Konstruktion und Einsatz eines virtuellen anthropomorphen Phantoms des Bronchialbaums

Zusammenfassung

Motivation: Um Eigenschaften von Nachverarbeitungsalgorithmen, die auf Spiral-CT-Daten arbeiten, quantifizierbar zu machen, werden normalerweise Phantome verwendet. Im Fall des Bronchialsystems jedoch erschwert die sehr hohe Komplexität den Bau eines realen Phantoms. Eine Lösung für dieses Problem bietet ein virtuelles Bronchialsystemphantom, dessen dreidimensionales Abbild ein synthetischer Spiral-CT-Datensatz ist.

Methode: Da das Bronchialsystem eine fraktale Struktur aufweist, wurde zu seiner Generierung ein Lindenmayer-System benutzt, das unter der Einhaltung von Längen- und Durchmesserverhältnissen sowie Verzweigungswinkeln mit einer dreidimensionalen Turtle-Graphik zu einem anthropomorphen Abbild umgesetzt wurde. Die Simulation einer Spiral-CT-Messung erzeugt die synthetischen Spiral-CT-Daten für beliebige Scanparameter.

Ergebnisse: Der computergesteuerte Wachstumsprozess des virtuellen Phantoms liefert exakte morphologische und morphometrische Daten und damit eine Bewertungsgrundlage. Die Spiral-CT-Simulation erspart den zeitaufwendigen und komplizierten Bau des Phantoms.

Ausblick: Das virtuelle Bronchialsystemphantom lässt sich durch das Einbringen von Blutgefäßen und Lungenparenchym, aufgeteilt in Lappen und Segmente, zu einem virtuellen Lungenphantom ergänzen, wodurch sich sein Anwendungsgebiet erweitert.

Summary

Motivation: Usually, phantoms are used to quantify properties of computer algorithms working on spiral CT data. The high complexity of the human bronchial tree, however, complicates the construction of a physical phantom enormously; hence, a virtual phantom must be employed.

Methods: Because the human bronchial tree is fractal, Lindenmayer systems were utilized to generate its structure. Applying the correct diameter and length ratios and branching angles, a virtual anthropomorphic phantom could be generated by a three-dimensional turtle graphic. The simulation of a spiral CT measurement on the virtual phantom delivered synthetic spiral CT data.

Results: The computer-controlled growing process supplies exact morphologic and morphometric data. The spiral CT simulation saves the time-consuming and complicated generation of a physical phantom.

Perspective: The virtual phantom can be completed by the introduction of blood vessels and lung parenchyma partitioned into lobes and segments. The field of application can thus be extended.