In den vergangenen Jahren entwickelte sich Magnetresonanztomographie (MRT)-geführte Brust-Biopsie zu einer der vielversprechendsten Verfahren innerhalb des Feldes der interventionellen Magnetresonanztomographie (iMRI). Die vorliegende Arbeit präsentiert ein neu entwickeltes Verfahren zur verbesserten Echtzeitnadelführung unter Nutzung eines optischen Moiré Phase Tracking (MPT) Systems. Es ermöglicht die interaktive und intuitive Steuerung der Bildebenen vom Inneren des MRT zur Realisierung von Biopsien mit geringer Durchführungszeit und hoher Genauigkeit. Bekannte Probleme der MR-geführten Brust-Biopsie konnten somit gelöst werden.
Abbildung 1: Messaufbau (links), MP Marker (oben rechts) und Tracking-kamera (unten rechts) Translationen des MP Markers detektiert werden. Laut Maclaren et al. beläuft sich die Genauigkeit des MPT Systems in x, y und z Richtung des MRT Scanners auf 1 µm, 12 µm und 1 µm, sowie 0,01° für Rotationen um alle drei Achsen. Die Genauigkeit ist hierbei definiert als „standard deviation of tracking noise for a stationary marker during MR imaging“ [6]. Die Tiefenschärfe der Kamera beträgt 60 cm [6].
Ausgangspunkt bildete eine Gradientenecho (GRE) Sequenz, die die Echtzeitpositionsdaten des MP Markers nutzte um prospektive Bewegungskorrektur durchzuführen. Diese Sequenz wurde weiter modifiziert, so dass Echtzeitnadelführung möglich war. Der MP Marker befand sich hierfür am Ende der Biopsie-Nadel. Durch den MP Marker war die Orientierung und somit die Position der Nadel innerhalb des MRT Scanners bekannt (siehe Abb.1). Das wurde dazu genutzt, zwei sich schneidende und senkrecht zueinander liegende Bildebenen automatisch entlang der Nadelachse zu definieren. Rotationen und Translationen der Biopsie-Nadel führten zur direkten Aktualisierung von Position und Orientierung der Bildgebungsschichten. Dementsprechend ist der Interventionalist in der Lage vom Inneren des MRT Scanners die Bildebenen interaktiv und intuitiv steuern zu können.
Die Verifizierung der Echtzeitnadelführung fand mit Hilfe einer Phantomstudie statt. Das Phantom enthielt Kupfersulfat, dass die T1 Zeit verkürzt und fünf einzelne Weintrauben, die eine sehr lange T1 Zeit aufweisen. Dementsprechend besaßen die Bilder einer T1-gewichtete GRE Sequenz den nötigen Kontrast zur Identifizierung der Biopsie-Ziele. Das Experiment unterteilte sich in drei Teilschritte: (1) Referenzscans: Mit Hilfe einer transversalen T1-gewichten 2D GRE Sequenz und unter der Nutzung der Fingerspitze wurde das Biopsie-Ziel und somit der optimale Eintrittspunkt für die Nadel definiert. (2) MRT-geführte Biopsie: Die Nadel mit dem befestigten MP Marker wurde an den entsprechenden Eintrittspunkt angesetzt und die MRT-geführte Biopsie mit Hilfe der GRE Sequenz zur Echtzeitnadelführung durchgeführt (Akquisitionszeit pro Bild t=3,4 s). Durch Rotation des Instrumentes konnte der Interventionalist stetig zwischen den beiden Bildebenen wechseln und sich somit zum Ziel navigieren. (3) Verifizierungsscans: Eine 2D Spin Echo Sequenz (transversal und sagittal) wurde genutzt um das Erreichen der
Zielweintraube zu verifizieren.
Die drei Teilschritte wiederholten sich für jede einzelne Weintraube. Die Zeit vom ersten Referenzscan bis zum Erreichen des Biopsieziels stellte die Performancezeit dar. Die Abweichungen der Nadelspitze vom Zentrum der Weintraube in x, y und z Richtung relativ zum MP Marker wurde evaluiert (siehe Abb.2). 3
Der Interventionalist war in der Lage die Ebenen interaktiv vom Inneren des MRT-Scanners durch Translation und Rotation der Biopsie-Nadel zu kontrollieren. Abweichungen von der Zieltrajektorie konnten sofort korrigiert werden. Zwischen der transversalen und sagittalen Bildebene relativ zur Biopsie-Nadel wurde im Durchschnitt drei- bis viermal gewechselt.
Fünf Biopsien wurden erfolgreich durchgeführt mit einer durchschnittlichen Performancezeit von lediglich 3,49 min (SD=±0,46 min). Die durchschnittliche Abweichung der x, y und z Koordinaten der Nadelspitze zum Zentrum der Weintraube (siehe Abb.2 und Abb.3) betrugen jeweils 2,8 mm (SD=±1,0 mm), 3,3 mm (SD=±1,5 mm) und 3,0 mm (SD=±1,6 mm) (siehe Tabelle 1).
Abbildung 3: Auszug der Verifizierungsscans: Transversale (links) und sagittale Bildebene (rechts) des Phantoms relativ zur Biopsie-Nadel Versuch 1 2 3 4 5 Mittel
Std
4
Zeit (min) 3,88 3,83 3,20 2,83 3,73 3,49 ±0,46 Innerhalb dieser Arbeit wurde MRT-geführte Biopsie mit Hilfe des MPT System erfolgreich entwickelt, implementiert und verifiziert. Es umgeht die Probleme der Freihandführung, während die Vorteile vorhanden bleiben. Desweiteren besitzt es die Genauigkeit der stereotaktischen Führung ohne dessen Nachteile.
Die durchschnittliche Performancezeit ist mit 3,49 min (SD=±0,46 min) sehr gering im Vergleich zu stereotaktischen Führung in Phantomexperimenten, in derer sich die durchschnittliche Zeit auf 16 min belief [7]. Menschliche Experimente mit Hilfe der stereotaktischen Führung ergaben 35 min [8]. Die Freihandtechnik von Fischbach et al. verringert diese Zeit sogar bis auf 12 min [4]. Die hier vorgestellte MRT-geführte Biopsie mit dem MPT System ist noch kürzer. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass Phantomstudien unter vereinfachten Bedingungen durchgeführt werden können.
Lehman et al. dokumentierte eine durchschnittliche Abweichung der x, y und z Koordinaten in Phantomexperimenten von 2,9 mm (SD=±1,7 mm), 3,7 mm (SD=±2,4 mm) und 2,4 mm (SD=±3,8 mm) [7]. Die hier erwiesenen Abweichungen gleichen der stereotaktischen Führung signifikant (p=0,005). Dementsprechend kann davon ausgegangen werden, dass die Genauigkeit der optischen Nadelführung mit der stereotaktischen Führung signifikant übereinstimmt. MRT-geführte Biopsie unter Nutzung eines optischen Trackingsystems wurde bereits in Lewin et al. und Ojala et al. durchgeführt. Mehrere Licht emittierende Dioden befanden sich an dem jeweiligen Instrument und wurden durch eine Stereokamera, die sich am Eingang des MRT Scanners befand, detektiert [8, 9]. Die Gefahr, die Sichtlinie zwischen der Stereokamera und den mehreren Dioden zu blockieren, ist größer im Vergleich zum MPT System, was dazu führt, dass die Bewegungen des Interventionalisten im oberen Fall stärker eingeschränkt sind. Auch wenn das Sichtfeld der MPT Kamera limitiert ist, was eine bewusste Positionierung des Phantom bzw. Probanden nach sich zieht, ist es dennoch theoretisch möglich, die Echtzeitnadelführung von jeder Stelle im MRT durchzuführen indem die Kamera entsprechend angebracht wird. In Realität allerdings wird der Zugang zum Patienten als auch die gewünschte Bildqualität die möglichen Kamerapositionen einschränken. Desweiteren erhöht das MPT System die Genauigkeit und Präzession von optischen Trackingdaten enorm [6].
Die Integration von zusätzlichen Hilfslinien, die die aktuelle Zieltrajektorie wiederspiegeln, als auch die Erweiterung der vorgestellten MRT-geführten Brust-Biopsie auf andere Bereiche der Nadelführung sind potenzielle Zukunftsperspektiven dieser Arbeit. Darüber hinaus soll der Versuchsaufbau in Kooperation mit interventionellen Radiologen an die realistischen Umgebungsbedingungen während einer Biopsie angepasst werden. Dies impliziert unter anderem die Platzverhältnisse im MRT-Scanners, der Zugangsweg zum Patienten als auch der Nadel sowie der passenden Kameraposition. Desweiteren könnten die Positionsdaten der Nadel anstatt durch einen MP Marker durch das Anbringen von passiven Markern (z.B. Mikrospulen, resonante Schwingkreise) an die Nadelspitze ermittelt und in die interaktive Sequenz eingeführt werden. Das hätte den besonderen Vorteil, dass auch nicht rigide Instrumente genutzt werden können. 5
MRT-geführte Biopsie mit Hilfe des Moiré Phase Tracking System demonstriert hohe Genauigkeit und eine kurze Durchführungszeit. Diese Echtzeitnadelführung verbessert, vereinfacht und erweitert die bisher vorhandenen MRTgeführten Techniken zur Brustbiopsie. 6
Diese Arbeit wurde innerhalb des Forschungscampus STIMULATE, ein durch das BMBF gefördertes Projekt (Förderkennzeichen 03F016101A), durchgeführt.
Δx 3,2 2,9 3,8 3,0 0,9 2,8 ±1,1
Abstand (mm) Δy 4,1 2,4 5,4 3,7 1,1 3,3 ±1,6 Δz 2,8 4,1 0,3 5,1 2,5 3,0 ±1,8