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Titel:Prä- und postoperative Segmentierung und virtuelles Stenting von Aneurysmen und Stenosen
Autor:Egger, Jan
Weitere Beteiligte: Freisleben, Bernd (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2009
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2009/0465
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2009-04654
DOI: https://doi.org/10.17192/z2009.0465
DDC: Informatik
Titel(trans.):Pre- and postoperative segmentation and virtual stenting of aneurysms and stenosis

Dokument

Schlagwörter:
Thrombus, Stenosis, Gefäßwand, Segmentierung, Lumen <Anatomie>, Simulation, Stenose, Aneurysm, Segmentation, Aneurysma, Stent

Zusammenfassung:
Die medizinische Bildverarbeitung hat in den letzten Jahren sehr an Bedeutung gewonnen, vor allem in den verschiedenen Phasen der Behandlung somatischer Erkrankungen. Bei Diagnose, Monitoring, Therapieplanung und Durchführung bis zur Kontrolle werden medizinische Entscheidungen durch Computer unterstützt. In dieser Arbeit werden Beiträge zur computergestützten Behandlung von Gefäßerkrankungen – krankhafte Gefäßerweiterungen (Aneurysmen) und krankhafte Gefäßverengungen (Stenosen) – geleistet. Es wird bei operativen Eingriffen zur Behandlung dieser Gefäßerkrankungen zwischen zwei Verfahren unterschieden: der offenen und der minimal-invasiven (endovaskulären) Operation bzw. Behandlung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der computergestützten Optimierung von endovaskulären Behandlungen. Im Fall einer endovaskulären Behandlung ist es besonders wichtig, anhand der kritischen Patientendaten eine geeignete Prothese (Stent) möglichst akkurat und in kürzester Zeit auszuwählen. Dabei muss die Auswahl vor dem Eingriff erfolgen (präoperativ), da der Stent während der Operation nicht mehr ohne eine offene Operation gewechselt werden kann. Ist ein Stent eingesetzt, sind regelmäßige Nachuntersuchungen erforderlich, um zum Beispiel das Auftreten von Löchern in der Prothese (Endoleaks) oder das Verschieben der Prothese (Stent Migration) rechtzeitig zu erkennen. Für die einzelnen Phasen von Diagnose, Therapieplanung und Kontrolle einer Gefäßerkrankung werden in dieser Dissertation verschiedene Methoden zur Segmentierung entwickelt und vorgestellt. Mit ihnen ist es möglich, Aneurysmen und Stenosen vor und nach einem operativen Eingriff zu überwachen und den behandelnden Arzt bei diesen zum Teil sehr zeitaufwendigen Prozeduren zu unterstützen. Die unterschiedlichen Segmentierungsmethoden basieren auf den Verfahren der Aktiven Konturen, Active Appearance Models sowie einem graphbasierten Ansatz. Dabei hat der graphbasierte Ansatz die besten Ergebnisse geliefert, ein Prototyp zur klinischen Evaluation wurde bereits realisiert. Die Behandlungsplanung wiederum wird durch eine rechnergestützte Simulation von Stents (virtuelles Stenting) vor dem Eingriff optimiert. Im derzeitigen klinischen Alltag wird ein Stent anhand von CT-Aufnahmen ausgewählt. Mit dem virtuellen Stenting aus dieser Arbeit können verschiedene Stents zusätzlich in den realen Patientendaten aus der klinischen Routine simuliert werden. Dabei wird ersichtlich, ob der ausgewählte Stent die passenden Dimensionen hat und bei der Operation zum Einsatz kommen sollte. Die Stent-Simulation beruht auf dem Verfahren der Aktiven Konturen im Dreidimensionalen und ist sowohl für nicht verzweigte als auch für verzweigte Stents (Y-Stents) geeignet. Unter anderem werden für eine realistische Simulation, die bei Y-Stents auftretenden Kollisionskräfte in der Verzweigung berücksichtigt. Außerdem wurde ein Ansatz für das virtuelle Stenting im Karotisbereich entwickelt, der ein elastisches Verhalten der Gefäßwand bei einer Stent-Expansion modelliert. Weiterhin ist im Bereich der rechnergestützten Simulation ein Verfahren zur Simulation eines Katheterpfades entstanden. Der Katheterpfad wird hierbei in zwei Schritten bestimmt. In einem ersten Schritt wird ein initialer Pfad mit einem modifizierten Dijkstra-Algorithmus zur Bestimmung des kürzesten Pfades zwischen zwei Punkten berechnet. In einem zweiten Schritt wird dann dieser Pfad mit einem Aktiven Konturmodell innerhalb des Gefäßes ausgerichtet. Diese verschiedenen Verfahren werden in der vorliegenden Arbeit im Detail vorgestellt und anhand von Phantomdaten und realen Patientendaten evaluiert. Außerdem werden die klinischen Prototypen präsentiert, die auf den Verfahren aufbauen.

Summary:
Over the past years, medical image processing has become very important in the different treatment stages of somatic diseases. Medical decisions are assisted by computers throughout diagnosis, monitoring, therapy planning, execution and follow-up examinations. In this thesis, contributions to support the computer aided treatment of artery diseases – artery enlargement (aneurysm) and artery contraction (stenosis) – are achieved. If an intervention takes place, there are two different treatment alternatives for this kind of artery diseases: open surgery and minimally invasive (endovascular) treatment. Computer assisted optimization of endovascular treatments is the main focus of this thesis. In the case of an endovascular treatment it is very important to choose an appropriate prosthesis (stent) based on critical patient data as precise and as fast as possible. The choice has to be done before the intervention takes place (preoperative), because it is not possible to change the stent during the intervention without an additional open surgery. Thereafter, regular follow-up examinations are necessary to verify if the stent works properly and to detect holes in the prosthesis (endoleaks) or the movement of the prosthesis (stent migration). For the treatment phases diagnosis, therapy planning and the follow-up examinations of an artery disease, different segmentation methods are developed and presented in this thesis. With these segmentation methods it is possible to monitor aneurysms and stenosis before and after an intervention and therefore support the physician with these time-consuming procedures. The different segmentation methods depend on the Active Contours, the Active Appearance Models and a graph based approach. Among these methods, the graph based approach provided the best results and a prototype has already been realized for clinical evaluation. Therapy planning is supported by a computer-aided simulation of stents (virtual stenting) before an intervention. Currently, a stent is chosen on the basis of CT-scans from a patient. However, with the virtual stenting of this thesis, it is possible to simulate different stents in the patient data from the clinical routine. Thereby, it will be possible to decide whether a chosen stent has proper dimensions and should be used during the following operation. The stent simulation depends on the Active Contours Methods in 3D and is eligible for non-bifurcated and bifurcated stents (Y-Stents). Amongst others, the collision forces that appear in the bifurcation area of Y-stents are considered for a realistic simulation. Furthermore, a virtual stenting approach for the carotis has been developed that pays attention to the behavior of the artery wall during the stent expansion. In addition to the virtual stenting, a catheter path simulation has been developed. The path of the catheter is determined within two steps. The first step calculates an initial path through the artery. For this purpose, Dijkstra’s shortest path algorithm has been modified. The second step uses an Active Contour Model to align the initial path inside the artery. All methods are introduced in detail in this thesis and are evaluated with phantom datasets and real patient data from the clinical routine. Additionally, the clinical prototypes that are based upon these methods are presented.


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