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Endoskopische laserbasierte 3D-Bildgebung für klinische Echtzeitanalyse des menschlichen Kehlkopfes
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Autoren
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Reinhard Veltrup
- Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Hals-Nasen-Ohren-Klinik, Kopf- und Halschirurgie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
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Michael Schmidt
- Lehrstuhl für Photonische Technologien, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Deutschland
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Marc Stamminger
- Lehrstuhl für Graphische Datenverarbeitung, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, Deutschland
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Marion Semmler
- Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Hals-Nasen-Ohren-Klinik, Kopf- und Halschirurgie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
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Michael Döllinger
- Abteilung für Phoniatrie und Pädaudiologie, Hals-Nasen-Ohren-Klinik, Kopf- und Halschirurgie, Universitätsklinikum Erlangen, Erlangen, Deutschland
| Veröffentlicht: | 28. Oktober 2021 |
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Gliederung
Zusammenfassung
Hintergrund: Die klinische Laryngoskopie gehört zu den häufigsten HNO-Untersuchungen. Die Diagnose kann mangels standardisierter, objektiver Bewertungsparameter auch unter Experten variieren. Darüber hinaus wird bisher nur 2D-Bildgebung für die visuelle Beurteilung des Kehlkopfes und der Stimmlippen genutzt. Dabei würden Kenntnisse über die genaue 3D-Geometrie der Oberfläche und das dynamische Verhalten während der Phonation Rückschlüsse auf verschiedene Pathologien (morphologische Veränderungen oder funktionelle Störungen) zulassen. Im Rahmen eines interdisziplinären DFG-Projekts wird ein 3D-Laserendoskopie-System zur evidenzbasierten Echtzeitanalyse des Kehlkopfs entwickelt. Das Projekt basiert auf der Hypothese, dass die angestrebte multimodal basierte 3D-Bildgebung im klinischen Alltag langfristig einen deutlichen medizinischen Mehrwert liefert, da dieses neuartige Messsystem objektive und quantitative Aussagen für folgende Bereiche zur Verfügung stellt:
- nicht-invasive Vorsorgeuntersuchung
- Unterstützung der Diagnose
- Planung von chirurgischen Eingriffen
- Kontrolle des Therapieverlaufs
Material und Methoden: Zunächst ist das zentrale Ziel die Entwicklung des endoskopischen, laserbasierten Messsystems zur nicht-invasiven Echtzeitanalyse der sichtbaren 3D-Kehlkopfoberfläche. Dies wird durch die enge Zusammenarbeit eines interdisziplinären Teams aus Medizinern, Ingenieuren und Informatikern der FAU Erlangen-Nürnberg realisiert und unterteilt sich in drei übergeordnete Arbeitspakete:
- hardwareseitige Entwicklung der Aufnahmeeinheit
- softwareseitige Entwicklung der 3D-Echtzeitrekonstruktion
- experimentelle Validierung zur Lasersicherheit und klinische Funktionalität aller Hardware- und Softwarekomponenten
Langfristig werden im Rahmen einer großangelegten Studie an der HNO-Klinik des Universitätsklinikums Erlangen 3D-Aufnahmen von Probanden mit physiologischen und pathologischen Stimmlippenschwingungen durchgeführt.
Ergebnisse: Durch den Einsatz des neu entwickelten 3D-Laserendoskops im Rahmen der Studie erhalten wir einerseits grundlegendes Wissen über die zugrundeliegende Fluid-Struktur-Akustik Interaktion der Phonation, andererseits werden wir in der Lage sein, relevante anatomische und dynamische 3D-Parameter zu identifizieren, Normwerte zu bestimmen und Pathologien nach Schweregraden zu klassifizieren. Zusätzlich werden systematische Untersuchungen zur Wirkung von Laserstrahlung auf laryngealem Schleimhautgewebe durchgeführt, um eine Erweiterung der bestehenden Grenzwerte für Laserstrahlung im Bereich des Kehlkopfs zu überprüfen.
Fazit: Im Rahmen des DFG-Projekts wird Medizinern im HNO-Bereich ein neues 3D-Bildgebungsverfahren zur Verfügung gestellt, das die klassische, häufig erfahrungsbasierte Diagnostik (klinische Expertise) um eine evidenzbasierte Methode zur Bewertung und Parametrisierung der Stimmlippenoberfläche erweitert. Die Diagnostik soll mithilfe objektiver Parameter und der Einbeziehung der 3D-Stimmlippendynamik vereinfacht und besser vergleichbar werden.
Text
Hintergrund
Die klinische Laryngoskopie gehört zu den häufigsten HNO-Untersuchungen. Die Diagnose kann mangels standardisierter, objektiver Bewertungsparameter auch unter Experten variieren. Bis auf wenige Ausnahmen [1], [2], [3], [4], wird bisher hauptsächlich 2D-Bildgebung für die visuelle Beurteilung des Kehlkopfes und quantitative Analyse der Stimmlippenschwingung im klinischen Alltag genutzt. Dabei würden Kenntnisse über die genaue 3D-Geometrie der Oberfläche und das dynamische Verhalten während der Phonation Rückschlüsse auf verschiedene Pathologien (morphologische Veränderungen oder funktionelle Störungen) zulassen. Im Rahmen eines interdisziplinären DFG-Projekts wird ein 3D-Laserendoskopie-System zur evidenzbasierten Echtzeitanalyse des Kehlkopfs entwickelt. Das Projekt basiert auf der Hypothese, dass die angestrebte multimodal basierte 3D-Bildgebung im klinischen Alltag langfristig einen deutlichen medizinischen Mehrwert liefert, da dieses neuartige Messsystem objektive und quantitative Aussagen für folgende Bereiche zur Verfügung stellt
- nicht-invasive Vorsorgeuntersuchung
- Unterstützung der Diagnose
- Planung von chirurgischen Eingriffen
- Kontrolle des Therapieverlaufs
Material und Methoden
Zunächst ist das zentrale Ziel die Entwicklung des endoskopischen, laserbasierten Messsystems zur nicht-invasiven Echtzeitanalyse der sichtbaren 3D-Kehlkopfoberfläche. Dies wird durch die enge Zusammenarbeit eines interdisziplinären Teams aus Medizinern, Ingenieuren und Informatikern der FAU Erlangen-Nürnberg realisiert und unterteilt sich in drei übergeordnete Arbeitspakete:
- hardwareseitige Entwicklung der Aufnahmeeinheit
- softwareseitige Entwicklung der 3D-Echtzeitrekonstruktion
- experimentelle Validierung zur Lasersicherheit und klinische Funktionalität aller Hardware- und Softwarekomponenten
Langfristig werden im Rahmen einer großangelegten Studie an der HNO-Klinik des Universitätsklinikums Erlangen 3D-Aufnahmen von Probanden mit physiologischen und pathologischen Stimmlippenschwingungen durchgeführt.
Ergebnisse
Durch den Einsatz des neu entwickelten 3D-Laserendoskops im Rahmen der Studie erhalten wir einerseits grundlegendes Wissen über die zugrundeliegende Fluid-Struktur-Akustik Interaktion der Phonation, andererseits werden wir in der Lage sein, relevante anatomische und dynamische 3D-Parameter zu identifizieren, Normwerte zu bestimmen und Pathologien nach Schweregraden zu klassifizieren. Zusätzlich werden systematische Untersuchungen zur Wirkung von Laserstrahlung auf laryngealem Schleimhautgewebe durchgeführt, um eine Erweiterung der bestehenden Grenzwerte für Laserstrahlung im Bereich des Kehlkopfs zu überprüfen.
Fazit
Im Rahmen des DFG-Projekts wird Medizinern im HNO-Bereich ein neues 3D-Bildgebungsverfahren zur Verfügung gestellt, das die klassische, häufig erfahrungsbasierte Diagnostik (klinische Expertise) um eine evidenzbasierte Methode zur Bewertung und Parametrisierung der Stimmlippenoberfläche erweitert. Die Diagnostik soll mithilfe objektiver Parameter und der Einbeziehung der 3D-Stimmlippendynamik vereinfacht und besser vergleichbar werden.
Abbildung 1 [Abb. 1]
Literatur
- 1.
- Caffier PP, Nawka T, Ibrahim Nasr A, Thomas B, Müller H, Ko SR, Song W, Gross M, Weikert S. Development of three-dimensional laryngostroboscopy for office-based laryngeal diagnostics and phonosurgical therapy. Laryngoscope. 2018;128(12):2823-31. DOI: 10.1002/lary.27260
- 2.
- Semmler M, Döllinger M, Patel RR, Ziethe A, Schützenberger A. Clinical Relevance of Endoscopic Three-Dimensional Imaging for Quantitative Assessment of Phonation. Laryngoscope. 2018;128(10):2367-74. DOI: 10.1002/lary.27165
- 3.
- Ghasemzadeh H, Deliyski DD, Ford DS, Kobler JB, Hillman RE, Mehta DD. Method for Vertical Calibration of Laser-Projection Transnasal Fiberoptic High-Speed Videoendo-scopy. Journal of Voice. 2020;34(6):847-61. DOI: 10.1016/j.jvoice.2019.04.015
- 4.
- Deliyski DD, Shishkov M, Mehta DD, Ghasemzadeh H, Bouma B, Zañartu M, de Alarcon A, Hillman RE. Laser-Calibrated System for Transnasal Fiberoptic Laryngeal High-Speed Videoendoscopy. Journal of Voice. 2021;35(1):122-8. DOI: 10.1016/j.jvoice.2019.07.013
