Wahle A:


Präzise dreidimensionale Rekonstruktion von Gefäßsystemen aus biplanen angiographischen Projektionen und deren klinische Anwendung.

Dissertation zur Erlangung des Akademischen Grades Dr.-Ing. zur Vorlage am Fachbereich Informatik der Technischen Universität Berlin, Promotionsausschuß: Mahr B (Vorsitzender, TU Berlin), Lemke HU (Computer Graphics, TU Berlin), Reiber JHC (Cardiovascular Imaging, RU Leiden), durchgeführt am Deutschen Herzzentrum Berlin

May/November 1996

Ph.D.-Thesis (English) (Published) (Table of Contents) (Links)

Abstract: In der modernen Medizin haben qualitative und quantitative Analysen räumlicher Strukturen erheblichen Wert für die klinische Diagnose und die Planung von therapeutischen Maßnahmen und Interventionen. Für die Diagnose und Behandlung von Erkrankungen des Herzens ist es erforderlich, über die morphologischen Eigenschaften der Gefäßsysteme Kenntnis zu erhalten. Dies kann qualitativ durch eine Visualisierung der räumlichen Strukturen erfolgen, oder quantitativ durch Berechnen morphometrischer Parameter wie Durchmessern, Querschnitten, Längen und Volumina. Die in der Medizin verfügbaren bildgebenden Verfahren und die konventionellen Methoden, z.B. zur Auswertung von Röntgenaufnahmen, reichen in vielen Fällen für eine präzise Ermittlung von Gefäßzuständen nicht aus. So liefert die in der Kardiologie angewendete biplane Röntgen-Angiographie zwar zwei Aufnahmen des kontrastmittelgefüllten Innenvolumens eines Gefäßsystems in Form planer Bilder, die Rekonstruktion der räumlichen Struktur geschieht jedoch mental durch den Betrachter. Quantifizierungen sind oftmals nur ungenügend - da nur in der Ebene - durchführbar.

Ziel dieser Arbeit war es, ein umfassendes System zur möglichst präzisen Rekonstruktion und Modellierung räumlicher Strukturen, wie Gefäßsystemen, aus zwei Projektionen zu schaffen. Auf der Grundlage eines genauen dreidimensionalen Modells des Gefäßsystems läßt sich dieses durch geeignete Methoden sowohl aus beliebigen Richtungen darstellen, als auch räumlich vermessen, um den Arzt somit in seiner Entscheidungsfindung zu unterstützen. Durch die Ansammlung von 3D- Modellen und Vermessungsergebnissen lassen sich repräsentative Statistiken für retrospektive Untersuchungen an spezifischen Patientengruppen durchführen.

Das vorgestellte System ist weitgehend robust gegenüber störenden Einflüssen, die in der klinischen Routine nicht zu umgehen sind. Insbesondere geht es nicht davon aus, daß die Aufnahmegeräte über besondere Eigenschaften verfügen, auch sind Aufnahmen aus der Routine direkt einsetztbar, wenn die Parameter des Gerätes größtenteils bekannt sind. Anhand von eindeutigen Referenzpunkten in den Bildern können ungenaue oder fehlende Parameter korrigiert bzw. ergänzt werden. Zur quantitativen Auswertung wurde ein Volumenmodell ent wickelt, das eine genaue Beschreibung der Gefäßsysteme zuläßt.

Diese Arbeit gibt zunächst eine Einführung in die medizinischen Grundlagen, in die bildgebenden Verfahren in der Kardiologie und in vorhandene Rekonstruktionstechniken. Der methodische Teil beschreibt die Algorithmen, die für die Rekonstruktion räumlicher Strukturen aus zwei Aufnahmen entwickelt wurden. Eine eingehende Validierung dieser Methoden wurde anhand von Phantomstudien durchgeführt. An zahlreichen Beispielen aus der klinischen Routine wird die Anwendung des implementierten Systems in der Praxis gezeigt.

In modern medicine, qualitative and quantitative analyses of spatial structures are of considerable value for clinical diagnosis, and for the planning of therapeutic and interventional procedures. For diagnoses and treatments of heart diseases, the knowledge about morphological properties of vessel systems is required. This knowledge can be achieved either qualitatively by visualization of the spatial structures, or quantitatively by calculations of morphometric parameters like diameters, cross-sections, lengths or volumes. The imaging modalities available in medicine, along with the use of conventional evaluation methods, e.g. on x-ray images, cannot provide sufficient assessments of vessels in many cases. Biplane x-ray angiography, as used in cardiology, delivers only two planar images of the inner volume of a vessel, as it is filled with contrast dye. The succeeding reconstruction of the spatial structure is performed mentally by the viewer, and quantifications are impaired by the planar representation.

The aim of this work was the development of a complete system for reconstruction and modelling of spatial structures like vessel systems from two projections as accurately as possible. Based upon an accurate three-dimensional model of the vessel system, appropriate methods allow visualizations from arbitrary directions as well as spatial measurements, to support physicians in their decision findings. By collection of 3-D models and quantification results, representative statistics can be performed for retrospective analyses on specific patient groups.

The presented system is highly robust against distorting influences that cannot be avoided in clinical routine. Especially, it does not assume specific properties of the angiographic imaging devices. Any set of images as acquired in routine may be used for reconstruction, if the parameters of the imaging device are mainly known. By using unique reference points in the acquired images, distorted parameters can be corrected, and missing can be approximated. For quantitative analyses, a volume model was developed that allows an accurate description of a vessel system.

This thesis first provides introductions in medical basics, in imaging modalities, and in available methods for reconstruction. The method's part describes the algorithms developed for reconstruction of spatial structures from two projections. A detailed validation of these methods was performed in phantom studies. In several examples of clinical routine, the application of the system is shown in practice.