ROOT - A C++ Framework for Petabyte Data Storage, Statistical Analysis and Visualization

ROOT is an object-oriented C++ framework conceived in the high-energy physics (HEP) community, designed for storing and analyzing petabytes of data in an efficient way. Any instance of a C++ class can be stored into a ROOT file in a machine-independent compressed binary format. In ROOT the TTree object container is optimized for statistical data analysis over very large data sets by using vertical data storage techniques. These containers can span a large number of files on local disks, the web, or a number of different shared file systems. In order to analyze this data, the user can chose out of a wide set of mathematical and statistical functions, including linear algebra classes, numerical algorithms such as integration and minimization, and various methods for performing regression analysis (fitting). In particular, ROOT offers packages for complex data modeling and fitting, as well as multivariate classification based on machine learning techniques. A central piece in these analysis tools are the histogram classes which provide binning of one- and multi-dimensional data. Results can be saved in high-quality graphical formats like Postscript and PDF or in bitmap formats like JPG or GIF. The result can also be stored into ROOT macros that allow a full recreation and rework of the graphics. Users typically create their analysis macros step by step, making use of the interactive C++ interpreter CINT, while running over small data samples. Once the development is finished, they can run these macros at full compiled speed over large data sets, using on-the-fly compilation, or by creating a stand-alone batch program. Finally, if processing farms are available, the user can reduce the execution time of intrinsically parallel tasks - e.g. data mining in HEP - by using PROOF, which will take care of optimally distributing the work over the available resources in a transparent way

Focal Spot, Spring 1999

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Open-source software in medical imaging: development of OsiriX

Purpose Open source software (oss) development for medical imaging enables collaboration of individuals and groups to produce high-quality tools that meet user needs. This process is reviewed and illustrated with OsiriX, a fast DICOM viewer program for the Apple Macintosh. Materials and methods OsiriX is an oss for the Apple Macintosh under Mac OS X v10.4 or higher specifically designed for navigation and visualization of multimodality and multidimensional images: 2D Viewer, 3D Viewer, 4D Viewer (3D series with temporal dimension, for example: Cardiac-CT) and 5D Viewer (3D series with temporal and functional dimensions, for example: Cardiac-PET-CT). The 3D Viewer offers all modern rendering modes: multiplanar reconstruction, surface rendering, volume rendering and maximum Intensity projection. All these modes support 4D data and are able to produce image fusion between two different series (for example: PET-CT). OsiriX was developed using the Apple Xcode development environment and Cocoa framework as both a DICOM PACS workstation for medical imaging and an image processing software package for medical research (radiology and nuclear imaging), functional imaging, 3D imaging, confocal microscopy and molecular imaging. Results OsiriX is an open source program by Antoine Rosset, a radiologist and software developer, was designed specifically for the needs of advanced imaging modalities. The software program turns an Apple Macintosh into a DICOM PACS workstation for medical imaging and image processing. OsiriX is distributed free of charge under the GNU General Public License and its source code is available to anyone. This system illustrates how open software development for medical imaging tools can be successfully designed, implemented and disseminated. Conclusion oss development can provide useful cost effective tools tailored to specific needs and clinical tasks. The integrity and quality assurance of open software developed by a community of users does not follow the traditional conformance and certification required for commercial medical software programs. However, open software can lead to innovative solutions designed by users better suited for specific task

Focal Spot, Spring 1990

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Interfaces for Modular Surgical Planning and Assistance Systems

Modern surgery of the 21st century relies in many aspects on computers or, in a wider sense, digital data processing. Department administration, OR scheduling, billing, and - with increasing pervasion - patient data management are performed with the aid of so called Surgical Information Systems (SIS) or, more general, Hospital Information Systems (HIS). Computer Assisted Surgery (CAS) summarizes techniques which assist a surgeon in the preparation and conduction of surgical interventions. Today still predominantly based on radiology images, these techniques include the preoperative determination of an optimal surgical strategy and intraoperative systems which aim at increasing the accuracy of surgical manipulations. CAS is a relatively young field of computer science. One of the unsolved "teething troubles" of CAS is the absence of technical standards for the interconnectivity of CAS system. Current CAS systems are usually "islands of information" with no connection to other devices within the operating room or hospital-wide information systems. Several workshop reports and individual publications point out that this situation leads to ergonomic, logistic, and economic limitations in hospital work. Perioperative processes are prolonged by the manual installation and configuration of an increasing amount of technical devices. Intraoperatively, a large amount of the surgeons'' attention is absorbed by the requirement to monitor and operate systems. The need for open infrastructures which enable the integration of CAS devices from different vendors in order to exchange information as well as commands among these devices through a network has been identified by numerous experts with backgrounds in medicine as well as engineering. This thesis contains two approaches to the integration of CAS systems: - For perioperative data exchange, the specification of new data structures as an amendment to the existing DICOM standard for radiology image management is presented. The extension of DICOM towards surgical application allows for the seamless integration of surgical planning and reporting systems into DICOM-based Picture Archiving and Communication Systems (PACS) as they are installed in most hospitals for the exchange and long-term archival of patient images and image-related patient data. - For the integration of intraoperatively used CAS devices, such as, e.g., navigation systems, video image sources, or biosensors, the concept of a surgical middleware is presented. A c++ class library, the TiCoLi, is presented which facilitates the configuration of ad-hoc networks among the modules of a distributed CAS system as well as the exchange of data streams, singular data objects, and commands between these modules. The TiCoLi is the first software library for a surgical field of application to implement all of these services. To demonstrate the suitability of the presented specifications and their implementation, two modular CAS applications are presented which utilize the proposed DICOM extensions for perioperative exchange of surgical planning data as well as the TiCoLi for establishing an intraoperative network of autonomous, yet not independent, CAS modules.Die moderne Hochleistungschirurgie des 21. Jahrhunderts ist auf vielerlei Weise abhängig von Computern oder, im weiteren Sinne, der digitalen Datenverarbeitung. Administrative Abläufe, wie die Erstellung von Nutzungsplänen für die verfügbaren technischen, räumlichen und personellen Ressourcen, die Rechnungsstellung und - in zunehmendem Maße - die Verwaltung und Archivierung von Patientendaten werden mit Hilfe von digitalen Informationssystemen rationell und effizient durchgeführt. Innerhalb der Krankenhausinformationssysteme (KIS, oder englisch HIS) stehen für die speziellen Bedürfnisse der einzelnen Fachabteilungen oft spezifische Informationssysteme zur Verfügung. Chirurgieinformationssysteme (CIS, oder englisch SIS) decken hierbei vor allen Dingen die Bereiche Operationsplanung sowie Materialwirtschaft für spezifisch chirurgische Verbrauchsmaterialien ab. Während die genannten HIS und SIS vornehmlich der Optimierung administrativer Aufgaben dienen, stehen die Systeme der Computerassistierten Chirugie (CAS) wesentlich direkter im Dienste der eigentlichen chirugischen Behandlungsplanung und Therapie. Die CAS verwendet Methoden der Robotik, digitalen Bild- und Signalverarbeitung, künstlichen Intelligenz, numerischen Simulation, um nur einige zu nennen, zur patientenspezifischen Behandlungsplanung und zur intraoperativen Unterstützung des OP-Teams, allen voran des Chirurgen. Vor allen Dingen Fortschritte in der räumlichen Verfolgung von Werkzeugen und Patienten ("Tracking"), die Verfügbarkeit dreidimensionaler radiologischer Aufnahmen (CT, MRT, ...) und der Einsatz verschiedener Robotersysteme haben in den vergangenen Jahrzehnten den Einzug des Computers in den Operationssaal - medienwirksam - ermöglicht. Weniger prominent, jedoch keinesfalls von untergeordnetem praktischen Nutzen, sind Beispiele zur automatisierten Überwachung klinischer Messwerte, wie etwa Blutdruck oder Sauerstoffsättigung. Im Gegensatz zu den meist hochgradig verteilten und gut miteinander verwobenen Informationssystemen für die Krankenhausadministration und Patientendatenverwaltung, sind die Systeme der CAS heutzutage meist wenig oder überhaupt nicht miteinander und mit Hintergrundsdatenspeichern vernetzt. Eine Reihe wissenschaftlicher Publikationen und interdisziplinärer Workshops hat sich in den vergangen ein bis zwei Jahrzehnten mit den Problemen des Alltagseinsatzes von CAS Systemen befasst. Mit steigender Intensität wurde hierbei auf den Mangel an infrastrukturiellen Grundlagen für die Vernetzung intraoperativ eingesetzter CAS Systeme miteinander und mit den perioperativ eingesetzten Planungs-, Dokumentations- und Archivierungssystemen hingewiesen. Die sich daraus ergebenden negativen Einflüsse auf die Effizienz perioperativer Abläufe - jedes Gerät muss manuell in Betrieb genommen und mit den spezifischen Daten des nächsten Patienten gefüttert werden - sowie die zunehmende Aufmerksamkeit, welche der Operateur und sein Team auf die Überwachung und dem Betrieb der einzelnen Geräte verwenden muss, werden als eine der "Kinderkrankheiten" dieser relativ jungen Technologie betrachtet und stehen einer Verbreitung über die Grenzen einer engagierten technophilen Nutzergruppe hinaus im Wege. Die vorliegende Arbeit zeigt zwei parallel von einander (jedoch, im Sinne der Schnittstellenkompatibilität, nicht gänzlich unabhängig voneinander) zu betreibende Ansätze zur Integration von CAS Systemen. - Für den perioperativen Datenaustausch wird die Spezifikation zusätzlicher Datenstrukturen zum Transfer chirurgischer Planungsdaten im Rahmen des in radiologischen Bildverarbeitungssystemen weit verbreiteten DICOM Standards vorgeschlagen und an zwei Beispielen vorgeführt. Die Erweiterung des DICOM Standards für den perioperativen Einsatz ermöglicht hierbei die nahtlose Integration chirurgischer Planungssysteme in existierende "Picture Archiving and Communication Systems" (PACS), welche in den meisten Fällen auf dem DICOM Standard basieren oder zumindest damit kompatibel sind. Dadurch ist einerseits der Tatsache Rechnung getragen, dass die patientenspezifische OP-Planung in hohem Masse auf radiologischen Bildern basiert und andererseits sicher gestellt, dass die Planungsergebnisse entsprechend der geltenden Bestimmungen langfristig archiviert und gegen unbefugten Zugriff geschützt sind - PACS Server liefern hier bereits wohlerprobte Lösungen. - Für die integration intraoperativer CAS Systeme, wie etwa Navigationssysteme, Videobildquellen oder Sensoren zur Überwachung der Vitalparameter, wird das Konzept einer "chirurgischen Middleware" vorgestellt. Unter dem Namen TiCoLi wurde eine c++ Klassenbibliothek entwickelt, auf deren Grundlage die Konfiguration von ad-hoc Netzwerken während der OP-Vorbereitung mittels plug-and-play Mechanismen erleichtert wird. Nach erfolgter Konfiguration ermöglicht die TiCoLi den Austausch kontinuierlicher Datenströme sowie einzelner Datenpakete und Kommandos zwischen den Modulen einer verteilten CAS Anwendung durch ein Ethernet-basiertes Netzwerk. Die TiCoLi ist die erste frei verfügbare Klassenbibliothek welche diese Funktionalitäten dediziert für einen Einsatz im chirurgischen Umfeld vereinigt. Zum Nachweis der Tauglichkeit der gezeigten Spezifikationen und deren Implementierungen, werden zwei modulare CAS Anwendungen präsentiert, welche die vorgeschlagenen DICOM Erweiterungen zum perioperativen Austausch von Planungsergebnissen sowie die TiCoLi zum intraoperativen Datenaustausch von Messdaten unter echzeitnahen Anforderungen verwenden

Generalized Spectral Signatures of Electron Fractionalization in Quasi-One and -Two Dimensional Molybdenum Bronzes and Superconducting Cuprates

We establish the quasi-one-dimensional Li purple bronze as a photoemission paradigm of Luttinger liquid behavior. We also show that generalized signatures of electron fractionalization are present in the angle resolved photoemission spectra for quasi-two-dimensional purple bronzes and certain cuprates. An important component of our analysis for the quasi-two-dimensional systems is the proposal of a ``melted holon'' scenario for the k-independent background that accompanies but does not interact with the peaks that disperse to define the Fermi surface.Comment: 7 pages, 8 figure

Web-based Stereoscopic Collaboration for Medical Visualization

Medizinische Volumenvisualisierung ist ein wertvolles Werkzeug zur Betrachtung von Volumen- daten in der medizinischen Praxis und Lehre. Eine interaktive, stereoskopische und kollaborative Darstellung in Echtzeit ist notwendig, um die Daten vollständig und im Detail verstehen zu können. Solche Visualisierung von hochauflösenden Daten ist jedoch wegen hoher Hardware- Anforderungen fast nur an speziellen Visualisierungssystemen möglich. Remote-Visualisierung wird verwendet, um solche Visualisierung peripher nutzen zu können. Dies benötigt jedoch fast immer komplexe Software-Deployments, wodurch eine universelle ad-hoc Nutzbarkeit erschwert wird. Aus diesem Sachverhalt ergibt sich folgende Hypothese: Ein hoch performantes Remote- Visualisierungssystem, welches für Stereoskopie und einfache Benutzbarkeit spezialisiert ist, kann für interaktive, stereoskopische und kollaborative medizinische Volumenvisualisierung genutzt werden. Die neueste Literatur über Remote-Visualisierung beschreibt Anwendungen, welche nur reine Webbrowser benötigen. Allerdings wird bei diesen kein besonderer Schwerpunkt auf die perfor- mante Nutzbarkeit von jedem Teilnehmer gesetzt, noch die notwendige Funktion bereitgestellt, um mehrere stereoskopische Präsentationssysteme zu bedienen. Durch die Bekanntheit von Web- browsern, deren einfach Nutzbarkeit und weite Verbreitung hat sich folgende spezifische Frage ergeben: Können wir ein System entwickeln, welches alle Aspekte unterstützt, aber nur einen reinen Webbrowser ohne zusätzliche Software als Client benötigt? Ein Proof of Concept wurde durchgeführt um die Hypothese zu verifizieren. Dazu gehörte eine Prototyp-Entwicklung, deren praktische Anwendung, deren Performanzmessung und -vergleich. Der resultierende Prototyp (CoWebViz) ist eines der ersten Webbrowser basierten Systeme, welches flüssige und interaktive Remote-Visualisierung in Realzeit und ohne zusätzliche Soft- ware ermöglicht. Tests und Vergleiche zeigen, dass der Ansatz eine bessere Performanz hat als andere ähnliche getestete Systeme. Die simultane Nutzung verschiedener stereoskopischer Präsen- tationssysteme mit so einem einfachen Remote-Visualisierungssystem ist zur Zeit einzigartig. Die Nutzung für die normalerweise sehr ressourcen-intensive stereoskopische und kollaborative Anatomieausbildung, gemeinsam mit interkontinentalen Teilnehmern, zeigt die Machbarkeit und den vereinfachenden Charakter des Ansatzes. Die Machbarkeit des Ansatzes wurde auch durch die erfolgreiche Nutzung für andere Anwendungsfälle gezeigt, wie z.B. im Grid-computing und in der Chirurgie

Focal Spot, Summer 1994

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Development of a Surgical Assistance System for Guiding Transcatheter Aortic Valve Implantation

Development of image-guided interventional systems is growing up rapidly in the recent years. These new systems become an essential part of the modern minimally invasive surgical procedures, especially for the cardiac surgery. Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is a recently developed surgical technique to treat severe aortic valve stenosis in elderly and high-risk patients. The placement of stented aortic valve prosthesis is crucial and typically performed under live 2D fluoroscopy guidance. To assist the placement of the prosthesis during the surgical procedure, a new fluoroscopy-based TAVI assistance system has been developed. The developed assistance system integrates a 3D geometrical aortic mesh model and anatomical valve landmarks with live 2D fluoroscopic images. The 3D aortic mesh model and landmarks are reconstructed from interventional angiographic and fluoroscopic C-arm CT system, and a target area of valve implantation is automatically estimated using these aortic mesh models. Based on template-based tracking approach, the overlay of visualized 3D aortic mesh model, landmarks and target area of implantation onto fluoroscopic images is updated by approximating the aortic root motion from a pigtail catheter motion without contrast agent. A rigid intensity-based registration method is also used to track continuously the aortic root motion in the presence of contrast agent. Moreover, the aortic valve prosthesis is tracked in fluoroscopic images to guide the surgeon to perform the appropriate placement of prosthesis into the estimated target area of implantation. An interactive graphical user interface for the surgeon is developed to initialize the system algorithms, control the visualization view of the guidance results, and correct manually overlay errors if needed. Retrospective experiments were carried out on several patient datasets from the clinical routine of the TAVI in a hybrid operating room. The maximum displacement errors were small for both the dynamic overlay of aortic mesh models and tracking the prosthesis, and within the clinically accepted ranges. High success rates of the developed assistance system were obtained for all tested patient datasets. The results show that the developed surgical assistance system provides a helpful tool for the surgeon by automatically defining the desired placement position of the prosthesis during the surgical procedure of the TAVI.Die Entwicklung bildgeführter interventioneller Systeme wächst rasant in den letzten Jahren. Diese neuen Systeme werden zunehmend ein wesentlicher Bestandteil der technischen Ausstattung bei modernen minimal-invasiven chirurgischen Eingriffen. Diese Entwicklung gilt besonders für die Herzchirurgie. Transkatheter Aortenklappen-Implantation (TAKI) ist eine neue entwickelte Operationstechnik zur Behandlung der schweren Aortenklappen-Stenose bei alten und Hochrisiko-Patienten. Die Platzierung der Aortenklappenprothese ist entscheidend und wird in der Regel unter live-2D-fluoroskopischen Bildgebung durchgeführt. Zur Unterstützung der Platzierung der Prothese während des chirurgischen Eingriffs wurde in dieser Arbeit ein neues Fluoroskopie-basiertes TAKI Assistenzsystem entwickelt. Das entwickelte Assistenzsystem überlagert eine 3D-Geometrie des Aorten-Netzmodells und anatomischen Landmarken auf live-2D-fluoroskopische Bilder. Das 3D-Aorten-Netzmodell und die Landmarken werden auf Basis der interventionellen Angiographie und Fluoroskopie mittels eines C-Arm-CT-Systems rekonstruiert. Unter Verwendung dieser Aorten-Netzmodelle wird das Zielgebiet der Klappen-Implantation automatisch geschätzt. Mit Hilfe eines auf Template Matching basierenden Tracking-Ansatzes wird die Überlagerung des visualisierten 3D-Aorten-Netzmodells, der berechneten Landmarken und der Zielbereich der Implantation auf fluoroskopischen Bildern korrekt überlagert. Eine kompensation der Aortenwurzelbewegung erfolgt durch Bewegungsverfolgung eines Pigtail-Katheters in Bildsequenzen ohne Kontrastmittel. Eine starrere Intensitätsbasierte Registrierungsmethode wurde verwendet, um kontinuierlich die Aortenwurzelbewegung in Bildsequenzen mit Kontrastmittelgabe zu detektieren. Die Aortenklappenprothese wird in die fluoroskopischen Bilder eingeblendet und dient dem Chirurg als Leitfaden für die richtige Platzierung der realen Prothese. Eine interaktive Benutzerschnittstelle für den Chirurg wurde zur Initialisierung der Systemsalgorithmen, zur Steuerung der Visualisierung und für manuelle Korrektur eventueller Überlagerungsfehler entwickelt. Retrospektive Experimente wurden an mehreren Patienten-Datensätze aus der klinischen Routine der TAKI in einem Hybrid-OP durchgeführt. Hohe Erfolgsraten des entwickelten Assistenzsystems wurden für alle getesteten Patienten-Datensätze erzielt. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte chirurgische Assistenzsystem ein hilfreiches Werkzeug für den Chirurg bei der Platzierung Position der Prothese während des chirurgischen Eingriffs der TAKI bietet