Comparison of different methods for lung immobilization through an animal model study
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- Tez No: 854177
- Danışmanlar: PROF. DR. ANDREA ALİVERTİ, PROF. DR. ANTONELLA LO MOURA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Tıbbi Biyoloji, Bioengineering, Medical Biology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Politecnico di Milano
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
Lung cancer is the most common form of cancer in Europe with many patients being diagnosed with it every year. The surgery is one of many treatment options, however, not a feasible one. An alternative form of treatment for lung cancer, is radiotherapy. With radiotherapy, a“target zone”comprising the tumor and a margin of surrounding lung tissue is defined by chest CT. This zone is then used to plan the irradiation itself and the tumor is irradiated from different angles, with the beams crossing in the target zone. This process effectively increases the radiation dose in the tumor, while ensuring a lower dose in the healthy lung. With awake patients and spontaneous breathing, the target zone needs to be larger, in order to compensate for the changes in tumor position due to breathing. Modern radiotherapy aims to focus on irradiation of unhealthy parts without damage the surrounding tissues. In case of lung cancer, this can be achieved by immobilizing the lung, which eliminates the need for compensation of lung and tumor movement. This can be achieved either 1) with deep inspiration breath hold techniques in the awake patients; or 2) with lung immobilization techniques in the anaesthetized patients. Methods used for the second approach can either be pauses in the respiratory cycle (ideally in end-inspiration or with a defined degree of lung inflation – this reduces lung“density”, i.e. reduces the amount of healthy lung tissue in the irradiation beam zone); or“quasi-immobilization”of the lung using high frequency jet ventilation. This work is a comparison of different methods for lung immobilization through an animal model study. The implemented ventilatory modes are: Conventional Mechanical Ventilation (CMV), High Frequency Jet Ventilation with 200 min-1 , 300 min-1 , and 400 min-1 , and expiratory pauses at different pressure levels which are 0 cm H2O, 8 cmH2O, and 16 cm H2O. Experiments were performed at the Clinical Physiology Laboratory of the Uppsala University Hospital over a population of nine pigs. The protocol followed for each pig had been chosen to allow the randomized application of ventilation modes. The measured data consisted of the partial pressures of the Carbon dioxide (pCO2) and Oxygen (pO2) during each ventilation mode. We had to take into consideration the optimal values of these pressure levels. The normal values of pCO2 are 4.5-6 kPa. If the pressure was over 6 kPa, it would result in a condition called“Hypercapnia”and if the pO2 goes under 10 kPa, it would result in a condition called“Hypoxemia”. For this reason, all these conditions had to be considered in order to choose best ventilatory mode. Chest wall displacements were also measured in order to observe correlation between the implemented markers and different compartments of the chest wall. The first chapter of this thesis contains an introduction covering the information required to understand the work done and the results obtained. This part commences with the basics of the respiratory system and brief information about the respiratory muscles such as diaphragm and II abdominal muscles. Then, the concept of mechanical ventilations and their modes are introduced. The other part of the introduction covers general information about the tumors and moves into the specifics of the lung tumor. It is followed by information about radiotherapy of the lung tumors and the general concepts of the external beam radiation. In this study, we used a C-arm fluoroscopic imaging technique to track the markers which are close to heart and diaphragm. Therefore, the general concept of the Carm fluoroscopic imaging system is introduced. Moreover, the working principle of Optoelectronic Plethysmography (OEP) system is briefly explained in this part. The OEP can measure chest wall volume in three regions viz. upper thorax, lower thorax and abdomen. In the end, the aim of study is depicted with details. The second chapter covers material and methods. Firstly, the experimental setup and preparation of animals for image acquisition is explained. Then, image acquisition system used in this system is introduced. The concept of image processing is also mentioned in this part of the chapter. Before the tracking process, the frames were extracted from video tapes at a sampling rate of 25 frame/s. The tracking algorithm was started by manually selection of the region of the interest. This selection was made from the first frame. It was followed by the segmentation process. The thresholding segmentation was applied to the region of interest. The Multilevel Otsu thresholding gives better results in comparison with basic thresholding techniques. However, branchy shapes still existed and in order to get rid of them, a binary reference image with circular shape of different radii was constructed to find the best correlation between template and reference image. The reference binary image was chosen to be circular because the implemented marker was also circular in shape. This shape was searched on our segmented image to find closest shape of the marker. In that way the higher correlation between the two images could be found. This highest correlation had information about the coordinates on the image and about the best radii of circular shape. So, we could paste the reference image on segmented image at specific coordinate which had the highest correlation. After that there was only the circle binary image that referred to target marker to track. Tracking algorithm was implemented frame by frame. After the segmentation of the first marker, attention was given to the center of the mass (CoM) calculation because the tracking of the center of mass balances the movement of the region of the interest. The center of mass was computed for the region of interest and then ROI was centered at the center of the mass for the following frame. In that way, each region of interest corner could be calculated from center of mass. The movement of ROI was calculated after the window was centered for the following frame. This was also the new definition of the ROI of the next frame and the algorithm was repeated until the last frame. After performing the tracking algorithm for all frames, the conversion from pixel to millimeter unit was performed. Before the analysis of the marker movement, the movement parameters were normalized for both experiments. Another part of the III material and methods is spectral analysis of the normalized movement parameters for both markers which are close to heart and the diaphragm. The magnitude response of the signals was plotted for all pigs under the mechanical ventilation. The last part of material and methods describes the chest wall volume measurements. The chest wall volume is measured with the OEP system. Firstly, the reflected distributed markers were tracked by the OEP system. During the all mechanical ventilation, data acquired from the OEP was saved as .tdf file. The tracked 57 surface markers linked with each other and constructed a geometrical model. From this geometrical model, the program vemgbis computed the abdomen, rib cage and the chest wall volume. The vemgbis provided the output as a .dat file. Afterward the construction of volumes was obtained, the Diamov® program was used to find each maximum and each minimum of the following ventilation mode, which corresponds to end inspiration and end expiration points. After that, the volume variation of different chest wall compartments were found with VolumePigs.m Matlab function. The third chapter reports all the results obtained. The results section presents the findings of the study in figures and tables. Some of the graphs represent the statistical analysis in order to show the differences. This part is starts with extraction of movement parameters. They have been written in an excel file in tabular form and have been standardized. The acquisition of the movement analysis includes two differently located markers. One of these markers was close to heart and the other one was close to the diaphragm. The acquisition was processed with two different views viz. the anterior posterior and the lateral projections. The marker movements in time domain were performed for Controlled Mechanical Ventilations (CMV), Jet Ventilations (200 min-1 , 300 min-1 , 400 min-1 ), and apneic oxygenation (0 cmH20, 8 cmH20, 16 cmH20). Moreover, they were also plotted as 2D scattering, 3D scattering. The 2-D scattering of the marker movement was plotted during different ventilation modes: Controlled Mechanical Ventilations (CMV), Jet Ventilations (200 min-1 , 300 min-1 , 400 min1 ). These graphs represent two-dimensional marker movement. The plots from top to bottom respectively are cranial-caudal versus anterior-posterior, cranial-caudal versus medio-lateral, and medio-lateral versus anterior posterior. The next step was to find the absolute values and they were calculated from the minimum and maximum of the displacements. This process was completed for both markers during all mechanical ventilation modes. After that 3D scatter plots were used to plot movement data on three movement axes for different projections. These plots provide information about both markers in which they are close to diaphragm and heart. The maximum marker movement was related with 3D marker movement in a volume and the maximum movement was considered as the space diagonal movement in a cuboid volume and was determined for both projections. In the next part of the results, the magnitude frequency response was performed for both markers and the IV magnitude frequency response of the pig 4 was plotted and it has been represented in results part with details. The peak values of the magnitude response were determined for all pigs and were tabulated for both experiments. Another part of the results depicts the graphs of the median and interquartile range of the motion of the marker during the different mechanical ventilations. The graphs use symbols for indicating significant differences between ventilation modes. The box plots of partial pressure of carbon dioxide pCO2 and oxygen pO2 were created for all mechanical ventilations. These plots are important to understand the levels of ventilation and when they become dangerous so as to protect the subject in hypercapnia and hypoxemia conditions. The last part of the results describes the correlation study between volume variation and implemented markers. Four graphs are illustrated in this section, two of which represent correlation between abdominal volume variation and the both implemented markers, the remaining two present the correction between pulmonary rib cage volume variation and both the implemented markers. Pearson-r correlation and the linear regression was also performed. Furthermore, their results (r2 , r, and p-value) are presented on bottom right side of the graphs. All these results are explained in detail in the discussions section. The fourth part of this thesis is the discussions section. In this section, the obtained results were elucidated with proper interpretations. Even if the results seem evident, statistical analysis was applied to ensure the validity of the results. Firstly, the movement of marker-time graphs represented the marker time domain signal for all intervention. These graphs demonstrate the difference range of motion among the different ventilation techniques. After that 2-D plot scatters were presented, and the average absolute range of motion was calculated for each marker movement direction. During the AP projection, the average amplitude of the marker motion was greatest (10.293 +/- 1.888 mm [SD]) in the Cranial-Caudal (CC) direction for marker close to diaphragm. Moreover, marker motion is predominantly at cranial-caudal direction (11.534 +/- 1.181 mm) during the ML projection. The statistical analysis of the results show that the CMV movement significantly higher (p
Özet (Çeviri)
Il cancro al polmone è la forma più comune di cancro in Europa e molti pazienti vengono diagnosticati con questa patologia ogni anno. L'intervento chirurgico è una delle molte opzioni di trattamento, tuttavia, non è fattibile. Una forma alternativa di trattamento per il cancro del polmone, è la radioterapia. Con la radioterapia, una“zona target”comprendente il tumore e un margine del tessuto polmonare circostante è definita dalla TC del torace. Questa zona viene quindi utilizzata per pianificare l'irradiazione stessa e il tumore viene irradiato da diversi angoli, con i raggi che si incrociano nella zona target. Questo processo aumenta efficacemente la dose di radiazioni nel tumore, garantendo nel contempo una dose più bassa nel polmone sano. Con i pazienti svegli e la respirazione spontanea, la zona target deve essere più grande, al fine di compensare i cambiamenti nella posizione del tumore a causa della respirazione. La moderna radioterapia mira a focalizzare l'irradiazione sulle parti malate senza danneggiare i tessuti circostanti. In caso di cancro ai polmoni, questo può essere ottenuto immobilizzando il polmone, che elimina la necessità di compensare il movimento del polmone e del tumore. Questo può essere ottenuto sia 1) con tecniche di inspirazione profonda che trattengono il respiro nei pazienti svegli; o 2) con tecniche di immobilizzazione polmonare nei pazienti anestetizzati. I metodi usati nel secondo approccio possono essere pause nel ciclo respiratorio (idealmente in inspirazione finale o con un grado definito di gonfiamento polmonare - questo riduce la“densità”polmonare, cioè riduce la quantità di tessuto polmonare sano nella zona del fascio di irradiazione) ; o“quasi-immobilizzazione”del polmone mediante ventilazione a getto ad alta frequenza. Questo lavoro presenta confronto di diversi metodi per l'immobilizzazione polmonare attraverso uno studio su modello animale. Le modalità di ventilazione implementate sono: Ventilazione meccanica convenzionale (CMV), Ventilazione con getto ad alta frequenza con 200 min1 , 300 min-1 e 400 min-1 e pause di espirazione a diversi livelli di pressione che sono 0 cm H2O, 8 cmH2O, e 16 cm di H2O. Gli esperimenti sono stati eseguiti presso il laboratorio di fisiologia clinica dell'ospedale universitario di Uppsala su una popolazione di nove suini. Il protocollo seguito per VII ciascun maiale è stato scelto per consentire l'applicazione randomizzata delle modalità di ventilazione. I dati misurati consistevano delle pressioni parziali del diossido di carbonio (pCO2) e dell'ossigeno (pO2) durante ciascuna modalità di ventilazione. Abbiamo dovuto prendere in considerazione i valori ottimali di questi livelli di pressione. I valori normali di pCO2 sono 4,5-6 kPa. Se la pressione fosse superiore a 6 kPa, risulterebbe in una condizione chiamata“Ipercapnia”e se il pO2 andasse sotto i 10 kPa, risulterebbe in una condizione chiamata“Ipossiemia”. Per questo motivo, tutte le condizioni sono state prese in considerazione al fine di scegliere la migliore modalità di ventilazione. Sono stati anche misurati spostamenti della parete toracica per osservare la correlazione tra i marcatori implementati e i diversi compartimenti della parete toracica. Il primo capitolo di questa tesi contiene un'introduzione che copre le informazioni necessarie per comprendere il lavoro svolto e i risultati ottenuti. Questa parte inizia con le basi del sistema respiratorio e brevi informazioni sui muscoli respiratori come diaframma e muscoli addominali. Quindi, viene introdotto il concetto di ventilazione meccanica e le loro modalità. L'altra parte dell'introduzione copre informazioni generali sui tumori e si muove nello specifico del tumore polmonare. È seguito da informazioni sulla radioterapia dei tumori polmonari e sui concetti generali della radiazione esterna del fascio. In questo studio, abbiamo utilizzato una tecnica di imaging fluoroscopico con braccio a C per tracciare i marcatori che sono vicini al cuore e al diaframma. Pertanto, viene introdotto il concetto generale del sistema di imaging fluoroscopico con braccio a C. Inoltre, il principio di funzionamento del sistema Optoelettronico di Pletismografia (OEP) è brevemente spiegato in questa parte. L'OEP può misurare il volume della parete toracica in tre regioni cioè. torace superiore, torace inferiore e addome. Alla fine, l'obiettivo dello studio è rappresentato con dettagli. Il secondo capitolo riguarda materiale e metodi. In primo luogo, viene spiegata il setup sperimentale e la preparazione degli animali per l'acquisizione dell'immagine. Quindi, viene introdotto il sistema di acquisizione dell'immagine utilizzato in questo sistema. Il concetto di elaborazione delle immagini è menzionato anche in questa parte del capitolo. Prima del processo di tracciamento, i fotogrammi sono stati estratti da nastri video ad una frequenza di campionamento di 25 fotogrammi / s. L'algoritmo di tracciamento è stato avviato selezionando manualmente la regione di interesse. Questa selezione è stata fatta dal primo frame. È stato seguito dal processo di segmentazione. La segmentazione della soglia è stata applicata alla regione di interesse. La soglia del multilivello Otsu offre risultati migliori rispetto alle tecniche di soglia di base. Tuttavia, esistevano ancora forme ramificate e per eliminarle era stata costruita un'immagine di riferimento binaria con una forma circolare di raggi diversi per trovare la migliore correlazione tra modello e immagine di riferimento. L'immagine binaria di riferimento è stata scelta per essere circolare perché il marcatore implementato VIII era anch'esso di forma circolare. Questa forma è stata cercata sulla nostra immagine segmentata per trovare la forma più vicina del marcatore. In questo modo è possibile trovare la correlazione più alta tra le due immagini. Questa correlazione più alta aveva informazioni sulle coordinate dell'immagine e sui migliori raggi di forma circolare. Quindi, potremmo incollare l'immagine di riferimento sull'immagine segmentata su coordinate specifiche che avevano la correlazione più alta. Dopodiché c'era solo l'immagine binaria circolare che si riferiva al marcatore bersaglio da tracciare. L'algoritmo di tracciamento è stato implementato fotogramma per fotogramma. Dopo la segmentazione del primo marker, l'attenzione è stata data al calcolo del centro della massa (CoM) perché il tracciamento del centro di massa equilibra il movimento della regione dell'interesse. Il centro di massa è stato calcolato per la regione di interesse e quindi il ROI è stato centrato al centro della massa per il seguente fotogramma. In tal modo, ogni area di interesse potrebbe essere calcolata dal centro di massa. Il movimento della ROI è stato calcolato dopo che la finestra era centrata per il seguente frame. Questa era anche la nuova definizione della ROI del fotogramma successivo e l'algoritmo è stato ripetuto fino all'ultimo fotogramma. Dopo aver eseguito l'algoritmo di tracciamento per tutti i frame, è stata eseguita la conversione da unità pixel a millimetro. Prima dell'analisi del movimento del marker, i parametri di movimento sono stati normalizzati per entrambi gli esperimenti. Un'altra parte del materiale e dei metodi è l'analisi spettrale dei parametri di movimento normalizzati per entrambi i marcatori che sono vicini al cuore e al diaframma. La risposta di grandezza dei segnali è stata tracciata per tutti i maiali sotto la ventilazione meccanica. L'ultima parte del materiale e dei metodi descrive le misurazioni del volume della parete toracica. Il volume della parete toracica viene misurato con il sistema OEP. In primo luogo, i marcatori distribuiti riflessi sono stati tracciati dal sistema OEP. Durante tutta la ventilazione meccanica, i dati acquisiti dall'OEP sono stati salvati come file.tdf. I 57 marker di superficie tracciati erano collegati tra loro e costruivano un modello geometrico. Da questo modello geometrico, il programma vemgbis ha calcolato l'addome, la gabbia toracica e il volume della parete toracica. Il vemgbis ha fornito l'output come file .dat. Successivamente è stata ottenuta la costruzione dei volumi, il programma Diamov® è stato utilizzato per trovare ogni massimo e ogni minimo della seguente modalità di ventilazione, che corrisponde ai punti di inspirazione finale e di scadenza finale. Dopo di ciò, la variazione di volume dei vari compartimenti della parete toracica è stata trovata con la funzione Matlab di VolumePigs.m. Il terzo capitolo riporta tutti i risultati ottenuti. La sezione dei risultati presenta i risultati dello studio in figure e tabelle. Alcuni dei grafici rappresentano l'analisi statistica per mostrare le differenze. Questa parte inizia con l'estrazione dei parametri di movimento. Sono stati scritti in un file excel in forma tabellare e sono stati standardizzati. L'acquisizione dell'analisi del movimento include due IX marker distinti. Uno di questi indicatori era vicino al cuore e l'altro era vicino al diaframma. L'acquisizione è stata elaborata con due diversi punti di vista. le proiezioni anteriori posteriori e laterali. I movimenti del marcatore nel dominio del tempo sono stati eseguiti per Ventilazione meccanica controllata (CMV), Jet Ventilation (200 min-1 , 300 min-1 , 400 min-1 ) e ossigenazione apneica (0 cmH2O, 8 cmH2O, 16 cmH2O). Inoltre, sono stati anche disegnati come scattering 2D, scattering 3D. La dispersione 2-D del movimento del marcatore è stata tracciata durante le diverse modalità di ventilazione: Ventilazione meccanica controllata (CMV), Ventilazione a getto (200 min-1, 300 min1, 400 min-1 ). Questi grafici rappresentano il movimento del marker bidimensionale. I diagrammi dall'alto verso il basso sono rispettivamente cranio-caudale versus antero-posteriore, cranico-caudale versus medio-laterale e medio-laterale versus posteriore anteriore. Il passo successivo è stato trovare i valori assoluti e sono stati calcolati dal minimo e dal massimo degli spostamenti. Questo processo è stato completato per entrambi i marcatori durante tutte le modalità di ventilazione meccanica. Dopo che i grafici a dispersione 3D sono stati utilizzati per tracciare i dati di movimento su tre assi di movimento per proiezioni diverse. Questi grafici forniscono informazioni su entrambi i marcatori in cui sono vicini al diaframma e al cuore. Il movimento del marcatore massimo è stato correlato con il movimento del marker 3D in un volume e il movimento massimo è stato considerato come il movimento diagonale dello spazio in un volume cuboide ed è stato determinato per entrambe le proiezioni. Nella parte successiva dei risultati, la risposta in frequenza di magnitudine è stata eseguita per entrambi i marcatori e la risposta in frequenza di magnitudo del maiale 4 è stata tracciata ed è stata rappresentata nella parte dei risultati con i dettagli. I valori di picco della risposta di grandezza sono stati determinati per tutti i suini e sono stati tabulati per entrambi gli esperimenti. Un'altra parte dei risultati mostra i grafici dell'intervallo mediano e interquartile del movimento del marcatore durante le diverse ventilazioni meccaniche. I grafici usano i simboli per indicare differenze significative tra le modalità di ventilazione. I diagrammi a scatola di pressione parziale di anidride carbonica pCO2 e ossigeno pO2 sono stati creati per tutte le ventilazioni meccaniche. Questi appezzamenti sono importanti per comprendere i livelli di ventilazione e quando diventano pericolosi in modo da proteggere il soggetto in condizioni di ipercapnia e ipossiemia. L'ultima parte dei risultati descrive lo studio di correlazione tra variazione del volume e indicatori implementati. In questa sezione sono illustrati quattro grafici, due dei quali rappresentano la correlazione tra variazione del volume addominale e entrambi i marcatori implementati, i rimanenti due presentano la correzione tra variazione del volume della gabbia toracica polmonare e entrambi i marcatori implementati. È stata anche eseguita la correlazione di Pearson-r e la regressione lineare. Inoltre, i loro risultati (r2 , r e pvalue) sono presentati in basso a destra nei grafici. Tutti questi risultati sono spiegati in dettaglio nella sezione discussioni. X La quarta parte di questa tesi è dedicate alle discussioni. In questa sezione, i risultati ottenuti sono stati chiariti con le corrette interpretazioni. Anche se i risultati sembrano evidenti, è stata applicata un'analisi statistica per garantire la validità dei risultati. In primo luogo, il movimento dei grafici marcatore-tempo rappresentava il segnale del dominio del tempo marcatore per tutti gli interventi. Questi grafici dimostrano la differenza di movimento tra le diverse tecniche di ventilazione. Dopo che sono stati presentati gli scatter di plot 2-D, è stato calcolato il range di movimento assoluto medio per ogni direzione di movimento del marker. Durante la proiezione AP, l'ampiezza media del movimento del marker era massima (10.293 +/- 1.888 mm [SD]) nella direzione Craniale-Caudale (CC) per il marker vicino al diaframma. Inoltre, il movimento del marcatore è prevalentemente in direzione craniale-caudale (11.534 +/- 1.181 mm) durante la proiezione ML. L'analisi statistica dei risultati mostra che il movimento CMV è significativamente più alto (p
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