CT-basierte softwaregestützte Vorhersage der postoperativen Lungenfunktion nach Lungenteilresektion

Zusammenfassung

Ziel: Das postoperativ zu erwartende forcierte exspiratorische Einsekundenvolumen (FEV₁) gilt als wichtiger funktioneller Parameter zur Abschätzung der Operabilität von Patienten mit Bronchialkarzinom. Es wurde eine neu entwickelte Software zur weit gehend automatisierten Vorhersage des FEV₁ nach Lungenteilresektion aus einem präoperativen Multi-Detektor-CT- (MDCT-)Datensatz und der Lungenfunktion überprüft. Material und Methoden: 15 Patienten mit resektablem Bronchialkarzinom erhielten präoperativ ein MDCT des Thorax (1,25 mm Schichtdicke, 0,8 mm Rekonstruktionsinkrement) und einen Lungenfunktionstest (LFT). Mithilfe einer Prototyp-Software (MeVis Pulmo, Bremen) wurden die Lungenlappenvolumina ohne oder mit nur minimaler Benutzerinteraktion automatisch segmentiert und mithilfe der präoperativen durch die LFT gemessenen FEV₁ die postoperativen Lungenfunktionsparameter bestimmt. 12 Patienten wurden mittels einer Lobektomie (6 Oberlappen, 1 Mittellappen, 5 Unterlappen), die übrigen durch Pneumonektomie behandelt. Das vorhergesagte FEV₁ wurde mit den tatsächlich gemessenen postoperativen Werten verglichen. Ergänzend wurden die Lungenfunktionsparameter „totale Lungenkapazität” (TLC) und „forcierte Vitalkapazität” (FVC) zum statistischen Vergleich herangezogen. Ergebnisse: Die Vorausberechnung der postoperativen Lungenfunktion gelang in allen Fällen. Aufgrund einer unplausiblen LFT wurden 2 der 15 Patienten aus dem Kollektiv ausgeschlossen. Der Mittelwert des vorhergesagten FEV₁ lag bei 75 ± 12 % (Standardabweichung), der des beobachteten bei 74 ± 12 %. Die Abweichung des vorhergesagten vom beobachteten postoperativen FEV₁ variierte von - 289 (-12 % des postoperativ beobachteten FEV₁) bis + 294 ml (+ 15 % des postoperativ beobachteten FEV₁). Der Mittelwert der Abweichung (Absolutwerte) lag bei 137 ± 77 ml/s; entsprechend 7 ± 3 % des postoperativ beobachteten FEV₁. Nach der Bland-Altman-Statistik lagen 95 % der vorhergesagten FEV₁-Werte innerhalb von - 341 bis + 301 ml, entsprechend 18 % bis + 16 % der postoperativ beobachteten FEV₁-Werte. Die Auswertung von TLC und FVC ergab ähnliche Werte. Schlussfolgerung: In der vorliegenden Pilotstudie ergab die softwaregestützte Vorhersage des postoperativen FEV₁ aus präoperativer MDCT und Lungenfunktion eine akzeptable Übereinstimmung mit den postoperativ gemessenen Werten. Mit dem vorgestellten Ansatz könnte zukünftig eine zusätzliche Information zur ergänzenden Beurteilung der funktionellen Operabilität zur Anwendung kommen.

Abstract

Purpose: The predicted postoperative forced exspiratory volume in one second (FEV₁) is an important functional factor for predicting the operability of patients with bronchial carcinoma. A software tool that uses a preoperative chest MSCT and pulmonary function test (PFT) for largely automated prediction of the FEV₁ was evaluated. Materials and Methods: Fifteen patients with surgically treated lung cancer were examined with a preoperative chest MSCT (1.25 mm slice thickness, 0.8 mm reconstruction increment) and PFT before and after surgery. CT scans were analyzed by the prototype software MeVisPulmo (MeVis gGmbH, Bremen) that predicted the postoperative FEV₁ as a percentage of the preoperative values measured by PFT. The automated segmentation and volumetry of lung lobes were performed either without or with minimal user interaction. Patients underwent lobectomy in twelve cases (6 upper lobes, 1 middle lobe, 5 lower lobes) and pneumectomy in three cases. The predicted FEV₁ values were compared to the observed postoperative values as a standard of reference. The additional functional parameters “total lung capacity” (TLC) and “forced vital capacity” (FVC) were compared to the FEV₁ results. Results: Automated calculation of predicted postoperative lung function was successful in all cases. Due to an implausible PFT, two of the 15 patients were excluded from the collective. A mean postoperative FEV₁ value of 75 % (SD ± 12 %) of the preoperative FEV₁ was calculated and 74 % (SD ± 12 %) was actually measured. The deviations of the predicted value from the measured postoperative FEV₁ ranged between - 289 ml (-12 % of the measured postoperative FEV₁) and + 294 ml (+ 15 % of the postoperative FEV₁). The mean deviation (absolute value) was 137 ± 77 ml/s. This corresponds to 7 ± 3 % of the measured postoperative FEV₁. Bland-Altman-Statistics showed the 95 % “limits of agreement” for the predicted FEV₁ values to be between - 341 ml and + 301 ml, corresponding to - 17.5 % and + 15.8 of the measured postoperative FEV₁ value. Analysis of the TLC and FVC yielded similar results. Conclusion: In the present pilot study the software-assisted prediction of the postoperative FEV₁ using a preoperative MSCT and pulmonary function test corresponded satisfactorily with the observed postoperative values. The introduced approach may make it possible to obtain additional information for the prediction of functional operability prior to performing lung cancer surgery.

Key words

CT spiral - thorax - lung cancer - computer-aided diagnosis - lung function - lung resection

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6 * Beide Autoren haben im gleichen Umfang zur Publikation beigetragen