Die Bewegung anatomischer Strukturen im Kopf-Halsbereich rechnerisch vorhersagen zu können und für die medizinische Navigation nutzbar zu machen ist das langfristige Ziel dieser Modellierung. Bei chirurgischen Eingriffen am Hals wird der Kopf des Patienten so gelagert, dass sich das Halsgewebe im Vergleich zu der normalen Kopfstellung verformt und deshalb prä-operative Bilddaten für die medizinische Navigation unbrauchbar werden. Die Berücksichtigung der Verschieblichkeiten des Halsgewebes bei der Rotation des Kopfes ist ein erster Schritt um dieses Problem zu lösen. Auf Basis von MRT-Bilddaten, die von Probanden akquiriert werden, wird die Strukturverschiebung bei Kopfbewegungen gemessen und analysiert. Es zeigen sich deutlich erkennbar Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Strukturen.
Um Gewebe- und Strukturverschieblichkeiten im menschlichen Hals analysieren zu können, wurden bei Probanden MRT-Aufnahmen durchgeführt (Siemens Trio, 3 Tesla, in T2-Gewichtung, 3mm Schichtabstand, Spulen: Neck 1 und 2, Spine 1 und 2, oberste Schicht: nasal, unterste Schicht: auf Höhe des Sternum). Zusätzlich zur Normalstellung erfolgte die Aufnahme bei mehreren Kopfrotationen (20°, 40°, 60°, maximal einnehmbarer Rotationswinkel und 40° zur entgegengesetzten Seite). Der jeweilige Proband nahm nach Anweisung die Winkelstellungen ein und hielt diese während der jeweiligen MRT-Aufnahmen (siehe Abb. 1). Die Vorgabe der Kopfposition erfolgte mittels eines Winkelmessers.
Abb. 1: Zwei beispielhafte Kopfpositionen im MRT, die beide nicht der Neutral-Null-Stellung entsprechen. Nach der Datenakquisition wurden in den Schichtbildern beidseits relevante Strukturen (A.carotis communis, externa und interna; V.jugularis interna; Trachea; Larynx; Pharynx; Gl.thyroidea; M.sternocleidomastoideus; Sternum; Spinalkanal mit Rückenmark; Proc. spinosus; Hautoberfläche) in dem DICOM-Viewer OsiriX identifiziert und mit Hilfe eines Grafiktabletts manuell segmentiert. Die anschließenden Untersuchungen und Auswertungen erfolgten sowohl anhand von 2D-Schichten als auch anhand von 3D-Visualisierungen.
Der Kern dieser Untersuchungen war die Bestimmung der Verschieblichkeit der Strukturen, die im Zweidimensionalen durch die Überlagerung von korrespondierenden Schichtbildern (z.B. auf Höhe eines bestimmten Wirbelkörpers) aus der Normalstellung und einer rotierten Kopfstellungen bestimmt werden kann. Dazu wurden in einem Grafikprogramm (GIMP) jeweils zwei der aus dem DICOM-Viewer exportierten Schichtbilder semitransparent übereinandergelegt und für die gemeinsame Rotationsachse das Zentrum des Spinalkanals festgelegt. Der Drehwinkel zwischen den jeweils gleichen Strukturen aus dem Bild in der Neutral-Null-Stellung und der rotierten Kopfposition konnte daraufhin gemessen werden (im Folgenden als Winkelverschieblichkeit bezeichnet). Abbildung 2 illustriert diese Messungen. Bisher konnten so 60 Messwerte generiert werden.
Abb. 2: Überlagerung von jeweils zwei MRT-Aufnahmen in axialer Schichtung. Im linken Bild ist die Höhe des sechsten cervikalen Wirbelkörpers (C6) und rechts die Höhe des ersten thorakalen Wirbelkörpers (Th1) dargestellt. Die untersuchte Struktur ist die rechte V.jugularis interna. Sie ist in den überlagerten semitransparenten Aufnahmen (Neutral-Null-Stellung und maximaler Rotation nach links) jeweils segmentiert und ihr Mittelpunkt markiert. Das Rotationszentrum ist durch einen weiteren Punkt visualisiert und wurde durch den Spinalkanal im Wirbelkörper (ebenfalls segmentiert) festgelegt. Die Verschiebung der Strukturen wird durch die Rotation gemessen, die in diesem Fall links = 31,6° und rechts = 14,4° beträgt. Die Betrachtung der MRT-Daten im Dreidimensionalen ermöglichte einen realitätsnahen Überblick über die Halsstrukturen, die mit dem Programm 3D Slicer erzeugt wurde. Eine Überlagerung der segmentierten Strukturen bei verschiedenen Rotationswinkeln illustrierte die Veränderung (vgl. Abbildung 3).
a) b) Abb. 3: a) Übersicht der segmentierten anatomischen Strukturen des Halses in einer um 51° nach links rotierten Kopf-Position. b) Beispielhafte Darstellung der rechten V.jugularis interna bei Neutral-Null (hellere Struktur) und links rotierten Kopf (77°, dunklere Struktur) mit gleichzeitiger Visualisierung der Wirbelsäule. 3
Um die selbstentwickelte Methodik zu evaluieren und für nachfolgende Probanden erweitern oder verbessern zu können, wurde bei einem ersten Probanden die komplette, oben beschriebene Vorgehensweise getestet. Die Winkelvorgaben müssen durch Winkelmessungen anhand der Nasenspitze in den MRT-Aufnahmen korrigiert werden. Tabelle 1 fasst diese Kalibrierung zusammen. Insgesamt wurden von 6 Datensätzen mit unterschiedlichen Rotationswinkeln jeweils in 65 Schichten die 19 oben genannten Strukturen segmentiert. Bei einem weiteren Probanden wurde die Normal- und Maximal-Rotations-Stellung untersucht. Zwei exemplarische Messwerte sind aus Abbildung 2 ablesbar. Es zeigte sich, dass Ähnlichkeiten bezüglich der Verschieblichkeit bestimmter Strukturen erkennbar sind. Abbildung 3 zeigt einen Ausschnitt der Messwerte und Abhängigkeiten, die sich auf die V.jugularis interna links und rechts beschränken. Generell ist erkennbar, dass bei der Links-Drehung des Kopfes die V.jugularis interna rechts eine größere Verschieblichkeit aufweist als die V.jugularis interna links.
Das linke Diagramm in Abbildung 4 zeigt den Verlauf der Struktur-Verschieblichkeit in Relation zum Drehwinkel des Kopfes. Zwischen 0° und 40° Kopfrotation unterscheiden sich die grafischen Verläufe von V.jugularis interna links und rechts stark; ab 40° zeigen diese wieder vergleichbare Abhängigkeit. Das rechte Diagramm in Abbildung 4 zeigt, dass die Lageveränderungen im caudalem Halsbereich nicht so ausgeprägt sind wie die weiter cranial. Die Verläufe für die V.jugularis interna links und rechts sind etwas verschoben aber ähnlich. Dargestellt ist die Verschieblichkeit der Strukturen auf unterschiedlichen Höhen der Wirbelkörper. Abb. 4: Grafische Auftragung der Ergebnisse der Strukturbeweglichkeiten für die V.jugularis interna rechts und links. In der linken Grafik ist die Abhängigkeit der Kopfrotation in Relation zur Winkelverschiebung der Struktur auf Höhe des Wirbelkörpers C4 dargestellt. Die rechte Grafik zeigt die Abhängigkeit der Position in der longitudinalen Achse zur Winkelverschiebung der Strukturen. 4
Im Zentrum dieser laufenden Arbeit steht die Entwicklung eines durch Kopfbewegungen parametrisierbarem 3DModell des Halses. Um Winkelabhängigkeiten noch präziser und später generisch beschreiben zu können, werden eine größere Anzahl an Probanden benötigt. Durch das manuelle Segmentieren ist der Zeitaufwand im Moment allerdings sehr groß (pro Aufnahme, bestehend aus 65 Schichten, ca. 6 Std.). Methodisch sind außerdem die doch sehr großen Schichtabstände des MRTs sowie ein weiterer Fakt unbefriedigend: Beim Überlagern kann nicht gleichzeitig anhand der Wirbelkörper sowie den fazialen Oberflächen die korrespondierenden Schichten ausgewählt werden. Hierbei kommt es ggfs. zu Ungenauigkeiten. Hierfür könnte die Quantifizierung der bisher nur qualitativen Betrachtungen in 3D ein sehr interessanter Schritt sein, auch weil damit ein Vergleich innerhalb der 2D- und 3D-Daten möglich wird. Bislang wurden 3D- Messungen nicht intensiv untersucht, weil eine Definition von Messpunkten zur Auswertung der Gewebeverschiebung beispielsweise der V.jugularis interna (vgl. Abb. 3 rechts) sich als schwierig erweißt. Dies ist begründet durch das Fehlen von wiederauffindbaren anatomischen Landmarken, wie z.B. Bifurkationen, signifikanten Dilatationen oder Stenosen.
Nach dem Segmentierungs- und Überlagerungsschritt wurden bisher 60 Datenpunkte durch die Messung der jeweiligen Strukturverschieblichkeit erzeugt, allerdings ist dies nur ein Bruchteil der insgesamt an einem Datensatz auswertbaren Strukturen. Beispielweise lässt sich bereits aus den weiteren ausgewerteten Datenpunkten erkennen, dass generell die dickwandigen Arterien weniger beweglich sind als die Venen.
Die Analyse der Parameter der funktionellen Zusammenhänge ist zum momentanen Zeitpunkt noch nicht vollständig verstanden. Patentenindividuelle Werte wie z.B. Halslänge, BMI spielen mit Sicherheit eine Rolle, können aber noch nicht wissenschaftlich belegt werden. Eine Erweiterung der Untersuchung auf Patienten mit Pathologien und das dort sicherlich modifizierte Verhalten der Beweglichkeiten ist ebenfalls bislang nicht untersucht worden. Die Modifizierung des Modells hinsichtlich weiterer Beweglichkeiten (z.B. Reklination) ist der zunächst anstehende Erweiterungsschritt. Schlussendlich erwarten wir, dass durch diese Untersuchungen zukünftig eine Möglichkeit der Navigation im Hals mit der Online-Berechnung der Weichgewebeverschiebung entsteht sowie für Forschung und Lehre ein flexibler Atlas für den Kopf-Hals-Bereich entsteht. 5
Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Förderung sowie dem Institut für Radiologie des Universitätsklinikums Düsseldorf für die Unterstützung und das Bereitstellen von MRT-Messzeit. PD Dr. Hans-Jörg Wittsack sowie Frau Erika Rädisch gebührt diesbezüglich ein besonderer Dank. Die Fragestellung dieses Beitrags wur6