Preoperative Volume Determination for Pituitary Adenoma

The most common sellar lesion is the pituitary adenoma, and sellar tumors are approximately 10-15% of all intracranial neoplasms. Manual slice-by-slice segmentation takes quite some time that can be reduced by using the appropriate algorithms. In this contribution, we present a segmentation method for pituitary adenoma. The method is based on an algorithm that we have applied recently to segmenting glioblastoma multiforme. A modification of this scheme is used for adenoma segmentation that is much harder to perform, due to lack of contrast-enhanced boundaries. In our experimental evaluation, neurosurgeons performed manual slice-by-slice segmentation of ten magnetic resonance imaging (MRI) cases. The segmentations were compared to the segmentation results of the proposed method using the Dice Similarity Coefficient (DSC). The average DSC for all datasets was 75.92% +/- 7.24%. A manual segmentation took about four minutes and our algorithm required about one second.Comment: 7 pages, 6 figures, 1 table, 16 references in Proc. SPIE 7963, Medical Imaging 2011: Computer-Aided Diagnosis, 79632T (9 March 2011). arXiv admin note: text overlap with arXiv:1103.177

Template-Cut: A Pattern-Based Segmentation Paradigm

We present a scale-invariant, template-based segmentation paradigm that sets up a graph and performs a graph cut to separate an object from the background. Typically graph-based schemes distribute the nodes of the graph uniformly and equidistantly on the image, and use a regularizer to bias the cut towards a particular shape. The strategy of uniform and equidistant nodes does not allow the cut to prefer more complex structures, especially when areas of the object are indistinguishable from the background. We propose a solution by introducing the concept of a "template shape" of the target object in which the nodes are sampled non-uniformly and non-equidistantly on the image. We evaluate it on 2D-images where the object's textures and backgrounds are similar, and large areas of the object have the same gray level appearance as the background. We also evaluate it in 3D on 60 brain tumor datasets for neurosurgical planning purposes.Comment: 8 pages, 6 figures, 3 tables, 6 equations, 51 reference

GBM Volumetry using the 3D Slicer Medical Image Computing Platform

Volumetric change in glioblastoma multiforme (GBM) over time is a critical factor in treatment decisions. Typically, the tumor volume is computed on a slice-by-slice basis using MRI scans obtained at regular intervals. (3D)Slicer – a free platform for biomedical research – provides an alternative to this manual slice-by-slice segmentation process, which is significantly faster and requires less user interaction. In this study, 4 physicians segmented GBMs in 10 patients, once using the competitive region-growing based GrowCut segmentation module of Slicer, and once purely by drawing boundaries completely manually on a slice-by-slice basis. Furthermore, we provide a variability analysis for three physicians for 12 GBMs. The time required for GrowCut segmentation was on an average 61% of the time required for a pure manual segmentation. A comparison of Slicer-based segmentation with manual slice-by-slice segmentation resulted in a Dice Similarity Coefficient of 88.43 ± 5.23% and a Hausdorff Distance of 2.32 ± 5.23 mm

Intraoperative Visualisierung multimodaler Daten in der Neurochirurgie

Die Neurochirurgie als medizinisches Fachgebiet befasst sich mit der Erkennung und der (operativen) Behandlung von Pathologien des zentralen und peripheren Nervensystems. Dazu gehören unter anderem die operative Entfernung (Resektion) von Gehirntumoren und das Einsetzen von Neurostimulatoren bei Parkinson-patienten. In dieser Arbeit werden Beiträge zur computergestützten Behandlung von zerebralen Erkrankungen – Tumoren, Aneurysmen und Bewegungsstörungen – geleistet. Bei operativen Eingriffen zur Behandlung dieser zerebralen Erkrankungen muss eine exakte Planung vor der Operation erfolgen. Für die Volumen-bestimmung von zerebralen Erkrankungen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein graphbasierter Segmentierungsalgorithmus für kugelförmige und elliptische Objekte entwickelt. Außerdem ist ein effizienter geometrischer Ansatz für die präoperative Planung von Zugangswegen bei der tiefen Hirnstimulation ausgearbeitet worden. Weiterhin wurde der Workflow zur multimodalen Integration von Stoffwechselvorgängen – erzeugt mit Hilfe der 3 Tesla Protonen MR-Spektroskopie (1H-MRS) – in ein neurochirurgisches Navigationssystem realisiert. Alle Verfahren werden in der vorliegenden Arbeit im Detail vorgestellt und anhand von Patientendaten evaluiert. Außerdem werden die klinischen Prototypen präsentiert, die auf den Verfahren aufbauen

Pituitary Adenoma Volumetry with 3D Slicer

In this study, we present pituitary adenoma volumetry using the free and open source medical image computing platform for biomedical research: (3D) Slicer. Volumetric changes in cerebral pathologies like pituitary adenomas are a critical factor in treatment decisions by physicians and in general the volume is acquired manually. Therefore, manual slice-by-slice segmentations in magnetic resonance imaging (MRI) data, which have been obtained at regular intervals, are performed. In contrast to this manual time consuming slice-by-slice segmentation process Slicer is an alternative which can be significantly faster and less user intensive. In this contribution, we compare pure manual segmentations of ten pituitary adenomas with semi-automatic segmentations under Slicer. Thus, physicians drew the boundaries completely manually on a slice-by-slice basis and performed a Slicer-enhanced segmentation using the competitive region-growing based module of Slicer named GrowCut. Results showed that the time and user effort required for GrowCut-based segmentations were on average about thirty percent less than the pure manual segmentations. Furthermore, we calculated the Dice Similarity Coefficient (DSC) between the manual and the Slicer-based segmentations to proof that the two are comparable yielding an average DSC of 81.97±3.39%

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