Analyse und Quantifizierung regionaler Lungenbewegungen in 4D-Bilddaten

Einleitung: Atembewegungen sind ein Problem in der Strahlentherapie von Lungentumoren. Detaillierte Informationen über die Atemdynamik sind erforderlich, um z.B. die Bestrahlungsplanung zu optimieren. Gegenstand dieses Beitrages ist daher die computergestützte, bildbasierte Erfassung und Analyse regionaler Lungenbewegungen in 4D-CT-Daten.

Methode: Basis der Untersuchungen sind 17 4D-CT-Bilddaten [1] (10 Lungentumorpatienten, 7 mit Tumoren im Abdominalbereich). Grundlage der Analyse der regionalen Lungenbewegung ist die patientenindividuelle Schätzung der Bewegungsfelder in den 4D-CT-Daten, die mittels nichtlinearer Registrierung berechnet wurden (Genauigkeit im Voxelgrößenbereich). Als Bewegungsparameter wurden Betrag (gesamt und komponentenweise) und Richtung der Verschiebungsvektoren ermittelt. Um eine interspezifische Vergleichbarkeit der Bewegungsmuster zu gewährleisten, wurden die Amplitudenwerte anhand der patientenindividuellen Zwerchfellbewegung normalisiert [2], [3].

Schwerpunkt der Studie war die Analyse des Bewegungsverhaltens in unterschiedlichen Lungenregionen. Die Lungenflügel wurden zunächst analog zu [2] in drei Regionen aufgeteilt, die mittleren Parameterwerte für diese analysiert. Für detailliertere Aussagen wurde diese Aufteilung verfeinert und jede CT-Axialschicht als einzelne Region betrachtet.

Ergebnisse: Die stärkste Bewegung findet im unteren Lungenbereich statt (Bewegungsamplitude untere Lungenhälfte: 20.24+/-4.25mm), die zur Lungenspitze hin abnimmt (oberes Viertel: 0.05+/-0.03mm). Die Craniocaudalbewegung ist in allen Lungenregionen dominant (3.72+/-0.63mm, AP: 1.15+/-0.26mm, ML: 0.25+/-0.22mm). Anhand der anterioposterioren Ausrichtung der Verschiebungsvektoren konnte bei 6/17 Patienten ein Brustatemmuster identifiziert werden.

Insbesondere für Patienten mit kleineren, nicht angewachsenen Lungentumoren (7/17) besteht eine starke Ähnlichkeit der normalisierten Craniocaudalbewegung. Es zeigt sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen normalisierter Lokalisation und Craniocaudalbewegung, gut genähert über f(x) = x^a mit a=1.82 und 1.62 (linke/rechte Lunge) mit x: normalisierte craniocaudale Position in der Lunge, f: Craniocaudalbewegung (SSE für nicht-linearen Fit: 0.06/0.02; linearer Fit: 0.34/0.21).

Diskussion/Ausblick: Unsere Analysen zielen auf die Verbesserung der Strahlentherapie von Lungentumoren ab. Der Zusammenhang zwischen Bewegung und Lage lungeninterner Voxel und Strukturen kann z.B. zu einer präziseren Dimensionierung von Sicherheitssäumen in der Strahlentherapie genutzt werden. Der beobachtete lokale Einfluss größerer Tumoren auf die Atemdynamik erfordert weitere Analysen.