Active shape model unleashed with multi-scale local appearance

We focus on optimising the Active Shape Model (ASM) with several extensions. The modification is threefold. First, we tackle the over-constraint problem and obtain an optimal shape with minimum energy considering both the shape prior and the salience of local features, based on statistical theory: a compact closed form solution to the optimal shape is deduced. Second, we enhance the ASM searching method by modelling and removing the variations of local appearance presented in the training data. Third, we speed up the convergence of shape fitting by integrating information from multi-scale local features simultaneously. Experiments show significant improvement brought by these modifications, i.e., optimal shape against standard relaxation methods dealing with inadequate training samples; enhanced searching method against standard gradient descent methods in searching accuracy; multi-scale local features against popular coarse-to-fine strategies in convergence speed

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

The Probabilistic Active Shape Model: From Model Construction to Flexible Medical Image Segmentation

Automatic processing of three-dimensional image data acquired with computed tomography or magnetic resonance imaging plays an increasingly important role in medicine. For example, the automatic segmentation of anatomical structures in tomographic images allows to generate three-dimensional visualizations of a patient’s anatomy and thereby supports surgeons during planning of various kinds of surgeries. Because organs in medical images often exhibit a low contrast to adjacent structures, and because the image quality may be hampered by noise or other image acquisition artifacts, the development of segmentation algorithms that are both robust and accurate is very challenging. In order to increase the robustness, the use of model-based algorithms is mandatory, as for example algorithms that incorporate prior knowledge about an organ’s shape into the segmentation process. Recent research has proven that Statistical Shape Models are especially appropriate for robust medical image segmentation. In these models, the typical shape of an organ is learned from a set of training examples. However, Statistical Shape Models have two major disadvantages: The construction of the models is relatively difficult, and the models are often used too restrictively, such that the resulting segmentation does not delineate the organ exactly. This thesis addresses both problems: The first part of the thesis introduces new methods for establishing correspondence between training shapes, which is a necessary prerequisite for shape model learning. The developed methods include consistent parameterization algorithms for organs with spherical and genus 1 topology, as well as a nonrigid mesh registration algorithm for shapes with arbitrary topology. The second part of the thesis presents a new shape model-based segmentation algorithm that allows for an accurate delineation of organs. In contrast to existing approaches, it is possible to integrate not only linear shape models into the algorithm, but also nonlinear shape models, which allow for a more specific description of an organ’s shape variation. The proposed segmentation algorithm is evaluated in three applications to medical image data: Liver and vertebra segmentation in contrast-enhanced computed tomography scans, and prostate segmentation in magnetic resonance images

Active Shape Models Unleashed

Active Shape Models (ASMs) are a popular family of segmentation algorithms which combine local appearance models for boundary detection with a statistical shape model (SSM). They are especially popular in medical imaging due to their ability for fast and accurate segmentation of anatomical structures even in large and noisy 3D images. A well-known limitation of ASMs is that the shape constraints are over-restrictive, because the segmentations are bounded by the Principal Component Analysis (PCA) subspace learned from the training data. To overcome this limitation, we propose a new energy minimization approach which combines an external image energy with an internal shape model energy. Our shape energy uses the Distance From Feature Space (DFFS) concept to allow deviations from the PCA subspace in a theoretically sound and computationally fast way. In contrast to previous approaches, our model does not rely on post-processing with constrained free-form deformation or additional complex local energy models. In addition to the energy minimization approach, we propose a new method for liver detection, a new method for initializing an SSM and an improved k-Nearest Neighbour (kNN)-classifier for boundary detection. Our ASM is evaluated with leave-one-out tests on a data set with 34 tomographic CT scans of the liver and is compared to an ASM with standard shape constraints. The quantitative results of our experiments show that we achieve higher segmentation accuracy with our energy minimization approach than with standard shape constraints