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

Fetale Herzvolumina - eine Evaluation mittels 3D Echokardiographie

Diese klinische Studie befasst sich mit der Evaluation fetaler Herzvolumina mittels 3D Echokardiographie. Ziel war es mittels der 3D Volumetrie des fetalen Herzens Normalwerte der Herzzeitvolumina zu ermitteln, die Praktikabilität der Methode im klinischen Alltag zu evaluieren und die anhand eines ausreichend großen Normalkollektivs ermittelten Werte in Relation zu den publizierten Werten zu stellen. Die Daten in der vorliegenden Arbeit wurden wie 2001 von Meyer-Wittkopf beschrieben und etabliert echokardiographisch erhoben, indem das herkömmliche Ultraschallgerät mit der 3D Smart-Scan Workstation von TomTech Imaging Systems kombiniert wurde. Zunächst wurde mittels CTG oder Doppler die fetale Herzfrequenz bestimmt, um diese in die Voreinstellung der Software übernehmen zu können. Damit wurde das Gating gewährleistet. Mit der free-hand Technik erfolgte eine fächerförmige Schwenkbewegung des Schallkopfes vom Vierkammerblick bis zu den großen Gefäßen und damit die Datenaufnahme, welche in der Rechnereinheit gespeichert wurde. Im Anschluss konnte der 3D Datensatz offline mittels Planimetrie und Scheibchensummationsmethode vermessen werden. Als Besonderheit wurden bei der Auswertung alle in die Ventrikel ragenden Strukturen ausgespart, um eine genauere Aussage über das tatsächliche Ventrikelvolumen machen zu können. So wurden die Herzvolumina von 131 gesunden Feten als 3D Datensatz gespeichert. Bei einer Gesamtzahl von 188 untersuchten Feten konnte eine gute Praktikabilität gezeigt werden, da die offline Auswertung des 3D Datensatzes unproblematisch und nach kurzer Einarbeitung zuverlässig durchgeführt werden konnte. Die Datenaufnahme und anschließende Auswertung war mit 20 bis 45 Minuten zeitintensiv. Wartezeiten und lange Speichervorgänge verzögerten den Untersuchungsablauf. Die Methode war aber gut geeignet für die exakte Bestimmung von fetalen Herzvolumina. Mit der Größe des Patientenkollektivs lagen nach der Prüfung von B.Greene des Institutes für Statistik der Philipps-Universität Marburg ausreichend Daten für die Erstellung von Normwerten vor. In Bezug auf die ermittelten Volumina ergab sich ein durchschnittliches Herzminutenvolumen von 393,68 ml/min. Aufgeschlüsselt in die jeweilige Zusammenfassung 45 Schwangerschaftswoche war hierbei ein deutlicher Anstieg des Volumens mit zunehmendem Gestationsalter festzustellen. Das durchschnittliche Herzminutenvolumen liegt in der 28. Schwangerschaftswoche bei 215,12 ml/min, in der 32. Schwangerschaftswoche bei 315,99 ml/min, in der 36. Schwangerschaftswoche bei 464,14 ml/min und zum errechneten Entbindungstermin bei 681,77 ml/min. Dieser Anstieg bestätigt bisher beschriebene Tendenzen, wobei im Rahmen dieser Arbeit zum ersten Mal ein ausreichend großes Normalkollektiv menschlicher Feten untersucht wurde. Bezogen auf das gewichtsspezifische Herzminutenvolumen in ml/min/kg geschätztes fetales Gewicht zeigten sich die Mittelwerte im Verlauf der Schwangerschaft annähernd konstant mit 252,24 ml/min/kg in der 28. Schwangerschaftswoche, 229,98 ml/min/kg in der 32. Schwangerschaftswoche, 231,79 ml/min/kg in der 36. Schwangerschaftswoche und 208,91 ml/min/kg in der 39. Schwangerschaftswoche. Dies steht im Kontrast zu den Ergebnissen von Rudolph und Heymann,1967, wo das Schlagvolumen pro Kilogramm fetales Gewicht in den frühen Gestationswochen signifikant höher war. In der 13. Schwangerschaftswoche ergab sich ein Herzzeitvolumen von 498 ml/min/kg und in der 19. Schwangerschaftswoche von 280 bis 390 ml/min/kg. Die Daten wurden allerdings invasiv mittels markierter Mirkosphären und anhand von nur 12 Schaffeten gewonnen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Studie gezeigt, dass die bisher angenommene Dominanz des rechten Ventrikels nicht so ausgeprägt ist. Bei Marys, De Smedt et al war die Ratio rechter zu linker Ventrikel noch 1,3 in der 15. Schwangerschaftswoche. Mielke und Benda zeigten 2001 eine durchschnittliche Ratio von 1,42. In der vorliegenden Arbeit ergab sich ein durchschnittliches rechtsventrikuläres Volumen von 115,78 ml/min/kg gegenüber dem linken Ventrikel mit 106,15 ml/min/kg und damit eine Ratio von 1,09. Die Ejektionsfraktion war dabei in beiden Ventrikeln mit im rechten 66% und im linken 67% annähernd gleich

Entwicklungen und Untersuchungen zur Bildgebung der Schilddrüse: 124Iod-PET/CT, 3D-Ultraschall und nuklearmedizinisch-sonographische Bildfusion

In der etablierten Schilddrüsenbildgebung existieren trotz des bereits hohen Standards begrenzende Faktoren. Methodische und technische Neuerungen erscheinen mithin sinnvoll und geboten. Die vorliegende Habilitationsschrift stellt die Entwicklung und Erprobung neuer Konzepte der Schilddrüsendiagnostik in drei Teilgebieten vor: *Durch die 124Iod-Niedrigaktivitäts-PET/Niedrigdosis-CT wird (i) die Ortsauflösung der herkömmlichen Szintigraphie übertroffen und die Detektierbarkeit kleinerer Strukturen sowie anatomischer Details verbessert. Durch den parallel akquirierten CT-Datensatz können (ii) zusätzliche Erkenntnisse zur Schilddrüse sowie deren Beziehung zu Nachbarorganen gewonnen werden. Darüber hinaus sind (iii) im Rahmen der Vorbereitung von Radiojodtherapien prätherapeutische Uptake-Messungen möglich. *Der 3D-US ermöglicht (i) den lückenlosen Scan der Schilddrüse und (ii) die vollständige digitale Archivierung des Untersuchungsvolumens im PACS. Dadurch ergeben sich auf Schnittbildworkstations die Vorteile (iii) des Second Readings, (iv) des Side-by-Side-Vergleichs mit vorangegangenen 3D-US-Studien und anderen Schnittbildverfahren. Darüber hinaus kann (v) eine nachträgliche Datenverarbeitung (Processing) erfolgen. *Die Einbeziehung des Ultraschalls in das Konzept der Fusions- bzw. Hybridbildgebung hat gezeigt, dass die räumliche Verknüpfung und bildliche Überlagerung der morphologisch-sonographischen Informationen mit den nuklearmedizinisch-funktionellen Bilddaten erfolgen kann. Aus dem klinischen Potential der Methoden einerseits, sowie den geschilderten Limitationen andererseits ergeben sich Implikationen für die Zukunft. Zunächst sind die apparativ-technische Weiterentwicklung der Verfahren sowie eine Optimierung der informationstechnischen Einbindung notwendig. Darüber hinaus muss eine Entwicklung hin zu einer zeitsparenden und einfachen Anwendbarkeit erfolgen, um einen rationellen klinischen Workflow zu ermöglichen und personelle Ressourcen zu schonen

Jahresbericht 2010 / Institut für Angewandte Informatik (KIT Scientific Reports ; 7601)

Das Institut für Angewandte Informatik (IAI) ist eine Organisationseinheit des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft. Das Institut betreibt Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet innovativer, anwendungsorientierter Informations-, Automatisierungs- und Systemtechnik

Das Bildgeführte Präzisionsbestrahlungsgerät für Kleintiere (SAIGRT): von der Entwicklung bis zur Praxisreife

Das entwickelte Bildgeführte Präzisionsbestrahlungsgerät für Kleintiere (engl. Small Animal Image-Guided Radiation Therapy – SAIGRT) dient der schnellen, hochauflösenden Röntgenbildgebung und präzisen, konformalen Bestrahlung von Kleintieren im Rahmen präklinischer in-vivo Experimente für die translationale Krebsforschung. Speziell programmierte Softwares zur Gerätesteuerung sowie zur Bildkorrektur- und Bildrekonstruktion auf dem zentralen leistungsfähigen Arbeitsplatz-PC stellen alle Gerätefunktionen zur Verfügung und ermöglichen durch automatisierte Abläufe und intuitive grafische Nutzeroberflächen eine einfache, sichere Bedienung. Für die Bestrahlungsplanung wird eine vollwertige, aus der humanen klinischen Strahlentherapie adaptierte 3D-Bestrahlungsplanungssoftware eingesetzt, die etablierte Werkzeuge für den Transfer und die Koregistrierung multimodaler Bilddaten, die Konturierung und Segmentierung von Zielvolumina und Risikoorganen sowie die Erstellung und Validierung von Bestrahlungsplänen enthält. Die resultierende Dosisverteilung wird darin basierend auf dem individuellen CT-Datensatz des Versuchstieres und einem auf das SAIGRT angepassten Maschinenmodell mittels eines Monte-Carlo-Algorithmus exakt und realitätsnah simuliert. Durch geometrische Kalibrierungen und vielfältige Basisdatenmessungen für die Bildgebung und Bestrahlung im Rahmen der Gerätekommissionierung ist eine Zielgenauigkeit von ca. ±0,1 mm mit hoher geometrischer Abbildungstreue und guter Bildqualität bei Bildgebungsdosen vergleichbar denen klinischer Radiografie- und CT-Geräte möglich. Die Dosisverteilung zur Bestrahlung der Versuchstiere spiegelt bei der definierten Strahlungsqualität größenskaliert die humane Strahlentherapie mit hochenergetischer Photonenstrahlung von klinischen Linearbeschleunigern wider. Ein umfassendes Qualitätssicherungsprogramm bestehend aus regelmäßiger Wartung und wiederkehrenden Konstanzprüfungen der Bildgebung und Bestrahlung sichert dauerhaft den technisch einwandfreien Zustand und die ordnungsgemäße Verfügbarkeit aller Gerätefunktionen in gleichbleibender Güte. Das SAIGRT ist somit nachweislich geeignet, bildgeführte Bestrahlungen mit einem Ablauf analog dem einer modernen klinischen Strahlentherapie am Menschen in präklinischen in-vivo Experimenten präzise an Kleintieren zu applizieren. Es leistet dadurch einen essentiellen Beitrag zur translationalen Krebsforschung in Dresden, indem die klinische Situation realistischer modelliert und so potenziell die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Krebspatienten verbessert werden kann.The Small Animal Image-Guided Radiation Therapy (SAIGRT) platform facilitates fast, high resolution X-ray imaging and precise, conformal irradiation of small animals in preclinical in-vivo experiments for translational cancer research. Dedicated software for device control as well as image correction and reconstruction on a central high performance PC provide all device functions and allow simple and safe operation by automated procedures and intuitive graphical user interfaces. A fully 3D treatment planning software adapted from human clinical radiation therapy is used for treatment planning, containing established tools and methods for the transfer and registration of multimodality imaging data, contouring and segmentation of target volumes and organs at risk as well as creation and evaluation of treatment plans. Based on an individual CT scan of the small animal and a machine model adapted for the SAIGRT, the resulting dose distribution is simulated by a Monte-Carlo algorithm in a precise and realistic manner. Geometrical calibrations as well as manifold basic data measurements for X-ray imaging and irradiation during commissioning resulted in a targeting and imaging accuracy of about ±0.1 mm, a correct representation of imaging geometry and a good image quality with imaging doses comparable with those of clinical radiography and CT systems. Dose distribution of the defined beam quality used for irradiation of small animals reflects a downsized human radiation therapy using high energy photon beams of clinical linear accelerators. A comprehensive quality assurance program comprising regular maintenance and periodic constancy tests of X-ray imaging and irradiation ensures permanent technically perfect condition and proper availability of all implemented functions in a stable high quality. The SAIGRT platform is feasible for image-guided irradiations precisely applied to small animals in preclinical in-vivo experiments using a workflow of modern human radiation oncology. Thus, it significantly contributes to translational cancer research by more realistic modelling the clinical situation and potentially brings the results closer to their clinical implementation

Tagungsband Mechatronik 2011: Dresden 31. März – 1. April 2011

Mit dieser sechsten Auflage der Tagung MECHATRONIK 2011 verbindet sich neben dem 10-jährigen Tagungsjubiläum (die erste Tagung fand im Jahre 2001 statt) auch gleichzeitig eine Premiere. Nachdem die ersten fünf Tagungen erfolgreich unter den Fittichen des VDI bzw. des VDI-Wissensforums stattgefunden hatten, beginnt das zweite MECHATRONIK-Dezennium in einem geänderten Format und mit neuen Verantwortlichkeiten und wird dennoch die bewährten Traditionen der deutschsprachigen Mechatronik-Fachgemeinde weiter pflegen. Academia trifft Industrie — Mechatronik und mechatronische Produkte sind seit jeher geprägt durch die Verknüpfung von interdisziplinärem methodenorientierten Wissen und nutzerorientierter Produktgestaltung. Diese Verknüpfung bildet sich höchst erfolgreich speziell in der deutschsprachigen Mechatronik-Fachgemeinde ab, nicht zuletzt deshalb haben deutsche Mechatronikprodukte weltweit eine exzellente Marktpräsenz. Diese enge Verzahnung ist aber ebenso im Tagungsgeschehen etabliert, wo seit vielen Jahren, im Gegensatz zu vielen anderen Ländern und internationalen Tagungen, eine gute Balance zwischen Teilnehmern aus Hochschulen und Industrie gegeben ist. Dies trifft auch auf die MECHATRONIK 2011 zu, mit 47 (70 %) Beiträgen aus Hochschulen und 20 (30 %) Beiträgen aus der Industrie bzw. Industriebeteiligung. Academia trifft Industrie — Dieser Sachverhalt wird zukünftig auch ganz transparent an den Tagungsorten und dem Tagungsumfeld sichtbar sein. Ab diesem Jahr 2011 wird die Organisation und Ausrichtung durch akademische Tagungsveranstalter durchgeführt werden. Die bisherigen wissenschaftlichen Tagungsleiter Prof. Burkhard Corves (Rheinisch- Westfälische Technische Hochschule - RWTH Aachen) und Prof. Klaus Janschek (Technische Universität Dresden) werden zukünftig gemeinsam mit Prof. Torsten Bertram (Technische Universität Dortmund) für die Ausrichtung und Durchführung verantwortlich zeichnen. Als Veranstaltungsort sind entsprechende Räumlichkeiten an den beteiligten Universitäten geplant (2011 in Dresden, 2013 in Aachen, 2015 in Dortmund). Neben einer Kostenersparnis erwarten sich die Veranstalter durch das gegenüber Kongresszentren doch intimere Umfeld einen lebendigen Gedankenaustausch zwischen Wissenschaftlern, Industrievertretern und nicht zuletzt mit dem wissenschaftlichen Nachwuchs. Speziell Studierenden soll damit ein einfacherer Zugang in die Welt des wissenschaftlichen Diskurses mit Experten aus der Industrie und Praxis ermöglicht werden. Academia trifft Industrie — Eine Stärke der bisherigen MECHATRONIK-Tagungen war immer die breite fachliche Verankerung durch die verantwortliche Trägerschaft der VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung (VDI-GPP) und VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (VDI/VDEGMA). Im Selbstverständnis dieser Fachgesellschaften spielt die Bereitstellung von Kommunikationsplattformen zwischen Hochschulen und Industrie eine zentrale Rolle. In den verschiedenen Fachausschüssen von VDI-GPP und VDI/VDE-GMA findet dieser Meinungs- und Informationsaustausch regelmäßig statt. Um eine breitere Fachöffentlichkeit in diese Diskussionen einzubeziehen, ist eine gemeinsame Tagung zum Thema Mechatronik eine logische und fruchtbare Konsequenz. Auch zukünftig wird der enge fachliche und institutionelle Kontakt der Tagung MECAHTRONIK zu den Fachgesellschaften aufgrund der personellen Verankerung der Tagungsveranstalter in den Fachgesellschaften VDI-GPP und VDI/VDE-GMA erhalten bleiben. Das Tagungsprogramm 2011 bietet ein breit gefächertes Angebot an aktuellen und innovativen Fragestellungen zur Mechatronik: mechatronische Produkte, Serienfertigung mechatronischer Produkte, Ressourceneffizienz, Nutzerfreundlichkeit und Akzeptanz, Entwicklungsmethoden und -werkzeuge sowie innovative Konzepte

Mediale Teilhabe: Partizipation zwischen Anspruch und Inanspruchnahme

Gesellschaftliche, politische und wissenschaftliche Forderungen nach mehr Beteiligung, Zugang und Mitwirkung sind ebenso allgegenwärtig wie spannungsgeladen und durchzogen von Ambivalenzen. Mediale Teilhabe fragt nach den medialen Ermöglichungs- und Austauschprozessen, als deren Effekt Teilhabe/Nicht-Teilhabe entsteht. Entlang der Modalitäten Verschalten, Temporalisieren und Teilhabende Kritik entwickeln die Beiträge einen differenzierten Blick auf Teilhabe im Spannungsfeld von Anspruch und Inanspruchnahme

“The Bard meets the Doctor” – Computergestützte Identifikation intertextueller Shakespearebezüge in der Science Fiction-Serie Dr. Who.

A single abstract from the DHd-2019 Book of Abstracts.Sofern eine editorische Arbeit an dieser Publikation stattgefunden hat, dann bestand diese aus der Eliminierung von Bindestrichen in Überschriften, die aufgrund fehlerhafter Silbentrennung entstanden sind, der Vereinheitlichung von Namen der Autor*innen in das Schema "Nachname, Vorname" und/oder der Trennung von Überschrift und Unterüberschrift durch die Setzung eines Punktes, sofern notwendig