Image-based analysis of regional lung function

The regional assessment of pulmonary ventilation provides the basis for a deeper insight into pulmonary patho-physiology, for planning pulmonary interventions and evaluating parenchymal alterations induced by therapy. With these aims, multiple imaging techniques have been proposed in the past few decades. Within the framework of pulmonary imaging, a pivotal role has been assumed by x-ray computed tomography not only to provide the anatomical detail of the disease but also to assess regional ventilation. The aim of the present work is to develop automatic methods based on multi-volume CT and MR imaging for the generation and analysis of functional maps of the lung and investigate its use in health and pathology, in order to have more insight into normal lung physiology and into the functional changes occurring with the disease. We introduced and evaluated a new straightforward method for registering CT images acquired at different lung volumes, which we found highly accurate for registering images taken from both tidal volume with 4DCT and vital capacity with HRCT. The method was investigated in health to have a further insight into pulmonary physiology and specific gas volume variations was found to be the most reliable parameter to assess lung function, as being independent from gravity. Thus, any heterogeneity in specific gas volume variation is the result of other phenomena than gravity. This heterogeneity was investigated in the diseased lung, in relation to tissue destruction and collateral ventilation in severe emphysema and to within-breath re-distribution of ventilation in tumor lung. In the end we investigated the feasibility of using proton-MRI in the assessment of regional lung function, as it would provide a new method to regionally investigate lung function with no ionizing radiation, thus making it ideal for longitudinal studies and acquisition in vulnerable populations such as children. At the conclusion of the work, we foresee the application of the present methods to the everyday clinical practice for the regional investigation of the lung in relation to pathology and response to treatment.

La quantificazione regionale della ventilazione polmonare è alla base di una più approfondita comprensione della fisiologia del polmone, della pianificazione degli interventi di chirurgia mini-invasiva e della valutazione degli effetti della terapia. A tal fine, molteplici tecniche di imaging sono state proposte negli ultimi decenni. Tra queste, la TAC sta assumendo un ruolo chiave, non più solo per fornire il dettaglio anatomico della patologia, ma anche per ottenere mappe di ventilazione regionale. Lo scopo del presente lavoro è quello di sviluppare metodi automatici basati su TAC e RM convenzionali per la generazione e l'analisi automatica di mappe funzionali del polmone e di indagare il loro utilizzo nel polmone sano e patologico. Nel lavoro viene descritto e validato un nuovo metodo per la registrazione di immagini TAC acquisite a diversi volumi polmonari, che è risultato molto accurato sia su immagini TAC-4D acquisite durante respiro a volume corrente sia su immagini TAC ad alta risoluzione acquisite durante una manovra di capacità vitale. Il metodo è stato quindi applicato nel soggetto sano per avere una visione più completa della fisiologia polmonare: in questo studio le variazioni di volume specifico di gas risultano essere il parametro più affidabile per studiare la funzionalità polmonare, in quanto indipendente dalla gravità. Pertanto, qualsiasi eterogeneità in termini di volume specifico dei gas è il risultato di fenomeni patologici. In particolare si è indagata la relazione tra l'eterogeneità di volume specifico di gas e la patologia, in relazione alla distruzione alveolare e alla ventilazione collaterale nel paziente con enfisema grave e in relazione alla redistribuzione della ventilazione nel tumore polmonare. Infine si è valutato l'utilizzo della RM convenzionale per la generazione di mappe funzionali: lo sviluppo proposto rappresenta un'importante traguardo in quanto consente l'analisi regionale della ventilazione senza l'utilizzo di radiazioni ionizzanti, quindi ideale per studi longitudinali e per l'acquisizione in popolazioni vulnerabili come i bambini. A conclusione del lavoro, si prevede l'applicazione dei metodi attuali nella pratica clinica quotidiana per l'indagine regionale della ventilazione regionale in relazione alle modifiche indotte dalla patologia e dal trattamento.