The Estimation and Correction of Rigid Motion in Helical Computed Tomography

X-ray CT is a tomographic imaging tool used in medicine and industry. Although technological developments have significantly improved the performance of CT systems, the accuracy of images produced by state-of-the-art scanners is still often limited by artefacts due to object motion. To tackle this problem, a number of motion estimation and compensation methods have been proposed. However, no methods with the demonstrated ability to correct for rigid motion in helical CT scans appear to exist. The primary aims of this thesis were to develop and evaluate effective methods for the estimation and correction of arbitrary six degree-of-freedom rigid motion in helical CT. As a first step, a method was developed to accurately estimate object motion during CT scanning with an optical tracking system, which provided sub-millimetre positional accuracy. Subsequently a motion correction method, which is analogous to a method previously developed for SPECT, was adapted to CT. The principle is to restore projection consistency by modifying the source-detector orbit in response to the measured object motion and reconstruct from the modified orbit with an iterative reconstruction algorithm. The feasibility of this method was demonstrated with a rapidly moving brain phantom, and the efficacy of correcting for a range of human head motions acquired from healthy volunteers was evaluated in simulations. The methods developed were found to provide accurate and artefact-free motion corrected images with most types of head motion likely to be encountered in clinical CT imaging, provided that the motion was accurately known. The method was also applied to CT data acquired on a hybrid PET/CT scanner demonstrating its versatility. Its clinical value may be significant by reducing the need for repeat scans (and repeat radiation doses), anesthesia and sedation in patient groups prone to motion, including young children

Proceedings of the fifth international workshop on Mathematical Foundations of Computational Anatomy (MFCA 2015)

International audienceComputational anatomy is an emerging discipline at the interface of geometry, statistics and image analysis which aims at modeling and analyzing the biological shape of tissues and organs. The goal is to estimate representative organ anatomies across diseases, populations, species or ages, to model the organ development across time (growth or aging), to establish their variability, and to correlate this variability information with other functional, genetic or structural information.The Mathematical Foundations of Computational Anatomy (MFCA) workshop aims at fostering the interactions between the mathematical community around shapes and the MICCAI community in view of computational anatomy applications. It targets more particularly researchers investigating the combination of statistical and geometrical aspects in the modeling of the variability of biological shapes. The workshop is a forum for the exchange of the theoretical ideas and aims at being a source of inspiration for new methodological developments in computational anatomy. A special emphasis is put on theoretical developments, applications and results being welcomed as illustrations.Following the first edition of this workshop in 20061, the second edition in New-York in 20082, the third edition in Toronto in 20113, the forth edition in Nagoya Japan on September 22 20134, the fifth edition was held in Munich on October 9 20155.Contributions were solicited in Riemannian, sub-Riemannian and group theoretical methods, advanced statistics on deformations and shapes, metrics for computational anatomy, statistics of surfaces, time-evolving geometric processes, stratified spaces, optimal transport, approximation methods in statistical learning and related subjects. Among the submitted papers, 14 were selected andorganized in 4 oral sessions

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