Das Ausmaß einer Lungenschädigung durch Rauchen lässt sich früher erkennen, indem man den Verlust an Verzweigungskomplexität im gesamten Bronchialsystem quantifiziert. Dies ermöglicht eine spezielle mathematische Analysemethode, die sog. fraktale Analyse von CT-Aufnahmen, die die Tatsache nutzt, dass die Lunge wie ein Fraktal nach dem Prinzip der Selbstähnlichkeit aus sich immer weiter verkleinernden Kopien ihrer bronchialen Verzweigungen aufgebaut ist.
Kennzeichen einer beginnenden chronischen Raucherbronchitis (COPD) sind verdickte Wände und dadurch verengte Durchmesser der Atemwege sowie ein zunehmender Verlust von bronchialen Verzweigungen in der Peripherie der Lunge (die kleinsten Atemwege betreffend). Bei einigen Rauchern, die bei einer CT-Untersuchung noch keine nachweisbare Atemwegsverengung aufweisen, lässt sich womöglich trotzdem ein erhöhtes Krankheits- und Sterberisiko feststellen – und zwar mithilfe einer speziellen mathematischen Analysemethode: der sog. fraktalen Analyse von CT-Aufnahmen zur Bestimmung der fraktalen Dimension der Atemwege (airway fractal dimension = AFD). „Ein großer Vorteil der fraktalen Analyse von CT-Aufnahmen ist, dass sich das Ausmaß der Lungenschädigung durch das Rauchen früher erkennen lässt, indem man den Verlust an Verzweigungskomplexität im gesamten Bronchialsystem quantifiziert – und dadurch das Risiko des Patienten, an COPD zu erkranken und im Vergleich zu Gesunden verfrüht zu sterben, besser abschätzen kann“, erläutert Dr. med. Thomas Voshaar, Vorstandsvorsitzender des Verbands Pneumologischer Kliniken (VPK) und Chefarzt des Lungenzentrums am Krankenhaus Bethanien in Moers unter Berufung auf aktuelle Studienergebnisse aus den USA. Forscher und Kliniker suchen schon seit einiger Zeit nach einer Methode zur früheren Erfassung von Veränderungen im Bronchialsystem, die bei einer COPD immer als erstes in der Peripherie auftreten und dann meistens lange Zeit unbemerkt bleiben. Erst wenn Symptome wie Kurzatmigkeit bei körperlicher Belastung auftreten, lassen sich auch bei einer Lungenfunktionsprüfung Einschränkungen nachweisen.
Hintergrund: Die Lunge ist ähnlich wie ein Fraktal aufgebaut
Grundlage der fraktalen Analyse ist der Aufbau der Lunge, die in ihrer Struktur einem Fraktal entspricht, also einem geometrischen Muster, das erstmals 1975 vom Mathematiker Benoît Mandelbrot beschrieben wurde und dessen vorrangiges Merkmal die „Selbstähnlichkeit“ ist: Ein Fraktal besteht aus mehreren, sich immer weiter verkleinernden Kopien seiner selbst. Anschauliche fraktale Gebilde sind neben Darstellungen mathematischer Mandelbrotmengen im Internet zum Beispiel Romanesco-Kohlköpfe am Gemüsestand oder stattliche Bäume in der Natur, da jeder Baumzweig – unabhängig von seinem Verzweigungsgrad – jeweils einem verkleinerten Baum ähnelt. Aber auch innere Organe sind wie ein Fraktal aufgebaut. Ähnlich wie das Geäst eines Baumes verzweigt sich auch das Bronchialsystem der Lunge in immer filigranere Strukturen – beginnend mit der Luftröhre, die sich in zwei Hauptäste aufteilt, die jeweils einen der beiden Lungenflügel mit Sauerstoff versorgen. Wenn man näher heranzoomt, sieht man, dass die an den Enden der Hauptäste sitzenden Lappenbronchien sich weiter verzweigen zu den Segmentbronchien und dann in immer kleinere Äste. So gelangt man nach etwa 20-25 Ebenen zu den kleinsten Verzweigungen der Bronchien, den so genannten Bronchiolen, die einen Innendurchmesser von weniger als 1 mm haben und sich dann noch einmal in mikroskopisch feinste Ästchen (Bronchioli respiratorii und Alveolargänge) teilen. Diese führen schließlich in das eigentliche, atmende Lungengewebe mit insgesamt rund 300 Millionen Lungenbläschen (Alveolen). Die Lungenbläschen, die als Miniatur-Luftballone einen Durchmesser von 0,1-0,2 mm haben, geben der Lunge ihr schwammartiges Aussehen und sind traubenförmig dicht gepackt den feinsten röhrenartigen Ästchen (Alveolargänge und Bronchioli respiratorii) angelagert. Ihre hauchdünnen Wände sind von einem Netz kleinster Blutgefäße (Kapillaren) durchzogen, die einen schnellen Austausch der Atemgase ermöglichen. Jedes Lungenbläschen ist von etwa 1000 Kapillaren umgeben.
Grundlage der fraktalen Analyse ist der Aufbau der Lunge, die in ihrer Struktur einem Fraktal entspricht, also einem geometrischen Muster, das erstmals 1975 vom Mathematiker Benoît Mandelbrot beschrieben wurde und dessen vorrangiges Merkmal die „Selbstähnlichkeit“ ist: Ein Fraktal besteht aus mehreren, sich immer weiter verkleinernden Kopien seiner selbst. Anschauliche fraktale Gebilde sind neben Darstellungen mathematischer Mandelbrotmengen im Internet zum Beispiel Romanesco-Kohlköpfe am Gemüsestand oder stattliche Bäume in der Natur, da jeder Baumzweig – unabhängig von seinem Verzweigungsgrad – jeweils einem verkleinerten Baum ähnelt. Aber auch innere Organe sind wie ein Fraktal aufgebaut. Ähnlich wie das Geäst eines Baumes verzweigt sich auch das Bronchialsystem der Lunge in immer filigranere Strukturen – beginnend mit der Luftröhre, die sich in zwei Hauptäste aufteilt, die jeweils einen der beiden Lungenflügel mit Sauerstoff versorgen. Wenn man näher heranzoomt, sieht man, dass die an den Enden der Hauptäste sitzenden Lappenbronchien sich weiter verzweigen zu den Segmentbronchien und dann in immer kleinere Äste. So gelangt man nach etwa 20-25 Ebenen zu den kleinsten Verzweigungen der Bronchien, den so genannten Bronchiolen, die einen Innendurchmesser von weniger als 1 mm haben und sich dann noch einmal in mikroskopisch feinste Ästchen (Bronchioli respiratorii und Alveolargänge) teilen. Diese führen schließlich in das eigentliche, atmende Lungengewebe mit insgesamt rund 300 Millionen Lungenbläschen (Alveolen). Die Lungenbläschen, die als Miniatur-Luftballone einen Durchmesser von 0,1-0,2 mm haben, geben der Lunge ihr schwammartiges Aussehen und sind traubenförmig dicht gepackt den feinsten röhrenartigen Ästchen (Alveolargänge und Bronchioli respiratorii) angelagert. Ihre hauchdünnen Wände sind von einem Netz kleinster Blutgefäße (Kapillaren) durchzogen, die einen schnellen Austausch der Atemgase ermöglichen. Jedes Lungenbläschen ist von etwa 1000 Kapillaren umgeben.
Je weniger komplex die bronchialen Verzweigungen, umso krankheitsanfälliger die Lunge
In der aktuellen Studie mit über 8000 Rauchern (siehe Journal of Clinical Investigation, doi: 10.1172/JCI120693) haben Forscher der University of Alabama in Birmingham einen deutlichen Zusammenhang zwischen der fraktalen Dimension der Atemwege und den folgenden Parametern der Lungengesundheit festgestellt: Je niedriger die Verzweigungskomplexität umso höher der Grad der Atemwegsverengung, die Erkrankungshäufigkeit der Atemwege und der Verlust der Lungenfunktion hinsichtlich der Einsekundenkapazität FEV1 (die das maximale Volumen Luft angibt, das der Patient innerhalb einer Sekunde ausatmen kann). Weniger deutlich, aber tendenziell ebenfalls ausgeprägt hängt die AFD auch mit der Lebensqualität der Patienten und ihrer körperlichen Leistungsfähigkeit (6-Minuten-Gehstrecke) zusammen, sowie – in inverser Bezeihung – mit der Häufigkeit von Verschlechterungen (Exazerbationen). „Künftig wäre es sehr aufschlussreich, bei CT-Untersuchungen von Rauchern auch die fraktale Dimension der Atemwege zu bestimmen, da ein Verlust an Komplexität der bronchialen Verzweigungen einen guten Hinweis darauf liefern kann, wie stark geschädigt und damit krankheitsanfällig die Lunge des Patienten bereits tatsächlich ist“, fasst Dr. Voshaar zusammen.
Quelle: www.lungenaerzte-im-netz.de
6. August 2019
In der aktuellen Studie mit über 8000 Rauchern (siehe Journal of Clinical Investigation, doi: 10.1172/JCI120693) haben Forscher der University of Alabama in Birmingham einen deutlichen Zusammenhang zwischen der fraktalen Dimension der Atemwege und den folgenden Parametern der Lungengesundheit festgestellt: Je niedriger die Verzweigungskomplexität umso höher der Grad der Atemwegsverengung, die Erkrankungshäufigkeit der Atemwege und der Verlust der Lungenfunktion hinsichtlich der Einsekundenkapazität FEV1 (die das maximale Volumen Luft angibt, das der Patient innerhalb einer Sekunde ausatmen kann). Weniger deutlich, aber tendenziell ebenfalls ausgeprägt hängt die AFD auch mit der Lebensqualität der Patienten und ihrer körperlichen Leistungsfähigkeit (6-Minuten-Gehstrecke) zusammen, sowie – in inverser Bezeihung – mit der Häufigkeit von Verschlechterungen (Exazerbationen). „Künftig wäre es sehr aufschlussreich, bei CT-Untersuchungen von Rauchern auch die fraktale Dimension der Atemwege zu bestimmen, da ein Verlust an Komplexität der bronchialen Verzweigungen einen guten Hinweis darauf liefern kann, wie stark geschädigt und damit krankheitsanfällig die Lunge des Patienten bereits tatsächlich ist“, fasst Dr. Voshaar zusammen.
Quelle: www.lungenaerzte-im-netz.de
