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 - CHAP A1 - Joachimsky, Robert A1 - Ambellan, Felix A1 - Zachow, Stefan T1 - Computerassistierte Auswahl und Platzierung von interpositionalen Spacern zur Behandlung früher Gonarthrose T2 - Proceedings of the Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie (CURAC) 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. KW - Osteoarthrose KW - Kniegelenk KW - Medizinische Planung KW - Visualisierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-65321 VL - 16 SP - 106 EP - 111 ER - TY - JOUR A1 - Tack, Alexander A1 - Preim, Bernhard A1 - Zachow, Stefan T1 - Fully automated Assessment of Knee Alignment from Full-Leg X-Rays employing a "YOLOv4 And Resnet Landmark regression Algorithm" (YARLA): Data from the Osteoarthritis Initiative JF - Computer Methods and Programs in Biomedicine N2 - We present a method for the quantification of knee alignment from full-leg X-Rays. A state-of-the-art object detector, YOLOv4, was trained to locate regions of interests (ROIs) in full-leg X-Ray images for the hip joint, the knee, and the ankle. Residual neural networks (ResNets) were trained to regress landmark coordinates for each ROI.Based on the detected landmarks the knee alignment, i.e., the hip-knee-ankle (HKA) angle, was computed. The accuracy of landmark detection was evaluated by a comparison to manually placed landmarks for 360 legs in 180 X-Rays. The accuracy of HKA angle computations was assessed on the basis of 2,943 X-Rays. Results of YARLA were compared to the results of two independent image reading studies(Cooke; Duryea) both publicly accessible via the Osteoarthritis Initiative. The agreement was evaluated using Spearman's Rho, and weighted kappa as well as regarding the correspondence of the class assignment (varus/neutral/valgus). The average difference between YARLA and manually placed landmarks was less than 2.0+- 1.5 mm for all structures (hip, knee, ankle). The average mismatch between HKA angle determinations of Cooke and Duryea was 0.09 +- 0.63°; YARLA resulted in a mismatch of 0.10 +- 0.74° compared to Cooke and of 0.18 +- 0.64° compared to Duryea. Cooke and Duryea agreed almost perfectly with respect to a weighted kappa value of 0.86, and showed an excellent reliability as measured by a Spearman's Rho value of 0.99. Similar values were achieved by YARLA, i.e., a weighted kappa value of0.83 and 0.87 and a Spearman's Rho value of 0.98 and 0.99 to Cooke and Duryea,respectively. Cooke and Duryea agreed in 92% of all class assignments and YARLA did so in 90% against Cooke and 92% against Duryea. In conclusion, YARLA achieved results comparable to those of human experts and thus provides a basis for an automated assessment of knee alignment in full-leg X-Rays. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.cmpb.2021.106080 VL - 205 IS - 106080 ER - TY - GEN A1 - Stalling, Detlev A1 - Seebass, Martin A1 - Zachow, Stefan T1 - Mehrschichtige Oberflächenmodelle zur computergestützten Planung in der Chirurgie N2 - Polygonale Schädelmodelle bilden ein wichtiges Hilfsmittel für computergestützte Planungen im Bereich der plastischen Chirurgie. Wir beschreiben, wie derartige Modelle automatisch aus hochaufgelösten CT-Datensätzen erzeugt werden können. Durch einen lokal steuerbaren Simplifizierungsalgorithmus werden die Modelle so weit vereinfacht, daß auch auf kleineren Graphikcomputern interaktives Arbeiten möglich wird. Die Verwendung eines speziellen Transparenzmodells ermöglicht den ungehinderten Blick auf die bei der Planung relevanten Knochenstrukturen und läßt den Benutzer zugleich die Kopfumrisse des Patienten erkennen. T3 - ZIB-Report - TR-98-05 KW - Isoflächen KW - Simplifizierung KW - Transparenzen Y1 - 1998 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:0297-zib-5661 ER - TY - CHAP A1 - Zachow, Stefan A1 - Kubiack, Kim A1 - Malinowski, Jana A1 - Lamecker, Hans A1 - Essig, Harald A1 - Gellrich, Nils-Claudius T1 - Modellgestützte chirurgische Rekonstruktion komplexer Mittelgesichtsfrakturen T2 - Proc. BMT, Biomed Tech 2010 Y1 - 2010 VL - 55 (Suppl 1) SP - 107 EP - 108 PB - Walter de Gruyter-Verlag ER - TY - JOUR A1 - Ramm, Heiko A1 - Kahnt, Max A1 - Zachow, Stefan T1 - Patientenspezifische Simulationsmodelle für die funktionelle Analyse von künstlichem Gelenkersatz JF - Computer Aided Medical Engineering (CaMe) Y1 - 2012 VL - 3 IS - 2 SP - 30 EP - 36 ER - TY - CHAP A1 - Ramm, Heiko A1 - Zachow, Stefan ED - Niederlag, Wolfgang ED - Lemke, Heinz ED - Peitgen, Heinz-Otto ED - Lehrach, Hans T1 - Computergestützte Planung für die individuelle Implantatversorgung T2 - Health Academy Y1 - 2012 VL - 16 SP - 145 EP - 158 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 - 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 - 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 - JOUR A1 - Grewe, Carl Martin A1 - Liu, Tuo A1 - Hildebrandt, Andrea A1 - Zachow, Stefan T1 - The Open Virtual Mirror Framework for Enfacement Illusions - Enhancing the Sense of Agency With Avatars That Imitate Facial Expressions JF - Behavior Research Methods Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3758/s13428-021-01761-9 PB - Springer ER -