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Einleitung: Atmungsbedingte Bewegungen stellen eines der Hauptprobleme der Strahlentherapie thorakaler Tumoren dar. Die Entwicklung von Lösungsansätzen und deren Optimierung bedürfen der detaillierten Kenntnis der dynamischen Prozesse. Entsprechend gewinnt die modellbasierte Beschreibung atmungsbedingter Bewegungen zunehmend an Bedeutung. In diesem Beitrag wird ein biophysikalisches Modell der Lungenatmung dargestellt. Das Modell wird auf Basis von 4D-CT-Daten von Lungentumorpatienten evaluiert.

Material und Methoden: Ausgangspunkt der Modellbildung ist die Physiologie der Lungenatmung: Bedingt durch Kontraktion von Zwerchfell und Interkostalmuskulatur 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 (FEM) 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 Lungengewebe wird vereinfachend als homogenes, linear-elastisches Medium angenommen. Der Kontakt zwischen initialer bzw. bewegter Lungengeometrie und der Zielgeometrie wird reibungslos modelliert. Zur FEM-Modellierung wird die Software COMSOL Multiphysics (Version 3.3) der Fa. FEMLAB eingesetzt.

Als Datengrundlage dienen artefaktreduziert rekonstruierte, räumlich und zeitlich hoch-aufgelöste 4D-CT-Daten von Lungentumorpatienten [Ref. 1], [Ref. 2].

Ergebnisse: Zur Modellevaluation werden simulierte Bewegungsmuster lungeninterner Landmarken mit entsprechenden, auf Basis der 4D-CT-Daten vermessenen Landmarkenbewegungen verglichen. Eine Fehlerabschätzung für eine modellbasierte Prädiktion der Tumorbewegungen wird vorgenommen. Der Einfluss geometrischer und biomechanischen Parameter wird analysiert (Netzqualität; Elastizitätsmodul, Poisson-Zahl).

Diskussion: Das präsentierte Modell beinhaltet vereinfachende Annahmen; eine zukünftige Integration von Aspekten wie z.B. Inhomogenität und Hyperelastizität des Lungengewebes ist beabsichtigt.

FEM-Modellierungen erlauben durch direkte Abbildung des physikalischen Verhaltens ein hohes Maß an Genauigkeit. Gegenwärtig werden atmungsbedingte Bewegungen in dem gegebenen Kontext überwiegend unter Verwendung von nicht-linearen Registrierungsverfahren geschätzt. Ein Vergleich von FEM-Modellierung und Registrierungsresultaten wird zukünftig vorgenommen.