GBM Volumetry using the 3D Slicer Medical Image Computing Platform

Volumetric change in glioblastoma multiforme (GBM) over time is a critical factor in treatment decisions. Typically, the tumor volume is computed on a slice-by-slice basis using MRI scans obtained at regular intervals. (3D)Slicer – a free platform for biomedical research – provides an alternative to this manual slice-by-slice segmentation process, which is significantly faster and requires less user interaction. In this study, 4 physicians segmented GBMs in 10 patients, once using the competitive region-growing based GrowCut segmentation module of Slicer, and once purely by drawing boundaries completely manually on a slice-by-slice basis. Furthermore, we provide a variability analysis for three physicians for 12 GBMs. The time required for GrowCut segmentation was on an average 61% of the time required for a pure manual segmentation. A comparison of Slicer-based segmentation with manual slice-by-slice segmentation resulted in a Dice Similarity Coefficient of 88.43 ± 5.23% and a Hausdorff Distance of 2.32 ± 5.23 mm

Hierarchical Image Segmentation using The Watershed Algorithim with A Streaming Implementation

We have implemented a graphical user interface (GUI) based semi-automatic hierarchical segmentation scheme, which works in three stages. In the first stage, we process the original image by filtering and threshold the gradient to reduce the level of noise. In the second stage, we compute the watershed segmentation of the image using the rainfalling simulation approach. In the third stage, we apply two region merging schemes, namely implicit region merging and seeded region merging, to the result of the watershed algorithm. Both the region merging schemes are based on the watershed depth of regions and serve to reduce the over segmentation produced by the watershed algorithm. Implicit region merging automatically produces a hierarchy of regions. In seeded region merging, a selected seed region can be grown from the watershed result, producing a hierarchy. A meaningful segmentation can be simply chosen from the hierarchy produced. We have also proposed and tested a streaming algorithm based on the watershed algorithm, which computes the segmentation of an image without iterative processing of adjacent blocks. We have proved that the streaming algorithm produces the same result as the serial watershed algorithm. We have also discussed the extensibility of the streaming algorithm to efficient parallel implementations

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

A parallel marker based watershed transformation

The parallel watershed transformation used in grayscale image segmentation is here reconsidered on the basis of markers. The goal is to reduce the typical over segmentation by decreasing the number of catchment basins produced by flooding. Assimilating the set of basins with a weighted neighborhood graph and computing the minimum spanning forest in which every tree is rooted at a marked vertex, all non-marked regions in each tree are incorporated in the root region of the tree. A lognN distributed message passing algorithm performing the above stated goal on N processors is here presented. Two merits of the parallel algorithm are worth of mentioning: first, the local detection of the catchment basins conforming to the watershed principle (which strongly depends on the history of the region growth), with an extremely low communication traffic; and second, the parallel computation of the BorBvka like minimum spanning forest with the constraint that any tree contains exactly one marker. Evaluation of a Cray T3D implementation under Message Passing Interface (MPI) is herein included