Lehrstuhl für Bildverarbeitung

Institute of Imaging & Computer Vision

Digitale Bildanalyse ermoglicht neueMethoden der Krebsdiagnostik

Til Aach and Andre Bell and Alfred Bocking and DietrichMeyer-Ebrecht and Timna Schneider and Thomas Wurflinger

in: RWTH Themen (ISSN: 0179-079X). See also BIBTEX entry below.

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and Timna Schneider and Thomas W{\"u}rflinger},title = {Digitale {B}ildanalyse erm{\"o}glicht neue {M}ethoden der {K}rebsdiagnostik},journal = {RWTH Themen (ISSN: 0179-079X)},volume = {2},year = {2006},pages = {8--11}}

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InformatikInformations-technik

Til Aach, André Bell, Alfred Böcking, Dietrich Meyer-Ebrecht,

Timna Schneider, Thomas Würflinger

einer Reihe von Transformatio-nen des Erbgutes, der DNS, dieunter anderem zu einer patho-logisch gesteigerten Zelltei-lungsrate sowie zur Störung desGleichgewichtes zwischen Zell-teilung und Zelltod führen. DieZytopathologie verfügt über ei-ne Vielzahl von Analysemetho-den, um in mikroskopischenPräparaten Tumorzellen undderen Vorstufen zu entdeckenund bezüglich des Tumortypszu klassifizieren. Analysiert wer-den hier nicht nur die Form desZellkerns und des ihn umge-benden Zytoplasmas, sondernauch Zellkerneigenschaften wieDNS-Gehalt, Chromatinmusteroder das Vorhandensein be-stimmter Kernproteine. Hinzukommen so genannte immun-zytochemische Marker, die dasAuftreten von für den Tumor-typ spezifischen Proteinen sig-nalisieren. Mit diesen Metho-den können bösartige Tumoreauf Zell- und Zellkernebene umMonate bis Jahre früher als mitallen anderen Methoden ent-deckt und oft auch präzise be-züglich der notwendigen The-rapiemaßnahmen eingeordnetwerden. Die Gewinnung zyto-logischer Präparate ist zudemkaum mit Unannehmlichkeiten,Schmerzen oder gar den Risi-ken eines blutigen Eingriffs ver-bunden: Untersuchungsmaterialwird mittels Abstrichen vonSchleimhäuten, als Sedimentaus Körperflüssigkeiten oder als

Punktat mit einer sehr feinenNadel aus den inneren Orga-nen gewonnen.

Die zytopathologische Diag-nostik stützt sich heute weitge-hend auf eine visuelle Inspekti-on der Zellpräparate unter demMikroskop. Hierfür ist ein lang-jähriges Training erforderlich.Für breit angelegte Vorsorge-programme steht derart ge-schultes Fachpersonal jedochnicht im ausreichenden Umfangzur Verfügung. Ziel unserer Ar-beit ist es deshalb, ein maschi-nelles, digitales Bildauswerte-verfahren zur quantitativen Zell-analyse zu entwickeln, das die-se Lücke schließen kann. Einweiterer positiver Effekt für diediagnostische Qualität ist, dassquantitative Verfahren in ihrerInterpretation weit weniger in-ter- und intraindividuellenSchwankungen unterworfensind als eine rein visuelle, sub-jektive Bildinspektion.

Diesen Weg geht ein schonüber Jahre bekanntes Verfah-ren, das jetzt mit modernerBildverarbeitungstechnik undverbesserten Algorithmen – vorallem als Kernelement der un-ten beschriebenen Multimoda-len Zellanalyse – an Bedeutunggewinnt: die DNS-Bildzytome-trie, Bild 1. Als Indikator für dieTransformation zu einer Krebs-zelle dient der DNS-Gehalt imZellkern. Belegt wird die Kausa-lität zwischen Veränderungendes DNS-Gehaltes und bösarti-

ger Entartung einer Zelle durchneuere zellbiologische For-schungsarbeiten. Digitale Mi-kroskopbildverarbeitung machtden DNS-Gehalt messbar: Derauf den Objektträger aufge-brachte Zellabstrich wird mit ei-nem Farbstoff, der Feulgen-Färbung, eingefärbt, der sich andie DNS anlagert, Bild 2. DieFarbstoffmenge ist hierbei pro-portional zum DNS-Gehalt. Indigitalisierten Mikroskopbildernwerden nun die Zellkerne auto-matisch segmentiert, siehe Bild3, und anschließend die inte-grale optische Dichte der Feul-gen-Färbung innerhalb der sogefundenen Zellkernfläche ge-messen. Sie liefert nach geeig-neten Normierungs- und Kor-rekturschritten ein zuverlässigesMaß für den DNS-Gehalt. Andie Stelle einer subjektiven Be-urteilung des starken Variatio-nen unterworfenen Erschei-nungsbildes der Zellen tritt jetztdie Beurteilung einer Messkur-ve, die die Häufigkeitsvertei-lung des über mehrere hundertZellen ermittelten DNS-Gehal-tes wiedergibt. Für eine Ent-scheidung zwischen unauffälli-gem, auffälligem und positivemBefund werden standardisierteGrenzwerte vorgegeben.

Computergestützte Mess-verfahren lösen allerdings einegrundsätzliche Problematik derPräventivdiagnostik noch nicht,wie ein Zahlenbeispiel aus derGebärmutterhalskrebs-Vorsorge

Digitale Bildanalyse ermöglicht neue Methoden der Krebsdiagnostik

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UÜber 200.000 Todesfälle wer-den jährlich allein in Deutsch-land durch Krebs verursacht.Dies ist ein Appell an die For-schung, verstärkt an zuverlässi-geren Früherkennungsmetho-den zu arbeiten. Denn dieChancen für eine langfristigeHeilung sind umso höher, jefrüher therapeutisch eingegrif-fen wird. Im Frühstadium zeigteine bösartige Tumorerkran-kung jedoch selten deutlichsichtbare oder spürbare Sym-ptome. Präventive Untersu-chungsprogramme sind deshalbeine unabdingbare Vorausset-zung für eine wirksame Vorsor-ge. Daher sind wirtschaftlicheinsetzbare Diagnoseverfahrengefragt, die ohne belastendeUntersuchungen auskommenund eine hohe diagnostischeTreffsicherheit garantieren. Eininterdisziplinäres Team amLehrstuhl für Bildverarbeitungverfolgt dieses Ziel in enger Zu-sammenarbeit mit Cytopatholo-gen der Universität Düsseldorf.

Für eine frühe Krebsdiagnos-tik sind Zelle und Zellkern auf-schlussreicher als eine Diagnos-tik an Gewebeschnitten oderOrganabbildungen. Krebs ent-steht in einzelnen Zellen nach

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Bild 1: Prototyp des Arbeitsplatzes zur Multimodalen Zellanalyse im Lehrstuhl für Bildverarbeitung.

Bild 2: Zellen aus einem follikulären Karzinom der Schilddrüse in Feulgen-Färbung, deren Kerne in Abhängigkeit von ihrem DNS-Gehalt bläulich erscheinen.

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Computergestützte Zytopathologie liefertfrühzeitige und treffsichere Diagnosen

Bild 3: Zellen aus Bild 2 mit rot ein-gezeichneter Berandung derautomatisch segmentiertenZellkerne.

Bild 4: Zellen aus Bild 2, hier jedochin sogenannter MGG-Färbung,die Formeigenschaften dar-stellt. Die Zellkerne erscheinendunkelblau, und das umgeben-de Zytoplasma hellblau.

Bild 5: Zellen aus Bild 2 in der Silber-Färbung,die sich an spezielle Kernproteine an-lagert. Das Zytoplasma erscheint hell-braun und die Zellkerne dunkelbraun.

verdeutlicht: Für die Treffsicher-heit wird eine Sensitivität vonmaximal 80 Prozent und eineSpezifität von bis zu 98,8 Pro-zent angegeben. Die Sensiti-vität bezeichnet hierbei denProzentsatz von den tatsächlichvorhandenen Erkrankungsfäl-len, die von dem Diagnosever-fahren erkannt werden. Umge-kehrt steht die Spezifität fürden Anteil der tatsächlich ge-sunden Frauen, die als solchediagnostiziert werden. Für Ge-bärmutterhalskrebs wird inDeutschland eine Inzidenz vonjährlich 15 Neuerkrankungenpro 100.000 Frauen genannt.Bei 100.000 Untersuchungenwürden bei einer 80-prozenti-gen Sensitivität zwölf der 15Neuerkrankungen entdeckt,drei dagegen übersehen. Ande-rerseits wird bei 1,2 Prozentoder rund 1.200 der untersuch-ten gesunden Frauen fälschlicheine Erkrankung diagnostiziert.Dadurch werden Ängste ge-weckt, Nachuntersuchungenmit weiteren Arztbesuchen derPatientin sind erforderlich undmöglicherweise kommt es so-gar zu unnötigen operativenEingriffen. Für die Vorsorgedia-gnostik sind diese Folgen einerunzureichenden Spezifität einwesentliches Hindernis.

Sensitivität und Spezifitäteines Diagnoseverfahrens sindgegenläufig miteinander ver-knüpft. Sollen möglichst alle Er-

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krankungen durch Vorgabe ge-eigneter, enger Grenzwerte er-kannt werden, würde das Dia-gnoseverfahren dadurch sensiti-ver aber gleichzeitig wenigerspezifisch. Das heißt, die An-zahl der fälschlich als erkranktdiagnostizierten Personen wür-de steigen. Umgekehrt werdenDiagnoseverfahren wenigersensitiv, wenn die Spezifitätdurch Vorgabe weniger engerGrenzwerte erhöht wird. Ausdiesem Dilemma helfen nur zu-verlässigere Diagnoseverfahren,also die Verbindung einer ho-hen Sensitivität mit einerannähernd 100-prozentigenSpezifität. Kein Diagnosever-fahren genügt allein für sichdiesem Anspruch. Bei unsiche-ren Befunden werden deshalbweitere Verfahren hinzugezo-gen, so genannte adjuvanteVerfahren, die komplementäreInformationen hinzufügen, in-dem das Untersuchungsmateri-al mit unterschiedlichen Farb-stoffen oder immunzytochemi-schen Markern präpariert wird.So kann beispielsweise nach ei-ner morphologischen Färbung,Bild 4, eine Feulgen-Färbung

für die DNS-Zytometrie, Bild 2,erfolgen oder eine Silbernitrat-Färbung, Bild 5, für eine Analy-se signifikanter Kernproteine,die Indikatoren für die Zelltei-lungsaktivität sind.

Der Schlüssel zu einerhöheren diagnostischen Zuver-lässigkeit liegt also in der Zu-sammenführung sich ergänzen-der Analysen. Eine bisher nichterreichte Treffsicherheit kannerzielt werden, wenn die Analy-seergebnisse jeder der einge-setzten Färbungen oder Mar-kerbehandlungen darüber hin-aus auf individuelle Zellen be-zogen werden können, Bild 6,anstatt lediglich pauschal fürein Zellkollektiv oder gar fürunterschiedliche Präparate er-hoben zu werden. Das For-schungsprojekt MultimodaleZellanalyse (MMZA) konntezeigen, dass dies durch Nut-zung speziell entwickelter Bild-verarbeitungsverfahren reali-sierbar ist. Dazu wird ein Prä-parat wiederholt entfärbt underneut präpariert. Da die Zellengut am Objektträger fixiertsind, können bereits in einer er-sten Färbung analysierte Zellen

bei der Folgeanalyse in andererFärbung durch das computer-gesteuerte Mikroskop, Bild 1,wieder angefahren werden. Einkomplexer automatisierter Re-chenprozess bringt die umge-färbten Zellkerne, deren Durch-messer bei acht bis zehn Mikro-meter liegt, bildpunktgenau zurDeckung. Es zeigte sich, dassbeispielsweise bei Schilddrüsen-zellpräparaten Tumorzellendurch zwei aufeinander folgen-de Analysen in verschiedenenFärbungen sicher entdeckt wer-den. Ein dritter Analyseschritterlaubt erstmalig, diese Tumor-zellen vor einem invasiven Ein-griff in gutartige und bösartigeTumore zu differenzieren. Dasist ein unschätzbarer Vorteil,denn im ersten Fall ist auf dieseWeise eine operative Entfer-nung der Schilddrüse vermeid-bar.

Dieses Verfahren erscheintzunächst aufwändig. Jedochsorgt die schrittweise Einen-gung des Unsicherheitsberei-ches für die nötige Effizienz.Die Grenzwerte für den Ab-bruch der Analyse werden aufjeder Stufe so gesetzt, dass die

Sensitivität ausreichend hochist. Zwischen „sicher-krebsne-gativ” und „sicher-krebsposi-tiv” verbleibt eine Zone vonPräparaten mit verdächtigenZellen. Nur diese müssen weite-ren Färbungen und Bildanalyse-schritten unterzogen werden,Bild 7. Der Aufwand für Folge-analysen hält sich so in Gren-zen, auch wenn im erstenSchritt die Sensitivität zu Lastender Spezifität hoch getriebenwerden muss, um das Restrisikoeines übersehenen Befundes zuminimieren. Im Verband ebnendiese Maßnahmen den Weg füreine verantwortbare und be-zahlbare bildverarbeitungsge-stützte Krebsfrühdiagnostik.Das Forschungsprojekt Multi-modale Zellanalyse (MMZA)wird durch den Viktor-und-Mir-ka-Pollak-Fond für biomedizini-sche Technik gefördert.

Autoren:Univ.-Prof. Dr.-Ing. Til Aach istInhaber des Lehrstuhls für Bild-verarbeitung. Dipl.-Ing. AndréBell ist Wissenschaftlicher Mit-arbeiter am Lehrstuhl für Bild-verarbeitung. Prof. Dr. med.Alfred Böcking ist Direktor desInstituts für Cytopathologie ander Heinrich-Heine-Universitätin Düsseldorf. Univ.-Prof. i.R.Dr.-Ing. Dietrich Meyer-Ebrechtwar Leiter des Lehrstuhls fürBildverarbeitung. Dipl.-Inf. Timna Schneider und Dipl.-Inf.Thomas Würflinger sindWissenschaftliche Mitarbeiteram Lehrstuhl für Bildverarbei-tung.

http://www.lfb.rwth-aachen.de/mmza

Bild 6:Ergebnisse der DNS-Messung aus Bild 3 und der Kernprotein-Analyse aus Bild 5, zusammengefasst an identischen Zellen.

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GRÜNENTHAL ist ein unab-hängiges, forschendes undinternational tätiges Pharma-unternehmen. Die Zukunfts-sicherung durch innovativeForschung ist ein wesentlicherBestandteil unserer Unterneh-mensphilosophie. Mit hohemEngagement konzentrieren wiruns auf unseren eigenen Weg:das Schmerz-Management in relevanten Indikationen.

D E R E I G E N E W E G

GRÜNENTHAL GMBH

52099 Aachen, Deutschland

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Kontakt: Andrea Lenzen, Unternehmensbereich Personal, E-Mail: andrea.lenzen@grunenthal.com

Bild 7: Vorgehen der Krebsdiagnose durch Multimodale Zellanalyse: Nur Zellpräparate, deren Auswertungnicht zu einer sicher positiven oder negativen Diagnose führen, werden weiteren adjuvanten Analyseschritten unterzogen.

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