Fraktale Oberflächenanalyse von intrapulmonalen Raumforderungen aus hochauflösenden CT-Untersuchungen

J. Beier; T. Liebig; R. C. Bittner; P. Wust; E. Fleck; R. Felix

doi:10.1055/s-2007-1015428

RöFo - Fortschritte auf dem Gebiet der Röntgenstrahlen und der bildgebenden Verfahren, Table of Contents

Rofo 1997; 166(4): 296-302
DOI: 10.1055/s-2007-1015428

Originalarbeit

Fraktale Oberflächenanalyse von intrapulmonalen Raumforderungen aus hochauflösenden CT-Untersuchungen

Fractal surface analysis of pulmonary nodules based on high resolution computed tomographyJ. Beier¹,² , T. Liebig¹ , R. C. Bittner¹ , P. Wust¹ , E. Fleck² , R. Felix¹

¹Strahlen- und Poliklinik (Leiter: Prof. Dr. Dr. h.c. R. Felix)
²Deutsches Herzzentrum Berlin, Innere Medizin und Kardiologie (Leiter: Prof. Dr. E. Fleck) Virchow-Klinikum, Medizinische Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin

Abstract

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Zusammenfassung

Ziel: Die visuelle Beurteilung der Form und Oberflächenstruktur von intrapulmonalen Raumforderungen (glatt berandet vs. Spiculae) dient als qualitatives, subjektives Kriterium der Differentialdiagnose. Diese Eigenschaften sollen durch computerunterstützte Auswertung und ein adäquates mathematisches Modell quantifiziert werden. Methode: In einer Pilotstudie von 12 Patienten wurden hochauflösende CT-Untersuchungen durchgeführt. Auf der Basis dreidimensionaler Rekonstruktionen mit aufsteigenden Schwellenwerten wurden Oberfläche S, Volumen V, fraktale Dimension (FD = ln(S)/ln (³√V)) und ein fraktaler Strukturindex (Fl = √S / ³√V) der intrapulmonalen Raumforderungen berechnet. Ergebnisse: Der Zusammenhang zwischen Rekonstruktionsschwellenwert und resultierender IRF-Oberfläche bzw. -Volumen ist fraktaler Natur: S = c₁ × thres^1/d; V = c₂ × thres^1/D; (c₁, c₂, d, D: reelle Konstanten). Während die absoluten Größen S und V sehr stark vom gewählten Schwellenwert abhingen (mittlere Volumendifferenzen 249 %), zeigte sich die fraktale Dimension für individuelle intrapulmonale Raumforderungen als nahezu konstant (r = 0,998; SD = 0,05). Schlußfolgerungen: Die Größen fraktale Dimension und fraktaler Strukturindex stellen neue diagnostische Kriterien zur quantitativen Beurteilung von Oberfläche und Gestalt einer intrapulmonalen Raumforderung dar.

Summary

Purpose: The visual assessment of shape and surface structures of pulmonary nodules (PN) (smooth edges vs. spiculae) serves as a qualitative, subjective criterion in differential diagnosis. These properties must be quantified by computer-assisted evaluation, an adequate mathematical model, and new quantitative shape parameters. Methods: 12 patients were investigated by high resolution CT. Based on 3D reconstructions with increasing thresholds, the PN surface S, volume V, fractal dimension (FD = ln(S)/ ln(³√V)), and fractal index (Fl = √S/ ³√V) were calculated. Results: The relations between the reconstruction threshold and the calculated tumour surface, respective volume, are of a fractal nature: S = c₁ × thres^1/d, V = c₂ × thres^1/D (c₁ c₂, d, D: real constants). Whereas the absolute values of surface and volume strongly depend on the chosen threshold (mean volume differences of 249 %), the derived parameter of the fractal dimension for a specific PN is nearly constant for all thresholds under review (r - 0.998, SD = 0.05). Conclusions: FD and Fl are new diagnostic features for the assessment of PN surface structure and morphology. Thus, the assessment of pulmonary nodules can be supported by new quantitative parameters representing surface irregularity due to invasive tumour growth into adjacent tissue.

Schlüsselwörter:

Intrapulmonale Raumforderungen - Volumetrie - Fraktale - Bildverarbeitung -3D-CT

Key words:

Pulmonary nodules - Volume analysis - Fractals -Image processing - 3D CT

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