Morphometrie in der klinischen Pathologie: Allgemeine Grundlagen

263 Pages·1983·10.9 MB·German

by  Dr. med. Martin Oberholzer (auth.)

Martin Oberholzer
Morphometrie in der
klinischen Pathologie
Allgemeine Grundlagen
Mit einem Geleitwort von Hanspeter Rohr
Mit 80 Abbildungen und 67 Tabellen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg NewYork Tokyo 1983
Dr. med. MARTIN OBERHOLZER
Institut für Pathologie der Universität Basel,
Schönbeinstraße 40, CH-4056 Basel
ISBN-13:978-3-642-69102-7 e-ISBN-13:978-3-642-69101-0
DOI: 10.1007/978-3-642-69101-0
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Oberholzer, Martin: Morphometrie in der klinischen Pathologie: allg. Grundlagen / Martin
Oberholzer.
- Berlin ; Heidelberg; NewYork; Tokyo: Springer, 1983.
ISBN-I3:978-3-642-69102-7
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© by Springer-Verlag Berlin . Heidelberg 1983
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1983
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Meiner Familie
Geleitwort
Die experimentell wie auch klinisch-orientierte wissenschaftliche
Tätigkeit des Pathologen spielt sich heute mehr denn je in einem
interdisziplinären Umfeld ab. Dieser Umstand bedingt eine Bereit
schaft zum wissenschaftlichen Dialog. Eine fruchtbare Korrelation
von Befunden der Morphologie, der pathologisch veränderten Ge
webe- oder Zellstrukturen mit klinischen Ergebnissen bedingt eine
geeignete, kritisch gesichtete Präsentation pathologisch-anatomi
scher Fakten.
Eine Quantifizierung morphologischer Befunde ist heute unab
dingbare Voraussetzung für eine interdisziplinäre klinische For
schungsarbeit.
Erste Ansätze für den Einsatz dieser quantitativ-morpholgischen
Methoden im diagnostischen Bereich zeichnen sich ab. Diese auf
mathematisch-statistischen Axiomen beruhenden Methoden haben
sich in der experimentellen Pathologie seit Jahren vielfältig bewährt.
Im klinisch-pathologisch-anatomischen Bereich bei der Quantifizie
rung menschlichen Biopsiematerials hingegen eröffnet sich vor allem
methodisches Neuland und damit eine Vielzahl von komplexen Pro
blemen, deren Lösung auch vom erfahrenen "Morphometer" größte
Kritik und mathematisch-statistische Sachkenntnis abfordert.
Der Autor vermag in diesem Sinne mit seiner Monographie eine
Lücke zu schließen und eröffnet damit neue Perspektiven interdiszi
plinärer Zusammenarbeit. Seine Monographie wird wegweisend sein
und wertvolle neue Impulse setzen.
Wenn diese Monographie neben ihrer Funktion als Leitfaden
und Nachschlagewerk für jeden an der Stereologie Interessierten
auch noch anregt zu weiteren interdisziplinären Studien und zur
konsequenten Anwendung der Stereologie, dann dürfte dies für die
große Arbeit des Autors der wohl schönste Lohn sein.
Basel, 1983 HANSPETER ROHR
Vorwort
Morphometrisches Arbeiten in der klinischen Pathologie steht im
Spannungsfeld zwischen den theoretischen Erfordernissen der Me
thode und deren Verwirklichung in der Praxis. Geplante Projekte
sind durchführbar, wenn die Strukturelemente identifiziert, die
Systemfehler aufgedeckt und erkannt und der erforderliche Arbeits
und Zeitaufwand erbracht werden können.
Den beiden Polen dieses Spannungsfeldes entsprechend besteht
jede Arbeit in der klinischen Pathologie, die sich der Morphometrie
bedient, aus zwei Teilen: einem Teil, in dem transparent auf die
theoretischen und methodischen Aspekte und Probleme eingegan
gen werden muß, und einem zweiten, in dem die Resultate und deren
praktische Bedeutung diskutiert werden.
Das vorliegende Buch behandelt denn auch die wichtigsten theo
retischen Grundlagen, die für die Praxis von Bedeutung sind: Kennt
nisse über die hauptsächlichsten Anwendungsbereiche in der klini
schen Pathologie; Überblick über das praktische Vorgehen; Stel
lungnahme zur Durchführbarkeit morphometrisch-stereologischer
Untersuchungen; Kenntnisse der verschiedenen stereologischen
Axiome; Analyse der Artefakte und Beurteilung der Korrekturmög
lichkeiten; Schätzung der Größe der benötigten Stichprobe; Verwen
dung geeigneter statistischer Verfahren zur Analyse der Parameter.
Das Buch soll in diesem Sinne Wegweiser und Hilfsmittel für einen
erfolgversprechenden Einsatz der Methode in der klinischen Patho
logie sein.
Die Durchführung der vorliegenden Arbeit war zu einem großen
Teil dank einer engen Zusammenarbeit mit Mitarbeiterinnen und
Mitarbeitern des Institutes für Pathologie der Universität und des
Kantonsspitals Basel, mit Mitarbeitern der Zentralstelle für elektro
nische Datenverarbeitung des Finanzdepartementes des Kantons
Basel-Stadt und des Rechenzentrums der Universität möglich. Allen
jenen, die diese Arbeit unterstützt haben - durch Überlassen von
Untersuchungsmaterial, klinischen Daten und instruktiven Abbil
dungen, durch Herstellen von licht-und elektronenmikroskopischen
Präparaten, Vorlagen und Fotos -, sei an dieser Stelle ganz herzlich
gedankt.
x
Vorwort
Für anregende Kritik und anhaltende Unterstützung möchte ich
mich besonders bedanken bei Ph. U. Heitz, H. P. Rohr, P. Dalquen,
L. Bianchi, M. J. Mihatsch, W. Remagen, J. Torhorst und J. Ulrich,
M. Anderegg für die Zeichnungen, M. Spörri für die Herstellung des
Manuskriptes, H. R. Zysset und M. Nebiker für die Fotoabzüge,
M. Kaspar, U. Tschopp, R. Epper und M. Richner für die histologi
schen Präparate und H. Christen, P. Schmid und E. Perret für stati
stische Analysen.
Basel, Frühjahr 1983 MARTIN OBERHOLZER
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung.................... 1
2 Überblick über die wichtigsten Anwendungsbereiche der
Morphometrie in der klinischen Pathologie . . . . .. 5
2.1 Evaluation und Analyse diagnostischer
Hauptparameter . . . . . . . . . . . . . . . .. 5
2.2 Analyse pathophysiologischer Zusammenhänge. . .. 12
2.3 Objektivierung qualitativer Befunde in der pathologisch-
anatomischen Diagnostik . . . . . . . . . . .. 13
3 Praktisches Vorgehen bei morphometrischen Analysen 17
3.1 Fragestellung . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Definitionen stereologischer und morphometrischer
Parameter. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3 Stereologische und morphometrische Terminologie:
Das Problem der Standardisierung . . . . . . . 22
3.4 Analyse der Verteilung der Anschnitte von Partikeln
oder Strukturelementen in der Bezugsfläche:
"Quantitative Topographie" . . . . . . . . . .. 25
3.5 Wahl der Bezugsgrößen (Flächen oder Volumina) .. 37
3.6 Berechnung des Stichprobenumfanges und Festlegen
des Stichprobenauswahlverfahrens . . 41
3.7 Gewebepräparation . . . . . . . . . . . 43
3.8 Wahl von Testraster und Vergrößerung . . 44
3.9 Berechnung der stereologischen Parameter. 48
3.10 Statistische Analysen . . . . . . ;" . . . 51
4 Durchiuhrbarkeit morphometrisch-stereologischer
Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1 Darstellung und Identifizierbarkeit von
Kompartimenten und Partikeln 54
4.1.1 Spezifische Strukturmerkmale . . 54
4.1.2 Histochemische Färbemethoden . 54
4.1.3 Immunozytochemische Methoden 58
XII Inhal tsverzeichnis
4.2 Meßbarkeit von Strukturen . 61
4.3 Semiquantitative Messungen . 68
5 Stereologische Axiome und Berechnungsmöglichkeiten
der einzelnen Parameter . 69
5.1 Historische Entwicklung der Stereologie . 69
5.2 Stereologische Axiome und Hauptparameter 71
5.2.1 Volumendichte 72
5.2.2 Umfangdichte . 75
5.2.3 Oberflächendichte 76
5.2.4 Längendichte . 77
5.2.5 Numerische Flächendichte 78
5.2.6 Numerische Volumendichte 79
5.2.7 Kurvaturdichte 84
5.3 Kombinierte Parameter . 86
5.3.1 Volumen/Oberflächen-Quotient 86
5.3.2 Mittlere Dicke von Strukturelementen 88
5.3.3 Mittlere freie Distanz 96
5.3.4 Formindex für "tight junctions" der
Galle kapillaren 96
5.3.5 Numerische Oberflächendichte 100
5.4 Parameter der einzelnen Partikel 101
5.4.1 Mittlere Anschnittsfläche . 102
5.4.2 Mittlere Durchmesser und Sehnenlängen 102
5.4.3 Mittleres Volumen . 104
5.4.4 Mittlere Oberfläche 105
5.4.5 Formfaktor. 105
5.5 Aspekte der Berechnung stereologischer Parameter bei
Stichprobenanalysen mit mehreren Referenzgrößen
und/oder Vergrößerungsstufen . 111
5.6 Stereologische Berechnungen an Freeze-fracture- und
rasterelektronenmikroskopischen Bildern 113
6 Artefakte und Korrekturmöglichkeiten . 115
6.1 Artefakte durch geometrische Modelle, die die
biologischen Gegebenheiten nur unvollständig wiedergeben 116
6.2 Artefakte durch Gewebepräparation 118
6.2.1 Schrumpfungs- und Dehnungsartefakte . 118
6.2.2 Artefakte durch unterschiedliche Inflationsgrade
des Lungengewebes 123
Inhaltsverzeichnis XIII
6.2.3 Artefakte durch die Schnittdicke . . . . . 129
6.2.4 Artefakte durch die Lage der Schnittebene 133
6.2.5 Artefakte durch Kompression. . . . . . 140
6.2.6 Artefakte durch die Vergrößerung . . . . 142
6.3 Artefakte durch spezielle Stichprobenauswahlverfahren 142
6.3.1 Nucleus-biased-sampling . . . . . . . . .. 143
6.3.2 Artefakte durch unterschiedliche. Biopsiegrößen 148
6.4 Artefakte durch inadäquate Berechnungsmethoden 151
6.5 Grundsätzliche Überlegungen zur Korrektur von
Systemfehlern . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7 Einfache Stichprobentheorie für praktische
morphometrische Analysen . . . . . . . 156
7.1 Möglichkeiten der Stichprobenauswahl . 156
7.2 Berechnung der minimalen Stichprobengröße 162
7.2.1 Minimale Anzahl Trefferpunkte und minimale
Testlinienlänge über der Bezugsfläche sowie
minimale Größe der Bezugsfläche . . . . . 164
7.2.2 Minimale Anzahl Gesichtsfelder. . . . . . 169
7.2.3 Theoretische Zusammenhänge zwischen den
Parametern: Volumendichte, Dichte quadratischer
Testraster, Anzahl Gesichtsfelder, statistische
Sicherheit und mittlerer Fehler . . . . . .. 170
7.2.4 Berechnung des Stichprobenumfanges mit Hilfe
von Dispersionsmassen . . . . . . . . . .. 181
7.3 Beurteilung der Stichproben- oder Parameterqualität 185
8 Statistische Analysen in der Morphometrie 190
8.1 Deskriptive Statistik in der Morphometrie 191
8.1.1 Histogramme . . . 191
8.1.2 Lokalisationsmaße 191
8.1.3 Dispersionsmaße . 191
8.1.4 "Ausreißer". . . . 192
8.2 Prüft heorie . . . . . . 193
8.2.1 Informationsgehalt von Daten. 195
8.2.2 Prüfung auf Normalverteilung und
Verteilungs vergleiche . 195
8.2.3 Transformationen . . 196
8.2.4 Curve-Fitting-Analyse 196