Gerald-P. Glombitza

ROPES: a semiautomated segmentation method for accelerated analysis of three-dimensional echocardiographic data

Echocardiography (cardiac ultrasound) is today the predominant technique for quantitative assessment of cardiac function and valvular heart lesions. Segmentation of cardiac structures is required to determine many important diagnostic parameters. As the heart is a moving organ, reliable information can be obtained only from three-dimensional (3-D) data over time (3-D + time = 4-D). Due to their size, the resulting four-dimensional (4-D) data sets are not reasonably accessible to simple manual segmentation methods. Automatic segmentation often yields unsatisfactory results in a clinical environment, especially for ultrasonic images. We describe a semiautomated segmentation algorithm (ROPES) that is able to greatly reduce the time necessary for user interaction and its application to extract various parameters from 4-D echocardiographic data. After searching for candidate contour points, which have to fulfill a multiscale edge criterion, the candidates are connected by minimizing a cost function to line segments that then are connected to form a closed contour. The contour is automatically checked for plausibility. If necessary, two correction methods that can also be used interactively are applied (fitting of other line segments into the contour and searching for additional candidates with a relaxed criterion). The method is validated using in vivo transesophageal echocardiographic data sets.

Automatic segmentation of heart cavities in multidimensional ultrasound images

We propose a segmentation method different from active contours, which can cope with incomplete edges. The algorithm has been developed to segment heart cavities, but may be extended to more complex object shapes. Due to the almost convex geometry of heart cavities we are using a polar coordinate system with its origin near the cavitys center. The image is scanned from the origin for potential edge points. In order to assess the likelihood of an edge point to belong to the myocardial wall, region based information, such as visibility and local wall thickness, is included. The local information (edge points) progressively is expanded by first grouping the edge points to line segments and then selecting a subgroup of segments to obtain the final closed contour. This is done by means of minimizing a cost function. The plausibility of the result is checked and, if needed, the contour is corrected and/or refined by searching for additional potential edge points. For multidimensional images the algorithm is applied slice-by-slice without the need of further user interaction. The new segmentation method has been applied to clinical ultrasound images, the result being that the myocardial wall correctly was detected in the vast majority of cases.

EchoAnalyzer—a system for three-dimensional echocardiographic visualization and quantification

Abstract The analysis software for three-dimensional (3D) echocardiographic data developed at the German Cancer Research Center (DKFZ) is described in this paper. The system includes functions for two- and three-dimensional visualization of the morphology and/or the Doppler information and quantification of cavity volumes, ejection fraction, cardiac output and regurgitant volume. The design and functionality of the system are discussed. After successful completion of the internal tests, the software will be available for multicenter evaluation.

Volumetrische analyse und visualisierung kardiologischer ultraschalldaten

ZusammenfassungFragestellung: Für die Bewertung von Klappendefekten ist die Echokardiographie ein bildgebendes Standardverfahren. Die gute räumliche und zeitliche Auflösung dient als Grundlage für eine Vielzahl unterschiedlicher Auswertungsverfahren, die die Beurteilung von Klappendefekten erlauben. Die dynamische Farbvisualisierung und die Volumetrie von Regurgitationsjets stellen eine neue Methode der Beurteilung von Klappeninsuffizienzen dar. Methode: Die Volumen der Regurgitationsjets von 58 Patienten wurden auf einer externen Workstation nach Segmentierung des linken Vorhofs vermessen und mit dem Regurgitationsvolumen verglichen. Ergebnisse: Die Volumen der Regurgitationsjets zeigen eine signifikante Korrelation mit den Regurgitationsvolumen, das mit gepulstem Doppler gewonnen wurde. Dieses Ergebnis gilt sowohl für zentrale als auch für exzentrische Jets. Schlussfolgerungen: Die Volumetrie von Regurgitationsjets ist ein Verfahren, das die dreidimensionale Form der zu untersuchenden Volumen besonders berücksichtigt. Die dynamische Farbvisualisierung der Jets im Kontext der Myokardstrukturen erlaubt eine Zuordnung von intrakardialen Flüssen zu den morphologischen Strukturen. Eine Echtzeitvisualisierung, die die Möglichkeit bietet, Teile des Myokards interaktiv aus der Rekonstruktion zu entfernen, erlaubt eine dynamische Darstellung des intrakardialen Flusses während eines Herzzyklus.SummaryBackground: Echocardiography is a standard imaging technique for the assessment of heart valve disease. The good spatial and temporal resolution is the basis for different methods which provide information about the severity of such defects. Dynamic colour visualisation and volumetric measurements of regurgitant jets are a new evaluating tool for the assessment of heart valve insufficiencies. Methods: The regurgitant jet volume of 58 patients was evaluated on an external workstation after segmentation of the left atrium and compared to regurgitant volume; the correlation was good. This result is valid for central jets as well as for eccentric jets. Conclusions: Measurement of regurgitant jet volume is a method which considers the three-dimensional shape of the examined volume. Real-time visualisation techniques which support the interactive clipping of morphological structures provide dynamic visualisation of intracardiac flow during the heart cycle. Dynamic colour visualisation of jets together with myocardial structures allows the assignment of intracardiac flow to morphological structures.

Ein interaktives Tool für die Segmenteinteilung der Leber in der chirurgischen Operationsplanung

Zur Leberresektionsplanung stehen dem Chirurgen kontrastmittelverstarkte CT- und MR-Aufnahmen zur Verfugung, die jedoch eine genaue Volumenabschatzung von Leberparenchym und Tumorgewebe nicht ermoglichen. Zudem ist die dreidimensionale Struktur der Gefasbaume innerhalb zweidimensionaler Schichtbilder nur sehr schwer zu beurteilen. Dazu wurde ein Werkzeug entwickelt, das es ermoglicht CT- und MR-Bilder zu visualisieren, Lebersegmente mithilfe von planaren Ebenen, die auf Grundlage vordefinierter Landmarks erzeugt wurden, interaktiv einzustellen, und die somit entstandenen Lebersegmente volumetrisch zu analysieren.

Ein radiologisches Softwaremodul für die computergestützte Operationsplanung in der onkologischen Leberchirurgie

Gerade in der Leberchirurgie ist die computergestutzte Planung chirurgischer Eingriffe von groser praktischer Bedeutung. Die hohe Rate anatomischer Abweichungen macht hier die genaue Auswertung der praoperativ gewonnenen Bilddaten zur Grundlage jeder Lebertumorresektion. Da die makroskopische Anatomie der Leber im Wesentlichen durch die Struktur der intrahepatischen Gefasbaume definiert wird, bildet die dreidimensionale Analyse der kontrastmittelverstarkten Darstellungen den zentralen Baustein einer Operationsplanungssoftware in der Leberchirurgie. Im Folgenden werden wir die verschiedenen Arbeitsschritte beschreiben, die im Rahmen einer solchen Operationsplanung durchlaufen werden mussen. Die Implementierung der Software wurde als Plugin der radiologischen Workstation CHILI vorgenommen.

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.

Modellbasierte Analyse der Blutfluss-Dynamik in der Aorta mittels Doppler-Echokardiographie

Die Blutfluss-Dynamik in der Aorta ist sowohl zur Beurteilung der Leistung naturlicher wie kunstlicher Aortenklappen von grosem medizinischen Interesse. In diesem Beitrag wird ein auf Doppler-Ultraschall basierendes System zur Untersuchung der Blutfluss-Dynamik in der Aorta vorgestellt. Da sich mittels des Dopplereffekts nur eine Geschwindigkeitskomponente messen lasst, kann die Bestimmung von Absolutgeschwindigkeiten nur aufgrund eines Modells geschehen. Als Modell wird ein im Wesentlichen entlang der Aorta gerichteter Blutstrom angenommen.

Automatische Segmentierung von Herz-Kavitäten in mehrdimensionalen Ultraschallaufnahmen

Wir stellen hier ein neues Verfahren zur automatischen Detektion liickenhafter, annahernd konvexer Konturen vor. Entwickelt wurde das Verfahren zur Segmentierung von Herz-Kavitaten, um eine moglichst genaue Bestimmung des Volumens von Regurgitationsjets zu erreichen.

Evaluierung von interaktiven, texturanalytischen Segmentierungsverfahren

Vor einer computergestfurtzten Operationsplanung steht immer der wichtige Schritt der Segmentierung. Im klinischen Einsatz kommen hierzu momentan neben zeitaufwendigen Freihandsegmentierungen meist interaktive Verfahren zum Einsatz. In der vorliegenden Arbeit wurden in einen vektoriellen Region-Growing Algorithmus Texturmase aus der Cooccurencematrix sowie der Wavelettransformation integriert und anhand medizinischer Bilddaten auf Praxistauglichkeit fur die klinische Routine evaluiert.