Medizinische Informatik
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Viele schwerstkranke Patienten hegen den Wunsch die letzte Zeit ihres Lebens im häuslichen Umfeld, statt im Krankenhaus zu verbringen. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist eine gute Kommunikation zwischen allen Beteiligten des Versorgungsprozesses, damit ambulante und stationäre Versorgung gut aufeinander abgestimmt werden können. Derzeit gibt es nur wenige strukturierte Untersuchungen, welche Informationsbedürfnisse die im Bereich der palliativen Versorgung beteiligten Akteure besitzen und ob und in wieweit diese mit mobilen Anwendungen unterstützt werden können. Die vorliegende Arbeit untersucht, welche Akteure hauptsächlich am Prozess der palliativen Versorgung sowohl im ambulanten als auch im stationären Umfeld beteiligt sind und welche Informationsbedürfnisse diese haben. Weiterhin werden bisher verwendete Werkzeuge, Apps und Anwendungssysteme darauf untersucht, inwiefern sie diesen Informationsbedarf erfüllen. Die Untersuchungen basieren auf einer systematischen Literaturrecherche sowie Hospitationen in drei verschiedenen palliativen Einrichtungen: einer spezialisierten ambulanten Palliativversorgungs Einheit in Buchen im Odenwald, einer Palliativ-Station in Heidelberg sowie einer Palliativ-Einrichtung in Santiago de Chile. Es hat sich herausgestellt, dass die stationären Einrichtungen bereits sehr gute Strukturen für Informationsaustausch und -bereitstellung etabliert haben, diese jedoch im ambulanten Bereich weniger wirksam sind. Gründe hierfür liegen in der größeren örtlichen Distanz und den damit verbundenen längeren Kommunikationswegen im ambulanten Bereich. Ebenso ist bedingt durch den zusätzlichen Fahrtaufwand bei gleicher Patientenzahl und Visitendauer nur eine geringere Anzahl an Visiten möglich. Bisher sind hier aber vor allem die informationsverarbeitenden Prozesse aufgrund der geringen Größe der Einrichtungen und der hohen Individualität der Behandlung wenig automatisiert und automatisierbar. Die für die Palliativversorgung existierenden Softwareprodukte sind hierfür zu umfangreich oder nicht ausreichend adaptierbar. Es hat sich gezeigt, dass der Bedarf an mobiler, technischer Unterstützung vor allem in der ambulanten Palliativversorgung in den Bereichen Dokumentation und Abrechnung, aber auch bei der Bildung und Weiterbildung von Fachpersonal, Patienten und Angehörigen derzeit nicht gedeckt werden kann.
This thesis presents a photmetric stereo method based on the work of Schulze [35], who in turn extended the research of Schroeder et al. [33,34] In this approach, three different lightings are obtained by illuminating the object by three colored light sources (red, green and blue). A video of the subject is captured from the front, the back and the side. The single frames are then extracted from the viedo, which are used for the 3D reconstruction of the subject. The aim of this work was to improve the presented method of Schulze with real patient subjects by getting a better sphere calibration and changing some parameters in the patient processing. As the graphical interface was implemented for persons with a technical background, it has been changed to become also more convenient to use for non-technically oriented staff
Die häufigste Todesursache in Deutschland sind Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems. Zwei häufig auftretende Krankheiten sind Aortenaneurysmen und Aortendissektionen. Für die Diagnose und die computerunterstützte OP-Planung wird eine semantische Annotation der präoperativ akquirierten Bilddaten benötigt. Dies wird herkömmlich durch eine manuelle Segmentierung der betroffenen Strukturen erreicht. Mit Verfahren aus der medizinischen Bildverarbeitung, darunter die deformierbaren Modelle, ist es möglich diese Segmentierung weitgehend zu automatisieren. In dieser Masterarbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das mit Hilfe von deformierbaren Modellen eine automatische Segmentierung der Aorta und Aortenpathologien in 2D-CTA-Aufnahmen ermöglicht. Hierfür wurde ein geeignetes deformierbares Modell identifiziert, welches mit üblichen Störungen von CTA-Aufnahmen zurecht kommt. Das Verfahren ist eine Kombination aus den Dual Snakes und den GVF-Snakes und wird Dual-GVF-Snakes genannt. Das Besondere an diesem Verfahren ist, dass nicht nur das Lumen der Aorta und eines Aortenaneurysmas, sondern auch die zwei Lumen einer Aortendissektion gleichzeitig segmentiert werden können. Realisiert wird dies durch eine Unterteilung der Kontur in Segmente mit unterschiedlichen Eigenschaften. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren wurde zur Segmentierung von Objekten in synthetischen und klinischen Bilder angewendet, wobei die klinischen Bilder die Aorta, ein Aortenaneurysma und verschiedene Aortendissektionen beinhalten. Zur Evaluierung wurde das Verfahren mit den GVF-Snakes und den AB-Snakes verglichen, indem der Abstand zwischen Referenzkonturen und berechneter Konturen ermittelt wurde. Ein Vorteil gegenüber GVF-Snakes ist, dass zwei Objekte segmentiert und voneinander unterschieden werden können. Im Gegensatz zu den GVF-Snakes und den AB-Snakes müssen weniger Parameter eingestellt werden und die Membran zwischen den beiden Lumen der Aortendissektion wird erkannt. Das Verfahren ist robuster gegenüber der Initialisierung und lierfert vergleichbare Ergebnisse wie das GVF-Snakes Verfahren mit gezielter Initialisierung.
Segmentation of the Cerebrospinal Fluid from MRI Images for the Treatment of Disc Herniations
(2010)
About 80 percent of people are affected at some point in their lives by lower back pain, which is one of the most common neurological diseases and reasons for long-term disability in the United States. The symptoms are primarily caused by overly heavy lifting and/or overstretching of the back, leading to a rupture and an outward bulge of an intervertebral disc, which puts pressure on and pinches the nerve fibers of the spine. The most common form is a lumbar disc herniation between the fourth and fifth lumbar vertebra and between the fifth lumbar vertebra and the sacrum. In recent years the diagnosis of lower back pain has improved, mainly due to enhanced imaging techniques and imaging quality, but the surgical therapy remains hazardous. Reasons for this include low visibility when accessing the lumbar area and the high risk of causing permanent damage when touching the nerve fibers. A new approach for increasing patient safety is the segmentation and visualization of the cerebrospinal fluid in the lower lumbar region of the vertebral column. For this purpose a new fully-automatic and a semi-automatic approach were developed for separating the cerebrospinal fluid from its surroundings on T2-weighted MRI scans of the lumbar vertebra. While the fully-automatic algorithm is realized by a model-based searching method and a volume-based segmentation, the semi-automatic algorithm requires a seed point and performs the segmentation on individual axial planes through a combination of a region-based segmentation algorithm and a thresholding filter. Both algorithms have been applied to four T2-weighted MRI datasets and are compared with a gold-standard segmentation. The segmentation overlap with the gold-standard was 78.7 percent for the fully-automatic algorithm and 93.1 percent for the semi-automatic algorithm. In the pathological region the fully-automatic algorithm obtained a similarity of 56.6 percent, compared to 87.8 percent for the semi-automatic algorithm.
Ultraschallbildgebung ist ein in der Medizin häufig verwendetes Verfahren zur Diagnostik und Verlaufskontrolle. Ultraschall bietet vor allem eine große Weichteilauflösung bei gleichzeitig niedrigen Kosten, erfordert aber vom Anwender ein großes Maß an Erfahrung. Aufgrund vieler Artefakte und Verzerrungen in Ultraschallbildern ist die Bildqualität der Bilder deutlich geringer, als die derer, die mittels Magnetresonanztomographie erstellt werden können. Deshalb arbeiten viele verschiedene Forschungsgruppen an der Verbesserung der Modalitäten und Datensätze im Zusammenhang mit Ultraschallbildgebung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines robotergestützten Ultraschalltomographen. Das Gerät ist in der Lage tomographische Bildserien von Phantomen und Weichgewebe zu erstellen, die anschließend dreidimensional visualisiert werden können.
Quantitative assessment of Positron Emission Tomography (PET) imaging can be used for diagnosis and staging of tumors and monitoring of response in cancer treatment. In clinical practice, PET analysis is based on normalized indices such as those based on the Standardized Uptake Value (SUV). Although largely evaluated, these indices are considered quite unstable mainly because of the simplicity of their experimental protocol. Development and validation of more sophisticated methods for the purposes of clinical research require a common open platform that can be used both for prototyping and sharing of the analysis methods, and for their evaluation by clinical users. This work was motivated by the lack of such platform for longitudinal quantitative PET analysis. By following a prototype driven software development approach, an open source tool for quantitative analysis of tumor changes based on multi-study PET image data has been implemented. As a platform for this work, 3D Slicer 4, a free open source software application for medical image computing has been chosen. For the analysis and quantification of PET data, the implemented software tool guides the user through a series of workflow steps. In addition to the implementation of a guided workflow, the software was made extensible by integration of interfaces for the enhancement of segmentation and PET quantification algorithms. By offering extensibility, the PET analysis software tool was transformed into a platform suitable for prototyping and development of PET-specific segmentation and quantification methods. The accuracy, efficiency and usability of the platform were evaluated in reproducibility and usability studies. The results achieved in these studies demonstrate that the implemented longitudinal PET analysis software tool fulfills all requirements for the basic quantification of tumors in PET imaging and at the same time provides an efficient and easy to use workflow. Furthermore, it can function as a platform for prototyping of PET-specific segmentation and quantification methods, which in the future can be incorporated in the workflow.
Im Bereich der Krebsdiagnose und -therapie gewinnen neue minimalinvasive Verfahren zunehmend an Bedeutung. Beispiele hierfür sind Nadelpunktionen, bei denen zur Diagnose eine Gewebsprobe entnommen (Biopsie) oder durch Zerstörung des Gewebes im Bereich der Nadelspitze eine Krebserkrankung therapiert wird (Ablation). Eine zentrale Herausforderung hierbei ist die genaue Platzierung der Nadel. Am deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) wurde ein computergestütztes Navigationssystem für Nadelinsertionen entwickelt, das sich im in-vivo Versuch als höchst akkurat zeigte. Trotz der vielversprechenden Ergebnisse kam das System bisher jedoch nicht am Patienten zum Einsatz. Dies ist unter anderem auf die schwierige Integration des Systems in den klinischen Workflow und die erhöhte Invasivität zurückzuführen. Vor diesem Hintergrund war das Ziel dieser Arbeit zum einen die Entwicklung einer flexiblen, erweiterbare Software für die navigierte Weichgewebepunktion, zum anderen die Weiterentwicklung des Navigationssystems durch die Einbindung eines neuen Feldgenerators für das elektromagnetische Trackingsystem NDI Aurora. Die Implementierung der Software erfolgte aufbauend auf der Bibliothek MITK und dem enthaltenen Modul MITK-IGT. Dabei wurde ein komponentenweiser Aufbau umgesetzt, welcher einen einfachen Austausch oder Erweiterungen der einzelnen Komponenten ermöglicht. Des Weiteren wurde der neue Feldgenerator bezüglich Genauigkeit und Präzision in der Einsatzumgebung evaluiert und es erfolgte ein Test des Navigationssystems unter klinischen Bedingungen. Abschließend kann festgestellt werden, dass durch die gezeigte Flexibilität und Erweiterbarkeit der entwickelten Software zahlreiche Möglichkeiten zur Weiterentwicklung offen stehen. Bezüglich des Feldgenerators zeigte sich das vielversprechende Potential dieses Geräts für die Weiterentwicklung medizinischer Navigationssysteme.
Ziel dieser Arbeit soll es sein, ein Verfahren zu entwickeln, das bildbasiert mit Hilfe eines Interpolationsmodells die Bewegung von Lungentumoren modellierbar macht, unter der Berücksichtigung, dass die Erkennbarkeit der Tumore während der Therapie nicht immer gewährleistet ist. Als erster Schritt soll daher ein geeignetes internes Surrogat für die Tumorbewegung ermittelt werden. Dessen Bewegungen während der Atmung des Patienten sollen mit Hilfe von kontinuierlich aufgenommenen zweidimensionalen Fluoroskopieaufnahmen quantifiziert werden. Anschließend sollen die gewonnenen Informationen als Eingabewerte für ein Interpolationsmodell genutzt werden, um diese Bewegung auf den Tumor im Inneren der Lunge zu propagieren. Dabei gilt es, ein geeignetes Modell zu entwickeln, das sich für die Modellierung von Tumoren auf Basis der Surrogatinformationen eignet und in der Lage ist, die Tumorbewegung möglichst wahrheitsgetreu zu modellieren. Eine Evaluation der Ergebnisse soll sowohl Aufschluss über eine geeignete Parametrisierung des Modells geben, als auch die Anwendbarkeit eines solchen Modells hinterfragen. Um eine Austauschbarkeit der Modelle gewährleisten zu können, soll eine Schnittstelle entwickelt werden, über die verschiedene Modelle angesprochen werden können. Weitergehend soll ein Ansatz entwickelt werden, der es ermöglicht, die relevanten Positionen des Surrogats ohne manuelle Interaktion während der Therapie zu bestimmen.
Eine der zentralen Aufgaben der medizinischen Bildverarbeitung ist es, den Arzt durch neue oder verbesserte Methoden zur Diagnostik und Therapieplanung bei medizinischen Entscheidungs- und Behandlungsprozessen zu unterstützen. Für viele Fragestellungen in der Medizin sind Untersuchungen von Gefäÿsystemen oder anderen tubulären Strukturen erforderlich. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzipierung und der Realisierung eines generischen Datenmodells für tubuläre Strukturen. Für die Darstellung dieser Strukturen wurde eine neue Visualisierungsmethode implementiert. Zudem wurden allgemein verwendbare und benutzerfreundliche Interaktionskomponenten entwickelt, die die Exploration, die Modikation, die Attributierung sowie die Analyse der modellierten Systeme ermöglichen.
In einem überregionalen Forschungsprojekt untersuchen Heidelberger und Hannoveraner Wissenschaftler Entstehungsmechanismen und neue Therapieansätze des Leberzellkarzinoms, einer der tödlichsten Tumorerkrankungen unserer Zeit. Die IT-Plattform pelican soll dem Forschungsverbund die softwaregestütze Analyse und den Austausch von Leberkrebs-Forschungsdaten ermöglichen. Bisher fehlte dazu ein geeignetes Oberflächenkonzept. Deswegen wurde eine Benutzerschnittstelle entworfen, die in der Lage ist, heterogene Daten und Funktionen darzustellen und dabei flexibel an die Nutzerbedürfnisse angepasst werden kann. Es konnte anhand einer prototypischen Benutzungsoberfläche gezeigt werden, dass sich das Konzept praktisch umsetzen lässt. Mit Hilfe der in einem Evaluierungsprozess ausgewählten Portalsoftware GridSphere wurden mehrere Datendienste als Module in die pelican-Applikation integriert. Als besondere Herausforderungen haben sich die Navigation innerhalb der Oberflächenmodule sowie der Informationsaustausch zwischen den Komponenten herausgestellt. Die erarbeiteten Lösungsansätze wurden dokumentiert und dienen als Basis für die Integration beliebiger neuer Dienste in die Plattform. Zukünftige Entwicklungen können der Krebsforschung weltweit in Form von standardkonformen Diensten im caGrid Umfeld zur Verfügung gestellt werden.