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Seit mehr als 25 Jahren ist der Workshop "Bildverarbeitung für die Medizin" als erfolgreiche Veranstaltung etabliert. Ziel ist auch 2024 wieder die Darstellung aktueller Forschungsergebnisse und die Vertiefung der Gespräche zwischen Wissenschaftlern, Industrie und Anwendern. Die Beiträge dieses Bandes - viele davon in englischer Sprache - umfassen alle Bereiche der medizinischen Bildverarbeitung, insbesondere die Bildgebung und -akquisition, Segmentierung und Analyse, Visualisierung und Animation, computerunterstützte Diagnose sowie bildgestützte Therapieplanung und Therapie. Hierbei kommen Methoden des maschinelles Lernens, der biomechanischen Modellierung sowie der Validierung und Qualitätssicherung zum Einsatz.
Seit mehr als 25 Jahren ist der Workshop "Bildverarbeitung für die Medizin" als erfolgreiche Veranstaltung etabliert. Ziel ist auch 2023 wieder die Darstellung aktueller Forschungsergebnisse und die Vertiefung der Gespräche zwischen Wissenschaftlern, Industrie und Anwendern. Die Beiträge dieses Bandes - viele davon in englischer Sprache - umfassen alle Bereiche der medizinischen Bildverarbeitung, insbesondere die Bildgebung und -akquisition, Segmentierung und Analyse, Visualisierung und Animation, computerunterstützte Diagnose sowie bildgestützte Therapieplanung und Therapie. Hierbei kommen Methoden des maschinelles Lernens, der biomechanischen Modellierung sowie der Validierung und Qualitätssicherung zum Einsatz.
Clinical setting
Third space procedures such as endoscopic submucosal dissection (ESD) and peroral endoscopic myotomy (POEM) are complex minimally invasive techniques with an elevated risk for operator-dependent adverse events such as bleeding and perforation. This risk arises from accidental dissection into the muscle layer or through submucosal blood vessels as the submucosal cutting plane within the expanding resection site is not always apparent. Deep learning algorithms have shown considerable potential for the detection and characterization of gastrointestinal lesions. So-called AI – clinical decision support solutions (AI-CDSS) are commercially available for polyp detection during colonoscopy. Until now, these computer programs have concentrated on diagnostics whereas an AI-CDSS for interventional endoscopy has not yet been introduced. We aimed to develop an AI-CDSS („Smart ESD“) for real-time intra-procedural detection and delineation of blood vessels, tissue structures and endoscopic instruments during third-space endoscopic procedures.
Characteristics of Smart ESD
An AI-CDSS was invented that delineates blood vessels, tissue structures and endoscopic instruments during third-space endoscopy in real-time. The output can be displayed by an overlay over the endoscopic image with different modes of visualization, such as a color-coded semitransparent area overlay, or border tracing (demonstration video). Hereby the optimal layer for dissection can be visualized, which is close above or directly at the muscle layer, depending on the applied technique (ESD or POEM). Furthermore, relevant blood vessels (thickness> 1mm) are delineated. Spatial proximity between the electrosurgical knife and a blood vessel triggers a warning signal. By this guidance system, inadvertent dissection through blood vessels could be averted.
Technical specifications
A DeepLabv3+ neural network architecture with KSAC and a 101-layer ResNeSt backbone was used for the development of Smart ESD. It was trained and validated with 2565 annotated still images from 27 full length third-space endoscopic videos. The annotation classes were blood vessel, submucosal layer, muscle layer, electrosurgical knife and endoscopic instrument shaft. A test on a separate data set yielded an intersection over union (IoU) of 68%, a Dice Score of 80% and a pixel accuracy of 87%, demonstrating a high overlap between expert and AI segmentation. Further experiments on standardized video clips showed a mean vessel detection rate (VDR) of 85% with values of 92%, 70% and 95% for POEM, rectal ESD and esophageal ESD respectively. False positive measurements occurred 0.75 times per minute. 7 out of 9 vessels which caused intraprocedural bleeding were caught by the algorithm, as well as both vessels which required hemostasis via hemostatic forceps.
Future perspectives
Smart ESD performed well for vessel and tissue detection and delineation on still images, as well as on video clips. During a live demonstration in the endoscopy suite, clinical applicability of the innovation was examined. The lag time for processing of the live endoscopic image was too short to be visually detectable for the interventionist. Even though the algorithm could not be applied during actual dissection by the interventionist, Smart ESD appeared readily deployable during visual assessment by ESD experts. Therefore, we plan to conduct a clinical trial in order to obtain CE-certification of the algorithm. This new technology may improve procedural safety and speed, as well as training of modern minimally invasive endoscopic resection techniques.
Einleitung:
Blutdruck gilt als sogenannter Vitalparameter als einer der grundlegenden Indikatoren für den Gesundheitszustand einer Person. Sowohl zu niedriger als auch zu hoher Blutdruck kann lebensbedrohend sein, letzerer ist darüber hinaus ein Risikofaktor insbesondere für Herz-Kreislauferkrankungen, die trotz wichtiger Fortschritte in der Behandlung immer noch die häufigste Todesursache in Deutschland darstellen. Die Hämodynamik, also die raumzeitliche Dynamik des Blutflusses, und der Gefäßzustand sind eng verbunden mit dem Blutdruck und ebenfalls von hoher klinischer Relevanz, u.a. zur Identifikation von Durchblutungsstörungen und ungünstigen Druckverteilungen der Gefäßwand. Innovationen in der Messtechnik als auch in der Datenanalyse bieten heute neue Möglichkeiten der Erfassung und Bewertung von Blutdruck, Hämodynamik und Gefäßzustand [1], [2], [3], [4].
Methodik:
In einer gemeinsamen Workshopserie der AG Medizinische Bild- und Signalverarbeitung der GMDS und des Fachausschusses Biosignale der DGBMT werden wir neue Ansätze und Lösungen für Mess- und Analyseverfahren zu Blutdruck und -fluss sowie zum Gefäßzustand vorstellen und diskutieren. Dabei stehen im ersten Workshop auf der GMDS Jahrestagung Bildbasierte Verfahren im Zentrum, während der zweite Workshop auf der DGBMT Jahrestagung den Fokus auf Biosignalbasierten Verfahren legt. Es werden aktuelle Forschungsergebnisse vorgestellt und diskutiert. Es sind jeweils mehrere Vorträge geplant mit ausreichend Zeit zur Diskussion. Folgende Vorträge sind geplant (Arbeitstitel):
Sebastian Zaunseder: Videobasierte Erfassung des Blutdrucks
Anja Hennemuth: A Visualization Toolkit for the Analysis of Aortic Anatomy and Pressure Distribution
Lars Krenkel: Numerische Analyse der Rupturwahrscheinlichkeit zerebraler Aneurysmata
Susanne Schnell: Messung des Blutflusses und hämodynamischer Parameter mit 4D flow MRI: Möglichkeiten und Herausforderungen
Ergebnisse:
Ziel des Workshops ist die Identifikation von innovativen Ansätzen und neuen Methoden zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von hämodynamischen Parametern sowie deren kritische Bewertung durch die Community für die Eignung in der klinischen Entscheidungsunterstützung.
Diskussion:
Der Workshop leistet inhaltlich einen Beitrag zu zentralen Aspekten für die Herz-Kreislauf-Medizin. Er bringt dabei Expertise aus verschiedenen Bereichen zusammen und schlägt die Brücke zwischen Kardiologie, Medizininformatik und Medizintechnik.
Schlussfolgerung:
Innovative Technologien aus Medizintechnik und Informatik ermöglichen zunehmend einfache und raumzeitlich aufgelöste Erfassung und Bewertung wichtiger Informationen zur Unterstützung von Diagnose und Therapieverfolgung.
[1] Zaunseder S, Trumpp A, Wedekind D, Malberg H. Cardiovascular assessment by imaging photoplethysmography - a review. Biomed Tech (Berl). 2018 Oct 25;63(5):617–34.
[2] Huellebrand M, Messroghli D, Tautz L, Kuehne T, Hennemuth A. An extensible software platform for interdisciplinary cardiovascular imaging research. Comput Methods Programs Biomed. 2020 Feb;184:105277.
[3] Schmitter S, Adriany G, Waks M, Moeller S, Aristova M, Vali A, et al. Bilateral Multiband 4D Flow MRI of the Carotid Arteries at 7T. Magn Reson Med. 2020 Oct;84(4):1947–60.
[4] Birkenmaier C, and Krenkel, L. Flow in Artificial Lungs. In: New Results in Numerical and Experimental Fluid Mechanics XIII. Contributions to the 22nd STAB/DGLR Symposium. Springer; 2021.
The German workshop on medical image computing (BVM) has been held in different locations in Germany for more than 20 years. In terms of content, BVM focused on the computer-aided analysis of medical image data with a wide range of applications, e.g. in the area of imaging, diagnostics, operation planning, computer-aided intervention and visualization.
During this time, there have been remarkable methodological developments and upheavals, on which the BVM community has worked intensively. The area of machine learning should be emphasized, which has led to significant improvements, especially for tasks of classification and segmentation, but increasingly also in image formation and registration. As a result, work in connection with deep learning now dominates the BVM. These developments have also contributed to the establishment of medical image processing at the interface between computer science and medicine as one of the key technologies for the digitization of the health system.
In addition to the presentation of current research results, a central aspect of the BVM is primarily the promotion of young scientists from the diverse BVM community, covering not only Germany but also Austria, Switzerland, The Netherland and other European neighbors. The conference serves primarily doctoral students and postdocs, but also students with excellent bachelor and master theses as a platform to present their work, to enter into professional discourse with the community, and to establish networks with specialist colleagues. Despite the many conferences and congresses that are also relevant for medical image processing, the BVM has therefore lost none of its importance and attractiveness and has retained its permanent place in the annual conference rhythm.
Building on this foundation, there are some innovations and changes this year. The BVM 2021 was organized for the first time at the Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg (OTH Regensburg, a technical university of applied sciences). After Aachen, Berlin, Erlangen, Freiburg, Hamburg, Heidelberg, Leipzig, Lübeck, and Munich, Regensburg is not just a new venue. OTH Regensburg is the first representative of the universities of applied sciences (HAW) to organize the conference, which differs to universities, university hospitals, or research centers like Fraunhofer or Helmholtz. This also considers the further development of the research landscape in Germany, where HAWs increasingly contribute to applied research in addition to their focus on teaching. This development is also reflected in the contributions submitted to the BVM in recent years.
At BVM 2021, which was held in a virtual format for the first time due to the Corona pandemic, an attractive and high-quality program was offered. Fortunately, the number of submissions increased significantly. Out of 97 submissions, 26 presentations, 51 posters and 5 software demonstrations were accepted via an anonymized reviewing process with three reviews each. The three best works have been awarded BVM prizes, selected by a separate committee.
Based on these high-quality submissions, we are able to present another special issue in the International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery (IJCARS). Out of the 97 submissions, the ones with the highest scores have been invited to submit an extended version of their paper to be presented in IJCARS. As a result, we are now able to present this special issue with seven excellent articles. Many submissions focus on machine learning in a medical context.
In this paper, we address the problem of retrospective color shading correction. An extension of the established gray-level shading correction algorithm based on signal envelope (SE) estimation to color images is developed using principal color components. Compared to the probably most general shading correction algorithm based on entropy minimization, SE estimation does not need any computationally expensive optimization and thus can be implemented more effciently. We tested our new shading correction scheme on artificial as well as real endoscopic images and observed promising results. Additionally, an indepth analysis of the stop criterion used in the SE estimation algorithm is provided leading to the conclusion that a fixed, user-defined threshold is generally not feasible. Thus, we present new ideas how to develop a non-parametric version of the SE estimation algorithm using entropy.
Whole-body PET/CT imaging
(2008)
Aim
Combined whole-body (WB) PET/CT imaging provides better overall co-registration compared to separate CT and PET. However, in clinical routine local PET-CT mis-registration cannot be avoided. Thus, the reconstructed PET tracer distribution may be biased when using the misaligned CT transmission data for CT-based attenuation correction (CT-AC). We investigate the feasibility of retrospective co-registration techniques to align CT and PET images prior to CT-AC, thus improving potentially the quality of combined PET/CT imaging in clinical routine.
Methods
First, using a commercial software registration package CT images were aligned to the uncorrected PET data by rigid and non-rigid registration methods. Co-registration accuracy of both alignment approaches was assessed by reviewing the PET tracer uptake patterns (visual, linked cursor display) following attenuation correction based on the original and co-registered CT. Second, we investigated non-rigid registration based on a prototype ITK implementation of the B-spline algorithm on a similar targeted MR-CT registration task, there showing promising results.
Results
Manual rigid, landmark-based co-registration introduced unacceptable misalignment, in particular in peripheral areas of the whole-body images. Manual, non-rigid landmark-based co-registration prior to CT-AC was successful with minor loco-regional distortions. Nevertheless, neither rigid nor non-rigid automatic co-registration based on the Mutual Information image to image metric succeeded in co-registering the CT and noAC-PET images. In contrast to widely available commercial software registration our implementation of an alternative automated, non-rigid B-spline co-registration technique yielded promising results in this setting with MR-CT data.
Conclusion
In clinical PET/CT imaging, retrospective registration of CT and uncorrected PET images may improve the quality of the AC-PET images. As of today no validated and clinically viable commercial registration software is in routine use. This has triggered our efforts in pursuing new approaches to a validated, non-rigid co-registration algorithm applicable to whole-body PET/CT imaging of which first results are presented here. This approach appears suitable for applications in retrospective WB-PET/CT alignment.
Ziel
Kombinierte PET/CT-Bildgebung ermöglicht verbesserte Koregistrierung von PET- und CT-Daten gegenüber separat akquirierten Bildern. Trotzdem entstehen in der klinischen Anwendung lokale Fehlregistrierungen, die zu Fehlern in der rekonstruierten PET- Tracerverteilung führen können, falls die unregistrierten CT-Daten zur Schwächungskorrektur (AC) der Emissionsdaten verwendet werden. Wir untersuchen daher die Anwendung von Bildregistrierungsalgorithmen vor der CT-basierten AC zur Verbesserung der PET-Aufnahmen.
Methoden
Mittels einer kommerziellen Registrierungssoftware wurden die CT-Daten eines PET/CT- Tomographen durch landmarken- und intensitätsbasierte rigide (starre) und nicht-rigide Registrierungsverfahren räumlich an die unkorrigierten PET-Emissionsdaten angepasst und zur AC verwendet. Zur Bewertung wurden die Tracerverteilungen in den PET-Bildern (vor AC, CT-AC, CT-AC nach Koregistrierung) visuell und mit Hilfe korrelierter Fadenkreuze verglichen. Zusätzlich untersuchten wir die ITK-Implementierung der bekannten B-spline basierten, nicht-rigiden Registrierungsansätze im Hinblick auf ihre Verwendbarkeit für die multimodale PET/CT-Ganzkörperregistrierung.
Ergebnisse
Mittels landmarkenbasierter, nicht-rigider Registrierung konnte die Tracerverteilung in den PET-Daten lokal verbessert werden. Landmarkenbasierte rigide Registrierung führte zu starker Fehlregistrierung in entfernten Körperregionen. Automatische rigide und nicht-rigide Registrierung unter Verwendung der Mutual-Information-Ähnlichkeitsmetrik versagte auf allen verwendeten Datensätzen. Die automatische Registrierung mit B-spline-Funktionen zeigte vielversprechende Resultate in der Anwendung auf einem ähnlich gelagerten CT–MR-Registrierungsproblem.
Fazit
Retrospektive, nicht-rigide Registrierung unkorrigierter PET- und CT-Aufnahmen aus kombinierten Aufnahmensystemen vor der AC kann die Qualität von PET-Aufnahmen im klinischen Einsatz verbessern. Trotzdem steht bis heute im klinischen Alltag keine validierte, automatische Registrierungssoftware zur Verfügung. Wir verfolgen dazu Ansätze für validierte, nicht-rigide Bildregistrierung für den klinischen Einsatz und präsentieren erste Ergebnisse.