Die Anatomie der Leber wird durch die Struktur der sie durchlaufenden vier Gefäßsysteme bestimmt. Deren Lage bildet auch die Basis für das Couinaud Schema zur Unterteilung der Leber. Dieses Schema ist jedoch nur eine sehr grobe Annäherung, die Segmente entsprechen in der Regel nicht den patientenindividuellen Gefäßterritorien. Für die Planung von Eingriffen an der Leber ist jedoch die individuelle Anatomie mit allen Varianten sowie die genauen Ver- und Entsorgungsgebiete der jeweiligen Gefäße ein entscheidender Faktor. Das minimale Lebervolumen, das die Restleber nach Resektion aufweisen muss, hängt zudem von der Vorerkrankung des Organs ab. Regionale Unterschiede induzierter Funktionsstörungen erschweren die Abschätzung der Restleberfunktion; lokale Eingriffe, wie eine Biopsie, erlauben nur eine punktuelle Analyse des Organzustandes. Eine Funktionsanalyse unter Berücksichtigung lokaler Verhältnisse über radiologische Bilddaten wäre wünschenswert.

Fraunhofer MEVIS entwickelt Software zur Analyse der Leberanatomie und zur Unterstützung der präoperativen Leberoperationsplanung: Aus klinischen Bilddaten wird ein räumliches Modell des Organs und der Gefäßsysteme extrahiert. Diese patientenindividuellen Informationen werden für Prognosen genutzt, welche Teile der Leber bei einer angenommenen Schnittführung nach der Operation ausfallen bzw. in ihrer Funktion beeinträchtigt sind. Anhand dieses bis ins Detail rekonstruierten patientenindividuellen Organmodells können Chirurgen die Risiken einer Operation vor dem chirurgischen Eingriff besser einschätzen und das optimale Vorgehen planen.

Neben der automatisierten Extraktion der anatomischen Strukturen aus den klinischen Bilddaten steht die Entwicklung eines Organmodells, das Wissen über biophysikalische Zusammenhänge und medizinische Erfahrung mit klinischen Daten zu einem patientenindividuellen Abbild zusammengeführt, im Zentrum der Forschungsarbeiten. Die bearbeiteten Themen reichen von der Entwicklung fraktaler Modelle für das Gefäßwachstum bis zur numerischen Modellierung der Kontrastmittelkinetik und erfolgen in engem Kontakt mit einer Vielzahl klinischer Partner: Von Studien zu Regenerationsmechanismen der Leber an Tiermodellen bis zu Untersuchungen des klinischen Nutzens der Operationsplanung in Patientenstudien unterstützt FME Forschungsarbeiten zu einer Vielzahl von Einzelthemen.

Bei komplexen Leberoperationen ist  die Übertragung bildgestützter Planungsdaten in den  operativen bzw. interventionellen Situs - mit dem Ziel einer Unterstützung des Chirurgen während des therapeutischen Eingriffs - wünschenswert. Dies gilt insbesondere für die Resektion kleinerer bzw. tief im Leberparenchym gelegener Läsionen. Eine umfassende Navigationsunterstützung muss den logischen Bogen spannen von der präoperativen Bildakquisition über die Rechner-gestützte Operationsplanung und Risikoabschätzung, den Transfer der Planungsdaten in den Operationssaal, die Registrierung der Planungsdaten mit den intraoperativen Ultraschalldaten bis hin zur intraoperativen Visualisierung der OP-Strategie und der Navigation des chirurgischen Instrumentariums.

Die navigationsunterstützte Chirurgie findet im orthopädischen und neurochirurgischen Bereich bereits ihren Einsatz in der klinischen Routine. In der viszeralen Chirurgie ist dies nach wie vor ein aktives Forschungsfeld, da die Registrierung und Bewegungsverfolgung von Weichgewebe deutlich komplexer ausfällt.

Grundlage für die Patienten-individuelle OP-Planung an der Leber ist die Software MeVis LiverAnalyzer, welche auf die Analyse von bi- bzw. triphasischen CT- und MRT-Daten der Leber spezialisiert ist. Die Software wird regelmäßig und mit klinisch nachweisbarem Nutzen in der onkologischen Leberchirurgie sowie im Vorfeld von Leber-Lebendspenden eingesetzt.

Mit Hilfe eines Ultraschall-basierten Navigationssystems (CAScination, Bern) können das 3D-Planungsmodell und das aktuelle intraoperative Ultraschallbild während der Operation parallel auf einem Monitor visualisiert werden. Nach einer initialen, anhand anatomischer Landmarken (Leberoberfläche, Gefäßabschnitte) vorgenommenen Registrierung der präoperativ erhobenen Planungsdaten mit dem intraoperativen Ultraschall werden Ultraschallsonde und Dissektor virtuell auf dem Navigationsdisplay im räumlichen Kontext des 3D-Planungsmodells visualisiert. Der Chirurg wird somit in die Lage versetzt, sein operatives Vorgehen so anzupassen, dass der Resektionsvorschlag unter Einhaltung des vorgegebenen Sicherheitsabstandes bestmöglich umgesetzt wird.

Die Forschungsarbeiten am Fraunhofer MEVIS im Bereich Lebernavigation konzentrieren sich auf den Bereich intraoperative Registrierung und Organverfolgung. Um die Interpretation der Planungsdaten im Operationsaal zu erleichtern, werden am Fraunhofer MEVIS Visualisierungsmethoden zur Überlagerung von 3D Planungsdaten mit dem intraoperativen Situs entwickelt. Die Visualisierungsmethoden vereinfachen komplexe Darstellungen von 3D-Planungsmodellen und kodieren kritische Distanzen zu anatomischen Strukturen auf Basis einer Modell-basierten Risikoanalyse. Im Kontext dieser Arbeiten kooperiert Fraunhofer MEVIS mit verschiedenen klinischen Partnern im Bereich Leberchirurgie. Ferner besteht eine Forschungskooperation mit der CAScination AG in Bern, welche primär an der Entwicklung des verwendeten Navigationssystems beteiligt ist.

Bei einer Leberlebendspende ist sicherzustellen, dass das im Spender verbleibende Teilorgan als auch das Transplantat für den Empfänger quantitativ und funktionell für den jeweiligen Menschen ausreichend ist. Bei der Spende für einen erwachsenen Empfänger ergibt sich eine zusätzliche Herausforderung durch die Teilung des Spenderorgans in Höhe der mittleren Lebervene. Dabei entsteht in der Regel in einem der beiden Teilorgane eine Minderentsorgung und somit eine zusätzliche funktionelle Einschränkung, die letztendlich zum Organversagen führen kann. Eine Evaluierung des Spenderorgans hinsichtlich Anatomie und territorialer Volumina sowie die Planung des Eingriffes unter Berücksichtigung aller Risiken sind daher essenziell.

Fraunhofer MEVIS ermöglicht mit einem Softwareassistenten die umfassende Analyse einer Spenderleber sowie die virtuelle Planung der notwendigen Resektion unter Berücksichtigung der vaskulären Risiken. Zur Darstellung der Anatomie werden Lebergefäße und Gallengänge aus verschiedenen Phasen der CT-oder MRT-Daten analysiert und einzeln oder kombiniert dargestellt. Verschiedene Schnittplanungen erlauben die Analyse von Volumina der Teilleber und perfusionsbedingten Risiken für Spender und Empfänger.

Leberchirurgie Video

Fraunhofer MEVIS analysiert mit verschiedenen Klinischen Partnern die Regeneration der Leber nach Leberlebendspende, sowohl im Spender als auch im Empfänger. Lokal unterschiedliches Wachstum und eine inverse Korrelation von Regeneration und Abflussstörung konnten gezeigt werden. Eine Studie im Tiermodell konnte nachweisen, dass eine lokale Abflussstörung nach Resektion eine wesentliche, aber zeitlich begrenzte Reduktion von Regeneration und Leberfunktion induziert.

Die Planung einer Leberlebendspende erfolgt typischerweise auf CT-Daten, also einer Bildgebung, die für den gesunden Spender mit einer Strahlenbelastung verbunden ist. Fraunhofer MEVIS arbeitet mit radiologischen Partnern an der Optimierung der MR-Bildgebung und der Entwicklung von Bildanalysealgorithmen von abdominellen MRT- Daten für die Planung von Leberlebendspenden.

Zur Vorbereitung onkologischer Resektionen in der Leber sind für den behandelnden Chirurgen die exakte Kenntnis von Lage, Größe und Morphologie der Läsionen, Informationen über deren Lagebeziehung zu Lebergefäßen und Gallengängen sowie die Abwägung möglicher Operationsstrategien unter Einhaltung des notwendigen Sicherheitsabstandes von herausragender Bedeutung. Hierbei ist eine Unterstützung chirurgischer Entscheidungsprozesse durch geeignete medizinische Software ein Wunsch vieler Operateure.

Am Fraunhofer MEVIS wird eine Software zur patienten-individuellen OP-Planung entwickelt, welche auf die Analyse von CT- und MRT-Daten der Leber spezialisiert ist. Mit Hilfe der Software können chirurgische Strategien geplant und evaluiert werden. Die Software wird regelmäßig und mit klinisch nachweisbarem Nutzen in der onkologischen Leberchirurgie sowie im Vorfeld von Leber-Lebendspenden eingesetzt.

Die Bilddaten der Leber werden als dreidimensionale Modelle mit allen wichtigen anatomischen Einzelheiten (Leberoberfläche, arterielle und venöse Gefäße sowie Gallengänge) und pathologischen Veränderungen dargestellt. Dies erlaubt die Berechnung individueller Gefäßterritorien sowie die Identifikation von abhängigen Gefäßprovinzen, die bei einer Tumorresektion - je nach gewähltem Sicherheitsabstand - betroffen sind ("tissue at risk"). Die OP-Planung kann am 3D-Modell vorgenommen und im 2D-Modus beliebig kontrolliert bzw. modifiziert werden. Wichtige Parameter, wie das Tumorvolumen und das nach Resektion verbleibende funktionelle Lebervolumen, werden routinemäßig bestimmt. Auf diese Weise können die Vor- und Nachteile alternativer Operationsstrategien effektiv gegeneinander abgewogen werden.

Beispiel:

Risk Analysis and Planning of Liver Surgery

Aktuelle Forschungsarbeiten am Fraunhofer MEVIS beschäftigen sich mit der Optimierung einzelner Schritte der Leber-Operationsplanung. Dabei steht u.a. eine Automatisierung und Genauigkeitssteigerung der einzelnen Arbeitsschritte im Fokus. Außerdem wird an chirurgischen Navigationstechniken geforscht, um die Planung möglichst exakt auf den intraoperativen Situs zu übertragen.

Volumetrische Verlaufskontrolle von Tumoren
Bei Tumortherapien, die primär eine Größenreduktion der Tumore zum Ziel haben, ist das Tumorwachstum ein relevanter Biomarker, der zur Therapiesteuerung herangezogen werden kann. Um dieses zu quantifizieren, wird im besten Fall der größte Durchmesser der fünf größten Metastasen gemessen, mit einer Voraufnahme verglichen und das Ergebnis nach den RECIST-Kriterien klassifiziert. Dieses Vorgehen ist aber mit einer hohen Variabilität versehen, wie beispielsweise eine klinische Studie der University of Texas zeigt. Dort wurde bei der unabhängig vorgenommenen Durchmesserbestimmung durch fünf Radiologen auf jeweils identischen Bildern in einem Drittel aller Fälle fälschlicherweise ein Therapieerfolg bzw. -versagen gemessen. Das Tumorwachstum könnte durch eine automatische Berechnung der dreidimensionalen Tumorvolumina demgegenüber wesentlich zuverlässiger erfasst werden und würde somit zuverlässigere Aussagen über den Therapieerfolg erlauben.

Mit Hilfe einer bei Fraunhofer MEVIS im Rahmen des Forschungsverbundes VICORA entwickelten Software ist es möglich, die Unsicherheit der Beurteilung von Größenänderungen von Metastasen in Lunge, Leber und Gehirn sowie vergrößerter Lymphknoten deutlich zu reduzieren. Dies gelingt, indem der Radiologe mit Hilfe der Software weitestgehend automatisiert das Volumen der Herde dreidimensional unter modellbasierter Berücksichtigung der Partialvolumeneffekte bestimmt. Damit kann bereits ab einer Änderung von ca. 20 % des Volumens, entsprechend einer Durchmesseränderung von ca. 6 %, eine sinnvolle Aussage zum Therapieerfolg gemacht werden. Für kleine Läsionen entspricht dies einer Durchmesseränderung um weniger als ein Voxel. Eine derartige Subvoxel-Genauigkeit ist auch mit einem sehr geschulten radiologischen Blick und dem Lineal keinesfalls erreichbar. Die entwickelten Software-Lösungen sind bereits in Produkte eingeflossen und finden weltweit Verbreitung.

HIFU
In den letzten Jahrzehnten hat sich die Tumortherapie mit Hilfe von hochintensivem fokussierten Ultraschall (HIFU) zu einer vielversprechenden und schonenden Alternative zu chirurgischen Eingriffen entwickelt. Diese nicht invasive Therapie wird inzwischen zur Behandlung von Prostatakrebs, Gebärmuttererkrankungen wie Uterusmyomen und Adenomyose sowie zur Schmerzbehandlung bei Knochenmetastasen eingesetzt. Aufgrund der vielfältigen Vorteile ist eine Ausweitung dieser Therapieform auf weitere Organe wünschenswert, jedoch in vielen Fällen mit zusätzlichen Schwierigkeiten verbunden. So stellen bei abdominellen Erkrankungen, wie z.B. Leber- oder Nierentumoren, die Atembewegungen bzw. die Abschirmung durch die Rippen Herausforderungen dar, die noch nicht zufriedenstellend gelöst werden konnten und die so den Einzug der HIFU-Therapie für abdominelle Tumoren in den klinischen Alltag bisher verhindert haben.

RFA
Perkutane Radiofrequenz Ablation (RFA) ist eine minimal invasive Therapie zur Behandlung primärer und sekundärer Lebertumore. Das Ziel der Therapie ist die Zerstörung aller Tumorzellen durch lokale Erhitzung des Gewebes. Hierfür werden Elektroden im zu zerstörenden Tumor positioniert und elektrische Energie in das umliegende Gewebe induziert, die zu einer lokalen Erwärmung führt.

Um eine erfolgreiche Therapie zu gewährleisten, muss eine patientenindividuelle Planung vor der Intervention durchgeführt werden. Hierbei ist es sehr wichtig, die Kühleinflüsse der Gefäße in unmittelbarer Nähe zum Tumor zu beachten, da diese die Erhitzung der Läsion signifikant verringern können. Des Weiteren ist ein sicherer Zugang unter Berücksichtigung benachbarter Risikostrukturen zu wählen. Die Planung einer erfolgreichen Therapie unter Berücksichtigung aller Aspekte ist meist eine zeitaufwändige Aufgabe, welche ein hohes Maß an Erfahrung erfordert.

RFA
Um den Radiologen bei der prä-interventionellen Planung der RFA zu unterstützen, wurde ein Software-Assistent entwickelt. Dieser ermöglicht es dem Radiologen, virtuelle RF-Applikatoren in den anatomischen Bilddaten zu platzieren. Die zu erwartende Ablationszone kann durch eine numerische Simulation berechnet werden. Die Simulation beruht auf einem mathematischen Modell zur Berechnung der Wärmeausbreitung im Gewebe, das die patientenindividuelle Anatomie berücksichtigt. Um den Erfolg der Therapie zu vergrößern, kann die Positionierung des RF-Applikators mathematisch optimiert werden. Die Zerstörung soll hierbei maximiert und das Risiko der Verletzung benachbarter Organe minimiert werden.

Beispiel

Software Assistance for Interventional Radiology

Real-Time Approximation of the Ablation Zone
Visual Support for Interactive Assessment

HIFU
Bei Fraunhofer MEVIS wird an Methoden zur computerbasierten Unterstützung von HIFU-Therapien der  Leber geforscht. Ziel ist es zum einen, mit Hilfe von patientenindividuellen Simulationsmodellen einen optimalen Behandlungsplan zu erstellen, der sowohl die Position der Rippen als auch anderer Risikostrukturen im Beschallungsweg berücksichtigt. Darüber hinaus sollen bei der Applikation des Behandlungsplans die individuellen Atembewegungen sowie Abweichungen von der Planungsgrundlage Berücksichtigung finden. Durch Integration dieser Methoden in einen Software-Demonstrator soll ein Therapieassistent für den Einsatz im klinischen Alltag entstehen.

Beispiel:

High-Intensity Focused Ultrasound: Software Assistance for Tumor Therapy

Audiopodcast: Tumorbehandlung mit Schallwellen

Projektseite MAVO FUS
Projektseite FUSIMO

RFA
Ein aktueller Forschungsschwerpunkt liegt auf der multipolaren Radiofrequenz Ablation. Ziel der Forschung ist die Validierung des Planungssystems anhand von ex vivo Experimenten und Quantifizierung der hierbei auftretenden Kühleffekte.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die multikriterielle Optimierung der Applikatorpositionierung. Dabei werden Risikostrukturen wie z.B. Rippen und Lunge, aber auch technische Beschränkungen wie die Applikatorlänge in das Modell mit einbezogen.

Ohne den histologischen Befund des Pathologen können schwere Krankheiten wie Krebs nicht wirkungsvoll therapiert werden. Leider ist es für Menschen häufig äußerst schwer, Gewebeeigenschaften sicher und reproduzierbar zu bestimmen. Während die computerunterstützte Diagnose in anderen Bereichen der Medizin schon etabliert ist, stellt die enorme Größe und Komplexität histologischer Bilder immer noch eine große Herausforderung dar. Fraunhofer MEVIS entwickelt deshalb innovative Softwarelösungen, die Gewebeparameter über ganze Gewebeschnitte mit hoher Genauigkeit automatisch messen.

Die von Fraunhofer MEVIS entwickelte Pathologie-Software ist einfach zu bedienen und schnell genug, um Gigabyte-große Schnittbilder auch auf normalen Computern schnell zu verarbeiten. Wie mit einem Mikroskop kann der Pathologe den Objektträger und das dazugehörige Analyseergebnis explorieren. Weiterhin kann der Benutzer die Software intuitiv an neue Bildeigenschaften anpassen, indem er Beispiele der relevanten Gewebestrukturen vorgibt. Der Computer lernt aus diesen Informationen und klassifiziert weitere Bilder automatisch. Schon jetzt kann die Software verschiedene Gewebetypen und Zellstrukturen automatisch quantifizieren, um z.B. Rückschlüsse auf die Regenerationsaktivität oder den Verfettungsgrad des Gewebes zu ziehen.

Virtual Liver

Im Rahmen von Forschungsprojekten wird die Pathologie-Software kontinuierlich um neue Analysemethoden erweitert und im Hinblick auf Einfachheit, Effizienz und Robustheit optimiert. Ein besonderer Schwerpunkt der Forschung ist die dreidimensionale Histologie. Während histologische Auswertungen standardmäßig auf zwei räumliche Dimensionen beschränkt sind, muss das Gewebe für viele Forschungsfragestellungen in seinem tatsächlichen dreidimensionalen Kontext betrachtet werden. Deshalb entwickelt Fraunhofer MEVIS neuartige Bildverarbeitungsmethoden, die histologische Serienschnitte zu ihrem ursprünglichen, dreidimensionalen Gewebevolumen rekonstruieren und damit ein ganzheitliches Verständnis der Organmorphologie ermöglichen.

Virtual Liver