Anwendung quantitativer Analyseparameter zur Detektion und Quantifizierung des Lungenemphysems anhand von HR-CT Daten

Abstract

Das Ziel der vorliegenden HR-CT Untersuchung war die Detektion und Quantifizierung des Lungenemphysems mithilfe der computerbasierten Analyseparameter Emphysemindex, fraktale Dimension, Lungenvolumen und Lungendichte.In diese Studie gingen die HR-CT-Daten von 51 COPD Patienten und 23 gesunden Probanden ein. Mit Hilfe einer semiautomatischen Software wurden die HR-CT Bildserien segmentiert und analysiert. Für die fraktalen Dimensionen wurden anhand verschiedener Schwellenwerte fünf Analysebereiche festgelegt und mit der Masse-Radius Methode berechnet. Der Grenzwert für den Emphysemindex wurde bei -950 HE festgelegt.Die Ergebnisse zeigen hoch signifikante Korrelationen zwischen den einzelnen Parametern, insbesondere wenn die Gruppe der COPD Patienten separat betrachtet wird. Für die fraktale Dimension erreicht der Schwellenwertbereich von Th [-1000, -900] HE die höchsten Korrelationen. Darüber hinaus können signifikante Unterschiede zwischen den COPD Patienten und den gesunden Probanden für den Emphysemindex, das Lungenvolumen und die Lungendichte gefunden werden. Für das Anfangsstadium der COPD GOLD I resultierten keine signifikanten Ergebnisse. Die Berechnungen für die fraktale Dimension ergaben durchweg keine signifikanten Ergebnisse. Eine differenzierte Betrachtung zeigte, dass der Emphysemindex einen großen Überschneidungsbereich zwischen beiden Gruppen aufweist. Gesunde Probanden und COPD Patienten verfügen über einen Empyhsemindex von bis zu 12,3 %; dieser Bereich scheint somit noch physiologisch zu sein. In einer neuen Gruppeneinteilung wurde der Emphysemindex von 12,3 % als Grenzwert verwendet und anschließend erneut auf Unterschiede hinsichtlich der fraktalen Dimension untersucht. Es resultieren hoch signifikante Ergebnisse.Die Analyseparamter Emphysemindex, Lungenvolumen und -dichte sind geeignet um zwischen COPD Patienten und gesunden Probanden zu differenzieren. Schwierigkeiten bestehen in der reliablen Detektion milder Emphysem- Erscheinungsformen. Die neue Gruppeneinteilung führte auch bei der fraktalen Dimension zu signifikanten Ergebnissen, sodass auch dieser Parameter das Lun- genemphysem erfolgreich zu quantifizieren scheint. The purpose of this HR-CT study was the detection and quantification of pulmonary emphysema with computer-based parameters such as emphysema index, fractal dimension, lung volume and lung density.In this restrospective study, the HR-CT images of 51 COPD Patients and 23 healthy subjects were segmented and analyzed by a semi-automatically operating software. For the fractal dimensions five areas of analysis where defined based on different thresholds. They were calculated with the mass-radius-method. A cut-off threshold of -950 Hounsfield Units was used for the emphysema index.The results show highly significant correlations between the different parameters, especially when COPD patients were considered separately. For the fractal dimen- sion the highest correlation was achieved with a threshold of [-1000, -900] HU. In addition, significant differences were found between COPD patients and healthy subjects regarding emphysema index, lung volume and lung density. No significant results were found for the initial stage of COPD GOLD I. The calculation of the fractal dimension showed no significant results. A detailed analysis displayed a big overlap for the emphysema index between both groups. The emphysema index of the healthy subjects and COPD patients ranged up to 12,3 %;; thus this range can be considered physiological. Within a new group classification the emphysema index of 12,3 % was used as threshold and subsequently analyzed on differences in the fractal dimension. The results were of great significant.The parameters emphysema index, lung volume, and lung density are appropriate to distinguish between COPD patients and healthy subjects. Difficulties occur in the reliable detection of mild emphysema manifestations. The new group classification also led to significant results in the fractal dimension. On this account it seems to be a successful parameter to quantify pulmonary emphysema.