Fourieranalyse zweidimensionaler dynamischer Bilder für die quantitative und qualitative Bewertung der Magenperistaltik

Störungen der Magenfunktion mit typischen Symptomen wie
Völlegefühl, Übelkeit, Erbrechen und epigastrischen Schmerzen sind
im klinischen Alltag häufig. Für eine differential- und
artdiagnostische Beurteilung der Störung sind Kenntnisse über zwei
grundlegende Funktionsparameter wünschenswert: die Magenentleerung
und die Magenperistaltik. Dies kann durch spezielle
Auswertalgorithmen im Rahmen einer szintigraphischen
Magenentleerungsstudie realisiert werden, wobei aktuell zwei
Lösungsansätze diskutiert werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war
es, zwei Verfahren zur Motilitätsanalyse, die Phasenanalyse
zweidimensionaler dynamischer Bilder mit der Methode der
kondensierten Bilder, zu vergleichen. Das methodische Konzept des
erstgenannten Verfahrens basiert auf der pixelweisen Analyse
zweidimensionaler dynamischer Bilder. Hierbei wird die Information
einer ROI („Region of Interest“) einer dynamischen Studie für jedes
Einzelpixel in Form einer Zeit-Aktivitäts-Kurve gespeichert. Die
Änderung der Aktivität über die Zeit wird mittels
Fast-Fourier-Transformation (FFT) analysiert. Als Folge der
FFT-Analyse erhält man für jedes Pixel ein
Frequenz-Amplituden-Histogramm, wobei die Amplitudenwerte einer
Frequenz-Reihe zugeordnet werden. Die Amplitudenhöhen werden zur
Visualisierung als Grauwert (oder Farbwert) kodiert und als
parametrische Amplitudenbilder in einer zweidimensionalen Matrix
dargestellt. Die Amplitudenwerte werden topographisch eingeordnet,
womit eine örtliche Zuordnung der Amplituden-Maxima im Magen
ermöglicht wird. Zusätzlich können so genannte Phasenbilder durch
eine Farbkodierung (bzw. Grauskalenkodierung) der in derselben
Bewegungsphase befindlichen Areale des Magens erstellt werden. Ein
typisches Streifenmuster einer geordneten Magenperistaltik kann
visuell sehr einfach von einem ungeordneten, pathologisch
veränderten Muster unterschieden werden. Die Referenzmethode der
Analyse der Magenperistaltik erfolgt an kondensierten Bildern.
Letztere werden erzeugt, indem von jedem Einzelbild einer
dynamischen Studie der Informationsgehalt eines Bildausschnittes
(eine ROI über dem Magen) durch zeilenweise Addition der
Pixelinhalte in eine Spalte überführt wird. Chronologisch
aneinandergereiht bauen die Spalten aller Bilder eine
Ort-Zeit-Matrix auf, in der die X-Koordination die Zeit und die
Y-Koordination die räumliche Aktivitätsänderung im Magen
repräsentieren. Ein Pixel entspricht jeweils der Einzelbilddauer
des Aufnahmeprotokols. Zur Verfügung standen bereits akquirierte
Magenszintigraphie-Studien, die bislang nur mit der Methode der
kondensierten Bilder ausgewertet worden waren. Mit Hilfe der für
die vorliegende Arbeit entwickelten Software wurden die
quantitativen Parameter der Peristaltik für die jeweiligen
untersuchten Patienten erneut ermittelt. Für vergleichende
Auswertungen lagen von allen Patienten quantitative Daten zur
Entleerungsfunktion (Entleerungsrate) und Peristaltik (Amplitude
und Frequenz der Magenkontraktionen), ermittelt mit der
Referenzmethode, vor. Die vorliegenden Untersuchungsergebnisse
zeigen, dass sich auch mit der neu entwickelten Methode die
Kenngrößen der Magenperistaltik valide bestimmen lassen.
Übereinstimmend mit zahlreichen Arbeiten zur Physiologie und
Pathophysiologie der Magenperistaltik lag die mit unserer Methode
gemessene Kontraktionsfrequenz um 3 min-1. Im Einklang mit anderen
Literaturberichten wurde auch im Rahmen dieser Studie beobachtet,
dass die Frequenz eine weitgehend konstante, von Art und Ausmaß
diverser Magenfunktionsstörungen unabhängige Größe darstellt.
Anders stellt sich der Sachverhalt für die Kontraktionsamplitude
dar. Letztgenannter Parameter wies in Abhängigkeit von der zugrunde
liegenden Erkrankung eine erhebliche Bandbreite auf. Dies kann als
Indiz für die gute Diskriminierungseigenschaft dieses Parameters
hinsichtlich der Abgrenzung normaler und pathologischer Befunde
gelten, auch ist die Angabe eines Schweregrades der Erkrankung
möglich. Wenngleich ein direkter Vergleich von Absolutwerten der
Kontraktionsamplituden mit Literaturdaten aufgrund methodischer
Unterschiede der verschiedenen Verfahren schwierig ist, stimmt doch
die Relation zwischen Normalbefunden und krankheitsspezifischen
Änderungen mit Literaturangaben überein. Dies kann als indirekter
Beleg für die Validität dieser Bestimmungen gelten. In einem
weiteren Ansatz wurden die Zusammenhänge zwischen der Entleerung
und den verschiedenen Kontraktionsparametern untersucht. Bei
Verwendung semisolider Testspeisen ließ sich kein direkter
Zusammenhang zwischen der Kontraktionsamplitude und Entleerungsrate
verifizieren. Dies könnte ein Hinweis dafür sein, dass die Passage
der semisoliden Mahlzeit nicht nur von der peristaltischen Kraft,
sondern von weiteren Größen (z.B. gastroduodenales Druckgefälle,
Pylorotonus) mitbeeinflusst wird. Fehlende Korrelationen zwischen
Entleerungsrate und Kontraktionsfrequenz der peristaltischen Welle
stützen die Annahme, dass letztgenannte Parameter nur eine
untergeordnete Rolle für die Magenentleerung spielen. Um die
Magenperistaltik und Entleerung in Abhängigkeit von
unterschiedlichen Krankheitsbildern zu beurteilen, wurden die 134
Patienten entsprechend ihrer Grunderkrankung in verschiedene
Kollektive unterteilt: Patienten mit Diabetes mellitus (n = 49),
Kollagenosen (n = 59), Gastritis (n = 18), Magenausgangsstenose (n
= 8). Die Daten dieser vier Gruppen wiesen im Vergleich zu einem
„Kontroll- Kollektiv“ deutliche Unterschiede hinsichtlich der
jeweiligen Entleerungsraten und Kontraktionsamplituden auf. Bei den
Patientenkollektiven „Diabetes“, „Kollagenosen“ und „Gastritis“
konnte die Konstellation einer verminderten
Magenkontraktionsamplitude und einer verzögerten Magenentleerung
festgestellt werden. Unter Behandlung mit einem Prokinetikum sind
solche Störungen reversibel (komplett oder teilweise). Dagegen kann
bei einer Magenausgangsstenose eine verzögerte Magenentleerung mit
einer noch normalen Magenperistaltik einhergehen. Das vorgestellte
methodische Konzept liefert in einem Untersuchungsgang Aussagen zur
Magenentleerung und -peristaltik. Die Methode eignet sich zur
Primärdiagnostik und differentialdiagnostischen Einordnung von
Magenfunktionsstörungen. Darüber hinaus könnte sich dieses neue
Verfahren auch für Verlaufs- und Therapiekontrollen und für die
Objektivierung der Wirksamkeit von Motilitätsreglern als wertvoll
erweisen. Eine parallele Erstellung von den Amplituden- und
Phasenbildern ermöglicht nicht nur die quantitative Einschätzung
der peristaltischen Bewegungen vom Mageninhalt, sondern erlaubt
auch die Amplitudenmaxima entsprechend der phasischen Zugehörigkeit
qualitativ einzuordnen. Eine kräftige geordnete Peristaltik kann
bei der Betrachtung der Phasenbilder mit einem typischen
Streifenmuster assoziiert werden. In den verschiedenen
Patientenkollektiven wurde anhand der Phasenbilder nach
gruppenspezifischen Mustern gesucht. Die zweidimensionalen
Amplitudenbilder zeigen fehlende konfluierende Amplitudenareale und
ein „Mottenfraß Muster“ als Korrelat für eine verminderte
Peristaltik. Die Betrachtung der Amplituden Bilder konnte keine
krankheitsspezifischen Veränderungen demonstrieren. Bei einer
Betrachtung der Amplituden- und Phasenbilder im niedrigfrequenten
Bereich wurde ein direkter Zusammenhang mit der
Magen-Entleerungsrate festgestellt. Die homogenen phasisch
zugeordneten Amplituden-Areale über Magen und Dünndarm im
niedrigfrequenten Teil des Amplitudenhistogramms befinden sich in
Contraphase. Diese Beobachtung ist neu und wurde in der bisherigen
Literatur bisher nicht beschrieben. Es handelt sich nach unserer
Hypothese um die Darstellung der Magenentleerung. Die dynamische
Magen-Szintigraphie ist durch einen standardisierten Ablauf,
geringe Strahlenexposition, Funktionalität und Nicht-Invasivität
gekennzeichnet. Daher ist sie als eine Funktionsuntersuchung unter
physiologischen Bedingungen anzusehen. Aus diesem Grunde ist diese
Methode für die Primäruntersuchungen, wie auch für Verlaufs- und
Therapiekontrollen geeignet. Im Vergleich zur klassischen
Magen-Szintigraphie benötigt die hier beschriebene dynamische
Magen-Szintigraphie eine geeignete Hardware (schnelles
Rechnersystem mit großen Speicherkapazitäten) und speziell
entwickelte Software. Für den Patienten und Untersucher bedingt der
Einsatz der hier beschriebenen Methode keinen Zusatzaufwand, führt
aber zu einem erheblichen Informationsgewinn. Im Vergleich zur
Referenzmethode der kondensierten Bilder bietet die
zweidimensionale dynamische Magen-Szintigraphie eine präzisere
Einschätzung der Magenperistaltik, bei einer komplexen
Magengeometrie. Die parallele Betrachtung der Amplituden- und
Phasenbilder erlaubt es auch bei normaler peristaltischer
Amplitude, eine diskoordinierte Magenperistaltik zu erkennen und zu
beurteilen. Die beiden Methoden sind nicht-invasiv, mit einer
geringen Strahlenexposition verbunden und unter physiologischen
Bedingungen durchführbar.