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.
 

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).