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Innere Medizin 22. August 2008

Die dritte Dimension

Die exakte Diagnose und Einschätzung von Größe und Form eines Aneurysmas im Gehirn ist wesentliche Voraussetzung für den Erfolg eines chirurgischen Eingriffs. Ein von Medizininformatikern in Zusammenarbeit mit Ärzten entwickeltes dreidimen­sionales Computersimulationsprogramm ermöglicht die exakte Berechnung von Form und Größe der gefährlichen Gefäßausstülpungen und damit eine genauere Operationsplanung.

Störungen der Durchblutung im Gehirn zählen in den westlichen Industrieländern mittlerweile zu den häufigsten Todesursachen überhaupt. In diesem Zusammenhang werden vor allem Schlaganfall und Hirnblutung diagnostiziert. Eine rasche Früherkennung und schnell eingeleitete Therapie kann damit entscheidend zur Verbesserung der medizinischen Versorgung in diesem Problembereich beitragen. Auf diese verbesserte Diagnose und Therapieplanung von Durchblutungsstörungen im Gehirn zielt das Projekt MEDVIS 3D ab, das durch die dreidimensionale Darstellung eine rasche und exakte Diagnose ermöglicht.

Bildgebende Verfahren

In der medizinischen Diagnostik wird den bildgebenden Verfahren allgemein immer mehr Bedeutung beigemessen. Die vorrangig eingesetzten Methoden sind die Magnetresonanztomografie (MRT), die Röntgen-Angiografie und die Computertomografie (CT). Die Rekonstruktion und Visualisierung der 3D-Informationen sind seit einigen Jahren medizinischer Standard und werden laufend weiterentwickelt. Allerdings ist der Bereich der biomechanischen Simulation noch in der experimentellen Phase und Ziel vieler Forschungsprojekte.

Hauptdiagnose Aneurysma

Als eine der Hauptdiagnosen im Fall von Hirnblutungen hat sich das Aneurysma herauskristallisiert. Bei einem Aneurysma handelt es sich um eine Ausstülpung der Blutgefäßwand, die durch den Druck des durchströmenden Blutes entsteht. Aneurysmen sind weit verbreitet (Europa: sechs bis zwölf von 100.000 Personen) und werden oft nicht oder zu spät erkannt. Solche Aneurysmen wachsen mit der Zeit durch den ständigen Druck des pulsierenden Blutstroms. Dabei wird die Gefäßwand gleichzeitig immer dünner, bis es schließlich zum Riss des Aneurysmas kommt (Ruptur). Passiert eine solche Ruptur an einem Hirngefäß, so führt dies meist ebenso wie ein Schlaganfall zu Kopfschmerzen, zum Ausfall der betroffenen Gehirnregion und im schlimmsten Fall zum Tod des betroffenen Patienten.

Früherkennung könnte Leben retten

Das frühzeitige Erkennen von potenziell gefährlichen Aneurysmen und eine adäquate Diagnose und Therapie wären aus diesem Grund eine Notwendigkeit. Die Behandlung von gefährlichen Aneurysmen wird entweder durch Abklemmen der Ausstülpung oder mittels minimal invasiver Katheter-operation und Einbringung von Platindrahtschlaufen, sogenannten Coils, durchgeführt. Dabei ist die prozentuelle Ausfüllung des Aneurysmas mit den Coils (= Packungsdichte) entscheidend für den Erfolg des Eingriffs und die Wahrscheinlichkeit einer Neubildung des Aneurysmas.

Orientierung vor dem Eingriff

Durch Analyse von Angiographie-Schichtbildern wird vor der Operation der Gefäßbaum studiert und eine optimale Eingriffsstrategie geplant. Durch die 3D-Visualisierung der Schichtbilder kann dieser Prozess entscheidend unterstützt werden. Zusätzlich können durch die vorzeitige Ermittlung des Aneurysmenvolumens der Bedarf an Coils und die zu erreichende Packungsdichte bestimmt werden.
Den Schwerpunkt der von der RISC Software GmbH entwickelten Software MEDVIS 3D bildet die schnelle und genaue Extraktion der Gefäßstruktur und -volumetrie aus Angiografie-Schichtbildern. Damit kann die Diagnose und Eingriffsplanung von Aneurysmen maßgeblich verbessert werden. Für ein zuvor vom Arzt segmentiertes „Volume of Interest“ (VOI), welches das Aneurysma sowie alle zu- und abgehenden Blutgefäße beinhaltet, berechnet die Software danach automatisch klinisch relevante Maßzahlen wie Volumen, Durchmesser, Geometrie etc. und legt diese in einer Datenbank ab.
Die gewonnenen Informationen können zur Operationsplanung und zur objektiven Ermittlung der Packungsdichte mit Coils benutzt werden, was eine enorme Verbesserung der qualitativen Beurteilung von Operationsergebnissen mit sich bringt. Als nächster großer Meilenstein soll eine realitätsnahe biomechanische Simulation des Blutflusses im Gefäßbaum und durch das identifizierte Aneurysma modelliert und in das Softwaresystem integriert werden. Das Gebiet der Compu-tational Fluid Dynamics (CFD) bietet die physikalische Grundlage für eine solche Simulation. Die dafür notwendigen und äußerst ressourceintensiven Berechnungen müssen entweder vereinfacht oder auf Rechnerverbundnetzwerke (sogenannte Grids) verteilt werden, um die Rechenzeiten für die Klinik ausreichend kurz zu halten. Das angestrebte Ziel einer solchen integrierten Blutflusssimulation ist die Möglichkeit zur kompletten virtuellen Operation von Aneurysmen sowie der Evaluierung verschiedener Gitterdesigns von Stents (Drahtgitterschläuche zur innenseitigen Stützung von Blutgefäßen) vor einem Eingriff, um so die optimale Stentwahl für jeden individuellen Eingriff zu ermitteln bzw. bestehende Designs zu optimieren.

 Chronologie des RISC-Forschungsinstituts

DI (FH) Johannes Dirnberger arbeitet an der Forschungsabteilung Medizin-Informatik der RISC Software GmbH, Hagenberg.
Dr. Johannes Trenkler ist Radiologe an der Landesnervenklinik Wagner Jauregg, Linz.
Prof. Dr. Franz Fellner ist Vorstand des Zentralen Radiologie Instituts am Allgemeinen Krankenhaus der Stadt Linz.

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