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Gesundheit13.09.2011

Neue Software für die Volumetrie

Kleinstes messbar machen

PD Dr. Joachim Böttcher, Chefarzt des Instituts für Diagnostische und Interventionelle Radiologie am SRH Wald-Klinikum Gera

Wenn es darum geht, das Volumen sehr kleiner Strukturen wie der Hirnanhangdrüse zu bestimmen, mussten sich Ärzte bislang meist auf ihr Gespür verlassen. Gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern hat PD Dr. Joachim Böttcher vom SRH Wald-Klinikum Gera nun eine Methode entwickelt, mit der sich selbst kleinste anatomische Strukturen zuverlässig vermessen lassen.

Sie ist so groß wie ein Kirschkern und spielt dennoch eine wesentliche Rolle für unseren Hormonhaushalt: die Hypophyse oder Hirnanhangdrüse. Denn als übergeordnetes Zentrum steuert sie die Funktion größerer Hormondrüsen wie Nebennieren oder Schilddrüse. Diese komplexen Vorgänge können jedoch gestört sein, etwa durch Hypophysenadenome. Die gutartigen Tumoren – sie machen etwa zehn Prozent der primären Hirntumoren aus – verdrängen entweder gesundes Gewebe, beispielsweise Teile des optischen Systems, oder sie produzieren selbst Hormone und lösen damit eine Überfunktion anderer hormonproduzierender Drüsen aus. So schränken sie Wohlbefinden, Leistungsfähigkeit und Lebensqualität der Betroffenen ein und senken letztlich die Lebenserwartung.

Maßstab Hypophyse

Eine Operation der Hypophyse ist jedoch schwierig, da diese direkt unterhalb des Hypothalamus mitten im Gehirn sitzt. Ärzte raten daher erst zu einem Eingriff, wenn der Tumor aufgrund seiner Größe Beschwerden verursacht oder neurologische Defizite, vor allem Sehstörungen, beim Patienten auftreten. Um festzustellen, wie schnell ein Hypophysenadenom wächst oder ob
eine medikamentöse Behandlung anschlägt, werden Patienten regelmäßig per Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht. „Bisher war es jedoch technisch nicht möglich, derart kleine Strukturen wie die Hypophyse, deren Volumen oft weniger als einen Milliliter beträgt, exakt zu messen“, erklärt PD Dr. med. Joachim Böttcher, Chefarzt des Instituts für Diagnostische und Interventionelle Radiologie am SRH Wald-Klinikum Gera. Auch fehlten bislang einheitliche Vorgaben für die MRT-Messungen: Sie stammen meist von verschiedenen Geräten, und die technischen Parameter wie Schichtdicke, Sequenzauswahl oder Schichtorientierung können erheblich variieren. „Solche Bilder sind nur schwer vergleichbar. Daher ist die Einschätzung, ob ein Tumor gewachsen ist, vom behandelnden Arzt abhängig, also subjektiv und damit fehleranfällig“, betont der Radiologe.

2005 lernte Dr. Böttcher auf einem Kongress den Physiker und Informatiker Prof. Horst K. Hahn vom Fraunhofer Institut Bremen kennen. Die beiden kamen auf die Idee, eine Software zu entwickeln, mit der sich MRT-Bilddaten der Hypophyse exakt und verlässlich analysieren lassen. 2006 startete das Team aus zwölf Wissenschaftlern seine Arbeit. Die neue Software basiert auf der Wasserscheidentransformation (Watershed Transformation). Mit dieser Technik lassen sich benachbarte Regionen, etwa die Hypophyse und der angrenzende Schädelknochen, besser voneinander abgrenzen. „Jede körpereigene Struktur besitzt eine eigene Dichte und Beschaffenheit, denen sich ein spezifischer Signalwert zuordnen lässt. Daran erkennt das Programm, wo die Hypophyse endet und der Knochen beginnt“, erklärt Dr. Böttcher. „Das Hypophysengewebe und seine Umgebung sind sich allerdings sehr ähnlich. Und je kleiner die Strukturen, desto schwieriger ist es, Unterschiede zu erkennen. Da mussten wir schon ziemlich tüfteln. Aber wir haben es geschafft.“

Um reproduzierbare und objektive Daten zu erhalten, geben die Wissenschaftler einige Parameter für die MRT-Aufnahmen vor: So akzeptiert ihre Software nur Aufnahmen, die auf einer bestimmten hochauflösenden Untersuchungssequenz mit einem Millimeter Schichtdicke basieren. „Ansonsten spielt es keine Rolle, mit welchem Gerät die Bilder gemacht wurden oder von wem. Auch die Schichtorientierung ist egal“, sagt Dr. Böttcher. Liegen die digitalen Bilddaten vor, werden sie in das Programm eingespielt. Das System startet die Segmentierung, das heißt, es beginnt damit, die Hypophyse und ihre umgebenden Strukturen voneinander zu differenzieren. Nach etwa zwei Minuten macht die Software einen Vorschlag zur Eingrenzung des Bereichs, der untersucht werden soll. Der Untersucher kann akzeptieren oder die Auswahl manuell verändern. Erst danach startet die eigentliche Volumetrie. Drei Minuten später liegt der Messwert vor.

Erfolgreich getestet

Um die Software zu testen, führte das Team zunächst Phantommessungen durch. Die Wissenschaftler erstellten MRT-Bilder von kleinvolumigen Gegenständen – mit Kontrastmittel gefüllten Spritzen oder Ballons mit einem Volumen von 0,3 bis 1,62 Millilitern. In einer zweiten Runde testete das Team die Methode an gesunden Männern und Frauen. Von jedem Probanden wurden mehrere Aufnahmen und Auswertungen gemacht und von einem Untersucher analysiert. In einer zweiten Runde wechselten sich drei Untersucher aus verschiedenen Fachbereichen beim Bedienen der Software ab. „Wir haben alle Variablen geprüft, um mögliche Fehlerquellen auszuschließen“, erläutert Dr. Böttcher. „Unsere Tests mit mehreren Probanden sowie verschiedenen Sequenzprotokollen, Geräten und Untersuchern haben gezeigt, dass es keinen Einfluss auf das Ergebnis hat, an welchem Gerät die MRT-Daten erstellt wurden, welches Geschlecht die Probanden haben oder welche Person die Segmentierung durchführt. So stellen wir sicher, dass uns die Software immer reproduzierbare und objektive Daten liefert.“

Im nächsten Schritt soll die Software nun im Rahmen klinischer Studien europaweit getestet werden. „Ich denke, in etwa einem Jahr dürfte sie am Markt verfügbar sein“, schätzt Dr. Böttcher. „Ein wichtiger Schritt für die Patienten: Endlich gibt es eine schnelle und exakte Methode für die MR-Volumetrie kleinster anatomischer Strukturen. Mit ihr können wir künftig sicher bestimmen, ob ein Adenom gewachsen, eine Operation angeraten oder eine Therapie erfolgreich ist. Das gibt den Patienten wesentlich mehr Sicherheit.“

Und längst seien noch nicht alle Möglichkeiten ausgereizt, da ist sich Dr. Böttcher sicher: Denn entsprechend angepasst, lässt sich das Verfahren seiner Meinung nach auf alle kleinen Strukturen im Körper übertragen, zum Beispiel auf die Nebennieren oder die Lymphknoten. „Damit wäre unsere Methode eine Art Initialzündung für die Volumetrie kleinster Strukturen“, betont der Radiologe. „Und wer weiß, vielleicht eröffnet sie uns ein noch viel breiteres Spektrum, als jetzt absehbar ist.“

Gabriele Jörg

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