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|title=Funktionelles Modell der rotationsabhängigen Strukturverschieblichkeiten im humanen Hals: Datenakquisition, Methoden und erste Ergebnisse
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==Funktionelles Modell der rotationsabhängigen Strukturverschieblichkeiten im humanen Hals: Datenakquisition, Methoden und erste Ergebnisse==
https://ceur-ws.org/Vol-1475/Proceedings_CURAC_2010_Paper_30.pdf
Funktionelles Modell der rotationsabhängigen
Strukturverschieblichkeiten im humanen Hals:
Datenakquisition, Methoden und erste Ergebnisse
L. Colter, L. A. Kahrs, J. Hirschfeld, J. Schipper
Universitätsklinikum Düsseldorf, Hals-Nasen-Ohrenklinik, Düsseldorf, Deutschland
Kontakt: lena.colter@uni-duesseldorf.de
Abstract:
Die Bewegung anatomischer Strukturen im Kopf-Halsbereich rechnerisch vorhersagen zu können und für die medizini-
sche 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.
Schlüsselworte: minimal-traumatische Halschirurgie, Biomechanik, Tissue-Shift
1 Problem
Chirurgische Eingriffe im Halsbereich erfordern ein präzises Vorgehen um wichtige anatomische Strukturen nicht zu
verletzen. Zukünftige Operationsverfahren werden eine dreidimensionale Computer-Visualisierung des OP-Situs benö-
tigen, um eine gewebeschonende und zielgerichtete Vorgehensweise des Chirurgen im Sinne der medizinischen Naviga-
tion zu ermöglichen. Hierbei entsteht ein neuer Bedarf für die funktionelle Modellierung von Verschieblichkeiten, weil
die Kopf-Hals-Position des Patienten während der präoperativen bildgebenden Verfahren nicht mit der Lagerung im OP
übereinstimmt auch bilden einzelne (zusätzliche) Bildgebungsdatensätze in einer bestimmten verdrehten Kopf-Hals-
Stellung niemals die Vielfalt der im OP eingenommen Kopf-Hals-Positionen ab. Eine funktionelle, winkelabhängige
Modellierung wird demnach für die Anforderung der Navigierbarkeit benötigt.
Bei den Eingriffen am Hals - wie beispielweise der Neck-Dissection - findet die Lagerung zumeist mit überstrecktem
Hals und gleichzeitig rotiertem Kopf statt, um dem Chirurgen eine höhere Gewebespannung, eine bessere Differenzier-
barkeit und Erreichbarkeit der freizupräparierenden Strukturen zu präsentieren. Die Kombination mit intraoperativem,
navigiertem Ultraschall zur dreidimensionalen Überlagerung des funktionellen Modells mit aktuellen Bildern würde die
Methode der zielgerichteten Chirurgie im Halsbereich vervollständigen und die automatische Erkennung in den Sono-
graphiebilddaten erleichtern. Eine atraumatische Passage von gefährdeten Strukturen wird somit möglich werden.
Auf dem Gebiet der Anästhesiologie wurde bereits vor Jahren die Auswirkung von Kopfrotation auf die Lage der
V.jugularis interna zur A.carotis communis geprüft um die optimale Position zur Venenpunktion zu bestimmen [1,2].
Andere Forschungsgruppen untersuchten das Lageverhalten des Intubationstubus zur Luftröhre bei verschiedenen
Kopf-positionen [3-5]. Relevant sind zudem Beobachtungen der Kopf-Hals-Anatomie (Kiefergelenk, A.vertebralis)
während Auffahrunfällen, bei denen der Kopf extreme Extensions- und Flexionsstellungen einnimmt [6,7]. Mittlerweile
werden 3D-Visualisierungen genutzt um die normale Anatomie darzustellen, z.B. als Lernmodell für Medizinstudenten
[8] und zur präoperativen Planung [9,10], oder um Pathologien, z.B. vergrößerte Lymphknoten [11] bestmöglich be-
werten zu können. Eine Winkel-abhängige Modellierung von Verschieblichkeiten der Hals-Anatomie ist in der Literatur
bisher nicht vollständig beschrieben worden.
Die vorliegende Arbeit setzt nun genau an dieser Stelle an: Die Anatomie des Halses wird visualisiert, allerdings nicht
nur in der Neutral-Null-Stellung, sondern bei verschiedenen Kopfstellungen. So wird der Einfluss der Kopfposition auf
die Anordnung der Strukturen im Hals modelliert und darstellbar.
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2 Methoden
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 entge-
gengesetzten 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; Spinal-
kanal 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 gemes-
sen 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 semitranspa-
renten 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.
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Die Betrachtung der MRT-Daten im Dreidimensionalen ermöglichte einen realitätsnahen Überblick über die Halsstruk-
turen, die mit dem Programm 3D Slicer erzeugt wurde. Eine Überlagerung der segmentierten Strukturen bei verschie-
denen 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 rotier-
ten Kopf-Position. b) Beispielhafte Darstellung der rechten V.jugularis interna bei Neutral-Null (hellere Struk-
tur) und links rotierten Kopf (77°, dunklere Struktur) mit gleichzeitiger Visualisierung der Wirbelsäule.
3 Ergebnisse
Um die selbstentwickelte Methodik zu evaluieren und für nachfolgende Probanden erweitern oder verbessern zu kön-
nen, wurde bei einem ersten Probanden die komplette, oben beschriebene Vorgehensweise getestet. Die Winkelvorga-
ben müssen durch Winkelmessungen anhand der Nasenspitze in den MRT-Aufnahmen korrigiert werden. Tabelle 1
fasst diese Kalibrierung zusammen.
Tab. 1: Vorgabe, in den MRT-Schichtbildern gemessene Winkelstellung des Kopfes und deren Differenz.
Vorgabewinkel 0° 20° 40° 60° max 40° n. re
Messung MRT 0,3° n. li 14,6° 38,3° 51,7° 76,9° 32°
Differenz 0,3° 5,4° 1,7° 8,3° - 8°
Insgesamt wurden von 6 Datensätzen mit unterschiedlichen Rotationswinkeln jeweils in 65 Schichten die 19 oben ge-
nannten 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 in-
terna 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 Struk-
turen auf unterschiedlichen Höhen der Wirbelkörper.
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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 Diskussion
Im Zentrum dieser laufenden Arbeit steht die Entwicklung eines durch Kopfbewegungen parametrisierbarem 3D-
Modell 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 be-
gründet durch das Fehlen von wiederauffindbaren anatomischen Landmarken, wie z.B. Bifurkationen, signifikanten Di-
latationen 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 Danksagung
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 wur-
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de im Rahmen des DFG-geförderten Projektes „SACAS (Sonographic Aided Computer Assisted Surgery) im Halsbe-
reich“ (Geschäftszeichen SCHI310/10-1) erarbeitet
6 Referenzen
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