Lungensegmentierung: weniger Aufwand dank neuer Algorithmen

Der Blick in die Lunge ist aufwendig. Um das Atmungsorgan von anderen Organen, Geweben und Strukturen zu segmentieren, müssen zwischen 200 und 500 computertomographische Bilder aufgenommen und anschließend manuell gekennzeichnet werden – ein Prozess, der bis zu sechs Stunden dauert. Ein optimiertes Computerprogramm schafft dies nun innerhalb weniger Sekunden.

Im Interview mit MEDICA.de sprechen Dr. Anja Braune und Prof. Marcelo Gama de Abreu über die Optimierung eines Computerprogramms zur Lungensegmentierung, die Vorteile der Technik und was zukünftig noch in der Bildgebung möglich sein könnte und sollte.

Sie arbeiten an dem Programm DICOM-Analyser. Inwiefern kann das für die Bildgebung der Lunge eingesetzt werden?

Dr. Anja Braune: Wir nutzen verschiedene Bildgebungsverfahren, um strukturelle und funktionelle Informationen der Lunge zu gewinnen beziehungsweise die Belüftung, Durchblutung und Entzündung einzelner Lungenbereiche quantifizieren zu können. Dafür nutzen wir unter anderem die Computertomographie und die Positronen-Emissions-Tomographie. Da bei diesen Aufnahmen auch umliegende Organe und Strukturen wie Herz, Rippen und Zwerchfell erfasst werden, ist es erforderlich, die Lunge zu segmentieren, also abzugrenzen. Das Tool DICOM-Analyser hilft uns, indem es die automatisierte Segmentierung der Lunge ermöglicht.

Wie sieht eine solche Abgrenzung der Lunge mit dem Programm genau aus?

Braune: Zunächst erfassen wir den Thorax mit Hilfe der Computertomographie. Wir erhalten dreidimensionale Datensätze aus Hounsfield-Werten, welche maßgeblich von der Dichte der erfassten Volumina bestimmt werden. Um nur die Daten der Lunge auswerten zu können, werden diese 3D-Datensätze zunächst mit Hilfe des Programms DICOM-Analyser anhand lungenspezifischer Hounsfield-Werte von anderen Bereichen abgegrenzt. Bei einer gut belüfteten Lunge ist die Abgrenzung mittels der Hounsfield-Einheiten sehr gut möglich. Schwierig wird es bei geschädigten Lungen, da kollabierte Areale ähnliche Hounsfield-Werte wie die Umgebung aufweisen.

Welche Vorteile ergeben sich daraus für Arzt und Patient?

Prof. Marcelo Gama de Abreu: Normalerweise müssen wir die Lunge Schnitt pro Schnitt manuell segmentieren. Das heißt, dass auf dem Bildschirm das Lungengewebe von einem erfahrenen Wissenschaftler per Hand vom umliegenden Gewebe abgegrenzt werden muss. Das kann sehr viel Zeit in Anspruch nehmen. Mit einer Software können wir diesen Prozess automatisieren. Damit gewinnen wir erheblich an Geschwindigkeit und können die Untersuchung viel schneller auswerten.

Dies ist für Patienten mit einem Lungenversagen von möglichem Interesse, wenn eine objektive Charakterisierung von Belüftung in den Lungen angestrebt wird. Auch für Patienten mit Trauma, welche eine Lungenkontusion erlitten haben, könnte dieses Verfahren bedeutsam sein.

Dafür muss das Programm aber erst einmal optimiert werden. Was ist die größte Herausforderung dabei?

Gama de Abreu: Was bei normal und überbelüfteten Arealen gut funktioniert, ist bei kollabierten Lungenarealen deutlich schwieriger, denn diese weisen vergleichbare Hounsfield-Werte auf wie die des umliegenden Gewebes. Die Abgrenzung der Lunge anhand der Hounsfield-Werte allein ist deshalb bei erkrankten Lungen nicht möglich. Deshalb sind Algorithmen in der Software umzusetzen, die diese Abgrenzung anhand anatomischer Informationen leisten können.

Braune: Die pathophysiologischen, kollabierten Areale konnten bisher nur zeitaufwändig per Hand von Experten segmentiert werden. Zukünftig sollen sie ebenfalls mit dem Programm DICOM-Analyser automatisiert abgegrenzt werden können. Die anzuwendenden Algorithmen berücksichtigen dann typische anatomische Eigenschaften, wie beispielsweise die Begrenzung der Lunge durch die Rippen oder das Zwerchfell.

Für diese Programmierung haben Sie sich dann auch die Unterstützung der Kollegen von der BTU eingeholt. Wie sieht diese Zusammenarbeit genau aus?

Braune: Wir haben das Institut für Medizininformatik der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus–Senftenberg um Unterstützung bei der Überarbeitung und Optimierung des Programms DICOM-Analyser gebeten. Durch ihre Expertise auf dem Gebiet der Medizininformatik können die Mitarbeiter und Studenten um Frau Prof. Bönninger wesentlich dabei helfen, das bestehende Programm zu verbessern sowie zusätzliche Algorithmen zu implementieren.

Und was passiert dann? Welche Schritte sind noch notwendig, um das Verfahren in der Praxis zu etablieren?

Braune: Das Programm DICOM-Analyser soll zunächst in der experimentellen Forschung zur Anwendung kommen, eine Nutzung in der klinischen Praxis ist zunächst nicht vorgesehen. Weitere Verbesserungen des Programms sollen ermöglichen, dass das Programm bei verschiedenen Schädigungsgraden der Lunge und für computertomographische Aufnahmen mit unterschiedlicher Auflösung angewendet werden kann. 

Zum Abschluss ein Ausblick in die Zukunft der Bildgebung: Was könnte oder sollte Ihrer Meinung nach in diesem Bereich möglich sein?

Gama de Abreu: Wir brauchen Verfahren, die ohne Ionisierungsstrahlung auskommen. Und wir brauchen Verfahren, die mit relativ kleinen Geräten durchgeführt werden können, um sie direkt am Patientenbett zu verwenden. Ich denke hier zum Beispiel an Patienten, die auf einer Intensivtherapiestation liegen. Und wir brauchen Geräte, die nicht nur von Spezialisten angewendet werden können. Die Geräte sollten also nicht nur kleiner, sondern auch viel einfacher zu bedienen sein.