Hintergrund: Im Rahmen intrakranieller Operationen kann die intraoperative Darstellung der Gehirndurchblutung die intraoperative Entscheidungsfindung unterstützen. Eine Alternative zu den etablierten Methoden der fluoreszenzgestützten Techniken und der Duplex-Sonographie stellt die intraoperative Perfusionsbildgebung auf Grundlage der Thermographie dar. Hiermit wird die temperaturabhängige, infrarote Strahlung des Gehirns gemessen, die annehmbar abhängig von der zerebralen Perfusion ist. Das Verfahren vereint die Vorteile des nebenwirkungsarmen, kontaktlosen, wiederholten und ökonomischen Einsatzes mit einem verhältnismäßig geringen apparativen Aufwand. Fragestellung/Hypothese: In der vorliegenden Arbeit sollen die intraoperativen Temperaturvariationen des Kortex thermographisch untersucht werden. Durch die intravenöse Applikation eines kalten Flüssigkeitsbolus kann ein systemischer Kältereiz erzeugt werden, der als thermographisches Kontrastmittel agiert. Die Untersuchung der Sensitivität der kortikalen Kältesignalerfassung in Abhängigkeit der Injektionsparameter des Flüssigkeitsbolus und anderer intraoperativer Variablen soll für die Etablierung eines robusten und klinisch nutzbaren Messaufbaus genutzt werden. Die gewonnenen Informationen sollen darüber hinaus zur Entwicklung eines Auswertungsalgorithmus für die automatisierte, thermographische Erfassung des kortikalen Kältesignals dienen. Abschließend werden potenzielle, klinische Anwendungsszenarien beschrieben. Material und Methoden: Die thermographischen Aufnahmen wurden mit ungekühlten Focal-Plane-Array-Kameras mit einer thermischen Auflösung von bis zu 20 mK durchgeführt. Es wurden 97 Patienten intraoperativ untersucht und insgesamt 210 Kältebolusinjektionen appliziert. Die zugrundeliegenden Pathologien waren größtenteils Glioblastome und zerebrale Metastasen sowie Gliome II°/III°, Hirninfarkte, arteriovenöse Malformationen und Aneurysmen. Nach chirurgischer Exposition des zerebralen Kortex wurde die thermographische Messung des Kortex gestartet. Es folgte die intravenöse Injektion der Kälteboli mit einer Temperatur von etwa 4°C aus physiologischer Kochsalzlösung und einem Volumen von 20 ml (59 % der Fälle) oder 50 ml (41 % der Fälle) über einen peripheren (76 % der Fälle) oder zentralen Venenkatheter (24 % der Fälle). Es wurden die Injektionsgeschwindigkeit und Vitalparameter registriert. Nachfolgend wurden die thermographischen Sequenzen einer Datenvorverarbeitung unterzogen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Es folgte die Auswertung der resultierenden Temperatur-Zeit-Reihen zur Kältesignaldetektion mit der Hauptkomponentenanalyse nach Steiner et al., dem Bigauss-Algorithmus nach Hollmach und einer manuellen Analyse (Steiner et al., 2011; Hollmach, 2016). Die Qualität der Auswertungsalgorithmen wurden auf Basis von 10 parallelen Kältebolus-ICG-Injektionen überprüft. Die ICG-Signale wurden als Referenz für die Kältesignaldetektionen genutzt. Die Beschreibung der Kältesignale erfolgte anhand der Parameter twash-in, tmin(T), trise, ttransit und ΔT. Ergebnisse: Die Thermographie kann kleinste Temperaturvariation des Kortex von bis zu 20 mK aufzeichnen. Periodische Temperaturänderungen können zum Teil durch physiologische Prozesse wie Atmung und Herzaktion erklärt werden, während andere spontane Temperaturschwankungen bisher keinen pathophysiologischen Äquivalenten zugewiesen werden können. Das systemische Kältesignal in Form des intravenösen Kältebolus kann bei der kortikalen Passage thermographisch als Temperatursenke registriert werden. Die Sensitivität der Kältesignalerfassung wird wesentlich durch die Injektionsparameter Bolusvolumen, Applikationsort und -geschwindigkeit bestimmt und lässt sich durch eine periphervenöse, 50 ml umfassende Bolusinjektion mit einer Geschwindigkeit von ≥ 5,4 ml/s auf über 70 % steigern. Die Vitalparameter beeinflussen die Kältesignaldetektion nicht. Die Validierung der Kältesignaldetektionen mittels paralleler Kältebolus-ICG-Injektionen offenbarte, dass die präexistenten Auswertungsalgorithmen der Hauptkomponentenanalyse und des Bigauss-Algorithmus eine hohe Sensitivität von 90 % hinsichtlich anteilig richtig-positiver Kältesignaldetektionen erzielen. Jedoch wurden in 90 % der Referenzfälle falsch-positive Kältesignale erkannt, sodass eine geringe Spezifität und ein geringer positiv-prädiktiver Wert resultiert. Beide Algorithmen weisen eine hohe Fehleranfälligkeit auf und sind ungeeignet, um intraoperativ das systemische Kältesignal zuverlässig zu erfassen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen der manuellen Analyse der ICG-Kältebolus-Referenzfälle konnte der optimierte AKE-Auswertungsalgorithmus (Automatisierte Kältesignaldetektion nach Empirischem Vorwissen) entwickelt werden. Der AKE-Algorithmus besitzt in den Referenzfällen eine Sensitivität von 100 % und eine qualitativ deutlich verbesserte Spezifität. Der AKE-Algorithmus ist in der Lage, im intraoperativen Einsatz die Kältesignale innerhalb weniger Minuten nach der Kältebolusinjektion zuverlässig in Form zweidimensionaler Parameterkarten zu visualisieren. Auf Basis des AKE-Algorithmus wurden die Kältesignalerfassungen in verschiedenen intrakraniellen Pathologien untersucht. Die Kältesignalparameter in Glioblastomen präsentieren neben einer großen Heterogenität eine durchschnittlich erhöhte Perfusion im Vergleich zum peritumoralen Gewebe in Form einer verminderten twash-in und einer erhöhten ttransit. Jedoch ist eine Identifizierung der Tumorgrenzen anhand der Kältesignaldetektionen nicht möglich, weil die Kältesignalparameter intra- und peritumoralen Gewebes nicht signifikant differieren.
Bei der thermographischen Untersuchung maligner Hirninfarkte können die Infarktkerne bereits als hypotherme Kortexregionen und durch eine negative Kältesignaldetektion erfasst werden. Kollateralkreisläufe werden registriert und die Kältesignalparameter korrelieren mit dem postoperativen NIHSS. Die Kältesignalerfassung gelingt zunehmend im Übergang von CT-morphologisch demarkierten zu nicht-demarkierten Hirnarealen und zeigt begleitend eine kürzere twash-in. Damit besteht potenziell die Möglichkeit, in weiteren Untersuchungen die Penumbra zu untersuchen und prognostische Informationen zu gewinnen. Die Kältesignalerkennung bei AVMs konnte sicher erfolgen und die Perfusion der pathologischen Gefäßanteile nachweisen. Somit kann die Thermographie die vollständige Ausschaltung oberflächlicher AVMs unterstützen und ist des Weiteren in der Lage, die Perfusion des umgebenden Parenchyms zu beurteilen. Ebenso kann die Kältesignaldetektion bei der Operation von Aneurysmen zur Erfolgskontrolle und zur Erfassung Clip-bedingter kortikaler Minderperfusionen dienen. Schlussfolgerungen: Die thermographische Detektion eines systemischen Kältereizes ist möglich und kann intraoperativ zusätzliche Informationen generieren, die in operative Entscheidungen oder wissenschaftliche Untersuchungen einfließen können. Um einen robusten und zuverlässigen, intraoperativen Einsatz der thermographischen Kältesignaldetektion zu ermöglichen, sollten zukünftig ausschließlich 50 ml Boli, periphervenöse Injektionen und eine Injektionsgeschwindigkeit ≥ 5,4 ml/s verwendet werden. Für eine schnelle und zuverlässige, intraoperative Ergebnisgenerierung und -darstellung sollte der AKE-Algorithmus bevorzugt werden. Die thermographische Kältesignaldetektion eignet sich insbesondere für die Untersuchung primär vaskulärer Pathologien, wie Hirninfarkte, AVMs oder Aneurysmen.:Inhaltsverzeichnis
A Abbildungsverzeichnis
B Tabellenverzeichnis
C Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Medizinische Grundlagen
2.1 Präoperative Bildgebung in der Neurochirurgie
2.1.1 Konventionelles MRT, CT und Angiographie
2.1.1 Dynamisch-funktionelle MRT-Sequenzen
2.1.2 Neuronavigation
2.2 Intraoperative Bildgebung zur zerebralen Perfusionsvisualisierung
2.2.1 Fluoreszenzgestützte Techniken
2.2.2 Ultraschall
3 Thermographie
3.1 Physikalische Grundlagen
3.2 Anwendung der Thermographie in der Medizin
4 Zielstellung
5 Material und Methoden
5.1 Thermographische Messung
5.1.1 Messaufbau
5.1.2 Messinstrumentarium
5.1.3 Ablauf der Kältebolus-Messung
5.1.4 Simultane Erfassung des Infrarot- und ICG-Signals
5.2 Methoden der Datenverarbeitung
5.2.1 Vorverarbeitung der Daten
5.2.2 Hauptkomponentenanalyse
5.2.3 Bigauss-Algorithmus
5.3 Auswahl des Patientenkollektivs
6 Ergebnisse
6.1 Patientenkollektiv
6.2 Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse
6.3 Ergebnisse des Bigauss-Algorithmus
6.4 Manuelle Analyse und ICG-Fälle
6.4.1 Schlussfolgerungen der manuell analysierten ICG-Kälteboli
6.4.2 Ergebnisse aller manuell analysierten Kälteboli
6.5 Entwicklung des AKE-Algorithmus
6.6 Ergebnisse des AKE-Algorithmus
6.6.1 Allgemeine Kälteboluscharakteristik
6.6.2 Kältesignalparameter in Abhängigkeit der Injektionsparameter
6.6.3 Kältesignaldetektion als interpathologischer Vergleich
6.6.4 Kältesignaldetektion als intrapathologische Analyse
7 Diskussion
7.1 Vergleich der Verfahren der Kältesignaldetektion
7.2 Einflussfaktoren
7.2.1 Vitalparameter
7.2.2 Injektionsparameter
7.3 Bedeutung der Kältesignalparameter
7.4 Potential der Kältebolusdetektion in Pathologien mittels AKE-Algorithmus
7.4.1 Glioblastom
7.4.2 Maligner Hirninfarkt
7.4.3 Neurovaskuläre Pathologien
7.5 Thesen
8 Zusammenfassung / Summary
9 Literaturverzeichnis
10 Danksagung
11 Anlage 1
12 Anlage 2 / Background: In intracranial surgery, intraoperative imaging of cerebral blood flow can support intraoperative decision making. An alternative to established methods of fluorescence-based techniques and duplex sonography is intraoperative perfusion imaging based on thermography. It receives temperature-dependent, infrared radiation, which depends on cerebral perfusion. Thermography combines the advantages of low-side-effects, contactless, repeated and economical use with a relatively low outlay on equipment.
Objective/Hypothesis: In the present work the intraoperative temperature variations of the cortex are to be examined thermographically. The intravenous application of a cold fluid bolus creates a systemic cold stimulus that acts as a thermographic contrast agent. By examining the sensitivity of the cortical cold signal acquisition depending on the injection parameters of the fluid bolus and other intraoperative variables, a robust and clinically usable measurement setup is to be established. The information obtained should also be used to develop an evaluation algorithm for the automated, thermographic detection of the cortical cold signal. Finally, potential clinical application scenarios are described. Material and Methods: The thermographic recordings were made with uncooled focal plane array cameras with a thermal resolution of up to 20 mK. 97 patients were examined intraoperatively and a total of 210 cold bolus injections were administered. The underlying pathologies were mostly glioblastomas and cerebral metastases as well as gliomas II° / III°, brain infarctions, arteriovenous malformations and aneurysms. After surgical exposure of the cerebral cortex, the thermographic measurement of the cortex was started. This was followed by intravenous injection of the cold 0,9% saline boluses with a temperature of about 4 °C and a volume of 20 ml (59% of cases) or 50 ml (41% of cases) via a peripheral (76% of cases) or central venous line (24% of cases). The injection rate and vital parameters were registered. The thermographic sequences were subsequently subjected to data preprocessing in order to improve the signal-to-noise ratio. The resulting temperature-time series are evaluated to find cold signals using the principal component analysis according to Steiner et al., the Bigauss algorithm according to Hollmach and a manual analysis (Steiner et al., 2011; Hollmach, 2016). The results were checked based on 10 parallel cold bolus ICG injections. The ICG signals were used as a reference for the cold signal detection. The cold signals were described by the parameters twash-in, tmin(T), trise, ttransit and ΔT. Results: Thermography can record smallest temperature variations of the cortex up to 20 mK. Periodic changes in temperature can be explained in part by physiological processes such as breathing and heart rate, while other spontaneous temperature fluctuations cannot yet be assigned to any pathophysiological equivalents. The systemic cold signal in the form of the intravenous cold bolus can be thermographically registered as a temperature drop during the cortical passage. The sensitivity of the cold signal detection is essentially determined by the injection parameters bolus volume, injection site and injection rate. It can be increased to more than 70% with a peripheral venous line, 50 ml bolus volume and an injection rate of ≥ 5.4 ml/s. The vital parameters do not influence the cold signal detection.
The validation of the cold signal detection using parallel cold bolus and ICG injections revealed that the pre-existent evaluation algorithms of the principal component analysis and the Bigauss algorithm achieve a high sensitivity of 90 % with regard to proportionally correct-positive cold signal detection. However, false-positive cold signals were detected in 90% of the reference cases, resulting in low specificity and low positive-predictive value. Both algorithms are highly susceptible to errors and are unsuitable for reliably detection of the systemic cold signal intraoperatively. From the knowledge obtained from the manual analysis of the ICG - cold bolus reference cases, the optimized AKE evaluation algorithm (Automated Cold signal detection based on Empirical prior knowledge) was developed. In the reference cases, the AKE algorithm has a sensitivity of 100% and a qualitatively significantly improved specificity. The AKE algorithm is able to reliably visualize the cold signals in two-dimensional parameter maps within a few minutes after the cold bolus injection during intraoperative use. Based on the AKE algorithm, the cold signal recordings in various intracranial pathologies were examined. The cold signal parameters of glioblastomas showed a high degree of heterogeneity and on average an increased cerebral perfusion by reduced twash-in and increased ttransit compared to peritumoral tissue. However, an identification of the tumour borders based on the cold signal detection is not possible because the cold signal parameters of intra- and peritumoral tissue do not differ significantly. In the thermographic examination of malignant brain infarctions, the infarct cores can be detected as hypothermic cortex regions and by negative cold signal detection. Collateral circuits are registered thermographically and the cold signal parameters correlate with the postoperative NIHSS. The cold signal acquisition succeeds increasingly in the transition from CT-morphologically infarcted to non-infarcted brain areas and shows a smaller twash-in. Therefore, the cold bolus detection has the potential to investigate the penumbra and to obtain prognostic information. Cold signal detection in AVMs was carried out safely and the perfusion of the pathological vessels were demonstrated. Thus, thermography can support the complete elimination of superficial AVMs and is also able to assess the perfusion of the surrounding parenchyma. Cold signal detection can also be used in the operation of aneurysms to monitor complete elimination and clipping-related cerebral perfusion changes. Conclusions: The thermographic detection of the systemic cold stimulus is possible and can generate additional information intraoperatively, which can be incorporated into intraoperative decision making or scientific studies. In order to enable robust and reliable, intraoperative use of thermographic cold signal detection, further cold bolus examinations should be standardized with intravenous injection of 50 ml boluses via peripheral venous line and an injection rate ≥ 5.4 ml/s. The AKE algorithm should be preferred for fast and reliable, intraoperative result generation. Thermographic cold signal detection is particularly suitable for the investigation of primarily vascular pathologies such as brain infarctions, AVMs or aneurysms.:Inhaltsverzeichnis
A Abbildungsverzeichnis
B Tabellenverzeichnis
C Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Medizinische Grundlagen
2.1 Präoperative Bildgebung in der Neurochirurgie
2.1.1 Konventionelles MRT, CT und Angiographie
2.1.1 Dynamisch-funktionelle MRT-Sequenzen
2.1.2 Neuronavigation
2.2 Intraoperative Bildgebung zur zerebralen Perfusionsvisualisierung
2.2.1 Fluoreszenzgestützte Techniken
2.2.2 Ultraschall
3 Thermographie
3.1 Physikalische Grundlagen
3.2 Anwendung der Thermographie in der Medizin
4 Zielstellung
5 Material und Methoden
5.1 Thermographische Messung
5.1.1 Messaufbau
5.1.2 Messinstrumentarium
5.1.3 Ablauf der Kältebolus-Messung
5.1.4 Simultane Erfassung des Infrarot- und ICG-Signals
5.2 Methoden der Datenverarbeitung
5.2.1 Vorverarbeitung der Daten
5.2.2 Hauptkomponentenanalyse
5.2.3 Bigauss-Algorithmus
5.3 Auswahl des Patientenkollektivs
6 Ergebnisse
6.1 Patientenkollektiv
6.2 Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse
6.3 Ergebnisse des Bigauss-Algorithmus
6.4 Manuelle Analyse und ICG-Fälle
6.4.1 Schlussfolgerungen der manuell analysierten ICG-Kälteboli
6.4.2 Ergebnisse aller manuell analysierten Kälteboli
6.5 Entwicklung des AKE-Algorithmus
6.6 Ergebnisse des AKE-Algorithmus
6.6.1 Allgemeine Kälteboluscharakteristik
6.6.2 Kältesignalparameter in Abhängigkeit der Injektionsparameter
6.6.3 Kältesignaldetektion als interpathologischer Vergleich
6.6.4 Kältesignaldetektion als intrapathologische Analyse
7 Diskussion
7.1 Vergleich der Verfahren der Kältesignaldetektion
7.2 Einflussfaktoren
7.2.1 Vitalparameter
7.2.2 Injektionsparameter
7.3 Bedeutung der Kältesignalparameter
7.4 Potential der Kältebolusdetektion in Pathologien mittels AKE-Algorithmus
7.4.1 Glioblastom
7.4.2 Maligner Hirninfarkt
7.4.3 Neurovaskuläre Pathologien
7.5 Thesen
8 Zusammenfassung / Summary
9 Literaturverzeichnis
10 Danksagung
11 Anlage 1
12 Anlage 2
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:74503 |
| Date | 22 April 2021 |
| Creators | Schreiter, Valentin |
| Contributors | Kirsch, Matthias, Steiner, Gerald, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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