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

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

Simulation von Herzkatheterinterventionen bei Kleinkindern

Interventionelle Verfahren stellen seit vielen Jahren ein stetig wachsendes Gebiet in der Therapie angeborener Herzfehler dar. Dennoch existiert bis heute ein Mangel an adäquaten Ausbildungsmethoden um junge Mediziner erfolgreich und risikoarm an die Verwendung dieser Therapien heranzuführen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Simulationsumgebung zum Training von Herzkatheterinterventionen bei Kleinkindern. Neue Lösungsmöglichkeiten für die physikalische Simulation medizinischer Instrumente (Katheter) im Zusammenspiel mit dem schlagendem Herzen werden vorgestellt. Der gezeigte Ansatz kombiniert hohe Geschwindigkeit in der Berechnung mit einer realistischen Bewegungssimulation und kann unabhängig von Topologie und Form umliegender Gefäße angewandt werden ohne dabei zugunsten der Performanz auf Freiheitsgrade verzichten zu müssen. Der präsentierte Ansatz basiert auf einem quasistatischen Modell und einer effizienten Energieminimierung. Ein Verfahren zur Deformation des schlagenden Herzens mittels einer in Echtzeit berechenbaren pseudoinversen Free Form Deformation Technik wird gezeigt und besprochen. Weiterhin wird ein schnelles, deskriptives Simulationsverfahren für Kontrastmittelfluss vorgestellt, sowie eine Vielzahl grafischer Verfahren zur Nachbildung realistischanmutender Bildgebungsverfahren implementiert und ausgewertet. Es wird im Rahmen dieser Arbeit mittels eines voll funktionsfähigen Prototypen gezeigt, dass mit heutigen Rechnern eine vollständig realistische Simulation von Herzkathetereingriffen bei Kleinkindern möglich ist

Morphometrische Analyse der Kieferbezahnung fossiler wie rezenter carcharhinider Selachier: Morphometrische Analyse der Kieferbezahnungfossiler wie rezenter carcharhiniderSelachier

Die morphologische Variabilität dentaler Strukturen, bei Haien der Familie der Carcharhinidae, ist sowohl innerhalb als auch zwischen den Arten unzureichend erforscht. Ohne Kenntnis der artspezifischen Parameter ist eine genaue taxonomische Klassifizierung von fossilen Haien anhand der Zähne jedoch unmöglich. Die umfassende Analyse der dentalen Strukturen rezenter carcharhinider Haie nach artspezifischen Merkmalen wurde genutzt, um die Ergebnisse auf die nächsten fossilen Verwandten zu übertragen. Besonderes Augenmerk galt darüber hinaus dem morphologischen Vergleich fossiler Zähne westatlantischer und zentralasiatischer Herkunft. Es wurde ein morphometrisches Analyseverfahren entwickelt, dass entgegen bestehender Methoden, gänzlich auf manuelle Datengewinnung verzichtet. Für die neue Methode der automatisierten algorithmischen Morphometrie (AAM) wurden erstmals, anhand von 2340 Einzelzähnen von 112 Individuen aus 41 Arten rezenter Carcharhinidae, die wesentlichen artspezifischen Merkmalskomplexe definiert und in ein Analyseprogramm samt Datenbank übertragen. Die Einzeluntersuchung der einzelnen Spezies nach Gesichtspunkten ontogenetischer, sexueller bzw. mono-/dignather Heterodontie sowie intra- und interspezifischer Varianz der Zahnmorphologie zeigte, dass carcharhinide Haie allein mit Hilfe zahnmorphologischer Merkmale identifiziert werden können und diese Merkmale für systematische Zwecke geeignet sind. Der Erfolg der systematischen Zuordnung steht aber in direkter Abhängigkeit zur Zahnposition und zur betrachteten Spezies. Der Einfluss der Heterodontie auf die taxonomische Aussagekraft ist mitunter enorm, so dass die Eindeutigkeit der taxonomischen Klassifizierung stark begrenzt wird. Es existiert eine enorme Bandbreite an morphologischen Überschneidungen und Durchdringungen, sowohl innerhalb der Arten als auch art- bzw. gattungsübergreifend. Beim Vergleich allein anhand einzelner Zähne, sowohl fossiler als auch rezenter Herkunft, ist es in vielen Fällen nicht feststellbar, ob noch innerartliche Varianz oder bereits artliche Differenz vorliegt. Aus den Erkenntnissen der morphometrischen Analyse und deren Übertragung auf die fossilen Belege, ergab sich die Notwendigkeit, fossile Zähne carcharhinider Haie zukünftig, neben dem bestehenden deskriptiven Verfahren der Taxonomie, zusätzlich funktionsmorphologisch zu beurteilen. Dazu wurden erstmals sechs funktionsmorphologische Gruppen definiert, mit deren Hilfe vor allem ökologische Schlussfolgerungen bei der Bewertung fossiler Zähne möglich sind.The morphological variability of dental structures within the different species as well as between the species of sharks belonging to the family of the Carcharhinidae is insufficient investigated. Without knowledge of the species specific parameter the precise taxonomic classification based on the teeth morphology of fossil sharks is kind of impossible. The comprehensive analysis of dental structures of extant carcharhinid sharks was used to transfer the results to their next extinct relatives. Special attention was focused on the comparison between fossil teeth of populations with westatlantic and centralasiatic origin. A morphometric analysis program was established, that is in contrast to traditional methods not based on manual data collection. With the new method of automatic algorithmic morphometry (AAM) the essential species specific attribut complexes were defined for the first time by using the morphological data of 2340 single tooth from 112 individuals from 41 species of extant carcharhinid sharks and transfered to an appropriate new analysis program including all datasets in one database. Individual studies for each single species in aspects like ontogenetic, sexual, mono- and dignatic heterodondity as well as intra- and interspecific variance in tooth morphology proved the possibility to identify carcharhinid sharks just by their teeth and that these attributes can be used for systematic purposes. The effectiveness of the systematic classification stands in direct dependence to tooth position and investigated species. The heterodondity influence for the taxonomic significance is quite high and limiting the taxonomic classification. An enormous bandwith in morphological overlapping and interpenetration is existing as well as within the species but also between species respectively across genus. The comparison based on single teeth with both fossil and extant origin, makes it in many cases impossible to differentiate between intraspecific variance and already existing specific difference. From the new insight to morphological differentiation based on the morphometric analysis (AAM) established in this work and the tranfer from this informations to fossil samples the need for different view to fossil teeth of carcharhinid sharks was obvious. Beside the traditional descriptive procedure of taxonomy a method based on functional morphology is need to better reassess fossil carcharhinid shark teeth. Therefor six functional morphological groups where defined for the first time especially for paleoecological conclusions in the assessment of fossil teeth