Kurzfassung. Beim Einbringen von Nadeln in Weichgewebe kommt es zu Bewegungen und Deformationen. Diese beeintra¨chtigen besonders hochaufgelo¨ste Bildgebungsverfahren mit geringer Eindringtiefe wie die optische Koha¨renztomographie, die jedoch auch kleine Strukturen auflo¨sen kann und eine Mo¨glichkeit zur ”optischen Biopsie“ darstellt. Die Korrektur von Bewegungsartefakten auf Basis anderer Bilddaten wie beispielsweise perkutaner / transrektaler Ultraschall wird durch die Nadeln erschwert. Wir untersuchen, ob auftretende Gewebedeformationen mit Hilfe einer Kraftmomentensensorik beru¨cksichtigt werden ko¨nnen. Die Ergebnisse deuten auf einen deutlichen Zusammenhang von Gewebedeformation und auftretender Kra¨fte hin.
Die Brachytherapie stellt eine Form der Strahlentherapie dar. Mit Hilfe von Brachytherapienadeln werden kleine Strahlenquellen in das Tumorgewebe eingebracht. Beim Eindringen von Nadeln in Weichgewebe kommt es jedoch zu Deformationen. Dadurch wird die genaue Lokalisation von Strukturen relativ zur Nadel erschwert. Die Auswirkungen von Gewebedeformationen auf den Erfolg der Therapie wurden in [1] untersucht und ko¨nnen bespielsweise zu hohen Strahlenbelastung von Enddarm und Harnro¨hre fu¨hren. Bildgestu¨tzte Verfahren wie die Sonographie ko¨nnen hier einen Ansatz zur Detektion der Bewegungen bieten. Die intraoperative Bildgebung ist jedoch nicht unproblematisch. Die Verfolgung im Ultraschall macht eine genaue Ausrichtung der Schallebene entlang der Nadel notwendig. Vor allem wird die Bildgebung durch Ultraschallechos der Nadeln gesto¨rt.
Im Vergleich zur perkutanen oder transrektalen Bildgebung erreicht die optische Koha¨renztomographie (engl. OCT) eine besonders hohe ra¨umliche und zeitliche Auflo¨sung. Da die Eindringtiefe in Gewebe auf wenige Millimeter begrenzt ist, muss die Bildgebung im Gewebe erfolgen. Die Mo¨glichkeiten einer solchen optischen Biospie“ wurden bereits untersucht [2, 3]. Typischerweise greift man ” hier auf Endoskope zuru¨ck, um eine Lichtleitfaser an schwer zuga¨nglichen Stellen im Ko¨rper zu platzieren. Eine andere Mo¨glichkeit besteht in der Integration von Lichtleitern in Hohlnadeln, wie sie beispielsweise in der Brachytherapie verwendet werden [4]. Eine so modifizierte Nadel liefert eine Topographie des Gewebes entlang des Stichkanals. Diese setzt sich zusammen aus einer Vielzahl eindimensionaler Tiefeninformationen bis 2mm Entfernung zur Nadelspitze (A-Scans).
Ein wichtiges Merkmal zur Unterscheidung von Gewebe mittels OCT ist die ra¨umliche Verteilung von Streuzentren. Durch eine Kompression (Abb. 1, rechts) wird diese Verteilung beinflusst. Eine Interpretation der gewonnenen Tiefeninformationen ist also nur in Bezug zum aktuellen Kompressionsgrad mo¨glich. Bei Durchstoßen der komprimierten Strukturen kommt es zu einem plo¨tzlichen Relaxieren des Gewebes entlang der Nadel. Diese durchdringt nun sehr viel Gewebe in kurzer Zeit. Aufgrund der hohen Phasenempfindlichkeit vom OCT, ko¨nnen hier keine Bildinformationen gewonnen werden. In der Topographie befindet sich eine Lu¨cke unbekannter gro¨ße. Die ra¨umlich korrekte Abbildung der nachfolgenden Bildinformationen erfordert Kenntnisse u¨ber die Gro¨ßenordnung der Gewebeverschiebung.
Wie in [5] gezeigt, la¨sst sich die Deformation im Gewebe anhand der
auftrenden Kra¨fte beschreiben. Abb. 1, links zeigt einen typischen Kraftverlauf beim
Einbringen einer Nadel in Weichgewebe. Vor einem Durchstoßen der Nadel durch
Grenzschichten im Gewebe kommt es zuna¨chst zu einer Kompression vor der
Nadelspitze (
4
3
30Zeit /s40
10
20
50
60
70
1
2
Abb. 1. Links: der Kraftverlauf beim Einbringen einer Nadel in Weichgewebe zeigt
Deformationszusta¨nde: (
Die Navigation anhand von OCT Bildgebung ko¨nnte beispielsweise die Planung der Brachytherapie verbessern. Mittels Ultraschall und Kraft- Momentensensorik untersuchen wir, inwieweit sich Bewegungen entlang des Stichkanals detektieren lassen. 2 2.1
Das aktuele Messsystem besteht aus einer Hohlnadel mit eingebetteter Lichtleitfaser, OCT-System(Callisto, Thorlabs HL AG) mit 1.2 kHz A-Scan Rate, Roboter zum Nadelvorschub (Adept Viper s850), Ultraschallgera¨t und KraftMomentensensor (ATI Mini45) mit 10 kHz Abtastrate. Alle Modalita¨ten sind auf einem einzelnen PC System zusammengefu¨hrt und ko¨nnen zeitsynchron aufgenommen werden. Zur Untersuchung wird eine Gewebeprobe in einem Pra¨parathalter fixiert. Die Erfassung der Daten erfolgt dann wie in [4] schrittweise entlang eines vorgegebenen Stichkanals. 2.2
Eine grobe Detektion von Spru¨ngen erfolgt durch eine Analyse der Differenzbilder im Ultraschall. Dabei werden die Grauwerte zweier aufeinanderfolgender Bilder elementweise subtrahiert. Die Bildpunkte des entstandenen Differenzbildes werden dem Betrage nach aufsummiert. Ein sprunghaftes Relaxieren des Gewebes fu¨hrt zu deutlich ho¨heren Werten und kann durch Auffinden lokaler Maxima mittels Schwellenwert detektiert werden. Die weitere Analyse basiert auf Ultraschallaufnahmen zu drei Zeitpunkten t0, t1 und t2, wobei t0 der Referenzzeitpunkt vor der Deformation, t1 der Zeitpunkt unmittelbar vor der Ruptur und t2 ein Zeitpunkt nach Abklingen der Bewegung sind. Um die Bewegung zu quantifizieren werden zuna¨chst markante Strukturen zum Zeitpunkt t0 in einem 20x20 Pixel großen Fenster selektiert. Dieses Muster wird nun u¨ber die nachfolgenden Bilder geschoben um den Bereich mit der gro¨ßten U¨ bereinstimmung zu finden. Als Distanzmaß dient eine dem Betrage nach aufsummierte Differenz zwischen Muster und Testbild.
Die Kraftwerte zwischen den Zeitpunkten t0 und t2 werden mit einem Mittelwertfilter gegla¨ttet. Anschließend wird die Differenz aus Maximum und Minimum des Kraftverlaufs gebildet und als Kraftabfall bezeichnet. Eine Ruptur kann jetzt repra¨sentiert werden durch die Gro¨ßenordnung der Relaxationsbewegung sowie den entsprechenden Kraftabfall. Die Rupturen werden nun mit Kraftabfall als Abszissenachse und Relaxationsbewegung als Ordinatenachse in ein Punktediagramm eingetragen. Im falle eines linearen Zusammenhangs beider Werte sollte dies durch eine Regressionsanalyse als hoher Korrelationskoeffizient deutlich werden.
Als Testdaten dienen zwei verschiedene Gewebeproben. Bei Pra¨parat A handelt es sich um eine frische Schweineleber. Pra¨parat B ist eine menschliche Prostata, unmittelbar nach einer Prostatektomie. 3
Bei einer Untersuchung von Pra¨parat A konnten sechs Rupturen im Gewebe dokumentiert werden. Aus Abb. 2 ist ersichtlich, dass die meisten Rupturen mit relativ kleinen Bewegungen verbunden waren.
Anhand der Prostatadaten konnten drei Rupturen aus unterschiedlichen Messreihen dokumentiert werden. Um den Einfluss von A¨ nderungen in der US-System-konfigurationen zwischen den Messreihen auszuschließen werden die Pixelabsta¨nde anhand der Nadelgro¨ße normiert.
In Probe A korrelliert die A¨nderung der Kraft gut zur Bewegung (R = 0:969) siehe auch Abb. 3. Ein weniger deutliches Bild zeigt sich in Probe B (R = 0:841). 5 4 3 2 0 50 100 150 200 250 300 350 0.1 0.2 0.3 0.40.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Zeitpunkt t =0s
Zeitpunkt t =0.4s
Zeitpunkt t =0.8s 100 200 300 100 200 300 100 200 300 Abb. 2. Ultraschallbilder vor und nach der Ruptur mit Kraftverlauf. Von t0 bis t1 zeigt sich kaum eine Vera¨nderung, die Kraft bleibt in diesem kurzen Zeitraum anna¨hernd konstant. Zwischen t1 und t2 relaxiert sich das Gewebe, die Kraft fa¨llt entsprechend ab.
Abb. 3. Vergleich verschiedener Rupturen in Kraft/Deformationsdiagramm. Die Messwerte entprechen einer Schweineleber (links) und Prostatagewebe (rechts). 0 Rupturen Linear fit
Rupturen Linear fit 0.15 0.2 0.25 0.3 normierte Relaxationsbewegung 0.35
Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Zusammenhang zwischen gemessener Kraft und Bewegung des Gewebes entlang der Nadel. Einerseits ko¨nnen die Kraftdaten zur Detektion von Gewebedeformationen dienen, die bei der Verarbeitung und Interpretation der OCT-Bilddaten beru¨cksichtigt werden mu¨ssen. Andererseits kann die bei Rupturen auftretende Bewegung entlang des Stichkanals abgescha¨tzt werden, um so die OCT-Informationen an die korrekte Position entlang der Nadel abzubilden. Dadurch wird eine Anwendung fu¨r die Navigation, beispielsweise der Dosisplanung in der Brachytherapie, mo¨glich. Um die Ergebnisse zu validieren sind jedoch weiterfu¨hrende Untersuchungen an Prostatagewebe erforderlich.
Literaturverzeichnis