Fraktale Geometrie zur Charakterisierung der pulmonalen Hypertonie

Abstract

Ziel der Arbeit war die Bestimmung der fraktalen Dimension in HR-CT s von Patienten mit im Rechtsherzkatheter gesicherter PH (n=73) und einer Kontrollgruppe (n=23). Für diese zwei Gruppen wurde in 4 HE-Schwellenwertbereichen die fraktale Dimension be-stimmt und miteinander verglichen. Hierbei stand der Bereich -1000 bis 1000 HE für den gesamten untersuchten HE-Bereich, der Bereich -1000 bis -600 HE für die HE von Luft und des Lungengewebes, der Bereich -600 bis 1000 HE für alle HE bis auf Luft und geringe Anteile des Lungengewebes und der Bereich -200 bis 1000 HE vornehmlich für dichtere Gewebe wie die Lungengefäße.In allen HE-Schwellenwertgruppen fanden sich statistisch signifikante Unterschiede, die jedoch bei sich überschneidenden Standardabweichungen nicht alleinstehend klinisch verwendbar sind. Die größten absoluten Unterschiede bei akzeptabler Effektgröße zeigten sich in der HE-Gruppe -200 bis 1000 HE. In dieser fand sich eine erhöhte fraktale Di-mension der PH-Gruppe im Vergleich zur Kontrollgruppe, entsprechend einer stattgehab-ten Lungengefäßverbreiterung, die im Einklang mit der Pathophysiologie der PH steht.Ähnliche Ergebnisse zeigten sich auch in der Studie von Haitao et al., wo kontrastmittel-gestützte CT s verwendet und CTEPH Patienten ausgeschlossen wurden. In der vorlie-genden Arbeit konnte zusätzlich gezeigt werden, dass eine Unterscheidung der PH von unauffälligen Befunden anhand der Dimension im dreidimensionalen Raum des nativen HR-CT für die Gesamtgruppe durchgeführt werden kann. Somit können durch geeignete Wahl der HE-Schwellenwerte Kontrastmittelgaben zur Bestimmung der fraktalen Dimen-sion umgangen werden.Die Charakterisierung der PH im HR-CT anhand der fraktalen Geometrie kann somit ei-nen Mosaikstein hin zur automatisierten Auswertung von Lungen-CT-Bildern im Sinne der Radiomics darstellen, der befundende Radiologen unterstützen könnte.Korrelationsanalysen von klinischen Messwerten (mPAP, sPAP, Durchmesser des Truncus pulmonalis, Gehstrecke im 6MWT) mit der fraktalen Dimension und untereinan-der zeigten im Gegensatz zu Studien von Haitao et al., Helmberger et al. oder Moledina et al. keine Korrelationen [Haitao et al. 2011, Helmberger et al. 2014, Moledina et al. 2011].Eine Korrelation zwischen mPAP und sPAP konnte hergestellt und kann durch die Ab-hängigkeit der Werte voneinander erklärt werden (r=0,629; p<0,001; n=39).

The goal of the study was to determine the fractal dimension in HR-CT s of patients with PH (n=73), which had to have been diagnosed using right heart catheterization, and a healthy control group (n=23). For these two groups the fractal dimension was determined and check against each other in 4 different Hounsfield unit (HU) threshold ranges. The range of -1000 to 1000 HU illustrates the entire HU range that was tested, the range -1000 to -600 HU the HU of air and the lung tissue, the range -600 to 1000 HU all HU except to air and smaller parts of the lung tissue and the range -200 to 1000 HU mainly for denser tissues such as the pulmonary vessels.In all HU threshold groups statistically significant differences were found, but these were not clinically useable for an individual patient due to overlapping standard deviations of the corresponding groups. The largest absolute differences with acceptable effect size were found in the HU-group -200 to 1000 HU. In this group there was an increased fractal dimension of the PH group in comparison to the control group, corresponding to a lung vessel widening, which is consistent with the pathophysiology of PH.Similar results were also found in the study of Haitao et al., who used contrast-enhanced CTs and excluded patients suffering from CTEPH. In the present work, it was shown that a differentiation of the PH from normal findings can be carried out by means of the di-mension in the three-dimensional space of the native HR-CT. By sensibly selecting of the HU threshold values in fractal dimension analyses, contrast media administration can be circumvented.The characterization of the PH in the HR-CT on the basis of fractal geometry hence rep-resents a mosaic stone towards an automated evaluation of lung CT images as used in Radiomics investigations, which could assist radiologists or complement their work.Correlation analyses between clinical data (mPAP, sPAP, diameter of the pulmonary ar-tery, walking distance in the 6MWT) versus the fractal dimension, and among the differ-ent parameters, showed no correlation, which is opposed to findings from Haitao et al., Helmberger et al. and Moledina et al. [Haitao et al. 2011, Helmberger et al. 2014, Moledina et al. 2011].A correlation between mPAP and sPAP could be shown, which can be explained by the rather similar meaning of these parameters (r=0,629, p<0,001, n=39).