Prä- und postoperative Segmentierung und virtuelles Stenting von Aneurysmen und Stenosen

Die medizinische Bildverarbeitung hat in den letzten Jahren sehr an Bedeutung gewonnen, vor allem in den verschiedenen Phasen der Behandlung somatischer Erkrankungen. Bei Diagnose, Monitoring, Therapieplanung und Durchführung bis zur Kontrolle werden medizinische Entscheidungen durch Computer unterstützt. In dieser Arbeit werden Beiträge zur computergestützten Behandlung von Gefäßerkrankungen – krankhafte Gefäßerweiterungen (Aneurysmen) und krankhafte Gefäßverengungen (Stenosen) – geleistet. Es wird bei operativen Eingriffen zur Behandlung dieser Gefäßerkrankungen zwischen zwei Verfahren unterschieden: der offenen und der minimal-invasiven (endovaskulären) Operation bzw. Behandlung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der computergestützten Optimierung von endovaskulären Behandlungen. Im Fall einer endovaskulären Behandlung ist es besonders wichtig, anhand der kritischen Patientendaten eine geeignete Prothese (Stent) möglichst akkurat und in kürzester Zeit auszuwählen. Dabei muss die Auswahl vor dem Eingriff erfolgen (präoperativ), da der Stent während der Operation nicht mehr ohne eine offene Operation gewechselt werden kann. Ist ein Stent eingesetzt, sind regelmäßige Nachuntersuchungen erforderlich, um zum Beispiel das Auftreten von Löchern in der Prothese (Endoleaks) oder das Verschieben der Prothese (Stent Migration) rechtzeitig zu erkennen. Für die einzelnen Phasen von Diagnose, Therapieplanung und Kontrolle einer Gefäßerkrankung werden in dieser Dissertation verschiedene Methoden zur Segmentierung entwickelt und vorgestellt. Mit ihnen ist es möglich, Aneurysmen und Stenosen vor und nach einem operativen Eingriff zu überwachen und den behandelnden Arzt bei diesen zum Teil sehr zeitaufwendigen Prozeduren zu unterstützen. Die unterschiedlichen Segmentierungsmethoden basieren auf den Verfahren der Aktiven Konturen, Active Appearance Models sowie einem graphbasierten Ansatz. Dabei hat der graphbasierte Ansatz die besten Ergebnisse geliefert, ein Prototyp zur klinischen Evaluation wurde bereits realisiert. Die Behandlungsplanung wiederum wird durch eine rechnergestützte Simulation von Stents (virtuelles Stenting) vor dem Eingriff optimiert. Im derzeitigen klinischen Alltag wird ein Stent anhand von CT-Aufnahmen ausgewählt. Mit dem virtuellen Stenting aus dieser Arbeit können verschiedene Stents zusätzlich in den realen Patientendaten aus der klinischen Routine simuliert werden. Dabei wird ersichtlich, ob der ausgewählte Stent die passenden Dimensionen hat und bei der Operation zum Einsatz kommen sollte. Die Stent-Simulation beruht auf dem Verfahren der Aktiven Konturen im Dreidimensionalen und ist sowohl für nicht verzweigte als auch für verzweigte Stents (Y-Stents) geeignet. Unter anderem werden für eine realistische Simulation, die bei Y-Stents auftretenden Kollisionskräfte in der Verzweigung berücksichtigt. Außerdem wurde ein Ansatz für das virtuelle Stenting im Karotisbereich entwickelt, der ein elastisches Verhalten der Gefäßwand bei einer Stent-Expansion modelliert. Weiterhin ist im Bereich der rechnergestützten Simulation ein Verfahren zur Simulation eines Katheterpfades entstanden. Der Katheterpfad wird hierbei in zwei Schritten bestimmt. In einem ersten Schritt wird ein initialer Pfad mit einem modifizierten Dijkstra-Algorithmus zur Bestimmung des kürzesten Pfades zwischen zwei Punkten berechnet. In einem zweiten Schritt wird dann dieser Pfad mit einem Aktiven Konturmodell innerhalb des Gefäßes ausgerichtet. Diese verschiedenen Verfahren werden in der vorliegenden Arbeit im Detail vorgestellt und anhand von Phantomdaten und realen Patientendaten evaluiert. Außerdem werden die klinischen Prototypen präsentiert, die auf den Verfahren aufbauen

Verfahren und Anlagenprototyp zur Herstellung dünnwandiger Hohlzylinder aus Silikonelastomer mit integrierten Fluidkammern und –kanälen

Die minimal-invasive Chirurgie gewinnt innerhalb der invasiven Therapieverfahren weiterhin an Bedeutung, verspricht man sich davon doch eine schnellere Genesung des Patienten, verbunden mit einer Reduktion der finanziellen Aufwände für das Gesundheitssystem. Zu diesem Zweck werden Lokomotionssysteme benötigt, die sich aktiv in den natürlichen Körperhöhlen des Patienten fortbewegen können, um Arbeitskanäle und Operationswerkzeuge des Chirurgen von außen zum gewünschten Operationsfeld zu transportieren. Vollständig nachgiebige, miniaturisierte Systeme mit wurmartiger Fortbewegung sind dabei im Fokus der internationalen Entwicklungen. Eine wesentliche Limitation bei der Entwicklung und weiteren Miniaturisierung solcher Lokomotionssysteme besteht durch die verfügbaren Herstellverfahren. Die vorliegende Arbeit stellt ein neues Verfahren und einen Anlagenprototyp zur Herstellung dünnwandigen Hohlzylinders aus Elastomer vor, in deren Wandung im Rahmen des Verfahrens Fluidkammern und –kanäle integriert werden. Durch Befüllung der Miniaturfluidsysteme mit Fluid und Steuerung des ein- bzw. ausgepumpten Fluidvolumens, kann eine zielgerichtete Verformung der Kammern erzeugt werden. Durch Ausstattung des Hohlzylinder mit einer ganzen Reihe von Kammern und Kanälen soll so im Rahmen weiterer Entwicklungen eine peristaltische Sonde entstehen, die sich wurmartig im Wirbelkanal fortbewegen kann. Das vorgestellte Verfahren besteht aus den folgenden Schritten: 1. Auf einen Metallstab wird durch Tauchen (Dip-Coating) eine lösbare Trennschicht aus Photoresist aufgebracht. 2. Anschließend wird auf der Trennschicht und ebenfalls durch Tauchen eine erste, die innere Schicht aus Silikonelastomer erzeugt. 3. Diese Silikonschicht wird durch Aufsprühen (Spray-Coating) unter Nutzung spezieller Prozeßparameter mit Photoresist beschichtet, welches anschließend mittels Laser-Lithografie belichtet wird. 4. Nach dem Entwickeln, Spülen und Trocknen verbleiben auf der Oberfläche der Silikonschicht Resiststrukturen, die die späteren Fluidkammern und Zuläufe repräsentieren. 5. Diese Resiststrukturen sind Platzhalter für das innere, später mit Fluid gefüllte Volumen, wenn in einem weiteren Schritt erneut durch Tauchen die äußere Silikonelastomerschicht aufgebracht wird. In Anlehnung an die klassische Gießerei- und an die Mikrosystemtechnik können die Resiststrukturen auch als Opferstrukturen bezeichnet werden. 6. Anschließend wird der entstandene Silikonkörper mit entsprechenden Schlauchzuleitungen verbunden und über diese wird Lösungsmittel zugeführt, welches die Resiststrukturen auflöst. 7. Nach dem Spülen der Kammern und Zuläufe können diese mit dem Arbeitsfluid (z.B. sterile, isotonische Kochsalzlösung) befüllt werden

Klassifikation morphologischer und pathologischer Strukturen in koronaren Gefäßen auf Basis intravaskulärer Ultraschallaufnahmen zur klinischen Anwendung in einem IVB-System

Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems sind in Deutschland für fast 50% der Todesfälle verantwortlich. Insbesondere die Arteriosklerose (vulgo: „Arterienverkalkung“) ist dabei ein dominierendes Krankheitsbild. So ist es auch nicht verwunderlich, dass die Arteriosklerose seit den Anfängen der wissenschaftlichen Medizin ein Feld für umfangreiche Untersuchungen gewesen ist. Speziell durch den technischen Fortschritt bildgebender Verfahren war es möglich neuartige Diagnose- und Therapiemethoden zu entwickeln. Dabei hat sich gerade der intravaskuläre Ultraschall zu einem Goldstandard in der Diagnose arteriosklerotischer Erkrankungen und, in Kombination mit der intravaskulären Brachytherapie, zu einer Erfolg versprechenden Basistechnik für therapeutische Maßnahmen entwickelt. Grundvoraussetzung fast jeder bildbasierten Intervention ist aber die Separierung der Bilddaten in anatomisch und pathologisch differenzierte, saliente Regionen. In Anbetracht zunehmender, umfangreicherer Datenmengen kann eine derartige Aufarbeitung nur rechnergestützt durch Problem adaptierte Klassifikationsalgorithmen gewährleistet werden. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, neue Methoden zur Merkmalsextraktion und Algorithmen zur Klassifikation morphologischer und pathologischer Strukturen in koronaren Gefäßen bereitzustellen. Aus der initialen Fragestellung wurde zudem zeitnah deutlich, dass das Forschungsvorhaben Anknüpfungspunkte zu weiteren hochgradig relevanten inter- und intradisziplinären Forschungsthemen, beispielsweise der Histologie, Systembiologie oder Chemietechnik, aufweist. Aber auch vonseiten der Anwendungsszenarien wurden teilweise völlig neue, innovative Wege beschritten. Exemplarisch sei ein E-Learning-Ansatz zur „Übersetzung“ digitaler Bilddaten in haptisch erfahrbare Reliefs für blinde und sehbehinderte Schülerinnen und Schüler genannt. In Anbetracht dieser partiell divergierenden Sichtweisen war auch die generalisierte, von der expliziten Fragestellung abstrahierte Umsetzung eine Ausrichtung der Arbeit. Dieser Intention folgend wurden drei wesentliche methodische und konzeptionelle Entwicklungen innerhalb der Arbeit realisiert: ein Expertensystem zur Approximation arterieller Kompartimente mittels unscharfer elliptischer Templates, ein neuartiger, effizienter Ansatz zur signaltheoretischen Extraktion textureller Merkmale und die Etablierung maschinelle Lernverfahren unter Integration von a priori Wissen. Über eine konsequente Integration statistischer Gütemaße konnte zudem eine ausgeprägte Rückkopplung zwischen Klassifikations- und Bewertungsansätzen gewährleistet werden. Gemeinsam ist allen Ansätzen das Ansinnen, trotz hoch anwendungsbezogener Umsetzungen, die fortwährende Portabilität zu beachten. In einer übergeordneten Abstraktion kann die Intention der Arbeit somit auch in der „generalisierten Nutzung signaltheoretischer Merkmale zur Klassifikation heterogener, durch texturelle Ausprägungen zu differenzierende Kompartimente mittels maschineller Lernverfahren“ verstanden werden