Prä- und postoperative Segmentierung und virtuelles Stenting von Aneurysmen und Stenosen

Dr. Jan Egger

Die medi­zi­ni­sche Bild­ver­ar­bei­tung hat in den letz­ten Jah­ren sehr an Bedeu­tung gewon­nen, vor allem in den ver­schie­de­nen Pha­sen der Behand­lung soma­ti­scher Erkran­kun­gen. Bei Dia­gno­se, Moni­to­ring, The­ra­pie­pla­nung und Durch­füh­rung bis zur Kon­trol­le wer­den medi­zi­ni­sche Ent­schei­dun­gen durch Com­pu­ter unter­stützt.

In der Arbeit wer­den Bei­trä­ge zur com­pu­ter­ge­stütz­ten Behand­lung von Gefäß­er­kran­kun­gen – krank­haf­te Gefäß­er­wei­te­run­gen (Aneurysmen)und krank­haf­te Gefäß­ver­en­gun­gen (Ste­no­sen) – geleis­tet. Es wird bei ope­ra­ti­ven Ein­grif­fen zur Behand­lung die­ser Gefäß­er­kran­kun­gen zwi­schen zwei Ver­fah­ren unter­schie­den: der offe­nen und der mini­mal-inva­si­ven (endo­vasku­lä­ren) Ope­ra­ti­on bzw. Behand­lung. Der Schwer­punkt der Arbeit liegt auf der com­pu­ter­ge­stütz­ten Opti­mie­rung von endo­vasku­lä­ren Behand­lun­gen.

Im Fall einer endo­vasku­lä­ren Behand­lung ist es beson­ders wich­tig, anhand der kri­ti­schen Pati­en­ten­da­ten eine geeig­ne­te Pro­the­se (Stent) mög­lichst akku­rat und in kür­zes­ter Zeit aus­zu­wäh­len. Dabei muss die Aus­wahl vor dem Ein­griff erfol­gen (prä­ope­ra­tiv), da der Stent wäh­rend der Ope­ra­ti­on nicht mehr ohne eine offe­ne Ope­ra­ti­on gewech­selt wer­den kann.

Ist ein Stent ein­ge­setzt, sind regel­mä­ßi­ge Nach­un­ter­su­chun­gen erfor­der­lich, um zum Bei­spiel das Auf­tre­ten von Löchern in der Pro­the­se (Endoleaks)oder das Ver­schie­ben der Pro­the­se (Stent Migra­ti­on) recht­zei­tig zu erken­nen. Für die ein­zel­nen Pha­sen von Dia­gno­se, The­ra­pie­pla­nung und Kon­trol­le einer Gefäß­er­kran­kung wer­den in der Dis­ser­ta­ti­on ver­schie­de­ne Metho­den zur Seg­men­tie­rung ent­wi­ckelt und vor­ge­stellt.

Mit ihnen ist es mög­lich, Aneu­rys­men und Ste­no­sen vor und nach einem ope­ra­ti­ven Ein­griff zu über­wa­chen und den behan­deln­den Arzt bei die­sen zum Teil sehr zeit­auf­wen­di­gen Pro­ze­du­ren zu unter­stüt­zen. Die unter­schied­li­chen Seg­men­tie­rungs­me­tho­den basie­ren auf den Ver­fah­ren der Akti­ven Kon­tu­ren, Active Appearan­ce Models sowie einem graph­ba­sier­ten Ansatz. Dabei hat der graph­ba­sier­te Ansatz die bes­ten Ergeb­nis­se gelie­fert, ein Pro­to­typ zur kli­ni­schen Eva­lua­ti­on wur­de bereits rea­li­siert.

Die Behand­lungs­pla­nung wie­der­um wird durch eine rech­ner­ge­stütz­te Simu­la­ti­on von Stents (vir­tu­el­les Sten­ting) vor dem Ein­griff opti­miert. Im der­zei­ti­gen kli­ni­schen All­tag wird ein Stent anhand von CT-Auf­nah­men aus­ge­wählt. Mit dem vir­tu­el­len Sten­ting aus der Arbeit kön­nen ver­schie­de­ne Stents zusätz­lich in den rea­len Pati­en­ten­da­ten aus der kli­ni­schen Rou­ti­ne simu­liert wer­den. Dabei wird ersicht­lich, ob der aus­ge­wähl­te Stent die pas­sen­den Dimen­sio­nen hat und bei der Ope­ra­ti­on zum Ein­satz kom­men soll­te. Die Stent-Simu­la­ti­on beruht auf dem Ver­fah­ren der Akti­ven Kon­tu­ren im Drei­di­men­sio­na­len und ist sowohl für nicht ver­zweig­te als auch für ver­zweig­te Stents (Y-Stents) geeig­net. Unter ande­rem wer­den für eine rea­lis­ti­sche Simu­la­ti­on die bei Y-Stents­auf­tre­ten­den Kol­li­si­ons­kräf­te in der Ver­zwei­gung berück­sich­tigt. Außer­dem wur­de ein Ansatz für das vir­tu­el­le Sten­ting im Karo­tis­be­reich ent­wi­ckelt, der ein elas­ti­sches Ver­hal­ten der Gefäß­wand bei einer Stent-Expan­si­on model­liert.

Wei­ter­hin ist im Bereich der rech­ner­ge­stütz­ten Simu­la­ti­on ein Ver­fah­ren zur Simu­la­ti­on eines Kathe­ter­pfa­des ent­stan­den. Der Kathe­ter­pfad wird hier­bei in zwei Schrit­ten bestimmt. In einem ers­ten Schritt wird ein initia­ler Pfad mit einem modi­fi­zier­ten Dijk­s­tra-Algo­rith­mus zur Bestim­mung des kür­zes­ten Pfa­des zwi­schen zwei Punk­ten berech­net. In einem zwei­ten Schritt wird dann die­ser Pfad mit einem Akti­ven Kon­tur­mo­dell inner­halb des Gefä­ßes aus­ge­rich­tet.

Die­se ver­schie­de­nen Ver­fah­ren wer­den in der Arbeit im Detail vor­ge­stellt und anhand von Phan­tom­da­ten und rea­len Pati­en­ten­da­ten eva­lu­iert. Außer­dem wer­den die kli­ni­schen Pro­to­ty­pen prä­sen­tiert, die auf den Ver­fah­ren auf­bau­en. Die Arbeit wur­de betreut von Prof. Dr. Bernd Freis­le­ben (Uni Mar­burg). Die voll­stän­di­ge Arbeit lässt sich her­un­ter­la­den: http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2009/0465/ Dr. rer. nat. Jan Egger stu­dier­te Infor­ma­tik an der Fach­hoch­schu­le Wies­ba­den (Diplom) und an der Hoch­schu­le Darm­stadt (Mas­ter). Mas­ter­ar­beit und Dis­ser­ta­ti­on ent­stan­den in Koope­ra­ti­on mit Sie­mens Healt­h­ca­re in Forchheim/Bayern, ein­schließ­lich eines sechs­mo­na­ti­gen For­schungs­auf­ent­hal­tes in Princeton/USA. Er ist wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter von Prof. Dr. Chris­to­pher Nims­ky, Lei­ter der Kli­nik für Neu­ro­chir­ur­gie der Uni­ver­si­tät Mar­burg.