Reproducible Simulation of Respiratory Motion in Porcine Lung Explants

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.

Key words

Motility - thorax - CT - MR imaging

References

• 1 Mageras G S, Yorke E. Deep inspiration breath hold and respiratory gating strategies for reducing organ motion in radiation treatment.  Semin Radiat Oncol. 2004;  14 65-75
• 2 Biederer J, Bolte H, Dinkel J. et al . Analyse von Bildqualität und Artefakten aus respiratorisch gegateten 4D-CT der Lunge: Vergleich mit statischen Datensätzen in definierter Atemlage.  Fortschr Röntgenstr. 2006;  178 S148
• 3 Schertler T, Wildermuth S, Willmann J K. et al . Retrospectively ECG-Gated Multi-Detector Row CT of the Chest: Does ECG-Gating Improve Three-Dimensional Visualization of the Bronchial Tree?.  Fortschr Röntgenstr. 2004;  176 513-521
• 4 Plathow C, Ley S, Fink C. et al . Evaluation of chest motion and volumetry during the breathing cycle by dynamic MRI in healthy subjects: comparison with pulmonary function tests.  Invest Radiol. 2004;  39 202-209
• 5 Kotani T, Minami S, Takahashi K. et al . An analysis of chest wall and diaphragm motions in patients with idiopathic scoliosis using dynamic breathing MRI.  Spine. 2004;  29 298-302
• 6 Plathow C, Schoebinger M, Fink C. et al . Evaluation of lung volumetry using dynamic three-dimensional magnetic resonance imaging.  Invest Radiol. 2005;  40 173-179
• 7 Kondo T, Kobayashi I, Taguchi Y. et al . A dynamic analysis of chest wall motions with MRI in healthy young subjects.  Respirology. 2000;  5 19-25
• 8 Kluge A, Gerriets T, Muller C. et al . Thorakale Echtzeit-MRT: Erfahrungen aus 2200 Untersuchungen bei akuten und unklaren thorakalen Erkrankungen.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 1513-1521
• 9 Biederer J, Heller M. Artificial thorax for magnetic resonance imaging studies on porcine heart-lung preparations.  Radiology. 2003;  226 250-255
• 10 Bolte H, Müller-Hülsbeck S, Riedel C. et al . Ex-vivo injection technique for implanting solid pulmonary nodules into porcine lungs for multi-slice CT.  Fortschr Röntgenstr. 2004;  176 1380-1384
• 11 Schreyer A G, Scheibl K, Zorger N. et al . Detection Rate and Efficiency of Lymph Node Assessment with Axial and Coronal Image Reading Based on 16 Row Multislice CT of the Neck.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 1430-1435
• 12 Wolf I, Vetter M, Wegner I. et al . The Medical Imaging Interaction Toolkit (MITK).  Med Image Anal. 2005;  9 594-604
• 13 Davis M H, Khotanzad A, Flamig D P. et al . A physics-based coordinate transformation for 3-D image matching.  IEEE Trans Med Imaging. 1997;  16 317-328
• 14 Plathow C, Klopp M, Fink C. et al . Quantitative analysis of lung and tumour mobility: comparison of two time-resolved MRI sequences.  Br J Radiol. 2005;  78 836-840
• 15 Biederer J, Both M, Graessner J. et al . Lung morphology: Fast MR imaging assessment with a volumetric interpolated breath-hold technique: Initial experience with Patients.  Radiology. 2003;  226 242-249
• 16 Biederer J, Busse I, Grimm J. et al . Sensitivität der MRT für alveoläre Infiltrate: Experimentelle Untersuchungen.  Fortschr Röntgenstr. 2002;  174 1033-1039
• 17 Both M, Schultze J, Reuter M. et al . Fast T1- and T2-weighted pulmonary MR-imaging in patients with bronchial carcinoma.  Eur J Radiol. 2005;  53 478-488
• 18 Mohrs O K, Voigtlander T, Heussel C P. et al . Morphologische und funktionelle Evaluation pulmonaler Gefäßanomalien mittels schneller MR-Techniken.  Fortschr Röntgenstr. 2002;  174 467-473
• 19 Schäfer J F, Vollmar J, Schick F. et al . Detektion von Lungenrundherden mit der Magnetresonanztomographie in Atemanhaltetechnik im Vergleich zur Spiral-Computertomographie.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 41-49
• 20 Schild H. Klinische Hochfeld-MRT.  Fortschr Röntgenstr. 2005;  177 621-631
• 21 Gee J, Sundaram T, Hasegawa I. et al . Characterization of regional pulmonary mechanics from serial magnetic resonance imaging data.  Acad Radiol. 2003;  10 1147-1152
• 22 Dietrich L, Jetter S, Tucking T. et al . Linac-integrated 4D cone beam CT: first experimental results.  Phys Med Biol. 2006;  51 2939-2952
• 23 Plathow C, Ley S, Fink C. et al . Analysis of intrathoracic tumor mobility during whole breathing cycle by dynamic MRI.  Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2004;  59 952-959
• 24 Neumann M, Adler D, Felzmann T. et al . „Erlanger Broncho-Trainer” - Neuentwicklung eines Trainingsmodells mit physiologischer Ventilation für die interventionelle Bronchoskopie.  Pneumologie. 2005;  59 18-21