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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.
Background: Currently, it is common practice to use three-dimensional (3D) printers not only for rapid prototyping in the industry, but also in the medical area to create medical applications for training inexperienced surgeons. In a clinical training simulator for minimally invasive bone drilling to fix hand fractures with Kirschner-wires (K-wires), a 3D-printed hand phantom must not only be geometrically but also haptically correct. Due to a limited view during an operation, surgeons need to perfectly localize underlying risk structures only by feeling of specific bony protrusions of the human hand.
Methods: The goal of this experiment is to imitate human soft tissue with its haptic and elasticity for a realistic hand phantom fabrication, using only a dual-material 3D printer and support-material-filled metamaterial between skin and bone. We present our workflow to generate lattice structures between hard bone and soft skin with iterative cube edge (CE) or cube face (CF) unit cells. Cuboid and finger shaped sample prints with and without inner hard bone in different lattice thickness are constructed and 3D printed.
Results: The most elastic available rubber-like material is too firm to imitate soft tissue. By reducing the amount of rubber in the inner volume through support material (SUP), objects become significantly softer. Without metamaterial, after disintegration, the SUP can be shifted through the volume and thus the body loses its original shape. Although the CE design increases the elasticity, it cannot restore the fabric form. In contrast to CE, the CF design increases not only the elasticity but also guarantees a local limitation of the SUP. Therefore, the body retains its shape and internal bones remain in its intended place. Various unit cell sizes, lattice thickening and skin thickness regulate the rubber material and SUP ratio. Test prints with higher SUP and lower rubber material percentage appear softer and vice versa. This was confirmed by an expert surgeon evaluation. Subjects adjudged pure rubber-like material as too firm and samples only filled with SUP or lattice structure in CE design as not suitable for imitating tissue. 3D-printed finger samples in CF design were rated as realistic compared to the haptic of human tissue with a good palpable bone structure.
Conclusions: We developed a new dual-material 3D print technique to imitate soft tissue of the human hand with its haptic properties. Blowy SUP is trapped within a lattice structure to soften rubber-like 3D print material, which makes it possible to reproduce a realistic replica of human hand soft tissue.
Vascular malformations (VMs) are a rare condition. They can be categorized into high-flow and low-flow VMs, which is a challenging task for radiologists. In this work, a very heterogeneous set of MRI images with only rough annotations are used for classification with a convolutional neural network. The main focus is to describe the challenging data set and strategies to deal with such data in terms of preprocessing, annotation usage and choice of the network architecture. We achieved a classification result of 89.47 % F1-score with a 3D ResNet 18.
Medical image processing provides core innovation for medical imaging. This paper is focused on recent developments from science to applications analyzing the past fifteen years of history of the proceedings of the German annual meeting on medical image processing (BVM). Furthermore, some members of the program committee present their personal points of views: (i) multi-modality for imaging and diagnosis, (ii) analysis of diffusion-weighted imaging, (iii) model-based image analysis, (iv) registration of section images, (v) from images to information in digital endoscopy, and (vi) virtual reality and robotics. Medical imaging and medical image computing is seen as field of rapid development with clear trends to integrated applications in diagnostics, treatment planning and treatment.
Time-Dependent Joint Probability Speed Function for Level-Set Segmentation of Rat-Brain Slices
(2008)
The segmentation of rat brain slices suffers from illumination inhomogeneities and staining effects. State-of-the-art level-set methods model slice and background with intensity mixture densities defining the speed function as difference between the respective probabilites. Nevertheless, the overlap of these distributions causes an inaccurate stopping at the slice border. In this work, we propose the characterisation of the border area with intensity pairs for inside and outside estimating joint intensity probabilities. Method - In contrast to global object and background models, we focus on the object border characterised by a joint mixture density. This specifies the probability of the occurance of an inside and an outside value in direct adjacency. These values are not known beforehand, because inside and outside depend on the level-set evolution and change during time. Therefore, the speed function is computed time-dependently at the position of the current zero level-set. Along this zero level-set curve, the inside and outside values are derived as mean along the curvature normal directing inside and outside the object. Advantage of the joint probability distribution is to resolve the distribution overlaps, because these are assumed to be not located at the same border position. Results - The novel time-dependent joint probability based speed function is compared expermimentally with single probability based speed functions. Two rat brains with about 40 slices are segmented and the results analysed using manual segmentations and the Tanimoto overlap measure. Improved results are recognised for both data sets.
Currently, it is common practice to use three-dimensional (3D) printers not only for rapid prototyping in the industry, but also in the medical area to create medical applications for training inexperienced surgeons. In a clinical training simulator for minimally invasive bone drilling to fix hand fractures with Kirschner-wires (K-wires), a 3D printed hand phantom must not only be geometrically but also haptically correct. Due to a limited view during an operation, surgeons need to perfectly localize underlying risk structures only by feeling of specific bony protrusions of the human hand.
Die Implantation eines Cochlea Implantates benötigt einen chirurgischen Zugang im Felsenbein und durch die Paukenhöhle des Patienten. Der Chirurg hat eine eingeschränkte Sicht im Operationsgebiet, die weiterhin viele Risikostrukturen enthält. Um eine Cochlea Implantation sicher und fehlerfrei durchzuführen, ist eine umfangreiche theoretische und praktische (teilweise berufsbegleitende) Fortbildung sowie langjährige Erfahrung notwendig. Unter Nutzung von realen klinischen CT/MRT Daten von Innen- und Mittelohr und der interaktiven Segmentierung der darin abgebildeten Strukturen (Nerven, Cochlea, Gehörknöchelchen,...) wird im HaptiVisT Projekt ein haptisch-visuelles Trainingssystem für die Implantation von Innen- und Mittelohr-Implantaten realisiert, das als sog. „Serious Game“ mit immersiver Didaktik gestaltet wird. Die Evaluierung des Demonstrators hinsichtlich Zweckmäßigkeit erfolgt prozessbegleitend und ergebnisorientiert, um mögliche technische oder didaktische Fehler vor Fertigstellung des Systems aufzudecken. Drei zeitlich versetzte Evaluationen fokussieren dabei chirurgisch-fachliche, didaktische sowie haptisch-ergonomische Akzeptanzkriterien.
Background
Breast reconstruction is an important coping tool for patients undergoing a mastectomy. There are numerous surgical techniques in breast reconstruction surgery (BRS). Regardless of the technique used, creating a symmetric outcome is crucial for patients and plastic surgeons. Three-dimensional surface imaging enables surgeons and patients to assess the outcome’s symmetry in BRS. To discriminate between autologous and alloplastic techniques, we analyzed both techniques using objective optical computerized symmetry analysis. Software was developed that enables clinicians to assess optical breast symmetry using three-dimensional surface imaging.
Methods
Twenty-seven patients who had undergone autologous (n = 12) or alloplastic (n = 15) BRS received three-dimensional surface imaging. Anthropomorphic data were collected digitally using semiautomatic measurements and automatic measurements. Automatic measurements were taken using the newly developed software. To quantify symmetry, a Symmetry Index is proposed.
Results
Statistical analysis revealed that there is no dif- ference in the outcome symmetry between the two groups (t test for independent samples; p = 0.48, two-tailed).
Conclusion
This study’s findings provide a foundation for qualitative symmetry assessment in BRS using automatized digital anthropometry. In the present trial, no difference in the outcomes’ optical symmetry was detected between autologous and alloplastic approaches.
Structural MRI brain analysis and segmentation is a crucial part in the daily routine in neurosurgery for intervention planning. Exemplarily, the free software FSL-FAST (FMRIB’s Segmentation Library – FMRIB’s Automated Segmentation Tool) in version 4 is used for segmentation of brain tissue types. To speed up the segmentation procedure by parallel execution, we transferred FSL-FAST to a General Purpose Graphics Processing Unit (GPGPU) using Open Computing Language (OpenCL) [1]. The necessary steps for parallelization resulted in substantially different and less useful results. Therefore, the underlying methods were revised and adapted yielding computational overhead. Nevertheless, we achieved a speed-up factor of 3.59 from CPU to GPGPU execution, as well providing similar useful or even better results.
Reduktion von Rissartefakten durch nicht-lineare Registrierung in histologischen Schnittbildern
(2009)
In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das Rissartefakte, die in histologischen Rattenhirnschnitten vorkommen können, durch nicht-lineare Registrierung reduziert. Um die Optimierung in der Rissregion zu leiten, wird der Curvature Registrierungsansatz um eine Metrik basierend auf der Segmentierung der Bilder erweitert. Dabei erzielten Registrierungen mit der ausschließlichen Segmentierung des Risses bessere Ergebnisse als Registrierungen mit einer Segmentierung des gesamten Hirnschnitts. Insgesamt zeigt sich eine deutliche Verbesserung in der Rissregion, wobei der verbleibende reduzierte Riss auf die Glattheitsbedingungen des Regularisierers zurückzuführen ist.