Sascha Däuber

Image data acquisition and segmentation for accurate modeling of the calvarium

ABSTRACT Accuracy of the patient-model is a critical point in robot assisted surgery. When performing craniotomies, the dura mater must not be perforated. Hence bone width is of particular interest. The influence of imaging and segmentation on accuracy of the width of the bone-model was investigated. A human cadaver head was scanned with a CT-scanner under a variety of image acquisition parameters. Bone was segmented from these image data sets using threshold based segmentation with different settings for the lower threshold. From these volume data sets surface models of the bone were generated. The real width of the bone of the skull was measured at several positions. Using fiducial marker registration, these measured values were compared to the corresponding positions in the bone-models. CT-scan imaging with a slice thickness and slice distance of 1.5 to 2mm and a segmentation of bone with a lower threshold of 300 or 400 Hounsfield Units resulted in models with an average accuracy of 0.4mm for bone-width. However, at some points these models were too thin by up to 0.9mm. More accurate models are needed. It has to be evaluated, whether CT imaging with higher resolution or more sophisticated segmentation algorithms can reduce the scatter. Keywords: Segmentation, Modeling, Accuracy, Image Guided Surgery

AUFBEREITUNG MEDIZINISCHER BILDDATEN FÜR DIE KOPFCHIRURGIE

Three-dimensional models of the patients anatomy are the basis for modern applications in computer-assisted surgery or radiology. To create these models the data isprocessed in a series ofsteps that transforms the initial raw data (generalfy CT / MRT volume Images) into the ihree-dimensional models (e.g. triangle meshes). In doing so, a multitude ofparameters adjustments, inieractions and decisions are necessary to be made by the physician in order to create the models adapted to the specific needs ofthepatient and to the surgery. The qualüy ofthe models therefore strongly depends on that process chain. As a result ofthe high requirements on the quality and security of a clinical application the quality of the models itself and the capability to use them ßexibly are essential This workpresent a method to adjust and optimise the creation ofthe models and to asses their quality afierwards. Keywords—Mesh generation, surface models, evaluation

Erstellung von normativen Formdaten zur Unterstützung der Planung chirurgischer Eingriffe am Schädelknochen

Zur Korrektur von Schadelfehlbildungen werden polygonale Modelle erstellt, um die Operation virtuell zu planen. Es wird hier ein Verfahren vorgestellt, durch das der Schadel ohne Verwendung von Landmarken erfasst und rekonstruiert werden kann. Zur Erstellung von Formparametern werden Kugelflachenfunktionen verwendet. Weiter werden verschiedene normative Formtypen klassifiziert, uber die ein Referenzschadel errechnet wird. Damit ist es moglich die operative Manipulation am Patientenschadel anhand der ihm zugeordneten normativen Daten zu uberprufen.

Genauigkeit der CT-basierten Modellerstellung des menschlichen Schädels

Die Erstellung korrekter Modelle basierend auf CT-Datensatzen fur die roboterassistierte Chirurgie ist von hoher Bedeutung. Der Einfluss einzelner Parameter auf die Prozesskette zur Erstellung von Kalottenmodellen aus CT-Daten wurde untersucht. Hierbei wurde die Qualitat der erstellten Modelle durch direkte Messung des zuvor untersuchten Kopfes verifiziert. Es konnte ein optimaler Bereich fur die Schwellwertsegmentierung von Schadelknochen identifiziert werden.

Creating high quality models of the skull using iterative modelling and area of interests

Abstract Three-dimensional models of the patients anatomy are the basis for modern applications in computer-assisted surgery or radiology. In order to create these models, the data are processed in a series of steps that transforms the initial raw data (CT/MRT volume images) into the three-dimensional models (triangle meshes). Most common processing includes segmentation, contouring, decimating and mesh relaxation. Especially decimating and mesh relaxation can strongly effect the accuracy of the models, however, these steps are necessary to ensure interactivity (low amount of triangles for visualization speed) and to reduce staircase artefacts (due to the rectangular voxels of the underlying CT-data). In this work, we show that an iterative and alternating decimating and mesh relaxation can produce more accurate models than the usual single step processing. We also present an Area-of-Interest (AOI)-concept, with which we can achieve further improvements of the models in critical areas, e.g. near the intervention situs.

Projektorbasierte erweiterte Realität in der interstitiellen Brachytherapy

Operationsplanungssysteme bieten die Moglichkeit der Planung von brachytherapeutischen Eingriffen vor der Nadelimplantation. Dies erlaubt es eine tumorwirksame Dosis im Zielvolumen zu gewahrleisten unter Berucksichtigung einer optimierten Nadelgeometrie zum Erreichen einer homogenen Dosisverteilung und unter Berucksichtigung von umgebenden Risikostrukturen. Der entscheidende Schritt von der Planung zur intraoperativen Umsetzung bleibt jedoch die sinnvolle Bereitstellung der praoperativ gewonnenen Daten ohne die erzielte Genauigkeit wieder ganz oder teilweise einzubusen. Wahrend die Verwendung von Navigationssystemen zwar die Moglichkeit eroffnet chirurgische Gerate mit den entsprechenden Planungsdaten am Monitor zu uberlagern ist eine Methode die Planungsdaten unmittelbar im Operationsfeld sichtbar zu machen sinnvoll. Das vorgestellte System ermoglicht die genaue Referenzierung der aktuellen Patientenlage mit den Planungsdaten und die Visualisierung von Planungsdaten auf dem Patienten (Operationsplan, Tumorlage und Form, Risikostrukturen) bei geringster Beeintrachtigung des Brachytherapeuten sowie des Implantationsablaufes. Das vorgestellte System ermoglicht eine Verbesserung der bestehenden brachytherapeutischen Behandlungen und kann eventuell neue Therapiemoglichkeiten erschliesen.

Analysing the variations of shapes based on surface-models.

In this paper we present a freely available application with which surface models, e.g. triangle meshes can be registered rigidly as well as by using similarity or affine transformations. Registered surfaces can be analysed, i.e. their difference can be calculated and visualised in various ways. The software is addressing the problem of evaluating shape differences of generated surface models due to mesh relaxation, decimation, object (in our case: patient) variation, different co-ordinate systems, etc. We invite all interested research personnel to download and use the software.

Erstellung eines Statistischen Atlas des Craniums

Umstellungsosteotomien dienen in der Mund-, Kieferund Gesichtschirurgie zur Rekonstruktion sowohl der Funktion als auch der gesund erscheinenden Optik u.a. des Schadels. Sog. normative Daten unterstutzen dabei die Planung und Simulation der Eingriffe. Diese werden i.d.R. mit Hilfe von Landmarken erstellt. Insbesondere am Hinterkopf ist jedoch die Anzahl der homologen Landmarken beschrankt, weshalb die Methode zur Erstellung eines Atlasses typischer Schadelformen als normative Daten nicht geeignet erscheint. In dieser Arbeit stellen wir ein Verfahren vor, dass mit Hilfe von Kugelflachenfunktionen und der Reihenentwicklung einer Formfunktion, das Landmarkenproblem am Schadel losen kann.

Formvariables Oberflächenmodell zur Segmentierung pathologischer Kniegelenke aus medizinischen Bilddaten

Effizienz, Vergleichbarkeit und Einfachheit sind Hauptaspekte fur eine langfristige Benutzerakzeptanz von chirurgischen Planungssystemen. Automatische Segmentierung und Identifizierung von Referenzgeometrien von anatomischen Strukturen sind eine Voraussetzung, um diese zukunftigen Anforderungen zu erfullen. Auf Basis von 235 Oberflachengeometrien gesunder und degenerierter Kniegelenke wird ein formvariables Oberflachenmodell des Kniegelenkes konstruiert, welches das Segmentierungs- und Identifikationsproblem robust und exakt losen soll. Durch das bessere Verstandnis der Form- und Positionsvariation des Kniegelenkes sind neben der Segmentierung auch Verbesserungen von Operations-Planungsstrategien am Kniegelenk als auch ein verbessertes Knieprothesendesign zu erwarten.

A volume-based process model for computer-assisted surgery

Abstract Computer systems, which assists surgical procedures, are more and more leaving the status of being mere prototypes [1] , [2] , [3] , [4] . It is increasingly necessary for the surgeons and developers to ensure the quality, accuracy and security of their systems. Standards may help to achieve these objects. In this work, we present a standard which deals with the inaccuracies emerging in the particular steps of a CAS procedure. It is based on the definition of radiotherapy procedures as provided by the International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU) [5] .