Ultraschall Med 2012; 33 - A931
DOI: 10.1055/s-0032-1322742

Automatische Katheter-basierte Registrierung von 3D-Ultraschallvolumina der Mamma für die interstitielle Brachytherapie

M Thomas 1, A Poelstra 1, H Overhoff 1
  • 1Westfälische Hochschule DE

heinrich-martin.overhoff@w-hs.de

Ziel:

Für verschiedenste medizinische Anwendungen kann eine Registrierung von Ultraschall-Bildvolumina hilfreich sein. Beispielsweise kann zur visuellen Verlaufskontrolle eines Befundes während einer Therapie, dessen räumliche Ultraschalldarstellung erforderlich sein. Veränderungen von Lage und Größenverhältnissen des Befundes lassen sich objektivieren, wenn er in Bildvolumina aufeinander folgender Untersuchungen computerbasiert automatisch registriert wird, d.h. die Bildvolumina zur Deckung gebracht werden. Allerdings erweist sich eine Registrierung allein anhand von Gewebegrauwerten gelegentlich als schwierig. Im Rahmen einer interstitiellen Brachytherapie ist die Kontrolle der Lage der Katheter bei den verschiedenen Sitzungen, sowie der Abgleich zu den Strahlentherapie-Planungs-Volumina entscheidend. Auch in diesem Fall ist eine Registrierung hilfreich, z.B. über intra-operativ eingebrachte Clips oder über die Katheter selber. Bei einem Clip-basierten Verfahren können je Bildvolumen 3 Clips als punktförmige Landmarken genutzt und ggf. interaktiv einander zugeordnet werden. Aus diesen 3 Punktepaaren lässt sich eine geometrische Transformation zwischen beiden Bildvolumina bestimmen. Dieses Vorgehen scheitert allerdings beischlecht darstellbaren Clips. Katheter hingegen sind regelmäßig in Brachytherapie-Bildvolumina sichtbar. Ein Verfahren zur Katheterbasierten Registrierung für Bildvolumina, in denen mindestens 5 Katheter aufgezeichnet wurden, wird angegeben. Da Katheter linienförmig sind, müssen beispielsweise abweichende Krümmungseigenschaften mehrerer Katheter genutzt werden, um eine eindeutige Registrierung zu erzielen. Die Genauigkeit des Verfahrens wird vorgestellt.

Patienten und Methode:

An n=4 brachytherapeutisch behandelten Mamma-Karzinom-Patientinnen wurden in einer Untersuchung jeweils N=4 3D-Ultraschallbildvolumina mit unterschiedlichen Auflagepositionen und orientierungen des Schallkopfs relativ zur Mamma aufgezeichnet. Die Bildvolumina hatten Abmessungen von ca. 44×40×36mm3. Im Allgemeinen können in M≤N Bildvolumina mindestens 5 Katheter nachgewiesen werden. Bei den untersuchten Daten galt M1=3, M2=3, M3=4, M4=4. Diese Bildvolumina wurden von Hand (ground truth) und computerbasiert registriert. Das Computerprogramm detektierte die Kathetervoxel im Bildvolumen automatisch. Gleichzeitig wurden aber auch falsch-positive Voxel gefunden. Diese wurden durch eine Kreisapproximation eliminiert. Zudem gab dies die Möglichkeit, jeden Katheter durch zwei Parameter, den Mittelpunkt und den Radius, zu beschreiben. Diese Parameter wurden für die Registrierung verwendet. Dabei wurde eine Kreisapproximation nur dann akzeptiert, wenn das 8. Quantil des Abstandes zwischen Kathetervoxel und Kreis <1mm betrug. Da die Kreise eines Bildvolumens untereinander feste Lagebeziehungen haben, wurden die zweiBildvolumina gegeneinander registriert, indem zunächst ihre Kreise anhand der Radien paarweise zugeordnet wurden (Radiusdifferenz <10mm). Anschließend wurde eine Registrierungstransformation berechnet, die die Mittelpunktabstände minimiert.

Ergebnisse:

Typischerweise konnten je Volumen 2 Katheter nicht ausreichend genau durch Kreise approximiert werden.

In den erfolgreichen Fällen betrugen die Kreisradien ca. 120 bis 200mm. Eine Zuordnung von Kathetern zwischen 2 Bildvolumina war im Einzelfall nicht möglich, sodass M1=2, M2=3, M3=3, M4=4 automatisch registrierbare Bildvolumina verblieben. Diese konnten auf einen Fehler von 1 bis 5mm registriert werden.

Schlussfolgerung/Summary:

Eine Registrierung von 3D-Ultraschallvolumina, die die Krümmung linienförmiger Strukturen automatisch auswertet, ist möglich. Der Einsatzbereich des vorgestellten Verfahrens ist durch gewisse Anforderungen an die Kathetergeometrie limitiert. Sind diese erfüllt, lassen sich Registrierungsgenauigkeiten <5mm erreichen. Diese werden als ausreichend für die Kontrolle einer Brachytherapieplanung der Mamma sowie die Therapiekontrolle erachtet.