Lasergestützte endoskopische Vermessung der großen Atemwege

Zusammenfassung

Die bronchoskopische Vermessung von Stenosen der großen Atemwege ist bisher nicht zufriedenstellend gelöst. Wir möchten im Folgenden unsere Methodik und die Ergebnisse der lasergestützten endoskopischen Vermessung von Atemwegsquerschnitten vorstellen. Neben der Bestimmung von Atemwegsquerschnitten kann mithilfe dieser Methode ein dreidimensionaler Datensatz rekonstruiert und visualisiert werden. Zur Bestimmung der Querschnittsflächen wird auf die Bronchialwand ein Laserlichtring projiziert. Der Laserlichtring kann im bronchoskopischen Bild mithilfe einer speziell entwickelten Software online segmentiert und vermessen werden. Die durch das Weitwinkelobjektiv bedingte Verzerrung des endoskopischen Bildes wird durch einen Bildverarbeitungsalgorithmus ausgeglichen. Das System wurde an Plastikröhrchen mit bekannten internen Diametern und an Schweineluftröhren getestet. Die realen Querschnittsflächen der Schweineluftröhren wurden nach der Endoskopie anhand von Trachealschnitten unter Zuhilfenahme einer verzerrungsfreien Video-Makro-Zoom-Linse bestimmt. Die Ergebnisse der Korrelation für die Plastikröhrchen (r = 0,99, p < 0,01) waren geringfügig besser als der Vergleich der Querschnittsflächen von Schweineluftröhren (r = 0,88, p < 0,01). Durch sequenzielle Aufnahme von Atemwegsquerschnitten konnten dreidimensionale Datensätze rekonstruiert und visualisiert werden. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen demonstrieren, dass das System der lasergestützten endoskopischen Vermessung mit guter Genauigkeit zur bronchoskopischen Bestimmung von Atemwegsquerschnitten einsetzbar ist.

Abstract

Bronchoscopy is the technique of choice for the evaluation of a stenosis in the large airways. However, no system has been successfully employed for the bronchoscopic measurement of airway stenosis. The purpose of these study was the development and validation of a method for measuring the cross-sectional areas in the large airways. Furthermore, this application should be used for the 3D-reconstruction and visualisation of airway stenosis. A laser probe inserted into the operating channel of the bronchoscope enabled assessment of the distance between the images and the tip of the bronchoscope by means of projecting a ring of light on to the endoluminal wall. Image distortion due to the wide-angle lens was corrected by a computer program developed by us. Plastic tubes with known diameters were used for validation. Additionally, distortion-corrected bronchoscopic images were compared with distortion-free videoscopic image analysis of tracheal slices taken from pigs. When plastic tubes were used, the correlation coefficient (r) was slightly higher (r = 0,99, p < 0,01) than the correlation of cross-sectional areas between bronchoscopic and videoscopic images of tracheal slices (r = 0,88, p < 0,01). Furthermore the system could be used in a few patients for 2D and 3D measurement and visualisation of airway stenosis. Application of the present method offer quantitative assessment of airway stenosis located in the large airways.

Literatur

• 1 Cotton R T. Pediatric laryngotracheal stenosis.  J Pediatric Surgery. 1984;  19 699-704
• 2 McCaffrey T V. Classification of laryngotracheal stenosis.  Laryngoscope. 1992;  102 1335-1340
• 3 Brody A S, Kuhn J P, Seidel F G. et al . Airway evaluation in children with use of ultrafast CT: pitfalls and recommendations.  Radiology. 1991;  178 181-184
• 4 Whyte R I, Quint L E, Kazerooni E A. et al . Helical computed tomography for the evaluation of tracheal stenosis.  Ann Thorac Surg. 1995;  60 27-30
• 5 Vossing M, Wassermann K, Eckel H E. et al . Peak flow measurements in patients with laryngeal and tracheal stenoses. A simple and valuable spirometric method.  HNO. 1995;  43 70-75
• 6 Yonemaru M, Kikuchi K, Mori M. et al . Detection of tracheal stenosis by frequency analysis of tracheal sounds.  J Appl Physiol. 1993;  75 605-612
• 7 Gelb A, Zamel N, Colchen A. et al . Physiological studies of tracheo-bronchial stents in airway obstruction.  Am Rev Respir Dis. 1992;  146 1088-1090
• 8 Wassermann K, Koch A, Warschkow A. et al . Measuring „in-situ” central airway resistance in patients with laryngotracheal stenosis.  Laryngoscope. 1999;  109 1516-1520
• 9 Burke A J, Vining D J, McGuirt W F. et al . Evaluation of airway obstruction using virtual endoscopy.  Laryngoscope. 2000;  110 23-29
• 10 Vining D J, Liu K, Choplin R H. et al . Virtual bronchoscopy. Relationships of virtual reality endobronchial simulations to actual bronchoscopic findings.  Chest. 1996;  109 549-553
• 11 Smith W E, Vakil N, Maislin S A. Correction of distortion endoscope images.  IEEE Trans Med Imaging. 1992;  11 117-122
• 12 Kouwenhoven E, Mast F, Rijk-Zwikker G L van. Geometrical reconstruction of images obtained with electronic endoscopy.  Phys Med Biol. 1993;  38 13-24
• 13 Vakil N, Smith W, Bourgeois K. et al . Endoscopic measurement of lesion size: improved accuracy with image processing.  Gastrointest Endosc. 1994;  40 178-183
• 14 Santos M C, Strande L, Doolin E J. Airway measurement using morphometric analysis.  Ann Otol Rhinol Laryngol. 1995;  104 835-838
• 15 Forkert L, Watanabe H, Sutherland K. et al . Quantitative videobronchoscopy: a new technique to assess airway caliber.  Am J Respir Crit Care Med. 1996;  154 1794-1803
• 16 Dörffel W V, Fietze I, Hentschel D. et al . A new bronchoscopic method to measure airway size.  Eur Respir J. 1999;  14 783-788
• 17 Deutsche Gesellschaft für Pneumologie - Arbeitsgruppe „Qualitätssicherung in der Bronchologie” . Empfehlungen zur bronchoskopischen Behandlung tracheobronchialer Verschlüsse, Stenosen und muraler maligner Tumoren.  Pneumologie. 1998;  52 243-248
• 18 Müller A, Schubert M, Begleites E. Noncontact three-dimensional laser measuring device for tracheoscopy.  Ann Otol Rhinol Laryngol. 2002;  111 821-827