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Virtuelle Endoskopie: Krebsvorsorge durch Computersimulation

Eine Dickdarmspiegelung ist kein Vergnügen. Bildverarbeitung und virtuelle Realität bieten vielleicht eine Alternative.


Bis zu neunzig Prozent der Darmtumoren ließen sich nach Expertenmeinung verhindern, gelänge es, die Polypen genannten Wucherungen der Darmschleimhaut aufzufinden und zu entfernen – sie gelten als mögliche Krebsvorstufen. Überhaupt wissen Ärzte: Je früher Darmkrebs entdeckt wird, desto größer sind die Heilungschancen. Doch leider macht er sich im Frühstadium selten durch Symptome bemerkbar. Mitunter gibt der Tumor aber bereits winzige Mengen Blut in den Darm (Kolon) ab, ebenso manche Polypen. Mit bloßem Auge sind sie nicht zu sehen, doch ein Haemoccult-Test kann sie nachweisen.

Hat der ein positives Ergebnis, beginnt für den Patienten eine unangenehme diagnostische Routine: Ein Facharzt muss die Darmschleimhaut untersuchen. Diese Koloskopie verläuft oft schmerzhaft. Doch wir wollen durch Computersimulation und virtuelle Realität eine schonendere Alternative bieten.

Für eine herkömmliche Darmspiegelung muss der Darm leer und sauber sein. Zu diesem Zweck trinkt der Patient drei bis vier Liter einer Spüllösung. Das Endoskop beziehungsweise Koloskop besteht aus einem etwa zehn bis fünfzehn Millimeter dicken Schlauch von 1,5 Metern Länge, der einen Glasfiber-Lichtleiter mit Kameraoptik sowie einen Arbeitskanal enthält; durch diesen werden medizinische Geräte eingeführt, um Gewebeproben zu nehmen oder Polypen abzutragen.

Dieser Schlauch wird vom After aus in den Darm vorgeschoben. Um die innere Oberfläche deutlich zu sehen und zu filmen, wird Luft eingeblasen und das Organ aufgedehnt – frei von Stuhl fällt er sonst in sich zusammen. Trotz Beruhigungsspritze und Schmerzmittel leiden nicht wenige Patienten unter diesen Maßnahmen, und manch einer meidet deshalb den Arztbesuch, obwohl er dringend erforderlich wäre.

Die virtuelle Koloskopie simuliert das Einschieben des Endoskops, dazu verwertet sie allerdings Daten einer Computertomografie. Auch das erfordert eine vorhergehende Darmreinigung und ebenfalls das Einblasen von Luft.

Der Computertomograf röntgt den gesamten Bauch und berechnet danach die Gewebestrukturen. Dazu wird das Volumen in winzige Quader (Voxel) unterteilt, deren Kanten 0,7 beziehungsweise 1 Millimeter lang sind. Die Untersuchung erfolgt in Rückenlage. Befindet sich noch viel Spüllösung im Darm, schließt sich eine zweite Aufnahme in Bauchlage an, um Fehlinterpretationen zu vermeiden.

Die so genannten Multidetektor-Spiral-Computertomografen (MDCT, im Folgenden kurz CT) sind in der Lage, in kürzester Zeit in der Körperlängsachse Schnittbilder im Abstand von nur 0,7 bis 1 Millimeter aufzunehmen. Pro Bild sind dafür nur durchschnittlich 12,5 Millisekunden notwendig, sodass ein solches Gerät bei einem Atemanhalten 400 bis 800 Einzelschichten erfasst.

Die reine Untersuchungszeit im CT verkürzt sich auf maximal eine halbe Minute und ist damit erheblich schneller im Vergleich zu Geräten der älteren Generation (Ein-Detektor-Systeme). Die gesamte Untersuchung inklusive der Luftfüllung benötigt zwischen fünf und zehn Minuten. Spezielle mathematische Verfahren bei der Datenverarbeitung ermöglichen die für die Aufnahme notwendige Intensität der Röntgenstrahlung bis auf ein Vierzehntel zu reduzieren.

Aus den so gewonnenen Daten berechnet der Computer die Ansichten der Darmschleimhaut, wie sie ein Koloskop sehen würde. Das virtuelle Instrument trägt eine virtuelle Lichtquelle. Reflexionen auf der Schleimhaut lassen sich dann ebenso berechnen wie die Schattenbildung durch die Falten des Darmes. Auf diese Weise werden realistisch wirkende Abbilder der Darmwand errechnet, die der Arzt via Monitor begutachten kann.

Der gesamte Prozess ist sehr rechenintensiv und erfordert beispielsweise eine vorhergehende "Segmentierung": Aus den CT-Daten des Bauches arbeitet ein Algorithmus das Volumen des Darms heraus. Von einem Startvoxel im Enddarm beginnend sucht er selbstständig luftgefüllte Bereiche bis zum Beginn des Dickdarms. Im Zentrum des Darmquerschnitts wird sodann eine zentrale Linie bestimmt. Sie sollte stets einen mög-lichst großen Abstand zur Darmwand haben sowie glatt und ohne Unterbrechungen verlaufen. Die virtuelle Kamera fährt dann später entlang dieser Linie und nimmt in kurzen Abständen ihre Bilder auf. Ein hochauflösender Monitor, wie häufig in der klinischen Routine angewandt, oder ein so genannter Datenhelm mit zwei kleinen Monitoren zeigt dann die Innenansichten der Darmwand.

Allerdings weist diese simulierte Darmspiegelung ähnliche Nachteile auf wie eine konventionelle: Sie zeigt nicht die gesamte Schleimhautoberfläche, weil es zum Beispiel nicht möglich ist, bei der Sicht in "Fahrtrichtung" hinter die typischen Falten zu blicken. Deshalb berechnet unser Programm zusätzlich einen Blick von der virtuellen Kamera senkrecht gegen die Schleimhaut. Der zugehörige Abstand von der zentralen Linie ergibt umgekehrt ein Relief der Oberfläche oder eine Darstellung der Entfernung in Grauwerten. Wo Polypen die Linie stark krümmen, lässt sich in einer solchen Darstellung unmittelbar erkennen. Die virtuelle Kamera kann vom Arzt per Mausklick an solche Stellen positioniert werden.

Selbst auf der Basis der Daten älterer CT-Geräte erkennen Ärzte in den virtuellen Bildern nicht weniger Darmtumoren als mit der konventionellen, wie klinische Studien weltweit zeigen. Bei Darmpolypen größer als ein Zentimeter waren es 91 Prozent, bei solchen zwischen sechs und neun Millimeter Größe immerhin 82 Prozent. Eigene Untersuchungen mit moderneren Tomografen an Hochrisikopatienten – also Patienten mit Blut im Stuhl – ergaben noch höhere Erkennungsraten für Polypen von 96 beziehungsweise 90 Prozent im Vergleich zur "wirklichen" Endoskopie.

Solche Vergleiche geben paradoxerweise sogar ein etwas zu schlechtes Bild ab, weil sie dem neuen Verfahren anlasten, Fehler der herkömmlichen Untersuchung nicht zu machen. Denn auch diese ist nicht perfekt, sie übersieht etwa 5 bis 15 Prozent der Polypen, von denen aber einige beispielsweise durch die Auswertung des Darmreliefs gefunden werden. Weil aber die konventionelle Koloskopie bei einer solchen Gegenüberstellung als Maßstab genommen wird, ergibt ein solcher Fall die Wertung falsch positiv für die virtuelle Variante. Unseres Erach-tens liefern beide Verfahren durchaus vergleichbare Ergebnisse, bei kleineren Polypen mag die Simulation sogar besser abschneiden.

Es gibt einige Fehlerquellen, die falsche Befunde begünstigen. So können verbleibende Stuhlreste im Dickdarm nicht immer sicher von Polypen unterschieden werden. Deshalb muss Kontrastmittel gespritzt werden, das sich im Gewebe anreichert, oder man gibt der Trink-Spüllösung Kontrastmittel zu, das sich in Stuhlresten sammelt. Bei Auffälligkeiten wird sich der Arzt zudem nicht auf die räumliche Darstellung allein verlassen, sondern die Schnittbilder der Tomografie zu Hilfe nehmen, um die Diagnose abzusichern. Lässt sich auch damit ein Verdacht nicht abklären, muss eine konventionelle Koloskopie erfolgen, nicht zuletzt, um dabei gegebenenfalls eine Gewebeprobe zu nehmen.

Literaturhinweise


Abklärung hereditärer Tumorerkrankungen des Kolons und Rektums. Von J.D. Roder in: TZM-NEWS, G. Riethmüller (Hg.). Tumorzentrum München, Januar 2000.

A comparison of virtual and conventional colonoscopy for the detection of colon polyps. Von H.M. Fenlon et al. in: New England Journal of Medicine, Bd. 341, Heft 20, S. 1496, November 1999.


Stichwort


Das Endoskop ist ein medizinisches Instrument, das in erster Linie der Diagnose dient: Es erlaubt, natürliche oder operativ angelegte Körperhöhlen in Augenschein zu nehmen. Gängige Praxis sind etwa Bauch-, Knie- und Darmspiegelungen, neuere Anwendungen findet die Endoskopie unter anderem in der Hand-, Herz- und Neurochirurgie. Das Instrument besteht aus starren Röhren oder flexiblen Schläuchen, über die ein Chirurg Lichtleiter und Optik zu dem Untersuchungsgebiet führt. Zusätzliche Arbeitskanäle im oder am Endoskop bringen miniaturisierte chirurgische Instrumente vor Ort – aus der Diagnostik wird die minimalinvasive Chirurgie.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 2002, Seite 88
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
7 / 2002

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 7 / 2002

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