Authors:	Döbrich, Marcus
Title:	Untersuchung zur Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation mittels CT und MRT
Online publication date:	11-Dec-2006
Year of first publication:	2006
Language:	german
Abstract:	Die zuverlässige Berechnung von quantitativen Parametern der Lungenventilation ist für ein Verständnis des Verhaltens der Lunge und insbesondere für die Diagnostik von Lungenerkrankungen von großer Bedeutung. Nur durch quantitative Parameter sind verlässliche und reproduzierbare diagnostische Aussagen über den Gesundheitszustand der Lunge möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue quantitative Verfahren zur Erfassung der Lungenventilation basierend auf der dynamischen Computer- (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Frage untersucht, ob das Aufblähen der Lunge in gesunden Schweinelungen und Lungen mit Akutem Lungenversagen (ARDS) durch einzelne, diskrete Zeitkonstanten beschrieben werden kann, oder ob kontinuierliche Verteilungen von Zeitkonstanten die Realität besser beschreiben. Hierzu wurden Serien dynamischer CT-Aufnahmen während definierter Beatmungsmanöver (Drucksprünge) aufgenommen und anschließend aus den Messdaten mittels inverser Laplace-Transformation die zugehörigen Verteilungen der Zeitkonstanten berechnet. Um die Qualität der Ergebnisse zu analysieren, wurde der Algorithmus im Rahmen von Simulationsrechnungen systematisch untersucht und anschließend in-vivo an gesunden und ARDS-Schweinelungen eingesetzt. Während in den gesunden Lungen mono- und biexponentielle Verteilungen bestimmt wurden, waren in den ARDS-Lungen Verteilungen um zwei dominante Zeitkonstanten notwendig, um die gemessenen Daten auf der Basis des verwendeten Modells verlässlich zu beschreiben. Es wurden sowohl diskrete als auch kontinuierliche Verteilungen gefunden. Die CT liefert Informationen über das solide Lungengewebe, während die MRT von hyperpolarisiertem 3He in der Lage ist, direkt das eingeatmete Gas abzubilden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde zeitlich hochaufgelöst das Einströmen eines 3He-Bolus in die Lunge erfasst. Über eine Entfaltungsanalyse wurde anschließend das Einströmverhalten unter Idealbedingungen (unendlich kurzer 3He-Bolus), also die Gewebeantwortfunktion, berechnet und so eine Messtechnik-unabhängige Erfassung des Einströmens von 3He in die Lunge ermöglicht. Zentrale Fragestellung war hier, wie schnell das Gas in die Lunge einströmt. Im Rahmen von Simulationsrechnungen wurde das Verhalten eines Entfaltungsalgorithmus (basierend auf B-Spline Repräsentationen) systematisch analysiert. Zusätzlich wurde ein iteratives Entfaltungsverfahren eingesetzt. Aus zeitlich hochaufgelösten Messungen (7ms) an einer gesunden und einer ARDS-Schweinelunge konnte erstmals nachgewiesen werden, dass das Einströmen in-vivo in weniger als 0,1s geschieht. Die Ergebnisse zeigen Zeitkonstanten im Bereich von 4ms–50ms, wobei zwischen der gesunden Lungen und der ARDS-Lunge deutliche Unterschiede beobachtet wurden. Zusammenfassend ermöglichen daher die in dieser Arbeit vorgestellten Algorithmen eine objektivere Bestimmung quantitativer Parameter der Lungenventilation. Dies ist für die eindeutige Beschreibung ventilatorischer Vorgänge in der Lunge und somit für die Lungendiagnostik unerlässlich. Damit stehen quantitative Methoden für die Lungenfunktionsdiagnostik zur Verfügung, deren diagnostische Relevanz im Rahmen wissenschaftlicher und klinischer Studien untersucht werden kann. The reliable determination of quantitative lung ventilation parameters is of great importance for an understanding of the behaviour of the lung and also for the diagnosis of lung diseases. For the reliable and reproducible diagnostic assessment of the lung, quantitative methods for assessment of lung function and, in particular, lung ventilation, are required. In this work, two new methods are presented to quantify parameters of lung ventilation with dynamic computed tomography (CT) and dynamic magnetic resonance imaging (MRI). In the CT-study the inflation and deflation of healthy lungs and lungs with Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) following an airway pressure step were examined. The aim of the study was to measure if inflation and deflation of the lung can be accurately described by one or two discrete time constants, or if continuous distributions of time constants are necessary. Using an inverse Laplace- transform approach, distributions of ventilatory time constants were determined from dynamic CT image series during sudden airway pressure changes. Before the in-vivo measurements a simulation study was performed to test the quality of the algorithm. The algorithm was then applied to signal-time-curves from in-vivo measurements in healthy and ARDS-lungs. While in healthy lungs mono- and biexponential distributions were determined, in ARDS lungs two dominant time constants were necessary. Discrete and continuous distributions were found. While CT gives information about solid lung tissue, MRI can visualize inhaled hyperpolarised 3He directly. In the second part of this work the temporal dynamics of inhaled 3He were determined using very high temporal resolution MRI. Assuming a linear tissue response the tissue response function, i. e. the distribution of 3He assuming an infinitely short 3He bolus, was calculated using a deconvolution analysis. The aim of this study was the quantification of the rapid inflow. A deconvolution algorithm was implemented (based on B-Spline representations) and tested in simulations. Morever, an iterative deconvolution algorithm was used. Using MRI data with a temporal resolution of 7ms, rise times significantly shorter than 0.1s (4ms–50ms) were determined in-vivo. Significant differences were observed between a healthy and an ARDS lung. In summary, two algorithms are presented which permit an objective and quantitative assessment of lung ventilation. This is essential for the description of ventilatory processes and, thus, for a reliable lung disease diagnosis. The relevance of these quantitative methods for the diagnosis of lung function has to be further investigated in scientific and clinical studies.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-883
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-12065
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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