Ultraschallbasierte Navigation für die minimalinvasive onkologische Nieren- und Leberchirurgie

In der minimalinvasiven onkologischen Nieren- und Leberchirurgie mit vielen Vorteilen für den Pa- tienten wird der Chirurg häufig mit Orientierungsproblemen konfrontiert. Hauptursachen hierfür sind die indirekte Sicht auf die Patientenanatomie, das eingeschränkte Blickfeld und die intra- operative Deformation der Organe. Abhilfe können Navigationssysteme schaffen, welche häufig auf intraoperativem Ultraschall basieren. Durch die Echtzeit-Bildgebung kann die Deformation des Organs bestimmt werden. Da viele Tumore im Schallbild nicht sichtbar sind, wird eine robuste automatische und deformierbare Registrierung mit dem präoperativen CT benötigt. Ferner ist eine permanente Visualisierung auch während der Manipulation am Organ notwendig. Für die Niere wurde die Eignung von Ultraschall-Elastographieaufnahmen für die bildbasierte Re- gistrierung unter Verwendung der Mutual Information evaluiert. Aufgrund schlechter Bildqualität und geringer Ausdehnung der Bilddaten hatte dies jedoch nur mäßigen Erfolg. Die Verzweigungspunkte der Blutgefäße in der Leber werden als natürliche Landmarken für die Registrierung genutzt. Dafür wurden Gefäßsegmentierungsalgorithmen für die beiden häufigsten Arten der Ultraschallbildgebung B-Mode und Power Doppler entwickelt. Die vorgeschlagene Kom- bination beider Modalitäten steigerte die Menge an Gefäßverzweigungen im Mittel um 35 %. Für die rigide Registrierung der Gefäße aus dem Ultraschall und CT werden mithilfe eines bestehen- den Graph Matching Verfahrens [OLD11b] im Mittel 9 bijektive Punktkorrespondenzen definiert. Die mittlere Registrierungsgenauigkeit liegt bei 3,45 mm. Die Menge an Punktkorrespondenzen ist für eine deformierbare Registrierung nicht ausreichend. Das entwickelte Verfahren zur Landmarkenverfeinerung fügt zwischen gematchten Punkte weitere Landmarken entlang der Gefäßmittellinien ein und sucht nach weiteren korrespondierenden Gefäß- segmenten wodurch die Zahl der Punktkorrespondenzen im Mittel auf 70 gesteigert wird. Dies erlaubt die Bestimmung der Organdeformation anhand des unterschiedlichen Gefäßverlaufes. Anhand dieser Punktkorrespondenzen kann mithilfe der Thin-Plate-Splines ein Deformationsfeld für das gesamte Organ berechnet werden. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Registrierung im Mittel um 44 % gesteigert. Die wichtigste Voraussetzung für das Gelingen der deformierbaren Registrierung ist eine möglichst umfassende Segmentierung der Gefäße aus dem Ultraschall. Im Rahmen der Arbeit wurde erstmals der Begriff der Regmentation auf die Segmentierung von Gefäßen und die gefäßbasierte Registrie- rung ausgeweitet. Durch diese Kombination beider Verfahren wurde die extrahierte Gefäßlänge im Mittel um 32 % gesteigert, woraus ein Anstieg der Anzahl korrespondierender Landmarken auf 98 resultiert. Hierdurch lässt sich die Deformation des Organs und somit auch die Lageveränderung des Tumors genauer und mit höherer Sicherheit bestimmen. Mit dem Wissen über die Lage des Tumors im Organ und durch Verwendung eines Markierungs- drahtes kann die Lageveränderung des Tumors während der chirurgischen Manipulation mit einem elektromagnetischen Trackingsystem überwacht werden. Durch dieses Tumortracking wird eine permanente Visualisierung mittels Video Overlay im laparoskopischen Videobild möglich. Die wichtigsten Beiträge dieser Arbeit zur gefäßbasierten Registrierung sind die Gefäßsegmen- tierung aus Ultraschallbilddaten, die Landmarkenverfeinerung zur Gewinnung einer hohen Anzahl bijektiver Punktkorrespondenzen und die Einführung der Regmentation zur Verbesserung der Ge- fäßsegmentierung und der deformierbaren Registrierung. Das Tumortracking für die Navigation ermöglicht die permanente Visualisierung des Tumors während des gesamten Eingriffes

Methodische und vorklinische Untersuchungen zum Einfluss der Tumorbeweglichkeit auf die 4D-Dosisverteilung in der Strahlentherapie

The aim of the work was to investigate the influence of tumour motion on the accumulated (absorbed) dose. The tumour motion was assessed for different entities and at different time periods during the treatment. The accumulated dose was determined by means of calculations and measurements. The largest tumour motion amplitudes were determined for patients with small pulmonary lesions in the inferior part of the lung during breathing. An intrafractional variation of amplitudes and tumour mean position was observed for these patients. Interfractional changes of the tumour volume or the surrounding organs affected the position of organs. The influence of lung tumour motion motion on the accumulated dose was calculated employing two methods (model based and voxel based method). Tumour motion resulted in a blurring of steep dose gradients and a reduction of dose at the periphery of the target. A systematic variation of motion parameters allowed the determination of main influence parameters on the accumulated dose. The key parameters with the largest influence on dose are amplitude and pattern of motion and steepness of the (planned) dose gradient. Investigations on necessary safety margins to compensate the dose reduction have shown that smaller safety margins are sufficient, if the developed OPT concept (with optimized treatment margins) is used instead of the Internal Target Volume (ITV) concept. Different motion scenarios and compensation techniques were realized in a phantom study to investigate the influence of motion on image acquisition, dose calculation and dose measurement. Both methods for dose calculation offer a good approximation of the measured dose but the voxel based method showed better agreement with the measured dose.Das Ziel der Arbeit bestand darin, die Folgen der Tumorbeweglichkeit auf die akkumulierte Energiedosis zu untersuchen. Dazu wurde die Tumorbeweglichkeit für unterschiedliche Entitäten und zu verschiedenen Zeitpunkten im Behandlungszeitraum erfasst und die akkumulierte Dosis basierend auf Patienten- und Phantommodellen rechnerisch und experimentell bestimmt. Die größten Amplituden wurden für die atembedingte Tumorbewegung von Patienten mit kleinvolumigen pulmonalen Läsionen im Lungenunterlappen gemessen. Zudem konnten intrafraktionelle Variationen der Amplitude und Tumormittelposition beobachtet werden. Die interfraktionelle Volumenänderung des Tumors oder der umliegenden Organe beeinflusste die Lage der Organe zueinander.Mit zwei methodischen Ansätzen (modell- und voxelbasierte Methode) konnte die Auswirkung der Bewegung von Lungentumoren auf die akkumulierte Dosis berechnet werden. Die Tumorbewegung bewirkte eine Verwischung von steilen Dosisgradienten und damit eine Reduktion der Dosis am Zielvolumenrand. Durch eine systematische Variation von Bewegungsparametern konnten wesentliche Einflussgrößen auf die akkumulierte Dosis bestimmt werden: Amplitude, Form des Bewegungsmusters und Steilheit des Dosisgradienten. Für die Kompensation dieses bewegungsbedingten Dosisverlusts wurde gezeigt, dass kleinere Sicherheitssäume ausreichen, wenn anstatt des Internal Target Volume (ITV) Konzepts das entwickelte optimierte Zielvolumen (OPT) Konzept angewandt wird.Zusätzlich wurden in einer Phantom¬studie unterschiedliche Bewegungsszenarien und Kompensationstechniken experimentell realisiert, um den Einfluss der Bewegung auf die Bildgebung, Dosisberechnung und -messung zu bestimmen. Die beiden vorgestellten Berechnungsmodelle liefern eine gute Näherung zur Dosismessung, aber die voxelbasierte Dosisakkumulation zeigte eine bessere Übereinstimmung mit der gemessenen Dosis

Messen in der Geotechnik 2020: Fachseminar am 20./21. Februar 2020

Paper also published in Publikationsserver TU Braunschweig https://publikationsserver.tu-braunschweig.de/receive/dbbs_mods_0006808

Real-view-thermography : the novel visualization and man-machine interaction methods in the active thermography

Das Ergebnis einer manuellen Inspektion mit aktiver Thermografie wird durch den Prüfer signifikant beeinflusst. Die Qualität der Inspektion hängt somit maßgeblich von diesem sog. menschlichen Faktor ab. Das in dieser Arbeit entwickelte Real-View-Thermography-Verfahren minimiert den Einfluss des Prüfers auf das Endergebnis. Der konventionelle Arbeitsablauf bei der Inspektion mit aktiver Thermografie wird auf Defizite hinsichtlich des menschlichen Faktors untersucht. Hier stand sowohl die Qualität der Prüfung als auch die Bedienbarkeit des Prüfsystems im Vordergrund. Denn eine intuitive Gestaltung der Mensch-Maschine-Interaktion wirkt sich positiv auf die Konzentration des Prüfers und somit auch die Qualität der Inspektion aus. Das RVT-Verfahren umfasst eine Reihe von Maßnahmen, die den Defiziten des konventionellen Arbeitsablaufs entgegenwirken. Dazu zählen insbesondere die Erkennung einer fehlerhaften Beschichtung zur Erhöhung der thermischen Emissivität, eine hinsichtlich des Prüfablaufs optimierte Bedienbarkeit der Messung durch ein virtuelles Bedienfeld, situationsbezogene Rückmeldungen während einer Messung durch Projektion kontextrelevanter Informationen auf den Prüfling sowie die Auswertung der Ergebnisse direkt am Prüfling. Das RVT-Verfahren wird bei der akustischen Thermografie und der Induktionsthermografie erprobt. So wird die Erhöhung der Qualität der Inspektion nachgewiesen und die Verbesserung der Bedienbarkeit gezeigt.The result of a manual active thermography inspection is strongly affected by the examiner. Thus the quality of the inspection depends significantly on the so-called human factor. The Real-View-Thermography method developed in this thesis minimizes the influence of the examiner on the inspection result. The negative influences of the human factor in the common active thermography inspection procedure are investigated, emphasizing on the quality of the inspection and the usability of the inspection equipment. The intuitive design of the human-machine interaction has a positive influence on examiners’ concentration and thus on the quality of the inspection. The RVT method consists of several steps which eliminate these negative influences of the human factor. The most essential are the detection of local deficiencies in coatings to enhance the thermal emissivity, the context-sensitive visual feedback on a specimen during a measurement and the analysis of the measurement results directly on the specimen. The RVT method is evaluated using the acoustic and induction thermography. Thus the rise of the inspection quality and the improvement of the usability are verified

Strategien zur funktionsorientierten Qualitätsregelung in der Serienproduktion

Eine hohe Produktqualität ist in zunehmendem Maße eine zentrale Kundenanforderung und für produzierende Unternehmen ein entscheidender Faktor zur Behauptung der Führungsrolle im globalen Wettbewerb. In vielen Fällen steigt die Komplexität der Hochpräzisionsprodukte jedoch erheblich und die Anforderungen erreichen technologische Fertigungsgrenzen. Auftretende Fertigungsab-weichungen gefährden dabei die Erfüllung hoher Qualitätsanforderungen und damit die Sicherstellung der Funktionalität hergestellter Produkte. Eine Abhilfemaßnahme stellt der Ansatz zur Qualitätsregelung in der Produktion dar. Bisherige Ansätze der Qualitätsregelung basieren dabei auf der geometrischen Kompensation direkter Merkmalspaare. Besitzen Bauteile bzw. Teilbaugruppen eines Produktes mehrere funktionsrelevante Produktmerkmale, kommen bisherige Strategien der Qualitätsregelung jedoch an ihre Grenzen. Um das aufgezeigte Defizit zu beheben wird in der vorliegenden Arbeit eine Methode zur Planung und Bewertung der funktionsorientierten Qualitätsregelung vorgestellt. Die entwickelte Methode erlaubt das Erstellen Digitaler Zwillinge einzelner Produktausprägungen unter minimaler Gesamtunsicherheit, durch Modellierung und Kalibrierung. Quantitative, interpretierbare Funktionsmodelle der Digitalen Zwillinge können anhand statistischer Methoden abgeleitet werden. Sie ermöglichen die Echtzeit-nahe Funkti-onsprognose, unter minimaler Gesamtunsicherheit. Durch Integration dieser Funktionsmodelle in die Produktionssteuerung werden funktionsorientierte Strategiealternativen entwickelt und in ereignisorientierten Materialflusssimulationen analysiert. Die abschließende Auswahl geeigneter Strategiealternativen erfolgt anhand einer technischen und wirtschaftlichen Bewertung der Simulationsergebnisse. Die entwickelten Methoden des Planungsansatzes wird im industriellen Anwendungsfall der Serienproduktion zur Herstellung von Piezo-Injektoren exemplarisch demonstriert

Adaptive Cone-Beam Scan-Trajektorien für interventionelle Anwendungen

Adaptive Cone-Beam Scan-Trajektorien für interventionelle Anwendungen Die interventionelle Röntgenbildgebung stellt Ärzten während minimalinvasiven Eingriffen Informationen über die Patientenmorphologie bereit. Sie muss aber aufgrund der gewebeschädigenden Wirkung mit Bedacht eingesetzt werden. Derzeit können Ärzte nur zwischen dosisarmen Röntgenprojektionen ohne Tiefeninformation und strahlungsintensiven Cone-Beam- Computertomografien mit Tiefeninformation wählen. Viele medizinische Anwendungen wie Positionskontrollen erfordern zwar Tiefeninformation, aber keinen vollständigen 3D-Datensatz. Adaptive Scan-Trajektorien können diese Lücke schließen, indem sie Objekte gezielt unterabtasten und die relevanten Informationen so dosiseffizient in Erfahrung bringen. In dieser Arbeit wird eine Methode präsentiert, die eine Implementierung von neuen adaptiven Scan-Trajektorien an einem C-Bogen-System erlaubt. Am Beispiel einer Klasse von Scan-Trajektorien, der zirkulären Tomosynthese (ZT), wurde die Realisierbarkeit der Methode demonstriert. Streustrahlenmessungen ergaben, dass die ZT eine vorteilhaftere Streustrahlenverteilung als die klassischen 3D-Trajektorien aufweist. In kritischen Körperpartien wie oberer Torso und Gesicht, wurde eine geringere relative Dosis von 75% und 46% (ZT) als bei klassischen Trajektorien (100% und 63%) gemessen. Die Scan-Trajektorien wurden mit einer Kalibrierung kombiniert, die auch eine retrospektive Kalibrierung an beliebigen Positionen im Interventionsraum erlaubt. In Streßtests konnten die Positionen von Metallkugeln eines Evaluierungsphantoms mit einer mittleren Genauigkeit von (0,01 ± 0,08) mm und einer mittleren Radiusabweichung von (0,13 ± 0,07) mm bestimmt werden. Bei einer Voxelgröße von 0,48 mm sind die Abweichungen kleiner als die Messgenauigkeit des bildgebenden Systems. Die untersuchten Trajektorien verwenden nur ein Viertel bis ein Fünftel der Projektionen herkömmlicher 3D-Trajektorien. Die Unterabtastung des Objekts und die Dosiseinsparung verursachen Artefakte in den Bilddaten. Mithilfe eines vorwissenbasierten Ansatzes konnten diese Artefakte minimiert und die Bildqualität auf die eines konventionellen 3D-Datensatzes verbessert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass adaptive Scan-Trajektorien die interventionelle Röntgenbildgebung um einen neuen Bildgebungsmodus erweitern können, der gegenüber derzeitigen Bildgebungsmodi relevante Bildinformationen bei reduzierter Dosis akquiriert