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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.
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.
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.
In dieser Arbeit wird die Segmentierung von Gehirngewebe aus Kopfaufnahmen von Ratten mittels Level-Set-Methoden vorgeschlagen. Dazu wird ein zweidimensionaler, kontrastbasierter Ansatz zu einem dreidimensionalen, lokal an die Bildintensität adaptierten Segmentierer erweitert. Es wird gezeigt, dass mit diesem echten 3D-Ansatz die lokalen Bildstrukturen besser berücksichtigt werden können. Insbesondere Magnet-Resonanz-Tomographien (MRTs) mit globalen Helligkeitsgradienten, beispielsweise bedingt durch Oberflächenspulen, können auf diese Weise zuverlässiger und ohne weitere Vorverarbeitungsschritte segmentiert werden. Die Leistungsfähigkeit des Algorithmus wird experimentell an Hand dreier Rattenhirn-MRTs demonstriert.
Zur Analyse von Lippenbewegungsabläufen wird ein aktives Konturmodell eingesetzt. Probleme bereitet die hohe Sprechgeschwindigkeit, die in star ken Objektverschiebungen result iert und bislang nicht durch eine alleinige Konturanpassung kompensiert werden kann. In diesem Beitrag werden die klassischen aktiven Konturmodelle um eine Vorjustierung der Grobkonturen erweitert, die eine energiebasierte Konturanpassung erst möglich macht. Die Schätzung der Verschiebung zur Vorjustierung basiert auf dem Gradientenbild und einem prädikatenlogisch formulierten Regelwerk, das Annahmen und Nebenbedingungen als Wissensbasis enthält. Mit Hilfe dieser Erweiterungen ist eine automatisierte Konturverfolgung der Lippen möglich.
Im Rahmen der Entwicklung eines haptisch-visuellen Trainingssystems für das Fräsen am Felsenbein werden ein Haptikarm und ein autostereoskopischer 3D-Monitor genutzt, um Chirurgen die virtuelle Manipulation von knöchernen Strukturen im Kontext eines sog. Serious Game zu ermöglichen. Unter anderem sollen Assistenzärzte im Rahmen ihrer Ausbildung das Fräsen am Felsenbein für das chirurgische Einsetzen eines Cochlea-Implantats üben können. Die Visualisierung des virtuellen Fräsens muss dafür in Echtzeit und möglichst realistisch modelliert, implementiert und evaluiert werden. Wir verwenden verschiedene Raycasting Methoden mit linearer und Nearest Neighbor Interpolation und vergleichen die visuelle Qualität und die Bildwiederholfrequenzen der Methoden. Alle verglichenen Verfahren sind sind echtzeitfähig, unterscheiden sich aber in ihrer visuellen Qualität.
Die Lehre der medizinischen Bildverarbeitung vermittelt Kenntnisse mit einem breiten Methodenspektrum. Neben den Grundlagen der Verfahren soll ein Gefühl für eine geeignete Ausführungsreihenfolge und ihrer Wirkung auf medizinische Bilddaten entwickelt werden. Die Komplexität der Methoden erfordert vertiefte Programmierkenntnisse, sodass bereits einfache Operationen mit großem Programmieraufwand verbunden sind. Die Software GraphMIC stellt Bildverarbeitungsoperationen in Form interaktiver Knoten zur Verfügung und erlaubt das Arrangieren, Parametrisieren und Ausführen komplexer Verarbeitungssequenzen in einem Graphen. Durch den Fokus auf das Design einer Pipeline, weg von sprach- und frameworkspezifischen Implementierungsdetails, lassen sich grundlegende Prinzipien der Bildverarbeitung anschaulich erlernen. In diesem Beitrag stellen wir die visuelle Programmierung mit GraphMIC der nativen Implementierung äquivalenter Funktionen gegenüber. Die in C++ entwickelte Applikation basiert auf Qt, ITK, OpenCV, VTK und MITK.
Statistische Eigenschaften natürlicher Grauwerttexturen werden mit Co-Occurrence Matrizen, basierend auf der Grauwertstatistik zweiter Ordnung, modelliert. Die Matrix gibt dann die apriori Wahrscheinlichkeiten aller Grauwertpaare an. Da in der medizinischen Bildverarbeitung verstärkt Multispektralbilder ausgewertet werden, wird das bekannte Konzept hier auf beliebige Vektorbilder erweitert. Dadurch kann bei der Texturklassifikation die zur Verfügung stehende Information vollständig genutzt werden. Insbesondere zur Detektion von Farbtexturen ist dieser Ansatz geeignet, da Wertepaare unterschiedlicher Spektralebenen ausgewertet werden können. Ebenso kann die Methode auch bei der Multiskalendekomposition von Intensitätsbildern zur Verbesserung der Texturerkennung beitragen. Die in den Matrizen entstehenden Muster lassen dann über die Extraktion geeigneter Texturdeskriptoren Rückschlüsse auf die Texturen des Bildes zu.
Quantitative Farbmessungen sollen die Diagnostik laryngealer Erkrankungen unterstützen. Dabei wird der Farbeindruck nicht nur durch die Reflexionseigenschaften des Gewebes sondern auch durch die Farbe der verwendeten Lichtquelle beeinflußt. Der hier vorgestellte Farbkonstanz-Algorithmus basiert auf dem dichromatischen Reflexionsmodell und liefert eine pixelweise Trennung des Farbbildes in seine beiden Faxbanteile. Die Körperfarbe entspricht dabei der gewebespezifischen Reflexion, die Oberfächenfarbe der Strahlung der Lichtquelle.