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Titelaufnahme

Titel
A navigation system for flexible endoscopes: System setup and evaluation / submitted by Rainer Hoffmann
Weitere Titel
Ein Navigationssytem für flexible Endoskope:System Aufbau und Evaluierung
Verfasser / VerfasserinHoffmann, Rainer
GutachterHummel, Johann
Erschienen2018
Umfangxi, 97 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftMedizinische Universität Wien, Dissertation, 2018
Anmerkung
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Datum der AbgabeJanuar 2018
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Ultraschall / Endoskop / Bildverarbeitung / Bild fusionierung
Schlagwörter (EN)Ultrasound / Endoscope / Image processing / Image fusion
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-17044 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
A navigation system for flexible endoscopes: System setup and evaluation [5.66 mb]
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Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Ziel : Diese Dissertation präsentiert ein Navigationssystem für flexible Endoskopie, welches mit einem Ultraschallkopf, der einen Blick hinter Gefässwände von Körperhöhlen ermöglicht ausgerüstet ist. Da die Qualität solcher Ultraschallbilder generell schlecht ist, erlaubt ein korrespondierendes CT-Schnittbild, welches von einem präoperativen CT stammt, eine bessere Erkennung von Lässionen sowie eine leichtere Navigation. Im Gegensatz zu anderen Systemen wird hier die Zusammenführung von Ultraschall und CT Bildern über die Registrierung abdominaler 3D Ultraschall Aufnahmen bewerkstelligt und ersetzt eine anderfalls notwendige inter-modale Registrierung. Der klinische Nutzen der Methode besteht einerseits in einem verbesserten überblick für den Chirurgen, andererseits in der kombinierten Bildinformation von Ultraschall und CT für die Biopsie von Lässionen.

Materialien und Methoden: Der Prozess stellt in Echtzeit ein Schnittbild eines präoperativen CTs korrespondierend zu einem Endoscop-Ultraschall Bild dar. Zum Zweck der Zusammenführung dieser Bilder wird sowohl präoperativ, als auch unmittelbar vor Beginn des Eingriffs ein 3D Ultraschallbild mit Positionserfassung gemacht. Die beiden abdominalen Ultraschallbilder bilden eine Verknüpfung zwischen dem präoperativen Untersuchungsraum und dem OP, die eine inter-modale Bildregistrierung, wie sie von anderen Systemen verwendet wird ersetzten. Da die Registrierung dieser Ultraschallbilder eine Schlüsseltechnologie für diese Anwendung darstellt, wurde das Verfahren der Bildregistrierung anhand einer vorangegangenen Studie zur Positionierung von Patienten in der Radiotherapie verbessert. Die Kalibrierung der Ultraschallköpfe erfolgte an Phantomen nach Standartverfahren. Alle Prozessschritte die Kalibrierung betreffend sind nur einmal vor der klinischen Anwendung erforderlich. Ergebnisse: Der Prozess wurde an einem Phantom, welches das Duodenum simuliert validiert. Es wurde für jeden Kalibrations- und Registrierungsschritt der Fehler (TRE) berechnet. Der gesamte TRE ergab sich zu 4,7 mm für das Phantom. Der TRE für die 3D Ultraschallregistrierung ergab sich zu 2,8 mm für Phantomdaten, sowie zu 4,1 mm für Patientendaten. Die Abschätzung eines TREs für den gesamten Prozess basierend auf den gemessenen TREs ergab sich zu 5,6 mm.

Diskussion: Der hauptsächliche Beitrag zum gesamten TRE aller TREs der Einzelschritte kam von der 3D Ultraschallregistrierung, deren TRE für Phantomdaten wesentlich besser war als für Patientendaten. Ungenauigkeiten der Positionserfassung spielten mit einem TRE < 2 mm eine untergeordnete Rolle. Der gesammte Prozess basiert auf starrer Bildregistrierung. Es wurde vorausgesetzt, dass die untersuchten anatomischen Strukturen während der Aufnahmen und dazwischen nicht deformiert werden. Jedenfalls, da Gewebedeformationen infolge einer Bewegung des Körpers sowie der Aktivität des Verdauungsapparates auftreten, sollten diese berücksichtigt werden, da sie den Registrierungsprozess für Patientendaten beeinflussen.

Schlussfolgerung: Der Ansatz, anstelle einer inter-modalen Registrierung abdominale 3D Ultraschallbilder zu verwenden erwies sich als ein mögliches Verfahren. Vielmehr wird eine Weiterentwicklung, die Gewebedeformationen berücksichtigt imstande sein die Genauigkeit des Systems zu verbessern.

Zusammenfassung (Englisch)

Purpose: This thesis presents a navigation system for Endoscopic ultrasonography (EUS) in which flexible endoscopes equipped with integrated US provide a view behind the walls of the gastrointestinal tract. Since the image quality of such US images is generally poor, a corresponding, reformatted slice from a pre-operative CT allows for better lesion detection and easier navigation. In contrast to other systems, the fusion of US with CT is realized via an abdominal Three dimensional (3D)-US/3D-US registration, replacing an inter-modal registration demanded otherwise. The clinical benefit of the method is on the one hand an improved overview for the operator and on the other hand the combined image information of CT and EUS for lesion biopsy.

Materials and Methods: The evaluated process provides an oblique, reformatted slice from a pre-operative CT volume corresponding to the live image of the EUS in real time. For image fusion, an abdominal (optically tracked) 3D-US is taken on the pre-operative site as well as on the interventional site. These abdominal US images provide a linkage between the pre-operative and the interventional site replacing an inter-modal registration as used in other systems. Since the 3D-US/3D-US registration is the key technology in this application, this registration technology has been improved on the basis of a previous patient alignment study in radiotherapy. The calibrations of the US scan heads were performed by the use of various phantoms applying standard calibration procedures. All calibration steps are required only once previous to the examination process.

Results: The process was validated on a phantom mimicking the duodenum. For each calibration and registration step a TRE was calculated. The overall TRE of the entire process was found to be 4.7 mm with the phantom. The TRE of the 3D-US/3D-US registration was 2.8 mm with phantom images and 4.1 mm with patient images. Combining the measured TREs results in an estimation of an overall system TRE on patient data of 5.6 mm.

Discussion: The main contribution to the overall TRE comes from the TREs arising from the 3D-US/3D-US registration process, which was considerably better for phantom data than for patient data. The TREs caused by tracking uncertainties were < 2 mm and and played a subordinate role. The entire process was based on a rigid image registration, so it was assumed that the observed anatomical structures will not deform during and between the required image acquisitions. However, since tissue deformations occur due to movement of the body and activities of the gastrointestinal system, anatomical changes should be taken into account as they affect registration success when using patient images.

Conclusion: The idea to use abdominal 3D-US/3D-US registration instead of inter-model registration method was been proven to be feasible. Nevertheless, further development that take tissue deformation into account will be able to improve system accuracy.

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