DE10318429B4 - Method for determining functional parameters of the lung - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Ermittlung funktioneller Parameter der Lunge, wobei Bildaufnahmen der Lunge zu verschiedenen Phasenpunkten der Atmung erstellt werden, wobei durch abschnittsweisen Vergleich der Bildaufnahmen die Änderung der Gewebedichte bestimmt wird, wobei mittels eines bildgebenden Systems, insbesondere eines MR-Geräts, im Rahmen der Bildaufnahmen die Protonendichte als Maß der Gewebedichte bestimmt wird, wobei die zweidimensionalen oder dreidimensionalen Bildaufnahmen in makroskopische Areale segmentiert werden, für jedes Areal ein Alveolensignalwert als Summe der von den Alveolen und dem sie umgebenden Gewebe stammenden Signale über das Areal ermittelt wird, woraus durch Vergleich der Alveolensignale gleicher Areale zu verschiedenen Phasenpunkten der Atmung die alveoläre Ventilation als Maß für die Gewebedichte anhand der Formel V = (S1 – S2)/(S1 – SR) ermittelt wird, wobei S1 und S2 die Alveolensignale und SR das Signal des Hintergrundrauschens sind.Method for determining functional parameters of the lung, wherein images of the lungs are created at different phase points of respiration, wherein the change in tissue density is determined by sectional comparison of the image recordings, wherein by means of an imaging system, in particular an MR device, in the frame Proton density is determined as a measure of the tissue density, wherein the two-dimensional or three-dimensional image recordings are segmented into macroscopic areas, for each area an alveolar signal value is determined as the sum of the alveoli and the surrounding tissue derived signals over the area, from which by comparing the alveolar signals of the same At various phases of respiration, the alveolar ventilation as a measure of tissue density is determined using the formula V = (S1-S2) / (S1-SR), where S1 and S2 are the alveolar signals and SR is the background noise signal.
Description
Für die Diagnose und Therapie von Lungenerkrankungen ist es notwendig, orts- und zeitaufgelöst funktionelle Parameter der Lunge messtechnisch zu erfassen. Bei gesunden Menschen ist die Lunge nahezu homogen, das heißt makroskopisch wird die Lunge beim Einatmen gleichmäßig mit frischer Luft gefüllt und beim Ausatmen gleichmäßig entleert. Das sehr dünne Lungengewebe wird von wenigen großen und vielen kleinen Blutgefäßen und Bronchien durchzogen. Bei einer Reihe unterschiedlicher Erkrankungen der Lunge nehmen bestimmte Areale nicht an dem Austausch mit frischer Luft teil. Solche Areale können zum Beispiel mit Schleim gefüllt sein, zum Beispiel Pneumonie = Lungenentzündung. Derartige Areale lassen sich mit heutigen Röntgen- und MR-Verfahren bereits zum Teil erkennen.For the diagnosis and treatment of lung diseases, it is necessary to measure the functional parameters of the lungs by location and time. In healthy people, the lung is almost homogeneous, that is macroscopically, the lung is inhaled evenly filled with fresh air and emptied evenly when exhaling. The very thin lung tissue is traversed by a few large and many small blood vessels and bronchi. In a number of different lung diseases, certain areas do not participate in the exchange with fresh air. Such areas may, for example, be filled with mucus, for example pneumonia = pneumonia. Such areas can already be partially recognized with today's X-ray and MR methods.
Bei bestimmten Erkrankungen sind jedoch Teile der Lunge mit Luft gefüllt, ohne dass ein Austausch mit der frischen Atemluft erfolgt oder der Austausch zumindest behindert ist. Beim Asthma führt eine Verengung der Luftwege zu einer zumindest verzögerten, meist jedoch unzureichenden Exspiration der Luft. Dies führt nicht nur zu einer entsprechend reduzierten Leistungsfähigkeit der Lunge, sondern über längere Zeit zu einer dauerhaften Schädigung des Lungengewebes (Emphysem). Die häufigste Ursache hierfür vor allem bei jungen Patienten sind asthmatische Erkrankungen bzw. Allergien und Stoffwechselerkrankungen (Mukoviszidose und andere), welche zu einer lokalen Verengung oder sogar Kollabierung der Luftwege führen und längerfristig zu einer Zerstörung der Lunge.In certain diseases, however, parts of the lung are filled with air, without any exchange with the fresh air or replacement is at least hindered. In asthma, a narrowing of the airways leads to an at least delayed, but usually insufficient, expiration of the air. This not only leads to a correspondingly reduced performance of the lung, but over a longer period of time to permanent damage to the lung tissue (emphysema). The most common cause of this, especially in young patients, are asthmatic diseases or allergies and metabolic diseases (cystic fibrosis and others), which lead to a local constriction or even collapse of the airways and in the longer term to a destruction of the lungs.
Um derartige funktionelle Lungenerkrankungen erkennen zu können, wurden bislang als Kontrastmittel in die Lunge unter anderem sogenannte hyperpolarisierte Gase eingebracht. Diese Gase mit einem Kernspin werden in einem statischen Magnetfeld unter Laserbeschuss polarisiert und dem Patienten zur Inhalation verabreicht. Die Konzentration der hyperpolarisierten Atome kann sodann im MR-Scanner erfasst werden. Leider sind die entsprechenden Isotope extrem selten, bzw. extrem schwer bereitzustellen (zum Beispiel bildet He3 nur 0,01% des natürlich vorkommenden Heliums und verlässt aufgrund der geringen Dichte nach der Freisetzung in der Atmosphäre die Erde für immer) oder liefern wegen der geringen Resonanzfrequenz und des schlechten Hyperpolarisierungsgrads nur einen vergleichsweise geringen Kontrast. Dies ist beispielsweise der Fall für Xe129 mit einer Frequenz von ca. ¼ der Protonenfrequenz und einem Hyperpolarisierungsgrad von nur maximal 10%, während er bei He3 bei ca. 60% liegen würde. Darüber hinaus ist der apparatetechnische Aufwand beim MR-Scanner bei der Verwendung von hyperpolarisierten Gasen nicht zu unterschätzen. Wegen der geringeren Resonanzfrequenz gegenüber Protonen ist ein entsprechend dediziertes HF-System erforderlich, welches zusätzliche Kosten bedingt. Darüber hinaus ist eine HPG-MR-Messung nur eingeschränkt wiederholbar, da diese Gase keinen Beitrag zur Sauerstoffsättigung liefern und daher bei Patienten insbesondere mit eingeschränkter Lungenfunktion als kritisch zu betrachten sind. Alternativ ist eine Untersuchung mit radioaktiven Gasen (Lungenscintigraphie) möglich.In order to be able to recognize such functional lung diseases, so-called hyperpolarized gases have hitherto been introduced as contrast agents in the lung, among other things. These gases with a nuclear spin are polarized under laser bombardment in a static magnetic field and administered to the patient for inhalation. The concentration of hyperpolarized atoms can then be recorded in the MR scanner. Unfortunately, the corresponding isotopes are extremely rare, or extremely difficult to provide (for example, He 3 forms only 0.01% of the naturally occurring helium and, due to the low density after release in the atmosphere, leaves the earth forever) or deliver because of the low Resonance frequency and the poor degree of hyperpolarization only a comparatively low contrast. This is for example the case for Xe 129 with a frequency of approximately ¼ of the proton frequency and a degree of hyperpolarization of only a maximum of 10%, while at He 3 it would be approximately 60%. In addition, the apparatus-related expense of the MR scanner when using hyperpolarized gases is not to be underestimated. Because of the lower resonant frequency with respect to protons, a correspondingly dedicated RF system is required, which entails additional costs. In addition, HPG MR measurement is limited in its repeatability, as these gases do not contribute to oxygen saturation and therefore are considered critical in patients with impaired lung function. Alternatively, a study with radioactive gases (lung scintigraphy) is possible.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches eine schnelle, billige, strahlungsfreie und besser ortsaufgelöste Erfassung von funktionellen Defekten der Lunge gestattet, sowie eine genaue Erfassung der Einwirkung von Therapien.The invention has for its object to provide a method which allows a fast, cheap, radiation-free and better spatially resolved detection of functional defects of the lungs, as well as an accurate detection of the action of therapies.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1.
Während bei normal arbeitendem Lungengewebe beim Ausatmen eine Erhöhung der Gewebedichte auftritt, ist dies bei Bereichen, bei denen kein Austausch mit der frischen Atemluft erfolgt und die demzufolge ihr Volumen beim Ein- und Ausatmen nicht ändern, nicht der Fall.While exhaling an increase in tissue density occurs in normal-functioning lung tissue, this is not the case for areas where there is no exchange with the fresh breath and which consequently do not change their volume during inhalation and exhalation.
Bei asthmatischem oder anderweitig erkranktem Lungengewebe nimmt die Dichte nur verzögert und/oder zu geringem Maße beim Ausatmen ab.In asthmatic or otherwise diseased lung tissue, the density decreases only delayed and / or to a lesser extent during exhalation.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Gewebedichteänderung dadurch bestimmt, dass mittels eines bildgebenden Systems, beispielsweise eines Spiral-CT-Geräts, insbesondere aber mithilfe eines MR-Geräts, die Protonendichte als Maß der Gewebedichte bestimmt wird.According to the present invention, the tissue density change is determined by determining the proton density as a measure of the tissue density by means of an imaging system, for example a spiral CT device, but in particular by means of an MR device.
Die Bestimmbarkeit der alveolären Ventilation durch die Bestimmung der Protonendichte beruht darauf, dass das Messsignal praktisch ausschließlich von den Wandungen der Alveolen und dem übrigen Lungengewebe ausgeht, während die in ihnen enthaltene Luft nahezu keinen Beitrag zum Messsignal leistet. Geht man davon aus, dass das gesamte MR-Signal ist, wobei Sni das Messsignal ist, das von einer der n1 Alveolen und dem sie umgebenden Gewebe erzeugt wird, so ändert sich beim Einatmen dieses Signal dadurch, dass das gleiche betrachtete Messvolumen nunmehr von n2 Alveolen ausgefüllt wird, wobei n2 kleiner ist als n1. Das Signal einer einzelnen Alveole bleibt wie gesagt aufgrund des unveränderten Gewebeanteils gleich, sodass das gesamte MR-Signal S2 nunmehr ist The determination of the alveolar ventilation by the determination of the proton density is based on the fact that the measurement signal emanates almost exclusively from the walls of the alveoli and the remaining lung tissue, while the air contained in them makes almost no contribution to the measurement signal. Assuming that the entire MR signal where S ni is the measurement signal from one of the n 1 alveoli and the surrounding tissue is generated when inhaled, this signal changes in that the same measurement volume under consideration is now filled by n 2 alveoli, where n 2 is smaller than n 1 . As already stated, the signal of a single alveol remains the same due to the unchanged tissue component, so that the entire MR signal S 2 is now
Da Sni konstant ist, weicht S2 von S1 ab und ermöglicht die Berechnung der alveolären Ventilation.Since S ni is constant, S 2 deviates from S 1 and allows the calculation of alveolar ventilation.
Die alveoläre Ventilation (V) ist gegeben durch:
Hierbei ist SR das Signal des Hintergrundrauschens (der eingeatmeten Luft).Here, S R is the signal of background noise (the inhaled air).
Aus der zeitlichen Änderung der Ventilation können weitere Funktionsdaten wie die Ventilationsgeschwindigkeit, das Tidalvolumen, das Residualvolumen oder die Reservekapazität errechnet werden, die dann in entsprechender Weise ebenfalls graphisch mit dargestellt werden können.From the temporal change of the ventilation further functional data such as the ventilation speed, the tidal volume, the residual volume or the reserve capacity can be calculated, which can then also be graphically represented in a corresponding manner.
Weiter werden 2D-Bilder oder 3D-Bilder der Lunge in makroskopische Areale segmentiert, wobei für jedes Areal die Differenz zur Luft als Messsignal ermittelt und mit dem Messsignal des gleichen Areals zu einem anderen Phasenpunkt der Atmung verglichen wird.Furthermore, 2D images or 3D images of the lungs are segmented into macroscopic areas, wherein for each area the difference to the air is determined as a measurement signal and compared with the measurement signal of the same area to another phase point of the respiration.
Um dabei jeweils die gleichen Areale miteinander zu vergleichen, die sich ja beim Ein- und Ausatmen ganz erheblich verschieben können, kann gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass anatomische Merkmale, wie z. B. die Blutgefäße, das Zwerchfell oder die Bronchien, in der Lunge segmentiert und die Areale zu den Merkmalen assoziiert werden und dass zur Lokalisierung der miteinander zu vergleichenden Messvolumina die Verschiebungen der Areale anhand der Verschiebung der anatomischen Merkmale bestimmt wird. Diese Erkennung des jeweils gleichen Areals anhand der Lage zwischen bestimmten Blutgefäßen kann dabei auch in der Weise ausgenutzt werden, dass aus der Verschiebung der Areale zwischen den zu unterschiedlichen Phasenpunkten der Atmung aufgenommenen Bildern die Dehnung oder Stauchung errechnet wird.In order to compare in each case the same areas with each other, which can indeed move considerably when breathing in and out, can be provided according to a further feature of the present invention that anatomical features such. As the blood vessels, the diaphragm or the bronchi, segmented in the lungs and the areas are associated to the features and that for locating the mutually comparable measuring volumes, the shifts of the areas is determined by the displacement of the anatomical features. This recognition of the respective same area on the basis of the position between certain blood vessels can also be exploited in such a way that the stretching or compression is calculated from the displacement of the areas between the images recorded at different phase points of the respiration.
Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, dass dem anatomischen Bild des Thorax eine farbcodierte Karte der Areale überlagert wird, wobei jedes Areal entsprechend der Protonendichteänderung und/oder der Geschwindigkeit der Änderung eingefärbt wird.Finally, it is also within the scope of the invention that a color-coded map of the areas is superimposed on the anatomical image of the thorax, wherein each area is colored according to the change in the proton density and / or the speed of the change.
Darüber hinaus ermöglicht die vorliegende Erfindung auch eine verbesserte quantitative Bewertung der Wirksamkeit einer Asthmatherapie mithilfe der funktionellen Magnetresonanz der Lunge (fMRL). Asthmatherapeutika sind nämlich sehr teuer und mit hohen Fallzahlen verbunden.In addition, the present invention also enables an improved quantitative assessment of the efficacy of asthma therapy using lung functional magnetic resonance (fMRL). Asthma therapies are very expensive and associated with high case numbers.
Eine quantitative Bewertung der Wirksamkeit einer Asthmatherapie ist beispielsweise in der
Es ist denkbar, dass die Untersuchung zur Bewertung der Wirksamkeit von Aromatherapeutika mithilfe der erfindungsgemäßen funktionellen Magnetresonanzuntersuchung der Lunge durchgeführt wird, wobei nach einer fMRL ohne Zusätze zum Atemgas dem Patienten eine Substanz zur Inhalation verabreicht wird, die ein Asthmaprovokant und/oder ein Therapeutikum enthält, wobei bevorzugt eine Dosis verwendet wird, deren Wirkung integral über die Lungen mit einem Lungenfunktionsmessplatz nicht messbar ist, weil die Änderung unterhalb der biologisch bedingten Schwankungsbreite liegt.It is conceivable that the assay for evaluating the efficacy of aromatherapeutics is carried out by means of the functional magnetic resonance examination of the lung according to the invention, wherein after an fMRL without additions to the respiratory gas the patient is administered an inhalation substance which contains an asthma agent and / or a therapeutic agent, preferably using a dose whose effect is not measurable integrally across the lungs with a pulmonary function test site, because the change is below the biological fluctuation range.
Anschließend wird wieder eine Messung ohne Verabreichung zusätzlicher Inhalationsstoffe durchgeführt, um Änderungen gegenüber dem ersten Schritt zu ermitteln, zum Beispiel durch Differenzbildung über die gesamte Lunge. Vorteilhaft wird dabei eine neue Karte der Lunge dargestellt, welche aufzeigt, wo Abweichungen aufgetreten sind.Thereafter, a measurement is again performed without administration of additional inhalants to detect changes from the first step, for example, across the entire lung. Advantageously, a new map of the lung is shown, which shows where deviations have occurred.
Schließlich wird anschließend in einem vierten Schritt entschieden, ob der zweite Schritt wiederholt wird mit einer erhöhten Dosis oder ob die Untersuchung beendet werden kann. Entsprechend können notfalls weitere Schritte einer Untersuchung mit hinsichtlich der Dosis erhöhten Inhalationsstoffen und anschließenden Kontrollmessungen angeschlossen werden.Finally, it is then decided in a fourth step whether the second step is repeated with an increased dose or whether the examination can be ended. Accordingly, if necessary, further steps of an investigation with regard to the dose increased inhalants and subsequent control measurements can be connected.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Figuren. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following Description of an embodiment and with reference to the figures. Showing:
In
Zu diesem Zweck kann über einen Computer das 2D-Bild der Lunge in makroskopische Areale, zum Beispiel 100 Quadrate, eingeteilt werden. Sodann ermittelt der Computer für jedes Quadrat die Signaldifferenz im Vergleich zur Luft bei Inspiration und Exspiration. Dabei segmentiert der Computer auch die Blutgefäße der Lunge und assoziiert die Segmente zu diesen Gefäßen.For this purpose, the 2D image of the lung can be divided into macroscopic areas, for example 100 squares, by means of a computer. The computer then determines the signal difference for each square in comparison to the air for inspiration and expiration. The computer also segments the blood vessels of the lungs and associates the segments with these vessels.
Um jeweils den gleichen Lungenbereich im ein- und ausgeatmeten Zustand miteinander zu vergleichen, also um beispielsweise trotz der Verschiebung beim Einatmen das Messvolumen M1 in
Die
Ausgehend davon, dass es sich um gesundes Lungengewebe handelt, wird das kubische Messvolumen im eingeatmeten Zustand von weniger, nämlich n2, Alveolen ausgefüllt. Das Signal einer einzelnen Alveole bleibt gleich, da ein unveränderter Gewebeanteil vorhanden ist. Das gesamte MR-Signal ist Based on the fact that it is healthy lung tissue, the cubic measurement volume in the inhaled state is filled by fewer, namely n 2 , alveoli. The signal of a single alveol remains the same, as there is an unchanged tissue portion. The entire MR signal is
Wichtig ist dabei Sni = konstant.It is important that S ni = constant.
Die alveoläre Ventilation (V) ist gegeben durch:
Hierbei ist SR das Signal des Hintergrundrauschens (der eingeatmeten Luft).Here, S R is the signal of background noise (the inhaled air).
Die
Die
Die
Die ermittelten Daten können in der Weise dargestellt werden, dass der Computer dem anatomischen Bild des Thorax eine farbcodierte Karte der Segmente überlagert, wobei jedes Farbsegment entsprechend der Protonendichteänderung und/oder der Geschwindigkeit der Änderung eingefärbt wird.The data obtained may be displayed by the computer superimposing on the anatomical image of the thorax a color-coded map of the segments, each color segment being colored according to the change in proton density and / or the rate of change.
Anstelle der Bestimmung der Protonendichteänderung und damit auch der Gewebedichteänderung mithilfe des vorstehend beschriebenen Verfahrens kann der Computer auch die Dehnung der Lungensegmente aus der Verschiebung der Blutgefäße direkt bestimmen und dann diese Messwerte mit der vorher angegebenen Messung kombinieren. Geht man nämlich davon aus, dass an einer bestimmten Stelle ein Emphysem vorliegt, so bedeutet dies, dass die beiden benachbarten Blutgefäße ihren Abstand nicht ändern im Gegensatz zu einer Annäherung im übrigen Lungenbereich. Dies ermöglicht eine Bestimmung der Dehnung der entsprechenden Lungensegmente.Instead of determining the proton density change and thus also the tissue density change using the method described above, the computer can also directly determine the elongation of the lung segments from the displacement of the blood vessels and then combine these measurements with the previously indicated measurement. If one assumes that emphysema is present at a certain point, this means that the two adjacent blood vessels do not change their distance in contrast to an approach in the rest of the lung. This allows a determination of the elongation of the corresponding lung segments.
Der Computer berücksichtigt dabei nicht nur die maximale Inspiration und Exspiration, sondern vorteilhafterweise auch Phasenpunkte dazwischen. Daraus kann die lokale Inspirations- und Exspirationsgeschwindigkeit ermittelt und alternativ oder zusätzlich zum Beispiel farbcodiert, dargestellt werden.The computer takes into account not only the maximum inspiration and expiration, but also advantageously phase points in between. From this, the local inspiratory and expiratory velocity can be determined and, alternatively or additionally, for example, color-coded, displayed.
Die dargestellte Erfindung stellt ein völlig neues Paradigma der Diagnose von funktionellen Lungenerkrankungen dar. Wegen der kurzen Messzeit und der fehlenden Strahlenbelastung für den Patienten ist sie billig und auch im Rahmen von Screenings einsetzbar. Langfristig führen nämlich jugendliche Ventilationsdefekte zu Emphysemen, das heißt, einem rapiden Abbau der Lungenvitalität. Diese Patienten benötigen dann schon mit 50 oder 60 Jahren eine Sauerstoffzufuhr über Nacht und haben wegen der hohen Anfälligkeit gegenüber zum Beispiel Pneumonien (Lungenentzündungen) nur eine sehr geringe Lebenserwartung.The presented invention represents a completely new paradigm of the diagnosis of functional lung diseases. Because of the short measuring time and the lack of radiation exposure for the patient, it is cheap and can also be used in the context of screenings. In the long term, youthful ventilation defects lead to emphysema, that is, a rapid reduction in lung vitality. These patients then need an overnight oxygen supply at the age of 50 or 60 and have only a very short life expectancy due to their high susceptibility to, for example, pneumonia (pneumonia).
Die
Zunächst wird der Patient registriert und im MR-Scanner positioniert. Anschließend erfolgt eine funktionelle MR-Messung der Lunge (fMRL) zur Bestimmung der Ausgangslage. Dem Patienten wird anschließend eine Substanz zur Inhalation verabreicht, die ein Asthmaprovokant enthält und zwar bevorzugt in einer Dosis, deren Wirkung integral über die Lunge mit einem Lungenfunktionsmessplatz nicht messbar ist, weil die Änderung unterhalb der biologisch bedingten Schwankungsbreite liegt. Anschließend erfolgt wiederum eine fRML Messung. Tritt durch das Asthmaprovokant keine Reaktion ein, so wird erneut die Stufe der Provokantverabreichung mit einer höheren Dosis wiederholt und der vorstehende Messzyklus durchgeführt. Ergibt sich eine Reaktion aufgrund des Asthmaprovokants, so wird ein Bronchiodilator/Asthmatherapeutikum verabreicht und anschließend wiederum gemessen um festzustellen, ob das Asthmatherapeutikum angesprochen hat. War die Dosis nicht hinreichend oder das Mittel nicht wirksam, so kann erneut eine Verabreichung des Asthmatherapeutikums in höherer Dosis oder mit einem geänderten Wirkstoff erfolgen. War die Dosis hinreichend, sodass eine befriedigende Verbesserung eingetreten ist, so wird das Bewertungsverfahren beendet.First, the patient is registered and positioned in the MR scanner. This is followed by a functional MR measurement of the lung (fMRL) to determine the starting position. The patient is then administered a substance for inhalation containing an asthma agent, preferably in a dose whose effect is not measurable integrally across the lung with a pulmonary function test, because the change is below the biological variation range. This is followed by another fRML measurement. If there is no response from the asthma provoker, the provocative administration step is repeated at a higher dose and the above measurement cycle is performed. If a response to the asthma provocative occurs, a bronchodilator / asthma therapy is administered and then measured to determine if the asthma therapy has responded. If the dose is insufficient or the agent is ineffective, re-administration of the asthma medicinal product may be re-administered at a higher dose or with an altered active substance. If the dose was sufficient for a satisfactory improvement to occur, the evaluation procedure is terminated.
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