Evaluation eines Computerprogramms zur Bestimmung unterschiedlicher Lungenparameter anhand von Volumen-Computer-Tomographischen Datensätzen aus in vivo- Mausuntersuchungen

Abstract

Diese Arbeit wurde mit dem Ziel durchgeführt, ein Computerprogramm zur Volumetrie, HE-Maximum-Bestimmung und Densitometrie zu evaluieren, welches explizit für diese Lungenuntersuchung entwickelt wurde. Dabei wurden 78 fpVCT- Bilddatensätze von Mauslungen analysiert. Das Programm führt eine Schwellenwert- basierte Lungensegmentierung durch, wodurch die Anzahl der zur Lunge gehörenden Voxel und in der Folge das Lungenvolumen bestimmt werden kann. Das HE-Maximum wird in einem Histogramm abgelesen, während die Dichte als Quotient aus HE und Volumen errechnet wird. Die Versuchstiere der Experimentgruppe erhielten während der radiologischen Messung Methacholin in aufsteigenden Dosen; die Tiere der Kontrollgruppe erhielten eine NaCl-Pufferlösung.Die Evaluation hat ergeben, dass das entwickelte Programm die verwendeten Datensätze studienorientiert zuverlässig auswertet und alle erfassten Lungenparameter einwandfrei analysiert. Ein Programm dieser Art ist derzeit noch nicht kommerziell erhältlich und lässt sich im Sinne einer weiteren Automatisierung einzelner Rechenschritte zur weiteren Steigerung der Benutzerfreundlichkeit weiterentwickeln.Gefunden wurde in dieser Arbeit der überraschende Effekt, dass sich das Lungenvolumen auch bei den Kontrollmäusen in Abhängigkeit von der Zeit ändert. Bei der Lungenvolumetrie ist dieser unerwartete Befund in Zukunft zu berücksichtigen. Zudem erschwert er die Auswertung der Ergebnisse, die anhand des zugrunde liegenden Versuchsprotokolls ermittelt wurden, was Einfluss auf Planungen und Auswertungen für zukünftige Studien haben kann. Eventuell wird die Volumenabnahme durch ein zugeführtes Anästhetikum, durch eine möglicherweise abnehmende Narkosetiefe oder anderen Wirkungen auf das vegetative Nervensystem verursacht. In Folgeprojekten ließe sich überlegen, wie man diesen Effekt genauer untersuchen kann (z.B. durch kontinuierliche Isofluranzuführung) und sich die Narkosetiefe definieren und messen lassen könnte. Die Lungenparameter in ihrer absoluten und relativen Ausführung weisen vor dem Hintergrund des gering gewählten Stichprobenumfangs eine unterschiedliche Effektivität auf. Das absolute Volumen unterliegt einer starken individuellen Streuung, so dass eine Normierung auf den Ausgangswert erfolgte. Anhand der relativen Volumina kann ein signifikanter Unterschied in Abhängigkeit von der Zeit ermittelt werden. Die absoluten HE-Maxima werden unabhängig vom absoluten Volumen bestimmt, haben daher eine allgemeinere Aussagekraft und weisen eine größere Unterscheidbarkeit auf. Der effektivste Parameter in der Zeitserie ist das relative HE- Maximum, welches die größte Unterscheidbarkeit aufweist. Die absolute Dichte detektiert keine signifikanten Unterschiede, im Gegensatz zur relativen Dichte. Diese ist der effektivste Parameter in der Methacholindosisserie, da sie als einzige einen signifikanten Unterschied detektiert.Viele neu entstandene Fragestellungen bleiben offen: Zukünftig können die Volumetrie der Atemwege als Wirkort des Methacholins, die Messgenauigkeit der Volumetrie, sowie der Einfluss von Anästhetika, Narkosetiefe und Hypothermie untersucht werden. Für weitere Studien würde sich das Computerprogramm erneut eignen, da seine studienorientierte Datensatzauswertung erfolgreich verlief. Die o.g. Feststellungen zeigen zudem, dass das Programm in der Lage ist, neue Befunde im Bereich der Mauslunge zu Tage zu bringen.

The aim of this study was the evaluation of a computer programme which has explicitly been developed for this lung examination and which determines lung volume, HU- peak and lung density. Seventy-eight fpVCT-data sets of murine lungs have been analysed. The software uses a threshold- and seed-growth-based lung-segmentation method, which can determine the voxels belonging to the lung, indicating the lung volume, can be determined. HU-peak values can be identified in histogram- functions of voxel amount as the graph of HU. Lung density is computed as the fraction of HU-mass and volume. The animals of the experimental group were administered with methacholine in increasing dosages during a series of radiological investigations; the animals of the control group received NaCl-buffer solution.In this study, a surprising effect has been revealed: the lung volume of the untreated mice changes depending on time. This unexpected observation has to be kept in mind in future lung- volumetric studies. Furthermore it hinders the analysis of the results detected by the underlying study protocol. Against this backdrop, the study design should be optimised for future studies to enable a serious analysis of results. It seems to be possible that the reduction of the lung volume is either caused by the administered anaesthesia, by an eventually decreasing depth of anaesthesia, or by other effects on the autonomic nervous system. In follow-up projects, the examination of this effect should be addressed more precisely (e.g. by continuous application of isoflurane). Additionally, it seems advisable to measure the depth of anaesthesia.The absolute and relative lung parameters evaluated in this study indicate different explanatory powers that have to be carefully considered in the context of a small sample size. The absolute volume shows an enormous individual variation emphasizing that normalisation to an initial value of a time series was performed. According to the relative lung volumes a significant difference depending on time could be identified in a time-series analysis in untreated mice. The absolute HU-peak is independent of the absolute volume of an individual mouse, hence it has a more general informative value and enables better differentiations between different experimental groups. The most effective parameter in the time-series analysis represents the relative HU-peak parameter, which enables the most significant differentiation. The absolute density is not able to detect any significant difference in contrast to the relative density. Thus, this parameter is the most effective one in series analysis of methacholine-dose rates because it is the only parameter which reveals a significant difference between different experimental groups at all.Many new open- end questions emerge: In the future volumetric studies of the airways of the murine lung, the effect of methacholine, the accuracy of measurements, the influence of anaesthesia and of its depth, as well as effects of hypothermia should be investigated. For subsequent studies, once again, the software is suitable because its study- orientated data analysis has succeeded. In addition, the above-listed explanations show that the software is capable of revealing new findings in the field of the murine lung.