Harald Evers
Dr. sc. hum.
Präoperative Planung beim Zervixkarzinom mittels Bildanalyse und Visualisierung
multipler MR-Sequenzen
Geboren am 16.05.1968 in Niedermarsberg
Reifeprüfung am 13.06.1987 in Marsberg
Studiengang der Fachrichtung Medizinische Informatik vom WS 1988 bis SS 1993
Vordiplom am 11.10.1990 an der Universität Heidelberg / Fachhochschule Heilbronn
Diplom am 16.09.1993 an der Universität Heidelberg / Fachhochschule Heilbronn
Promotionsfach: Medizinische Biometrie und Informatik
Doktorvater: Priv.-Doz. Dr. H.P. Meinzer
Beim rezidivierenden Zervixkarzinom können tumor-verdächtige Läsionen durch eine
dynamische MR-Bildgebung nachgewiesen werden. Nach Infusion eines paramagnetischen
Kontrastmittels (Gd-DTPA) reichern die suspekten Areale früher, steiler und stärker an als
das umliegende Gewebe. Deshalb erlaubt die Analyse pharmacokinetischer Parameter eine
Gewebedifferenzierung. Die Informationsmenge der aufgenommenen Bilddaten ist aber sehr
umfangreich, so daß der Einsatz computer-basierter Methoden naheliegt, um die Diagnostik
und die präoperative Planung zu unterstützen. Dazu wurde in der Dissertation eine
umfangreiche Bildanalyse ausgearbeitet, die eine Visualisierung der funktionellen
Zusammenhänge mit ihrem anatomischen Bezug ermöglicht.
Eingebettet in eine langfristige Studie der Abteilung für Onkologische Diagnostik und
Therapie am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg und der Universitäts-
Frauenklinik in Mainz erfolgte die Akquisition verschiedener MR-Sequenzen. Dabei wurde
auf die standardisierten Protokolle der Studie zurückgegriffen und zusätzlich eine Aufnahme
im Hinblick auf die Bildverarbeitung hinzugefügt. Die Kontrastmitteldynamik wurde mit
einer Saturation Recovery TurboFLASH-Sequenz aufgenommen und ergänzt durch eine
konventionelle, T1-gewichtete Aufnahme und eine Angio-MT-Sequenz. Im Rahmen der
Bildanalyse bestand das Ziel anschließend darin, in den unterschiedlichen MR-Aufnahmen
bestimmte anatomische Strukturen des weiblichen Beckens zu erkennen und in einem neuen
Ergebnisvolumen zu kombinieren.
Nach der Untersuchung der aktuellen Forschungsarbeiten im Bereich ‘Registrierung’ wurde
zur Kombination der Segmentierungsresultate eine neue Methode entwickelt, die eine affin-
elastische Konturregistrierung vollzieht. Die äußere Körperkontur erwies sich in transversaler
Ansicht als einziges Registierungsmerkmal, das in allen verwendeten MR-Volumina
automatisch detektierbar war. Durch die Registierung wurde nicht nur die Kombination der
MR-Volumen realisiert, sondern auch Atmungs- und Bewegungsartefakte korrigiert. In
Verbindung mit ACR/NEMA-Feldinformationen der originären Daten konnte somit eine
ortsgenaue Kombination erfolgen.
Die Bildsignale waren sowohl durch ein hochfrequentes Rauschen, als auch durch einen
niederfrequenten Intensitätsverlauf gestört. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag deshalb auf der
Untersuchung von Methoden, die diese Artefakte weitestgehend unterdrücken. Aus ihr
resultierte die Neuentwicklung einer adaptiven Filtertechnik sowie die Verbesserung eines
bestehenden Verfahrens zur Korrektur von Inhomogenitäten. Beide Ansätze konnten im
aktuellen Forschungskontext dargestellt werden. Anhand einer systematischen Testreihe
ließen sich die Vorzüge des iterativen, lokalen Region-Growing gegenüber bekannten Filter-
und Diffusionsalgorithmen heraustellen. Durch die Anwendung der Methoden auf die MR-
Aufnahmen wurde deren Bildqualität wesentlich verbessert.
Aufbauend auf der gelungenen Bildvorverarbeitung ließ sich die Segmentierung mit wenig
komplexen Methoden wie Schwellwertverfahren und Region-Growing bewältigen. Einer
hierarchischen Strategie folgend, wurden zunächst Organe ortsbezogen segmentiert, ehe eine
Differenzierung von Fett- und Muskelgewebe im Restvolumen erfolgte. In der nachfolgenden
Visualisierung wurden diese Bereiche mit den Ergebnissen der Tumorklassifikation
überlagert. Der Anreicherungsgradient diente dabei als Merkmal zur Identifikation tumor-
verdächtiger Areale.
Die Segmentierung verschiedener Objekte war die Vorausseztung dafür, ein neues,
attributiertes Volumen abzuleiten. Die separierten, anatomischen und funktionellen Regionen
wurden im Hinblick auf eine Visualisierung nach dem Heidelberger Raytracing Modell
attributiert. Dazu waren Einstellungen zur Dichtetransformation und zur Grundfarbe
erforderlich. Adäquate Parameter wurden ausgiebig diskutiert und Erfahrungswerte
dokumentiert. Sie liefern farbcodierte Visualisierungen des kombinierten MR-Volumens.
Zahlreiche Beispiele demonstrierten die Möglichkeiten der freien Navigation sowie die
Auswirkungen einer Manipulation des Dichtemappings. Auf diese Weise konnten semi- und
volltransparente 3-dimensionale Ansichten präsentiert werden, die einen intuiven Eindruck
der untersuchten Körperregion vermitteln. Insbesondere die räumliche Darstellung der tumor-
verdächtigen Strukturen gelang mit verschiedenen Visualisierungsalternativen, ohne den
Bezug zu umgebenden, anatomischen Objekten zu verlieren. Ein retrospektiver Vergleich mit
histopathologischen Großflächenschnitten belegte die Tumorlokalisation auf der Basis der
dynamischen MR-Bildgebung.
Die Arbeit deckt insgesamt ein breites Methodenspektrum ab, das von der Bildakquisition bis
zur Volumenvisualisierung reicht. Mit der Synthese von neuen Algorithmen, verbesserten
Standardverfahren und Parameterjustierungen wird ein vollständiger Bildanalysezykus
realisiert. Dieser mündet in einer flexiblen Volumenvisualisierung, die die diagnostischen
Möglichkeiten erweitert und den Weg für eine präoperative Planung bereitet.
