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Quantitative Analyse des Lungenparenchyms in Thorax-CT Daten
Quantitative Analyse des Lungenparenchyms in Thorax-CT Daten
MeVis9. APT FortbildungsseminarGöttingen, 17.6.2005
9. APT FortbildungsseminarGöttingen, 17.6.2005
Jan-Martin Kuhnigk, Volker Dicken, Stephan Zidowitz, Stefan Krass, Heinz-Otto PeitgenJan-Martin Kuhnigk, Volker Dicken, Stephan Zidowitz, Stefan Krass, Heinz-Otto Peitgen
MeVis, Zentrum für medizinische Diagnosesysteme und Visualisierung, BremenMeVis, Zentrum für medizinische Diagnosesysteme und VisualisieruMeVis, Zentrum für medizinische Diagnosesysteme und Visualisierung, Bremenng, Bremen
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 2 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
ÜbersichtÜbersicht
1. Regionenbasierte Parenchym-Analyse– Einführung
• Motivation• Herausforderungen der computer-gestützten Diagnostik• Bessere Scanner, alles wird gut?
– Vorstellung aktueller Forschungsergebnisse• Segmentierung im Thorax-CT: Bronchien, Lunge, Lappen• Auswertung: Quantitativ und Visuell• Live Software-Demo Parenchym-Analyse
– Diskussion
2. Ausblick: Lungen-Operations-Planung– Erste Ergebnisse– Diskussion
1. Regionenbasierte Parenchym-Analyse– Einführung
• Motivation• Herausforderungen der computer-gestützten Diagnostik• Bessere Scanner, alles wird gut?
– Vorstellung aktueller Forschungsergebnisse• Segmentierung im Thorax-CT: Bronchien, Lunge, Lappen• Auswertung: Quantitativ und Visuell• Live Software-Demo Parenchym-Analyse
– Diskussion
2. Ausblick: Lungen-Operations-Planung– Erste Ergebnisse– Diskussion
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 3 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
MotivationMotivation
Epidemiologisch relevante Parenchymkrankheiten:Epidemiologisch relevante Parenchymkrankheiten:
• Emphysem (COPD)– Gegenwärtig die 4.-häufigste
Todesursache in den USA
• Fibrose
• Emphysem (COPD)– Gegenwärtig die 4.-häufigste
Todesursache in den USA
• Fibrose
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 4 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
FragestellungenFragestellungen
Quantitative Beantwortung von Fragen wie…
• Wie schwer ist die Erkrankung?– Z. B. Emphysemindex
• Wie ist ihre räumliche Verteilung?– Anterior / Posterior, etc.– Zentral / Peripher– Lappen- oder Segmentspezifisch
• Wie hat sich die Situation seit der letzten Untersuchung geändert?
…basierend auf CT Daten
Quantitative Beantwortung von Fragen wie…
• Wie schwer ist die Erkrankung?– Z. B. Emphysemindex
• Wie ist ihre räumliche Verteilung?– Anterior / Posterior, etc.– Zentral / Peripher– Lappen- oder Segmentspezifisch
• Wie hat sich die Situation seit der letzten Untersuchung geändert?
…basierend auf CT Daten
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 5 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Was leisten aktuelle Workstations?Was leisten aktuelle Workstations?
• Axiale Schichten in benutzerdefinierter Fensterung• Reformatierte 2D-Ansichten (koronal, sagittal)• 3D Volumen-Rendering• Lokale Dichtemessung in kleiner Region auf einer Schicht• …?
Ausnahme: Spezialisierte Software eines großen Workstation-Herstellers:• Semiautomatische Lungenerkennung• Histogrammauswertung
• Axiale Schichten in benutzerdefinierter Fensterung• Reformatierte 2D-Ansichten (koronal, sagittal)• 3D Volumen-Rendering• Lokale Dichtemessung in kleiner Region auf einer Schicht• …?
Ausnahme: Spezialisierte Software eines großen Workstation-Herstellers:• Semiautomatische Lungenerkennung• Histogrammauswertung
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 6 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Computerunterstützte Diagnose (CAD)
Computerunterstützte Diagnose (CAD)
Stärken des Computers:
• Gedächtnis
• Rechnen
• Geduld
Stärken des Computers:
• Gedächtnis
• Rechnen
• Geduld
Stärken des Radiologen:
• Fachwissen
• Intelligenz
• Anpassungsfähigkeit
Stärken des Radiologen:
• Fachwissen
• Intelligenz
• Anpassungsfähigkeit
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 7 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Allgemeine Herausforderungen derDiagnoseunterstützung durch Computerprogramme
Allgemeine Herausforderungen derDiagnoseunterstützung durch Computerprogramme
Ein Programm muss
• Eigenständig im CT-Scan medizinisch relevante Strukturen erkennen können, z. B.:
– Welche Voxel gehören zur Lunge?– Welche gehören zu welchem Lappen?– Welche bilden die Hauptbronchien ab?– Wo ist der rechte Mittellappenbronchus?– Wie unterscheidet man gesundes von erkranktem Gewebe?– …
Erkennung, „Segmentierung“
• Robust sein gegen – Inter-Subjekt-Variationen– Anatomische Variationen– Pathologische Veränderungen– Merkwürdige Benutzereingaben
• Auf Probleme angemessen reagieren, d. h.:– Selbstständig alternative Algorithmen verwenden– Den Benutzer um Hilfe bitten– Mit entsprechender Fehlermeldung abbrechen– Die Ergebnisse vom Benutzer verifizieren lassen
Ein Programm muss
• Eigenständig im CT-Scan medizinisch relevante Strukturen erkennen können, z. B.:
– Welche Voxel gehören zur Lunge?– Welche gehören zu welchem Lappen?– Welche bilden die Hauptbronchien ab?– Wo ist der rechte Mittellappenbronchus?– Wie unterscheidet man gesundes von erkranktem Gewebe?– …
Erkennung, „Segmentierung“
• Robust sein gegen – Inter-Subjekt-Variationen– Anatomische Variationen– Pathologische Veränderungen– Merkwürdige Benutzereingaben
• Auf Probleme angemessen reagieren, d. h.:– Selbstständig alternative Algorithmen verwenden– Den Benutzer um Hilfe bitten– Mit entsprechender Fehlermeldung abbrechen– Die Ergebnisse vom Benutzer verifizieren lassen
?Methoden-EntwicklungMethoden-Entwicklung
Tests & EvaluationTests &
Evaluation
Workflow-Design
Workflow-Design
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 8 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Spezielle Herausforderungen: Datenmaterial
Spezielle Herausforderungen: Datenmaterial
• Rapide Entwicklung der CT Scanner (4-, 16-, 64 rows)
Thorax-CT: 3D Datensatzmit 300-600 SchichtenVolumetrischeQuantifizierung und 3D Visualisierung möglichComputer-Unterstützungnotwendig
• Rapide Entwicklung der CT Scanner (4-, 16-, 64 rows)
Thorax-CT: 3D Datensatzmit 300-600 SchichtenVolumetrischeQuantifizierung und 3D Visualisierung möglichComputer-Unterstützungnotwendig
Sagittale Ansicht Multi-Slice CTSagittale Ansicht Multi-Slice CTSagittale Ansicht Single-Slice CT
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 9 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Spezielle Herausforderungen: Datenmaterial (2)Spezielle Herausforderungen: Datenmaterial (2)
• Variierende Datenqualität– Verschiedene Scanner und Scanning-Protokolle
Methoden, Evaluation
• 300-600 Schichten = 150–300 MB– Speicherintensiv, Beschränkter Hauptspeicher– Rechenzeitintensiv, Beschränkte Zeit
Methoden, Workflow
• 3D-Datensätze– 3D-Analyse aufwändiger– 3D-Information schwierig zu präsentieren
Methoden, Evaluation
• Vergleichbarkeit von Verlaufsaufnahmen– Atemzustand– Akquisitions-Protokoll– Zustand des Patienten
Methoden, Evaluation
• Variierende Datenqualität– Verschiedene Scanner und Scanning-Protokolle
Methoden, Evaluation
• 300-600 Schichten = 150–300 MB– Speicherintensiv, Beschränkter Hauptspeicher– Rechenzeitintensiv, Beschränkte Zeit
Methoden, Workflow
• 3D-Datensätze– 3D-Analyse aufwändiger– 3D-Information schwierig zu präsentieren
Methoden, Evaluation
• Vergleichbarkeit von Verlaufsaufnahmen– Atemzustand– Akquisitions-Protokoll– Zustand des Patienten
Methoden, Evaluation
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 10 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
CT-Bildanalyse:
Segmentierung
CT-Bildanalyse:
Segmentierung
1. Größere Bronchien1. Größere Bronchien
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 11 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
CT-Bildanalyse:
Segmentierung
CT-Bildanalyse:
Segmentierung
1. Größere Bronchien
2. Linke / Rechte Lunge
1. Größere Bronchien
2. Linke / Rechte Lunge
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 12 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
CT-Bildanalyse:
Segmentierung
CT-Bildanalyse:
Segmentierung
1. Größere Bronchien
2. Linke / Rechte Lunge
3. Lungenlappen
1. Größere Bronchien
2. Linke / Rechte Lunge
3. Lungenlappen
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 13 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
CT-Bildanalyse:
Segmentierung
CT-Bildanalyse:
Segmentierung
1. Größere Bronchien
2. Linke / Rechte Lunge
3. Lungenlappen
4. Lungensegmente
1. Größere Bronchien
2. Linke / Rechte Lunge
3. Lungenlappen
4. Lungensegmente
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 14 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Beispiele Bronchialbaum-Segmentierung& Analyse
Beispiele Bronchialbaum-Segmentierung& Analyse
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 15 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Beispiele Lungen-SegmentierungBeispiele Lungen-Segmentierung
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 16 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Beispiele Lappen-SegmentierungBeispiele Lappen-Segmentierung
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 18 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Quantitative ReportQuantitative Report
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 19 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Quantitative Parenchyma Analysis: VisualizationQuantitative Parenchyma Analysis: VisualizationSynchronized 2D View of Original MIP and Analysis Results
Synchronized 2D View of Original MIP and Analysis Results
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 20 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Quantitative Parenchyma Analysis: VisualizationQuantitative Parenchyma Analysis: Visualization
Lobar 3D Visualization of Emphysema,
Reformatted, Density-Color-Coded Parenchyma Visualization
Lobar 3D Visualization of Emphysema,
Reformatted, Density-Color-Coded Parenchyma Visualization
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 21 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Quantitative Parenchyma Analysis: VisualizationQuantitative Parenchyma Analysis: Visualization
Lobar 3D Visualization of Emphysema,
Lobar Density Histograms
Lobar 3D Visualization of Emphysema,
Lobar Density Histograms
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 22 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Quantitative Parenchymanalyse: DiskussionQuantitative Parenchymanalyse: Diskussion
• Automatische Extraktion von Maßzahlen wie Volumen, mittlerer Dichte oder Emphysemindex durch den Computer
• Schwierigkeit: Reproduzierbarkeit stark abhängig von – Reproduktion des Atemanhalte-Zustandes (Spirometrie?)– Reproduktion des Akquisitionsprotokolls– Benutzung desselben Scanners?
• Erhebung von Parametern (Emphysem, Fibrose, …) spezifisch für jede funktionelleEinheit (L/R Lunge, Lappen, Segmente): Erfassung der räumlichen Verteilung
• Vorteile der lappenspezifischer Maßzahlen: Vergleicha) zwischen disjunkten Komponenten
(z.B. Dichtevergleich zw. linkem Unter- vs. Oberlappen)
b) mit enthaltenden Komponenten -> Referenz(z.B. Vergleich Emphysemindex zw. linkem Unterlappenund der linken Lunge bzw. Gesamtlunge)
c) mit Voruntersuchungen oder zwischen Inspirations- und Expirations-Scan:• Keine explizite Bildregistrierung notwendig: Implizit durch Regionen• Verbesserte Reproduzierbarkeit relativer Maße
• Automatische Extraktion von Maßzahlen wie Volumen, mittlerer Dichte oder Emphysemindex durch den Computer
• Schwierigkeit: Reproduzierbarkeit stark abhängig von – Reproduktion des Atemanhalte-Zustandes (Spirometrie?)– Reproduktion des Akquisitionsprotokolls– Benutzung desselben Scanners?
• Erhebung von Parametern (Emphysem, Fibrose, …) spezifisch für jede funktionelleEinheit (L/R Lunge, Lappen, Segmente): Erfassung der räumlichen Verteilung
• Vorteile der lappenspezifischer Maßzahlen: Vergleicha) zwischen disjunkten Komponenten
(z.B. Dichtevergleich zw. linkem Unter- vs. Oberlappen)
b) mit enthaltenden Komponenten -> Referenz(z.B. Vergleich Emphysemindex zw. linkem Unterlappenund der linken Lunge bzw. Gesamtlunge)
c) mit Voruntersuchungen oder zwischen Inspirations- und Expirations-Scan:• Keine explizite Bildregistrierung notwendig: Implizit durch Regionen• Verbesserte Reproduzierbarkeit relativer Maße
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 23 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Ausblick: Thorax-OP-PlanungAusblick: Thorax-OP-Planung
Ziel ist die Unterstützung der Planung von– BC-Resektionen– Metastasen-Chirurgie– Lungen-Volumen-Reduktions-Chirurgie
durch – Quantitative Auswertung (Volumina, Abstände)– Visualisierungen (2D, 3D)
Ziel ist die Unterstützung der Planung von– BC-Resektionen– Metastasen-Chirurgie– Lungen-Volumen-Reduktions-Chirurgie
durch – Quantitative Auswertung (Volumina, Abstände)– Visualisierungen (2D, 3D)
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 24 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Unterstützung Risikoanalyse
Unterstützung Risikoanalyse
Einbeziehen der Ergebnisse der quantitativen Analyse:
Einbeziehen der Ergebnisse der quantitativen Analyse:
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 25 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Visualisierung & VermessungVisualisierung & Vermessung
InterventionPlannerPrototypischer
Software-Assistent zur Operationsplanung
und Risikoanalyse
InterventionPlannerPrototypischer
Software-Assistent zur Operationsplanung
und Risikoanalyse
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 26 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Segmentierung in Kombination mitVolume Rendering (1)
Segmentierung in Kombination mitVolume Rendering (1)
Präoperative 3D-Visualisierung zurPlanung von BC-
Resektionen
Daten: Dr. Heussel,
Radiologie Uniklinik Mainz
Präoperative 3D-Visualisierung zurPlanung von BC-
Resektionen
Daten: Dr. Heussel,
Radiologie Uniklinik Mainz
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 27 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Segmentierung in Kombinationmit Volume Rendering (2)
Segmentierung in Kombinationmit Volume Rendering (2)
Visualisierung:
• Selektives An- bzw. Ab- oder Transparent- Schaltensegmentierter Strukturen (Bronchien, Lunge, Lappen, Tumor, Gefäßen) in Kombination mit VR
Vermessung segmentierter Strukturen:
• Ausmaße
• (Sicherheits-) Abstände
Visualisierung:
• Selektives An- bzw. Ab- oder Transparent- Schaltensegmentierter Strukturen (Bronchien, Lunge, Lappen, Tumor, Gefäßen) in Kombination mit VR
Vermessung segmentierter Strukturen:
• Ausmaße
• (Sicherheits-) Abstände
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 28 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Metastasen-Chirurgie (1)Metastasen-Chirurgie (1)
Präoperative 3D-Visualisierung als
Hilfe beimAuffinden von Metastasen
Daten: Prof. Weigand,
Praxisgemeinschaft für Radiologische Diagnostik am Städt. Klinikum Wiesbaden
Präoperative 3D-Visualisierung als
Hilfe beimAuffinden von Metastasen
Daten: Prof. Weigand,
Praxisgemeinschaft für Radiologische Diagnostik am Städt. Klinikum Wiesbaden
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 29 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Metastasen-Chirurgie (2)Metastasen-Chirurgie (2)
Lappen-spezifische
Colorierung des Volume Renderings
Daten: Prof. Wein,
Uniklinik Aachen
Lappen-spezifische
Colorierung des Volume Renderings
Daten: Prof. Wein,
Uniklinik Aachen
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 30 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Lung Volume Reduction Surgery (LVRS)Lung Volume Reduction Surgery (LVRS)
Emphysem-Visualisierung
Daten: Dr. Heussel, Radiologie Uniklinik Mainz
Emphysem-Visualisierung
Daten: Dr. Heussel, Radiologie Uniklinik Mainz
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 31 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Hilus VisualisierungHilus Visualisierung
Daten: Prof. Wein,
Uniklinik Aachen
Daten: Prof. Wein,
Uniklinik Aachen
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 32 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Diskussion Thorax OP-PlanungDiskussion Thorax OP-Planung
• Ziele– Präoperatives Erkennen und Vorbeugen von Risiken ermöglichen– Visualisierungen als Diskussionsgrundlage– Ausbildung weniger erfahrener Chirurgen– Dokumentation für den Patienten
• Gemeinsamkeiten und Unterschiede: Leber <-> Lunge• Erkundungsphase: Was bringt wo echten Nutzen?• Technische Gegebenheiten Thoraxchirurgien
– CT-Scanner– Computer
• Wie bringt man die Ergebnisse– in die Fall-Besprechung?– in den OP?
• Ziele– Präoperatives Erkennen und Vorbeugen von Risiken ermöglichen– Visualisierungen als Diskussionsgrundlage– Ausbildung weniger erfahrener Chirurgen– Dokumentation für den Patienten
• Gemeinsamkeiten und Unterschiede: Leber <-> Lunge• Erkundungsphase: Was bringt wo echten Nutzen?• Technische Gegebenheiten Thoraxchirurgien
– CT-Scanner– Computer
• Wie bringt man die Ergebnisse– in die Fall-Besprechung?– in den OP?
9. APT Fortbildungsseminar, Göttingen, 17.6.2005 - 33 - Jan-Martin Kuhnigk MeVis
Fragen!Fragen!
Quantitative
Parenchymanalyse
Quantitative
Parenchymanalyse
Lungen-OP-PlanungLungen-OP-Planung