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12.11.2016 | Original Article | Ausgabe 9/2017

International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery 9/2017

Development of digital phantoms based on a finite element model to simulate low-attenuation areas in CT imaging for pulmonary emphysema quantification

Zeitschrift:
International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery > Ausgabe 9/2017
Autoren:
Stefano Diciotti, Alessandro Nobis, Stefano Ciulli, Nicholas Landini, Mario Mascalchi, Nicola Sverzellati, Bernardo Innocenti

Abstract

Purpose

To develop an innovative finite element (FE) model of lung parenchyma which simulates pulmonary emphysema on CT imaging. The model is aimed to generate a set of digital phantoms of low-attenuation areas (LAA) images with different grades of emphysema severity.

Methods

Four individual parameter configurations simulating different grades of emphysema severity were utilized to generate 40 FE models using ten randomizations for each setting. We compared two measures of emphysema severity (relative area (RA) and the exponent D of the cumulative distribution function of LAA clusters size) between the simulated LAA images and those computed directly on the models output (considered as reference).

Results

The LAA images obtained from our model output can simulate CT-LAA images in subjects with different grades of emphysema severity. Both RA and D computed on simulated LAA images were underestimated as compared to those calculated on the models output, suggesting that measurements in CT imaging may not be accurate in the assessment of real emphysema extent.

Conclusions

Our model is able to mimic the cluster size distribution of LAA on CT imaging of subjects with pulmonary emphysema. The model could be useful to generate standard test images and to design physical phantoms of LAA images for the assessment of the accuracy of indexes for the radiologic quantitation of emphysema.

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