ArchivDeutsches Ärzteblatt19/2002Virtuelle Bronchoskopie

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Virtuelle Bronchoskopie

Dtsch Arztebl 2002; 99(19): A-1302 / B-1107 / C-1035

Seemann, Marcus D.; Claussen, Claus D.

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LNSLNS Zusammenfassung
Die virtuelle Bronchoskopie (VB) ist eine sinnvolle, nichtinvasive Alternative zur fiberoptischen Bronchoskopie (FOB), insbesondere wenn diese abgelehnt wird, nicht durchführbar oder kontraindiziert ist. Besonders bei Patienten mit fehlender Compliance, bei Patienten die intensivpflichtig und künstlich beatmet sind, aber auch bei Kindern ist die schnelle Datenakquisition mit einem Multi-Detektor-Spiral-CT (MD-SCT) mit anschließender virtueller Bronchoskopie diagnostisch wertvoll. Die virtuelle Bronchoskopie kann als komplementäres Verfahren zur fiberoptischen Bronchoskopie für die Beurteilung von Tracheobronchialstenosen, der Planung und als Kontrolluntersuchung in der Nachsorge von operativen, interventionellen und palliativen Therapiemaßnahmen angewendet werden und ist möglicherweise auch als Screening-Methode bei Verdacht auf Bronchialkarzinome sinnvoll. Mit der optimierten und verbesserten Darstellung in Form einer transparenten, farbkodierten 3-D-Oberflächendarstellung erlaubt die virtuelle Bronchoskopie gleichzeitig eine gute bis optimale Visualisierung der Oberflächenstrukturen der Luftwege und der umgebenden mediastinalen Strukturen und verbessert damit die bildgebende Diagnostik von endotrachealen und endobronchialen Erkrankungen.

Schlüsselwörter: virtuelle Bronchoskopie, Diagnosestellung, Computertomographie, Tracheobronchialsystem, 3-D-Bildverarbeitung

Summary
Virtual Bronchoscopy
Virtual bronchoscopy (VB) offers a practical non-invasive alternative to fiberoptic bronchoscopy and is particularly promising for patients in whom fiberoptic bronchoscopy is not feasible, contraindicated or refused. Especially in patients without compliance, for patients in the intensive care unit and for children the fast data acquisition with a multi-slice detector spiral CT scanner is very valuable. VB can be used as a complementary procedure to fiberoptic bronchoscopy in evaluating airway stenosis as well as in planning and follow-up of surgical, interventional and palliative therapy of patients. It is likely to be accepted increasingly as a screening method for people with suspected bronchial carcinoma.
With an optimized and improved depiction by transparent color-coded shaded-surface virtual bronchoscopy allows a simultaneous visualization of the surfaces of the airways and the surrounding mediastinal structures and improves the diagnostic imaging of endotracheal and endobronchial diseases.

Key words: virtual bronchoscopy, diagnosis, computerized tomography, tracheobronchial system, 3D visualization

Die Nachverarbeitung volumetrischer Bilddatensätze aus der Spiral-Computertomographie (Spiral-CT) wird mit der Komplexität
anatomischer und pathologischer Strukturen und der Datenflut durch die Technologie der Multi-Detektor-Spiral-CT (MD-SCT) ein zunehmend wichtiger Aspekt der Bildinterpretation und klinischen Befundpräsentation. In den letzten Jahren wurden deshalb große Anstrengungen unternommen, technische Entwicklungen im Bereich der Bildnachverarbeitungsprozesse voranzutreiben und deren Wertigkeit für die klinische Praxis zu evaluieren.
Die Spiral-CT ist der Goldstandard in der bildgebenden Diagnostik des Thorax und dessen Veränderungen (22). Die flexible fiberoptische Bronchoskopie gilt als das Verfahren der Wahl bei der Abklärung von Bronchialerkrankungen, da Schleimhautveränderungen früh diagnostiziert und Proben für weitere histologische Abklärungen gewonnen werden können (5). In mehreren Studien konnte gezeigt werden, dass die axiale Dünnschicht-Spiral-CT jedoch auch bei der Diagnostik der Erkrankungen der Luftwege zunehmend bedeutsam wird (9–11). Ein Nachsorgeverfahren des Tracheobronchialsystems sollte, wie auch ein Screeningverfahren, für Patienten möglichst wenig belastend sein, diese einem möglichst geringen Risiko aussetzen, eine hohe Sicherheit beim Nachweis suspekter Veränderungen haben und für das Gesundheitssystem mit minimalen Kosten verbunden sein. Eine vergleichende Analyse der computertomographischen Bronchoskopie oder auch virtuellen Bronchoskopie mit der flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie zur Abklärung der jeweiligen Indikationen erscheint deshalb sinnvoll.
Bildnachverarbeitung
Aus den akquirierten Volumendatensätzen der Spiral-CT wird im Allgemeinen eine große Zahl axialer Schnittbilder rekonstruiert. Diese sind jedoch weder für die diagnostische Interpretation, noch für das Verständnis komplexer anatomischer Verhältnisse ideal (19, 21). Oft wird argumentiert, dass Bildrekonstruktionen zwar eine wertvolle diagnostische Ergänzung der axialen Schnittbilder darstellen, da sie auf diesen Daten basieren, hierdurch aber keine zusätzlichen diagnostischen Informationen gewonnen werden könnten, sondern im Gegenteil dadurch Bildinformationen verloren gehen (3). Dennoch konnte gezeigt werden, dass sagittale und koronare multiplanare Rekonstruktionen (MPRs), im Vergleich zu den axialen Schnittbildern, die topographische Orientierung verbessern (1).
Weiterhin wurde in mehreren Studien (4, 6, 7, 9, 12, 14) über eine höhere Treffsicherheit bei der Diagnostik und Beurteilung des Auftretens, des Schweregrades und der Längenausdehnung von Tracheobronchialstenosen, im Vergleich zu den axialen Schnittbildern
des Thorax-CT, berichtet, wenn alternative Rekonstruktionstechniken wie die Multiplanare-Rekonstruktion (MPR), die Maximum-Intensitäts-Projektion (MIP), die Oberflächendarstellung (SSD), die Volumendarstellung (VR) oder die virtuelle Bronchoskopie (VB) verwendet werden. Die Qualität der Bildnachverarbeitung wird dabei wesentlich von den Akquisitionsparametern der Spiral-CT-Untersuchung und damit der Qualität der axialen Schnittbilder (4, 13, 29), aber auch den Limitationen der Spiral-CT bezüglich räumlicher Auflösung und Kontrastauflösung (11), beeinflusst. Die virtuelle Bronchoskopie ist eine neue, spezielle 3-D-Darstellungs- und Beurteilungstechnik, bei der axiale Dünnschicht-Spiral-CT-Daten des Thorax in realistisch simulierte, endoluminale Ansichten generiert werden (16, 23, 24, 26, 28).
Methodische Ansätze der 3-D-Bildnachverarbeitung
Es gibt zwei grundlegend verschiedene methodische Ansätze der 3-D-Bildnachverarbeitung, die auch die Grundlage der virtuellen Endoskopie darstellen, die 3-D-Oberflächendarstellung (Surface Rendering) und die Volumendarstellung (Volume Rendering) (17, 18, 23, 27).
Die 3-D-Oberflächendarstellung vermittelt die Oberflächeninformation der interessierenden und deshalb segmentierten Strukturen. Sie erfordert die Auswahl von Schwellwerten für die Volume-Growing-Segmentation, um damit das Luftwegmodell, das die Grenzschicht zwischen Tracheobronchialwand und Luft bildet, zu erstellen. Kritisch für die korrekte Darstellung von Strukturen mittels schwellwertbasierter Segmentationsschemata sind die Sensitivität gegenüber Partialvolumeneffekten sowie die Wahl des Rekonstruktionsalgorithmus und des Schwellwertes beziehungsweise Schwellwertintervalls (26). Die Wahl des Schwellwertes beziehungsweise Schwellwertintervalls beeinflusst dabei wesentlich die Größe der segmentierten Strukturen und damit die Messwerte, zum Beispiel das Ausmaß der Tracheobronchialstenose, aber auch das Ausmaß der Segmentationsleckagen (26).
Die kontinuierliche Weiterentwicklungen der Hard- und Software, vor allem jedoch die zunehmende Automatisierung der aufwendigen und zeitintensiven Segmentation einzelner Strukturen werden den Einsatz einer oberflächenbasierten virtuellen Endoskopie für die Routineapplikation praktikabel werden lassen. Ein Nachteil der oberflächenbasierten virtuellen Bronchoskopie ist der Verlust an extraluminaler Information (9), weshalb Erfahrungen mit 3-D-Bildrekonstruktionen und ein gutes Verständnis für die endoskopische Ansicht des Tracheobronchialsystems als wesentliche Voraussetzung angesehen werden (2).
Die Volumenvisualisierung verwendet dagegen durch die direkte 3-D-Visualisierung der unbearbeiteten Schnittbildsequenzen die Bildinformation des gesamten Spiral-CT-Volumendatensatzes. Durch Veränderungen der Lichtdurchlässigkeit der Volumendarstellung ist eine realistisch simulierte, endoluminale Ansicht mit der Möglichkeit, Strukturen auch jenseits der Tracheobronchialwand zu beurteilen, gegeben (8). Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die schlechtere Beurteilung der Oberflächenstrukturen der Luftwege.
Die Durchführung einer virtuellen Bronchoskopie mit der 3-D-Oberflächendarstellung ermöglicht eine Darstellung ähnlich der flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie, ohne Darstellungsmöglichkeit der mediastinalen Strukturen und somit ohne wesentliche Zusatzinformation gegenüber der flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie (Abbildung 1a, 2a, 3a). Die Durchführung einer virtuellen Bronchoskopie mit einer transparenten, farbkodierten 3-D-Oberflächendarstellung vereint die Vorteile der oberflächenbasierten und der volumenbasierten Darstellung und ermöglicht aufgrund einer gleichzeitigen ordentlichen bis optimalen intraluminalen Beurteilung der Oberflächenstrukturen der Luftwege und der extraluminalen Strukturen jenseits der Tracheobronchialwand eine verbesserte endoluminale Darstellung (25). Aufgrund der besseren räumlichen Orientierung der zugrunde liegenden individuellen anatomischen und pathologischen Verhältnisse, als auch deren exakte topographische Zuordnung zu den großen mediastinalen und hilären Gefäßen besteht bei dieser Darstellungsform die Möglichkeit auf eine zeitraubende detaillierte Analyse und Präsentation der axialen Schnittbilder weitestgehend zu verzichten (Abbildung 1b, 2b, 3b).
Vergleich der virtuellen Bronchoskopie und der fiberoptischen Bronchoskopie
Vorteile der virtuellen Bronchoskopie
Im Gegensatz zur flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie ermöglicht die virtuelle Bronchoskopie, aufgrund der jederzeit verfügbaren axialen CT-Schnittbilder, eine Korrelation und Beurteilung endoluminaler Befunde mit den umgebenden extraluminalen Strukturen und somit eine Differenzierung der Ursache partieller oder kompletter Verschlüsse bedingt durch anatomische Strukturen (Aortenbogen und Trachealknorpel), artifizielle Veränderungen (Atem- und Bewegungsartefakte, kardiale und arterielle Pulsationen und Sekretionen) und reelle Kompressionen (Tumoren und Lymphknoten) (2, 10). Die virtuelle Bronchoskopie könnte deshalb präoperativ, bei der präzisen Operationsplanung und Abklärung der Operabilität eine wichtige Rolle spielen, wenn sowohl die Ursache der Impression als auch deren exakte topographische Zuordnung zu wichtigen mediastinalen Strukturen, wie den großen Gefäßen, bekannt ist.
In der Literatur wird die Durchführung der virtuellen Bronchoskopie bei der Beurteilung von Tracheobronchialstenosen, der gezielten transbronchialen Nadelaspirationsbiopsie und dem Screening von endobronchialen Tumoren als komplementäres Verfahren zur flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie empfohlen (8, 28). Im Gegensatz zur flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie können hier selbst hochgradige Stenosen überwunden werden und somit deren Länge, aber auch die Areale hinter diesen Stenosen beurteilt werden (2, 9). Dadurch wird möglicherweise die Einschätzung hinsichtlich einer parenchymsparenden Maßnahme im Sinne einer Manschettenresektion zum Nutzen des Patienten erleichtert.
Der Einsatz als Screeningmethode könnte bei Patienten mit einem geringen klinischen Verdacht auf eine endobronchiale Erkrankung, besonders bei jungen Patienten mit Infektionen oder Hämoptysen (10) und für Lungen­trans­plan­ta­tionsempfänger mit Verdacht auf Anastomosenstenose wertvoll sein (2, 9). Das Verfahren könnte aber auch zur kurzfristigen Kontrolle primär suspekter Endoskopiebefunde eingesetzt werden, das heißt zur Durchführung einer vorgezogenen „virtuellen“ Kontrolle schon nach drei Monaten anstelle einer konventionellen Überprüfung erst nach einem halben Jahr. Die virtuelle Bronchoskopie ist aber auch für die Planung und die Erfolgskontrolle endoskopisch palliativer Maßnahmen ausgedehnter Tumorläsionen mit Indikation für Ballondilatation, Stentplatzierung, Laser- und Kryotherapie interessant.
Aufgrund der Möglichkeit der Durchführung funktioneller Untersuchungen mittels in- und exspiratorisch akquirierten Spiral-CT-Datensätzen kann die Beurteilung des Schweregrades einer Malazie des Tracheobronchialsystems vorgenommen werden, sodass Stents mit einer höheren therapeutischen Sicherheit implantiert werden könnten. Weiterhin könnte die virtuelle Bronchoskopie als nichtinvasives Verfahren in der postoperativen Nachsorgeuntersuchung nach Tumorresektion und therapeutischen Interventionen, ohne zusätzliches Risiko für die Patienten nützlich sein (2, 9).
Nachteile der virtuellen Bronchoskopie
Die Nachteile der virtuellen Bronchoskopie sind aus der Technik der Spiral-CT ableitbar. So ist zunächst für die Akquisition des Volumendatensatzes eine Strahlenexposition notwendig, deren Höhe von der Wahl der Untersuchungsparameter abhängig ist. Die Daten von einigen Studien (2, 6, 9, 15) haben gezeigt, dass die virtuelle Bronchoskopie extrem genau in der Detektion und dem Grading von fokalen Bronchialläsionen und Bronchialstenosen ist, allerdings diesbezüglich keine 100-prozentige Treffsicherheit hat.
Distal gelegene Abschnitte des Bronchialsystems machen die Applikation von speziellen Schwellwertintervallen notwendig und können mit der virtuellen Bronchoskopie nur dann gut beurteilt werden, wenn sie nicht mit viskösem Sekret oder koaguliertem Blut gefüllt sind (2). Ein großer Nachteil der virtuellen Bronchoskopie ist die fehlende Möglichkeit spezifische bronchoskopische Befunde, wie die Oberfläche
der Bronchialschleimhaut sowie die Farbe oder Beschaffenheit von Gewebeanormalitäten zu beschreiben (2, 9). Die virtuelle Bronchoskopie spielt deshalb bei der Abklärung von Infektionen und Ischämien sowie der Dehiszenz im Anastomosenbereich nach Lungen­trans­plan­ta­tionen nur eine geringe Rolle (9).
Die endobronchiale, submukosale oder peribronchiale Ausdehnung, diskrete Infiltration oder kleine extraluminale Impression von fokalen Veränderungen und Tumoren sind in der virtuellen Bronchoskopie häufig nicht nachweisbar oder werden unterbewertet (2, 10). In der virtuellen Bronchoskopie kann lediglich das morphologische Erscheinungsbild endobronchialer Erkrankungen, bronchialer Irregularitäten oder diskreter intraluminaler Füllungsdefekte beschrieben werden. Dies lässt jedoch keinen Rückschluss auf die zugrunde liegende histopathologische Diagnose zu (10). Weiterhin können Biopsien für die zytologische, mikrobiologische und histopathologische Abklärung mit dieser Methode nicht gewonnen werden (2). Bei Patienten mit persistierenden Symptomen und negativem Untersuchungsergebnis in der virtuellen Bronchoskopie ist die weitere Abklärung mittels einer flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie erforderlich (9).
Resümee
Innovationen im Bereich der Bildnachverarbeitungsprozesse können das Verständnis und somit die Akzeptanz und den diagnostischen Wert der Schnittbildverfahren für die klinische Praxis erhöhen. Die virtuelle Endoskopie auf der Grundlage von Datensätzen der Spiral-CT spielt bei der Diagnostik des Tracheobronchialsystems, im Vergleich zur flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie, bisher nur eine untergeordnete Rolle. Bei Verdacht auf eine thorakale Raumforderung ist eine weitere Abklärung mittels einer Spiral-CT-Untersuchung notwendig. Eine geringfügige Änderung der Untersuchungsparameter mit Verwendung einer dünneren Schichtdicke könnte aus einer notwendigen Staging-Untersuchung die Durchführung einer virtuellen Bronchoskopie ermöglichen und bei einem Teil der Patienten die Durchführung einer flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie überflüssig machen.
Eine Wachablösung in der Rolle des Goldstandards ist jedoch vorerst nicht zu erwarten, dafür liegen bei diesem neuen, wenn auch zukunftsträchtigen Verfahren gegenwärtig noch zu wenige Erfahrungen vor. Die virtuelle Bronchoskopie (VB) stellt jedoch in schwierigen Situationen eine sinnvolle Alternative zur flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie dar und ist besonders dann vielversprechend, wenn diese abgelehnt wird, nicht durchführbar oder kontraindiziert ist. Insbesondere bei Patienten mit fehlender Compliance, bei Patienten die intensivpflichtig und künstlich beatmet sind, aber auch bei Kindern ist die schnelle Datenakquisition mit einem Multi-Detektor-Spiral-CT (MD-SCT) mit anschließender virtueller Bronchoskopie diagnostisch bereits sehr wertvoll.
Weiterhin kann die VB als komplementäres Verfahren zur flexiblen fiberoptischen Bronchoskopie zur Beurteilung von Tracheobronchialstenosen, der Planung und als Kontrolluntersuchung in der operativen, interventionellen und palliativen Therapie von Patienten verwendet werden und könnte möglicherweise auch als Screeningmethode bei Patienten mit Verdacht auf endobronchiale Tumoren (8, 28) – ähnlich wie die virtuelle Kolonoskopie – sinnvoll sein.
Durch computergestützte Simulationsmodelle können präoperativ individuelle Planungen und Simulationen von chirurgischen Eingriffen und Interventionen durchgeführt, aber auch entsprechende operative Erfahrungen erworben werden. Die virtuelle Bronchoskopie mit der optimierten und verbesserten Darstellung einer transparenten, farbkodierten 3-D-Oberflächendarstellung ist ein qualitativ hochwertiges Nachverarbeitungsverfahren von Bilddaten, das eine gleichzeitige ordentliche bis optimale intraluminale Visualisierung und Beurteilung der Oberflächenstrukturen der Luftwege und der umgebenden extraluminalen Strukturen jenseits der Tracheobronchialwand ermöglicht und damit die Diagnostik von endotrachealen und endobronchialen Erkrankungen verbessert, aber auch eine gezielte transbronchiale Nadelaspirationsbiopsie erlaubt (25). Aufgrund der besseren räumlichen Orientierung der zugrunde liegenden individuellen, anatomischen und pathologischen Verhältnisse, als auch deren exakter topographischer Zuordnung zu den großen mediastinalen und hilären Gefäßen besteht bei der Beurteilung des Tracheobronchialsystems die Möglichkeit auf eine zeitraubende detaillierte Analyse und Präsentation der axialen Schnittbilder weitestgehend zu verzichten (19, 20).

Manuskript eingereicht: 27. 11. 2001, revidierte Fassung angenommen: 29. 1. 2002

zZitierweise dieses Beitrags:
Dtsch Arztebl 2002; 99: A 1302–1305 [Heft 19]

Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis, das über den Sonderdruck beim Verfasser und über das Internet (www.aerzteblatt.de) erhältlich ist.

Anschrift für die Verfasser:
Dr. med. Marcus D. Seemann
Radiologische Klinik
Abteilung für Radiologische Diagnostik
Universitätsklinikum Tübingen
Hoppe-Seyler-Straße 3
72076 Tübingen
E-Mail: marcus.seemann@med.uni-tuebingen.de
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