Segmentierung medizinischer Bilddaten und bildgestützte intraoperative Navigation

Die Entwicklung von Algorithmen zur automatischen oder semi-automatischen Verarbeitung von medizinischen Bilddaten hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Das liegt zum einen an den immer besser werdenden medizinischen Aufnahmemodalitäten, die den menschlichen Körper immer feiner virtuell abbilden können. Zum anderen liegt dies an der verbesserten Computerhardware, die eine algorithmische Verarbeitung der teilweise im Gigabyte-Bereich liegenden Datenmengen in einer vernünftigen Zeit erlaubt. Das Ziel dieser Habilitationsschrift ist die Entwicklung und Evaluation von Algorithmen für die medizinische Bildverarbeitung. Insgesamt besteht die Habilitationsschrift aus einer Reihe von Publikationen, die in drei übergreifende Themenbereiche gegliedert sind: -Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen -Experimentelle Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen -Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien Im Bereich Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen wurden verschiedene graphbasierte Algorithmen in 2D und 3D entwickelt, die einen gerichteten Graphen mittels einer Vorlage aufbauen. Dazu gehört die Bildung eines Algorithmus zur Segmentierung von Wirbeln in 2D und 3D. In 2D wird eine rechteckige und in 3D eine würfelförmige Vorlage genutzt, um den Graphen aufzubauen und das Segmentierungsergebnis zu berechnen. Außerdem wird eine graphbasierte Segmentierung von Prostatadrüsen durch eine Kugelvorlage zur automatischen Bestimmung der Grenzen zwischen Prostatadrüsen und umliegenden Organen vorgestellt. Auf den vorlagenbasierten Algorithmen aufbauend, wurde ein interaktiver Segmentierungsalgorithmus, der einem Benutzer in Echtzeit das Segmentierungsergebnis anzeigt, konzipiert und implementiert. Der Algorithmus nutzt zur Segmentierung die verschiedenen Vorlagen, benötigt allerdings nur einen Saatpunkt des Benutzers. In einem weiteren Ansatz kann der Benutzer die Segmentierung interaktiv durch zusätzliche Saatpunkte verfeinern. Dadurch wird es möglich, eine semi-automatische Segmentierung auch in schwierigen Fällen zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu führen. Im Bereich Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen wurden verschiedene frei verfügbare Segmentierungsalgorithmen anhand von Patientendaten aus der klinischen Routine getestet. Dazu gehörte die Evaluierung der semi-automatischen Segmentierung von Hirntumoren, zum Beispiel Hypophysenadenomen und Glioblastomen, mit der frei verfügbaren Open Source-Plattform 3D Slicer. Dadurch konnte gezeigt werden, wie eine rein manuelle Schicht-für-Schicht-Vermessung des Tumorvolumens in der Praxis unterstützt und beschleunigt werden kann. Weiterhin wurde die Segmentierung von Sprachbahnen in medizinischen Aufnahmen von Hirntumorpatienten auf verschiedenen Plattformen evaluiert. Im Bereich Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien wurden Softwaremodule zum Begleiten von intra-operativen Eingriffen in verschiedenen Phasen einer Behandlung (Therapieplanung, Durchführung, Kontrolle) entwickelt. Dazu gehört die erstmalige Integration des OpenIGTLink-Netzwerkprotokolls in die medizinische Prototyping-Plattform MeVisLab, die anhand eines NDI-Navigationssystems evaluiert wurde. Außerdem wurde hier ebenfalls zum ersten Mal die Konzeption und Implementierung eines medizinischen Software-Prototypen zur Unterstützung der intraoperativen gynäkologischen Brachytherapie vorgestellt. Der Software-Prototyp enthielt auch ein Modul zur erweiterten Visualisierung bei der MR-gestützten interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie, welches unter anderem die Registrierung eines gynäkologischen Brachytherapie-Instruments in einen intraoperativen Datensatz einer Patientin ermöglichte. Die einzelnen Module führten zur Vorstellung eines umfassenden bildgestützten Systems für die gynäkologische Brachytherapie in einem multimodalen Operationssaal. Dieses System deckt die prä-, intra- und postoperative Behandlungsphase bei einer interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie ab

Tracking Extended Objects with Active Models and Negative Measurements

Extended object tracking deals with estimating the shape and pose of an object based on noisy point measurements. This task is not straightforward, as we may be faced with scarce low-quality measurements, little a priori information, or we may be unable to observe the entire target. This work aims to address these challenges by incorporating ideas from active contours and exploiting information from negative measurements, which tell us where the target cannot be

Tracking Extended Objects with Active Models and Negative Measurements

Beim Tracking von ausgedehnten Objekten (auf Englisch ‚extended object tracking‘, kurz EOT) geht es darum, die Form und Lage eines Zielobjekts anhand von verrauschten Punktmessungen zu schätzen. EOT wird traditionell zur Verfolgung von Großobjekten wie Flugzeugen, Schiffen, oder Autos verwendet. Allerdings ermöglichen Technologiefortschritte bei Tiefenkameras wie Microsoft Kinects mittlerweile sogar Laien, Punktwolken aus ihrer Umgebung aufzunehmen. Das stellt eine neue Herausforderung für EOT-Ansätze dar, die in modernen Anwendungen, wie z.B. Objektmanipulation in Augmented Reality oder in der Robotik, Zielobjekte mit vielen möglichen Formen anhand von Messungen unterschiedlicher Qualität verfolgen müssen. In diesem Kontext ist die Auswahl der Formmodelle ausschlaggebend, denn sie bestimmen, wie robust und leistungsfähig der Schätzer sein wird, was wiederum eine sorgfältige Betrachtung der Modalitäten und Qualität der verfügbaren Informationen erfordert. Solch ein Informationsparadigma kann als ein Spektrum visualisiert werden: auf der einen Seite, eine große Anzahl an genauen Messungen, und auf der anderen Seite, nur wenige verrauschte Beobachtungen. Allerdings haben sich die Verfahren in der Literatur traditionell auf einen schmalen Teil dieses Spektrums konzentriert. Einerseits assoziieren ‚gierige‘ Verfahren, die auf der Methode der kleinsten Quadrate basieren, Messungen mit der nächsten Quelle auf der Form. Diese Verfahren sind effizient und liefern sogar für komplizierte Formen akkurate Ergebnisse, allerdings nur solange das Messrauschen niedrig bliebt. Ansonsten kann nicht gewährleistet werden, dass der nächste Punkt immer noch eine passende Approximation der wahren Quelle ist, was zu verzerrten Ergebnissen führt. Andererseits sind probabilistische Modelle wie Raumverteilungen präzise für einfache Formen, sogar bei extrem hohem Messrauschen, allerdings werden sie schon für wenig komplexe Formen unlösbar oder numerisch instabil. Die Schwierigkeit besteht darin, dass in vielen modernen Trackingszenarien die Menge an verfügbarer Information sich drastisch mit der Zeit ändern kann. Das unterstreicht den Bedarf an Ansätzen, die nicht nur die Stärken beider Modelle kombinieren, sondern auch alle Bereiche des Spektrums und nicht nur dessen Grenzfälle abdecken können. Das Ziel dieser Arbeit ist es, diese Lücke zu füllen und somit die oben angesprochenen Herausforderungen zu lösen. Dazu schlagen wir vier Beiträge vor, die den aktuellen Stand der Technik signifikant erweitern. Zuerst schlagen wir Level-set Partial Information Models vor, einen probabilistischen Ansatz zur erwartungstreuen Formschätzung für Szenarien mit Verdeckungen und hohem Messrauschen. Zusätzlich führen wir Level-set Active Random Hypersurface Models ein, die von Konzepten aus EOT und Computervision inspiriert sind, eine flexible Formparametrisierung für konvexe und nicht-konvexe Formen ermöglichen, und die auch mit wenig Information umgehen können. Darüber hinaus machen Negative Information Models sogenannte ‚negative‘ Information nutzbar, indem Messungen verarbeitet werden, die uns sagen, wo das Zielobjekt nicht sein kann. Schließlich zeigen wir eine einfach zu implementierende Erweiterung von diesen Beiträgen, Extrusion Models, um dreidimensionale Objekte mit realen Sensordaten zu verfolgen