Werner Plötz

Atlas-based segmentation of bone structures to support the virtual planning of hip operations

Two 3-D digitised atlases of a female and a male pelvis were generated to support the virtual 3-D planning of hip operations. The anatomical atlases were designed to replace the interactive, time-consuming pre-processing steps for the virtual operation planning. Each atlas consists of a labelled reference CT data set and a set of anatomical point landmarks. The paper presents methods for the automatic transfer of these anatomical labels to an individual patient data set. The labelled patient data are used to generate 3-D models of the patients bone structures. Besides the anatomical labelling, the determination of measures, like angles, distances or sizes of contact areas, is important for the planning of hip operations. Thus, algorithms for the automatic computation of orthopaedic parameters were implemented. A first evaluation of the presented atlas-based segmentation method shows a correct labelling of 98.5% of the bony voxels.

Virtual planning of hip operations and individual adaption of endoprostheses in orthopaedic surgery

The introduction of virtual reality techniques in medicine opens up new possibilities for the planning of interventions. The presented software system for virtual operation planning in orthopaedic surgery (VIRTOPS) enables the virtual preoperative 3D planning and simulation of pelvis and hip operations. It is used to plan operations of bone tumours with endoprosthetic reconstruction of the hip based on multimodal image information. The operation and the endosprothetic reconstruction of the pelvis are simulated using virtual reality techniques. Stereoscopic visualisation techniques and 3D input devices support the 3D interaction with the virtual 3D models. The main task of the preoperative planning process is the individual design of an anatomically adaptable modular prosthesis. The placement and the design of the endoprosthesis are supported by different functions and visualisation techniques. The resulting 3D images and movies can be used for the documentation of the operation planning procedure, as well as, for the preoperative information of the patient.

Atlas-Based Recognition of Anatomical Structures and Landmarks to Support the Virtual Three-Dimensional Planning of Hip Operations

This paper describes methods for the atlas-based segmentation of bone structures of the hip, the automatic detection of anatomical point landmarks and the computation of orthopedic parameters. An anatomical atlas was designed to replace interactive, time-consuming pre-processing steps needed for the virtual planning of hip operations. Furthermore, a non-linear gray value registration of CT data is used to recognize different bone structures of the hip. A surface based registration algorithm enables the robust and precise detection of anatomical point landmarks. Furthermore the determination of quantitative parameters, like angles, distances or sizes of contact areas, is important for the planning of hip operations. Based on segmented bone structures and detected landmarks algorithms for the automatic computation of orthopedic parameters were implemented. A first evaluation of the presented methods will be given at the end of the paper.

Metastatic Clear-Cell Sarcoma of the Capitate

Clear-cell sarcoma is a very rare tumor that is intimately associated with tendons or aponeuroses. It shares phenotypic features with malignant melanoma and is therefore also referred to as melanoma of the soft parts1. Women are affected more commonly than men. Patients usually are between twenty and forty years of age. Typical sites of the tumor are the limbs, especially the region of the foot and ankle2. Clear‐cell sarcoma is a highly malignant tumor. Metastases to the bones of the hand are very rare, accounting for 0.1% of all metastases3. To our knowledge, the capitate has not been previously reported as the initial metastatic site of soft-tissue sarcoma. Radical excision or even amputation is required for the treatment of such metastases. A twenty‐nine-year‐old man presented with a four‐week history of pain in the right foot. On physical examination, the plantar surface of the foot was swollen and tender. Magnetic resonance imaging showed a well‐defined, ellipsoid mass measuring 8 4 3.8 cm, situated between the metatarsal bones and the plantar aponeurosis (Fig. 1). Computed tomography scans revealed erosion of the fifth metatarsal. Open biopsy was performed, and a circumscribed, lobulated nodular mass was found. Histological examination revealed a uniform pattern consisting of compact nests of rounded or fusiform cells with a pale or clear cytoplasm. In between the cells, a network of collagenous tissue was encountered (Fig. 2). Immunohistochemically, the tumor cells expressed antigens for S‐100 protein and melanoma-associated antigen, reflecting melanin synthesis. Antibodies reactive to epithelial membrane antigen and cytokeratin were negative. On the basis of these criteria, the diagnosis of clear‐cell sarcoma was made. Fig. 1: T1-weighted magnetic resonance image of the right foot, showing a plantar tumor with cystic areas resembling necrotic zones in the center. Fig. 2: a: Clear-cell sarcoma with compact nests of pale-staining …

Computergestützte Planung von Hüftoperationen in virtuellen Körpern

Innerhalb dieses Beitrages wird ein Softwaresystem zur Planung und Simulation von Huft- und Beckenoperationen an virtuellen 3DModellen vorgestellt. Ausgangsbasis fur die Erstellung der dreidimensionalen Modelle der Htifte bilden raumliche CT-Bildfolgen, in denen die Knochenstrukturen der Hufte segmentiert werden. Durch speziell auf die orthopadischen Anforderungen abgestimmte 3D-Interaktionen und Visualisierungstechniken wird die virtuelle Planung von Beckenteilersatzoperationen von der Sektion des Huftknochens bis hin zum Einsatz der Prothese unterstutzt. Der Einsatz stereoskopischer 3D-Bilderzeugungsverfahren erweitert hierbei die Moglichkeiten zur raumlichen Darstellung und erleichtert die Navigation sowie das Setzen von Schnittebenen im virtuellen Huftmodell.

An orthopaedic atlas for the 3D operation planning and the virtual construction of endoprostheses in computer assisted orthopaedic surgery

Abstract This paper describes the structure of an orthopaedic atlas of the hip for the 3D operation planning. Furthermore, methods to transfer the atlas information to patient data sets are presented and evaluated. The atlas is used for the automatic recognition of anatomical structures that are needed during the virtual pre-operative planning of hip operations and the individual design of anatomically adaptable endoprostheses. The atlas based recognition method was evaluated using three manually pre-segmented 3D CT data sets of the hip. The mean, 98.2% of the bony voxels could be labeled correctly by the atlas based method.

Automatische Berechnung orthopädischer Maßzahlen auf der Basis virtueller dreidimensionaler Modelle der Hüfte

Orthopadische Maszahlen, wie Winkel, Abstande etc., bilden eine wesentliche Grundlage fur die orthopadische Diagnose und Therapieplanung. Konventionell werden diese Mase anhand von Rontgenprojektionsbildern gewonnen. Das hier vorgestellte Programm OrthoCalc berechnet orthopadische Maszahlen anhand virtueller dreidimensionaler Modelle der beteiligten Knochenstrukturen und assoziierter Landmarken. Es werden Algorithmen prasentiert, welche die automatische Bestimmung eines patientenbezogenes Koordinatensystem, der Rotationszentren und der Kontaktflache des Huftgelenks und verschiedener orthopadisch relevanter Winkel des Beckens ermoglichen. Durch eine integrierte Visualisierungskomponente kann der Arzt die berechneten Werte validieren. Die Benutzung dreidimensionaler Modelle fur die Berechnung der orthopadischen Kenngrosen erlaubt die korrekte Erfassung der dreidimensionalen Lagebeziehungen und vermeidet auf Projektionsfehlern beruhende Ungenauigkeiten. Durch die automatisierte Berechnung der Maszahlen wird der Arzt von dem damit verbundenen komplexen Interaktionsaufgaben in der virtuellen Umgebung entlastet.

Ein anatomischer Atlas zur Unterstützung der virtuellen Planung von Hüftoperationen

Aus den hochaufgelosten CT-Volumen einer Frau und eines Mannes wurde ein anatomischer Atlas zur Unterstutzung der virtuellen Planung von Huftoperationen generiert. In den Datensatzen wurden die verschiedenen Knochenstrukturen markiert und die Positionen anatomischer Punktlandmarken festgelegt. Die Werkzeuge DemonReg und OrthoCalc bieten die Moglichkeit, Atlasinformationen automatisch auf Patientendaten zu ubertragen und orthopadische Kenngroβien zu berechnen.

Automatische Registrierung von CT- und MR-Bildfolgen für die dreidimensionale Planung von Hüftoperationen

Die Einbeziehung multimodaler Bildinformationen aus der Computer- und Magnetresonanztomographie kann die Planung orthopadischer Operationen von Tumorpatienten entscheidend erleichtern und verbessern. Fur die Nutzung dieser Informationen in computergestutzten Planungssystemen ist eine vorherige Ausrichtung der Bilddaten notwendig. Lokale Verformungen der Weichteilgewebe und Atmungsartefakte erschweren die Registrierung im Beckenbereich. Durch die Erweiterung voxelbasierter starrer Registrierungsverfahren kann jedoch eine prazise Ausrichtung der CT- und MR-Bilddaten innerhalb der Knochenstrukturen erreicht werden. Die so gewonnenen Registrierungsinformationen werden fur die gemeinsame Visualisierung von Knochen und Tumorgewebe wahrend der Operationsplanung verwendet und ermoglichen die genauere Beurteilung der Form und Lage von Knochentumoren.