TY - GEN A1 - Kober, Cornelia A1 - Sader, Robert A1 - Zeilhofer, Hans-Florian A1 - Prohaska, Steffen A1 - Zachow, Stefan A1 - Deuflhard, Peter T1 - Anisotrope Materialmodellierung für den menschlichen Unterkiefer N2 - Im Rahmen der biomechanischen Simulation knöcherner Organe ist die Frage nach einer befriedigenden Materialbeschreibung nach wie vor ungelöst. Computertomographische Datensätze liefern eine räumliche Verteilung der (Röntgen-)Dichte und ermöglichen damit eine gute Darstellung der individuellen Geometrie. Weiter können die verschiedenen Materialbestandteile des Knochens, Spongiosa und Kortikalis, voneinander getrennt werden. Aber die richtungsabängige Information der Materialanisotropie ist verloren. In dieser Arbeit wird ein Ansatz für eine anisotrope Materialbeschreibung vorgestellt, die es ermöglicht, den Einfluss der individuellen knöchernen Struktur auf das makroskopische Materialverhalten abzuschätzen. T3 - ZIB-Report - 01-31 KW - menschlicher Unterkiefer KW - Simulation mit der Methode der finiten Elemente KW - innerer Aufbau des Knochens KW - anisotrope Elastizität Y1 - 2001 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-6574 ER - TY - GEN A1 - Hege, Hans-Christian A1 - Merzky, Andre A1 - Zachow, Stefan T1 - Distributed Visualization with OpenGL Vizserver: Practical Experiences N2 - The increasing demand for distributed solutions in computing technology does not stop when it comes to visualization techniques. However, the capabilities of todays applications to perform remote rendering are limited by historical design legacys. Especially the popular X11 protokoll, which has been proven to be extremely flexible and usefull for remote 2D graphics applications, breaks down for the case of remote 3D rendering. In this white paper, we give a short overview of generic remote rendering technologies available today, and compare their performance to the recently released vizserver by SGI: a network extension to the SGI OpenGL rendering engines. T3 - ZIB-Report - 00-31 KW - remote visualization KW - high performance computing Y1 - 2000 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-5992 ER - TY - GEN A1 - Deuflhard, Peter A1 - Dössel, Olaf A1 - Louis, Alfred A1 - Zachow, Stefan T1 - Mehr Mathematik wagen in der Medizin N2 - Der Artikel gibt einen Einblick in das reiche Feld der Zusammenarbeit zwischen Mathematik und Medizin. Beispielhaft werden drei Erfolgsmodelle dargestellt: Medizinische Bildgebung, mathematische Modellierung und Biosignalverarbeitung im Bereich der Dynamik des Herzens sowie mathematische Modellierung und Simulation in der Krebstherapie Hyperthermie und der Mund-Kiefer-Gesichts-Chirurgie. In allen Fällen existiert ein Gleichklang der Interessen von Medizin und Mathematik: Beide Disziplinen wollen die Resultate schnell und zuverlässig. Für die Klinik heißt das, dass notwendige Rechnungen in möglichst kurzer Zeit, und zwar auf dem PC, ablaufen müssen und dass die Resultate so genau und belastbar sein müssen, dass medizinische Entscheidungen darauf aufbauen können. Für die Mathematik folgt daraus, dass höchste Anforderungen an die Effizienz der verwendeten Algorithmen und die darauf aufbauende Software in Numerik und Visualisierung zu stellen sind. Jedes Kapitel endet mit einer Darstellung der Perspektive des jeweiligen Gebietes. Abschließend werden mögliche Handlungsoptionen für Politik und Wirtschaft diskutiert. T3 - ZIB-Report - 08-25 Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-10776 SN - 1438-0064 ER - TY - THES A1 - Zachow, Stefan T1 - Computergestützte 3D Osteotomieplanung in der Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie unter Berücksichtigung der räumlichen Weichgewebeanordnung T1 - Computer assisted 3D osteotomy planning in cranio-maxillofacial surgery under consideration of facial soft tissue arrangement N2 - In der Arbeit wird die computergestützte Planung von chirurgisch gesetzten Knochenfrakturen bzw. Knochenschnitten (sogenannten Osteotomien) an dreidimensionalen, computergrafischen Schädelmodellen, sowie die Umpositionierung separierter knöcherner Segmente im Kontext der rekonstruktiven MKG-Chirurgie behandelt. Durch die 3D Modellierung und Visualisierung anatomischer Strukturen, sowie der 3D Osteotomie- und Umstellungsplanung unter Einbeziehung der resultierenden Weichgewebedeformation wird den Chirurgen ein Werkzeug an die Hand gegeben, mit dem eine Therapieplanung am Computer durchgeführt und diese in Hinblick auf Funktion und Ästhetik bewertet werden kann. Unterschiedliche Strategien können dabei erprobt und in ihrer Auswirkung erfasst werden. Dazu wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der zum einen die chirurgische Planung im Vergleich zu existierenden Ansätzen deutlich verbessert und zum anderen eine robuste Weichgewebeprognose, durch den Einsatz geeigneter Planungsmodelle und eines physikalisch basierten Weichgewebemodells unter Nutzung numerischer Lösungsverfahren in die Planung integriert. Die Visualisierung der Planungsergebnisse erlaubt sowohl eine anschauliche und überzeugende, präoperative Patientenaufklärung, als auch die Demonstration möglicher Vorgehensweisen und deren Auswirkungen für die chirurgische Ausbildung. Ferner ergänzen die Planungsdaten die Falldokumentation und liefern einen Beitrag zur Qualitätssicherung. Die Arbeit ist in sieben Kapitel gegliedert und wie folgt strukturiert: Zuerst wird die medizinische Aufgabenstellung bei der chirurgischen Rekonstruktion von Knochenfehlbildungen und -fehlstellungen in der kraniofazialen Chirurgie sowie die daraus resultierenden Anforderungen an die Therapieplanung beschrieben. Anschließend folgt ein umfassender Überblick über entsprechende Vorarbeiten zur computergestützten Planung knochenverlagernder Operationen und eine kritische Bestandsaufnahme der noch vorhandenen Defizite. Nach der Vorstellung des eigenen Planungsansatzes wird die Generierung individueller, qualitativ hochwertiger 3D Planungsmodelle aus tomografischen Bilddaten beschrieben, die den Anforderungen an eine intuitive, 3D Planung von Umstellungsosteotomien entsprechen und eine Simulation der daraus resultierenden Weichgewebedeformation mittels der Finite-Elemente Methode (FEM) ermöglichen. Die Methoden der 3D Schnittplanung an computergrafischen Modellen werden analysiert und eine 3D Osteotomieplanung an polygonalen Schädelmodellen entwickelt, die es ermöglicht, intuitiv durch Definition von Schnittlinien am 3D Knochenmodell, eine den chirurgischen Anforderungen entsprechende Schnittplanung unter Berücksichtigung von Risikostrukturen durchzuführen. Separierte Knochensegmente lassen sich im Anschluss interaktiv umpositionieren und die resultierende Gesamtanordnung hinsichtlich einer funktionellen Rehabilitation bewerten. Aufgrund des in dieser Arbeit gewählten, physikalisch basierten Modellierungsansatzes kann unter Berücksichtigung des gesamten Weichgewebevolumens aus der Knochenverlagerung direkt die resultierende Gesichtsform berechnet werden. Dies wird anhand von 13 exemplarischen Fallstudien anschaulich demonstriert, wobei die Prognosequalität mittels postoperativer Fotografien und postoperativer CT-Daten überprüft und belegt wird. Die Arbeit wird mit einem Ausblick auf erweiterte Modellierungsansätze und einem Konzept für eine integrierte, klinisch einsetzbare Planungsumgebung abgeschlossen. N2 - In cranio-maxillofacial surgery, physicians are often faced with skeletal malformations that require complex bone relocations. Especially in severe cases of congenital dysgnathia (misalignment of upper and lower jaw) or hemifacial microsomia (asymmetric bone and tissue development), where multiple bone segments are to be mobilized and relocated simultaneously and in relation to each other, careful preoperative planning is mandatory. At present in clinical routine not all possible strategies can be planned and assessed with regard to functional rehabilitation. Moreover, the aesthetic outcome, i.e. the postoperative facial appearance, can only be estimated by a surgeon's experience and hardly communicated to the patient. On this account, a preoperative planning of complex osteotomies with bone relocations on a computerized model of a patient's head, including a reliable three-dimensional prediction and visualization of the post-surgical facial appearance is a highly appreciated possibility cranio-maxillofacial surgeons are longing for. This work, being performed at Zuse Institute Berlin (ZIB), addresses such a computer based 3D~surgery planning. A processing pipeline has been established and a simulation environment has been developed on basis of the software Amira, enabling a surgeon to perform bone cuts and bone rearrangements in an intuitive manner on virtual patient models. In addition, a prediction of the patients' postoperative appearance according to the relocated bone can be simulated and visualized realistically. For a meaningful planning of surgical procedures, anatomically correct patient models providing all relevant details are reconstructed from tomographic data with high fidelity. These patient models reliably represent bony structures as well as the facial soft tissue. Unstructured volumetric grids of the soft tissue are generated for a fast and efficient numerical solution of partial differential equations, describing tissue deformation on the foundation of 3D elastomechanics. The planning of osteotomies (bone cuts) for the mobilization and relocation of bone segments is performed in accordance to the planning on basis of life size replicas of a patient's skull, i.e. stereolitographic models. Osteotomy lines can be drawn on top of the polygonal planning models using suitable input devices. After evaluation of the consequence of a planned cut with regard to vulnerable inner structures (nerves, teeth etc.) the model is separated accordingly. A relocation of bone segments can be performed unrestrictedly in 3D or restricted to a translation or rotation within arbitrarily chosen planes under consideration of cephalometric guidelines. Bone and tooth collisions can be evaluated for functional analysis or orthodontic treatment planning with possible integration of digitized dental plaster casts. As a result of the preoperative planning, a single transformation matrix, encoding translation and rotation, or a sequence of such matrices are provided for each bone segment. Both the osteotomy paths and the transformation parameters can finally be used for intra-operative navigation. In the course of the planning, the relocated positions of bone segments serve as an input for the simulation of the resulting soft tissue deformation. Since bone and surrounding soft tissue share common boundaries that are either fixed or translocated, the resulting configuration of the entire tissue volume can be computed from the given boundary displacements by numerical minimization of the internal strain energy on basis of a biomechanical model, using a finite-element approach. In collaboration with different surgeons and hospitals more than 25 treatments have been accompanied by preoperative planning so far ranging from mandibular and midfacial hypoplasia to complex hemifacial microsomia. 13 of these cases are presented within this work. Simulation results were validated on the basis of photographs as well as of postoperative CT data, showing a good correlation between simulation and postoperative outcome. Further aspects of improving the modeling approach are discussed. It has been demonstrated that 3D~osteotomy planning on virtual patient models can be performed intuitively, and that 3D~tissue deformation for cranio-maxillofacial osteotomy planning can be predicted numerically without using heuristic ratios. It can be stated that by using 3D~planning software, a surgeon gains a better spatial understanding of complex dysplasia, and the 3D~soft tissue prediction gives an additional criterion for the assessment of the planned strategy. It turned out that, especially in complex cases such as hemifacial microsomia or for decisions bet­ween mono- and bimaxillary advancements, a 3D~planning aid is extremely helpful. The conclusion is, that images and animations created within the planning phase provide a valuable planning criterion for maxillofacial surgeons as well as a demonstrative information for patients and their relatives, thus greatly enhancing patient information, as well as surgical education. All data that result from the planning are also important for documentation and quality assurance. 3D osteotomy planning, including soft tissue prediction, likely will become a new paradigm of plastic and reconstructive surgery planning in the future. An assortment of results can be found under: http://www.zib.de/visual/medical/projects KW - MKG-Chirurgie KW - Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie KW - Therapieplanung KW - Osteotomie KW - Weichgewebeprädiktion KW - computer assisted surgery KW - therapy planning KW - osteotomy KW - soft tissue prediction KW - CAS Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-10432 SN - 3899631986 ER - TY - GEN A1 - Zachow, Stefan A1 - Zilske, Michael A1 - Hege, Hans-Christian T1 - 3D reconstruction of individual anatomy from medical image data: Segmentation and geometry processing N2 - For medical diagnosis, visualization, and model-based therapy planning three-dimensional geometric reconstructions of individual anatomical structures are often indispensable. Computer-assisted, model-based planning procedures typically cover specific modifications of “virtual anatomy” as well as numeric simulations of associated phenomena, like e.g. mechanical loads, fluid dynamics, or diffusion processes, in order to evaluate a potential therapeutic outcome. Since internal anatomical structures cannot be measured optically or mechanically in vivo, three-dimensional reconstruction of tomographic image data remains the method of choice. In this work the process chain of individual anatomy reconstruction is described which consists of segmentation of medical image data, geometrical reconstruction of all relevant tissue interfaces, up to the generation of geometric approximations (boundary surfaces and volumetric meshes) of three-dimensional anatomy being suited for finite element analysis. All results presented herein are generated with amira ® – a highly interactive software system for 3D data analysis, visualization and geometry reconstruction. T3 - ZIB-Report - 07-41 KW - Medical image segmentation KW - computational geometry KW - virtual anatomy KW - finite element meshes Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-10440 SN - 1438-0064 ER - TY - GEN A1 - Weiser, Martin A1 - Erdmann, Bodo A1 - Schenkl, Sebastian A1 - Muggenthaler, Holger A1 - Hubig, Michael A1 - Mall, Gita A1 - Zachow, Stefan T1 - Uncertainty in Temperature-Based Determination of Time of Death N2 - Temperature-based estimation of time of death (ToD) can be per- formed either with the help of simple phenomenological models of corpse cooling or with detailed mechanistic (thermodynamic) heat transfer mod- els. The latter are much more complex, but allow a higher accuracy of ToD estimation as in principle all relevant cooling mechanisms can be taken into account. The potentially higher accuracy depends on the accuracy of tissue and environmental parameters as well as on the geometric resolution. We in- vestigate the impact of parameter variations and geometry representation on the estimated ToD based on a highly detailed 3D corpse model, that has been segmented and geometrically reconstructed from a computed to- mography (CT) data set, differentiating various organs and tissue types. From that we identify the most crucial parameters to measure or estimate, and obtain a local uncertainty quantifcation for the ToD. T3 - ZIB-Report - 17-18 KW - forensic medicine KW - determination of time of death KW - heat transfer equation KW - sensitivity i.r.t. thermal parameters KW - sensitivity i.r.t. geometric resolution Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-63818 SN - 1438-0064 ER - TY - GEN A1 - Ambellan, Felix A1 - Tack, Alexander A1 - Wilson, Dave A1 - Anglin, Carolyn A1 - Lamecker, Hans A1 - Zachow, Stefan T1 - Evaluating two methods for Geometry Reconstruction from Sparse Surgical Navigation Data N2 - In this study we investigate methods for fitting a Statistical Shape Model (SSM) to intraoperatively acquired point cloud data from a surgical navigation system. We validate the fitted models against the pre-operatively acquired Magnetic Resonance Imaging (MRI) data from the same patients. We consider a cohort of 10 patients who underwent navigated total knee arthroplasty. As part of the surgical protocol the patients’ distal femurs were partially digitized. All patients had an MRI scan two months pre-operatively. The MRI data were manually segmented and the reconstructed bone surfaces used as ground truth against which the fit was compared. Two methods were used to fit the SSM to the data, based on (1) Iterative Closest Points (ICP) and (2) Gaussian Mixture Models (GMM). For both approaches, the difference between model fit and ground truth surface averaged less than 1.7 mm and excellent correspondence with the distal femoral morphology can be demonstrated. T3 - ZIB-Report - 17-71 KW - Knee Arthroplasty KW - Sparse Geometry Reconstruction KW - Statistical Shape Models Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-66052 SN - 1438-0064 ER - TY - GEN A1 - Joachimsky, Robert A1 - Ambellan, Felix A1 - Zachow, Stefan T1 - Computerassistierte Auswahl und Platzierung von interpositionalen Spacern zur Behandlung früher Gonarthrose N2 - Degenerative Gelenkerkrankungen, wie die Osteoarthrose, sind ein häufiges Krankheitsbild unter älteren Erwachsenen. Hierbei verringert sich u.a. der Gelenkspalt aufgrund degenerierten Knorpels oder geschädigter Menisci. Ein in den Gelenkspalt eingebrachter interpositionaler Spacer soll die mit der Osteoarthrose einhergehende verringerte Gelenkkontaktfläche erhöhen und so der teilweise oder vollständige Gelenkersatz hinausgezögert oder vermieden werden. In dieser Arbeit präsentieren wir eine Planungssoftware für die Auswahl und Positionierung eines interpositionalen Spacers am Patientenmodell. Auf einer MRT-basierten Bildsegmentierung aufbauend erfolgt eine geometrische Rekonstruktion der 3D-Anatomie des Kniegelenks. Anhand dieser wird der Gelenkspalt bestimmt, sowie ein Spacer ausgewählt und algorithmisch vorpositioniert. Die Positionierung des Spacers ist durch den Benutzer jederzeit interaktiv anpassbar. Für jede Positionierung eines Spacers wird ein Fitness-Wert zur Knieanatomie des jeweiligen Patienten berechnet und den Nutzern Rückmeldung hinsichtlich Passgenauigkeit gegeben. Die Software unterstützt somit als Entscheidungshilfe die behandelnden Ärzte bei der patientenspezifischen Spacerauswahl. T3 - ZIB-Report - 17-72 KW - Osteoarthrose KW - Kniegelenk KW - Medizinische Planung KW - Visualisierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-66064 SN - 1438-0064 ER - TY - JOUR A1 - Sahu, Manish A1 - Mukhopadhyay, Anirban A1 - Szengel, Angelika A1 - Zachow, Stefan T1 - Addressing multi-label imbalance problem of Surgical Tool Detection using CNN JF - International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery N2 - Purpose: A fully automated surgical tool detection framework is proposed for endoscopic video streams. State-of-the-art surgical tool detection methods rely on supervised one-vs-all or multi-class classification techniques, completely ignoring the co-occurrence relationship of the tools and the associated class imbalance. Methods: In this paper, we formulate tool detection as a multi-label classification task where tool co-occurrences are treated as separate classes. In addition, imbalance on tool co-occurrences is analyzed and stratification techniques are employed to address the imbalance during Convolutional Neural Network (CNN) training. Moreover, temporal smoothing is introduced as an online post-processing step to enhance run time prediction. Results: Quantitative analysis is performed on the M2CAI16 tool detection dataset to highlight the importance of stratification, temporal smoothing and the overall framework for tool detection. Conclusion: The analysis on tool imbalance, backed by the empirical results indicates the need and superiority of the proposed framework over state-of-the-art techniques. Y1 - 2017 UR - https://link.springer.com/article/10.1007/s11548-017-1565-x U6 - https://doi.org/10.1007/s11548-017-1565-x N1 - Selected for final oral presentation VL - 12 IS - 6 SP - 1013 EP - 1020 PB - Springer ER - TY - GEN A1 - Lamas-Rodríguez, Julián A1 - Ehlke, Moritz A1 - Hoffmann, René A1 - Zachow, Stefan T1 - GPU-accelerated denoising of large tomographic data sets with low SNR BT - Application for non-invasive analysis of paleontological data N2 - Enhancements in tomographic imaging techniques facilitate non-destructive methods for visualizing fossil structures. However, to penetrate dense materials such as sediments or pyrites, image acquisition is typically performed with high beam energy and very sensitive image intensifiers, leading to artifacts and noise in the acquired data. The analysis of delicate fossil structures requires the images to be captured in maximum resolution, resulting in large data sets of several giga bytes (GB) in size. Since the structural information of interest is often almost in the same spatial range as artifacts and noise, image processing and segmentation algorithms have to cope with a very low signal-to-noise ratio (SNR). Within this report we present a study on the performance of a collection of denoising algorithms applied to a very noisy fossil dataset. The study shows that a non-local means (NLM) filter, in case it is properly configured, is able to remove a considerable amount of noise while preserving most of the structural information of interest. Based on the results of this study, we developed a software tool within ZIBAmira that denoises large tomographic datasets using an adaptive, GPU-accelerated NLM filter. With the help of our implementation a user can interactively configure the filter's parameters and thus its effectiveness with respect to the data of interest, while the filtering response is instantly visualized for a preselected region of interest (ROI). Our implementation efficiently denoises even large fossil datasets in a reasonable amount of time. T3 - ZIB-Report - 15-14 Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-56339 SN - 1438-0064 ER -