Vollautomatische Detektion und Quantifizierung des Lungenemphysems in Dünnschicht-MD-CT des Thorax durch eine neue, speziell entwickelte Software

Zusammenfassung

Ziel: Vorstellung einer neu entwickelten Software (YACTA - yet another CT analyzer) zur Detektion und Quantifizierung des Lungenemphysems in der Dünnschicht-CT der Lunge. Material und Methoden: Das auf Schwellenwertverfahren (z. B. Bereichswachstumsverfahren), Expertenregeln und morphologischer Bildverarbeitung basierende Werkzeug detektiert zunächst den Tracheobronchialbaum, bevor das Lungenemphysem detektiert und quantifiziert wird. Hier wurde eine Fehlerkorrektur integriert, welche Bildrauschen kompensiert. Neben den globalen Parametern mittlere Lungendichte (MLD) und Emphysemindex (EI, auch „Pixelindex”- PI) wurde der vorbeschriebene Bullae-Index (BI) zur morphologischen Beschreibung des Emphysems in einen dreidimensionalen Ansatz transformiert. Es erfolgte eine erste Evaluation an MD-CT-Daten von 11 Patienten sowie der Vergleich der mittleren Lungendichte (MLD), Lungenvolumen (LV), Emphysemvolumen (EV) und Pixelindex (PI) mit Werten, die durch zwei etablierte Anwendungen der Firma Siemens Medical Solutions (Volume© und Pulmo©) erhoben wurden, sowie die Berechnung des Bullae-Index (BI) mittels YACTA. Ergebnisse: YACTA arbeitete an den vorliegenden Bilddaten ohne die Notwendigkeit einer manuellen Korrektur und bietet somit einen deutlich höheren Bedienkomfort als die Vergleichsanwendungen, welche besonders am Lungenhilus häufiger Korrekturen zur Trennung von Lunge und Atemwegen nötigten. Die ermittelten MLD-Werte/Lungen-/Emphysemvolumina lagen bei YACTA systematisch höher als bei den Vergleichsanwendungen (Pulmo©: + 50 HE/+ 597 ml/+ 159 ml; Volume©: + 32 HE/+ 110 ml/+ 155 ml). Ursächlich hierfür sind unterschiedliche Segmentierungsalgorithmen: YACTA schließt Areale ein, die bei der rein dichtebasierten Volumenbestimmung nicht erfasst werden. Konstant niedrigere Lungenvolumina unter Pulmo© sind zusätzlich auf eine fehlende Dilatation zurückzuführen. Die deutlich erhöhten medianen Emphysemvolumina und -indizes unter YACTA beruhen auf der neuartigen Fehlerkorrektur. Die Segmentierung des Tracheobronchialbaums senkt den Anteil an irrtümlich als Emphysem klassifizierten Atemwegen. Schlussfolgerung: Das neu entwickelte Programm überbietet herkömmliche, halbautomatische Lösungen an Komfort und liefert vergleichbare, gering bis mäßig differierende Ergebnisse bezüglich der Lungen- und Emphysemvolumina, der MLD und des Emphysemindex. Zusätzlich ist eine vollautomatische Berechnung des Bullae Index, der Aussagen über die bullöse Morphologie des Emphysems macht, möglich. Weitere Studien zur Korrelation der ermittelten Werte mit klinischen und pathologischen Parametern sind notwendig.

Abstract

Purpose: Introduction of a novel software tool (YACTA - yet another CT analyzer) for detection and quantification of pulmonary emphysema in thin-slice chest MDCT data sets. Materials and Methods: Consisting of grey-level threshold-based algorithms (e. g., region-growing), expert rules and morphological image postprocessing YACTA segments the tracheobronchial tree prior to the detection and quantification of pulmonary emphysema. In addition to general parameters, such as the mean lung density (MLD) and the emphysema index (EI - also described as pixel index PI), the previously described bullae index (BI) is transformed into a three-dimensional parameter for a morphological description of emphysema. A first evaluation of chest MDCT data sets of 11 patients was performed as well as a comparison of MLD, lung volume (LV), emphysema volume (EV) and PI calculated with two established commercial tools of Siemens Medical Solutions (Volume© and Pulmo©). Furthermore, the BI was calculated with YACTA. Results: YACTA processed the image data without manual interaction and demonstrated more user-comfort than Volume© and Pulmo© software, which require manual correction especially for lung segmentation at the hilar regions to separate central airways from lung parenchyma. MLD, LV, and EV values calculated with YACTA were systematically higher (Pulmo©: + 50 HU/+ 597 ml/+ 159 ml; Volume©: + 32 HU/+ 110 ml/+ 155 ml). Different segmentation algorithms are responsible for this: YACTA includes areas not assessed by mere threshold-based techniques. Constantly lowered LV values of Pulmo© are caused by a missing dilatation algorithm. The error correction as a special feature of YACTA results in increased emphysema volumes and indices. The segmentation of the tracheobronchial tree lowers the part of airways falsely classified as emphysema. Conclusion: The new developed software shows higher user comfort as established by semi-automated tools. Results of LV, EV, MLD and PI are comparable or moderately different. Automatic calculation of a BI is possible, providing information about bullous morphology of pulmonary emphysema. Further studies are necessary to correlate data with clinical or pathological parameters.

Key words

Emphysema, pulmonary - lung, CT - computed tomography (CT), computer programs - computers, diagnostic aid - bronchi, CT

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