Im Rahmen zweier Arbeiten wiesen Elgeti et al. bei gesunden Lungen von Ferkeln nach, dass lungenfunktionsdiagnostische Messungen mittels dynamischer Thorax- CT unter Spontanatmung (dCT) gut mit den durch die konventionelle Lungenfunktionsdiagnostik (LFD) gemessenen Werten korrelieren. Ziel der vorliegenden klinisch-experimentellen Arbeit war es zunächst zu überprüfen, ob sich diese guten Korrelationen auch an erkrankten humanen Lungen nachweisen lassen. Darüber hinausgehend wurde ein Vergleich zwischen weiteren mittels dCT gemessenen Werten und denen der Lungenperfusionsszintigraphie (LPS) durchgeführt. In beiden Vergleichen konnten gute Korrelationen nachgewiesen werden. Wegen des so bestätigten lungenfunktionsdiagnostischen Potentials, aber auch wegen der morphologischen Vorteile der dCT gegenüber der konventionellen CT, wurden dann erweiterte Anwendungs-möglichkeiten der dCT innerhalb der präoperativen Diagnostik bei thoraxchirurgischen Eingriffen aufgezeigt und diskutiert. Für die retrospektiv begleitende Auswertung wurde ein Patientenkollektiv verschiedenen Alters und Geschlechts mit der Indikation zur Lungen-/Lungenteilresektion oder zur Lungenvolumen reduzierenden Chirurgie zusammengestellt (n=45), und die entsprechenden lungenfunktions-diagnostischen Parameter mit Hilfe der verschiedenen Verfahren bestimmt. Dieses Gesamt- kollektiv enthielt eine Untergruppe von Emphysempatienten (n=11) sowie eine von Bronchialkarzinom-Patienten (n=34). Alle Patienten erhielten innerhalb der klinischen Routine eine Mehrschicht-Spiral-CT (Aquilion 64, Toshiba) bei 1 mm Schichtdicke, 120 kV, 20-50 mA, 0,5 s Rotationszeit und einem Pitch von 0,15-0,25 je nach Atemfrequenz. Während des gesamten Scanvorganges wurde simultan der Atemzyklus des Patienten mittels Airflow-Meter aufgenommen. Diese Aufzeichnung dient als Basis für eine retrospektive Bildrekonstruktion, bei welcher die erhaltenen Rohdaten in zeitlich abstandsgleiche 10%-Intervalle des Atemzyklus rekonstruiert werden können, so dass schließlich 10 vollständig volumetrische Datensätze pro Atemzyklus vorliegen. Damit erhält man eine dynamische Darstellung der Lungen über einen gesamten Atemzyklus hinweg. Die statistische Analyse der Ergebnisse der verschiedenen Messmethoden erfolgte unter Zuhilfenahme der Pearson-Korrelation (mit dem Korrelationskoeffizienten r), sowie in einigen Fällen unter Verwendung des Verfahrens nach Bland-Altman. Die folgenden lungenfunktionsdiagnostischen Parameter wurden unter Spontanatmung des Patienten mittels dCT kalkuliert: das End-inspiratorische Volumen (EIVdCT), die Funktionelle Residualkapazität (FRCdCT) und das Atemzugsvolumen (VtdCT). Diese Werte wurden mit den Messergebnissen der Lungenfunktionsdiagnostik verglichen: Totale Lungenkapazität TLCLFD (dieser Parameter misst im Gegensatz zum EIVdCT das Volumen in der Lunge nach maximaler Inspiration), FRCLFD, VtLFD, sowie das Residualvolumen RVLFD. In den Vergleichen zeigten sich gute bis hohe Korrelationen (FRCdCT vs. FRCLFD: r=0,92, p<0,05; VtdCT vs. VtLFD: r=0,54, p<0,05; EIVdCT vs. TLCLFD: r=0,88, p<0,05). Insbesondere ergab sich in der Untergruppe der Emphysempatienten eine hohe Korrelation zwischen FRCdCT und RVLFD (r=0,88, p<0,05): dies lässt den Schluss zu, dass der Parameter FRCdCT auch zur Abschätzung der pulmonalen Überblähung bei diesen Patienten genutzt werden kann. Dies ist jedoch durch weitere Untersuchungen zu validieren. Der Vergleich der dCT mit der Lungenperfusionsszintigraphie beruht auf dem Euler-Liljestrand-Mechanismus und auf der Annahme, dass der prozentuale Anteil der Lungenperfusion in einem umschriebenen Lungenareal bei Patienten ohne Diffusionsstörungen annähernd äquivalent ist dem prozentualen Anteil der Ventilation in diesem Bereich. Dazu liefert die LPS den prozentualen Anteil der Perfusion der einzelnen Lungen an der Gesamtperfusion. Nach Festlegung der linken Lunge als dem in dieser Studie zu betrachtenden Lungenbereich wurde der prozentuale Anteil der linken Lunge an der Gesamtperfusion - gemessen über die Lungen-perfusionsszintigraphie (%-Perfusion-LLLPS) - verglichen mit dem prozentualen EIV-Anteil des gleichen Bereiches am Gesamt-EIV (%EIV-LLdCT) - gemessen über dynamische CT. Während sich im Gesamtkollektiv nur eine mäßige Korrelation (r=0,50, p<0,05) zeigte (bei der Untergruppe der Emphysempatienten sogar eine sehr niedrige negative Korrelation (r=-0,25, p>0,05)), wies demgegenüber die Untergruppe der Bronchialkarzinom-Patienten eine signifikant hohe Korrelation auf (r=0,78, p<0,05): dies scheint die oben angeführte Grundannahme zu bestätigen, da bei Emphysempatienten eine Diffusionsstörung vorliegt und die Voraussetzung somit nicht gegeben ist. Sowohl die LFD als auch die LPS sind - neben der CT - grundsätzliche Säulen der präoperativen Diagnostik vor thoraxchirurgischen Eingriffen. Die in dieser Arbeit nachgewiesenen guten Korrelationen lassen den Schluss zu, dass beide Verfahren in einigen Fällen der präoperativen Risikostratifizierung durch die lungenfunktionsdiagnostischen Messungen der dCT ersetzt werden können. Hierzu sind jedoch weitere Untersuchungen notwendig. Es ist bei der Anwendung der dCT hervorzuheben, dass die Lungenfunktionsparameter unter Spontanatmung gemessen werden, also ohne forcierte Intervention. Eine Analyse der absoluten Messergebnisse bei dCT und LFD in Verbindung mit den guten Korrelationen geben Anlass zu der Vermutung, dass es sich bei den durch die dCT gemessenen Werten um eine realistischere und physiologischere Darstellung der Lungenfunktion handelt. Auch dies müsste zur genaueren Validierung der Parameter in weiteren Arbeiten geklärt werden. Die obigen Ergebnisse geben auch Anlass zu der Vermutung, dass ein erweiterter Einsatz der dCT in Zukunft die präoperative Diagnostik bei thoraxchirurgischen Eingriffen sowohl in ihrem morphologischen als auch funktionellen Aspekt deutlich erleichtern als auch verbessern kann. Diskutiert wird dabei unter anderem die so genannte „virtuelle Resektion“: dabei handelt es sich um ein virtuelles präoperatives Markieren des zu resezierenden Gewebes am Computer. Damit würde es möglich sein, die postoperative Funktionalität des Restgewebes unter Ausnutzung der guten räumlichen und morphologischen Darstellungsmethoden des dCT zu simulieren und einzuschätzen. Dies würde dem Chirurgen eine optimale Planung thoraxchirurgischer Eingriffe erlauben.
In a porcine animal model Elgeti et al. showed a correlation between lung volume measurements by dynamic respiratory-gated CT during spontaneous breathing (dCT) and conventional lung function diagnostics (LFD). The aims of the present study were to confirm this correlation for human lungs under pathological conditions and to furthermore compare dCT to lung perfusion scintigraphy (LPS). The dCT results correlated well with both LFP and LPS. Based on this confirmed pulmonary diagnostic potential as well as the morphological advantages of dCT over conventional CT, novel clinical applications of dCT within preoperative diagnostics before thoracic surgery are proposed and discussed. For the statistical evaluation, the lung volume parameters were determined for a cohort of 45 patients of varying age and gender with indication for partial lung resection or lung volume reducing surgery. The cohort comprised 11 emphysema patients and 34 patients with bronchial carcinoma. Following the clinical guidelines all patients were routinely imaged in a multisection CT (Aquilion 64, Toshiba) at 1mm section thickness (120 kV, 20-50 mA, 0,5 second rotation time and a respiration rate- dependant pitch of 0.15 – 0.25). Simultaneously, the respiratory signal of each patient was recorded using an air flow meter, connected to the CT unit. Based on this and using retrospective half-scan gating 10 complete volumetric data sets temporally equally distributed over one respiratory cycle were reconstructed from the recorded raw data, providing a dynamic representation of the lung during a complete respiratory cycle. Pearson’s correlation coefficient (r) was calculated for statistical analysis and Bland-Altman plots were appropriated. The following dynamic lung volumes (tidal volumes) were calculated by means of segmentation of the lung parenchyma during the respiratory cycle using work-in-progress software: EIVdCT (the end-inspiratory volume), FRCdCT (functional residual capacity) and VtdCT (tidal volume). These variables were compared to the values measured by conventional LFD: TLCLFD (total lung capacity), FRCLFD, VtLFD as well as RVLFD (the residual capacity). A correlation (r≥0.5) could be shown for the following variables (FRCdCT vs. FRCLFD: r=0.92, p<0.05; VtdCT vs. VtLFD: r=0.54, p<0.05; EIVdCT vs. TLCLFD: r=0.88, p<0.05). A particularly high correlation could be shown between FRCdCT and RVLFD (r=0.88, p<0.05), suggesting the use of FRCdCT as an indicator of pulmonary hyperinflation in emphysema patients. The comparison of the dCT with lung perfusion scintigraphy is based on the Euler-Liljestrand mechanism as well as on the assumption, that the percentage of perfused lung within a certain area is similar to the percentage of ventilated lung in the same area (in patients without diffusion disorders). In the present study the left part of the lungs was analysed. The fraction of perfusions of the left lung (%-Perfusion-LLLPS) was compared to the percentaged fraction of the end- inspiratory volume, calculated by dCT (%-EIV-LLdCT). Within the complete cohort of 45 patients a correlation between LPS and dCT with r=0.50, p<0.05 could be shown. If only the sub-group of emphysema patients was analysed, r was shown to be r=-0.25, p>0.05. Within the sub-group of patients with bronchial carcinoma r was found to be r=0.78, p<0.05. This seems to confirm the above assumption since diffusion is disturbed in emphysema patients and a correlation is therefore not expected. LFD, LPS and CT are the basics of preoperative diagnostics before thoracic surgery. The correlations shown in the present work imply that LFD and LPS could be replaced by lung function calculations by CT in some cases of preoperative risk-stratification. It must be emphasized that lung parameter measurements using the dynamic respiratory- gated CT are performed under spontaneous respiration. An analysis of the volumes measured by dCT and the correlations shown suggest that the dCT- measured values provide a more realistic and physiologic representation of lung function. Further research is necessary to validate these results. The results presented suggest that the preoperative application of dCT before thoracic surgery could improve lung function diagnostics – both in morphological as well as in functional aspects. In this field so called „virtual resection“ is discussed, enabling a virtual identification of tissue to be resected.
