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Medizinische und biologische Bildanalyse, Modellierung und Visualisierung

Der Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung des Lehrstuhls Informatik VII in diesem Bereich besteht in der Bereitstellung von effizienten und effektiven Lösungsverfahren für Grundaufgaben in diesem Bereich, die in das verfügbare Methodenspektrum fallen. Zudem werden medizinische und biologische Problemstellungen für die Lösung durch Rechner zugänglich gemacht. Aus Sicht der Grundaufgaben lassen sich die behandelten Problemstellungen in folgende Bereiche aufteilen:
  • Bilderzeugung und Visualisierung
  • Registrierung von Bilddaten unterschiedlicher Modalitäten
  • Segmentierung
  • Klassifikation
  • Biomechanik
  • Fertigungstechnische Aspekte
  • Mensch-Maschine-Interaktion
An besonderen Anwendungsfeldern sind die Radiologie, der intravaskuläre Ultraschall, die Histologie und die Zahntechnik aufzuführen.

Bilderzeugung und Visualisierung

Eine wesentliche Aufgabe für die Bilderzeugung im Kontext medizinischer Bildverarbeitung ist die Erstellung aussagekräftiger Bilder aus raumfüllenden Daten, so genannten Volumendaten. Für große Datensätze ist dies recht rechenaufwändig, was dem Wunsch nach interaktiver visueller Exploration entgegensteht. Schwerpunkt einer Dissertation [Diss. Westermann] war die effiziente Visualisierung auf Grundlage einer komprimierten und mehrfach aufgelösten Repräsentation von Volumendaten. Im Rahmen einer Diplomarbeit [DA Spiegel] wurde ein verteiltes Verfahren für NORMA-Rechnerarchitekturen entworfen, implementiert und realisiert. Ein weiterer Aspekt der Visualisierung von Daten aus bildgebenden Verfahren ist die visuelle Verbesserung, die auf die Elimination von Artefakten hinzielt, die bei der Bilderfassung auftreten. In diesem Bereich wurden Verfahren zur Stabilisierung digitalisierter Videosignale bei bewegungsunruhigen, Heliobacter pylori besiedelter Magenschleimhaut narkotisierter Tiere entwickelt [DA Wojciechowski].

Publikationen:

M. Kukuk, B. Geiger, H. Müller, TBNA-protocols: Guiding Trans-bronchial Needle Aspirations without a Computer in the Operation Room, in: Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention - MICCAI 2001, W.J. Niessen, M.A. Viergever (eds.), Lecture Notes in Computer Science 2208, 2001, 997-1006

Dissertationen:

Markus Kukuk, A Model-Based Approach to Intraoperative Guidance of Flexible Endoscopy, Dissertation Fachbereich Informatik, Universität Dortmund, 2003

Diplomarbeiten:

Jeremias Spiegel, 2008, Distributed Volume Rendering on NORMA Architectures Alexander Wojciechowski, 2006, Software-Echtzeit-Stabilisierung digitalisierter Videosignale der bewegungsunruhigen, Heliobacter pylori besiedelten Magenschleimhaut narkotisierter Tiere

Registrierung von Bilddaten unterschiedlicher Modalitäten

Die Erfassung von Bildern eines Objektes auf unterschiedlicher physikalischer Grundlage ermöglicht die Visualisierung verschiedener Merkmale, die durch nur eines der Verfahren nicht wahrnehmbar sind. Diese Vorgehensweise erfordert die Kombination der resultierenden Bilddaten. Diese Aufgabe wird dadurch erschwert, dass die Bilder häufig nicht aufeinander angepasst erfasst werden. Ferner können die Bilder unterschiedliche Skalierungen und Verzerrungen aufweisen. Das wechselseitige Einpassen von Bildern ist Gegenstand der Registrierung. Am Lehrstuhl Informatik VII bearbeitete Fragestellungen zur Registrierung sind
  • die Registrierung von Computertomographie- und Szintigraphiebildern [DA Fricke]
  • die effiziente Berechnung von Registrierungen von medizinischen Volumendatensätzen durch den Einsatz von Computergraphik-Hardware [DA Fabianowski]
  • die Registrierung von zweidimensionalen Röntgenbildern in dreidimensionalen Datensätzen unter Einsatz von Volumenbilderzeugung [DA Kupetz], angefertigt in Zusammenarbeit mit RIF e.V. Robotertechnik Dortmund

Diplomarbeiten:

Bartosz Fabianowski, 2006, Efficient GPU-Based Multi-Modal Medical Volume Registration Michael Fricke, 2007, 2D/3D Medical Image Registration of Scintigram and CT André Kupetz, 2006, 2D/3D-Registrierung medizinischer Bilddaten unter Einsatz des Volumenrenderings

Segmentierung und Klassifikation

Gegenstand der Segmentierung ist das Auffinden von Strukturen in Bildern oder Volumen, die bezüglich einer Anwendung von Interesse sind. Die Klassifikation befasst sich mit der Einordnung von Strukturen in eine anwendungsbezogene Klassenaufteilung. Das Projekt „Klassifikation morphologischer und pathologischer Strukturen in koronaren Gefäßen auf Basis intravaskulären Ultraschallaufnahmen zur klinischen Anwendung in einem IVB-System“ befasst sich mit der Segmentierung von Blutgefäßquerschnitten in anatomische und krankheitsbezogene Strukturen, etwa Blaque. Ein Gegenstand des Projektes Histologische Schnitte ist die Segmentierung von histologischen Schnittbildern in relevante Gebiete, z.B Zellplasma, Zellkern. Umgekehrt werden basierend auf Segmentierergebnissen synthetische histologische Schnitte in gewünschter Form und Größe erzeugt. Ein Anwendungsgebiet hiervon ist die Lehre. In diesem Zusammenhang wurde in einem Projekt „Ein neuer e-Learning Ansatz für Blinde und hochgradig Sehbehinderte“ auch eine haptische Visualisierung für stark sehbehinderte Menschen realisiert. Weitere, im Wesentlichen in Diplomarbeiten behandelte Problemstellungen sind
  • die morphologische Klassifizierung am Beispiel unfixierter Erythrozyten [Jägermann]
  • die Segmentierung und Volumenbestimmung von Tumoren in MRT Mammographien [Schramm]
  • die Myokard-Segmentierung aus dynamischen MR- und CT-Daten zur Herzfunktionsdiagnostik [Böhler], ausgeführt zusammen mit MeVis Bremen
  • die Verfolgung neuronaler Faserbündel auf Magnet-Resonanz-Tomographie-Datensätzen mittels Diffusionssimulation [Haltermann]
  • die Gefäßbaumverfolgung und -visualisierung von Angio-CT-Volumendaten [Jäger, Weichert], siehe auch Angiolizer - Medical Image Processing

Publikationen (für projektbezogene Publikationen siehe entsprechende Projektseite):

Hendrik Belitz, Karl Rohr, H. Müller, Gudrun Wagenknecht, First results of an automated model-based segmentation system for subcortical structures in human brain MRI data, Proceedings of the 2006 IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro. IEEE, 2006, ISBN 0-7803-9577-8, 402-405

Projekte:

Histologische Schnitte Ein neuer e-Learning Ansatz für Blinde und hochgradig Sehbehinderte Klassifikation morphologischer und pathologischer Strukturen in koronaren Gefäßen auf Basis intravaskulären Ultraschallaufnahmen zur klinischen Anwendung in einem IVB-System Angiolizer - Medical Image Processing

Projektgruppen:

[CellTrack] - Automatische Erfassung von Migrationspfaden in 3D-Zellkulturen

Diplomarbeiten (weitere bei den Projektbeschreibungen):

Tobias Böhler, 2005, Myokard-Segmentierung aus dynamischen MR- und CT-Daten zur Herzfunktionsdiagnostik, angefertigt bei MeVis, Bremen Tobias Haltermann, 2004, Verfolgung neuronaler Faserbündel auf Magnet-Resonanz-Tomographie-Datensätzen mittels Diffusionssimulation Stefan Jäger, Frank Weichert, 2000. Gefäßbaumverfolgung und -visualisierung von Angio-CT-Volumendaten Andreas Jägermann, 2006, Einsatz unscharfer Logik zur morphologischen Klassifizierung am Beispiel unfixierter Erythrozyten Thomas Schramm, 2006, Segmentierung und Volumenbestimmung von Tumoren in MRT Mammographien

Projektgruppen:

[3D-IVUS View] - Korrekte dreidimensionale Visualisierung von Blutgefäßen durch Matching von intravaskulären Ultraschall- und biplanaren Angiographiedaten

Biomechanik

Im Rahmen einer Diplomarbeit [DA Wawro] wurde ein objektorientierter Software- Rahmen für die Simulation Biomechanik des Kniegelenkes in parallelen Rechnerumgebungen entwickelt. Gegenstand des Projektes Kraftentwicklung als Basis virtuell optimierter rekonstruktiver Chirurgie ist die Analyse biomechanischer Mechanismen im Zusammenhang mit der Chirurgie von Gaumen-Lippen-Kieferspalten.

Projekte:

Erstellung einer volumetrischen Finite-Elemente-Analyse der muskulären Kraftentwicklung als Basis virtuell optimierter rekonstruktiver Chirurgie

Publikationen (weitere bei den Projektbeschreibungen):

Martin Wawro, Object-oriented FEM-based Simulation of Knee-Joint Biomechanics on Parallel Architectures, Bildverarbeitung für die Medizin 2001, pp. 67-71, Springer Verlag, München, 2001

Diplomarbeiten (weitere bei den Projektbeschreibungen):

Martin Wawro, 2000, An Object Oriented Framework for the Simulation of Knee-Joint Biomechanics in Parallel Environments

Mensch-Maschine-Interaktion

Gegenstand im Bereich der Mensch-Maschine-Interaktion im medizinischen Kontext war die Schaffung eines radiologischen Bildinspektionssystems mit einer intuitiven Benutzungsschnittstelle basierend auf aktuellen Interaktionsgeräten. Daraus ist die Firma digitalmedics hervorgegangen, bei der weitere Information erhältlich ist.

Fertigungstechnische Aspekte

In dem Projekt Automatische Generierung von nebenläufigen Algorithmen zur Generierung von Fräsbahnen für 3-Achs-Fräsmaschinen bei dentalen Implantaten geht es um die Erzeugung physischer dentaler Modelle aus Messdaten durch Fräsen. Mehr Information ist auf der Web-Seite des Projektes zu finden.

Projekte:

Automatische Generierung von nebenläufigen Algorithmen zur Generierung von Fräsbahnen für 3-Achs-Fräsmaschinen bei dentalen Implantaten