Medical Visualization for Orthopedic Applications
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Date
2006
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Mlejnek
Abstract
This dissertation discusses visualization techniques of articular cartilage forboth quantitative and qualitative assessment. Articular cartilage is a very thinstructure covering the endings of human bones. Thus, even slight changes in itsthickness and inner structure may indicate an occurrence or progress of degeneration.The early detection of these factors is crucial for diagnosis and treatment ofcartilage degeneration. Research to find treatments to stop or even reverse thesedegenerative changes is well in progress.Magnetic resonance imaging is currently the best and most used non-invasivetechnique for acquisition of soft tissue structures like articular cartilage. In thiswork we use two types of data: a high-resolution anatomical scan of the cartilageand a T2 map, which is computed from a set of sequences with varying parameters.While the thickness of the data can be precisely assessed fromthe anatomical scan,the T2 map offers information on the inner structures of the cartilage.Since the femoral cartilage is a curved thin-wall structure with a relativelysmall extent in one direction, it is very difficult to estimate its thickness from astack of slices or even from a three-dimensional reconstruction of its surface. Wediscuss inspection of the tissue by unfolding and, thus, representing the tissue asa two-dimensional height field. Such a transformation of the object enables theapplication of 2D geometrical operations in order to observe subtle details in thethickness of the tissue.Nowadays scanners allow a quality assessment checking disruptions in thepattern of the T2 map of the patellar cartilage. The T2 map illustrates the quality ofthe cartilage and changes in the pattern of T2 map indicate defects before changesin the thickness itself occur. We propose the Profile Flags - an intuitive interfacefor probing of the T2 maps by browsing the reconstructed surface of the cartilage.The Profile Flag is positioned on the reconstructed surface of the tissue, and canbe moved along it. The Profile Flags can be applied to annotate local as well asglobal characteristics of the underlying data in a single still image. Furthermore,we present a set of extensions to Profile Flags for selection, classification andautomatic positioning. Profile Flags can also be used to measure time-varyingdynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging data. - Die vorliegende Dissertation behandelt Visualisierungstechniken zur quantitativenund qualitativen Beurteilung des Zustandes von Gelenksknorpelgewebe.Es handelt sich dabei um dünne Knorpelstrukturen, die Gelenksköpfe im menschlichenKörper bedecken. Selbst geringe Änderungen in ihrer Dicke und Struturkönnen auf eine Degeneration hindeuten. Die Früherkennung solcher Veränderungenist von großer Bedeutung sowohl für die Diagnose und Behandlung der auslösendenKrankheiten als auch für die Erforschung ihrer Ursachen.Die Magnetresonanztomographie ist derzeit eines der am meisten verbreitetenbildgebenden Verfahren zur Untersuchung von Weichteilgewebe. Im Rahmendieser Arbeit kommen zwei Typen von MR Daten zur Anwendung: einhochaufläsender anatomischer Scan des Knorpelgewebes und eine sogenannte T2-Map, welche aus Sequenzen mit variirenden Parametern berechnet werden kann.Während die Dicke des Gelenksknorpels mit Hilfe des anatomischen Scans mithoher Präzision bestimmt werden kann, kann aus der T2-Map Information überseine Struktur gewonnen werden.Insbesondere die Untersuchung des femoralen Gelenksknorpels (Knorpelgewebe,welches den Oberschenkelkopf bedeckt) ist schwierig: Bedingt durchseine gewundene Struktur sind konventionelle Methoden basierend auf Schichtbildsequenzenoder dreidimensionaler Rekonstruktion zumeist ungeeignet. Ausdiesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit eine Technik zur Auffaltung desGewebes behandelt. Die so gewonnene Repräsentation als zweidimensionalesHöhenfeld erlaubt die Anwendung von geometrischen Operationen, um eineverbesserte Darstellung von selbst geringen Annomalien zu ermöglichen.Durch Untersuchung der T2-Map können darüberhinaus Veränderungen in derStruktur des Knorpelgewebes der Patella (Kniescheibe) erkannt werden bevor permanenteSchäden entstehen. In dieser Arbeit wird die Profilflaggen-Metaphervorgestellt, welche eine einfache Sondierung von T2-Maps erlaubt. Eine Profilflaggewird auf der rekonstruierten Oberfläche des Knorpelgewebes platziertund kann darauf bewegt werden. Profilflaggen bieten eine einfache Schnittstellezur Interaktion und Dastellung der zugrundeliegenden Daten und sind somit zurUntersuchung und Annotierung von lokalen und globalen Charakteristika desGewebes geeignet. Neben dem grundlegenden Konzept werden zahlreiche Erweiterungenvorgestellt, die sich mit Selektion, Klassifikation und automatisierterPositionierung der Profilflaggen beschäftigen. Auch eine Anwendung zur Untersuchungvon mit dynamischer kontrastmittelunterstützter Magnetresonanztomographie(DCE-MRI) gewonnenen Daten wird behandelt.
Description
@inproceedings{10.2312:diss.20068180,
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author = {Mlejnek, Matej},
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