Kurzfassung. Der Behandlung von Patienten mit obstruktiven Atemwegserkrankungen wie z.B. Asthma bronchiale oder COPD (chronisch obstruktive Lungenerkrankung) steht die Inhalationstherapie im Vordergrund. Bei der Entwicklung neuer Inhalationstherapie ist es wichtig, die Wirksamkeit bezu¨glich der Deposition von inhalierten Wirkstoffpartikeln in den Atemwegsabschnitten innerhalb und außerhalb der Lunge zu pru¨fen. Zu diesem Zweck wurde vor Beginn einer klinischen Studie zur Evaluation einer neuen Inhalationsmethode ein quantitatives Auswertungssystem entwickelt. Es wurden retrospektiv die RoutineUntersuchungsdaten von 15 Patienten fu¨r Implementierungs- und Testzwecke herangezogen. Die Daten beinhalten Aufnahmen des Atmungssystems, das mittels Molekularer Bildgebung mit Hilfe von Radionukliden zweidimensional erfasst wurde. Die Verfahren zum Nachweis der Deposition der Medikamente in den oberen Atemwegen, der Lunge sowie im Magenbereich und zur Depositionsmengen-Berechnung im intrathorakalen und extrathorakalen Bereich wurden implementiert. Es konnten Informationen u¨ber die Regionalverteilung des inhalierten Pra¨parats innerhalb der Lunge gewonnen und als prozentualer Anteil an der Gesamtmenge des Pra¨parats ausgedru¨ckt werden.
Da nach Prognosen von Epidemiologen bis zum Jahre 2020 die Ha¨ufigkeit von Lungenerkrankungen zunehmen und eine der ha¨ufigsten Todesursachen werden wird, bedarf es neuer effizienter Therapiemethoden fu¨r Patienten mit Lungenfunktionssto¨rungen. Der Bestimmungsort von Medikamenten, die bei der Behandlung von Lungenfunktionssto¨rungen angewendet werden, ist der periphere Bereich (Alveolarbereich) der Lunge.
Die Molekulare Bildgebung wird dabei zur Analyse der inhalierten Wirkstoffe in der Lunge eingesetzt. Die Analyse der inhalierten Wirkstoffe bzw. der Nachweis von Wirkstoffen und deren Deposition in der Lunge wird mittels Gammakamera durchgefu¨hrt. Dabei ist zwischen zwei-dimensionalen (planare Szintigraphie) und drei-dimensionalen Aufnahmetechniken – Single Photon Emission
Computed Tomography (SPECT) und Positron Emission Tomography (PET) – zu unterscheiden.
SPECT und PET liefern detailliertere Informationen u¨ber die Verteilung
der Pharmazeutika in intrathorakalen und extrathorakalen Bereichen des
Ko¨rpers [
Fu¨r Implementierungs- und Testzwecke zur quantitativen Auswertung wurden retrospektiv planare Gammakameraaufnahmen von 15 Patienten herangezogen, die im Rahmen der Routinediagnostik entstanden sind. Dabei wurden nur die Ventilationsuntersuchungen von Patienten mit Lungenfunktionssto¨rungen betrachtet. Bei dieser Art der Untersuchung inhalierten die Patienten u¨ber ein geschlossenes System bis zu 5 min lang ein mit Technetium-99m markierten Albumin-Nanokolloid Aerosol. Unmittelbar nach der Inhalation des Aerosols wurden jeweils 8 Bilder aus 4 Kamerapositionen (anterior/posterior, RAO/LPO, RL/LL, RPO/LAO) vom Oberko¨rper des Patienten in liegender Position mittels einer Doppelkopfgammakamera aufgenommen.
Die von der Doppelkopfgammakamera aufgenommenen Scans (planare Bilder) sind in Form einer 128 128 Matrix dargestellt. Jedes Matrixelement (Pixel) repra¨sentiert einen Bereich im dreidimensionalen Objekt des Ko¨rpers. Jeder Pixel entha¨lt Informationen u¨ber die Summe aller Signale (Impulse), die entlang des jeweils zugeordneten Messstrahls von der Gammakamera registriert werden. So ergibt sich ein Grauwert, der diese Informationen abbildet. Die Matrixpixel enthalten dabei keine Daten u¨ber die Tiefe des aufgenommenen Objekts.
Damit die Verteilung des Pra¨parats im gesamten System aufgezeigt und als prozentueller Anteil an der Gesamtmenge des inhalierten Aerosols ausgedru¨ckt werden konnte, wurden bei zwei Patienten u¨berplanma¨ßig wa¨hrend einer Routine-Untersuchung die Ganzko¨rperscans und die Bilder des RadioaerosolZufuhr-Systems aufgenommen. Desweiteren wurden die Referenzmessungen bei diesen Aufnahmen durchgefu¨hrt. 2.2
Fu¨r die Auswertung der vorhandenen Gammakamerascans wurden die anterior
und posterior Aufnahmen selektiert und ein geometrisches Mittel gebildet. Diese
Datensa¨tze stellen somit die prima¨re Datenmenge dar [
Aus der Datenmenge wurde ein Schwellenwert ermittelt, der 10 % von dem
ho¨chstgemessenen Wert im Bild betra¨gt. Die Lunge wurde mit Hilfe des
Schwellenwertes segmentiert und konturiert. Die Lungensegmente wurden im na¨chsten
Schritt in drei Bereiche (zentral, intermedia¨r, peripher) aufgeteilt. Die
Aufteilung wurde mittels 5 8 Raster-Methode (Abb. 1b) vorgenommen. So wurden
die einzelnen Lungenflu¨gel von einem Raster umrandet, der in 40 Quadrate (5
8 Matrix) aufgegliedert wurde. Jeder der drei Bereiche (Interessensregionen)
der jeweiligen Lungenflu¨gel beinhaltet eine unterschiedliche Quadratanzahl. Der
intermedia¨re Bereich impliziert eine 3x5 Matrix. Die zentrale Zone, die um den
Hilus gezeichnet wurde, beinhaltet eine 2 3 Matrix. Dabei wurde der
Hiluspunkt gema¨ß [
(a) Hintergrundaktivita¨t (b) 5
Abb. 1. Bilder von zwei Patienten mit vermindert ventilierten Arealen der Lunge.
Der Magenbereich und die oberen Atemwege wurden nach dem gleichen Prinzip segmentiert, wobei eine weitere, feinere Aufteilung entfa¨llt. Hierbei wurden die Ganzko¨rperaufnahmen verwendet (Abb. 2a).
Die innerhalb einer jeweiligen Interessensregion deponierte Wirkstoffmenge wurde im weiteren Verarbeitungsschritt quantitativ berechnet. Somit wurden Informationen u¨ber die Regionalverteilung des angewendeten Pra¨parats innerhalb der Lunge gewonnen.
Damit diese Verteilung als prozentueller Anteil an der Gesamtmenge des inhalierten Pra¨parats ausgedruckt werden konnten, wurden die Ganzko¨rperscans (Abb. 2a) und die Bilder des Radioaerosol-Zufuhr-Systems (Abb. 2b) herangezogen. Die Referenzdosis beider Bilder wurde nach der Segmentierung zur Quantifizierung eingesetzt. Somit la¨sst sich die Aktivita¨t im gesamten System und in einzelnen Interessensbereichen nachweisen. 3
Mittels der implementierten Algorithmen wurde automatisch das geometrische Mittel berechnet, alle Aufnahmekorrekturen durchgefu¨hrt und die Segmentierung aller Interessensregionen des gesamten Systems vorgenommen. Anschließend wurde die Aktivita¨t jeder segmentierten Region mit der Referenzdosis verglichen. So konnte die Wirkstoffmenge in jedem Areal berechnet und als prozentualer Anteil an der Gesamtmenge des inhalierten Pra¨parats ausgedru¨ckt werden. Die Depositionsmengen im intrathorakalen und extrathorakalen Bereich konnten so automatisch ermittelt werden.
Im Bild (Abb. 3) ist dabei die ermittelte Verteilung des inhalierten Aerosols im gesamten System schematisch dargestellt. Hierbei kann festgestellt werden, dass sich die meiste Aktivita¨t im Radioaerosol-Zufuhr-System (bis zu 80–90 %) nachweisen la¨sst.
(a) Thorakaler Bereich
(b) Radioaerosol-Zufuhr-System Abb. 2. Verteilung des inhalierten Aerosols im intrathorakalen und extrathorakalen Bereich sowie im Radioaerosol-Zufuhr-System. 4
In dieser Arbeit wurde eine der Methoden vorgestellt, mit der die Analyse und
Quantifizierung der inhalierten Wirkstoffe in der Lunge mo¨glich ist. Die
angewendete Methode – auf Basis von Szintigrammen – ist allerdings eingeschra¨nkt,
da die ra¨umliche Verteilung eines Radionuklids im Ko¨rper zweidimensional
dargestellt wird [
Im na¨chsten Schritt ist die Modifizierung der zweidimensional aufgenommenen Atmungsorgane in dreidimensionale Objekte geplant. Hierzu werden statistische Scha¨tzmethoden wie z.B. das Maximum-Likelihood-Verfahren angewendet. Es wird erwartet, dass die Pra¨zision der Berechnung der deponierten Medikamentenpartikel in der Lunge durch die simulierte ra¨umliche Darstellung erho¨ht wird.