Finite-Elemente-Modellierung der atmungsbedingten Lungenbewegung

Problemstellung:

Atmungsbedingte Bewegungen thorakaler Strukturen stellen eines der Hauptprobleme der Strahlen-therapie von Lungentumoren dar. Derzeit werden mögliche Bewegungen durch Addition von Sicherheitssäumen zu dem Volumen berücksichtigt, das auf Basis eines statischen 3D-CT-Datensatzes als tumorhaltig identifiziert wird. Ansätze zur expliziten Berücksichtigung der Bewegungen (4D-Strahlentherapie) sind Gegenstand aktueller Forschungen, bedürfen jedoch einer detaillierten Kenntnis der Dynamik. Benötigt wird eine modellhafte Beschreibung der Atmungsdynamik. Geometrische Modelle stoßen diesbezüglich jedoch an ihre Grenzen, wenn z. B. Wirkungszusammenhänge unterschiedlicher Strukturen beschrieben oder Bewegungen präzise prädiktiert werden sollen. In diesem Vorhaben wird unter Verwendung von Finite-Elemente-Methoden (FEM) ein biophysikalisches Modell der Lungenatmung erstellt. FEM-Modelle erlauben durch direkte Abbildung des physikalischen Verhaltens ein hohes Maß an Genauigkeit.

Methoden:

Ausgangspunkt der Modellbildung ist die Physiologie der Lungenatmung: Bedingt durch Kontraktion von Zwerchfell und Intercostalmuskulatur wird der Brustkorb-Lungen-Raum erweitert. Hierdurch hervorgerufene Änderungen des intrapleuralen Drucks wirken im Sinne einer Kraftübertragung auf die Lungen(-oberflächen); die Lunge dehnt sich aus, wobei ein reibungsloses Gleiten entlang der Thoraxwand stattfindet.

Dieses Verhalten wird unter Verwendung von Finite-Elemente-Methoden simuliert: Auf die Lungenoberfläche (CT-Lungengeometrie zu einer initialen Atemphase, z.B. maximale Expiration) wirkt im Bereich des Zwerchfells / des Brustkorbs ein negativer Druck. Die resultierende Kraft bedingt eine Ausdehnung der Lunge. Die Ausdehnung wird durch eine Zielgeometrie begrenzt (CT-Lungengeometrie zu finaler Atemphase, z.B. maximale Inspiration). Das Modellierungsprinzip ist in Abb. 1 verdeutlicht. Im Rahmen der Modellierung wird das Lungengewebe vereinfachend als homogenes, isotropes und linear-elastisches Medium angenommen. Der Kontakt zwischen initialer bzw. bewegter Lungengeometrie und der Zielgeometrie wird als reibungslos modelliert. Zur FEM-Modellierung wird die Software COMSOL Multiphysics (Version 3.3) der Fa. FEMLAB eingesetzt.

Abb. 1: Zur Verdeutlichung des Modellierungsansatzes

Als Datengrundlage dienen räumlich und zeitlich hochaufgelöste 4D-CT-Daten von Lungentumorpatienten. Zur Modellevaluation werden simulierte Bewegungsmuster lungeninterner Landmarken mit entsprechenden, auf Basis der 4D-CT-Daten vermessenen Landmarkenbewegungen verglichen. Gesucht ist eine Fehlerabschätzung für eine modellbasierte Prädiktion der Tumorbewegungen. Der Einfluss geometrischer und biomechanischen Parameter wird analysiert (Netzqualität; Elastizitätsmodul, Poisson-Zahl).

Abb. 2.1: Oberflächennetz eines linken Lungenflügels zur Phase der maximalen Ausatmung. Die kleine Abbildung gibt farbkodiert den Abstand zwischen den Oberflächen der initialen und der Zielgeometrie an (rot: Distanz bis zu 20 mm; blau: annähernd kein Abstand).

Abb. 2.2: Korrespondierendes Oberflächennetz zur Phase der maximalen Einatmung. Die Pfeile geben Bewegungsrichtung und -stärke an. Die kleine Abbildung repräsentiert wiederum den Oberflächenabstand zwischen der nun verformten initialen und der Zielgeometrie an (gleiche Farbskala wie in Abb. 2.1).

Ausgewählte Publikationen:

  1. René Werner, Jan Ehrhardt, Rainer Schmidt, Heinz Handels
    Patient-Specific Finite Element Modeling of Respiratory Lung Motion using 4D CT Image Data
    Medical Physics, 36, 5, 1500-1511, 2009.
  2. René Werner, Jan Ehrhardt, Rainer Schmidt, Heinz Handels:
    Modeling Respiratory Lung Motion: A Biophysical Approach using Finite Element Methods
    In: Hu X.P., Clough, A.V. (eds.), Physiology, Function, and Structure from Medical Images, SPIE Medical Imaging 2008, San Diego, Vol. 6916, 0N-1-0N-11, 2008.

Projektteam:

Dipl.-Inf. Dipl.-Phys. René Werner
Dr. Jan Ehrhardt
Prof. Dr. Heinz Handels

 

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Erstellt am 11. Mai 2010 - 16:56 von Wrage. Zuletzt geändert am 15. Juli 2010 - 14:40 von Kulbe.

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