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Klassifikation morphologischer und pathologischer Strukturen in koronaren Gefäßen auf Basis intravaskulären Ultraschallaufnahmen zur klinischen Anwendung in einem IVB-System

Abstract: 

Mit der Zunahme koronarer Gefäßerkrankungen etablierten sich auch Methoden auf Basis des intravaskulären Ultraschalls (IVUS), sei es in der Differenzialdiagnose arteriosklerotischer Veränderungen oder zur Therapiebegleitung der intravaskulären Brachytherapie. Gemeinsam ist allen Anwendungen die Notwendigkeit koronare Strukturen innerhalb der IVUS-Aufnahmen zu differenzieren. Daher ist es die Zielsetzung dieses Projektes, neue Methoden zur Merkmalsextraktion und Algorithmen im Hinblick auf die Klassifikation morphologischer und pathologischer Strukturen in koronaren Gefäßen bereitzustellen.

Beschreibung: 

Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems sind in Deutschland für fast 50% der Todesfälle verantwortlich. Insbesondere die Arteriosklerose (vulgo: „Arterienverkalkung“) ist dabei ein dominierendes Krankheitsbild. So ist es auch nicht verwunderlich, dass die Arteriosklerose seit den Anfängen der wissenschaftlichen Medizin ein Feld für umfangreiche Untersuchungen gewesen ist. Speziell durch den technischen Fortschritt bildgebender Verfahren war es möglich neuartige Diagnose- und Therapiemethoden zu entwickeln. Dabei hat sich gerade der intravaskuläre Ultraschall zu einem Goldstandard in der Diagnose arteriosklerotischer Erkrankungen und, in Kombination mit der intravaskulären Brachytherapie, zu einer Erfolg versprechenden Basistechnik für therapeutische Maßnahmen entwickelt. Grundvoraussetzung fast jeder bildbasierten Intervention ist aber die Separierung der Bilddaten in anatomisch und pathologisch differenzierte, saliente Regionen.

Der hier vorgestellte Algorithmus orientiert sich speziell an den Anforderungen zum Einsatz innerhalb eines Bestrahlungsplanungssystems zur intravaskulären Brachytherapie. Deshalb ermöglicht er speziell die automatische Differenzierung potenzieller Zielvolumen wie z. B. der EEL (External Elastic Lamina).

Bedingt durch gewebecharakteristische Reflexionen und Absorptionen des Ultraschallsignals ist es möglich, sowohl die arterielle Morphologie (Intima, Media und Adventitia), aber auch arteriosklerotische Veränderungen oder ggf. vorhandene Stents durch signifikante Farbverläufe (Graustufen) oder eindeutige Texturen in den Ultraschalldaten zu manifestieren. Dieses a-priori Wissen über anatomische Gegebenheiten und dessen Repräsentierung in der grafischen Darstellung wird in dem hier vorgestellten Verfahren zur Modellbildung herangezogen. Basierend auf diesen Erkenntnissen können Methoden unscharfer Logik und signaltheoretische Betrachtungen genutzt werden, prägnante Merkmale abzuleiten, die über Ansätze des maschinellen Lernens eine Klassifikation der relevanten Strukturen erlauben.

Bearbeiter: 
Status: 
Abgeschlossen
Kooperation: 
  • Universitätsklinikum Essen der Universität Duisburg-Essen, Medizinische Fakultät, Klinik für Kardiologie
  • DFG-Projekt Qu 30/16-1, -2 „Weiterentwicklung der intravaskulären Ultraschall-Lokalisation und der szintillations-dosimetrischen Bestrahlungsplanung zur Optimierung der kardiovaskulären Brachytherapie“
Publikationen: 
  • F. Weichert, C. Wilke, P. Spilles, A. Kraushaar, H. Müller, U. Quast, D. Wegener: Model-based Segmentation and Visualization of IVUS Images for Radiological Treatment Planning in Cardiovascular Brachytherapy, In Computer Assisted Radiology and Surgery – CARS 2002, 1108, 2002.
  • F. Weichert, C. Wilke, P. Spilles, A. Kraushaar, H. Müller, U. Quast, D. Wegener: Modellbasierte Segmentierung und Visualisierung von IVUS-Aufnahmen zur Bestrahlungsplanung in der kardiovaskulären Brachytherapie, Bildverarbeitung für die Medizin, Springer Verlag, 85–88, 2002
  • P. Spilles, A. Kraushaar, F. Weichert, C. von Birgelen, C. Wilke, D. Flühs, H. Müller, U. Quast: 3D IVUS based Intracoronary Brachytherapy planning - Model based Segmentation and Visualization of Vessel Wall Architecture and Dose. In: Proceedings RSNA 2002, Radiology 225, 192, 2002
  • F. Weichert, H. Müller, U. Quast, A. Kraushaar, P. Spilles, M. Heintz, C. Wilke, Clemens von Birgelen, Raimund Erbel, Dietrich Wegener: Virtual 3D IVUS Vessel Model for Intravascular Brachytherapy Planning, Medical Physics 30 (9), 2530-2536, 2003
  • F. Weichert, M. Wawro, C. Wilke: Korrekte dreidimensionale Visualisierung von Blutgefäßen durch Matching von intravaskulären Ultraschall- und biplanaren Angiographiedaten als Basis eines IVB-Systems, Bildverarbeitung für die Medizin 2003, Springer-Verlag, 61-65, 2003
  • F. Weichert, C. Wilke: Approximation koronarer Strukturen in IVUS-Frames durch unscharfe elliptische Templates, Bildverarbeitung für die Medizin, 443–447, 2003
  • F. Weichert, M. Wawro, C. Wilke: A 3D Cardiovascular Model for Brachytherapy Planning based on Biplane Angiography and Intravascular Ultrasound, Computer Assisted Radiology and Surgery - CARS 2003, Springer, London, 1398, 2003
  • F. Weichert, M. Wawro, H. Müller, C. Wilke: A 3D Cardiovascular Model for Brachytherapy Planning based on Biplane Angiography and Intravascular Ultrasound, Methods of Information in Medicine, Schattauer, 43, 398-402, 2004
  • F. Weichert, M. Wawro, C. Wilke: A 3D Computer Graphics Approach to Brachytherapy Planning, The International Journal of Cardiovascular Imaging, Kluwer Academic Publishers, 20(3), 173-182, 2004
Interne Veröffentlichungen: 
  • Klassifikation morphologischer und pathologischer Strukturen in koronaren Gefäßen auf Basis intravaskulärer Ultraschallaufnahmen zur klinischen Anwendung in einem IVB-System, Dissertation, Frank Weichert, 2010

Diplomarbeiten

  • Simulation der Strahlendosisverteilung bei der intravaskulären Brachytherapie durch Raycasting an einem virtuellen 3D-Gefäßmodell, Andreas Loesch, 2004
  • Ein physikalisches Modell zur Kathetersimulation mittels Finite-Elemente-Methode, Sebastian Reger, 2004
  • Entwicklung eines 3D-Gefäßmodells auf Basis von intravaskulären Ultraschallbildern zur Unterstützung der Bestrahlungsplanung bei kardiovaskulärer Brachytherapie, Andreas Kraushaar, Peter Spilles, 2001
  • Elimination von Bildartefakten bei der Digitalisierung von intravaskulären Ultraschallaufnahmen, Thomas Werner, 2003