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Morphologie und Dynamik des Herzens

4. Methoden zur multidimensionalen Quantifizierung der Morphologie und Dynamik des Herzens

Aufgabe des Methoden-Teilprojekts ist die Entwicklung neuer und spezifisch optimierter quantitativer Methoden für die Bearbeitung der klinischen Fragestellungen.

Benötigt werden Systeme zur Quantifizierung der Morphologie des Herzens sowie der Dynamik des Blutes und des Myokards.

Im Bereich der Morphologie sind insbesondere Verfahren zur 3D-Volumetrie erforderlich, auch zur Bestimmung daraus abgeleiteter funktioneller Parameter wie der Ejektionsfraktion.

Aus Sicht der Bildverarbeitung gehören diese Verfahren zur Klasse der Segmentierungsprobleme, für die es im Allgemeinen keine vollautomatische Lösung gibt, sodass sie häufig mit hohem zeitlichem Aufwand für den Benutzer verbunden sind.

Eine noch größere Herausforderung stellen Verfahren zur quantitativen Beschreibung der Form und von Formveränderungen dar, die eine neuartige Art der Beurteilung des längerfristigen Einflusses von chirurgischen und interventionellen Eingriffen auf die Morphologie der Ventrikel ermöglichen würde. Im SFB 414 wurde eine umfangreiche Plattform für interaktive Segmentierungsverfahren geschaffen, die für das Projekt genutzt werden kann.

Darüber hinaus liegt der Schwerpunkt auf 3D-Echtzeit-Applikationen mit der Live-3D Echokardiographie (Abb.16) und vektoriellen Analyse der Herzdynamik (Abb.17).

Die Live-3D Echokardiographie ist in der Lage dreidimensionale, funktionelle und morphologische Daten aus einer Herzphase zu gewinnen.

Die bisher entwickelten Methoden werden für das 3D-Echtzeitsystem angepasst und entsprechend der sich neu ergebenden Möglichkeiten weiterentwickelt.

Im Bereich der quantitativen Erfassung der Dynamik wurden im SFB 414 wichtige Vorarbeiten für ein neues, auf dreidimensionalem Doppler-Ultraschall beruhendes Verfahren zur vektoriellen Erfassung der Bewegung geleistet.

Abbildung 17. Vektorielle Analyse der Herzdynamik.

Ziele

Das Ziel des Teilprojekts im Bereich der Erfassung der Morphologie ist die Entwicklung leicht erlernbarer interaktiver 3D-Segmentierungswerkzeuge weiter voranzutreiben und damit den mit der Auswertung der Daten verbundenen Zeitaufwand zu senken. Methode der Wahl sind daher semi-automatische Verfahren, die weitgehend automatisch ablaufen, es aber dem Benutzer erlauben, das Verfahren interaktiv zu beeinflussen oder zu korrigieren. Dazu werden interaktiv deformierbare Modelle (2-Simplex Meshes) und statistische Formmodelle eingesetzt. Letztere dienen auch zur Erfassung der Form. Die neuen Segmentierungswerkzeuge werden sukzessive in das vorhandene Segmentierungs-PlugIn integriert. Sie können somit sofort in den klinischen Teilprojekten zum Einsatz kommen und evaluiert werden. Ultraschall und Doppler-Ultraschall sind klinisch weit verbreitete Modalitäten zur Analyse intrakardialer Flüsse und Dynamiken der Herzwand. Neben klassischem B-Mode Verfahren liefern Farb- und Gewebe-Doppler funktionelle Informationen. Aktuelle Doppler-Methoden bestimmen lediglich eindimensionale Geschwindigkeitsinformationen. Ziele sind die Entwicklung neuer Nachverarbeitungsalgorithmen zur mehrdimensionalen Fluss- und Bewegungsanalyse. Die Algorithmen werden auf Basis aktuellster Bildgebungs- und Tracking-Technologien entwickelt und evaluiert.

Methoden

Es wird die Entwicklung von interaktiven 3D-Segmentierungswerkzeugen, welche in unserer Abteilung schon begonnen wurde, weitergeführt. Insbesondere werden neue Interaktionsstrategien mit dreidimensionalen deformierbaren Modellen erarbeitet und getestet. Das Deformationsmodell wird auf 3D+t erweitert. Somit können direkt Live-3D-US-Datensätze schneller segmentiert werden. 

Die Kooperationspartner aus den Projekten 1 und 2 stellen die notwendigen Bilddaten zur Verfügung und werten die entwickelten Algorithmen in konkreten medizinischen Fragestellungen aus.