Athanasios M. Demiris

Virtual planning of liver resections: image processing, visualization and volumetric evaluation

Operability of a liver tumor depends on its three dimensional relation to the intrahepatic vascular trees as well as the volume ratio of healthy to tumorous tissue. Precise operation planning is complicated by anatomic variability and distortion of the vascular trees by the tumor or preceding liver resections. We have developed a computer based 3D virtual operation planning system which is ready to go in routine use. The main task of a system in this domain is a quantifiable patient selection by exact prediction of post-operative liver function. It provides the means to measure absolute and relative volumes of the organ structures and resected parenchyma. Another important step in the pre-operative phase is to visualize the relation between the tumor, the liver and the vessel trees for each patient. The new 3D operation planning system offers quantifiable liver resection proposals based on individualized liver anatomy. The results are presented as 3D movies or as interactive visualizations as well as in quantitative reports.

Extending a teleradiology system by tools for visualization and volumetric analysis through a plug-in mechanism

This paper describes ongoing research concerning interactive volume visualization coupled with tools for volumetric analysis. To establish an easy to use application, the three-dimensional-visualization has been embedded in a state of the art teleradiology system, where additional functionality is often desired beyond basic image transfer and management. Major clinical requirements for deriving spatial measures are covered by the tools, in order to realize extended diagnosis support and therapy planning. Introducing a general plug-in mechanism, this work exemplarily describes the useful extension of an approved application. Interactive visualization was achieved by a hybrid approach taking advantage of both the precise volume visualization based on the Heidelberg ray-tracing model and the graphics acceleration capabilities of modern workstations. Several tools for volumetric analysis extend the three-dimensional-viewing. They are controlled by adequate input devices to select locations in the data volume, measure anatomical structures or initiate a segmentation process. Moreover, a haptic interface can be connected to provide a more realistic feedback while navigating within the three-dimensional-reconstruction. The work is closely related to research in the field of heart, liver and head surgery. In cooperation with our medical partners the development of tools as presented facilitates the integration of image analysis into the clinical routine.

Technical aspects of virtual liver resection planning.

Operability of a liver tumor is depending on its three dimensional relation to the intrahepatic vascular trees which define autonomously functioning liver (sub-)segments. Precise operation planning is complicated by anatomic variability, distortion of the vascular trees by the tumor or preceding liver resections. Because of the missing possibility to track the deformation of the liver during the operation an integration of the resection planning system into an intra-operative navigation system is not feasible. So the main task of an operation planning system in this domain is a quantifiable patient selection by exact prediction of post-operative liver function and a quantifiable resection proposal. The system quantifies the organ structures and resection volumes by means of absolute and relative values. It defines resection planes depending on security margins and the vascular trees and presents the data in visualized form as a 3D movie. The new 3D operation planning system offers quantifiable liver resection proposals based on individualized liver anatomy. The results are visualized in digital movies as well as in quantitative reports.

Trennung von Gefäßbäumen in medizinischen Schichtbildserien am Beispiel der Leber

Fur eine praoperative Bestimmung der individuellen Leberanatomie ist eine sichere Segmentierung und Rekonstruktion der Pfortader sowie ihrer intrahepatischen Verastelungen notwendig. In kontrastmittelverstarkten CT-Aufnahmen ist dies nicht immer eindeutig moglich, da das venose Gefassystem der Leber ebenfalls kontrastiert ist. Dadurch kommt es zu PseudoVerbindungen zwischen den beiden Gefasbaumen, die mit Hilfe eines hier vorgestellten Verfahrens getrennt werden. Dabei werden in der symbolischen Beschreibung der Gefasbaume, in der die Verzweigungs-und Endpunkte als Knoten reprasentiert sind, alle falschen Verbindungen lokalisiert und nacheinander eliminiert.

The image related services of the HELIOS software engineering environment

This paper describes the approach of the European HELIOS project to integrate image processing tools into ward information systems. The image processing tools are the result of the basic research in image analysis in the Department Medical and Biological Informatics at the German Cancer Research Center. These tools for the analysis of two-dimensional images and three-dimensional data volumes with 3D reconstruction and visualization ae part of the Image Related Services of HELIOS. The HELIOS software engineering environment allows to use the image processing functionality in integrated applications.

Ein System zur automatischen Generierung graphischer Benutzungsschnittstellen für Bildverarbeitungsalgorithmen

Seit Anfang der achtziger Jahre ist eine grose Anzahl von Tools fur die Entwicklung graphischer Benutzungsschnittstellen (GUI) auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen entstanden. Einige dieser Tools zwingen den Entwickler sich mit unnotig vielen Details auseinanderzusetzen. Andere Tools lassen dem Benutzer keine Flexibilitat oder sind so komplex, das dadurch die Arbeit nicht erleichtert wird. Mit Hilfe von Generierungssystemen erreicht man eine Senkung der Entwicklungszeiten und Kosten. Wir stellen eine generische Architektur vor, die eine weitestgehende Automatisierung des Generierungsprozeses graphischer Benutzungsschnittstellen fur Bildverarbeitungsalgorithmen erlaubt. Dabei werden keine zusatzlichen Anforderungen an den Benutzer gestellt.

Eine modulare Architektur zur Vereinfachung der Entwicklung klinischer Bildverarbeitungssysteme

Das Problem der Bearbeitung medizinischen Bildmaterials in der klinischen Routine wurde bisher systemtheoretisch auf zwei Arten angegangen. Die eine Losung sieht ein monolithisches System vor, das mit einem Maximum an Funktionalitat ausgestattet ist. Die andere dagegen besteht aus mehreren kleineren Systemeinheiten, welche spezialisierte Teilaufgaben in der klinischen Bildverarbeitung angehen, wie z.B. Volumenmessung in der Leberchirurgie, Flusmessungen in der Herzchirurgie und zahlreiche andere. Diese kleineren Systeme konnen dann in ein sog. Host-System eingebettet werden und koexistieren. Fur die Unterstutzung der Entwicklung der modularen und konfigurierbaren Systeme der zweiten Gruppe stellen wir eine Architektur vor. Wir erlautern die Grunde fur die Einfuhrung einer derartigen Architektur, die Aktivitaten des Bildverarbeiters, die diese Architektur unterstutzen soll, ihre Komponenten, und abschliesend eine mogliche Implementierung in Form von objektorientierten Frameworks.

Hierarchische Identifikation von Merkmalen zur automatischen Orientierung im Bildmaterial des Herzens

Um in der Herzchirurgie eine praoperative Operationsplanung durchfuhren zu konnen, sind dreidimensionale Rekonstruktionen des vermuteten Defekts basierend auf unterschiedlichem Bildmaterial wunschenswert. Dazu ist eine Identifikation der defekten Region und beteiligter Strukturen in Bildern unterschiedlicher Modalitaten und Schichtrichtungen notig. In diesem Beitrag wird ein Ansatz vorgestellt, der sich mit der Identifikation statistischer und bildinharenter Merkmale fur eine automatische Orientierung beschaftigt.

Ein ergonomisches System für die interaktive Volumenmessung in der Herz- und Leberchirurgie

In sehr vielen disjunkten, klinischen Fragestellungen spielt die Messung des Volumens, der Volumenverhaltnisse oder der Volumenanderung bestimmter Organe oder Korperregionen eine zentrale Rolle. Die medizinische Bildverarbeitung bietet hierfur sehr gut geeignete Methoden an. Nach einer initialen Segmentierung zur Identifikation der Regionen, die vermessen werden sollen, erfolgt die Berechnung des Volumens. Eine Reihe von existierenden Verfahren und Systemen scheint allerdings zwei wichtige Aspekte zu vernachlassigen: die Anpassungsfahigkeit der eingesetzten Segmentierungsverfahren und die Einfachheit der Bedienung. Auserdem eignen sich die Algorithmen fur die Volumenberechnung nicht fur alle Bildgebungsverfahren. Um diese Aspekte zu berucksichtigen, wurde in unserer Arbeitsgruppe das Volumenmessystem VolMeS (Volume Measuring System) entwickelt, das die Volumenmessung in der Herzchirurgie und verschiedenen anderen Anwendungsgebieten der klinischen Bildverarbeitung im Routinebetrieb genau und effektiv erlaubt.

An architecture for implementing customizable medical image processing systems

Monolithic image processing systems containing a superset of imaging algorithms are difficult to use and require specialized knowledge of image processing. Thus they increase the workload of medical personnel instead of making the work situation easier. Customizable medical image processing systems on the other hand may be easily adapted to address various problems in the medical image processing domain integrating only the necessary subset of image processing functionality presented in on intuitive way. In this work we present an architecture for creating customizable image processing systems for the medical domain. We address three major topics: 1.) easy, goal-oriented customization of imaging systems by using a generalized algorithm model and repository, 2.) dynamic, data-oriented parameterization of the selected algorithms and 3.) semi-automated generation of user interface components for each new algorithm to be inserted in an imaging system based on cognitive ergonomics. We conclude with the presentation of an initial implementation of the architecture in form of an object-oriented framework for the creation of components for customizable medical imaging systems.