ArchivDeutsches Ärzteblatt51-52/1999Bildanalyse und 3-D-Visualisierung in der Leberchirurgie

MEDIZIN: Aktuell

Bildanalyse und 3-D-Visualisierung in der Leberchirurgie

Dtsch Arztebl 1999; 96(51-52): A-3298 / B-2776 / C-2464

Oldhafer, Karl J.; Högemann, Dagmar; Schindewolf, Thomas; Malagó, Massimo; Raab, Rudolf; Peitgen, Heinz-Otto; Galanski, Michael

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LNSLNS Die Leberchirurgie hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig weiterentwickelt. Leberresektionen gehören zu den Standardverfahren in der Abdominalchirurgie. Unter anderem können heutzutage große Lebertumoren, die sich aufgrund ihrer Nähe zu den großen intrahepatischen Gefäßen in einer schwierigen Lokalisation befinden, reseziert werden. Auch die Lebertransplantation zwischen Verwandten ist möglich und wird in zunehmender Zahl durchgeführt. Mit der in diesem Zusammenhang notwendigen intensiveren Vorbereitung des Chirurgen sind auch die Anforderungen an die Bildgebung gestiegen. Bei MeVis - Centrum für Medizinische Diagnosesysteme und Visualisierung an der Universität Bremen wurde ein System zur Visualisierung und Bildanalyse entwickelt, das für die Planung in der Leberchirurgie eingesetzt werden kann. Eine weitere Nutzung kann auf dem Gebiet der Lehre und Ausbildung erfolgen.
Schlüsselwörter: Leberchirurgie, Lebertumor, 3-D-Rekonstruktion, Lebertransplantation

Image Analysis and 3-D-Reconstruction
Major developments have been achieved in liver surgery in recent years. Liver resections have been implemented as standard procedures in abdominal surgery. Nowadays even liver tumors in the neighbourhood of large intrahepatic vessels can be resected. Liver donation from living donors is carried out in increasing numbers. For these procedures a thorough preparation of the surgeon is important. Therefore the requirements for the preoperative diagnostic work up have to be improved. The Center for medical diagnostic systems and visualization (MeVis) at the University of Bremen developed a program that produces helpful features for the preoperative planning in liver surgery. Interactive planning and simulation of liver resections may also play a major role in teaching.
Key words: Liver resections, liver tumor, liver transplantation, 3-D-reconstruction


Die Leberresektion gehört heutzutage zu den Standardverfahren in der Abdominalchirurgie (22, 27, 33). Verschiedene Erkenntnisse haben hierzu beigetragen. Der anatomische Aufbau der intrahepatischen Segmentaufteilung gehört ebenso dazu wie die Verbesserung der Blutstillungsverfahren bei Leberparenchymblutungen (5). Weiterentwicklungen in der Anästhesie und in der Intensivbehandlung sind in diesem Zusammenhang ebenfalls zu nennen (6). Chirurgische Techniken und intraoperatives Management aus der Lebertransplantation sowie Erfahrungen über die Ischämietoleranz der Leber wurden erfolgreich umgesetzt (11, 17, 32). Dies führte bis zur Durchführung der Ex-vivo-Leberresektion mit anschließender Autotransplantation durch R. Pichlmayr (26). Aus diesen Gründen konnte die Resektabilitätsrate deutlich erhöht werden (3). Es gibt jedoch nach wie vor viele Patienten, bei denen eine Operation aufgrund der Tumorausdehnung oder -lokalisation nicht oder nur schwer möglich ist. Bei der Beurteilung der Resektabilität nimmt die Bildgebung einen besonderen Stellenwert ein (25). Neue technische Möglichkeiten führten zu erheblichen Fortschritten (30, 31). Diese bedeuten nicht nur eine Erhöhung der Sensitivität und Spezifität, sondern auch verbesserte Darstellungsmöglichkeiten durch geeignete Visualisierungsprogramme. Seit kurzem wird die dreidimensionale Bearbeitung computertomographischer Daten erfolgreich in verschiedenen Disziplinen, wie beispielsweise in der Neurochirurgie und in der Orthopädie, eingesetzt (2, 12, 15, 19). Auch in der Leberchirurgie wurden erste Erfahrungen mit der 3-D-Visualisierung gewonnen (14, 21, 23, 35, 37).
Bei ausgedehnten und ungünstig gelegenen Tumoren sind präoperativ mehrere Fragen zu klären. Hierzu gehört die genaue Lokalisation des Tumors in Beziehung zu den Arterien, Portalvenen und Lebervenen, um gegebenenfalls Gefäßrekonstruktionen geplant durchführen zu können. Für erweiterte Leberresektionen werden in zunehmendem Maße Volumetriedaten benötigt (36). Die verbleibenden Lebersegmente sollten eine ausreichende Größe aufweisen, um die postoperative Leberfunktion aufrechtzuerhalten und das Auftreten eines Leberversagens zu vermeiden. Bei einem kritischen Restvolumen kann ein zweizeitiges Vorgehen gewählt werden. Durch Embolisation oder Ligatur entsprechender Pfortaderäste kann eine Hypertrophie des gesunden Leberparenchyms herbeigeführt und so eine bedrohliche Operation vermieden werden. Auch bei der Planung von Lebertransplantationen zwischen Verwandten spielt die Volumetrie eine wichtige Rolle. Mit ihr kann sichergestellt werden, daß bei Spender und Empfänger das Parenchymvolumen für die Leberfunktion hinreichend ist (28). MeVis - Centrum für Medizinische Diagnosesysteme und Visualisierung an der Universität Bremen entwickelte ein neuartiges Bildanalyse- und Visualisierungsverfahren speziell für die Leber, welches die Aufgaben der 3-D-Visualisierung und der Volumetrie sehr gut realisiert (7, 8, 9).
Radiologische Untersuchungstechnik
Voraussetzung für eine optimale Bilddatenverarbeitung mit dem Ziel der dreidimensionalen Visualisierung ist das Vorliegen eines vollständigen Volumendatensatzes. Die zu segmentierenden anatomischen und pathologischen Strukturen müssen einen guten Kontrast aufweisen. Diese Anforderungen werden durch moderne Spiral-CT-Scanner erfüllt. Während einer Atemanhaltephase kann in 20 bis 30 Sekunden das gesamte Volumen der Leber erfaßt werden. Zur Darstellung der Gefäße ist die biphasische Untersuchung unter Kontrastmittelgabe erforderlich. Die Daten der ersten Phase ermöglichen die Darstellung der Arterien und in der Regel auch die Segmentierung der Portalvenen. In der zweiten Phase weisen die Portalvenen, und insbesondere die Lebervenen, einen guten Kontrast auf. Außerdem ermöglichen Kontrastmittel in den meisten Fällen eine bessere Abgrenzung und ätiologische Zuordnung von Tumoren. Alle hier genannten Untersuchungen wurden an einem Computertomographen Somatom plus 4 A (Siemens) unter Gabe von 150 ml Kontrastmittel (Ultravist 300) und 40 ml NaCl mit einem Fluß von 4 bis 5 ml/sec durchgeführt. Die CT-Untersuchungen erfolgten fünf Sekunden und 45 bis 55 Sekunden nach automatischer Detektion des Bolus in der Aorta abdominalis. Die Untersuchungen in der arteriellen Phase wurden mit einer Kollimation von 3 mm, einem Tischvorschub von 5 mm und einem Rekonstruktionsintervall von 2 mm durchgeführt. Zur Darstellung der venösen Gefäße waren eine Kollimation von 5 mm, ein Tischvorschub von 8 mm und ein Rekonstruktionsintervall von 2 bis 4 mm hinreichend.
Bildanalyse und Visualisierung
Auf der Grundlage der erzeugten Bilddaten werden die relevanten Strukturen mit Methoden der digitalen Bildanalyse identifiziert und markiert. Dieser Vorgang wird Bildsegmentierung genannt. Dazu werden die computertomographischen Daten auf eine Workstation übertragen. Mit dem von MeVis neuentwickelten Computerprogramm HepaVision werden die Datensätze bearbeitet. Die Leber als Organ, die sichtbaren Tumoren der Leber und die Gefäßbäume werden nacheinander segmentiert und die Ergebnisse abgespeichert. Die Bildsegmentierung sollte mit möglichst wenig manueller Interaktion durchgeführt werden (7, 29). Weiterhin wird das Volumen der Leber, der Lebersegmente und der Tumoren quantitativ bestimmt. Zur Bearbeitung der Gefäßbäume wurden Algorithmen erforscht und implementiert, die eine leichte Manipulation der komplexen und sich durchdringenden Gefäßstrukturen ermöglichen. Die Trennung verschiedener Gefäßsysteme, die Bestimmung der Gefäßhierarchie und Vermessungen geschehen automatisch und können entsprechend der medizinischen Fragestellung manuell weiterbearbeitet werden. Als spezielles, hilfreiches Computerwerkzeug hat sich die automatische Berechnung der patientenindividuellen anatomischen Lebersegmente auf Basis der Versorgungshauptäste der Pfortader erwiesen (10).
Die Ergebnisse der verschiedenen Segmentierungen werden in einem Computerprogramm zur objektorientierten 3-D-Visualisierung zusammengefaßt (Grafik). Der Betrachter kann sich das Bildszenario nach eigenen Wünschen zusammenstellen und interaktiv drehen, um die gewünschte Blickrichtung und die Vergrößerung zu bestimmen. Er kann auswählen, welche der segmentierten Bildobjekte (Leber, Gefäße, Tumore) gleichzeitig zur Darstellung kommen, mit welcher Farbe jedes Objekt gezeichnet wird und welche Darstellungsart bevorzugt wird. Hier stehen unter anderem die transparente Volumendarstellung (volume rendering), die beleuchtete Oberflächendarstellung (surface shaded displays) und die Liniengitter-Darstellung (line grid) zur Verfügung. Beschriftungen können zusätzlich eingeblendet werden.
Exemplarische Anwendungsbereiche
Bei insgesamt 45 Patienten mit unterschiedlichen Fragestellungen wurde in der Diagnostischen Radiologie der Medizinischen Hochschule Hannover die 3-D-Visualisierung und/oder Volumetrie durchgeführt. Die Operationen erfolgten entweder an der Medizinischen Hochschule Hannover oder am Universitätsklinikum Essen. Im folgenden werden drei exemplarische Anwendungsbereiche dieser Methode vorgestellt.
Zentrale Lebertumoren
Die Resektion von zentralen Lebertumoren und/oder von Tumoren in der Nähe der Lebervenen oder der retrohepatischen Vena cava ist technisch schwierig. Teilweise sind Rekonstruktionen des venösen Gefäßsystems erforderlich. Anhand der dreidimensionalen interaktiven Visualisierung der Bilddaten kann sich der Chirurg in wenigen Minuten mit den Lagebeziehungen vertraut machen und die Resektion simulieren. Bei erweiterten Leberresektionsverfahren, wie den Antesitum- oder Ex-situ-Leberresektionen, wurde die 3-D-Visualisierung bereits zur Planung eingesetzt. Die Optimierung der Vorbereitung erhöhte die Sicherheit in den nachfolgenden Operationen, auch wenn die Quantifizierung der Vorteile schwierig ist (24). Abbildung 1 zeigt ein Beispiel.
Komplexe Operationsstrategien
Bei Lebertumoren, deren Resektion die Beteiligung verschiedener Disziplinen notwendig macht, können anhand der Computervisualisierung das Vorgehen und die einzelnen Schritte interdisziplinär abgesprochen werden. Meist handelt es sich dabei um Kooperationen mit Herzchirurgen bei Beteiligung von Herzstrukturen durch einen ausgedehnten Vena-cava-Tumorthrombus. Die Darstellung am Computermodell erlaubt die gemeinsame Festlegung der Resektionsgrenzen und die Planung der Rekonstruktion der venösen Ausflußbahn der Leber beziehungsweise des rechten Vorhofes. Abbildung 2 zeigt das Beispiel eines Kindes mit einem ausgedehnten Hepatoblastom mit Tumorthrombus aus der Lebervene, der bis zum rechten Vorhof reicht.
Lebertransplantation zwischen Verwandten
Durch die Lebertransplantation zwischen Verwandten konnte in der Vergangenheit vielen Kindern mit chronischem Leberversagen geholfen werden (4, 34). Ein Elternteil spendet dabei in der Regel den linkslateralen Leberlappen (Lebersegmente II und III). Bei Kleinkindern reicht diese Lebergewebemenge aus, um eine ausreichende Leberfunktion zu gewährleisten, bei größeren Kindern oder speziell bei Erwachsenen wird es jedoch problematischer. Bei dieser kritischen Spender-Empfänger-Relation muß genau eruiert werden, wieviel Lebergewebe, und damit welche Lebersegmente, für den Empfänger notwendig sind. Verschiedene Formeln unter Verwendung der Körpergewichte beziehungsweise der Körperoberfläche sind hierzu aufgestellt worden (18). Für den Entscheidungsprozeß kommt der exakten Volumetrie eine besondere Bedeutung zu. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel aus diesem Bereich.
Resümee
Die Bildgebung nimmt einen wichtigen Platz in der Diagnose und Behandlung von Lebertumoren ein. Neben dem Nachweis und der Differenzierung sind die Lokalisation und Ausdehnung des Tumors von Bedeutung. Beide Informationen sind zur Klärung der chirurgischen Resektabilität wichtig. Bei Standardeingriffen mit klaren Befunden, bei denen der Tumor einen sicheren Abstand von der geplanten Resektionsgrenze einnimmt, ist die Operationsplanung und -durchführung kein Problem. Hier stehen die Resektionsgrenzen fest. Durch die schnelle Entwicklung der Leberchirurgie können heutzutage auch Tumoren in schwierigen Lokalisationen reseziert werden. Dadurch ist die Anforderung an die Bildgebung bezüglich der topographischen Darstellung wichtiger Gefäßstrukturen weiter gestiegen. Die dreidimensionale Darstellung des Tumors und der Gefäße ist vorteilhaft, da sonst jeder Betrachter des Computertomogramms sich sein "eigenes" 3-D-Bild aus den Einzelschichten zusammensetzen muß, was ein gutes räumliches Vorstellungsvermögen voraussetzt und nicht objektiv kommunizierbar ist. Der Wert der 3-D-Visualisierung konnte in verschiedenen operativen Disziplinen bereits gezeigt werden. Es handelt sich dabei meist um Eingriffe an Strukturen mit komplizierten anatomischen Verhältnissen, die besondere Anforderungen an die räumliche Vorstellung stellen, wie zum Beispiel der Gesichtsschädel, die Schädelgrube oder das Becken (1, 13). Die gleichen Argumente treffen auch für die Leber mit ihrer komplexen Gefäßversorgung zu. Eine genaue Planung ist in der Leberchirurgie wichtig, um den Sicherheitsgrad des Eingriffes zu erhöhen. Zusätzlich ist bei Vorliegen genauer Volumetriedaten über zu resezierende und verbleibende Lebersegmente der Eingriff sicherer kalkulierbar. Grenzwertige Leberresektionen, bei denen Patienten in das postoperative Leberversagen geraten, können so mit objektivierbaren Parametern besser identifiziert werden. Dies trifft auch für die Lebertransplantation zwischen Verwandten zu.
Ein weiterer Anwendungsbereich der 3-D-Technologie und Visualisierung liegt in der Ausbildung von Chirurgen und Studenten. Vorstellbar sind Simulationen von Leberresektionen vergleichbar mit dem Flugsimulator in der Ausbildung von Piloten, wie es in einem Editorial der Zeitschrift "Annals of Surgery" kürzlich erwähnt wurde (20). Am Computermodell können Leberresektionen erläutert oder auch simuliert werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß durch die neuen Techniken der virtuellen Realität ein weiterer Beitrag zur Verbesserung der Leberchirurgie erbracht werden kann.
Zitierweise dieses Beitrags:
Dt Ärztebl 1999; 96: A-3298-3301
[Heft 51-52]
Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis, das über den Sonderdruck beim Verfasser und über die Internetseiten (unter http://www.aerzteblatt.de) erhältlich ist.


Anschrift für die Verfasser
Prof. Dr. med. Karl J. Oldhafer
Klinik für Allgemein- und
Transplantationschirurgie
Universitätsklinikum Essen
Hufelandstraße 55
45122 Essen


1 Klinik für Allgemein- und Transplantationschirurgie (Direktor: Prof. Dr. med. Dr. h. c. mult. Christoph E. Broelsch), Universitätsklinikum Essen
2 Abteilung für Diagnostische Radiologie (Leiter: Prof. Dr. med. Michael Galanski), Medizinische Hochschule Hannover
3 MeVis - Centrum für Medizinische Diagnosesysteme und Visualisierung (Leiter: Prof. Dr. rer. nat. Heinz-Otto Peitgen), Universität Bremen
4 Klinik für Abdominal- und Transplantationschirurgie (Leiter: Prof. Dr. med. Jürgen Klempnauer), Medizinische Hochschule Hannover

Dieses Schema veranschaulicht die Arbeitsschritte der Bildanalyse. Aus dem radiologischen Datensatz werden mit speziell dafür entwickelten Segmentierungsverfahren die Leber, die Lebertumoren und die Gefäßsysteme extrahiert. In einem Programm zur Visualisierung werden die segmentierten Objekte schließlich gemeinsam lagerichtig zueinander dargestellt. Dabei können Objektattribute wie Farbe und Darstellungsart frei gewählt werden.

Abbildung 1: a) Computertomogramm der Leber mit Lebermetastasen b) 3-D-Visualisierung des Tumors und der Leber aus vier verschiedenen Blickwinkeln. Der Tumor ist grau dargestellt. Die Gefäße sind wie folgt gekennzeichnet: Aorta und Arteria hepatica rot; Vena portae magenta (rechts = dunkel, links = hell); Arteria mesenterica superior dunkelgrün; Arteria renalis hellgrün; Arteria gastrica sinistra hellgelb; Arteria gastroduodenalis dunkelgelb; Vena hepatica blau. Ein 32jähriger Patient entwickelte zirka ein Jahr nach Entfernung eines adenoidzystischen Karzinoms der Speicheldrüse drei Lebermetastasen. Die größere Metastase lag in den Lebersegmenten VI, VII und VIII. Zwei kleinere Metastasen lagen in den Segmenten V und VI nah an der Grenze zu den Segmenten II und III (Abbildung 1a). Abbildung 1b zeigt die 3-D-Visualisierung der Metastasen. Durch eine erweiterte Leberresektion mit Entfernung der Segmente IV bis VIII konnten die Metastasen im Gesunden reseziert werden. Der postoperative Verlauf war unproblematisch. Der Patient konnte am zehnten Tag entlassen werden.

Abbildung 2: Computertomogramm der Leber mit Hepatoblastom. Die Lebersegmente II und III sind tumorfrei. Ein zweieinhalbjähriger Junge entwickelte ein bilobuläres Hepatoblastom. Eine primäre Resektion war nicht möglich, so daß eine Chemotherapie durchgeführt wurde. Ferner lag ein Tumorthrombus ausgehend von den mittleren Lebervenen bis zum rechten Vorhof vor. Mit den Herzchirurgen wurde eine Resektion im Kreislaufstillstand und Hypothermie besprochen, um den Tumorthrombus sicher zu entfernen und die venöse Ausflußbahn beziehungsweise den rechten Vorhof zu rekonstruieren. Es wurde eine erweiterte Leberresektion mit Entfernung der Lebersegmente I, IV bis VIII und eine Entfernung des Tumorthrombus en bloc mit Wandanteilen des rechten Vorhofes durchgeführt. Die Vena cava inferior und Teile des rechten Vorhofes wurden mit einem Perikard-Patch rekonstruiert. Der Junge überstand den Eingriff gut.


Abbildung 3: 3-D-Visualisierung mit Volumetrie der Leber. Das Lebersegment II ist hellblau, das Segment III türkis und die Segmente IV bis VIII sind rot dargestellt. Der klinische Zustand des einjährigen Mädchens mit extrahepatischer Gallengangsatresie verschlechterte sich zunehmend trotz Hepatoenterostomie nach Kasai. Eine Lebertransplantation zwischen Verwandten wurde geplant. Der Vater spendete den linkslateralen Leberlappen (Segmente II und III).


Danksagung
Die Autoren bedanken sich für die Mitarbeit von Dipl.-Phys. Dominik Böhm, Dipl.-Math. Andrea Schenk, Dipl.Inform. Dirk Selle und Dipl.-Inform. Wolf Spindler von MeVis - Centrum für Medizinische Diagnosesysteme und Visualisierung an der Universität Bremen und bei Dr. rer. nat. Georg Stamm und Dipl.-Inform. Frank Witthus von der Abteilung für Diagnostische Radiologie, Medizinische Hochschule Hannover, ohne deren Mithilfe die Entstehung dieses Manuskriptes nicht möglich gewesen wäre.

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