Peter-Michael Schlag

Augmenting Intraoperative 3D Ultrasound with Preoperative Models for Navigation in Liver Surgery

Organ deformation between preoperative image data and the patient in the OR is the main obstacle for using surgical navigation systems in liver surgery. Our approach is to provide accurate navigation via intraoperative 3D ultrasound. These ultrasound data are augmented with preoperative anatomical models and planning data as an important additional orientation aid for the surgeon. We present an overview of the whole ultrasound navigation system as well as an approach for fast intraoperative non-rigid registration of the preoperative models to the ultrasound volume. The registration method is based on the vessel center lines and consists of a combination of the Iterative Closest Point algorithm and multilevel B-Splines. Quantitative results for three different patients are presented.

Landmark-Based 3D Elastic Registration of Pre- and Postoperative Liver CT Data

The qualitative and quantitative comparison of pre- and postoperative image data is an important possibility to validate computer assisted surgical procedures. Due to deformations after surgery a non-rigid registration scheme is a prerequisite for a precise comparison. Interactive landmark-based schemes are a suitable approach. Incorporation of a priori knowledge about the anatomical structures to be registered may help to reduce interaction time and improve accuracy. Concerning pre- and postoperative CT data of oncological liver resections the intrahepatic vessels are suitable anatomical structures. In addition to using landmarks at vessel branchings, we here introduce quasi landmarks at vessel segments with anisotropic localization precision. An experimental comparison of interpolating thin-plate splines (TPS) and Gaussian elastic body splines (GEBS) as well as approximating GEBS on both types of landmarks is performed.

Landmark constrained non-parametric image registration with isotropic tolerances

The incorporation of additional user knowledge into a nonrigid registration process is a promising topic in modern registration schemes. The combination of intensity based registration and some interactively chosen landmark pairs is a major approach in this direction. There exist different possibilities to incorporate landmark pairs into a variational non-parametric registration framework. As the interactive localization of point landmarks is always prone to errors, a demand for precise landmark matching is bound to fail. Here, the treatment of the distances of corresponding landmarks as penalties within a constrained optimization problem offers the possibility to control the quality of the matching of each landmark pair individually. More precisely, we introduce inequality constraints, which allow for a sphere-like tolerance around each landmark. We illustrate the performance of this new approach for artificial 2D images as well as for the challenging registration of preoperative CT data to intra-operative 3D ultrasound data of the liver.

Validation Metrics for Non-rigid Registration of Medical Images Containing Vessel Trees

Validation of non-rigid registration methods is still a challenging task. Different evaluation criteria were published, yet no widely accepted gold standard exists. The aim of this paper is to provide quantitative evaluation metrics suited for clinical 3D images containing vessel trees, such as liver or brain data. We present a method to identify corresponding points on different vessel trees by extracting consistent graph minors interactively. Four different metrics based on these correspondencies are proposed.

Automatic Calibration of 3D Ultrasound Probes

Navigation systems based on intra-operative ultrasound have been introduced for different surgical procedures and interventions. The accuracy of the ultrasound probe calibration is a main contribution to the overall accuracy of the navigation system. Different calibration methods based on phantoms have been introduced. The challenge of the calibration procedure is to identify the phantom structures accurately and possibly automatically in ultrasound images. In the majority of cases 2D ultrasound probes have been calibrated. The advantage of 3D probes is the acquisition of 3D ultrasound volumes out of the box enabling fast calibration approaches based on only one image acquisition. We introduce a new inexpensive and easily to manufacture planes phantom and automatic calibration algorithm for 3D ultrasound probes.

„Deep sequencing“ und prädiktive Modellierung als Konzept therapeutischer Entscheidungsfindungen in der Onkologie

ZusammenfassungEine genaue Kenntnis der komplexen Aktivierungsmechanismen zellulärer Signalwege und deren molekulare Vernetzung sind für Planung und Prädiktion des Ansprechens zielgerichteter Therapien von großer Bedeutung. Die Vielzahl möglicher und bereits an Tumormodellen und klinischem Material nachgewiesener Interaktionen macht es plausibel, dass Mutations- und Aktivierungsmuster nicht nur tumortypspezifisch vorkommen, sondern auch das individuelle genetische „Make-up“ einzelner Tumoren ausmachen. Dies führt dazu, dass individuelle Tumoren zunehmend spezifisch und nicht entsprechend ihrer Zugehörigkeit zu einer Tumorklasse oder einem typischen Alterationsspektrum behandelt werden können. Um den Einfluss der enormen Anzahl von Änderungen im Genom, Transkriptom und letztendlich auch im Proteom eines Tumors, aber auch den Einfluss spezifischer Varianten in Genen des Patienten auf die Wirkung und mögliche Nebenwirkungen spezifischer Therapien auf den einzelnen Patienten voraussagen zu können, ist neben vertieften „Omics-Analysen“ die bioinformatische Aufbereitung der hieraus resultierenden, komplexen Datensätze erforderlich. Eine hierauf aufbauende In-silico-Modellierung der in jedem Tumor individuell gestörten biologischen Ablaufprozesse bietet gleichzeitig die Möglichkeit zur Simulation und zur Auswahl von gezielt wirksamen Medikamenten.Wir erwarten, dass zukünftig der grundlegende Ansatz einer detaillierten molekularen (Tumor-)Analyse jedes einzelnen Patienten in Kombination mit der individuellen Modellierung der tumorbiologischen Auswirkungen und den hieraus zu definierenden gezielten therapeutischen Ansatzpunkten ein Kernelement einer daten- und rechenintensiven individualisierten (Tumor-)Medizin bilden wird. Ziel ist, die Behandlung der Tumorpatienten effektiver zu gestalten und damit entscheidend zu verbessern sowie durch Vermeidung unwirksamer Behandlungen letztendlich die Gesundheitskosten zu senken.AbstractPrecise knowledge of the complex activation mechanisms of cellular signaling pathways and of the molecular interactions is an essential prerequisite for the design of targeted therapies and prediction of therapy response. The plethora of possible interactions validated in tumor models and patient specimens suggests that the patterns of mutations and activation mechanisms do not only occur in a tumor class-specific manner but also reflect the individual genetic“make-up” of given tumors. Hence, tumor treatment may be based on such individual parameters rather than be directed by general tumor classifications or paradigmatic sets of alterations. Following detailed omics analyses, bioinformatic processing of the resulting complex data sets is essential to predict the impact of an enormous number of alterations of the genome, transcriptome and last but not least the proteome to forecast the influence of patient-specific genetic variation on therapy efficacy and side-effects. In silico modeling of data obtained by detailed analysis of defective biological processes characteristic for every single tumor provides opportunities for selecting effective drugs and therapeutics and for simulating their effects.Our vision for the future is that this fundamental and essential approach based on detailed molecular profiling of each patient’s tumor in conjunction with individual in silico modeling of the biological consequences and the resulting therapeutic targets will become a key feature of data-driven and computation-intensive personalized medicine. The ultimate goal is to improve efficacy and outcome of cancer patient treatment and to eventually reduce medical costs by avoiding ineffective therapies.

Peritoneales Mesotheliom – ein seltener Tumor der Bauchhöhle

ZusammenfassungAls primäre maligne peritonale Mesotheliome (MPM) werden bösartige Neubildungen des Mesothels des Peritoneums bezeichnet, die nach Asbestexposition entstehen können. Sie sind etwa 10-mal seltener als Pleuramesotheliome mit einer Inzidenzrate in den industrialisierten Ländern von 0,5 bis 3 pro 1.000.000 bei Männern und 0,2 bis 2 pro 1.000.000 Fällen bei Frauen. Die Diagnose erfolgt meist in fortgeschrittenen Stadien. Differenzialdiagnostisch muss das MPM gegen eine ganze Reihe anderen Neoplasien abgegrenz werden. Neben peritonealen Metastasen gibt es Sonderformen wie das gut differenzierte papilläre Mesotheliom (WDPM: „well differentiated papillary mesothelioma“) und das „benigne“ multizystische Mesotheliom des Peritoneum (BMPM) sowie den Adenomatoidtumor. Zur Therapie werden intraperitoneale Chemotherapien (IPC) oft auch in Kombination mit einer Hyperthermie („hypothermic intra-peritoneal chemotherapy“: HIPEC) und Tumorresektion bzw. Tumormassenreduktion („cytoreductive surgery“: CRS) appliziert. Bei multiplem/diffusem Wachstum des peritonealen Mesothelioms ist eine vollständige Resektion wie beim Pleuramesotheliom in der Regel nicht möglich. Das durch Asbest verursachte Mesotheliom des Peritoneums wird als Berufskrankheit nach Ziffer 4105 anerkannt. Ein Asbestnachweis kann im Lungengewebe durchgeführt werden.AbstractMalignant neoplasms of the mesothelium of the peritoneum are termed primary malignant peritoneal mesotheliomas (MPM) and arise as the result of exposure to asbestos. They are approximately 10 times rarer than pleural mesotheliomas with an incidence rate in industrial countries of 0.5-3/million in males and 0.2-2/million in females. The diagnosis mostly occurs in the advanced stage. For the differential diagnosis of MPM a large range of other neoplasms must be excluded. In addition to peritoneal metastases there are special forms, such as well differentiated papillary mesothelioma (WDPM),“benign” multicystic mesothelioma of the peritoneum (BMMP) and adenomatoid tumor. Intraperitoneal chemotherapy is often used in combination with hyperthermia (hyperthermic intraperitoneal chemotherapy HIPEC) and tumor resection or cytoreductive surgery (CRS). Complete resection of multiple diffuse growth of a peritoneal mesothelioma, as for example in pleural mesothelioma, is generally not possible. Mesothelioma of the peritoneum is caused by asbestos and is a recognized occupational disease known under code number 4105. Detection of asbestos can be carried out on lung tissue.

Regionale Verbünde in der Onkologie

ZusammenfassungDie Situation im Gesundheitswesen ist durch Kostendruck und sich stark verändernde Behandlungsformen geprägt. Die Onkologie nimmt dabei in der Bildung neuer Verbünde und Organisationsformen eine Vorreiterrolle ein. Die bisherigen Strukturen werden durch Behandlungsverbünde ersetzt, welche – mit den Comprehensive Cancer Centers an der Spitze – eine intergrative Versorgung ermöglichen und die Interdisziplinarität stärken.Motivation dabei ist es, über die Schaffung von Transparenz mit beschränkten Budgets eine umfassende Versorgung sicherzustellen. Das Zusammenführen unterschiedlichster Partner kann auch Konfliktpotenziale bieten, die es zu bewältigen gilt. Gleichzeitig müssen Kernaufgaben der Netzwerke gelöst werden, die in der Koordination und Ausbildung der Partner, im Aufbau klinischer Register und damit im Zusammenhang stehenden Evaluationen/Studien liegen. Um diese Aufgaben zu lösen, sollte sich der Aufbau von Onkologieverbünden dem Geschäftsprozessmanagement bedienen und robuste Strukturen in der Informationssystemlandschaft und in der Organisation schaffen.AbstractPresently the situation in the public health sector is influenced by a strong impact of changing treatment types and increasing cost pressure. Medical oncology takes part in the process of establishing new forms of organisation as a forerunner and cutting edge. The previous structures are now being replaced by compound healthcare networks, which provide integrative treatment and interdisciplinary approaches headed by the comprehensive cancer centres. The motivating force is always the ambition of gaining transparency while ensuring an optimum of medical care in line with the budget.Merging of very different organisations and procedures of course induces conflicts, which have to be overcome. At the same time the core tasks, such as coordination and instruction of network partners, setting up a clinical treatment register and related new trials must be accomplished. To reach these objectives the set-up of oncology networks should be achieved by means of an adequate business process management, which helps to achieve robust management structures accompanied by suitable IT-infrastructures.

A New Class of Distance Measures for Registration of Tubular Models to Image Data

In some registration applications additional user knowledge is available, which can improve and accelerate the registration process, especially for non-rigid registration. This is particularly important in the transfer of pre-operative plans to the operating room, e.g. for navigation. In case of tubular structures, such as vessels, a geometric representation can be extracted via segmentation and skeletonization. We present a new class of distance measures based on global filter kernels to compare such models efficiently with image data. The approach is validated in a non-rigid registration application with Powerdoppler ultrasound data.

Computerunterstützte Prothesenkonstruktion mittels statistischen Formmodells bei Beckenresektionen

Die chirurgische Entfernung von Tumoren aus dem Beckenknochen erfordert oft die Implantation einer fur die individuelle Beckengeometrie angepassten Prothese, um den fehlenden Knochenanteil zu ersetzen. Die computergestutzte Planung einer solchen Prothese ermoglicht zum einen eine Beschleunigung der Prothesenkonstruktion und ist zum anderen eine wichtige Voraussetzung fur die prazise operative Umsetzung mittels eines Navigationssystems. Es wird ein Verfahren prasentiert, mit dem anatomische Landmarken und Kontaktflachen von Prothesen von einem statistischen Formmodell auf die individuelle Beckengeometrie ubertragen werden konnen. An die gewunschte Kontaktflache wird dann automatisch die Form der Prothese adaptiert.