Liver Segmentation and its Application to Hepatic Interventions

The thesis addresses the development of an intuitive and accurate liver segmentation approach, its integration into software prototypes for the planning of liver interventions, and research on liver regeneration. The developed liver segmentation approach is based on a combination of the live wire paradigm and shape-based interpolation. Extended with two correction modes and integrated into a user-friendly workflow, the method has been applied to more than 5000 data sets. The combination of the liver segmentation with image analysis of hepatic vessels and tumors allows for the computation of anatomical and functional remnant liver volumes. In several projects with clinical partners world-wide, the benefit of the computer-assisted planning was shown. New insights about the postoperative liver function and regeneration could be gained, and most recent investigations into the analysis of MRI data provide the option to further improve hepatic intervention planning

Enter the matrix:On how to improve thyroid nodule management using 3D ultrasound

Roughly two-thirds of the adult population has a thyroid nodule, of which 90% are benign. Of the adults that have a nodule, approximately 5% will experience symptoms that include a feeling of a marble stuck in the throat, difficulty swallowing and breathing, and cosmetic complaints. Thyroid nodule management primarily makes use of ultrasound as the imaging modality for diagnosis, image guidance during therapy (radiofrequency ablation i.e. RFA), and follow-up. Although ultrasound is relatively easy to apply, it is hard to standardize for repeated measurements and across various users. Further, RFA can benefit from 3D imaging information and a planning and navigation system to improve clinical outcome. These challenges may be overcome by using 3D ultrasound. In this thesis, two phantoms were created on which these methods can be developed. Further, it offers insight into the use of 2D and 3D ultrasound for thyroid nodule management.To assess the impact of changes to an intervention, a baseline was determined of the effectiveness of RFA in Dutch hospitalsUsing a simple phantom, we have shown that utilizing a volume-based measurement technique, that the matrix transducer offers, results in improved measurement accuracy. The more complex, anthropomorphic, phantom serves as a platform on which thermal treatments, such as RFA, can be improved. Using this phantom, we have shown that the impact of 2D and 3D ultrasound on RFA efficacy does not differ from one another; however, the matrix transducer might be more user-friendly for needle placement due to the dual-plane imaging. An additional use case for these phantoms is their capacity to compare dominant and non-dominant hand ablations, as well as serve as a training platform. Additional research is required that employs more operators to find stronger evidence supporting a difference between the ablating hands and the difference in effect of 2D and 3D ultrasound guidance.To make full use of 3D ultrasound, stitching algorithms should be integrated into the ultrasound systems to acquire larger volumes. These can then be processed by deep-learning algorithms for use in computer-aided diagnosis and intervention systems. To further improve the applicability of 3D ultrasound in the clinic, integrating analysis methods such as 3D elastography and 3D Doppler is suggested

Analyse der Lebensqualität von Patienten mit Osteoidosteom vor und nach Behandlung mittels Radiofrequenzablation

Hintergrund: Ziel dieser Arbeit ist es, die Effektivität der Behandlung von Osteoidosteomen (OO) mittels Radiofrequenzablation (RFA) zu untersuchen. Dabei wird insbesondere die Rezidivrate und die Verbesserung der Lebensqualität durch die Reduktion der Schmerzintensität bewertet. Methodik: Retrospektive Analyse von 26 Patienten nach RFA eines OO und prospektive Analyse von 14 Patienten mittels eines selbstentwickelten Lebensqualität-Fragebogens. Es erfolgte die Aufarbeitung des Fragebogens, der elektronischen Patientenakte und der histopathologischen Befunde. Ergebnisse: Durchschnittlich vergangen 22 Monate zwischen erstem Auftreten von Beschwerden und der ursächlichen Therapie mittels RFA. Nach der RFA zeigte sich eine signifikante Reduktion der Schmerzsymptomatik und damit eine Steigerung der Lebensqualität. Unsere Ergebnisse bestätigen, dass die RFA von OO ein sicheres und effizientes Therapieverfahren ist. Diskussion: Um lange konservative Therapieversuche zu vermeiden und Auswirkungen auf das muskuloskeletale System zu vermindern sollte nach Diagnosestellung eine zeitnahe RFA des OO erfolgen

Illuminating the pathway:For image-guided prostate cancer care

The aim of this thesis is to improve the diagnostic pathway for prostate cancer (PCa) and to develop a minimal invasive focal ablative treatment for PCa. In Chapter 2 risk stratification for detection of clinically significant PCa (csPCa) with systematic biopsy in biopsy naive patients with prostate imaging-reporting and data system (PI-RADS) classification ≤2 on pre-biopsy prostate MRI is evaluated, predictors for csPCa are integrated into a novel risk calculator and compared to contemporary risk calculators. Furthermore, in Chapter 3 an optimal biopsy strategy is determined for prostate biopsy patients with a unilateral PI-RADS classification ≥3 on pre-biopsy prostate MRI based on detection rates of csPCa and iPCa using different combinations of MRI-targeted biopsy, ipsilateral and/or contralateral systematic biopsy. Additionally, in Chapter 4 safety and feasibility of needle-based confocal laser endomicroscopy (CLE) for real-time PCa detection is investigated in prostate biopsy patients. In Chapter 5 safety and feasibility and short-term quality of life outcomes of transperineal focal laser ablation (TPLA) for treatment of PCa under local anesthesia in a daycare setting is evaluated. Moreover, in Chapter 6 three-dimensional ablative effects of TPLA for treatment of PCa are visualized on prostate MRI and contrast-enhanced ultrasound (CEUS) and correlated with whole-mount prostate histology after RARP. Finally, in Chapter 7 safety, feasibility and medium-term oncological and functional outcomes of salvage RARP are studied for recurrent localized PCa following initial focal ablative therapy using irreversible electroporation (IRE)

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