Quantifizierung von Atelektasen bei kontrollierter Beatmung: Spiral-CT versus dynamische Einzelschicht-CT

Zusammenfassung

Ziel: Dynamische CT-Untersuchungen (dCT) erlauben die Darstellung und Quantifizierung ventilierter Lungenfläche und Atelektasenbildung während kontinuierlicher Beatmung. Diese Studie ­vergleicht eine quantitative Auswertung einer infrakarinalen dCT-Einzelschicht mit der einer Spiral-CT der gesamten Lunge, um zu untersuchen, ob eine dynamisch gemessene Einzelschicht bezüglich der intrapulmonalen Atelektasenverteilung repräsentativ für die Gesamtlunge ist. Material und Methoden: An 8 gesunden Schweinen erfolgte eine dCT (Schichtdicke 1 mm, zeitliches Inkrement 100 ms) während kontinuierlicher Beatmung, gefolgt von einer Spiral-CT der gesamten Lunge (Schichtdicke 2 mm; Pitch 1,5; Inkrement 2 mm) während inspiratorischen Atemanhalts (Atemwegsdruck 20 mbar). Nach Segmentierung und Dichteplanimetrie der Datensätze mittels einer dafür entwickelten Auswertesoftware wurde eine Differenzierung des Lungengewebes in folgende funktionelle Lungenkompartimente vorgenommen: überblähte Lunge (- 1024 bis - 910 HE); normoventiliert (- 910 bis - 300 HE); Atelektasen (- 300 bis + 200 HE). Ergebnisse: Die gemittelten Anteile der Dichtebereiche in den dCT-Serien korrelierten mit der Dichteanalyse der Spiral-CT wie folgt: überblähte Lungenanteile r = 0,56; normoventiliert r = 0,83; Atelektasen r = 0,84. Die Spiral-CT-Auswertung zeigte folgende prozentuale Aufteilung der Lungenkompartimente: überbläht 3,1 %; normoventiliert 77,9 %; Atelektasen 19,0 %. Die dCT ergab folgende Verteilung der Gesamtlungenfläche: überblähte Lungenfläche 6,4 %; normoventiliert 65,2 %; Atelektasen 28,4 %. Schlussfolgerungen: Die Ergebnisse dieser Studie lassen schlussfolgern, dass die Auswirkungen unterschiedlicher Beatmungsstrategien auf die Atelektasenbildung mittels dCT erfasst werden können. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass es aufgrund eines kraniokaudalen Gradienten der Atelektasenverteilung zu einer systematischen Abweichung zwischen dCT und Spiral-CT kommt. Die überblähten und atelektatischen Lungenanteile werden in der infrakarinalen Untersuchungsschicht mittels dCT überschätzt, die normoventilierten Areale unterschätzt.

Abstract

Purpose: Dynamic CT (dCT) allows visualization and quantification of ventilated lung and atelectases with high temporal resolution during continuous ventilation. This study compares a quantitative image analysis in a subcarinal single slice dCT series versus a whole lung spiral-CT, in order to analyze, whether the distribution of atelectasis of a single dCT series is representative for the whole lung. Materials and Methods: dCT in sliding windows technique (slice thickness 1 mm, temporal increment 100 ms) was performed in 8 healthy pigs 3 cm caudal to the ca­rina during continuous mechanical ventilation. Subsequently, a spiral-CT of the whole lung (slice thickness 2 mm; pitch 1.5; increment 2 mm) was acquired during inspiratory breath hold (airway pressure 20 mbar). Lung segmentation and planimetry of predefined density ranges were achieved using a dedicated software tool in both data-sets. Thus, the fractions of the following functional lung compartments were averaged over time: hyperinflated lung (- 1024 to - 910 HE), normal ventilated lung - 900 to - 300 HE) and atelectasis (- 300 to + 200 HE). Results: Quantitative analysis of dCT-series during continuous respiration correlated with the density analysis in spiral-CT as follows: hyperinflated lung r = 0.56; normal ventilated lung r = 0.83 and atelectases r = 0.84. Analysis of spiral-CT showed the following distribution of functional lung compartments: hyperinflated lung 3.1 % normal ventilated lung 77.9 % and atelectasis 19.0 %. In dCT, hyperinflated lung represented 6.4 %, normal ventilated lung 65.2 % and atelectasis 28.4 % of total the lung area. Conclusion: The results of our study demonstrate that dCT allows monitoring of atelectasis formation in response to different ventilatory strat­egies. However, a deviation between dCT and spiral-CT has to be taken into account. In subcarinal dCT series, hyperinflated lung areas and atelectases were overestimated due to a craniocaudal gradient of atelectases, whereas normal ventilated lung was underestimated.

Key words

Chest CT - dynamic computed tomography - density - volumetry - pig

Literatur

• 1 Neumann P, Berglund J E, Mondejar E F. et al . Effect of different pressure levels on the dynamics of lung collapse and recruitment in oleic-acid-induced lung injury.  Am J Respir Crit Care Med. 1998;  158 1636-1643
• 2 Markstaller K, Karmrodt J, Doebrich M. et al . Dynamic computed tomog­raphy: a novel technique to study lung aeration and atelectasis formation during experimental CPR.  Resuscitation. 2002;  53 307-313
• 3 Markstaller K, Arnold M, Doebrich M. et al . Software zur automatischen Quantifizierung von Belüftungszuständen bei akutem Lungenversagen in dynamischen CT-Aufnahmen der Lunge.  Fortschr Röntgenstr. 2001;  173 830-835
• 4 Markstaller K, Eberle B, Kauczor H U. et al . Temporal dynamics of lung aeration determined by dynamic CT in a porcine model of ARDS.  Br J Anaesth. 2001;  87 459-468
• 5 Markstaller K, Kauczor H U, Eberle B. et al . Multirotations-CT während kontinuierlicher Beatmung: Vergleich unterschiedlicher Dichtebereiche bei gesunden Lungen und im Lavage-ARDS Modell.  Fortschr Röntgenstr. 1999;  170 575-580
• 6 Gattinoni L, Pelosi P, Vitale G. et al . Body position changes redistribute lung computed-tomographic density in patients with acute respiratory failure.  Anesthesiology. 1991;  74 15-23
• 7 Lu Q, Malbouisson L M, Mourgeon E. et al . Assessment of PEEP-induced reopening of collapsed lung regions in acute lung injury: are one or three CT sections representative of the entire lung?.  Intensive Care Med. 2001;  27 1504-1510
• 8 Dammann F. Bildverarbeitung in der Radiologie.  Fortschr Röntgenstr. 2002;  174 541-550
• 9 Achenbach T, Vomweg T, Heussel C P. et al . Computerunterstützte Diagnostik in der Thoraxradiologie - aktuelle Schwerpunkte und Techniken.  Fortschr Röntgenstr. 2003;  175 1471-1481
• 10 Gattinoni L, Caironi P, Pelosi P. et al . What has computed tomography taught us about the acute respiratory distress syndrome?.  Am J Respir Crit Care Med. 2001;  164 1701-1711
• 11 Malbouisson L M, Muller J C, Constantin J M. et al . Computed tomography assessment of positive end-expiratory pressure-induced alveolar recruitment in patients with acute respiratory distress syndrome.  Am J Respir Crit Care Med. 2001;  163 1444-1450
• 12 Heussel C P, Hafner B, Lill J. et al . Diagnostik der trachealen Instabilität: Spiral-CT in Inspiration und Exspiration und respiratorische Cine CT.  Fortschr Röntgenstr. 2000;  172 115-121
• 13 Heussel C P, Hafner B, Lill J. et al . Paired inspiratory/expiratory spiral CT and continuous respiration cine CT in the diagnosis of tracheal instability.  Eur Radiol. 2001;  11 982-989
• 14 Rohdin M, Petersson J, Sundblad P. et al . Effects of gravity on lung diffusing capacity and cardiac output in prone and supine humans.  J Appl Physiol. 2003;  95 3-10
• 15 Hedenstierna G. Alveolar collapse and closure of airways: regular effects of anaesthesia.  Clin Physiol Funct Imaging. 2003;  23 123-129
• 16 Rothen H U, Sporre B, Engberg G. et al . Atelectasis and pulmonary shunt­ing during induction of general anaesthesia - can they be avoided?.  Acta Anaesthesiol Scand. 1996;  40 524-529
• 17 Bohm S H, Bangert K. Prävention und Therapie anästhesiebedingter Atelektasen.  Anaesthesist. 2000;  49 345-348
• 18 Lundquist H, Hedenstierna G, Strandberg A. et al . CT-assessment of dependent lung densities in man during general anaesthesia.  Acta Radiol. 1995;  36 626-632
• 19 Broccard A F. Prone position in ARDS: are we looking at a half-empty or half-full glass?.  Chest. 2003;  123 1334-1336
• 20 Tokics L, Hedenstierna G, Svensson L. et al . V/Q distribution and correlation to atelectasis in anesthetized paralyzed humans.  J Appl Physiol. 1996;  81 1822-1833
• 21 Martynowicz M A, Walters B J, Hubmayr R D. Mechanisms of recruitment in oleic acid-injured lungs.  J Appl Physiol. 2001;  90 1744-1753
• 22 Pelosi P, D’Andrea L, Vitale G. et al . Vertical gradient of regional lung inflation in adult respiratory distress syndrome.  Am J Respir Crit Care Med. 1994;  149 8-13
• 23 Puybasset L, Cluzel P, Chao N. et al . A computed tomography scan assessment of regional lung volume in acute lung injury. The CT Scan ARDS Study Group.  Am J Respir Crit Care Med. 1998;  158 1644-1655
• 24 Gattinoni L, Tognoni G, Pesenti A. et al . Effect of prone positioning on the survival of patients with acute respiratory failure.  N Engl J Med. 2001;  345 568-573
• 25 Kalender W A. Grundlagen und Technik der Spiral-CT.  Radiologe. 1999;  39 809-819
• 26 Kemerink G J, Kruize H H, Lamers R J. et al . CT lung densitometry: dependence of CT number histograms on sample volume and consequences for scan protocol comparability.  J Comput Assist Tomogr. 1997;  21 948-954
• 27 Cederlund K, Bergstrand L, Hogberg S. et al . Visual classification of emphysema heterogeneity compared with objective measurements: HRCT vs spiral CT in candidates for lung volume reduction surgery.  Eur Radiol. 2002;  12 1045-1051
• 28 Giacomuzzi S M, Torbica P, Rieger M. et al . Untersuchungen zur Strahlenexposition bei der Einzelschicht- und Mehrschicht-Spiral-CT (eine Phantom-Studie).  Fortschr Röntgenstr. 2001;  173 643-649
• 29 Diederich S, Wormanns D, Heindel W. Lung cancer screening with low-dose CT.  Eur J Radiol. 2003;  45 2-7
• 30 Wildberger J E, Max M, Wein B B. et al . Low-dose multislice spiral computed tomography in acute lung injury: animal experience.  Invest Radiol. 2003;  38 9-16