Standardisierung der zerebralen Bilddarstellung in der Magnetresonanztomographie(MRT)* ,4ssIz(iuer', L. L ~ I Z L UU' ,. J. J. L O I Z C I C ~ ~1.. C Siei1et.r" I~", und J. K. iI/loi2
' %crritruiiiI'ur Kcrrispintoiiiograptiic. Köln. urid " ivIt!dixiiiisclir
Ileiiirich-tlcina-IJniversiliil I)ijsseldorf.Abl. liir
Zusamiiienfassung
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Nt:iiroaiialoiiiic.Düsscldorl'
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Slandardisation ofcerebral M R iniaging -
Die kornpliziertc stcrco1ogisc;he Organisation des Gehirns sowie die un~erscliiedlichenEiiistellrnöglichkeitcn der modernen bildgebenden Verfahren machen Interpretationsliilfen bei der topographischen 1.okalisation und Zuordnung von Hirnstriikturcn und pathologischen Prozessen notwendig. In einem geschichtlichen Überblick über hirntopometrische Verfahren zur Präzisierung der Lokalisation werden zunächst einige Lokalisationsrnodelle vorgestellt, die sich als diagiiostische Hilfsmittel für die topographische Zuordnurig anbieten. Als lnterpretationshilfe i r i der MRT wird die Standardisierung der zerebralen Bilddarstellung mit Hilfe eines proportiorialisierenden topographischen 1.okalisationsmodells vorgeschlagen. Wegen der einfachen Anwendbarkeit dieses Modells wird dic methodische Vorgehensweise zu seinem Einsatz in der MRT im einzelnen dargestellt. Anschliellend werden die Vor- und Nachteile dieses T.okalisationsrnodelIs in1 liinblick auf seine Anwcndurigsbereiche und -perspektiven in Bildschichtverf'ahreri wie der MRT diskutiert. Hierbci wird besonders auf die Bildstandardisiening fur der1 iri~ra-,iiiterindividuellen und intermethodischen Vergleich bei Routineuntersuchungen eingegangen.
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I
Thc cornplox thrcc-dimt:nsioiial organisation ofthc human brain, as well as the iiunierous variablcs involved in nioderii imaging techniques. make it riecessary to introduce guidelines for the interpretation of lhe topographical localisation and allocation of normal cerebral striictures and pnthological processes. In a historical overview ot' the rnethods used Tor precise localisxtion we introduce sorne models that can be used as diagriostic aids. As supporting means in the MRI we suggest the standardisation of the imaging by application of this rnodel. The methodological procedures of its use in the MRI arc shown in detail. Finally the advantages and disadvantages of this model are discussed with regard to its possible applications in imaging systems sucli a s MR. 'l'he image standardisations for intra-, interindividual and intermethodical cornparison in routine investigations arc cmphasised in particular.
Schlüsselwörter
Key words
MR'r - Menschliches Gehirn - Staridardisierung - Lokalisationsrnodelle
MRI - Human brain - Standardisation Localisation models
Einleitung
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...... . -.
Wegeii der komplizierten stereologischen Organisation des Gehirns ergeben sich allerdings erhebliche Interpretationsschwierigkeiten bei der Lokalisation und Funktionszuordniing einzelner Hirnstrukturen und pathologischer Prozesse irn MRT-Bild, besonders dann, wenn die Schnittwinkeleinstellung der Bildsequenzen ohne reste Beziehung zu Referenzpunkten und -achsen der zerebralen Strukturen erfolgt.
Die MRT-'l'echnik besitzt die Vortcile einer boheri Auflösung und Kontrastierung und erlaubt daher die Darstelluiig komplexer zcrcbralcr Hirriformatiorien. Angesichts der engen Beziehung zwisclien tlirnstruktur und zerebraler Funktion können, aurgrund der hohen Detailauflösung und Struklurkontrastierung der MRT-Aufnahrnen, morphologische Veränderungen des Gchirns mit vorhandenen runktionellen Beeinträchtigungen in Beziehung gebracht werden.
Piir eine Präzisierung dcr 1,okalisation und der Strukturhnktionszuordnung erscheint daher die Eiri-
Fortschr. Röntgenstr. 153.3(1990)296 -302
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O (;corg'l'hiemeVerlagS~iittgart-New Ynrk
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V012 J.
rdisirrung t f c v zrrel~rolenl~ilrIrlnrslr.ll~r~rg
Die Entwicklung von L.okalisationsmodclIeii basierte mangels direktcr Darstcllbarkeit zerebraler Striiktiiren zunächst ausschließlich a i i i extrazerebralcn Bezugspunkten (I3. 14). I)ie Rezieliuiig zwischen Schädel und Gehirn erwies sich jedoch wegen großer intcrindividucllcr Grobe-. Foi'm- iiiitl Syirimc:tricunterschier1t?n.ls iiikoiistaiit (8. 17). Durch die Einbeziehung aiitliroporrietrischer Indizes konnte dic Lokalisation zci-ebrnler Strukturen zumindest i n dcr Nähe dar Kalotte weseiitlicli ertiölit wcrdnn (8. 16). So wurdf! z.R. die niaxiniale Winkelabweichung zwisclieii der ..CA-CP-Basislinie" und den anthropornctrischcn bezugslinicn für 88 O/o dcr untcrsuchtcn Fiille niit 2.5 Grad angegeben und erschieil deshalb für 1,okalisationsstudien relativ gering (9.33).
Fur stereotaktische Eingriffevorgeschlagene Bezugs. n und Relerenzgeraden 1. nach HasslerundRiechert . nacn~alairochund Mitarb (1952),3 nach Schalten d Bailey (1359).4 nach Delnias und Pertuiset (I359)
klit der Elablieruiig röntgenologischer Verfahren. insbesondere der Kontrasticrung des Vcntrikclsysteins. wurde es möglich. intrazcrcbralc Rezugspiiiikl.e m i t einziibezirhen. Aufgrund ihrer Darstellbarkeit und ihrer relativen Konstanz zu teleiizephalen Strukturen wurden das Corpus pincalc. die Conimissura habcnulac. dic (:ommissurn nnterior (CA) uiid Coirirriissura posterinr (CP) sowie die Veritrikelbegrenzungen als Stützpuiikli) eines Heferenzsysterns getestet (1. 2.4.6.8.15, i 9 . 20.23. 25. 27. 28. 32. 35. 36). Daraus ergaben sich uiitersctiiedlichr Bczugslinien b7.w. -ebenen. denen als vorderer Referenzpunkt dic CA oder deren direkte Nachbarschaft (Forarncn Monroi) zugrunde lag. Als hintcrcr Bezugspunkt dienten entweder die CP. das Corpiis pineale. die Coinmissiira habeiiiilae oder der Boden des drittcn Veiitrikels (Ahb. 1).
'I'rotz einer erliebliclieii Reduktion der Lokalisai.ioiisvariabililät(en) war auch unter dicscn (;cgcbcnheiten der Betrag der intcrindividucllcn Variabilittit für stereotaktisclie Intervcntioncn noch sehr hoch. Eine Prazisierung intrazerebraler Ziclpunkte wurde durch Lokalisationsrnodelle crrcicht. die zusätzliche zerebrale Hefercnzstrukturcn cinbczogan:
Arnador lind Mitarb. (1959) wählten als Basisreferenz die Interkomrnissurallinic (I(:L) nach Srlrallerrhruncf iirid Builcy (1959) mit den sich irn Mittkoiniriissiiralpunkt schneidenden drei Rauiric.beiieri (Abb. 2). Als sekundäre Hcfcrcnz zur Vcvbesserung der Lokalisationsbcstimrnungcn schlugen sic vor. die individuolle Konfiguration dcs Ventrikelsyslenis diircli den Vergleicli iiiii %eicliniirigerieiitsprectierider Ventrikrlkonfigurationen zu berücksichtigen. Referenzgeradennach Schaltenbrand und Bailey iterkommissurallinie(ICL) mit der dazu senkrechl ,n~ittkommissurallin;e(MCL). Die dritte Raumebene krecht auf dem Mitlkommissuralpunkt(Pfeil)inder Blatt
urig
von
slandardisierenden
Referenzsysternen
!nd iiotwendig. Derartige Iteierenzcycteme erlauben .andardisierung d e r zerebralen Bilddarstellung bei iichtverfahren w i e MRT u n d CT (34, 37, 38). so auch r ~ k o n s t r i i i c r c n d c nV c r f a h r c n w i c PET l i n d SPECT . Sic sind in I.okalisationsniodHllen zu linden. die i r i d e r Vergarigerilieil I'ür rnelrisclie, operative u i i d riologische Verfahren entwickelt w u r d e n . t i u r MH1'uchungen bietet sich daher e i n valides Ileferenzsyines bereits angewandten l,okalicationsverfahrene
L)ie von Hnssler und Riecherl(1954) beschricbene Methode rcduzicrtc dic intcrindividucllc Variabilität, indcm adiiquato Reicrnnzgern0r.n cinns Pationlengehiriis i n i l riitspr(rcliendeii Reicrerizgeradeii eiries aiis statistischen Normwerten gewonnenen ..Modcllgehirns" verglichen wurden. Als Basislinic logtnn llassler und Rlitarb. (1 373) wie Atldretrt iiiid WaLkins (1969) eine Gerade vorn Uriterrand des Foramen interventricularc zur Vorderkantc dcr (:I' (Abb. I). Uic .,vcrtikalc Hcfcrcnzlinic" zog von der obci'cii ßegrenzuiigsebene des Tlialariiiis. perperidikulär die Mitte der Rasisliiiie schneidend. bis ziir unteren Begrenzungscbcnc dcr Scitcnvcntrikcl. Die Gcradc von der iiul$ercn Rcgrenzung des Nucleiis caudal.us bis zur Miiie der Froiiialeberie iri Höht! der CP wurde als „frontale Heferenzlinie" dehniert. Viele voii diesen Iiir stereotaklisclie Operationen entwickelten. eine optirnalc Präzision anstrcbcndcn Vcrfahrcn sind trotz der sehr guton lokiilisatorischcn Genauigkeit Iiir eine Aii\veiiduiig iri der tliagiiosi.isclieii MRT-Routiiie rioch zu kornpliziert und zeitaufwendig und könnten daher erst durch dic Entwicklung von Gxpcrtcnsystcmcn cinsatzrahig werden. Ein wcitercs Lokalisationsmodcll wurdc von Talnirnch und Mitarb. I 9 0 7 l'ür die I.okalisation Ieleii~eplialerStruk-
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Hislorische Entwicklilrzg von zerebralen
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.I Assheuer und Mitrirli.
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nahe. dieses I,okalisatiorismodell als Diagnostik-. Begutachtungsund auch als Archivie~ngshilfefür die MH'I'-Houtinediagnostikzu vcrwcndcn.
Methodik . . Implementierung des Referenzsystems
Abb. 3 .Proportionalitatsgrid nach Talairach"modifiziert aus Talairach und Tournoux(1988)DieReferenzgeradewirdhierdurchdieZentrenderCAund CP gelegt
turen geschan'en. Dieses Modell in Form eines dreidirnensionalcn ..Proportionalitätsgrids" berücksichUgt die Gesamtaiisdehnung des Cehirns und bezieht sich auf die CA und CP als intrazerebrale Heferenzstruktureii (Abb. 3). Als Rasisreferenzebene (CA-CPEbene) dicnt die Ebene durch die obere hintere Begreiiziing der CA und durch die vordere untcrc Begrenzung der Ci', rechtwinklig zu der Median-Sagittal-Ebene. Perpendikulär zur CA-CP-Ebcnc und Median-Sagittal-Ebene befinden sich die Vertikorrontalebenen durch die CA und (:P (VCA. VCP). Parallel zu diesen intrazerebralen tieferenzebeneri (CA-CP-Ebene. VCA. VCP. Median-SagittalEbcne) liegen die extrazerebralen Relerenzebeneii tangential zu den iiußersten Begrcnzungcn dcr Hemisphären. Die Abstande zwischen jeweils benachbarter] parallelen Referenzebenen wcrden proportional unterteilt, so da0 ein proportionales 3D-Raiiingitter entsteht. Das Talairachsche Lokalisatioiisniodell wurde gerade wegen der unkomplizicitcn Erfassung der kontrastreichen intra- und extrazerebraleri Referenzpunkte (CA. CP und Begrenzungspolc des Gehirns) (24. 39) von mehreren Autoreri ( 7 . 18, 22, 29. 30,31. 34. 37. 38). die expcrimcntelle Auswertungen mit bildgebenden Systemen wie MRT. CT iind PET durchfiihrtcn. favorisicrt. Dieses LokalisatiorisiiiodeIIerniöglicht aufgrund dcr Proportionalisierung der Hirndimensionen die Relativierung der iiidividuellen Vnriabilitäten. so daß morphometrische Daten von Hirnstrukturen relativ zur Gesarritausdehiiung des Gehirns zwischen untcrschiedlichcn Individuen korreliert werden können. Vor1 Bedeutung ist auBerdem die Möglichkeit. auf der Basis der 'I'alairachschen Koordinaten objektive 1,okalisationsdaten anzugeben. dic gcgcnüber den üblichen Lokalisationsbeschreibungen rrei von siibjektiven Priidominanzkriterien sind. Es licgt dahcr
Abkürzungen: CA = Commissura anterior CP = Comrnissura posterior CT = Computertomographie ICL = Interkornmissurallinie ICE = Interkommissuralebene MRT = Magnetresonanztomographie PET = Positronen Emissions Tomographie SPELT = Single-Photonen-Emissions Computcrtomographie VCA.VCP = Vertikale durch die CA bzw. CP
Als Mal3 für den methodischen Aufwand, d e r bei d e r I r n ~ l e r n e n t i e r u nd~e s Talairachschen Modells in die ~ ~ ~ - u n i e r s u c enlsteht, h u n ~ werden z u m einen d e r Zeitaufwand gegenüber der Routineuntersuchung' zum anderen die Implementierungsprozeduren mit d e r ,.Standardsoftware" d e s MRT-Systems gewertet. Die Installatiori d e s Talairachschen Modells in die MRT-Routineuntersuchung setzt wegen d e r orthogonaler] präzisen Ausrichtung d e r Schichtebenen zu d e n Cridgeraden MRT-Systeme voraus. die softwaretechriisch die Magnetgradientenausrichtungen zurn Untersuchungsobjekt interaktiv verändern können. (Diese Anforderung wird von den meisten MRT-Systemen erfüllt.) In Abänderung d e r Talairachschen Vorgabe scheint e s zweckmäßig, die Basislinie entsprechend d e r Vorgabe mehrerer Autoren (5, 26) durch die Zentren beid e r Kornrnissuren (ICL) zu legen. Die Kontrolle d e r orthogonalen Ausrichtung bezüglich dieser Referenzebenen (Interkornmissuralebene (ICE). Frontalebene durch die CA perpendikulär z u r ICE und Median-Sagittal-Ebene) erfolgt mit Pilotaufnahmen in horizontaler, sagittaler und koronarer Ebene. Die s o eingestellten MRT-Schichtfolgen verlaufen dadurch orthogonal zu diesen Referenzebenen. Die folgenden Prozeduren zeigen die methodische Vorgehensweise für eine zerebrale Bildstnndardisierung von koronaren, transversalen und sagittalen
Multi-slice-Schnittfolgen: Koronare Mulii-slice-Aufnahmen
1. Sequenzparametenvahl: Schichtdicke u n d Schichtanzahl nach Bedarf einstellen. 2. Orthogonale Ausrichtung d e r Magnetfeldgradienten: a) Anfertigung eines sagittalen Pilotscans und Errichtung einer sichtbaren ICL (Abb. 4 a). b) Anfertigung eines koronaren Pilotscans perpendikulär z u r ICL durch die CA d e s sagittalen Pilotscans (Abb. 4 b). C) Anfertigung eines transversalen Pilotscans in d e r ICE auf d c m koronaren Pilotscan (Abb. 4 C). 3. Anfertigung eines median-sagittalen Pilotscans a u r d e m Pilotscan in d e r JCE (Abb. 4 d). 4. Einblenden d e r Schichtfolge d e r gewählten koronaren Multi-slice-Sequenz auf dem median-sagittalen Pilotscan. 5. Perpendikuläre Winkelausrichturig d e r eingeblendeten Muh-slice-Eberien z u r ICL.
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Die Intention dieser Studie liegt darin, eine Standardisicrung dcr Bilddarstcllung in der MRT zu erreichen. ES werden detailliert die methotlisch/technisclie Vorgehrrisweise. die zur Bildstandardisierung in der M R T führt. erläutert und die Anwendungsperspcktiven. dic sich aus cincr Bildstandardisicrung crgcben, erörtert.
Forlschr Rontgenstr 153..7
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P
Proportionale Ausrichtung der eingeblendeten Schichtebenen cntlang der koronaren Teilungscbenc:n des Grids*.
, 2. und 3. analog zu Kap. koronare Multi-slicc:-Auf~hmen. Parallele Winkelausrichtung dcr oingeblendeten transversalen Multi-slice-Ebencn zur ICL. Proportionale Ausrichtung der eingeblendeten Schichtebenen entlang dor transversalen l'eilungsebencn nach Abbildung*.
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Abb. 4 a Pilot-Scan in der Sagittalebene mit einer durch die CA, orthogonal zur ICE, ausgerichteten Markie rungfur den nachfolgenden koronaren Pilot-Scan.
Sagittale Multi-slict~-AuJnahrnen und 2. analog zu Kap. koronare Multi-slice-Aufnahmen Einblenden der Schichtfolge der gewählten sa~.ittaleri Multi-slice-Sequenz auf dem Pilotscan in der ICE (Abb. 4 C). 4. Parallele Winkelausrichtiing der eingeblendeten Multislice-Ebenen zur Median-Sagittal-Ebene b ~ wICL. . 5. Proportionale Ausrichtung der eingeblendeten Schichtebenen entlang der sagittalen Teilungsebenen*.
Abb. 4 b Pilot-Scan in der Koronarebene mit einer horizontal durch die CA. orihogonal zur MedianSagittaCEbene.ausgerichteten Markierungfür den Pilot-Scan in der ICE.
Ergebnisse . . .
Die Anwendung des Talairachschen Modells in der MRT als Beispiel einer standardisiert,cn ßilddarstelliing erforderte mit der ,.Routine-Software" im Vergleich zu der nichtstandardisierten Rilddarstellurig einen ~usätzlichen Zeitaufwand von maximal 12 ~ i n u t e npro Multi-slice-Untersuchung. Gemäß der Untersuchungsprozedur für standardisierte koronare Multi-slice-Aufnahmen erhöhte sich die Anzahl der Pilotaufnahmcn um zwei Scans (ca. zwei Minuten Zeitaufwand pro Scan inklusive Einstellung). Die proportionale Ausrichtung der Multi-slice-[Jntersuchungsschichten aul'dern letzten Pilotscan erforderte einen Zeitbedarf, dcr in der Regel erheblich von den vorhandenen „software-technischen" Voraussetzungen des MRTSystems abhängig ist. Im vorliegenderi Fall mußten jeweils Einzelschnitte plaziert und die entsprechenden Zwischenräume interaktiv festgelegt werden. Hierfür wurde ein Zeitraum von maximal fünfMinuten in Anspruch genommen. Aus den angeführten Untersuchungsprozeduren resultieren standardisierte Schnittebenen, die bei intraindividuellen Folgeuntersuchungen reproduziert und bei interindividut!llen Lokalisationsstudien korreliert werden können. Wenn eine proportionalc Ausrichtung der Untcrsuchu~igsebenen entlang der Teilungslinien des Talairachsclieii Grids erfolgt., eritstehen standardisierte Bilddaten auf der Basis cinor proportionalen Gridskalierung. Auf diese Weise kann niit den 'ralairachschcn Koordinaten (alphanumerisch) eine topographisch/topornetrische Identifikation zerebraler Strukturen erfolgen. Sie erlaubt 1. objektive interindividiicllc Strukturvergleiche. -
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* Fakulta1.i~. nur für dic Ausrichturig der Multi-slicc-Untcrsuchungsebenen entsprechend dcn Tcilungsebeneii des Tnlnirnchschen Cirids.
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Abb. 4 c Pilot-Scan in der ICEmit Markierungfür den mediansagittalen Pilot-Scan.
Abb. 4 d Pilot-Scan in der Median-SagittalEbene. Abb. 4 a - d Die MR-Pilot-Aufnahmen wurden an dem Kernspintomographen (Vista 2055 HP 1Tesla) der Firma Picker International mit einer T,-gewichteten Spinecho-Sequenz (TR/TE 300/30) erstellt. DieCA wird jeweils mit einem Pfeil markiert (ICE = lnterkommissuralebene, ICL = lnterkommissurallinie)
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Standard~sierr~ngdrrzrr~hrnlcn B~lddars1ellrcng
2. die Korrelation von Uilddaten mit proportionalisierten Atlasdaten und 3 . die Archivierung von Rilddatcn. Allerdings miiß hier berücksichtigt werden, daß Schichtdicke lind Schichtan~ahlder Uritersuchungseberien durch die individuellen Hirninaße und die jeweilige Anzahl der l'eiluiigsebeiien limitiert sind. An eigenen. bisher noch unveröffentlichten Ergebnissen zur Validierung dieser Methodik und ihres standardisierenden Effektes deiitetc sich, trotz der cnornien interindividuellen Variabilität zerebraler Strukturen, einc Vorbc?sserurig der CI bereiristiriiiriurig der dargestellten Hirnstrukturen bei identischen Schnittführungen an. Für interheinisphärische Vergleichsbetrachtungen zeigte sich die koronare und transversale Schnittführung durch die exakt symmetrische Darstellung besonders geeignet. Diskussion Struktur-Funktions-Zuordnung
Moderne Entwicklungen auf dem Gebiet der Bildverarbeitungstechnik haben dazu geführt, daß digitalisierte Bilddaten aus unterschiedlichen In-vivo- wie In-vitro-Methoden ( Z R . CT, MRT, PET, SPECT, digitalisicrte imn-iunhislochemische Präparatebilder urid Allasdaten) zusanimengerührt oder übereinander projiziert werden können (3. 9. 21). Mit llilfe dieser Technik werden in experimentellen Untersiichungen in zunehmendem Maße StriikturRinktionszuordnungen herausgestellt. Die Ergebnisse dicscr Ilntc:rsuchungen führen dazu, daß aus der Kombination von morphologischen und funktionellen Bilddaten detaillierte Struktur-Funktions-Beziehungen verifiziert werden können. Mit Hilfe dieser Informationen können kausale fiinktionellc Störungen als Ursache einer zerebralcn Erkrankung gedoutet und somit spezilische Diagnostik- und Therapieschrilte eingeleitet werden. Vorausselzung für eine Struktur-hrzktiorzs-Zuordrzu~zg
Dic Voraussctziing für cinc dcta.illierte Struktur-Funktions-Zuordnung isl die präzise topometrisehe Ziiordiiiirig rnetliodiscli uriterschiedliclier Bilddateri. Da die Bilder aus individuellen Gehirnen init unterschiedlichen bildgebenden Systemen gewonnen werden, kann die topometrische Ziiordniing der morphologischen lind funktionellen I)atcn nicht ohnc: wcitcrcs rc:alisicrt wcrdcn. Die IJrsache hirrfiir liegt zurn einen iri der erheblichen interindividuellen Variabilität zerebraler Strukturen (26, 33) und zum anderen in den iinterschiedlichen Meßpararnetern der verwendeten Untersiichungssysteme begründet. Denn mit steigender Struktiirauflösung dcr bildgcbcnden Verfahren gewinnen intcrindividuoll(? Strukturiint,erschicdc für die Struktur-Funktioris-Korrelatiori irnrner größere Bedeuturig.
Für cinc Korrelation von interindividuell urid/oder rriethodisc:h uriterscliiedlicheri Bilddateri ist es deshalb notwendig, eine iriterinethodische Standardisierung zu schaffen. die universell auf methodisch iinterschiedliche Bildschichtverfahren angewendet werden kann. Dazu kann als crstcr Schritt die untcrsuchungstech-
J . Assheuer und ilIitnr6. --
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nisclie Standardisierung, wic sic hier vorgeschlagen wird, angesehen werderi. Bei ihr werden dic morphologischen Strukturen der zu korrelierenden Bilddateri in gleichcr Schichtfolge, Schnittwinkel, Schichtdicke i i i Bezug zu iriarkanten externen oder internen Referenzpunkten gesetzt, so daß eine relative Positionierung der Schichten erfolgt. Dies ist deshalb siiinvoll. weil trotz individueller Variabilitkit dcr Hirnstrukturen und unterschiedlicher Verl'ahrenstechnikcn und Aiisgabemodi (z. U. Bildmaßstäbe. .4ufiösurig) der Bilddatt?n identische Schichtpositio~iierungen erreicht werderi körineri. Diese Bilddatcnstandardisierung ist die Grundlage für eine iiiter-riielliodisc:tieund/odcr interindividuelle Korrelation. Allerdings ist diese Standardisierung abhängig von der Darstellbarkeit markanter extra- und intrazerc3bralor Referenzpiinkte und der Auflösung des verwendeten IJntersuchungssystems. Fiir Bildschichtverfahren mit hoher Strukturauflösiing ( T . H. MRT, CT. digitalisierte imrnunhistochemische Bilddaten) empfehlen sich aus Griinden der erhöhten Präzision Lokalisatiorissysteme, die intrazcrrbrale Referenzpunkte für die lokalisatorische Skalierung verwenden. Hingegen sind bei UntersuchungsSystemen. die hochaufgeliiste funktionelle Informationen, jedoch geringe inorphologische Information liefern (z.R. PET), zur Zcit Lokalisationssysteme ausreichend, die von cxtrazcrebralen Referenzpunkten ausgehen und auf intrazerebrale interindividiicll gering variierende Strukturen projizieren (9, 10, 21). Für eine Bilddatenkorrelation sollte das für das jcwciligc Schichtverfahren favorisierte 1,okalisationsmodell drei Bedingungen erfülltm: 1. Reduktion der interindividuellen Variabilitäl. 2. Heferenzpunkte mit geringer interindividucller Variabilität, zur Kompilation unterschiedlicher Lokalisationsmodcllc, 3 . numerischt: Skalierung für die computcrgcsti~tztcDa~enverarbeilung. Qucilitcrt der llilddnteristarzdurdisierur2g
Dio St,andardisicrung dcr Hilddatcn, die Rcduktion der interindividuellen Strukturvariabilitätc:n und die Skalieruiig der Uilddateri iriit einer11 sullixieriteii I.okalisationsmodell (siehe Bedingungen 1-3) ermöglichen die interindividuelle und intermethodische Bilddatenkorrelation iind somit. cinc relativ präzise Struktiir-Fiinktions-ZIIordriurig. Die Qualität der Bilddatenkorrelalioii ist entscheidend von der Heduktion der individuellen Variabilität abhängig. Die bereits in der Vergangenheit entwickelten I.okalisationsmodclIc sind wegen der verschiedenen Voraussetzungeri und Iritentionc?n. die ihncn zugriindelicgen. durch unterschiedliclie Präzision und Komplexität charakterisiert und deshalb in bildverarbeiterideri Systemen oft nur mit Llinschränkungen verwertbar. Ihre Anwendbarkeit hnngt primär ab von der Erfassung der RcICrc?nzstriiktiircn, aiiI'dcncn sic basinrcn. Erfolgt durch ilireri E i n s a l ~eine Reduktion der intcrindividiicllcn Val-iabililät unter die Aullösurig des verwendeten ßildsc:tiic:tilverfahrens. so kann eine dem Untersuchungssystem angemessen relativ präzise Struktur-Funktions-Zuordnung erfolgen. Es wiirde bereits darauf hingewiesen, daß die Fohlorvarianz cincs Signals irn PET, gemessen an iinter-
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schiedliclieii Individuen, in crster Linie von1 Auflösiingsvermögen des bildgchcndori Systems abhängt (10). Ilie Vielzahl individiicll untersc:hiedlicher Formvarianten. wie sie z. B. auch aus der Hemisphärenrotation bei der Ausbildung dcs Temporallappens resiilticren, kann niit einem .,cinfac:hen" Lokalisationsmodell nicht berücksichtigt werderi. Für eine möglichst präzise Berücksichtigung individueller Proportionen erscheint es deshalb sinnvoll, viele zusätzliche Stützpunkte einzubeziehen. Durch die Verwendung zusätzlicher Stützpunkte korreliert die erhöhte Präzision der interniethodischen und/oder iiiterindividuellcn Rilddatenzuordnung mit einem methodisch eklatant gesteigerten Aufwand für die Installation iii ein Computei-system. Ein methodisch cinrach in die Houtinesoftware der Bildschichtsysteme zu integrierendes I.okalisationsmodell mit einer relativ großen intermethodischen und/oder interindividuellen Korrelationspräzision stellt das Talairachsche Modell dar. Präzisere. aiifsehr vielen Stiitzpunkten basierende Lokalisationsmodelle siiid zur Zeit ohne .,hardware-technische" Erweiterung nicht ohne wcit,eres zu iiistallieren.
Rilddatenkonipatibilität Uin eine Kombination der mit unterschiedlichen Methoden gewonnenen Rilddaten eines Individuurns zu ermöglichen, ist die Kompatibilität des iintcrschiedlichen Bildmaterials von entscheidender Bedcutung. Diese Kompatibilität wird erreicht durch cine Rilddateiistandardisierung mittels der oben beschriebenen Lokalisationsmodelle, welche auf interindividuell gering differenzierenden Heferenzpunktcn (z.B. CA und CP) basieren. Unter Bezugnahme auf diese Referenzpunkte ist eine Koordinatentransformation in ein anderes Lokalisationsmodell cornpiitertechnisch rnöglich. 1)iesbeziiglich ist die alphanunierische Einleilung des 'l'alairachschen Grids gegenüber einer niimcrischen Skalierung für cine computergestütztc Rcarbeiturig nachteilig. Die nurrierische Skalierung hat den weiteren Vortcil. daß auch proportionale Untcrteilungen unabhängig von den von Talairach vorgegcbcneri Proportionalisierungseberien erfolgen könncn und damit zeitaufwendigc Eiiistellprozeduren iibcrllüssig werden. Außerdem könncn Schichtebenen, dic aus diagnostischen Gründen zwischen den Proportionalisierungsebenen eingcstcllt werdeii, eindeutig positioniert, reproduziert iind korreliert werden. Aufgrund der iirilersuchungstechnicchcn Standardisierung der Rilddaten sind diese iedcrzcit mit u~iterschiedlichcn I.okalisationsmodellen auswertbar, sofern dir entsprechenden Ileferenzpiinkto zu eruieren sind bzw. oine Bezugnahme auf dicsc und aiidere Ileferenzcn crfi)lgeri kann. Dies bedeutet auch, daß Bilddaten. die mit 1,okalisationsmodellen von mittelmäßiger lokalisatorischer Präzision koordiniert wurden, mit neuentwickeltc?n präziseren l.okalisationsinodellen nachträglich einer neuen Koordination zugänglich gemacht wcrderi könnten. Die Bilddaten erscheinen damit bczüglicli der Präzision nach oben uiid unten kompntihcl.
Vorteile der Bilddatenstandurdisiermg Die Uilddatenstandardisieriing und die eirideutige Lokalisierbarkeit dcr IJntersuc:hungsregioii niit numerischen Koordinaten erniögliclien dem Untersuchrr präzise iind objektive topometrisch/topographische Aussagen über pathologische Veränderungen. I'ür intraindividiicllt! Folgeuiitersuchungen (Follow-up-Studicn) resultiert Iiieraus die gewünschte lind notwendige Vergleiclibarkeit und Wiederholbarkeit der Ilntersuchungssequenzen; denn erst durch die Standardisierung der Bilddarstellung können präzisc Aussagen über entstandene Verändcriingen und Therapieeffekte getroffen werden. Die Standardisierung der Bilddarstellung auf Basis der ICI, erweist sich durch die symmetrische Darstellung des Gehirns in den transversalen und koronaren Schichtfolgen für interhemisphärische Vergleichsbotrachtungen als besonders geeignet. Der Untersucher kann außerdem die bei vielen Befiindungcn crfahranen und bewährten Auswertekritericn anwonden, ohne sich erneut räumlich a n markanten Hirnstrukturen orientieren zu müssen. Lhriiber hinaus können mit der Normierung von lndividualgchirnen stereologische und morphometrische Datcn (histologische sowie enzyni- und immunhistochemische Daten), die sich den bildgebendcn Mcthoden enkziehen, aufein .,Ideal"- oder lndividualgehirn übertragen werden. In ein Compiitersystcrn integriert, bedeutet dies. daß mit einer Overlayfunktion gespeicherte Detailinformationen auf' Patientenbilder übertragen werden könnten. Damit wären einzelne Patientenbilder mit den Schwcrpiinkt-. der] Flächen- und auch mit den Volumenkoordinaten bereits verfügbarer Atlasdaten (Schaltenbrand uiid tlailey, 1959; Sziklcl iind Mitarb., 1977; Talairach urid Mitarb., 1967; Talairach und Tournoux, 1988)oder mit Daten des eigcncn Datenpools und anderer Bildschichtsystemc korrclinrbar. Der direkte Zugriff auf neuromorphologischc~ Daten, die intra- und interindividiielle Korrclicrbarkeit der Bilddaten würden die neiiroradiologische Refundung präzisieren und spezilizicrcn. Nichl zuletzt bietet ein Archivierungssystorn bö.siereiid auf numerischen Raumkoordinatcn den Vorteil einer sofortigen Kodierung des Untcrsuchurigsbefundes nach dem Läsionsort. (1 1). Di:r Oritersucher niuß eine Verifizieriing der Diagnose riic:tit abwarten. und eine Fehldiagnose führt riicht zu Fehlkodierungen. Dariihcr hinaus kiinnle er, bei entsprechender ,.Software6',lediglich auf die Uritersuchungsebenen zuriickgreifcn, die t'ür die Befuridung von Relevanz sind. Unter dcr Voraussetzung. daß kodierte Bildda.tcn in Extradateieii abgelegt werden, wären zu dicscn Rilddaten topometrische Daten ohne Schwierigkcitcn impleineritierbar.
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S/rindnrdisicrutzq der zerebr«lerr i3~lrldnrstellurig --
302 Fortschr. Röritperzstr. /.5.?..?
.I. Assheuer und Milarb.: Standurdisierung der zercbralcn Bilddarstellung .... .
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Literatur -
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ProJ Dr. .I. K. Mai Medizinische Einrichtungen der Heinrich-kleine-Universität Düsseldorf Abt. für Neuroanatomie Moorenstraßc 5 D-4000 Dusseldorf 1
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' %crritruiiiI'ur Kcrrispintoiiiograptiic. Köln. urid " ivIt!dixiiiisclir
Ileiiirich-tlcina-IJniversiliil I)ijsseldorf.Abl. liir
Zusamiiienfassung
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Kiiii-ic:liliiiigori
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Nt:iiroaiialoiiiic.Düsscldorl'
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Slandardisation ofcerebral M R iniaging -
Die kornpliziertc stcrco1ogisc;he Organisation des Gehirns sowie die un~erscliiedlichenEiiistellrnöglichkeitcn der modernen bildgebenden Verfahren machen Interpretationsliilfen bei der topographischen 1.okalisation und Zuordnung von Hirnstriikturcn und pathologischen Prozessen notwendig. In einem geschichtlichen Überblick über hirntopometrische Verfahren zur Präzisierung der Lokalisation werden zunächst einige Lokalisationsrnodelle vorgestellt, die sich als diagiiostische Hilfsmittel für die topographische Zuordnurig anbieten. Als lnterpretationshilfe i r i der MRT wird die Standardisierung der zerebralen Bilddarstellung mit Hilfe eines proportiorialisierenden topographischen 1.okalisationsmodells vorgeschlagen. Wegen der einfachen Anwendbarkeit dieses Modells wird dic methodische Vorgehensweise zu seinem Einsatz in der MRT im einzelnen dargestellt. Anschliellend werden die Vor- und Nachteile dieses T.okalisationsrnodelIs in1 liinblick auf seine Anwcndurigsbereiche und -perspektiven in Bildschichtverf'ahreri wie der MRT diskutiert. Hierbci wird besonders auf die Bildstandardisiening fur der1 iri~ra-,iiiterindividuellen und intermethodischen Vergleich bei Routineuntersuchungen eingegangen.
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Thc cornplox thrcc-dimt:nsioiial organisation ofthc human brain, as well as the iiunierous variablcs involved in nioderii imaging techniques. make it riecessary to introduce guidelines for the interpretation of lhe topographical localisation and allocation of normal cerebral striictures and pnthological processes. In a historical overview ot' the rnethods used Tor precise localisxtion we introduce sorne models that can be used as diagriostic aids. As supporting means in the MRI we suggest the standardisation of the imaging by application of this rnodel. The methodological procedures of its use in the MRI arc shown in detail. Finally the advantages and disadvantages of this model are discussed with regard to its possible applications in imaging systems sucli a s MR. 'l'he image standardisations for intra-, interindividual and intermethodical cornparison in routine investigations arc cmphasised in particular.
Schlüsselwörter
Key words
MR'r - Menschliches Gehirn - Staridardisierung - Lokalisationsrnodelle
MRI - Human brain - Standardisation Localisation models
Einleitung
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Wegeii der komplizierten stereologischen Organisation des Gehirns ergeben sich allerdings erhebliche Interpretationsschwierigkeiten bei der Lokalisation und Funktionszuordniing einzelner Hirnstrukturen und pathologischer Prozesse irn MRT-Bild, besonders dann, wenn die Schnittwinkeleinstellung der Bildsequenzen ohne reste Beziehung zu Referenzpunkten und -achsen der zerebralen Strukturen erfolgt.
Die MRT-'l'echnik besitzt die Vortcile einer boheri Auflösung und Kontrastierung und erlaubt daher die Darstelluiig komplexer zcrcbralcr Hirriformatiorien. Angesichts der engen Beziehung zwisclien tlirnstruktur und zerebraler Funktion können, aurgrund der hohen Detailauflösung und Struklurkontrastierung der MRT-Aufnahrnen, morphologische Veränderungen des Gchirns mit vorhandenen runktionellen Beeinträchtigungen in Beziehung gebracht werden.
Piir eine Präzisierung dcr 1,okalisation und der Strukturhnktionszuordnung erscheint daher die Eiri-
Fortschr. Röntgenstr. 153.3(1990)296 -302
'Mit freundlicher Unterstützung der DFC (SFB 200.C4)
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O (;corg'l'hiemeVerlagS~iittgart-New Ynrk
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V012 J.
rdisirrung t f c v zrrel~rolenl~ilrIrlnrslr.ll~r~rg
Die Entwicklung von L.okalisationsmodclIeii basierte mangels direktcr Darstcllbarkeit zerebraler Striiktiiren zunächst ausschließlich a i i i extrazerebralcn Bezugspunkten (I3. 14). I)ie Rezieliuiig zwischen Schädel und Gehirn erwies sich jedoch wegen großer intcrindividucllcr Grobe-. Foi'm- iiiitl Syirimc:tricunterschier1t?n.ls iiikoiistaiit (8. 17). Durch die Einbeziehung aiitliroporrietrischer Indizes konnte dic Lokalisation zci-ebrnler Strukturen zumindest i n dcr Nähe dar Kalotte weseiitlicli ertiölit wcrdnn (8. 16). So wurdf! z.R. die niaxiniale Winkelabweichung zwisclieii der ..CA-CP-Basislinie" und den anthropornctrischcn bezugslinicn für 88 O/o dcr untcrsuchtcn Fiille niit 2.5 Grad angegeben und erschieil deshalb für 1,okalisationsstudien relativ gering (9.33).
Fur stereotaktische Eingriffevorgeschlagene Bezugs. n und Relerenzgeraden 1. nach HasslerundRiechert . nacn~alairochund Mitarb (1952),3 nach Schalten d Bailey (1359).4 nach Delnias und Pertuiset (I359)
klit der Elablieruiig röntgenologischer Verfahren. insbesondere der Kontrasticrung des Vcntrikclsysteins. wurde es möglich. intrazcrcbralc Rezugspiiiikl.e m i t einziibezirhen. Aufgrund ihrer Darstellbarkeit und ihrer relativen Konstanz zu teleiizephalen Strukturen wurden das Corpus pincalc. die Conimissura habcnulac. dic (:ommissurn nnterior (CA) uiid Coirirriissura posterinr (CP) sowie die Veritrikelbegrenzungen als Stützpuiikli) eines Heferenzsysterns getestet (1. 2.4.6.8.15, i 9 . 20.23. 25. 27. 28. 32. 35. 36). Daraus ergaben sich uiitersctiiedlichr Bczugslinien b7.w. -ebenen. denen als vorderer Referenzpunkt dic CA oder deren direkte Nachbarschaft (Forarncn Monroi) zugrunde lag. Als hintcrcr Bezugspunkt dienten entweder die CP. das Corpiis pineale. die Coinmissiira habeiiiilae oder der Boden des drittcn Veiitrikels (Ahb. 1).
'I'rotz einer erliebliclieii Reduktion der Lokalisai.ioiisvariabililät(en) war auch unter dicscn (;cgcbcnheiten der Betrag der intcrindividucllcn Variabilittit für stereotaktisclie Intervcntioncn noch sehr hoch. Eine Prazisierung intrazerebraler Ziclpunkte wurde durch Lokalisationsrnodelle crrcicht. die zusätzliche zerebrale Hefercnzstrukturcn cinbczogan:
Arnador lind Mitarb. (1959) wählten als Basisreferenz die Interkomrnissurallinic (I(:L) nach Srlrallerrhruncf iirid Builcy (1959) mit den sich irn Mittkoiniriissiiralpunkt schneidenden drei Rauiric.beiieri (Abb. 2). Als sekundäre Hcfcrcnz zur Vcvbesserung der Lokalisationsbcstimrnungcn schlugen sic vor. die individuolle Konfiguration dcs Ventrikelsyslenis diircli den Vergleicli iiiii %eicliniirigerieiitsprectierider Ventrikrlkonfigurationen zu berücksichtigen. Referenzgeradennach Schaltenbrand und Bailey iterkommissurallinie(ICL) mit der dazu senkrechl ,n~ittkommissurallin;e(MCL). Die dritte Raumebene krecht auf dem Mitlkommissuralpunkt(Pfeil)inder Blatt
urig
von
slandardisierenden
Referenzsysternen
!nd iiotwendig. Derartige Iteierenzcycteme erlauben .andardisierung d e r zerebralen Bilddarstellung bei iichtverfahren w i e MRT u n d CT (34, 37, 38). so auch r ~ k o n s t r i i i c r c n d c nV c r f a h r c n w i c PET l i n d SPECT . Sic sind in I.okalisationsniodHllen zu linden. die i r i d e r Vergarigerilieil I'ür rnelrisclie, operative u i i d riologische Verfahren entwickelt w u r d e n . t i u r MH1'uchungen bietet sich daher e i n valides Ileferenzsyines bereits angewandten l,okalicationsverfahrene
L)ie von Hnssler und Riecherl(1954) beschricbene Methode rcduzicrtc dic intcrindividucllc Variabilität, indcm adiiquato Reicrnnzgern0r.n cinns Pationlengehiriis i n i l riitspr(rcliendeii Reicrerizgeradeii eiries aiis statistischen Normwerten gewonnenen ..Modcllgehirns" verglichen wurden. Als Basislinic logtnn llassler und Rlitarb. (1 373) wie Atldretrt iiiid WaLkins (1969) eine Gerade vorn Uriterrand des Foramen interventricularc zur Vorderkantc dcr (:I' (Abb. I). Uic .,vcrtikalc Hcfcrcnzlinic" zog von der obci'cii ßegrenzuiigsebene des Tlialariiiis. perperidikulär die Mitte der Rasisliiiie schneidend. bis ziir unteren Begrenzungscbcnc dcr Scitcnvcntrikcl. Die Gcradc von der iiul$ercn Rcgrenzung des Nucleiis caudal.us bis zur Miiie der Froiiialeberie iri Höht! der CP wurde als „frontale Heferenzlinie" dehniert. Viele voii diesen Iiir stereotaklisclie Operationen entwickelten. eine optirnalc Präzision anstrcbcndcn Vcrfahrcn sind trotz der sehr guton lokiilisatorischcn Genauigkeit Iiir eine Aii\veiiduiig iri der tliagiiosi.isclieii MRT-Routiiie rioch zu kornpliziert und zeitaufwendig und könnten daher erst durch dic Entwicklung von Gxpcrtcnsystcmcn cinsatzrahig werden. Ein wcitercs Lokalisationsmodcll wurdc von Talnirnch und Mitarb. I 9 0 7 l'ür die I.okalisation Ieleii~eplialerStruk-
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Hislorische Entwicklilrzg von zerebralen
298 1;orlschr Rönlgenslr. 15.?..? -
.I Assheuer und Mitrirli.
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nahe. dieses I,okalisatiorismodell als Diagnostik-. Begutachtungsund auch als Archivie~ngshilfefür die MH'I'-Houtinediagnostikzu vcrwcndcn.
Methodik . . Implementierung des Referenzsystems
Abb. 3 .Proportionalitatsgrid nach Talairach"modifiziert aus Talairach und Tournoux(1988)DieReferenzgeradewirdhierdurchdieZentrenderCAund CP gelegt
turen geschan'en. Dieses Modell in Form eines dreidirnensionalcn ..Proportionalitätsgrids" berücksichUgt die Gesamtaiisdehnung des Cehirns und bezieht sich auf die CA und CP als intrazerebrale Heferenzstruktureii (Abb. 3). Als Rasisreferenzebene (CA-CPEbene) dicnt die Ebene durch die obere hintere Begreiiziing der CA und durch die vordere untcrc Begrenzung der Ci', rechtwinklig zu der Median-Sagittal-Ebene. Perpendikulär zur CA-CP-Ebcnc und Median-Sagittal-Ebene befinden sich die Vertikorrontalebenen durch die CA und (:P (VCA. VCP). Parallel zu diesen intrazerebralen tieferenzebeneri (CA-CP-Ebene. VCA. VCP. Median-SagittalEbcne) liegen die extrazerebralen Relerenzebeneii tangential zu den iiußersten Begrcnzungcn dcr Hemisphären. Die Abstande zwischen jeweils benachbarter] parallelen Referenzebenen wcrden proportional unterteilt, so da0 ein proportionales 3D-Raiiingitter entsteht. Das Talairachsche Lokalisatioiisniodell wurde gerade wegen der unkomplizicitcn Erfassung der kontrastreichen intra- und extrazerebraleri Referenzpunkte (CA. CP und Begrenzungspolc des Gehirns) (24. 39) von mehreren Autoreri ( 7 . 18, 22, 29. 30,31. 34. 37. 38). die expcrimcntelle Auswertungen mit bildgebenden Systemen wie MRT. CT iind PET durchfiihrtcn. favorisicrt. Dieses LokalisatiorisiiiodeIIerniöglicht aufgrund dcr Proportionalisierung der Hirndimensionen die Relativierung der iiidividuellen Vnriabilitäten. so daß morphometrische Daten von Hirnstrukturen relativ zur Gesarritausdehiiung des Gehirns zwischen untcrschiedlichcn Individuen korreliert werden können. Vor1 Bedeutung ist auBerdem die Möglichkeit. auf der Basis der 'I'alairachschen Koordinaten objektive 1,okalisationsdaten anzugeben. dic gcgcnüber den üblichen Lokalisationsbeschreibungen rrei von siibjektiven Priidominanzkriterien sind. Es licgt dahcr
Abkürzungen: CA = Commissura anterior CP = Comrnissura posterior CT = Computertomographie ICL = Interkornmissurallinie ICE = Interkommissuralebene MRT = Magnetresonanztomographie PET = Positronen Emissions Tomographie SPELT = Single-Photonen-Emissions Computcrtomographie VCA.VCP = Vertikale durch die CA bzw. CP
Als Mal3 für den methodischen Aufwand, d e r bei d e r I r n ~ l e r n e n t i e r u nd~e s Talairachschen Modells in die ~ ~ ~ - u n i e r s u c enlsteht, h u n ~ werden z u m einen d e r Zeitaufwand gegenüber der Routineuntersuchung' zum anderen die Implementierungsprozeduren mit d e r ,.Standardsoftware" d e s MRT-Systems gewertet. Die Installatiori d e s Talairachschen Modells in die MRT-Routineuntersuchung setzt wegen d e r orthogonaler] präzisen Ausrichtung d e r Schichtebenen zu d e n Cridgeraden MRT-Systeme voraus. die softwaretechriisch die Magnetgradientenausrichtungen zurn Untersuchungsobjekt interaktiv verändern können. (Diese Anforderung wird von den meisten MRT-Systemen erfüllt.) In Abänderung d e r Talairachschen Vorgabe scheint e s zweckmäßig, die Basislinie entsprechend d e r Vorgabe mehrerer Autoren (5, 26) durch die Zentren beid e r Kornrnissuren (ICL) zu legen. Die Kontrolle d e r orthogonalen Ausrichtung bezüglich dieser Referenzebenen (Interkornmissuralebene (ICE). Frontalebene durch die CA perpendikulär z u r ICE und Median-Sagittal-Ebene) erfolgt mit Pilotaufnahmen in horizontaler, sagittaler und koronarer Ebene. Die s o eingestellten MRT-Schichtfolgen verlaufen dadurch orthogonal zu diesen Referenzebenen. Die folgenden Prozeduren zeigen die methodische Vorgehensweise für eine zerebrale Bildstnndardisierung von koronaren, transversalen und sagittalen
Multi-slice-Schnittfolgen: Koronare Mulii-slice-Aufnahmen
1. Sequenzparametenvahl: Schichtdicke u n d Schichtanzahl nach Bedarf einstellen. 2. Orthogonale Ausrichtung d e r Magnetfeldgradienten: a) Anfertigung eines sagittalen Pilotscans und Errichtung einer sichtbaren ICL (Abb. 4 a). b) Anfertigung eines koronaren Pilotscans perpendikulär z u r ICL durch die CA d e s sagittalen Pilotscans (Abb. 4 b). C) Anfertigung eines transversalen Pilotscans in d e r ICE auf d c m koronaren Pilotscan (Abb. 4 C). 3. Anfertigung eines median-sagittalen Pilotscans a u r d e m Pilotscan in d e r JCE (Abb. 4 d). 4. Einblenden d e r Schichtfolge d e r gewählten koronaren Multi-slice-Sequenz auf dem median-sagittalen Pilotscan. 5. Perpendikuläre Winkelausrichturig d e r eingeblendeten Muh-slice-Eberien z u r ICL.
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Die Intention dieser Studie liegt darin, eine Standardisicrung dcr Bilddarstcllung in der MRT zu erreichen. ES werden detailliert die methotlisch/technisclie Vorgehrrisweise. die zur Bildstandardisierung in der M R T führt. erläutert und die Anwendungsperspcktiven. dic sich aus cincr Bildstandardisicrung crgcben, erörtert.
Forlschr Rontgenstr 153..7
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P
Proportionale Ausrichtung der eingeblendeten Schichtebenen cntlang der koronaren Teilungscbenc:n des Grids*.
, 2. und 3. analog zu Kap. koronare Multi-slicc:-Auf~hmen. Parallele Winkelausrichtung dcr oingeblendeten transversalen Multi-slice-Ebencn zur ICL. Proportionale Ausrichtung der eingeblendeten Schichtebenen entlang dor transversalen l'eilungsebencn nach Abbildung*.
.
Abb. 4 a Pilot-Scan in der Sagittalebene mit einer durch die CA, orthogonal zur ICE, ausgerichteten Markie rungfur den nachfolgenden koronaren Pilot-Scan.
Sagittale Multi-slict~-AuJnahrnen und 2. analog zu Kap. koronare Multi-slice-Aufnahmen Einblenden der Schichtfolge der gewählten sa~.ittaleri Multi-slice-Sequenz auf dem Pilotscan in der ICE (Abb. 4 C). 4. Parallele Winkelausrichtiing der eingeblendeten Multislice-Ebenen zur Median-Sagittal-Ebene b ~ wICL. . 5. Proportionale Ausrichtung der eingeblendeten Schichtebenen entlang der sagittalen Teilungsebenen*.
Abb. 4 b Pilot-Scan in der Koronarebene mit einer horizontal durch die CA. orihogonal zur MedianSagittaCEbene.ausgerichteten Markierungfür den Pilot-Scan in der ICE.
Ergebnisse . . .
Die Anwendung des Talairachschen Modells in der MRT als Beispiel einer standardisiert,cn ßilddarstelliing erforderte mit der ,.Routine-Software" im Vergleich zu der nichtstandardisierten Rilddarstellurig einen ~usätzlichen Zeitaufwand von maximal 12 ~ i n u t e npro Multi-slice-Untersuchung. Gemäß der Untersuchungsprozedur für standardisierte koronare Multi-slice-Aufnahmen erhöhte sich die Anzahl der Pilotaufnahmcn um zwei Scans (ca. zwei Minuten Zeitaufwand pro Scan inklusive Einstellung). Die proportionale Ausrichtung der Multi-slice-[Jntersuchungsschichten aul'dern letzten Pilotscan erforderte einen Zeitbedarf, dcr in der Regel erheblich von den vorhandenen „software-technischen" Voraussetzungen des MRTSystems abhängig ist. Im vorliegenderi Fall mußten jeweils Einzelschnitte plaziert und die entsprechenden Zwischenräume interaktiv festgelegt werden. Hierfür wurde ein Zeitraum von maximal fünfMinuten in Anspruch genommen. Aus den angeführten Untersuchungsprozeduren resultieren standardisierte Schnittebenen, die bei intraindividuellen Folgeuntersuchungen reproduziert und bei interindividut!llen Lokalisationsstudien korreliert werden können. Wenn eine proportionalc Ausrichtung der Untcrsuchu~igsebenen entlang der Teilungslinien des Talairachsclieii Grids erfolgt., eritstehen standardisierte Bilddaten auf der Basis cinor proportionalen Gridskalierung. Auf diese Weise kann niit den 'ralairachschcn Koordinaten (alphanumerisch) eine topographisch/topornetrische Identifikation zerebraler Strukturen erfolgen. Sie erlaubt 1. objektive interindividiicllc Strukturvergleiche. -
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* Fakulta1.i~. nur für dic Ausrichturig der Multi-slicc-Untcrsuchungsebenen entsprechend dcn Tcilungsebeneii des Tnlnirnchschen Cirids.
290
Abb. 4 c Pilot-Scan in der ICEmit Markierungfür den mediansagittalen Pilot-Scan.
Abb. 4 d Pilot-Scan in der Median-SagittalEbene. Abb. 4 a - d Die MR-Pilot-Aufnahmen wurden an dem Kernspintomographen (Vista 2055 HP 1Tesla) der Firma Picker International mit einer T,-gewichteten Spinecho-Sequenz (TR/TE 300/30) erstellt. DieCA wird jeweils mit einem Pfeil markiert (ICE = lnterkommissuralebene, ICL = lnterkommissurallinie)
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Standard~sierr~ngdrrzrr~hrnlcn B~lddars1ellrcng
2. die Korrelation von Uilddaten mit proportionalisierten Atlasdaten und 3 . die Archivierung von Rilddatcn. Allerdings miiß hier berücksichtigt werden, daß Schichtdicke lind Schichtan~ahlder Uritersuchungseberien durch die individuellen Hirninaße und die jeweilige Anzahl der l'eiluiigsebeiien limitiert sind. An eigenen. bisher noch unveröffentlichten Ergebnissen zur Validierung dieser Methodik und ihres standardisierenden Effektes deiitetc sich, trotz der cnornien interindividuellen Variabilität zerebraler Strukturen, einc Vorbc?sserurig der CI bereiristiriiiriurig der dargestellten Hirnstrukturen bei identischen Schnittführungen an. Für interheinisphärische Vergleichsbetrachtungen zeigte sich die koronare und transversale Schnittführung durch die exakt symmetrische Darstellung besonders geeignet. Diskussion Struktur-Funktions-Zuordnung
Moderne Entwicklungen auf dem Gebiet der Bildverarbeitungstechnik haben dazu geführt, daß digitalisierte Bilddaten aus unterschiedlichen In-vivo- wie In-vitro-Methoden ( Z R . CT, MRT, PET, SPECT, digitalisicrte imn-iunhislochemische Präparatebilder urid Allasdaten) zusanimengerührt oder übereinander projiziert werden können (3. 9. 21). Mit llilfe dieser Technik werden in experimentellen Untersiichungen in zunehmendem Maße StriikturRinktionszuordnungen herausgestellt. Die Ergebnisse dicscr Ilntc:rsuchungen führen dazu, daß aus der Kombination von morphologischen und funktionellen Bilddaten detaillierte Struktur-Funktions-Beziehungen verifiziert werden können. Mit Hilfe dieser Informationen können kausale fiinktionellc Störungen als Ursache einer zerebralcn Erkrankung gedoutet und somit spezilische Diagnostik- und Therapieschrilte eingeleitet werden. Vorausselzung für eine Struktur-hrzktiorzs-Zuordrzu~zg
Dic Voraussctziing für cinc dcta.illierte Struktur-Funktions-Zuordnung isl die präzise topometrisehe Ziiordiiiirig rnetliodiscli uriterschiedliclier Bilddateri. Da die Bilder aus individuellen Gehirnen init unterschiedlichen bildgebenden Systemen gewonnen werden, kann die topometrische Ziiordniing der morphologischen lind funktionellen I)atcn nicht ohnc: wcitcrcs rc:alisicrt wcrdcn. Die IJrsache hirrfiir liegt zurn einen iri der erheblichen interindividuellen Variabilität zerebraler Strukturen (26, 33) und zum anderen in den iinterschiedlichen Meßpararnetern der verwendeten Untersiichungssysteme begründet. Denn mit steigender Struktiirauflösung dcr bildgcbcnden Verfahren gewinnen intcrindividuoll(? Strukturiint,erschicdc für die Struktur-Funktioris-Korrelatiori irnrner größere Bedeuturig.
Für cinc Korrelation von interindividuell urid/oder rriethodisc:h uriterscliiedlicheri Bilddateri ist es deshalb notwendig, eine iriterinethodische Standardisierung zu schaffen. die universell auf methodisch iinterschiedliche Bildschichtverfahren angewendet werden kann. Dazu kann als crstcr Schritt die untcrsuchungstech-
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nisclie Standardisierung, wic sic hier vorgeschlagen wird, angesehen werderi. Bei ihr werden dic morphologischen Strukturen der zu korrelierenden Bilddateri in gleichcr Schichtfolge, Schnittwinkel, Schichtdicke i i i Bezug zu iriarkanten externen oder internen Referenzpunkten gesetzt, so daß eine relative Positionierung der Schichten erfolgt. Dies ist deshalb siiinvoll. weil trotz individueller Variabilitkit dcr Hirnstrukturen und unterschiedlicher Verl'ahrenstechnikcn und Aiisgabemodi (z. U. Bildmaßstäbe. .4ufiösurig) der Bilddatt?n identische Schichtpositio~iierungen erreicht werderi körineri. Diese Bilddatcnstandardisierung ist die Grundlage für eine iiiter-riielliodisc:tieund/odcr interindividuelle Korrelation. Allerdings ist diese Standardisierung abhängig von der Darstellbarkeit markanter extra- und intrazerc3bralor Referenzpiinkte und der Auflösung des verwendeten IJntersuchungssystems. Fiir Bildschichtverfahren mit hoher Strukturauflösiing ( T . H. MRT, CT. digitalisierte imrnunhistochemische Bilddaten) empfehlen sich aus Griinden der erhöhten Präzision Lokalisatiorissysteme, die intrazcrrbrale Referenzpunkte für die lokalisatorische Skalierung verwenden. Hingegen sind bei UntersuchungsSystemen. die hochaufgeliiste funktionelle Informationen, jedoch geringe inorphologische Information liefern (z.R. PET), zur Zcit Lokalisationssysteme ausreichend, die von cxtrazcrebralen Referenzpunkten ausgehen und auf intrazerebrale interindividiicll gering variierende Strukturen projizieren (9, 10, 21). Für eine Bilddatenkorrelation sollte das für das jcwciligc Schichtverfahren favorisierte 1,okalisationsmodell drei Bedingungen erfülltm: 1. Reduktion der interindividuellen Variabilitäl. 2. Heferenzpunkte mit geringer interindividucller Variabilität, zur Kompilation unterschiedlicher Lokalisationsmodcllc, 3 . numerischt: Skalierung für die computcrgcsti~tztcDa~enverarbeilung. Qucilitcrt der llilddnteristarzdurdisierur2g
Dio St,andardisicrung dcr Hilddatcn, die Rcduktion der interindividuellen Strukturvariabilitätc:n und die Skalieruiig der Uilddateri iriit einer11 sullixieriteii I.okalisationsmodell (siehe Bedingungen 1-3) ermöglichen die interindividuelle und intermethodische Bilddatenkorrelation iind somit. cinc relativ präzise Struktiir-Fiinktions-ZIIordriurig. Die Qualität der Bilddatenkorrelalioii ist entscheidend von der Heduktion der individuellen Variabilität abhängig. Die bereits in der Vergangenheit entwickelten I.okalisationsmodclIc sind wegen der verschiedenen Voraussetzungeri und Iritentionc?n. die ihncn zugriindelicgen. durch unterschiedliclie Präzision und Komplexität charakterisiert und deshalb in bildverarbeiterideri Systemen oft nur mit Llinschränkungen verwertbar. Ihre Anwendbarkeit hnngt primär ab von der Erfassung der RcICrc?nzstriiktiircn, aiiI'dcncn sic basinrcn. Erfolgt durch ilireri E i n s a l ~eine Reduktion der intcrindividiicllcn Val-iabililät unter die Aullösurig des verwendeten ßildsc:tiic:tilverfahrens. so kann eine dem Untersuchungssystem angemessen relativ präzise Struktur-Funktions-Zuordnung erfolgen. Es wiirde bereits darauf hingewiesen, daß die Fohlorvarianz cincs Signals irn PET, gemessen an iinter-
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schiedliclieii Individuen, in crster Linie von1 Auflösiingsvermögen des bildgchcndori Systems abhängt (10). Ilie Vielzahl individiicll untersc:hiedlicher Formvarianten. wie sie z. B. auch aus der Hemisphärenrotation bei der Ausbildung dcs Temporallappens resiilticren, kann niit einem .,cinfac:hen" Lokalisationsmodell nicht berücksichtigt werderi. Für eine möglichst präzise Berücksichtigung individueller Proportionen erscheint es deshalb sinnvoll, viele zusätzliche Stützpunkte einzubeziehen. Durch die Verwendung zusätzlicher Stützpunkte korreliert die erhöhte Präzision der interniethodischen und/oder iiiterindividuellcn Rilddatenzuordnung mit einem methodisch eklatant gesteigerten Aufwand für die Installation iii ein Computei-system. Ein methodisch cinrach in die Houtinesoftware der Bildschichtsysteme zu integrierendes I.okalisationsmodell mit einer relativ großen intermethodischen und/oder interindividuellen Korrelationspräzision stellt das Talairachsche Modell dar. Präzisere. aiifsehr vielen Stiitzpunkten basierende Lokalisationsmodelle siiid zur Zeit ohne .,hardware-technische" Erweiterung nicht ohne wcit,eres zu iiistallieren.
Rilddatenkonipatibilität Uin eine Kombination der mit unterschiedlichen Methoden gewonnenen Rilddaten eines Individuurns zu ermöglichen, ist die Kompatibilität des iintcrschiedlichen Bildmaterials von entscheidender Bedcutung. Diese Kompatibilität wird erreicht durch cine Rilddateiistandardisierung mittels der oben beschriebenen Lokalisationsmodelle, welche auf interindividuell gering differenzierenden Heferenzpunktcn (z.B. CA und CP) basieren. Unter Bezugnahme auf diese Referenzpunkte ist eine Koordinatentransformation in ein anderes Lokalisationsmodell cornpiitertechnisch rnöglich. 1)iesbeziiglich ist die alphanunierische Einleilung des 'l'alairachschen Grids gegenüber einer niimcrischen Skalierung für cine computergestütztc Rcarbeiturig nachteilig. Die nurrierische Skalierung hat den weiteren Vortcil. daß auch proportionale Untcrteilungen unabhängig von den von Talairach vorgegcbcneri Proportionalisierungseberien erfolgen könncn und damit zeitaufwendigc Eiiistellprozeduren iibcrllüssig werden. Außerdem könncn Schichtebenen, dic aus diagnostischen Gründen zwischen den Proportionalisierungsebenen eingcstcllt werdeii, eindeutig positioniert, reproduziert iind korreliert werden. Aufgrund der iirilersuchungstechnicchcn Standardisierung der Rilddaten sind diese iedcrzcit mit u~iterschiedlichcn I.okalisationsmodellen auswertbar, sofern dir entsprechenden Ileferenzpiinkto zu eruieren sind bzw. oine Bezugnahme auf dicsc und aiidere Ileferenzcn crfi)lgeri kann. Dies bedeutet auch, daß Bilddaten. die mit 1,okalisationsmodellen von mittelmäßiger lokalisatorischer Präzision koordiniert wurden, mit neuentwickeltc?n präziseren l.okalisationsinodellen nachträglich einer neuen Koordination zugänglich gemacht wcrderi könnten. Die Bilddaten erscheinen damit bczüglicli der Präzision nach oben uiid unten kompntihcl.
Vorteile der Bilddatenstandurdisiermg Die Uilddatenstandardisieriing und die eirideutige Lokalisierbarkeit dcr IJntersuc:hungsregioii niit numerischen Koordinaten erniögliclien dem Untersuchrr präzise iind objektive topometrisch/topographische Aussagen über pathologische Veränderungen. I'ür intraindividiicllt! Folgeuiitersuchungen (Follow-up-Studicn) resultiert Iiieraus die gewünschte lind notwendige Vergleiclibarkeit und Wiederholbarkeit der Ilntersuchungssequenzen; denn erst durch die Standardisierung der Bilddarstellung können präzisc Aussagen über entstandene Verändcriingen und Therapieeffekte getroffen werden. Die Standardisierung der Bilddarstellung auf Basis der ICI, erweist sich durch die symmetrische Darstellung des Gehirns in den transversalen und koronaren Schichtfolgen für interhemisphärische Vergleichsbotrachtungen als besonders geeignet. Der Untersucher kann außerdem die bei vielen Befiindungcn crfahranen und bewährten Auswertekritericn anwonden, ohne sich erneut räumlich a n markanten Hirnstrukturen orientieren zu müssen. Lhriiber hinaus können mit der Normierung von lndividualgchirnen stereologische und morphometrische Datcn (histologische sowie enzyni- und immunhistochemische Daten), die sich den bildgebendcn Mcthoden enkziehen, aufein .,Ideal"- oder lndividualgehirn übertragen werden. In ein Compiitersystcrn integriert, bedeutet dies. daß mit einer Overlayfunktion gespeicherte Detailinformationen auf' Patientenbilder übertragen werden könnten. Damit wären einzelne Patientenbilder mit den Schwcrpiinkt-. der] Flächen- und auch mit den Volumenkoordinaten bereits verfügbarer Atlasdaten (Schaltenbrand uiid tlailey, 1959; Sziklcl iind Mitarb., 1977; Talairach urid Mitarb., 1967; Talairach und Tournoux, 1988)oder mit Daten des eigcncn Datenpools und anderer Bildschichtsystemc korrclinrbar. Der direkte Zugriff auf neuromorphologischc~ Daten, die intra- und interindividiielle Korrclicrbarkeit der Bilddaten würden die neiiroradiologische Refundung präzisieren und spezilizicrcn. Nichl zuletzt bietet ein Archivierungssystorn bö.siereiid auf numerischen Raumkoordinatcn den Vorteil einer sofortigen Kodierung des Untcrsuchurigsbefundes nach dem Läsionsort. (1 1). Di:r Oritersucher niuß eine Verifizieriing der Diagnose riic:tit abwarten. und eine Fehldiagnose führt riicht zu Fehlkodierungen. Dariihcr hinaus kiinnle er, bei entsprechender ,.Software6',lediglich auf die Uritersuchungsebenen zuriickgreifcn, die t'ür die Befuridung von Relevanz sind. Unter dcr Voraussetzung. daß kodierte Bildda.tcn in Extradateieii abgelegt werden, wären zu dicscn Rilddaten topometrische Daten ohne Schwierigkcitcn impleineritierbar.
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S/rindnrdisicrutzq der zerebr«lerr i3~lrldnrstellurig --
302 Fortschr. Röritperzstr. /.5.?..?
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ProJ Dr. .I. K. Mai Medizinische Einrichtungen der Heinrich-kleine-Universität Düsseldorf Abt. für Neuroanatomie Moorenstraßc 5 D-4000 Dusseldorf 1
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