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Extraction of Hepatic Veins in Contrast Enhanced CT with Application to Interventional Planning

Drechsler, Klaus :
Extraction of Hepatic Veins in Contrast Enhanced CT with Application to Interventional Planning.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Extraction of Hepatic Veins in Contrast Enhanced CT with Application to Interventional Planning
Language: English
Abstract:

The Liver performs several important tasks that are essential for survival. However, liver cancer, the third most common type of cancer, affects these functions significantly. Different treatment options are available, but a surgical resection, if possible, offers the best prognosis for the patient. Thus, the decision, whether a surgical resection is feasible, is important and must be taken with care in a pre-interventional planning stage. Modern volumetric imaging techniques such as CT or magnetic resonance imaging (MRI) are utilized to decide which treatment is best for the patient and to plan the intervention. However, the amount of anatomical details visible in the acquired volumes is steadily increasing. This comes along with an increasing amount of data per patient. Manual examination is time consuming and prone to errors. As a matter of fact, several software systems were proposed to support the surgeon during the planning phase. The extraction of blood vessels plays an important role in these applications. The segmentation of vessels is a challenging problem that has to deal with acquisition-dependent problems such as noise, contrast, spatial resolution, and artifacts. Furthermore, blood vessel specific characteristics like high variability of size and curvature result in additional difficulties for segmentation algorithms. The liver, in particular, exhibits another challenge to vessel segmentation algorithms. Its supply and drain vessel systems are densely distributed within the liver, and because of partial volume effects and motion artifacts, they seem to be connected at some points. The focus of the present thesis is the robust extraction of hepatic veins in multiphase CT volumes. Therefore, an image processing pipeline is presented that covers vessel enhancement, vessel segmentation, graph creation and tree reconstruction. The pipeline was used to develop an application for interventional planning. It allows for the simulation of intraoperative hepatic vein clamping for (sub-)segment oriented liver resections and the execution of risk analysis to judge surgical risk during an atypical resection. Furthermore, results of the present thesis were also successfully used in an application for intraoperative navigation to extract liver vessels in 3D ultrasound data and matching of anatomical vessel trees and graphs of the liver for registration of 3D volumes.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Krebs ist die zweithäufigste Todesursache weltweit, welche 2008 für 7.6 Millionen Todesfälle verantwortlich war. Davon traten 70% in Ländern der dritten Welt auf. Laut Angaben der World Health Organization (WHO) ist Leberkrebs die dritthäufigste Krebsart und jährlich für 700.000 Todesfälle verantwortlich. Das Leberzellkarzinom (Hepatozelluläres Karzinom) ist die häufigste primäre Leberkrebsart. Dieser Krebstyp entwickelt sich nach einer viralen Hepatitis B/C Infektion oder einer Leberzirrhose. Die Leberzirrhose entwickelt sich als Folge einer chronischen Leberkrankheit die beispielsweise durch Alkoholmissbrauch verursacht wird. Charakteristisch für eine Leberzirrhose ist, daß gesundes Lebergewebe durch narbiges Gewebe und Knötchen ersetzt wird und dadurch die Leberfunktion einschränkt. Ungefähr 50% aller Todesfälle, die durch das Leberzellkarzinom verursacht werden, treten in China auf. In westlichen Ländern sind Metastasen von Tumoren anderer Organe die häufigste Ursache von Leberkrebs. In Deutschland wurden im Jahr 2010 219.000 Todesfälle aufgrund von Krebs registriert. Nur ca. 6000 Menschen entwickeln jährlich ein Leberzellkarzinom, allerdings mit steigender Tendenz. Die Leber ist für das Überleben äußerst wichtig. Sie spielt eine wichtige Rolle beim Stoffwechsel und ist außerdem an der Proteinsynthese, Glycogenspeicherung, Hormonproduktion und der Produktion von Verdauugssäften beteiligt. Im häufig verwendeten Couinaud-System kann die Leber in acht Segmente eingeteilt werden, die unabhängig voneinander von der Leberarterie, den Lebervenen und Gallengängen durchzogen sind. Es existiert derzeit keine Möglichkeit, um das Fehlen dieser wichtigen Funktionen zu kompensieren. Aus diesem Grund ist es wichtig, eine Lebererkrankung frühzeitig und richtig zu diagnostizieren und die gewonnenen Informationen zu verwenden, um die bestmögliche Behandlungsstrategie zu wählen. Die derzeit am häufigsten eingesetzte Methode zur Diagnose eines Leberzellkarzinom ist ein mehrphasiger Computertomographie-Scan des Abdomens. Dabei wird üblicherweise ein Kontrastmittel in eine Armvene intravenös injiziert. Das Kontrastmittel erreicht dann die Leber zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten. Das erste Mal durch die Leberarterie (Arterielle Phase) und beim zweiten Mal durch die Portalvene (Portalvenöse Phase). Während dieser Phasen ändert der Tumor sein Aussehen und zeigt einige spezifischen Eigenschaften, die auf die Krebsart schliessen lassen. Die zur Verfügung stehenden Behandlungsmäglichkeiten richten sich nach Art und Größe des Tumors. Eine chirurgische Resektion bietet dabei die beste Prognose für den Patienten, von denen aber nur ca. 10-15% in Frage kommen. Bei einer chirurgischen Leberresektion unterscheidet man zwischen typischen Resektionen entlang Segmentgrenzen und atypischen Resektionen bei denen die Schnittgrenzen tumororientiert verlaufen und beliebige Formen annehmen können. Typische Resektionen werden normalerweise bevorzugt, da hierbei das Risiko für Blutungen geringer ist. Aus medizinischer Sicht kann aber auch in ausgewählten Fällen eine atypische Resektion sinnvoll sein. Es ist überaus wichtig, vor der Behandlung eines Patienten zu evaluieren, ob eine Resektion möglich ist. Dabei helfen moderne bildgebende Verfahren, wie die Computertomographie und Magnetresonanztomographie. Sie ermöglichen die räumlichen Lagebeziehungen wichtiger Strukturen einzuschätzen, sowie die Ausbreitung und Art des Tumors zu bestimmen. Stetige Verbesserungen der räumlichen und zeitlichen Auflösung ermöglichen immer mehr Details darzustellen. Das führt allerdings auch zu einer erhöhten Datenmenge pro Patient, die vom Radiologen verarbeitet werden muß. Um Fehler zu vermeiden und um den Chirurgen bei der Diagnose zu unterstützen werden technische Hilfsmittel benötigt, die einen Teil der anfallenden Daten automatisiert verarbeiten können. Abhängig vom medizinischen Anwendungsfall sind unterschiedliche anatomische Strukturen von Interesse. Im Besonderen spielt das Extrahieren von Blutgefäßen eine wichtige Rolle. Beispielsweise lassen sich dadurch Stenosen der Koronararterien detektieren. Im Fall der Leber werden Gefäße für die Planung von chirurgischen Resektionen benötigt. Sie ermöglichen das Berechnen der Couinaud Segmente, sowie eine automatisierte Analyse des Risikos bei einer atypischen Resektion. Außerdem werden Gefäße als Landmarken für die Registrierung zweier Volumen verwendet. Das ermöglicht zusätzliche Informationen aus unterschiedlichen Modalitäten zu einem Gesamtbild zu fusionieren. Aber auch die Nutzung für die intraoperative Navigation ist derzeit Gegenstand vieler Forschungsarbeiten. Die manuelle Segmentierung von Blutgefäßen ist langwierig und fehleranfällig. Automatisierte Segmentierungsverfahren sind deshalb wichtige Hilfsmittel für die klinische Praxis. Allerdings erschweren aufnahmeabhängige Probleme wie Rauschen, schwankende Kontraste, unterschiedliche Auflösungen und Artefakte den Einsatz solcher Verfahren. Dazu kommen spezifische Probleme, wie beispielsweise variable Gefäßdurchmesser, die die den Routineeinsatz noch zusätzlich erschweren. Die Entwicklung robuster Verfahren ist daher Gegenstand vieler Forschungsarbeiten und ist nach wie vor nicht zufriedenstellend gelöst. Darüber hinaus stellt die Leber Gefäßsegmentierungsverfahren vor eine zusätzliche Herausforderung. Aufgrund von Partialvolumeneffekten und Bewegungsartefakten scheinen Portalvene und Lebervene an einigen Stellen miteinander verbunden zu sein. Es ist wünschenswert und für einige Anwendungen sogar erforderlich, diese beiden Gefäßsystem voneinander zu trennen. Das ermöglicht dann die getrennte Visualisierung dieser beiden Gefäßsysteme, sowie die automatisierte Weiterverarbeitung. Einige Forschungsarbeiten wurden zu diesem Thema bereits veröffentlicht. Jedoch ist auch dieses Problem noch nicht zufriedenstellend gelöst. Der Fokus dieser Arbeit ist die robuste Extraktion von Lebervenen aus kontrastverstärkten CT Volumen. Die resultierende Verfahren wurde verwendet, um eine Applikation zur Planung chirurgischer Leberresektionen zu entwickeln. German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
Divisions: 20 Department of Computer Science > Interactive Graphics Systems
Date Deposited: 22 Dec 2012 15:18
Last Modified: 06 Aug 2014 11:51
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-32314
Referees: Sakas, Professor Georgios and Fellner, Professor Dieter W. and Mönch, Priv.-Doz. Christian
Refereed: 10 October 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3231
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