Accurate geometry reconstruction of vascular structures using implicit splines

3-D visualization of blood vessel from standard medical datasets (e.g. CT or MRI) play an important role in many clinical situations, including the diagnosis of vessel stenosis, virtual angioscopy, vascular surgery planning and computer aided vascular surgery. However, unlike other human organs, the vasculature system is a very complex network of vessel, which makes it a very challenging task to perform its 3-D visualization. Conventional techniques of medical volume data visualization are in general not well-suited for the above-mentioned tasks. This problem can be solved by reconstructing vascular geometry. Although various methods have been proposed for reconstructing vascular structures, most of these approaches are model-based, and are usually too ideal to correctly represent the actual variation presented by the cross-sections of a vascular structure. In addition, the underlying shape is usually expressed as polygonal meshes or in parametric forms, which is very inconvenient for implementing ramification of branching. As a result, the reconstructed geometries are not suitable for computer aided diagnosis and computer guided minimally invasive vascular surgery. In this research, we develop a set of techniques associated with the geometry reconstruction of vasculatures, including segmentation, modelling, reconstruction, exploration and rendering of vascular structures. The reconstructed geometry can not only help to greatly enhance the visual quality of 3-D vascular structures, but also provide an actual geometric representation of vasculatures, which can provide various benefits. The key findings of this research are as follows: 1. A localized hybrid level-set method of segmentation has been developed to extract the vascular structures from 3-D medical datasets. 2. A skeleton-based implicit modelling technique has been proposed and applied to the reconstruction of vasculatures, which can achieve an accurate geometric reconstruction of the vascular structures as implicit surfaces in an analytical form. 3. An accelerating technique using modern GPU (Graphics Processing Unit) is devised and applied to rendering the implicitly represented vasculatures. 4. The implicitly modelled vasculature is investigated for the application of virtual angioscopy

Approximation anatomischer Strukturen und biomedizinischer Prozesse zur rechnergestützten Untersuchung der Hämodynamik in Aneurysmen

Arterien des Menschen können Aneurysmen aufweisen, deren Ruptur zu lebensbedrohenden inneren Blutungen wie Schlaganfällen führen kann. Ein Therapieansatz ist das Einsetzen von sogenannten Stents. Eine Ruptur oder der Einfluss eines Stents kann mit dem momentanen Stand der Technik nicht exakt vorhergesagt werden. Für eine optimale Behandlung von Patienten wäre dies allerdings eine wichtige Zusatzinformation für den behandelnden Arzt. Zur Bestimmung dieser Zusatzinformation sollen zukünftig Simulationen der Hämodynamik in pathologischen Arterien eingesetzt werden. In dieser Arbeit werden Strömungsgeschwindigkeiten in Arterien ohne beziehungsweise mit Einbringung von Einbauten wie Stents berechnet und die entstehenden Wandscherspannungen im Hinblick auf eine Rupturvorhersage untersucht. Weiterhin wird der Massentransfer zwischen Arterie und Aneurysma charakterisiert und eine Analyse des Thrombosierungsverhaltens unter Strömungseinfluss vorgenommen. Bei letztgenanntem Thema werden insbesondere der Verschluss von Aneurysmen durch Thromben, die Ortseindämmung der Thrombenbildung und das Verhalten von wandanhaftenden Thromben auch in Bezug auf eine Ablösung untersucht. Um hierfür geeignete Simulationen durchführen zu können, wird eine Analyse der biomedizinischen Grundlagen durchgeführt. Für die Untersuchung der komplexen Dynamik sind aus methodischer Sicht zwei grundlegende Aspekte zu bearbeiten: die geometrische und die funktionelle Approximation. Die funktionelle Approximation biomedizinischer Prozesse umfasst die Untersuchung der Blutströmung, des Transports von passiven Stoffen und der Thrombosierung. Hierfür werden entsprechende Modelle identifiziert, in entsprechende Lattice-Boltzmann-Verfahren umgewandelt, simuliert und untersucht. Durch die Erarbeitung geeigneter Konzepte für eine Umsetzung der hier beschriebenen Simulationen auf einzelnen oder mehreren, miteinander kommunizierenden Grafikprozessoren kann eine effiziente Simulation der gekoppelten Multi-Physik-Probleme mit Lattice-Boltzmann-Verfahren erreicht werden. Insgesamt stellt diese Vorgehensweise ein Novum dar und unterstreicht die Praktikabilität der Methode. Die geometrische Approximation anatomischer Strukturen wird in dieser Arbeit mit Level-Set-Darstellungen gelöst. Mit ihnen können vielfältige Problemstellungen im Umfeld der Simulation bearbeitet werden, dies umfasst beispielsweise die Konstruktion einer Simulationsdomäne aus unterschiedlichen Tomographiedaten und die Einbringung von Einbauten wie Stents in das Untersuchungsgebiet. Durch die Kombination mit der Lattice-Boltzmann-Methode können Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erreicht werden, etwa bei der effizienten Berechnung der Wandscherspannungen. Eine Validierung der Strömungs- und Transportsimulationen wird mit hochaufgelöster Magnetresonanztomographie vorgenommen. Dazu wird ein Modell des Aufnahmevorgangs unter Einfluss von Radiofrequenz-Magnetfeldern und Gradienten erstellt und der Magnetisierungstransport sowie die Relaxation simuliert. Die bestimmten Abweichungen zwischen Simulation und Messung sind insgesamt gering. Für die Messexperimente werden erstmals 3D-Druckverfahren für die Konstruktion von physischen Modellen eingesetzt und deren Güte untersucht. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit steht eine effiziente und umfassende Verarbeitungspipeline für Blutströmungs-, Transport- und Thrombosierungsprozesse für weitere Untersuchungen bereit. Sie kann ebenfalls leicht um neue Modelle erweitert werden. Die Simulation der Magnetresonanztomographie für Flussbildgebung ermöglicht ebenfalls zukünftige Anwendungen im Bereich der Sequenzentwicklung

2019 Oklahoma Research Day Full Program

Oklahoma Research Day 2019 - SWOSU Celebrating 20 years of Undergraduate Research Successes

Real-time blood oxygenation tomography with multispectral photoacoustics

Multispectral photoacoustics is an emerging biomedical imaging modality which combines the penetration depth and resolution of high frequency medical ultrasonography with an optical absorption contrast. This enables tomographic imaging of blood oxygen saturation, a functional biomarker with wide applications. Already, photoacoustic imaging (PAI) is widely applied for small animal imaging in preclinical research. While PAI is a multiscale modality, its translation to clinical research and interventional use remains challenging. The objective of this thesis was to investigate the usefulness of multispectral PAI as a technique for interventional tomographic imaging of blood oxygenation. This thesis presents open challenges alongside research contributions to address them. These contributions are, (1) The design and implementation of an interventional PAI system, (2) Methods for real-time photoacoustic (PA) image processing and quantification of tissue absorption and blood oxygenation, and finally (3) the application of multispectral PAI to translational neurosurgical research – performing the first high spatiotemporal resolution tomography of spreading depolarization, and at the same time the first interventional PAI on any gyrencephalic (folded) brain. Such interventional imaging in neurology is one of many promising fields of application for PAI