TU Darmstadt / ULB / TUprints

Ultraschallbasierte Navigation für die minimalinvasive onkologische Nieren- und Leberchirurgie

Keil, Matthias :
Ultraschallbasierte Navigation für die minimalinvasive onkologische Nieren- und Leberchirurgie.
tuprints, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

[img]
Preview
Text
Dissertation_Matthias_Keil.pdf - Published Version
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives, 2.5.

Download (24MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ultraschallbasierte Navigation für die minimalinvasive onkologische Nieren- und Leberchirurgie
Language: German
Abstract:

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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In minimally invasive oncologic renal and liver surgery with many advantages for the patient, the surgeon is often confronted with orientation problems. Main causes are the indirect view of the patient’s anatomy, the limited field of view and the intraoperative deformation of organs. Navigation systems, which are often based on intraoperative ultrasound, can be a solution. With real-time imaging, the deformation of the organ can be determined. Since many tumors are not visible in the ultrasound picture, robust and automatic deformable registration with the preoperative CT is required. Furthermore, a permanent visualization during the manipulation of the organ is necessary. For the kidney, the suitability of ultrasound-elastography-imaging for image-based registration was evaluated using Mutual Information. However, this had only moderate success, due to poor image quality and the small field of view of the image data. The branches and endpoints of blood vessels of the liver can be used as natural landmarks for the registration process. In a first step, vessel segmentation algorithms have been developed for the two most common types of ultrasound imaging B-mode and power Doppler. The proposed combination of the two modalities increased the amount of vessel branches on average by 35 %. For the rigid registration of vessels from ultrasound and CT on average 9 bijective point correspon- dences are defined using an existing graph matching method [OLD11b] . The average registration accuracy is 3.45 mm. The amount of point correspondences is not sufficient for a deformable registration. The developed method for a landmark refinement adds more points between matched landmarks along the vessel center lines and searches for other corresponding vessel segments increasing the average number of point correspondences to 70. This allows the determination of the organ deformation based on the differences in the vascular orientation. Using thin-plate splines, a deformation field can be computed for the entire organ, based on the point correspondences. In this way, the registration accuracy is increased on average by 44 %. The most important prerequisite for the success of the deformable registration is an extensive vessel segmentation from the ultrasound image data. As part of this work, the concept of Reg- mentation was extended to the segmentation of vessels and vessel-based registration for the first time. Through the combination of both methods, the extracted vessel length was increased by a mean of 32 %, resulting in an increase of the average number of corresponding landmarks to 98. By this means, the deformation of the organ, and thus the change in position of the tumor, can be specified more accurately and with greater confidence. With the knowledge of the tumor location in the organ and by use of a marker wire the change in position of the tumor during surgical manipulation can be monitored using an electromagnetic tracking system. By this tumor tracking a permanent visualization using video overlay in laparos- copic video images becomes possible. The main contributions of this work for vessel-based registration are the vessel segmentation from ultrasound image data, the landmark refinement to obtain a high number of bijective point corre- spondences and the introduction of Regmentation to improve vessel segmentation and deformable registration. The tumor tracking for navigation enables permanent visualization of the tumor during the entire procedure.English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: tuprints
Uncontrolled Keywords: Navigation, Segmentierung, Registrierung, Regmentation, minimalinvasive Chirurgie, Onkologie, Niere, Leber, Gefäße, Ultraschall, CT, Elastographie, B-Mode, Power Doppler
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Navigation, Segmentation, Registration, Regmentation, minimally invasive surgery, oncology, kidney, liver, blood vessels, ultrasound, CT, elastography, B-Mode, Power DopplerEnglish
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 20 Department of Computer Science > Interactive Graphics Systems
Date Deposited: 06 Nov 2013 07:48
Last Modified: 06 Nov 2013 07:48
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-36583
Referees: Sakas, Prof. Dr. Georgios and Fellner, Prof. Dr. Dieter W. and Mönch, Priv.-Doz. Christian
Refereed: 2 October 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3658
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year