=Paper= {{Paper |id=Vol-1476/paper12 |storemode=property |title=3D Kontrastmittel - Ultraschall in der Behandlung maligner Hirntumore - intraoperative Anwendung |pdfUrl=https://ceur-ws.org/Vol-1476/Proceedings_CURAC_2011_Paper_12.pdf |volume=Vol-1476 |dblpUrl=https://dblp.org/rec/conf/curac/ArltMCML11 }} ==3D Kontrastmittel - Ultraschall in der Behandlung maligner Hirntumore - intraoperative Anwendung== https://ceur-ws.org/Vol-1476/Proceedings_CURAC_2011_Paper_12.pdf

10. CURAC-Jahrestagung, 15. - 16. September 2011, Magdeburg

3D Kontrastmittel - Ultraschall in der Behandlung maligner
Hirntumore – intraoperative Anwendung
- 10. CURAC Jahrestagung 2011 -
1
F. Arlt, A1. Müns, ²C., Chalopin Ph.D.,1 J. Meixensberger M.D. Ph.D., 1A D. Lindner M.D.

¹ Klinik und Poliklinik für Neurochirurgie, Universitätsklinik Leipzig, Germany
² Innovation Center Computer Assisted Surgery (ICCAS), University Leipzig, Germany

Kontakt: felix.arlt@medizin.uni-leipzig.de

Abstract:

Zur intraoperativen Resektionskontrolle ist der B-Mode Ultraschall (US) trotz breiter Verfügbarkeit und einfacher An-
wendung aktuell auf Grund mangelnder Differenzierung von Tumor, Tumorgrenzen, Tumorödem und Tumorresten nur
teilweise geeignet. Eine Lösung für dieses Problem könnte die Anwendung von Ultraschallkontrastmittel zur Tumordar-
stellung und Resektionskontrolle sein. Hierzu wurde bei 15 Patienten ein intraoperativer Ultraschall, jeweils vor und
nach Kontrastmittelgabe durchgeführt. Die Aufnahme erfolgte nach Einbindung in die Neuronavigation (LOCALITE®)
mit einer Linear-, bzw. Sektorsonde und anschließender 3D Rekonstruktion des Ultraschalldatensatzes. Nach Segmen-
tierung der Tumore im präoperativen MRT, im 3D US mit und ohne KM wurden die Daten ausgewertet. Hierzu erfolgte
der Vergleich der Tumorvolumina. Es zeigte sich im Vergleich zum MRT ein tendenziell höherer Overlapping Index
(Dice Similarity Index) bei kontrastverstärktem Ultraschall ohne statistische Signifikanz.

Schlüsselworte: Intraoperativer Ultraschall, Kontrastmittel Ultraschall, Neuronavigation

1 Problem
In der intraoperativen Bildgebung bei der Behandlung von malignen Hirntumoren stellt der B-Mode Ultraschall bei
sich stetig verbesserter Bild-, Auflösungs-, und Aufnahmequalität eine Standardanwendung dar. Einschränkungen er-
geben sich in der Differenzierung von Tumorgrenzen, Tumorresten bzw. durch ein häufig auftretendes perifokales
Hirnödem. Insbesondere in der Resektionskontrolle ist somit der B-Mode nicht suffizient [1-3]. Eine Lösung für dieses
Problem könnte die intraoperative Anwendung von Ultraschall - Kontrastmittel sein. Wird der aufgenommene Kon-
trastmittel– Ultraschalldatensatz zusätzlich in die Neuronavigation eingebunden, könnte eine detailliertere Darstellung
von Tumor, Tumorgrenzen sowie etwaigen Tumorresten nach Resektion auch im Kontext der präoperativen Planung
und intraoperativen Situation möglich sein. In der Arbeit sollen erste Ergebnisse und technische Aspekte des 3D rekon-
struierten und Kontrastmittel verstärkten Ultraschalls in der Anwendung bei malignen Hirntumoren aufgezeigt werden.

2 Methoden
In die Untersuchung wurden insgesamt 15 Patienten (9 m, 6 f, mittleres Alter 47,5 (39 – 63Jahre) mit histologisch gesi-
cherten Glioblastom eingeschlossen. Alle Patienten wurden mikrochirurgisch unter Anwendung der Neuronavigation,
welche ein Navigationssystem (Sononavigator, LOCALITE, St. Augustin, Deutschland) mit einem optischen Tracking-
system kombiniert (NDI Polaris, Northern Digital Inc., Waterloo Canada), operiert. Für die Einbindung von 3D Ultra-
schalldaten wurde ein Ultraschallgerät (Toshiba Aplio XG) mit einer linearen Sonde (PLT704SBT) sowie einer
Sektorsonde (PST65AT) über eine DVI (Digital Visual Interface) angebunden. Die auf dem Navigationssystem instal-
lierte Software verarbeitet und visualisiert die Daten der angebundenen Geräte.
Präoperativ wurde zur Planung der Neuronavigation ein T1 MRT – Datensatz angefertigt. Dieser diente zur Definition
von Eintritts- und Zielpunkt, welche in der Navigationssoftware festgelegt wurden. Im gleichen Schritt erfolgte eben-
falls die Definition von 5-8 Markerpunkten im MRT Datensatz.
Die definierten Markerpunkte dienten im OP-Saal der markerbasierten Referenzierung zwischen Patient und MRT Da-
tensatz. Zur Verbesserung des Registrierungsergebnisses wurde eine oberflächenbasierte Referenzierung angeschlossen.

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Vor Resektion des Hirntumors wurden transdurale Ultraschalldatensätze sowohl ohne als auch mit Kontrastmittelappli-
kation akquiriert. Von dem Ultraschallkontrastmittel SonoVue wurden sowohl vor als auch nach Resektion 2,4 ml intra-
venös über eine Applikationspumpe (VueJect von Bracco Imaging) appliziert. Dabei handelt es sich um Mikrobläschen
(Durchmesser 1µm), welche mit einem echogenen Gas (Schwefelhexafluorid) gefüllt sind.

Durch Übertragung der Ultraschall- und zugehörigen Trackingdaten konnte im Navigationssystem eine Rekonstruktion
der Ultraschalldaten erfolgen, bei welcher die entsprechenden Videobilder in die korrespondierende Voxelebene des Vo-
lumens abgebildet wurden. Bei Auftreten von Mehrfachinformationen für ein Voxel erfolgte eine Mittelung. In Abbil-
dung 1 sind präoperativer MRT Datensatz und überlagert der rekonstruierte Ultraschalldatensatz zu sehen.

Postoperativ wurden die Tumore im MRT, im US-3D Datensatz ohne KM und im US-3D Datensatz mit KM mit der
Software ITK-SNAP segmentiert. Die Extrahierung des Tumors im MRT konnte mit halb-automatischen Verfahren
durchgeführt werden („deformable model“) [6]. Ein Seed-Point wird im Zentrum des Tumors initialisiert und verformt
sich so, dass die segmentierte Region alle Voxel mit ähnlichen Graustufen enthält. Bei schlecht abgrenzbarer
Echogenität im 3D-US wurde manuell segmentiert. Über die im Navigationssystem gespeicherten Transformationsmat-
rizen konnten sowohl MRT als auch 3D Ultraschalldatensatz in das Referenzkoordinatensystem transformiert und somit
überlagert werden. Wenn die Tumoren schlecht überlagert waren durch, z.B. durch aufgetretenen Brainshift, wurden
mit Hilfe eines ITK-basierten Programms die beste Translation berechnet und angewendet. Die Visualisierung wurde
mit der Open Source Software MITK (Medical Imaging Interaction Toolkit) durchgeführt.

Die Datenanalyse wurde mit VALMET realisiert. Hier wurden die einzelnen Tumorvolumina dargestellt und
Vergleichparametern berechnet. Als markante Parameter dienen der Overlapping- Index (Dice similarity Index) und die
Hausdorff - Distanz als maximale Abweichung innerhalb der Tumorvolumina.

Abb 1: In das präoperative MRT integrierter Datensatz 3D Ultraschall mit Kontrastmittel

3 Ergebnisse
Alle Tumore zeigten während der Untersuchung eine deutliche Kontrastmittelaufnahme. Das verwandte Kontrastmittel
zeigte keine ungewünschte pharmakologische Wirkung (allergische Reaktion etc.).

Der Fehler in der Neuronavigation, welcher durch die Patientenregistrierung bedingt war, beschränkte sich in allen Fäl-
len auf < 1,5 mm. Beim Vergleich der Tumorvolumina zeigte sich jeweils im Vergleich zum präoperativen 3D MRT ein
höherer Overlapping - Index sowie eine geringere Hausdorff - Distanz bei den kontrastmittelverstärkten Ultraschallauf-
nahmen (Tab 1). Die tendenziellen Unterschiede ergeben im T-Test mit p < 0.5 kein signifikanten Ergebnis.

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Hausdorff- Distanz
DSI (mean)
(mean in mm)
MRT/ cUS 0,84 1,44
MRT/ US 0,77 1,52

Tab 1: Dice Similarity Index (DSI) und Hausdorff - Distanz im Vergleich
Ultraschall mit (cUS) und ohne (US) Kontrastmittel.

4 Diskussion
Ziel der vorliegenden Untersuchung war die Evaluierung der Aussagekraft des 3D rekonstruierten kontrastmittel
verstärkten intraoperativen Ultraschalls im Rahmen der mikrochirurgischen Entfernung des Tumors. Die vorliegenden
Daten belegen in einer ersten Pilotstudie, dass die Informationen aus dem Ultraschallbild mit Kontrastmittel dem B-
Mode Bild in einzelnen Parametern überlegen sind. Inwieweit bei den verschiedenen Hirntumoren eine bessere Darstel-
lung von Tumorresten versus Resektionsrand möglich ist, müssen weitere Untersuchungen zeigen. Die 3D Rekonstruk-
tion ermöglicht neben der verbesserten Orientierung auch eine Vergleichbarkeit mit prä- und postoperativem MRT als
Goldstandard. Die bisherigen Ergebnisse stimmen optimistisch, dass in der Zukunft der 3D-Ultraschall mit Kontrast-
mittel eine echte intraoperative Alternative bietet.

5 Referenzen
[1] Comparison of navigated 3D ultrasound findings with histopathology in subsequent phases of glioblastoma resec-
tion. Rygh OM, Selbekk T, Torp SH, Lydrersen SH, Hernes TA, Unsgaard G.: Acta Neurochir. 2008 Oct;150(10):1033-
41

[2] Computer-assisted 3D ultrasound-guided neurosurgery: technological contributions, including multimodal registra-
tion and advanced display, demonstrating future perspectives. Nagelhus Hernes TA, Lindseth F, Selbekk T, Wolff A,
Solberg OV, Harg E, Rygh OM, Tangen GA, Rasmussen I, Augdal S, Couweleers F Unsgaard G: Int J Med Ro-
bot.2006 Mar;2(1):45-59

[3] Intra-operative imaging with 3D ultrasound in neurosurgery. Unsgård G, Solheim O, Lindseth F, Selbekk T.: Acta
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[4] Feasibility of contrast-enhanced sonography during resection of cerebral tumours: initial results of a prospective
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Schmieder K.: Ultrasound Med Biol. 2007 Apr;33(4):571-5

[5] Trantakis C, Meixensberger J, Lindner D, Strauss G, Grunst G, Schmidtgen A, Arnold S (2002) Iterative neuronavi-
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[6] Yushkevich PA, Piven J, Hazlett HC, Smith RG, Ho S, Gee JC, Gerig G (2006) User-guided 3D active contour seg-
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