Die Grundlagen der quantitativen pulmonalen Computertomographie

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Grundlagen für regionale und globale Belüftungsanalysen der Lunge mit Hilfe der Computertomographie. Dabei werden die herkömmlichen CT-Werte durch sog. skalierte Computertomographie-Quotienten (sCTQ-Werte) ersetzt. Diese stimmen im Falle der Lunge bei geeigneten Skalierungsfaktoren zahlenmäßig ausreichend genau mit der absoluten Dichte in mg/cm³ oder g/cm³ überein. Aus den sCTQ-Werten vorgegebener Lungenteilbezirke und ihrer atemabhängigen Änderung lassen sich der Anteil des luftfreien Gewebes, der Luftgehalt und die relative Änderung des Luftvolumens im erfaßten Lungenbezirk ermitteln. Des weiteren kann mit einer absoluten und einer relativen Verteilungsfunktion (φ- bzw. ψ-Funktion) die pulmonale Belüftungsverteilung quantitativ bestimmt werden. Anhand von vier thorakalen Computertomogrammen, die an einer lungengesunden Versuchsperson nach einer maximalen Inspiration, einer normal tiefen Ausatmung und einer maximalen Exspiration in Rückenlage und nach einer normal tiefen Ausatmung in Bauchlage aufgenommen wurden, werden Beispiele für die ortsabhängige Bestimmung der einzelnen Belüftungsparameter gebracht (regionale Transversalschnittanalysen). Diese Belüftungsparameter können ebenso wie die CT-bzw. sCTQ-Werte zur bildmäßigen Darstellung der Lunge benutzt werden. Ferner werden für die vier Thoraxschnitte die Mittelwerte und die prozentualen Häufigkeitsverteilungen der pulmonalen sCTQ-Werte angegeben (globale Transversalschnittanalysen). Die Berechnungen erforderten, das Lungengewebe von den übrigen Bestandteilen der Thoraxschnitte rechnerisch abzugrenzen; dafür wurden drei verschiedene Masken entwickelt. Für pulmonale Belüftungsanalysen erweist es sich als sinnvoll, eine verhältnismäßig grobe Bildmatrix zu verwenden; allerdings sollte die Vergröberung der Bildmatrix nicht schon beim Abtastvorgang, sondern erst nach der Abgrenzung des Lungengewebes vorgenommen werden.

Summary

The present paper deals with the basis for regional and global ventilation studies of the lungs using computer tomography. For this purpose the usual CT values have been replaced by so-called scaled computer tomographic quotients (sCTQ values). Using a suitable scaling factor, these correspond accurately with absolute density in mg/cm³ or g/cm³ as far as the lungs are concerned. From the sCTQ values of pulmonary regions and their changes caused by respiration, it is possible to calculate the friction of air-free tissues and of respiratory air contained within them, and to obtain the changes in air volume in the pulmonary region under investigation. Moreover, absolute or relative distribution of pulmonary ventilation can be determined quantitatively by means of an absolute and relative distribution function (φ-or-ψ-function.) Examples of local changes in respiratory parameters were obtained using four thoracic computer tomograms (regional transverse sections). These were obtained from a normal subject after maximal inspiration, after normal deep expiration and after maximal expiration with the subject supine, and after normal deep expiration with the subject in the prone position. These parameters, like the CT and sCTQ values, can be used for a pictorial demonstration of the lung. In addition, mean values and percentage deviations of the pulmonary sCTQ values are given for each of the four conditions. For the calculations it was necessary to isolate the pulmonary tissues from the rest of the thoracic structures. For this purpose 3 masks have been developed. For pulmonary ventilation analysis a relatively coarse picture matrix proved appropriate. Coarsing of the matrix should be effected only after the pulmonary tissue has been defined.