16-Zeilen-CT-Scanner des PET CT’s aufgenommen. Die CT-Bilder werden rekonstruiert mit einem Bildabstand von 2,5 mm bei einer Matrixgröße von 512 x 512 (Abb. 2b). Im Anschluss an die Untersuchung

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ners die höchstmögliche Empfindlichkeit und Raumauflösung aufweisen muss, um den Fähigkeiten des CT-Teils Rechnung zu tragen. Demgegenüber musste der CT-Teil drei Funktionen erfüllen: (a) Eine Korrelation zwischen den funktionellen Informationen und der Anatomie herstellen, (b) klinische CT-Bilder von diagnostisch auswertbarer Qualität liefern und (c) die Mittel für eine Abschwächungskorrektur der PET-Daten auf CT-Basis zur Verfügung stellen.

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Abb. 2: a: 18F-FDG PET-Bild einer 68-jährigen Patientin mit einem Lungenkarzinom und mediazentraler Lymphknotenmetastasen. b: CT-Bild der Patientin nach Kontrastmittelgabe. c: Deckungsgleiche Abbildung des PET- und CT-Bildes.

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Abb. 3: 3D-Darstellung der Lunge und des Bronchialbaumes (gelb), des Tumors (rot) und der Lymphknotenmetastasen (orange).

werden die überlagerten PET CT-Bilder (Abb. 2c) interpretiert hinsichtlich des Primärtumors und eventuell vorhandener Lymphknotenmetastasen. Zur Bildnachbearbeitung und 3D-Darstellung mit Hilfe der virtuellen Bronchoskopie wurden die Bilder an das Linux-Cluster-System mit 3-KanalStereo-Projektion in unserem Institut übertragen. a

Zur virtuellen Bronchoskopie ist es erforderlich, die CT-Bilddatensätze im Sinne einer Segmentierung des Bronchialbaumes zu verarbeiten. Dazu wird mit einem so genannten Volumenwachstumsverfahren und einem vorher definierten Grauwertbereich der Bronchialbaum segmentiert. Das Segmentationsergebnis – der markierte Bronchialbaum im dreidimensionalen Raum – wird anschließend in ein Oberflächengitter transformiert und welches mit heute verfügbaren 3D-Darstellungsverfahren präsentiert (Abb. 3). Mit einem im Institut für Medizinische Informatik entwickelten hybriden Darstellungsverfahren werden anschließend die PET-Bilder volumenorientiert dem Oberflächenmodell des Bronchialbaumes überlagert. Das daraus resultierende dreidimensionale Superpositionsbild ermöglicht dem Betrachter die simultane Inspektion des nahezu korrekt überlagerten Bilddatensatzes aus der PET CT-Untersuchung und damit die simultane Darstellung von Anatomie und Funktion (Abb. 4a, b). Zur interaktiven Steuerung der virtuellen Bronchoskopie (Abb. 5, 6) wird die Zentrallinie des Bronchialbaumes berechnet. Stereoskopische Darstellungen, die Verwendung von Videogroßprojektion, Navigationssystemen und Hochleistungsgraphikeinheiten erlauben es, die virtuelle Bronchoskopie in Echtzeit durchzub

Abb. 4: Oberflächenorientierte 3D-Darstellung der Lunge (blau) und des Bronchialbaumes (gelb). Die FDG-Anreicherung wurde im PET segmentiert und in rot dargestellt. Dadurch zeigen sich Gehirn, Tumor, Herz (4b) und Metastasen. Zusätzlich sind die CT-Bilder in verschiedenen Höhen abgebildet.

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Ausblick

führen. Es gelingt nicht nur eine intraluminale Darstellung des Bronchialbaumsystems, sondern in suspekten Bereichen, wie etwa Kalibersprünge des darzustellenden Bronchus, kann auf eine volumenorientierte, extrabronchiale Darstellung zur genaueren Abklärung eines vorhandenen raumfordernden Prozesses umgeschaltet werden. Zu jeder Zeit kann die Position des Betrachters

Die Positronenemissionstomographie ist kein neues Verfahren, sie wird seit mehreren Jahren zunehmend genutzt und ist aus der modernen Tumordiagnostik nicht mehr wegzudenken. Die Verknüpfung von PET mit der Computertomographie in einem Gerät bietet den Vorteil, dass metabolische Informationen aus PET dem anatomischen Bild aus der CT richtig überlagert werden. Die virtuelle Bronchoskopie auf der Basis von PET-CT-Bilddaten ist eine sinnvolle, nichtinvasive Alternative zur fiberoptischen Bronchoskopie, insbesondere wenn diese abgelehnt wird, nicht durchführbar oder kontraindiziert ist. Die virtuelle Bronchoskopie kann als komplementäres Verfahren zur fiberoptischen Bronchoskopie für die Beurteilung von Tracheobronchialstenosen, der Planung und als Kontrolluntersuchung in der Nachsorge von operativen, interventio-

Abb. 6: Virtuelle Bronchoskopie im Transparenzmodus mit gleichzeitiger Darstellung des Tumors.

Abb. 7: Hybride 3D-Darstellung aus PET CT. Bronchialbaum und Lunge wurden mit den CTBildern segmentiert und oberflächenorientiert dargestellt. Die FDG-Anreicherungen aus den PET-Bildern wurden nach Schwellwertsegmentierung volumenorientiert dargestellt.

Abb. 5: Intraluminale Darstellung bei der virtuellen Bronchoskopie.

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geändert werden, bis hin zu einer Drehung von 180°. Weiterhin können durch Hinzunahme von transparenten Darstellungsverfahren dem Oberflächenbild des Bronchialbaumes die Anreicherungen im PET-Bild überlagert werden (Abb. 7).

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nellen und palliativen Therapiemaßnahmen angewendet werden. Mit der optimierten und verbesserten Präsentation in Form einer transparenten, farbkodierten 3-D-Oberflächendarstellung erlaubt die virtuelle Bronchoskopie mit PET CT-Bilddaten gleichzeitig eine gute bis optimale Visualisierung der

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Oberflächenstrukturen der Luftwege, der umgebenden mediastinalen Strukturen und von eventuell vorhandenen raumfordernden Prozessen und Lymphknotenmetastasen. Sie verbessert damit die bildgebende Diagnostik von endotrachealen und endobronchialen Erkrankungen.

Ausgewählte Veröffentlichungen

Graichen, H., Hinterwimmer, S., von Eisenhart-Rothe, R., Vogel, T., Englmeier, K.H., Eckstein, F.: Effect of abducting and adducting muscle acitivity on glenohumeral translation, scapular kinematics and subacromial spacewidth in vivo. Elsevier, Journal of Biomechanics 38 (2005) 755-760 Eckstein, F., Lemberger, B., Gratzke, C., Hudelmaier, M., Glaser, C., Englmeier, K.H., Reiser, M.: In vivo cartilage deformation after different types of activity and its dependence on physical training status. NCBI, Ann. Rheum. Dis. 64 (2), 291-295 (2005)

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Seemann, M.D., Schmid, F., Englmeier, K.H.: Hybrid Rendering of Aortic Aneurysms After Endoluminal StuntGraft-Repair. Eur. J. Med. Res. 10 (5), 195-196 (2005) Pfeufer, A., Jalilzadeh, S., Perz, S., Mueller, J.C., Hinterseer, M., Illig, T., Akyol, M., Huth, C., Schöpfer-Wendels, A., Kuch, B., Steinbeck, G., Holle, R., Näbauer, M., Wichmann, H.E., Meitinger, T., Kääb, S.: Common Variants in Myocardial Ion Channel Genes Modify the QT Interval in the General Population. Results from the KORA study. Circ. Res. 96, 693-701 (2005)