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

Vergleichende Visualisierung neurovaskulärer Kompressionssyndrome bei 1,5 und 3,0 Tesla Magnetresonanztomographie

1 Zusammenfassung 1.1 Hintergrund und Ziele Neurovaskuläre Kompressionssyndrome sind pathologische hyperaktive Funktionsstörungen von Nerven, die durch Kompression der Hirnnerven durch Gefäße verursacht werden. Als Kompression bezeichnet man den pathologischen Kontakt von Nerv und Gefäß entlang des Nervenstranges, der sich an verschiedenen Stellen bilden kann. Entscheidend sind nicht nur die Kompression an sich, sondern auch die dauerhaften, pulsatilen Signale des Gefäßes an bestimmten sensiblen Stellen der Nervenstrecke. Bei diesen empfindlichen Regionen handelt es sich um Stellen, die sich meistens hirnstammnah befinden und eine geringe Myelinumhüllung aufweisen. Diese pathologischen Kontakte findet man an der Nervenwurzeleintrittszone, Nervenwurzelaustrittszone und an anderen Stellen. Beteiligt sind meistens die A. vertebralis, die A. basilaris, die A. anterior inferior cerebri, die A. posterior inferior cerebri, die A. posterior cerebelli, und die A. superior cerebelli, aber auch in einigen Fällen Venen, die entlang oder sogar durch die Hirnnerven verlaufen35. Als Folge dieser Kompression entstehen venöse oder arterielle Durchblutungsstörungen oder neurologische Reizerscheinungen. Zu den neurovaskulären Kompressionssyndromen gehören Krankheitsbilder wie die Trigeminusneuralgie, die Glossopharyngeusneuralgie und der Spasmus Hemifazialis. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Unterschieden zwischen 3D-Visualisierungen von 1,5 und 3,0 Tesla Daten für die Darstellung neurovaskulärer Kompressionssyndrome. Hierfür wurden die erstellten Visualisierungen sowohl vor Bearbeitung mit Methoden der Bildverarbeitung als auch danach miteinander verglichen. Die 3D-Visualisierungen wurden bezüglich der Darstellung der neurovaskulären Kompression und der Bildqualität ausgewertet. Es ist die erste Arbeit, die dreidimensionale Visualisierungen von 1,5 und 3,0 Tesla Daten bei Patienten mit neurovaskulären Kompressionssyndromen vergleicht, sowie die Bildverarbeitung und die Bildqualität abhängig vom Auftreten bestimmter Artefakten evaluiert. 1.2 Methoden In dieser Arbeit wurden insgesamt 25 Patienten eingeschlossen, die in der Neurochirurgischen Klinik des Universitätsklinikum Erlangen untersucht wurden (n=19 Trigeminusneuralgie, n=1 Glossopharyngeusneuralgie und n= 5 Spasmus Hemifazialis). Bei allen Patienten erfolgten Magnetresonanztomographie-Messungen mit 1,5 und 3,0 Tesla, wobei die Aufnahmeprotokolle TOF und die stark T2 gewichtete CISS-Sequenz angewendet wurden. Die Bilddaten wurden mittels Methoden der Bildverarbeitung, wie Segmentierung, Registrierung und Fusion bearbeitet, um dreidimensionale Visualisierungen zu erstellen und die pathologischen Kontakte und anatomischen Auffälligkeiten darzustellen. Durch Segmentierung wurden die anatomischen Strukturen voneinander abgegrenzt. Mit Registrierung wurden die Bilddaten so aufeinander abgebildet, so dass sie im nächsten Schritt fusioniert werden konnten. Am Ende erfolgte eine Optimierung, d.h. eine manuelle Verbesserung der Segmentierung. Mit Volumenvisualisierung wurden die dreidimensionalen Darstellungen erstellt, so dass die Ergebnisse von der 1,5 und 3,0 Tesla verglichen werden konnten. Mittels eines Punktevergabesystems wurde die Auswertung der Volumendaten bei 1,5 und 3,0 Tesla durchgeführt. Die erstellten 3D-Visualisierungen wurden sowohl vor, als auch Anwendung der Bildverarbeitung analysiert und verglichen. 1.3 Ergebnisse und Beobachtungen Es hat sich gezeigt, dass sich durch die Fusion der Daten die Beeinträchtigung der 3D-Darstellung durch Flussartefakte vor allem bei den großen Gefäßen signifikant verbessern lässt. Die Optimierung brachte sowohl bei den fusionierten als auch bei den nicht fusionierten Visualisierungen eine vergleichsweise geringfügigere Verbesserung in der Bewertung, eliminierte jedoch die Pulsationsartefakte, was die Bildqualität positiv beeinflusst. Der Vergleich der 3D-Darstellungen ergab, dass mit den 1,5 Tesla Daten bessere Ergebnisse erzielt werden können, wenn nur die CISS-Daten verwendet werden. Wurden jedoch die CISS- und TOF-Daten im Rahmen der Bildverarbeitung fusioniert, kam es bei den 3,0 Tesla Daten zu verbesserten Ergebnissen in der Bewertung, auf Grund der Unterdrückung der Flussartefakte bei den großen Gefäßen. Wurde zusätzlich die Segmentierung der fusionierten Bilddaten manuell optimiert, konnten die verbliebenen Einschränkungen durch die wenigen Pulsationsartefakte vollständig eliminiert werden. Der Vergleich der 3D-Visualisierung von fusionierten und optimierten 1,5 und 3,0 Tesla Daten führte bei den 3,0 Tesla Daten zu den besten Ergebnissen in der Bewertung. Auf Grund einer klareren Wiedergabe von Gefäßen und Nerven war der erforderliche zeitliche Aufwand für die Bildverarbeitung und 3D-Visualisierung bei den 3,0 Tesla Daten geringer als bei den 1,5 Tesla Daten. 1.4 Praktische Schlussfolgerungen Durch den Prozess der Bildverarbeitung und 3D-Visualisierung können hirnstammnahe Beziehungen der Anatomie sauber und detailliert reproduziert werden. Abhängig vom Krankheitsbild und den betroffenen Gefäßen kann die Magnetfeldstärke bestimmt werden, die optimal geeignet ist. Die fusionierten, optimierten 3,0 Tesla 3D-Visualisierungen sind ein ideales Werkzeug, um die anatomischen Zusammenhänge bei neurovaskulären Kompressionssyndromen noch genauer abzubilden und zu verstehen. Die Kompressionssyndrome sind für die Patienten ein sehr belastendes Krankheitsbild. Eine erfolgreiche und komplikationsarme Therapiemöglichkeit ist die operative Behandlung nach Jannetta. Die Erkenntnisse dieser Arbeit sind eine hilfreiche Unterstützung, NVC sicher zu diagnostizieren und die prä- und intraoperativen Planung zu optimieren.2 Summary 2.1 Background and Goals Neurovascular compression syndromes are pathological hyperactive disorders of nerves caused by compression of the cranial nerves of vessels. Compression is the pathological contact of the nerve and the vessel along the nerve cord, which can develop at various points. Crucial are not only the compression itself, but also the permanent, pulsatile signals of the vessel at certain sensitive parts of the nerve path. These sensitive regions are sites that are mostly close to the brain stem and have a low myelin envelope. These pathological contacts are found at the nerve root entry zone, nerve root exit zone and elsewhere. Involved are mostly the A. vertebralis, the A. basilaris, the A. anterior inferior cerebri, the A. posterior inferior cerebri, the A. posterior cerebelli, and the A. superior cerebelli, but also in some cases veins that go along or even through the cranial nerves35. As a result of this compression arise venous or arterial circulatory disorders or neurological irritation. Neurovascular compression syndromes include diseases such as trigeminal neuralgia, glossopharyngeal neuralgia, and spasm hemifacialis. This thesis deals with the differences between 3D visualizations of 1.5 and 3.0 Tesla data for the presentation of neurovascular compression syndromes. For this purpose, the created visualizations were compared with each other before processing with methods of image processing and afterwards. The 3D visualizations were evaluated for the presentation of neurovascular compression and image quality. It is the first work that compares three-dimensional visualizations of 1.5 and 3.0 Tesla data in patients with neurovascular compression syndromes, and evaluates image processing and image quality depending on the appearance of specific artifacts. 2.2 Methods In this work, a total of 25 patients were enrolled in the Department of Neurosurgery of the University Hospital Erlangen (n = 19 trigeminal neuralgia, n = 1 glossopharyngeal neuralgia and n = 5 spasm hemifacialis). All patients underwent magnetic resonance imaging measurements at 1.5 and 3.0 Tesla using the TOF recording protocol and the highly T2 weighted CISS sequence. The image data was processed using image processing techniques such as segmentation, registration and fusion to create three-dimensional visualizations and depict pathological contacts and anatomical abnormalities. By segmentation, the anatomical structures were delineated from each other. With registration, the image data were mapped onto each other so that they could be fused in the next step. In the end, optimization, i.e. manual improvement of the segmentation, was done. With volume visualization, the three-dimensional representations were created so that the results of 1.5 and 3.0 Tesla could be compared. By means of a scoring system, the evaluation of the 3D visualizations at 1.5 and 3.0 Tesla was performed. The generated 3D visualizations were analyzed and compared both before and after using the image processing. 2.3 Results and Observations It has been shown that the impairment of 3D visualization by flow artifacts can be significantly improved by the fusion of the data, especially in the large vessels. Optimization provided a comparatively minor improvement in the score for both fused and unfused visualizations, but eliminated pulsation artifacts, which positively affected image quality. The comparison of the 3D representations showed that with the 1.5 Tesla data, better results can be achieved if only the CISS data is used. However, when the CISS and TOF data were fused as part of image processing, the 3.0 Tesla data showed improved evaluation results due to the suppression of flow artifacts in the large vessels. In addition, if the segmentation of the fused image data was optimized manually, the remaining limitations due to the few pulsation artifacts could be completely eliminated. The comparison of the 3D visualization of fused and optimized 1.5 and 3.0 Tesla data led to the best results in the evaluation of the 3.0 Tesla data. Due to a clearer reproduction of vessels and nerves, the time required for image processing and 3D visualization for the 3.0 Tesla data was lower than for the 1.5 Tesla data. 2.4 Practical Conclusions Through the process of image processing and 3D visualization, brainstem-related anatomical relationships can be reproduced clearly and in detail. Depending on the clinical picture and the affected vessels, the magnetic field strength can be determined, which is optimal. The fused and optimized 3.0 Tesla 3D visualizations are an ideal tool to more accurately map and understand the anatomical relationships in neurovascular compression syndromes. The compression syndromes are a very distressing clinical picture for the patients. A successful and low-complication therapy option is microvascular decompression according to Jannetta. The findings of this work are helpful in helping diagnose NVC safely and optimize pre- and intraoperative planning

Entwicklung einer Plattform zur 3D-Visualisierung und -Segmentierung medizinischer Daten : YaDiV - Yet another Dicom Viewer

[no abstract

Konzeption und Realisierung eines Datenmodells und Interaktionskomponenten für tubuläre Strukturen in MITK

Eine der zentralen Aufgaben der medizinischen Bildverarbeitung ist es, den Arzt durch neue oder verbesserte Methoden zur Diagnostik und Therapieplanung bei medizinischen Entscheidungs- und Behandlungsprozessen zu unterstützen. Für viele Fragestellungen in der Medizin sind Untersuchungen von Gefäÿsystemen oder anderen tubulären Strukturen erforderlich. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzipierung und der Realisierung eines generischen Datenmodells für tubuläre Strukturen. Für die Darstellung dieser Strukturen wurde eine neue Visualisierungsmethode implementiert. Zudem wurden allgemein verwendbare und benutzerfreundliche Interaktionskomponenten entwickelt, die die Exploration, die Modikation, die Attributierung sowie die Analyse der modellierten Systeme ermöglichen

InsideDOG: The Head

This thesis treats the volume segmentation and three-dimensional reconstruction of the CT and dissection image data sets of the „Visible Animal Project“ by means of the VOXEL-MAN-System. In consequence one has here succeeded in producing a volume data based computer model consisting of 779 structures detailing the anatomy of the head of a dog, pro-viding a previously, until now unattainable photorealistic image representation and accuracy of detail. 23 „intelligent animations” (intelligent movies) were calculated and compiled on the basis of this model, available by means of the visualisation program InsideDOG: The Head. The intelligent movies provide the user with the means of seemingly rotating and altering the model freely. Furthermore all segmented structures may be readily identified and accessed by mouse action. The tutorial program provides an ideal supplement to traditional learning and teaching programs, limited as they are in their dimensional representation. The possibilities of visualisation of the three-dimensional animations are clarified and explained by means of specifically selected animations. In addition to the calculation and measuring of intelligent movies the model also provides a means of compiling anatomical pictures and drawings for textbooks, atlases and other multi-media tutorial systems. This simulation of examination methods and surgical procedures provides also the possibility of being employed in scientific and clinical realms.In dieser Arbeit wurden Teilvolumina des CT- und Schnittbilddatensatzes des „Visible Animal Project“ mit dem VOXEL-MAN-System segmentiert und dreidimensional rekonstruiert. Im Ergebnis ist es gelungen ein 779 Strukturen umfassendes volumenbasiertes Computermodell eines Hundekopfes zu erstellen, das eine bisher unerreichte photorealistische Darstellung und Detailtreue bietet. Auf Basis dieses Modells wurden 23 „intelligente Animationen“ (Intelligent Movies) berechnet, die in Form des Visualisierungsprogramms InsideDOG: The Head zur Verfügung stehen. Die Intelligent Movies ermöglichen es dem Anwender das Modell scheinbar frei zu drehen bzw. zu verändern. Des weiteren können alle segmentierten Strukturen mittels Mausaktion identifiziert werden. Das Lernprogramm ist eine ideale Ergänzung zu den traditionellen Lehr- und Lernformen, wo diese in der Möglichkeit der räumlichen Darstellung eingeschränkt sind. Die Visualisierungsmöglichkeiten der dreidimensionalen Animationen werden anhand ausgewählter Animationen verdeutlicht. Neben der Berechnung von Intelligent Movies ermöglicht das Modell auch die Gestaltung von Bildern für Lehrbücher, Atlanten oder andere multimediale Systeme. Im wissenschaftlichen und klinischen Bereich stellt die Simulation von Untersuchungsmethoden und chirurgischen Eingriffen einen weiteren möglichen Einsatzbereich dar

Computer-assistierte Laparoskopie mit fluoreszierenden Markern

In der Medizin und insbesondere in der Urologie werden minimalinvasive laparoskopische Eingriffe immer häufiger durchgeführt, da sie schonender für die Patientinnen und Patienten sind. Durch die Verwendung eines Laparoskops wird die Orientierung und Navigation der chirurgischen Instrumente jedoch erschwert, da kein direkter Blick auf die Operationsszene möglich und das Sichtfeld eingeschränkt ist. Außerdem entfällt der Tastsinn. Die Lage relevanter Strukturen muss von den präoperativen Daten durch Erfahrung und Vorstellungskraft der Chirurginnen und Chirurgen auf das Laparoskopbild übertragen werden. Durch Methoden der erweiterten Realität (Augmented Reality, AR) können zusätzlich präoperative Daten im Laparoskopbild eingeblendet werden. Somit wird die intraoperative Orientierung erleichtert. Dazu muss eine geometrische Transformation zwischen den präoperativen Daten und dem Laparoskopbild gefunden werden – dieser Vorgang wird als Registrierung der Daten bezeichnet. In der Laparoskopie werden AR-Systeme allerdings noch nicht im klinischen Alltag eingesetzt, da bislang alle Ansätze zur intraoperativen Registrierung in der Laparoskopie nur sehr aufwändig in den Arbeitsablauf zu integrieren sind, die Ergebnisse nicht in Echtzeit angezeigt werden können oder die Registrierung während einer Operation nur unzuverlässig funktioniert. Das Ziel dieser Doktorarbeit war die Entwicklung eines Ansatzes zur robusten intraoperativen Registrierung in der Laparoskopie. Dazu wurde erstmalig ein auf nahinfraroter (NIR) Fluoreszenz basierendes Registrierungsverfahren entwickelt und angewandt. Dieser neue Ansatz ist deutlich robuster bei Verdeckung durch Rauch, Blut und Gewebe, ist echtzeitfähig und bietet zusätzlich die Chance auf eine sehr einfache Integration in den medizinischen Arbeitsablauf. Umsetzungsmöglichkeiten dieses neuen Konzepts wurden sowohl für die partielle Nephrektomie als auch für die Prostatektomie untersucht. Für die partielle Nephrektomie wurden fluoreszierende Marker aus Indocyaningrün (ICG) und einem Kontrastmittel für die Computertomografie (CT) entwickelt, die auf einem Organ mit einem Gewebeklebstoff angebracht und deren Positionen relativ zu den Organen durch CT-Aufnahmen bestimmt werden können. Durch eine 2D/3D-Registrierung können so die CT-Daten im Laparoskopbild eingeblendet werden. In mehreren Ex-vivo-Versuchen wurde die Machbarkeit und Genauigkeit des Registrierungsverfahrens mit diesen Markern gezeigt. Die Marker sind durch ihr NIR Fluoreszenzsignal herkömmlichen Nadelmarkern zur Registrierung deutlich überlegen, wenn diese von Rauch, Blut oder Gewebe verdeckt sind. Mit Nadelmarkern konnten beispielsweise bei Verdeckung durch Rauch nur 83% der Laparoskopbilder erfolgreich registriert werden, unter Blut konnten sie nur in bis zu 5% der Fälle und bei Verdeckung durch Gewebe konnten die Nadelmarker gar nicht detektiert werden. Bei Verwendung von fluoreszierenden Markern stieg dieser Anteil je nach Stärke der Verdeckung auf mindestens 88% bei Verdeckung durch Blut, 93% bei Verdeckung durch Gewebe und er betrug immer 100%, wenn sich Rauch im Sichtfeld des Laparoskops befand. Des Weiteren wurde die Anordnung der Marker in Computersimulationen untersucht, um den Einfluss der Markerpositionen zueinander und relativ zum Laparoskop zu analysieren. Es stellte sich heraus, dass für eine erfolgreiche Registrierung ein Mindestabstand vom Laparoskop zu den Markern eingehalten werden sollte. In Tierversuchen wurden erstmals fluoreszierende Marker zur Registrierung in vivo eingesetzt und die Robustheit dieser Marker gezeigt. Der Registrierungsfehler betrug im Durchschnitt nur 3 bis 12 Pixel, auch das überlagerte CT-Bild passte sehr gut zum dazugehörigen Laparoskopbild. Dabei zeigte sich, dass sich die Marker sehr gut zur Registrierung eignen und auch gegenüber Kamerabewegungen und Verdeckung durch Rauch, Blut oder Gewebe robust sind. Für die Prostatektomie wurde ein Ansatz entwickelt, bei dem eine fluoreszierende Variante des Farbstoffes 68Ga-PSMA-11 verwendet werden soll, die an den PSMA-Rezeptor bindet und dadurch in stark erhöhter Konzentration in Prostatakrebszellen vorkommt. So können unter anderem auch von Prostatakrebszellen befallene Lymphknoten mittels Fluoreszenz sichtbar gemacht und zur Registrierung genutzt werden. Die Herausforderungen und Anforderungen an dieses Konzept für die klinische Umsetzung wurden ausführlich diskutiert: Es sollte sich ohne großen Mehraufwand in den klinischen Arbeitsablauf integrieren lassen und kann zusätzlich die Strahlenbelastung für das medizinische Personal im Vergleich zu anderen Methoden reduzieren. Beide Anwendungen, die in dieser Doktorarbeit vorgestellt wurden, haben ein großes Potenzial für eine klinische Anwendung. Es gibt allerdings noch Hürden, die bis zum klinischen Transfer überwunden werden müssen, wie beispielsweise die Zulassung der Marker, das Anpassen der Registrierungssoftware an die Verteilung der befallenen Lymphknoten im Patienten oder die Berücksichtigung von Deformierungen. Bei den Ex- und In-vivo-Anwendungen zeigte sich, dass sich das vorgestellte Konzept basierend auf fluoreszierenden Markern für eine akkurate intraoperative Registrierung in Echtzeit eignet und dieses Verfahren wegen der erhöhten Robustheit durch NIR Fluoreszenz die Nachteile von herkömmlichen Registrierungsmethoden überwindet. Der nächste wichtige Schritt ist nun die Zulassung eines geeigneten Markers, damit dieses System an Patientinnen und Patienten eingesetzt werden kann und dadurch die intraoperative Orientierung und die Identifizierung relevanter Strukturen im Laparoskopbild erleichtert wird. So bietet sich die Chance, laparoskopische Einsätze für den Chirurgen oder die Chirurgin einfacher zu gestalten und gleichzeitig die Heilungschancen der Patientinnen und Patienten zu verbessern

Computergestützte 3D-Visualisierung histologischer Schnittbildserien am Beispiel des bovinen Mesonephros

Der rechte Mesonephros, sein Ductus mesonephricus sowie drei Tubuli eines bovinen Embryo mit 35 mm SSL wurden aus 902 histologischen Einzelbildern am Computer rekonstruiert. Zur Verwendung kam die kommerzielle Software „Amira“. Die Arbeit wurde über einen Remote-Zugang auf den Rechensystemen des Leibniz-Rechenzentrums in Garching bei München durchgeführt. Die Schwierigkeiten und Grenzen der computergestützten Visualisierung aus kon¬ventionellen Schnittbildserien konnten gezeigt werden. Das Vorgehen mit physi¬kalischen Schnitten brachte vor allem Probleme beim Ausrichten der Schnitte sowie beim Zuordnen von Bildpunkten zu Strukturen mit sich. Bei der bearbeite¬ten histologischen Serie handelte es sich um archivierte Bilder. Diese waren zum Zeitpunkt ihrer Herstellung nicht zum Zwecke der Bearbeitung an einem PC be¬stimmt und daher nicht mit Markersystemen zur besseren Reorientierung aus¬gestattet. Konventionelle Schnittbildserien komplizierter Strukturen können also als Ausgangsdaten zur digitalen Weiterverarbeitung als nicht optimal bezeichnet werden. Im Ergebnis konnten jedoch mit größtenteils zeitaufwendigen, händi¬schen Verfahren dank der sehr guten Hardware-Performance befriedigende Er¬gebnisse erzielt werden. Diese bestätigten größtenteils die bisherigen Beschreibungen des Mesonephros. Hinweise auf einen kraniokaudalen Gradienten in der Entwicklung und Degene¬ration konnte ebenso gezeigt werden wie grundsätzliche morphologische Bezie¬hungen. Ein Nephron besteht aus dem medial gelegenen Glomerulum, dem ge¬streckten proximalen Tubulus und einem stark gewundenen, distalen Tubulus mit attachment-Zone in direkter Nachbarschaft zum Glomerulum. Ein unmittelbar unter der Organkapsel verlaufender, kollektiver Abschnitt mündet schließlich in den Wolffschen Gang. Die Stellung der Nephrone ist segmentübergreifend und nahezu senkrecht zum Verlauf des Wolffschen Gangs. Der mit der Visualisierung der Schnittbildserie verbundene hohe Zeitaufwand sowie die Notwendigkeit ständiger manueller Kontrolle zeigt deutlich, dass bis zum routinemäßigen Einsatz dreidimensionaler Techniken im lichtmikroskopi¬schen Forschungsbereich noch großer Handlungsbedarf besteht. 3D-Modelle sind in der Lage, Wissenschaftlern neue Einblicke und Zugänge zu gewähren sowie Studierenden den Lernstoff auf anschauliche Art und Weise zu vermitteln. Der Aufwand zu ihrer Herstellung muss jedoch in einem sinnvollen Verhältnis zu ihrem Nutzen stehen.Computer-based 3D visualisation of histological serial sections using the example of the bovine mesonephros A mesonephros, its Wolffian duct and three of its tubuli of a bovine embryo measuring 35 mm CRL have been reconstructed out of 902 histological slices on a computer platform using the commercial visualisation software “Amira”. Main work has been done using a remote-access to the systems of the Leibniz-Rechenzentrum in Garching near Munich. Difficulties and limits of computer-based visualisation of conventional serial slices could be shown. Proceeding with physical sections lead to problems in alignment and labelling. The series used was an archived one that hasn´t been prepared for modern digital techniques and so has not been provided with any marker-systems. Thus, conventional se¬rial thin sections of complicated structures are not optimal for creating visualisa¬tions. However, satisfying results could be achieved by the use of time-consum¬ing manual work and thanks to the excellent hardware performance. These results mostly confirmed former descriptions of the mesonephros. There were signs that development and degeneration proceed in a craniocaudal direc¬tion. One nephron consists of the glomerulum situated medially, a straight proxi¬mal tubule and a highly contorted distal tubule with the attachment-zone next to the glomerulum. The collecting tubule runs directly subcapsular and empties into the Wolffian duct. The position of the nephrons reaches across multiple seg¬ments and is nearly perpendicular to the Wolffian duct. The time needed for operations and the need of permanent manual interactions clearly shows the necessity of progress in three-dimensional visualisation of light microscopical data to make it easy and fast enough for routine use. 3D-models are able to provide new insights to scientists and a more interactive way of learning for students. But efforts in achieving them must remain in reasonable relation to their value

Entwicklung eines service-orientierten und workflow-basierten Verfahrens zur automatisierten patientenübergreifenden Analyse von radioonkologischen Bild- und Bestrahlungsplanungsdaten

Einleitung Retrospektive Auswertungen klinischer Routinedaten gewinnen zunehmend an Bedeutung in der Strahlentherapie. Daher werden in der Strahlentherapie vermehrt Forschungsdatenbanken für die Zusammenführung der häufig stark verteilten heterogenen Daten aufgebaut. Die Zusammenführung der Daten ist jedoch nur der erste Schritt in Rich- tung Forschung. Die eigentliche Herausforderung besteht in der Analyse dieser heterogenen Daten. Es müssen Methoden entwickelt werden, um Bilddaten in die datenbankbasier- ten Analysen miteinzubeziehen. Retrospektive Analysen werden in der Radioonkologie überwiegend manuell durchgeführt. Daher spielen die Automatisierung und moderne Analysetechniken eine immer wichtigere Rolle. Fragestellung Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist die Zusammenführung von hetero- genen, verteilten radioonkologischen Daten mit verschiedenen radioonkologischen Analy- setools zur Vereinfachung und Automatisierung von patientenübergreifenden bildbasierten retrospektiven Auswertungen in der Strahlentherapie. Zum Erreichen dieser Zielsetzung sollen im Rahmen dieser Arbeit eine zentrale radioonkologische Forschungsdatenbank und eine service-orientierte workflow-basierte Analyseplattform implementiert werden. An- schließend soll anhand verschiedener radioonkologischer Fragestellungen gezeigt werden, dass mit Hilfe dieser beiden Plattformen patientenübergreifende Analysen von Bild- und Bestrahlungsplanungsdaten automatisiert durchgeführt und dadurch vereinheitlicht und vereinfacht werden können. Ergebnisse Das erste Ziel war der Aufbau einer zentralen radioonkologischen Forschungs- plattform. Im Rahmen eines europäischen Forschungsprojekts wurde zunächst eine zen- trales Studiendokumentationssystem für die Partikeltherapie eingeführt, das nach Ende des Projekts zur zentralen radioonkologischen Forschungsdatenbank der Radioonkologie Heidelberg ausgebaut wurde. In der zentralen Forschungsdatenbank werden alle relevan- ten Daten inklusive Bild- und Bestrahlungsplanungsdaten aus verschiedensten klinischen Informationssystemen automatisiert zusammengeführt und durch ein Dokumentationsteam vervollständigt, um sie Klinikern und Wissenschaftlern für wissenschaftliche Auswertungen zur Verfügung stellen zu können. Das zweite Ziel war die Implementierung einer service-orientierten workflow-basierten Analyseplattform. Die Analyseplattform wurde auf Basis von existierenden Analysetools, die als Web Services zur Verfügung gestellt wurden, und unter Einsatz eines Workflow Management Systems realisiert und an die zentrale Forschungsdatenbank angebunden. Dadurch können kombinierte Analysen von radioonkologischen Bild- und Bestrahlungspla- nungsdaten sowie klinischen Daten automatisiert und standardisiert durchgeführt werden. Das dritte Ziel war der Nachweis der Machbarkeit solcher automatisierten Auswertungen im Rahmen eines Proof-of-Concept-Projekts. Hierzu wurde eine typische radioonkologi- sche Beispielfragestellung ausgewählt und realisiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der Forschungsdatenbank und Analyseplattform eine vollständig automatisierte Rezidivanalyse bei Partikeltherapie-Patienten mit einem Gliom durchgeführt werden kann. Das vierte Ziel waren der Einsatz und die Weiterentwicklung der Forschungsdatenbank und Analyseplattform im Rahmen von drei realen radioonkologischen Forschungsprojekten. Im ersten Projekt konnte gezeigt werden, dass eine patientenübergreifende Dosis-Volumen- Analyse mit Hilfe der Analyseplattform auch für größere Patientenkollektive durchgeführt werden kann. Im zweiten und dritten Projekt konnte gezeigt werden, dass Planvergleichs- studien von zwei bzw. drei verschiedenen Bestrahlungstechniken patientenübergreifend automatisiert und standardisiert durchgeführt werden können. Diskussion Durch den Einsatz einer Forschungsdatenbank als zentrale Datenquelle wird der Zugriff auf klinische Daten vereinfacht und retrospektive Auswertungen können we- sentlich einfacher durchgeführt werden. Von technischer Seite konnte gezeigt werden, dass service-orientierte Technologien auch im Bereich der Bilddatenanalyse der Radioonkologie genutzt werden können. Aufgrund der modularen und standardisierten Systemarchitektur ist der in dieser Arbeit vorgestellte service-orientierte Ansatz erweiterbar und auf beliebige medizinische Bereiche wie z.B. die Radiologie oder Onkologie im Allgemeinen aber auch andere medizinische Fachbereiche übertragbar. Es konnte aber auch gezeigt werden, dass die Hoffnung, durch sorgfältige Analysen kli- nischer Routinedaten neue Erkenntnisse zu gewinnen, durch die klinischen Realitäten begrenzt sind. Aus verschiedensten Gründen kann es schwierig sein, auch aus einer großen Datenbasis eine ausreichende Anzahl von Fällen zu extrahieren, um darauf aufbauend statistisch signifikante Auswertungen durchführen zu können. Diese Erkenntnis sollte in Zukunft das Bewusstsein schärfen, wie wichtig eine lückenlose Erfassung der Daten ist. Service-orientierte und workflow-basierte Ansätze werden bisher überwiegend im Bereich der Bioinformatik verwendet, um wissenschaftliche Auswertungen automatisiert durch- führen zu können. Es gibt jedoch auch erste Bestrebungen, diese Ansätze auch für die Analyse von medizinischen Bilddaten zu verwenden, bisher jedoch nicht im Bereich der Strahlentherapie. Darüber hinaus ist die Anbindung einer Forschungsdatenbank als zentrale Datenquelle und zugleich Wissensbasis ebenfalls noch neu. Schlussfolgerung Insgesamt werden retrospektive Analysen von umfangreichen hetero- genen Datenbeständen in der Radioonkologie durch die im Rahmen dieser Arbeit ent- wickelte service-orientierte workflow-basierte Analyseplattform in Kombination mit der zentralen radioonkologischen Forschungsdatenbank wesentlich einfacher, da sowohl die Datenbeschaffung als auch die Datenanalyse automatisiert und zentralisiert und damit vereinheitlicht werden. In dieser Arbeit wurde eine System geschaffen, mit dem es möglich ist, automatisiert und effizient radioonkologische Daten zu analysieren. Dadurch sinkt der Aufwand für solche Auswertungen drastisch. Somit ist die retrospektive Auswertung umfangreicher radioonkologischer Routinedatenbestände ein Stück näher gerückt und aufwendige Plan- vergleichsstudien können effizienter durchgeführt werden. Dadurch kann die klassische evidenzbasierte Radioonkologie langfristig durch die retrospektive Analyse umfangreicher radioonkologischer Datenbestände unterstützt werden