Fortschr Röntgenstr 2006; 178(11): 1067-1072
DOI: 10.1055/s-2006-927149
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Reproducible Simulation of Respiratory Motion in Porcine Lung Explants

Modellversuch für die reproduzierbare Simulation von Atembewegungen an TierlungenJ. Biederer1, 3 , C. Plathow2, 3 , M. Schoebinger4 , R. Tetzlaff3 , M. Puderbach3 , H. Bolte1 , J. Zaporozhan3 , H.-P Meinzer4 , M. Heller1 , H.-U Kauczor3
  • 1Department of Diagnostic Radiology, University Hospital Schleswig-Holstein, Campus Kiel
  • 2Department of Diagnostic Radiology, Eberhard-Karls-University Tübingen
  • 3Department of Radiology, German Cancer Research Center, Heidelberg
  • 4Department of Medical and Biological Informatics, German Cancer Research Center, Heidelberg
Further Information

Publication History

received: 21.6.2006

accepted: 23.8.2006

Publication Date:
07 November 2006 (online)

Zusammenfassung

Ziel: Entwicklung eines MR-kompatiblen Modellversuchs für die reproduzierbare Simulation von Atembewegungen an Tierlungen. Material und Methoden: Der Versuchsaufbau bestand in einer Zylinderpumpe und einer flexiblen Silikonblase als Zwerchfellersatz und wurde zusammen mit einem etablierten Thoraxphantom für Herz-Lungen-Präparate von Schweinen eingesetzt. Durch rhythmische Entfaltung und Kontraktion des Diaphragmas mit 1 - 1,5 l Wasser wurde eine regelmäßige Bewegung der anliegenden Lunge nach Art einer Zwerchfellatmung induziert. Dieser Versuchsaufbau wurde an fünf Herz-Lungen-Präparaten von Schlachtschweinen getestet. Durchgeführt wurden 1,5-T-MRT mit transversalen und koronaren 3D-GRE (TR/TE = 3,63/1,58, Matrix 256 × 256, FOV 350 mm, Schichtdicke 4 mm) und Half-Fourier-T2-FSE-Sequenzen (TR/TE = 545/29, 256 × 192, 350 mm, 6 mm) sowie Mehrzeilen-Spiral-CT (16 × 1 mm Kollimation, Pitch 1,5, FOV 400 mm, 120 mAs) bei verschiedenen Atemlagen unter statischen Bedingungen. Zusätzlich erfolgten bei einer „Atemfrequenz” von 7/Minute dynamische CT und koronare MRT mit dynamischen 2D-GRE- und 2D-SS-GRE-Sequenzen (Bildfrequenzen 10/s bzw. 3/s). Die Stellung des Pumpenzylinders wurde visuell mit den durch die transparente Wand des Phantoms sichtbaren Lungenbewegungen und dynamischen Darstellungen der CT- und MR-Bilder korreliert. An CT-Daten wurde exemplarisch eine regionale Analyse der Atembewegungen mit Elastic-Body-Splines-Analyse durchgeführt. Ergebnisse: Die visuelle Evaluation von MRT und CT zeigte eine dreidimensionale Bewegung des Lungengewebes während des Atemzyklus. Die aus den CT berechneten Bewegungskarten waren geeignet, die lokale Verschieblichkeit des Lungengewebes innerhalb der belüfteten Organe zu dokumentierten. Der maximale Bewegungsumfang der Zwerchfellkuppe (26,26 [SD 1,9] mm gemessen an CT-Rekonstruktionen bzw. 27,16 [SD 1,5] mm gemessen an koronaren MRT [p = 0,25; Wilcoxon-Test]) lag im Bereich einer flachen tidalen Atmung des Menschen. Schlussfolgerung: Das Thoraxphantom mit Zwerchfellpumpe ist als Plattform für Studien der Atembewegung mit verschiedenen Modalitäten geeignet.

Abstract

Purpose: To develop a model for exactly reproducible respiration motion simulations of animal lung explants inside an MR-compatible chest phantom. Materials and Methods: The materials included a piston pump and a flexible silicone reconstruction of a porcine diaphragm and were used in combination with an established MR-compatible chest phantom for porcine heart-lung preparations. The rhythmic inflation and deflation of the diaphragm at the bottom of the artificial thorax with water (1 - 1.5 L) induced lung tissue displacement resembling diaphragmatic breathing. This system was tested on five porcine heart-lung preparations using 1.5T MRI with transverse and coronal 3D-GRE (TR/TE = 3.63/1.58, 256 × 256 matrix, 350 mm FOV, 4 mm slices) and half Fourier T2-FSE (TR/TE = 545/29, 256 × 192, 350 mm, 6 mm) as well as multiple row detector CT (16 × 1 mm collimation, pitch 1.5, FOV 400 mm, 120 mAs) acquired at five fixed inspiration levels. Dynamic CT scans and coronal MRI with dynamic 2D-GRE and 2D-SS-GRE sequences (image frequencies of 10/sec and 3/sec, respectively) were acquired during continuous “breathing” (7/minute). The position of the piston pump was visually correlated with the respiratory motion visible through the transparent wall of the phantom and with dynamic displays of CT and MR images. An elastic body splines analysis of the respiratory motion was performed using CT data. Results: Visual evaluation of MRI and CT showed three-dimensional movement of the lung tissue throughout the respiration cycle. Local tissue displacement inside the lung explants was documented with motion maps calculated from CT. The maximum displacement at the top of the diaphragm (mean 26.26 [SD 1.9] mm on CT and 27.16 [SD 1.5] mm on MRI, respectively [p = 0.25; Wilcoxon test]) was in the range of tidal breathing in human patients. Conclusion: The chest phantom with a diaphragmatic pump is a promising platform for multi-modality imaging studies of the effects of respiratory lung motion.

References

Dr. Jürgen Biederer

Klinik für Diagnostische Radiologie, Universitätsklinikum Kiel

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