Bildverarbeitung für die präoperative, individuelle Lebersegmentierung

unter Mitarbeit von R. Leppek und S. Relecker

Hintergrund
Lebersegmentgrenzen sind durch die üblichen Darstellungsmodalitäten (CT und MRT, zweidimensionale Einzelschichten und dreidimensionale multiplanare Rekonstruktionen) nicht darstellbar. Deswegen werden neue Methoden entwickelt, die unter zu Grundenahme von mathematischen Modellen der fraktalen Geometrie die Verästelungsstruktur der intrahepatischen Vena porta und individuellen Bilddatensätze die Lebergefäß- und Segmentanatomie präoperativ darstellen.
Die etablierte Couinaud'schen Segmentmodell-Methode (SMM) wird von der computergestützten Segmentanalyse (CSA) ergänzt. Beide Untersuchungsverfahren gehen vom intrahepatischen Gefäßverlauf zur Segmenteinteilung der Leber aus. So soll die präoperative Entscheidungsfindung durch Visualisierung von Segmentgrenzen, Lebergefäßverzweigungen und etwaigen hepatischen Raumforderungen erleichtert werden.
Die Nützlichkeit und Gültigkeit der CSA ist noch nicht abschließend bewiesen und momentan Ziel ausgedehnter Forschung.

Pfortaderverlauf im Couinaud'schen Segmentmodell

Durchführung einer Lebersegementierung mit moderner Bildverarbeitungssoftware

Die Gewinnung individueller Bilddaten erfolgt mit verschiedenen Methoden, wie der CT-Arteriographie (CTAP), farbkodierter Duplexsonographie FKDS, mittlerweile auch unter Einsatz von Kontrastmitteln), Magnetresonanztomographie und Spiral-Computertomographie.

Hier wird die experiementelle Vorgehensweise unter zu Hilfenahme von portalvenöser Spiral-CT beschrieben. Kontrastmittelapplikation: z.B. Transfemorale Katheterinsertion in die A. mesenterica superior oder A. lienalis, Injektion von 60 ml Iopamidol mit einer Flußrate von 1ml/s. Eine Vielzahl ähnlicher Protokolle findet sich in der Literatur.

Die Spiral-CT ermöglicht durch die kontinuierliche Rotation der Röntgenröhre eine vollständige Erfassung der Leber innerhalb eines weniger als 30 Sekunden dauernden Atemstillstands.

Bildverarbeitung:
CSA - Computergestützte Segmentanalyse

1. Computergenerierte Extraktion der Pfortader ("tracing") mit Hilfe eines topologischen Rekonstruktionsalgorithmus (Bsp. ILAB* siehe VICORA)
2. Interaktive Farbmarkierung der Pfortadersegmentäste entsprechend eines festgelegten Schemas in der Bildverarbeitungssoftware (z.B. HepaVision)
3. Mathematische Simulation der abhängigen, portal perfundierten Leberparenchymabschnitte ("tributäres Prinzip") mittels eines "Potential"- oder "Nächste-Nachbarn" - Modells und computergenerierte Darstellung der Segmente
4. Mathematischer Vergleich zwischen CSA und SMM mit Angabe der prozentualen Segmentvolumina und der maximalen Abstände der Segmentgrenzen beider Methoden
5. Visualisierung der Ergebnisse

Bildbeispiele zur Vorgehensweise

	Markierung einer ROI = region of interest
	Virtuelle Organextraktion mit Hilfe des Watershed-Operators
	Tracing des Pfortaderbaums: Nach Extraktion der Pfortader erfolgt durch die Eingabe von Startpunkten und Richtungsvektoren eine Segmentierung des Lebergefäßbaums (Nutzung des Growing-region-Operators). Die Darstellung erfolgt in verschiedenen Teilungsordnungen der Gefäße. Durch die automatisch generierte alternierende Farbgebung wird ein räumlicher Eindruck vermittelt. Der weisse Pfeil markiert die mittlere Lebervene.
		Interaktive Pfortadermarkierung: Simulierte dreidimensionale Darstellung des Pfortaderbaums (Rotation um beliebige Achse möglich). Einzelne Pfortaderäste können durch die Eingabe eines Startpunktes farblich markiert werden.
		Overlay: Die getrennt erstellten Bilder "segmentierte Leber" und "segmentierter" Pfortaderbaum" werden zu einem gemeinsamen Bild verrechnet. Anschließend kann jede Schicht einzeln überprüft werden. Hier abgebildet sind 2 Schichten in kranio-kaudaler Betrachtung.
Manuell gesetzte Segmentgrenzen anhand von Landmarken (auf einzelner CT-Schicht oder Maximum Intensity Projection (MIP). Bildung von Grenzebenen durch Übertragung auf alle Schichten.	Farbige Markierung der durch Grenzebenen geschaffenen Sektoren. Jetzt ist eine mathematische Analyse möglich, bei der die Ergebnisse der CSA mit denen der Segment-Modell-Methode (SMM) verglichen werden.	Überblendung in das Ausgangsbild
Konsequenzen aus der Verwendung von CSA und SMM:
Die Abbildung demonstriert die Lage einer hypothetischen Metastase (schwarze Kugel) in einem von SMM und CSA unterschiedlich zugeordneten Leberareal. Die Segmentgrenze der Segmentmodell - Methode ist mit schwarzer Linie dargestellt, die Grenzen der computergenerierten Segmentanalyse zeigen einen wellenförmigen Verlauf. MPS = mittlere Portalszissur, entsprechend der funktionellen Leberhälftengrenze, RF = Raumforderung.