Mikrosystemtechik in der Medizin SS16

Mikrosysteme in der minimal invasiven Therapie von Hirngefäßerkrankungen

• Digitale Subtraktion-Angiografie. Zwei Bildaufnahmen, eine Maske und ein Bild mit Gefäßdarstellung mit Konstrastmittel. Details werden besser sichtbar

Schlaganfall “Hirnschlag”

• 85% ischämisch, 15% blutig

• 80% vordere Zirkulation, 20% hintere Zirkulation

• Symptome: Hemisphärensymptomatik, Kopfschmerzen, Drehschwindel, Abweichung der Augenbewegungen, Motorische und sensible Ausfälle im Gesicht, Erbrechen, Bewusstseinsverlust

• \(\frac{150}{150 000}\) Personen jährlich einen Hirnschlag

• 50% sind älter als 75

• Jeder 6. jünger als 65

• Todesursache Nr. 3 (1. Herzerkrankung, 2. Krebs)

Folgen:

• \(\frac{1}{3}\) der Patienten stirbt,
• \(\frac{1}{3}\) zeitlebens auf fremde Hilfe angewiesen
• \(\frac{1}{3}\) erholt sich mehr oder weniger vollständig

Schnelles Handeln ist erforderlich, nach \(8 - 12\) Stunden kann nicht mehr viel gerettet werden. Wichtigste Faktoren für einen erfolgreichen klinischen Verlauf: Rekanalisation und Zeit.

Behandlung: Kombiniert, Medikamentös i.v., Mechanisch und Medikamentös i.a.

Mechanisch heute: Thrombektomie mit Stentretriever und Thrombusaspiration mit Saugkatheter/Saugsystem

Aneurysmabehandlung

66-98% aller Aneurysm sind sakkuläre Aneurysmen.

• 85% vordere Zirkulation (Stromgebiet der Arteria carotis interna)
• 15% hintere Zirkulation (Stromgebiet der A. vert./basilaris)
• Erworben
• Einteilung nach Morphologie, Größe, Lokalisation und Ätiologie
• Morphologie: Sakkulär, fusiform, disseziert
• Nachweis eines einzelnen Aneurysma in 70-75% mehrerer Aneurysmen in 25-30%
• Lokalisation: am häufigsten Circulus arteriosus wilisii
• Ätiologie: Arteriosklerose, Vakulopathie, “High Flow Status”. Selten: Tramua, infektiös, Drogenabusus, Neoplasmen

Epidemiologie:

• Endogene Faktoren:
  • Blutdruck
  • Hämodynamik
  • Arteriosklerose
  • Inflammatorische Reaktion
• Exogene Faktoren: Rauchen, Alkohol
• Genetische Faktoren

Inzidenz: 0,4 - 10 %. In Deutschland 1,9% (1,5 - 2 Mio Menschen mit Aneurysma). Altersgipfel: 6. Dekade (F:M = 1,6:1)

SAB Grund für ca \(\frac{1}{4}\) der zerebrovaskulären Todesursache

Bluting: Frühe Reblutung innerhalb von Stunden in ca. 15%, 20% innerhalb der ersten 2 Wochen, 33% im ersten Monat, 50% innerhalb von 6 Monaten. Mortalität bei Reblutungen: 50%

Behandlung:

• Operativ durch Clipping
• Endovaskulär durch Ausfüllen der Gefäßaussackungen mit Platinspiralen, selten durch direktes Ausschalten mit Stent oder durch Einbringen von Flüssigembolisat

Zusammenfassung

Schlaganfall:

• Ab einer Thrombuslänge von 7-8 mm ist eine intravenöse Behandlung des Thrombus nicht erfolgsversprechend
• Mechanische Verfahren wie Clotretrieving führen wesentlich häufiger zu Gefäßwiedereröffnungen als der Versuch lokal mit Medikamenten die Blutgerinnsel aufzulösen

Hirnaneurysma:

• Bei der Behandlung von gebluteten Aneurysmen ist die Behandlung durch das Gefäßsystem (endovaskulär) die Behandlung der Wahl und damit der Operation mit Verwendung von Clips überlegen
• Platinspiralen können heutzutage in wenigen Sekunden abgelöst werden
• Viele verschiedene Konfigurationen und Weichheitsgrade der Platinspiralen ermöglcihen eine bessere Aneurysmabehandlung mit besserer Verschlussrate und Reduktion der Rezidive/Nachbehandlungen
• Additive Behandlung mit Stents und Ballons verbessern die Behandlungsergebnisse
• Flow diverter = Flussbegradiger sind eine neue Behandlungsbmöglichkeit ohne Platinspiralen große und gigantische Aneurysmen zu behandeln

Möglichkeiten der computergestützten Diagnostik

Pathologie: Pathos = Leid, Logos = Wort. Lehre der Krankheiten, Zusammenhang von Krankheitssymptomen und den morphologischen Veränderungen in den Organen

Diagnostische Strategie in der Pathologie:

• Makroskopie: Auge
• Mikroskopie: x 1 000
• Elektronenmikroskopie: x 100 000
• Molekularpathologie: DNA, RNA, Proteine
• Immunhistochemie: Proteine
• Histochemie: Enzyme, Molekülklassen

Immunhistologie: Untersuchung von Antigenen in einem Gewebe mittels Antikörpermarkierung. Primärtumorsuche, Tumorprognose, Tumorbestimmung

Computational Pathology: Sämtliche Felder der Pahtologie, bei der für die Ergebniserstellung computergestützte Verfahren verwendet werden. Bereiche:

• Zytometrie
• Morphometrie / quantitative Pathologie
• Telemedizin
• Molekulare Pathologie
• Virtuelle Pathologie
• Computerassistierte Diagnostik

Slide Scanner → Virtualisierungssoftware → Quantifizierungssoftware

Hoher Speicherbedarf. Histologischer Schnitt etwa \(1 cm^2\) bei einer Auflösung von \(0.2µm^2\) pro Pixel. Jeder Schnitt unkomprimiert 7,5GB, nach Kompression 0,7-1,2GB. Täglich 500 Schnitte. Jährlicher Speicherbedarf also 150-250TB!

Algorithmen:

• Grauwert Schwellwerte
• Vergleich vordefinierter Bildareale
• Berechnung von lokalen Grauwert Maxima und Minima
• Grauwerttransformation (Spektralanalyse)
• Stochastische Geometrie (Suche nach nicht-stationären Arealen)

Überleben in Abhängigkeit von Krebszelleigenschaften

• Kernzytometrie: Feulgen gefärbte Tupfpräparate oder Gewebeschnitte. Messung der integrierten optischen Dichte (IOD).
• Prognostische Parameter: Aneuploidie, S-Phasenfraktion, Anteil der Tumorzellen mit IOD \(> 5\) c, Entropiefluß der IOD

Morphometrie: Quantitative Erfassung von Gewebeeigenschaften (Proliferationsindex, Hormonrezeptorstatus), Berechnung von Strukturparametern (Strukturele Entropie, Sterische Beziehungen)

Beziehung zwischen Funktion und Struktur:

• Lebender Organismus: Funktion und Struktur
• Leiche: Struktur ohne Funktion
• Geist: Funktion ohne Struktur

Lebende Organismen (Zellen) können als offenes thermodynamisches System mit vier verschiedenen Stadien angesehen werden:

• quasi-stationäre Phase (G0)
• nicht stationäre Phasen (Reproduktion, Regeneration, Disintegration)

Ziel der Zellteilung: Vergrößerung des Entropieraumes \(S_A\) oder \(V_B + V_c \Rightarrow max\). Je mehr “gleiche” Tochterzellen entstehen, desto effizienter ist die Zellteilung. Die Regelmäßigkeit der zellulären Struktur reflektiert die Effizienz und den Einfluß der Eintropie auf die beteiligten Zellen, d.H. auf das Organ oder das beobachtete Kompartement. Deswegen kann die Entropie zur Berechnung des Grades der Abnormalität und der Effizienz herangezogen werden. Die strukturelle Entropie ist somit eine Maßzahl der zellulären Funktion.

Entropie: Beschreibt sämtliche mögliche Mikrozustände, die innerhalb eines Systems realisiert werden können. Je mehr Mikrozustände, desto höher die Entropie.

Entropie beschreibt eine statistische Wahrscheinlichkeit. Sie misst das Maß der Unsicherheit bezüglich eines Ereignisses, das mit einer gegebene Wahrscheinlichkeit eintritt. Shannon definiert die Entropie als den mittleren Informationsgehalt eines Zeichens in einer Zeichenkette. Zumeist angewandte Formel: \(S = - \sum{\pi * ln(\pi)}\)

Annahme: Es existiert ein begrenzter punkt-orientierter Raum (pixel). Objekte bestehen aus (zusammenhängenden) Pixeln, i.e. Punkte, Fasern und Kreisen. Die Intensität eines Bildelements bestimmt die Informationsintensität. Orte hoher Objektdichte reflektieren einen hohen Informationsgehalt.

Elemente in gewebe-basierter Diagnosen. Direkte Bildinformation (Textur, Objekte, Struktur und verteilung). Indirekte Information (Umgebung, Farbraum, Klinik). Kombination von Objekt-Klassifikation und Textur-Klassifikation sollte zu endgültiger Diagnose führen.