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Weiterentwicklung der Elektrischen Impedanztomographie für den Einsatz bei obstruktiven Lungenerkrankungen
Weiterentwicklung der Elektrischen Impedanztomographie für den Einsatz bei obstruktiven Lungenerkrankungen
Elektrische Impedanztomographie (EIT) ist ein strahlungsfreies Verfahren zur funktionellen medizinischen Bildgebung, welches bisher hauptsächlich im Bereich der Intensivmedizin zur Überwachung der regionalen Ventilationsverteilung bei beatmeten Patienten eingesetzt wird. Das Potential von EIT zeigt sich jedoch auch in aktuellen Studien mit spontan atmenden Patienten, die unter obstruktiven Lungenerkrankungen leiden. Neben den typischerweise mittels Spirometrie durchgeführten Lungenfunktionstests kann der regionale Informationsgehalt von EIT diagnostisch relevante Hinweise zum Krankheitszustand und -verlauf liefern. Bei der Anwendung von EIT als ergänzendes Verfahren zu klassischen Lungenfunktionstests bei Patienten mit obstruktiven Lungenkrankheiten müssen die Besonderheiten dieser Patientengruppe berücksichtigt werden. Die ausgeprägte Heterogenität der Ventilationsverteilung in cranio-caudaler Richtung wird durch die typischerweise in einer einzelnen Thoraxebene durchgeführten EIT-Messung nicht abgebildet. Ebenso entstehen durch starke Thoraxausdehnungen während der Lungenfunktionstests erhebliche Artefakte in den rekonstruierten Bildern der Ventilationsverteilung. Darüber hinaus erfordert eine umfassende Untersuchung der Pathophysiologie der Lunge eine Betrachtung von morphologischen Anomalien und den daraus resultierenden funktionellen Veränderungen, wofür eine Überlagerung morphologischer Bilder mit funktionellen EIT-Bildern notwendig ist. In der vorliegenden Arbeit werden drei Verfahren präsentiert, welche die genannten Eigenschaften obstruktiver Lungen berücksichtigen und die Anforderungen an die Bildrekonstruktion einbeziehen. So wird eine Möglichkeit zur gleichzeitigen Datenerhebung in mehreren Thoraxschichten vorgestellt, wodurch auch Ventilationsunterschiede in cranio-caudaler Richtung ermittelt werden können. Zudem wird ein Verfahren zur Kompensation der durch Thoraxausdehnung hervorgerufenen Bildartefakte entwickelt, was zu besser interpretierbaren EIT-Bildern führt. Das Einbinden von patientenspezifischem Vorwissen in den EIT-Bildrekonstruktionsprozess wird mittels einer 'Diskreten Kosinustransformation' erreicht. Die mittels dieser Methode rekonstruierten EIT-Bilder der Ventilationsverteilung lassen sich direkt mit morphologischen Daten überlagern und erlauben eine umfassende Betrachtung morphologischer und funktioneller Anomalien der Lunge., Electrical Impedance Tomography (EIT) is a radiation-free method for functional medical imaging, which is currently mainly used in the intensive care unit to monitor the regional ventilation distribution in mechanically ventilated patients. The potential of EIT has been shown in recent studies with spontaneously breathing patients suffering from obstructive lung diseases. Besides the typically executed lung function tests utilizing spirometry, the regional data of EIT is able to provide diagnostically valuable information regarding the disease state and progression. When EIT is utilized as an additional method to conventional lung function tests in patients with obstructive lungs disease, the peculiarities of this group of patients needs to be considered. The distinct ventilation heterogeneity in the cranio-caudal direction is not identifiable with EIT measurements, which are usually only examined at a single thorax level. As well the large thorax excursion during lung function tests leads to considerable artifacts in reconstructed images of ventilation distribution. Furthermore, a comprehensive insight into the pathophysiology of the lung needs to consider morphologic anomalies and the resulting functional changes, which requires a superposition of morphological images with functional EIT images. In this work three methods are presented, which address the mentioned lung characteristics and requirements for image reconstruction. A possibility for simultaneous data acquisition at different thorax levels is introduced, enabling to determine changes in ventilation in the cranio-caudal direction. Moreover, a procedure to compensate for images artifacts induced by thorax excursion is developed, leading to easier interpretability of EIT images. Incorporation of patient specific prior-knowledge into the EIT image reconstruction process is realized utilizing 'discrete cosine transformation'. EIT images of ventilation distribution reconstructed with this method can directly be superimposed with morphological data and allow a comprehensive view on morphological and functional anomalies of the lung.
Elektrische Impedanztomographie, obstruktive Lungenerkrankungen, bildgebende Verfahren
Schullcke, Benjamin
2017
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Schullcke, Benjamin (2017): Weiterentwicklung der Elektrischen Impedanztomographie für den Einsatz bei obstruktiven Lungenerkrankungen. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Elektrische Impedanztomographie (EIT) ist ein strahlungsfreies Verfahren zur funktionellen medizinischen Bildgebung, welches bisher hauptsächlich im Bereich der Intensivmedizin zur Überwachung der regionalen Ventilationsverteilung bei beatmeten Patienten eingesetzt wird. Das Potential von EIT zeigt sich jedoch auch in aktuellen Studien mit spontan atmenden Patienten, die unter obstruktiven Lungenerkrankungen leiden. Neben den typischerweise mittels Spirometrie durchgeführten Lungenfunktionstests kann der regionale Informationsgehalt von EIT diagnostisch relevante Hinweise zum Krankheitszustand und -verlauf liefern. Bei der Anwendung von EIT als ergänzendes Verfahren zu klassischen Lungenfunktionstests bei Patienten mit obstruktiven Lungenkrankheiten müssen die Besonderheiten dieser Patientengruppe berücksichtigt werden. Die ausgeprägte Heterogenität der Ventilationsverteilung in cranio-caudaler Richtung wird durch die typischerweise in einer einzelnen Thoraxebene durchgeführten EIT-Messung nicht abgebildet. Ebenso entstehen durch starke Thoraxausdehnungen während der Lungenfunktionstests erhebliche Artefakte in den rekonstruierten Bildern der Ventilationsverteilung. Darüber hinaus erfordert eine umfassende Untersuchung der Pathophysiologie der Lunge eine Betrachtung von morphologischen Anomalien und den daraus resultierenden funktionellen Veränderungen, wofür eine Überlagerung morphologischer Bilder mit funktionellen EIT-Bildern notwendig ist. In der vorliegenden Arbeit werden drei Verfahren präsentiert, welche die genannten Eigenschaften obstruktiver Lungen berücksichtigen und die Anforderungen an die Bildrekonstruktion einbeziehen. So wird eine Möglichkeit zur gleichzeitigen Datenerhebung in mehreren Thoraxschichten vorgestellt, wodurch auch Ventilationsunterschiede in cranio-caudaler Richtung ermittelt werden können. Zudem wird ein Verfahren zur Kompensation der durch Thoraxausdehnung hervorgerufenen Bildartefakte entwickelt, was zu besser interpretierbaren EIT-Bildern führt. Das Einbinden von patientenspezifischem Vorwissen in den EIT-Bildrekonstruktionsprozess wird mittels einer 'Diskreten Kosinustransformation' erreicht. Die mittels dieser Methode rekonstruierten EIT-Bilder der Ventilationsverteilung lassen sich direkt mit morphologischen Daten überlagern und erlauben eine umfassende Betrachtung morphologischer und funktioneller Anomalien der Lunge.

Abstract

Electrical Impedance Tomography (EIT) is a radiation-free method for functional medical imaging, which is currently mainly used in the intensive care unit to monitor the regional ventilation distribution in mechanically ventilated patients. The potential of EIT has been shown in recent studies with spontaneously breathing patients suffering from obstructive lung diseases. Besides the typically executed lung function tests utilizing spirometry, the regional data of EIT is able to provide diagnostically valuable information regarding the disease state and progression. When EIT is utilized as an additional method to conventional lung function tests in patients with obstructive lungs disease, the peculiarities of this group of patients needs to be considered. The distinct ventilation heterogeneity in the cranio-caudal direction is not identifiable with EIT measurements, which are usually only examined at a single thorax level. As well the large thorax excursion during lung function tests leads to considerable artifacts in reconstructed images of ventilation distribution. Furthermore, a comprehensive insight into the pathophysiology of the lung needs to consider morphologic anomalies and the resulting functional changes, which requires a superposition of morphological images with functional EIT images. In this work three methods are presented, which address the mentioned lung characteristics and requirements for image reconstruction. A possibility for simultaneous data acquisition at different thorax levels is introduced, enabling to determine changes in ventilation in the cranio-caudal direction. Moreover, a procedure to compensate for images artifacts induced by thorax excursion is developed, leading to easier interpretability of EIT images. Incorporation of patient specific prior-knowledge into the EIT image reconstruction process is realized utilizing 'discrete cosine transformation'. EIT images of ventilation distribution reconstructed with this method can directly be superimposed with morphological data and allow a comprehensive view on morphological and functional anomalies of the lung.