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DIPLOMARBEIT

1. opening closing Bild 4 20 Erosion und Dilatation am Beispiel Das Ergebnis einer solchen Vorverarbeitungsstufe w rde mit Sicherheit zu einer Ver besserung aller folgenden Verarbeitungsschritte f hren insbesondere wenn Registrie rungsmarker auf eng begrenztem Raum eingesetzt werden und demzufolge dicht beieinander liegen 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 4 4 4 Bestimmung der Markereigenschaften Nach der Ermittlung aller potentiellen Markerregionen im CT Datensatz m ssen diese auf ihre Eigenschaften hin untersucht werden Zu diesem Zweck wurde die Funktion markerProperties implementiert die die Bilddaten nebst Zusatzinformation sowie die Liste der gefundenen Markerregionen als Eingabeparameter erh lt Das Ergebnis ist eine um die berechneten Eigenschaften erweiterte Liste von Markerregionen Der Pro grammcode dieser Bibliotheksfunktion liegt in der Datei markerProperties c vor Zu jeder Markerregion wird das Volumen der Massenschwerpunkt der mittlere HOUNSFIELD Wert die Haupttr gheitsmomente die Verteilung der Grauwerte auf den Hauptachsen sowie der Tr gheitstensor mit seinen Eigenwerten und Eigenvektoren berechnet Die theoretischen Grundlagen sind ausf hrlich in Abschnitt 4 3 behandelt so dass an dieser Stelle lediglich auf die Besonderheiten der Implementierung eingegangen wird
2. Die Liste der verwendeten Klassifizierungsmerkmale bildet einen so genannten Merk malsvektor P in dem alle Merkmale p R einer Region R zusammengefasst werden 4 14 P p R p R p R 4 14 Umfasst ein Merkmalsvektor n Merkmale die statistisch unabh ngig voneinander sind dann spannen diese einen Merkmalsraum der Dimension n auf Jeder Markertyp wird durch einen Punkt oder eine Punktmenge Cluster im Merkmalsraum repr sentiert die aus dem zugeh rigen Merkmalsvektor resultiert 4 15 Wurden die Merkmale einer Klasse geeignet gew hlt dann sollten die Merkmalsvektoren einer Klasse im Merkmals raum nahe beieinander und Merkmalsvektoren unterschiedlicher Klassen weit vonein ander entfernt liegen Treten berlappungen zwischen Merkmalsregionen im Merkmals raum auf dann ist eine eindeutige Klassifikation nicht gew hrleistet J h97 Philips falls P R p Philips p Philips Beekley falls P R p Beekley p Beekley Leibinger falls P R p Leibinger p Leibinger unbekannt sonst class R 4 15 Entscheidend f r eine gute Klassifizierung ist nicht die Menge der Merkmale eines Merkmalsvektors bzw die Dimensionalit t des Merkmalsraumes sondern die gute Trennbarkeit der Merkmale Da in der Praxis jedoch oft keine eindeutige Zuordnung einer Merkmalsauspr gung zu einer Merkmalsregionen vorgenommen werden kann muss im Zweifelsfall eine Zuordnungsent
3. eennneen 133 viii 6 4 1 Das Modul hxStl43 2 ran anne 133 OA Datenimport eas 22 2 ai 134 6 4 3 Export der Bilddaten zur Visualisierung eenenne 136 6 4 4 Export der Markerinformation zur Registrierung cenne 136 6 4 5 Export der Bohrdaten zur Ausf hrung ennnnenennnnnn 137 6 5 Brweiterunssm glichkeiten sieben 138 6 6 ZUSAmImeNTASSuUNg ua 139 7 Bewertung und Ausblick au ala 141 7 1 Aktueller Stand und n chste Schritte ueessnssesneseensennennne sn 141 7 1 1 Genaugkeitsunterspehungen su r ssiearasi in 142 7 1 2 Verbesserung der Benutzerschnittstelle enenneennnn 143 71 3 Rlmische Bewertung era A T 144 7 2 Vom Prototyp zum klinisch einsetzbaren Planungssystem 146 7 2 1 Anbindung an Krankenhausinformationssysteme ceseneeneneeen 146 71 2 2 Ergebnisorientierte Plan ne zuesaa na 146 7 2 3 Export der Planungsdaten im DICOM Format 147 7 2 4 Erstellung und Speicherung von Planungsprotokollen 147 7 2 5 Stereolithographiemodelle Computer Integrated Manufacturing 148 Ra SOHlUSsbe mierk ngs nee insel EEE 148 Glossar sata sa een el 149 Apbildunssverzeichnis smie e an ccs sso css we snc eects een a Beda 153 AGICNVELZCIC MINIS ss este 157 Literat r verzeichnis au eurer 159 Anhang A Bedienung des Planungssystems cccceesseessecs
4. Bild 4 2 CT Registrierungsmarker 195 3 Import medizinischer Bilddaten 4 2 1 Philips Easy Guide Philips Marker vom Typ Easy Guide bestehen aus einer Aluminium Mangan Legierung AlMsg und besitzen die Form einer zylindrischen Kreisscheibe mit einer kegelf rmigen Einbuchtung auf einer Seite Auf der gegen berliegenden Seite befindet sich eine Klebe fl che mit der diese Marker fixiert werden k nnen Die Kreisscheibe hat einen Durch messer von 12 Millimeter und eine H he von 2 Millimeter Der Markerreferenzpunkt zur Registrierung liegt im Zentrum der Kreisscheibe siehe Bild 4 3 Bild 4 3 Philips Marker Easy Guide Marker dieses Typs eignen sich vornehmlich f r den Einsatz auf ebenen Hautfl chen mit direkt darunter liegendem Knochen Solche Marker lassen sich zwar prinzipiell auf allen Hautbereichen anbringen wobei geringf gige Unebenheiten oder W lbungen ber die Klebefl che ausgeglichen werden k nnen f r einen festen Sitz bietet sich allerdings die Fixierung auf immobilen Hautpartien an wie sie im Bereich des Hirn oder Gesichtssch dels vorliegen Diese Hautbereiche sollten vor der Befestigung entfettet werden damit die Marker nicht so schnell verrutschen Aufgrund ihrer Gr e ist ein versehentliches Entfernen der Philips Marker leicht m glich Messungen mit dem Philips Tomoscan M EG lieferten f r Philips Marker vom Typ Easy Guide ein deutliches Signal im Bereich zwischen 1300 und 1800 HOUNSFIELD Units siehe
5. Date acqDate yyyy mm dd acqTime hh mm ss Imaging Modality Modality type CT Imaging Information Image columns xxx rows yyy number zzz xPixelSizeMM x xx yPixelSizeMM y yy sliceDistanceMM z zz sliceThicknessMM z zz bitsAllocated 8 bitsStored 8 highBit 7 dataType unsigned direction SI Segmentation Information E ranges of gray values Segmentation reserved 0 15 air 16 19 soft 20 47 bone 49 71 marker 72 79 Preview Information E preview number of preview images stored after the image data Preview preview N width xxx height yyy 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Registration Marker Information marker number of markers in the data set 0 N syntax refX refY refZ vecX vecY vecZ angle in radians Marker marker N markerl x xX Y YY Z ZZ X XX Y YY Z ZZ r rr marker2 x XxX Y YY Z ZZ X XX Y YY Z ZZ r rr markerN X XX Y YY Z ZZ X XX Y YY Z ZZ r rr Target Information targets number of targets in the data set 0 N Ne Ne Ne Ne syntax startX startY startZ endX endY endZ targets N targetl x xX y yy Z ZZ X XX Y YyY Z ZZ X XX Y YY 2 225 X XX Y YY Z 2Z target2 targetN Sixx Y YY ZZZ XXX VYyYy 2a Zz Data section follows Data 6 1 3 Manuelle Erzeugung einer Datei im SRL Datenformat Das
6. 195 3 Import medizinischer Bilddaten 7 2 Vom Prototyp zum klinisch einsetzbaren Planungssystem ber die Genauigkeitsuntersuchungen und die klinische Bewertung gelangt man unter Ber cksichtigung fortlaufender Verbesserungen sukzessive zu einem klinisch einsetz baren Planungssystem Hierbei muss jedoch stets das eigentliche Problem im Vorder grund stehen Es soll ein Implantat oder eine Epithese optimal am Patienten platziert und die M glichkeit auftretender Komplikationen reduziert werden Ziel sollte es sein den sthetisch und funktional bestm glichen Zustand f r einen Patienten zu erreichen wobei sich sowohl die Planung als auch die Durchf hrung des chirurgischen Eingriffes f r den Arzt in akzeptabler Form gestalten muss Um dieses Ziel zu erreichen muss das Planungssystem vollst ndig in die klinischen Handlungsabl ufe integriert werden und sich einfach und sicher bedienen lassen 7 2 1 Anbindung an Krankenhausinformationssysteme In der vorgestellten Version des Planungssystems lassen sich lediglich Aufnahmedaten verarbeiten die in Dateien auf einem zugreifbaren Dateisystem vorliegen Somit m ssen die Aufnahmedaten immer zuerst an einen zugreifbaren Ort transferiert werden In einer Phase der steigenden Vernetzung von Kliniken sowie der Entwicklung integrierender Krankenhausinformations Bildarchivierungs und Kommunikationssysteme sollte ein medizinisches Planungssystem jedoch ber eine geeignete Kommunikationsschnittstelle
7. 195 3 Import medizinischer Bilddaten kann An dieser Stelle wird davon ausgegangen dass die Oberfl chennormale des Markers am Markerreferenzpunkt immer einen negativen Gradienten bzgl der umge benden Materialdichte aufweist da der Gradientenvektor stets in Richtung ansteigender Werte orientiert ist Jah97 Das bedeutet der Referenzpunkt wird eher als an Luft angrenzend angenommen als an Gewebe mit h herer Dichte siehe Bild 4 21 Besitzt der Durchmesser der Hauptsymmetrieachse ein negatives Vorzeichen dann wird die Orientierung des zugeh rigen Eigenvektors invertiert 4 4 7 Freigeben der Datenstrukturen Nach Bestimmung der Markerregionen sowie der zugeh rigen Eigenschaften Klassifi kation Ausrichtung und Auswertung dieser Ergebnisse m ssen die in Abschnitt 4 4 2 genannten Datenstrukturen wieder freigegeben werden Dazu wurden die beiden Biblio theksfunktionen freeMarkerList und freelmageType implementiert und bereitgestellt Diese Funktionen geben den zur Speicherung dieser Strukturen ben tigten Speicherplatz wieder frei Der Programmcode zu beiden Funktionen befindet sich in der Datei marker Free c 4 4 8 Hilfsprogramm zur Markerdetektion Da die Bibliothek zur Markerdetektion dem Visualisierungssystem Amira ber ein geeignetes Modul bereitgestellt werden selbst jedoch unabh ngig von Amira sein soll wurde zum einfachen von Amira unabh ngigen Test ein Programm implementiert das Dateien im Amira HyperMesh Forma
8. Die Symmetrienorm repr sentiert das normierte Verh ltnis der Haupttr gheits momente Die Eigenwerte erlauben hierbei eine Aussage ber die Symmetrieeigen schaften des zugrundeliegenden K rpers und somit ber seine Form Sind zwei der Eigenwerte ungef hr gleich dann hat der K rper eine charakteristische Rotationsachse Je nachdem ob diese beiden Werte gr er oder kleiner als der dritte Wert sind besitzt der K rper das Symmetrieverhalten einer Kreisscheibe oder eines Stabes Sind alle drei Eigenwerte ann hernd gleich gro dann kann als K rperform eine Kugel oder bei Unterschreitung einer Schwelle eine insignifikante Information angenommen werden Zur Veranschaulichung ist in Bild 4 18 der Merkmalsraum zu Tabelle 4 5 grafisch dar gestellt Optimal w re eine Anordnung der Merkmalsregionen mit maximalem Abstand zueinander Philips Easy te Beehley Spat Leibinger Schraube HU SM SN 3N 1 5 Bild 4 18 Merkmalsraum zur Markerklassifizierung 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Bei der Klassifizierung der unterschiedlichen Markertypen gibt es keine bin re Ent scheidung in Form von ist ein Marker oder ist kein Marker Bei dieser Aufgaben stellung liegt eher ein unscharfes Wissen ber das vorliegende Objekt vor das einen Marker repr sentieren k nnte Nicht alle der Merkmale werden mit absoluter Sicherheit auf einen speziellen Markertyp zutreffen sondern oft zwi
9. bernahme des DICOM Formates nee 40 3 4 2 berpr fung des Speichermodells der Rechnerarchitektur 41 3 4 3 Identifikation des Datenformates einer Datei uenenneenenn 42 3 4 4 Ber cksichtigung von Teil 10 des DICOM 3 0 Standards 43 3 4 5 Ber cksichtigung der expliziten Wertrepr sentation eeeneee 44 3 4 6 berpr fung der Byteanordnung in einer Datei neenen 45 3 4 7 berpr fung der G ltigkeit des ersten Datenelementes nnne 45 3 4 8 Bereitstellung eines Data Dictionary anne ask 46 3 4 9 Reduktion des Wertebereiches der Bilddaten ee 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 47 3 5 1 Extraktion der Biltdaten au ustas ans nesses ase wisest qastwaeeeseasaereteonias 47 3 5 2 Formatierte Ausgabe aller Datenelemente are 48 3 5 3 Extraktion einzelner D tenelemente au e neuesten 50 3 5 4 Darstellung der Bilddaten unter X Tl asien 51 3 6 DICOM Datenimport in Amis ds na 52 36 1 Das Modul Ex Diem serea a teeta tats 52 3 0 2 Daraus Wa ieke rea ee a AAE A A 53 3 6 3 bernahme der Dalen a ishkiisiei tesa a 55 3 6 4 DICOM Datenelemente in Amira urscessesssessussnernnensonsnonsonnnnennnnnnennonen 56 3 7 Erweiterungsm glichkeiten sense 57 3 8 Zusammenfassung rennt 58 4 Automatische Detektion von Registrierungsmarkern nnnnnneen 59 All IRCCS ITNT ee ee ee me ee 59 4 1 1 Modell und Pa
10. e doch lie e sich solch ein Vorhaben nicht im Rahmen einer einzelnen Diplomarbeit bewerkstelligen und w rde zudem bedeuten dass viele Visualisierungs verfahren erneut implementiert kombiniert und vor allem getestet werden m ssten Aus diesem Grund wurde der Entscheidung gefolgt existierende Visualisierungssysteme hinsichtlich ihrer Nutz und Erweiterbarkeit zu analysieren und jenes zu verwenden das die gegebenen Anforderungen am ehesten erf llt DZ97 Aufsetzend auf die Funktionalit t des Visualisierungssystems soll ein Planungssystem entwickelt werden mit dem 3D Implantatmodelle unter Ber cksichtigung von ent sprechenden Planungsvorgaben sowie der vorliegenden anatomischen Strukturen optimal am 3D Sch delmodell positioniert werden k nnen Das Planungssystem soll 195 1 Einleitung den planenden Arzt bei seiner Aufgabe derart unterst tzen dass ihm alle ben tigten Sichtweisen auf die Ausgangsdaten inklusive des aus diesen Daten rekonstruierten 3D Modells zur Verf gung stehen ber geeignete grafische Planungshilfen soll die Platzierung der Implantatmodelle unterst tzt werden wobei deren Positionen sowohl in den 2D Darstellungen der Schichtdaten als auch am 3D Modell des Sch dels verdeut licht werden m ssen Zur Unterst tzung der optimalen Platzierung der Implantate muss zu jeder Position die zugeh rige Knochen und Weichgewebedicke bestimmt und an gezeigt werden Das Planungssystem soll weiterhin die Abst nde zwisc
11. 4 4 7 Freigeben der Datenstrukturen ea 88 4 4 8 Hilfsprogramm zur Markerdetektion eesennnensensnnnnnnen 88 4 9 Markerdetektionsn Anita een N 89 4 5 1 Das Modul ix Miarkerb id er un een 89 4 5 2 Die Benutzerschnittstelle zur Markerdetektion eeeen 90 4 5 3 Nutzung externer Marker Templates au iknsn 92 4 5 4 Visualisierung der Marker sn ar 94 453 Manuelle Korrekt erde 95 4 6 Testdaten und Genauigkeitsuntersuchungen nnnnnennennenn 96 4 6 1 Plexiglasplatte mit drei Philips Easy Guide Markern en 96 4 6 2 Holzkugel mit Beekley Spots und Leibinger Schrauben 97 4 6 3 Sch delphantom mit diversen Markertypen eennnnennnen 98 4 6 4 Genauigkeitsuntersuchungen an einem Referenzobjekt e 99 4 6 5 Genauigkeitsuntersuchungen ber die Registrierung 102 4 7 Erweiterungsm glichkeiten 2 a Sa 103 4 8 Zusammenfassung en sascns eon desma laede aos 104 5 Computergest tzte 3D Planung ar ai 105 5 1 Prototyp eines grafischen 3D Planungssystems cnenesnenenne 105 34 1 Das Modul RrEpPlanaa sn a au 106 5 1 2 Planungsvorbereitung a Re Weenie eaten 107 5 1 3 Grafische Planungshilfen ua 111 5 1 4 Bestimmung der Implantatpositionen ee cecceeceesceeteeeeteceteeeeeeeeseees 112 5 1 5 Optimierung der Planungsvorgaben uussensensnensnensnennnennnn 115 3 1 0 Plangfieseroe UNS ee ee e
12. Bildpunktes ist mit Sy x S Millimeter und der Schichtabstand mit S Millimeter ge geben Das zugeh rige Modellkoordinatensystem M wird innerhalb des Datensatzes zentriert und definiert ein Volumen mit den Grenzen min M und max M die sich nach 4 5 berechnen lassen 4 Die Werte f r Pixelgr e und Schichtabstand werden vom Aufnahmesystem vorgegeben und liegen mit den Bilddaten vor 195 3 Import medizinischer Bilddaten S 0 0 1 S 0 0 1 05 0 s 0 N 1 05 0 s 0 N 1 mm 4 5 0 0 s5 1 0 0 sS 1 Aus diesem Volumen kann eine beliebige Region R extrahiert werden in der sich zu untersuchende Marker befinden Die Berechnung der Grenzen von R erfolgt mit 4 5 unter Ber cksichtigung der neuen Bildpunkt und Schichtanzahl Da die beiden Koordi natensysteme von R und M lediglich um einen Vektor u gegeneinander verschoben sind l sst sich ein Punkt P mit seinen kartesischen Koordinaten in R gem 4 6 problemlos in die zugeh rige Position des Modellkoordinatensystems M transformieren P P u 4 6 Die diskrete Voxelposition Py eines Punktes im CT Datensatz ergibt sich dabei durch den in 4 7 formulierten Zusammenhang S 0 0 P Imin M P 0 S amp S 0 4 7 0 0 Ss Zu beachten ist hierbei dass die Transformation kontinuierlicher Raumkoordinaten in diskrete Voxelpositionen und die anschlie ende R cktransformation nicht reversibel sind Aus diesem Grund sollte nach berf hrung der diskreten Au
13. Die Berechnung des Volumens erfolgt unter Ber cksichtigung der fl chenm igen Aus dehnung eines Bildpunktes und dem Abstand benachbarter Schichten Ein Voxel stellt dabei immer einen Quader dar wobei die Approximation des tats chlichen Volumens von der jeweiligen Voxelgr e abh ngt Es erfolgt keine Betrachtung auf Subvoxel ebene so dass das Volumen des in der Region erkannten Markers in Abh ngigkeit zur vorgegebenen Segmentierungsschwelle immer kleiner oder gleich dem Volumen des tats chlichen Markers ist F r die Berechnung des Massenschwerpunktes wird die r umliche Verteilung der Voxel im Begrenzungsvolumen der Markerregion ber cksichtigt die einen Wert gr er oder gleich der Segmentierungsschwelle besitzen und somit einen Massepunkt des Markers darstellen Die Masse selbst die ja von der Dichte des Materials und somit von seinem Absorptionskoeffizienten abh ngt geht ber den gespeicherten HOUNSFIELD Wert des jeweiligen Voxels in die Berechnung des Schwerpunktes ein Die Berechnung des Tr gheitstensors erfolgt ber die Gleichung 4 11 Die Bestim mung der Eigenvektoren und Eigenwerte des Tr gheitstensors erfolgt ber eine modifi zierte numerische Jakobi Transformation die den Numerical Recipes in C ent nommen wurde PTVF95 ber die Eigenvektoren werden die Durchmesser eines Markers entlang seiner Hauptachsen berechnet und zur Unterst tzung der Orientierungs bestimmung das angrenzende Gewebe untersucht si
14. Planungssystem genutzt werden k nnen Die Definition des Datenformates und die Bereitstellung einer Bibliothek zu dessen Interpretation war eine der ersten Aufgaben im Rahmen dieser Arbeit Die Datens tze zur Entwicklung des Ausf hrungssystems 195 3 Import medizinischer Bilddaten konnten somit fr hzeitig erzeugt und ausgewertet werden so dass eine gemeinsame parallele Entwicklung von Planungs und Ausf hrungssystem unter Einhaltung einer definierten Schnittstelle gew hrleistet ist Die Implementierung der Bibliothek zur Interpretation des SRL Datenformates und zum Import der zugeh rigen Daten erfolgte unter UNIX Linux HP UX und IRIX in ANSIC Die Bibliothek l sst sich problemlos mit dem GNU C Compiler und mit den Standardcompilern des jeweiligen Systems bersetzen Sie wurde ebenfalls fr hzeitig unter DOS sowohl mit dem Borland C Compiler 3 x als auch mit dem GNU C Compiler bersetzt Der Programmcode befindet sich auf der beiliegenden CD im Verzeichnis srl header lib siehe Anhang B Seite 187 ff 6 2 1 Die Datenstruktur des SRL Formates Die Datenstrukturen zur bernahme des SRL Datenformates sind in der Datei srl h defi niert F r jede Gruppe des Datenformates liegt eine separate Datenstruktur vor die im Falle einer Formaterweiterung um die entsprechenden Eintr ge erg nzt werden muss Alle Gruppen sind in einer Datenstruktur vom Typ srIType zusammengefasst deren Elemente nachfolgend aufgezeigt sind Bei Einf hrung e
15. ZIB98 Das Konzept beschreibt ein Planungssystem unter Ber cksichtigung der technischen Realisierbarkeit In den nachfolgenden Kapiteln wird die Umsetzung vieler Aspekte des vorgestellten Konzeptes beschrieben und ein funktionsf higer Prototyp entwickelt mit dem das Setzen von Implantath lsen am 3D Modell eines Patientensch dels geplant werden kann Dieser Prototyp dient als Entwicklungsgrundlage f r ein einsetzbares chirurgisches Planungssystem und muss von medizinischer Seite bewertet werden 2 3 1 Datenimport Nach dem Start des Planungssystems bzw zu Beginn einer neuen Planungssitzung m ssen die tomographischen Aufnahmedaten eines Patienten geladen werden Diese Daten liegen auf einem DICOM Server vor oder sind auf einer lokalen Platte gespei chert Da es sich bei dem DICOM Server nicht um den Planungsrechner handeln muss besteht die M glichkeit entweder direkt auf die Daten zuzugreifen oder diese ber eine Netzwerkverbindung vom Server anzufordern Auf jeden Fall muss sichergestellt sein dass s mtliche an der Klinik anfallenden Daten mit dem Planungssystem verarbeitet werden k nnen F r jede patientenspezifische Planung empfiehlt es sich eine separate Studie anzulegen die in einem eigens daf r angelegten Verzeichnis gespeichert wird Eine solche Studie dient der Zusammenfassung von Planungsdaten Anmerkungen und Bilddaten und soll verhindern dass versehentlich auf Daten eines anderen Patienten zugegriffen wird oder Daten
16. an der Spitze der kegel f rmigen Ausbuchtung liegt Der Referenzpunkt bildet f r die in Tabelle 4 1 aufge f hrten Kenngr en den Koordinatenursprung Die Orientierung des Markers h ngt von seinen Haupttr gheitsmomenten sowie der Differenz aus Schwer und Referenzpunkt ab Die Haupttr gheitsmomente resultieren aus der Massenverteilung um den Schwer punkt Kuy97 Die Berechnung der Tr gheitsmomente erfolgt ber den f r Aluminium legierungen typischen Dichtewert von 2 75 g cm F r die Klassifizierung werden jedoch vorerst nur die Verh ltniszahlen der Tr gheitsmomente verwendet ber die eine Aussage bzgl der Symmetrie des Markers getroffen werden kann Die Tr gheitsradien ergeben sich aus den entsprechenden Tr gheitsmomenten eines um den Schwerpunkt liegenden Ellipsoids Gol72 Tabelle 4 1 Kenngr en eines Philips Markers vom Typ Easy Guide HOUNSFIELD Bereich 1300 1800 HU Volumen 220 mm Oberfl che 300 mm Referenzpunkt x y z 0 0 0 0 0 0 mm Begrenzungsvolumen x y z 6 0 6 0 6 0 6 0 1 0 1 0 mm Schwerpunkt x y z 0 0 0 0 0 0223 mm Tr gheitsmomente x y z 1 1 2 Tr gheitsradien x y z 3 1 3 1 4 3 mm Nach einer Klassifikation kann der erkannte Markertyp durch seine korrekte geome trische Repr sentation ersetzt und im Zusammenhang mit dem Patientenmodell visuali siert werden Die Visualisierung der korrekten Markergeometrie erleichtert die
17. die ebenfalls in grafischer Form dem Modell berlagert werden kann siehe Bild 5 6 Bild 5 6 Grafische Planungshilfen 5 1 4 Bestimmung der Implantatpositionen In der eigentlichen Planungsphase geht es nun darum zylindrische Implantath lsen derart am bzw im Sch delmodell zu platzieren dass deren Positionen den Planungs vorgaben unter Ber cksichtigung der individuellen Sch delform entsprechen Dazu k nnen verf gbare Implantattypen ber eine Auswahlliste selektiert und mit der Maus an der Knochenoberfl che positioniert werden Die Bereitstellung der ausw hlbaren Implantattypen erfolgt an dieser Stelle ber CAD Modelle die in Form von externen Dateien im Verzeichnis Amira share Templates gespeichert werden Nach Aufruf des Moduls hxEpiPlan kann dieses Verzeichnis hinsichtlich der Existenz solcher Implantate untersucht und diese in das Auswahlmen eingetragen werden siehe auch Abschnitt 4 5 3 Dadurch ergibt sich die M glichkeit jederzeit neue Implantate in das Planungssystem zu integrieren ohne den Programmcode ver ndern zu m ssen In der mit dieser Arbeit bereitgestellten Version des Planungssystems wurde zu Demonstra tionszwecken lediglich ein einfacher Hohlzylinder als Implantatmodell vorgegeben der mit dem Men punkt Any verkn pft ist siehe Bild 5 7 Das Zylindermodell liegt als Datei im Inventorformat unter dem Namen fixture iv vor und kann jederzeit durch ein detaillierteres Modell ersetzt werden Wenn keine ext
18. dieser Punkt tats chlich innerhalb der Markerregion liegt Typischerweise wird in der digitalen Bildverarbeitung der Schwerpunkt einer Region in Analogie zum Schwer punkt eines physikalischen K rpers herangezogen Betrachtet man ein aus n Masse punkten m mn Mn bestehendes r umliches Gebilde bei dem die Lage der einzelnen Massepunkte durch ihre Ortsvektoren n r r gegeben ist dann l sst sich der zuge h rige Schwerpunkt S Massenmittelpunkt gem 4 10 berechnen Kuy97 7 S _ 4 10 Da die Masse eines Voxels nicht bekannt ist wird an deren Stelle in der digitalen Bild verarbeitung der zugeh rige Aufnahmewert verwendet Zam91 Zur Lagebestimmung einer Region reicht diese Information in der Regel aus Handelt es sich bei den zu unter suchenden Regionen um homogene isotrope Materialien dann lasst sich der Schwer punkt einer Ansammlung von Massepunkten auch nur durch den Mittelwert ihrer Orts vektoren bestimmen 4 3 4 Formanalyse tiber den Tragheitstensor Will man eine Aussage ber die Form einer 3D Region treffen dann bietet sich die Untersuchung ihrer lokalen Momente an Ein beliebig geformter K rper kann dabei auch eine beliebige Lage im Raum besitzen Aus diesem Grund muss eine Untersuchung der K rperform anhand von rotationsinvarianten Formmerkmalen erfolgen Diese Merkmale beziehen sich auf ein dem K rper inh rentes lokales Koordinatensystem dessen Zentrum durch den Schwerpunkt bestimmt i
19. r Haut und Knochen festzulegen aus denen die Generierung des computergrafischen Oberfl chenmodells resultiert Sollte eine Ansicht aufnahmebedingt seitenverkehrt sein so muss sich der Datensatz in einfacher Form dre hen lassen Hierbei ist unbedingt darauf zu achten dass das Gesamtkoordinatensystem der Aufnahme erhalten bleibt Eine Invertierungsm glichkeit einzelner Achsen muss 195 2 Medizinische Problemstellung und Konzept daher ausgeschlossen sein Denkbar ist auch eine automatische Anpassung der Aus richtung beim Einlesen der Aufnahmedaten wobei die Information zur Patientenlage und Aufnahmerichtung in verl sslicher Form mit den Aufnahmedaten verkn pft sein sollte Neben der Darstellung der Bilddaten sind grafische Bedienelemente vorzusehen ber die mit der Maus oder durch Tastatureingabe eine interaktive Manipulation dieser Daten erfolgen kann Es m ssen Schichten in den Projektionsansichten ausgew hlt Kontrast oder Vergr erungseinstellungen ge ndert und geometrische Transforma tionen des 3D Modells vorgenommen werden k nnen Die Bedienung soll sich dabei so einfach und intuitiv wie m glich gestalten und bez glich der Planung einem logischen sequentiellen Ablaufschema folgen Alle Bedienelemente sollten einen kurzen Hilfetext anzeigen der vor ihrer Auswahl auf die dem Element zugrundeliegende Funktion hin weist 2 3 3 Korrelation zwischen Planungsdaten und Patient F r die exakte Umsetzung der Planung m sse
20. r die Arbeit mit tomographischen Datens tzen in Amira war der unbeschr nkte Zugriff auf alle aufnahmebegleitenden Daten Diese liegen im DICOM Format als Datenelemente vor wobei die Anzahl dieser Elemente variieren kann F r das zu entwickelnde Planungssystem wurde aus diesem Grund eine Basis menge von Parametern definiert die aus dem DICOM Datensatz extrahiert und an die Bilddaten angeheftet werden m ssen siehe Tabelle 3 5 Tabelle 3 5 Pflichtparameter eines CT Datensatzes Parameter Datenelement Beschreibung SopInstanceUID 0x0008 0018 Eindeutiger Bezeichner des Datenobjektes PatientName 0x0010 0010 Vor und Zuname des Patienten Patientld 0x00 10 0020 Identifikation des Patienten innerhalb der Klinik PatientSex 0x0010 0040 Geschlecht des Patienten PatientBirthdate 0x0010 0030 Geburtsdatum des Patienten ImageDate 0x0008 0020 Datum der Aufnahme ImageTime 0x0008 0030 Zeitpunkt der Aufnahme Modality 0x0008 0060 Art des bildgebenden Systems CT MR usw InstitutionName 0x0008 0080 Name der Klinik in der die Aufnahme erfolgte SliceSpacing 0x0018 0088 Schichtabstand in mm falls verf gbar SliceThickness 0x0018 0050 Schichtdicke in mm PatientPosition 0x0018 5100 Lage des Patienten in Relation zum Scanner HFx FFx PatientOrientation 0x0020 0020 Orientierung des Patienten in Relation zum Tisch bzw zur Aufnahmeebene ImageRows 0x0028 0010
21. rufen dann wird eine kurze Programmbeschreibung ausgegeben Ansonsten erfolgt ein Aufruf durch Eingabe des Programmnamens der Kennung des Zeilentyps sowie des Namens einer Datei im SRL Format Entf llt die Angabe eines Dateinamens liest das Programm aus dem Standard Eingabekanal wodurch es sich mit anderen Kommandos verketten l sst extractSrl h ENTries SECtions COMments inputFile srl Sollen z B alle g ltigen Eintr ge einer Datei im SRL Format ausgegeben werden so kann dies auf folgende Art erfolgen extractSrl entries inputFile srl 6 3 3 Extraktion der Bilddaten Zur Verarbeitung der reinen Bilddaten mit beliebigen Visualisierungsprogrammen wurde das Programm extractSrllmg implementiert und bereitgestellt Mit diesem Pro gramm k nnen die Aufnahmedaten von der Zusatzinformation getrennt und separat ausgegeben werden Wird extractSrllmg mit der Option h elp UNIX bzw DOS aufgerufen dann wird eine kurze Programmbeschreibung ausgegeben Ansonsten erfolgt der Aufruf durch Eingabe des Programmnamens des Namens einer Datei im SRL Format und eines Dateinamens zur Speicherung der Bilddaten Existiert eine Datei gleichen Namens so wird diese nicht berschrieben sondern eine Fehlermeldung aus gegeben Entf llt die Angabe eines Namens f r die Ausgabedatei so werden die Daten in den Standard Ausgabekanal geschrieben Wird weder der Name einer Eingabe noch einer Ausgabedatei angegeben dann liest das Programm aus dem
22. verf gen ber die Bilddaten direkt von den jeweiligen Aufnahme bzw Speicherorten angefordert werden k nnen F r den klinischen Einsatz von Amira als Planungssystem m sste demzufolge eine Schnittstelle zur Datenbank des Bildarchivierungssystems entwickelt werden ber die ein komfortabler Zugriff auf die Datenbest nde unter Bereitstellung aller f r den Arzt relevanten Information erm glicht wird Dazu m sste die momentane Dateiauswahl um die M glichkeit eines benutzerfreundlichen Datenbank oder Netzwerkzugriffs erweitert werden Ausschlaggebend daf r ist nat rlich der Stand der Entwicklung des vorliegenden Krankenhausinformationssystems F r den Datenimport in das Planungssystem bedeutet das dass ber geeignete Dialoge der Bilddatenbestand nach Namen Aufnahmezeitpunkt usw durchsucht und die gew nschten Daten geladen werden k nnen siehe auch Abschnitt 3 7 Seite 57 Ein anschlie endes Speichern der Daten in einem lokalen Planungsbereich Verzeichnis einer Studie macht momentan allerdings noch Sinn da so bei wiederholten Planungs sitzungen nicht immer die gesamten Daten ber das Netz geladen werden m ssen Erst wenn die Netzwerke eine Zugriffsgeschwindigkeit erlauben die mit der eines Platten zugriffs vergleichbar ist kann die lokale Speicherung der Daten unter Umst nden entfallen 7 2 2 Ergebnisorientierte Planung Wie bereits in Abschnitt 5 1 4 beschrieben lassen sich Implantatmodelle in der aktuell implementier
23. 0 definierte lineare Gleichungssystem eine vom Nullvektor verschiedene L sung Dieser L sungsvektor e stellt den zum Eigenwert 2 geh renden Eigenvektor dar Die Eigenvektoren sind somit die Vektoren e f r die nach 4 13 gilt AE e 0 mit det 7 A E 0 f r i 1 2 3 4 13 Auf die numerische L sung solcher Eigenwertprobleme soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden Der interessierte Leser sei auf die f r diese Arbeit herangezogene Literatur verwiesen PTVF95 FB94 Cro94 Bar92 4 3 6 Klassifizierung der Markertypen Die Entscheidung welcher Markertyp in der jeweiligen Region vorliegt h ngt von den aus ihr ermittelten Eigenschaften ab Im Idealfall f hren alle Eigenschaften zu genau einem Markertyp wodurch eine eindeutige Zuordnung erfolgen kann Das Gegenteil ist der Fall wenn alle vorliegenden Eigenschaften einer potentiellen Markerregion auf kei nen bekannten oder verschiedene Markertypen hinweisen In Tabelle 4 4 sind m gliche Merkmale f r die Klassifizierung von CT Registrierungsmarkern aufgef hrt 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Tabelle 4 4 Klassifizierungsmerkmale von CT Registrierungsmarkern Hounsfield Bereich Dichte Volumen Masse Oberfl che Diagonale des Begrenzungsvolumens Verh ltnis der Kanten des Begrenzungsvolumens Haupttr gheitsmomente Verh ltnis der Haupttr gheitsmomente Abstand des Schwerpunktes zum Zentrum des Begrenzungsvolumens Tr gheitsradien
24. 0020 0020 0020 0020 0020 0020 0020 0020 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0029 0043 0043 7FEO 0000 0001 0002 0003 0010 0012 0013 0016 0005 0060 0070 0080 010 03E 090 0010 0E9 0010 0010 1010 0010 0022 0050 0060 0088 1120 1210 5100 0010 000 000 001 001 001 001 0052 1040 1041 wWN HOME YD 0002 0004 0010 0011 0030 0100 0101 0102 0103 1052 1053 0010 0010 104E 0010 Tabelle 3 4 4 UL 2 OB 26 UL 46 UL 20 UL 22 UL 10 SH 8 AE 10 Cs 2 Cs 18 LO 18 LO 8 SH 14 LO 8 LO 12 LO 4 SL 34 PN 12 LO 2 SS 14 LO 12 CS 8 DS 4 DS 8 DS 8 DS 8 SH 4 CS 12 LO 40 UI 42 UI 6 SH 2 IS 2 IS 2 IS 62 UI 2 LO 14 DS 2 US 12 CS 2 US 2 US 18 DS 2 US 2 US 2 US 2 US 6 DS 2 DS 12 LO 12 LO 4 FL 524288 OW Datenelemente einer DICOM Datei nach Teil 10 no dictionary entry no dictionary entry no dictionary entry no dictionary entry no dictionary entry no dictionary entry no dictionary entry no dictionary entry character set modality manufacturer institution name station name no dictionary entry manufactorer s model no dictionary entry no dictionary entry patient name no dictionary entry no dictionary entry contrast bolus agent scan options slice thickness kvp slice spacing gantry tilt conv
25. Anzahl der Zeilen einer Bildmatrix ImageColumns 0x0028 0011 Anzahl der Spalten einer Bildmatrix PixelSpacing 0x0028 0030 Dimensionen eines Bildpunktes innerhalb der Bildmatrix BitsAllocated 0x0028 0100 Anzahl der Bits die den Inhalt eines Aufnahmewertes repr sentieren BitsStored 0x0028 0101 Anzahl der Bits in denen der Aufnahmewerte gespeichert ist HighBit 0x0028 0102 H chstwertiges Bit des Aufnahmewertes Diese Parameter werden unter dem angegebenen Namen in einem Amira Datenobjekt der Klasse HxParamBundle eingef gt und mit dem zugeh rigen Skalarfeld das die Auf nahmedaten repr sentiert verbunden ber einen so genannten Parameter Editor lassen sich die Parameter anzeigen und bei Bedarf auch noch ver ndern siehe Bild 3 12 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Dima or iE HA hen RE IE ee Bice LOS m Se a Bild 3 12 Zugriff auf die Aufnahmeparameter in Amira 3 7 Erweiterungsm glichkeiten Die Interpretation von ACR NEMA DICOM Daten sowie deren Import in das Visua lisierungssystem Amira wurden in dieser Arbeit erfolgreich implementiert Dennoch l sst sich sowohl die DICOM Importbibliothek als auch der DICOM Import in Amira an einigen Stellen verbessern Die in Abschnitt 3 4 vorgestellte Bibliothek zum Import von DICOM Nachrichten erlaubt derzeit noch keine Verarbeitung komprimierter Bilddaten Des Weiteren l sst sich das Data Dictionary noch im gro en Umfang erweitern wobei diese Erweiteru
26. Ber cksichtigung der Implantatpositionen wird nach einer individuell unterschiedlichen Zeitspanne ein Ab druck angefertigt ber den die Herstellung der Epithese nebst Befestigungssteg erfolgt Epithese gr Herauflegen Psc98 Epithema gr Deckel GSS 97 2 Medizinische Problemstellung und Konzept Bild 2 1 Versorgung mit einer Ohrepithese 2 1 1 Konventionelle Planung und Durchf hrung Ausgangsbasis f r die Planung eines chirurgischen Eingriffs bildet nat rlich der Patient an dem der Eingriff vorgenommen werden soll Begleitend zu den ersten Untersuch ungen werden je nach Notwendigkeit fotografische radiographische und mittlerweile oft auch tomographische Aufnahmen angefertigt Diese Daten erlauben eine erweiterte vom Patienten losgel ste Planung Im Normalfall erfolgt unmittelbar vor einer Opera tion der vorangehend beschriebenen Art eine einfache Planung am Lichtkasten bei der Ort und Tiefe der erforderlichen Bohrungen in grober N herung bestimmt werden Die Quantifizierung der Ausgangsdaten wird dabei in der Regel visuell und ohne spezielle Hilfsmittel vorgenommen Intraoperative Messungen erfolgen in diesem Zusammen hang mit einem konventionellen Lineal wobei aufgrund von Ungenauigkeiten und Parallaxefehlern zwei bis drei Millimeter Abweichung durchaus vorstellbar sind Das gesamte Operationsareal am Ohr hat einen Durchmesser von ca 6 cm Aus der Verbindungslinie zwischen Auge und Zentrum des Geh rganges ergibt sich
27. Beschreibung eines m glichen Planungssystems f r Mediziner weniger zug nglich ist Ein vorf hr bereiter Prototyp eines Planungssystems in Kombination mit der Beschreibung der reali sierbaren M glichkeiten bildet hingegen eine gute Grundlage zur interdisziplin ren Weiterentwicklung bis hin zu einem klinisch einsetzbaren Planungssystem f r die Epithetik 195 2 Medizinische Problemstellung und Konzept An dieser Stelle sollen deshalb noch einmal kurz die aus planerischer Sicht erforder lichen Aktionen zusammengefasst werden um die M glichkeit eines einfachen com putergest tzten Planungsablaufes zu verdeutlichen e Start des Planungssystems e Anlegen einer Planungsstudie durch Auswahl der CT Daten e Visuelle Bestimmung der Schwellenwerte f r Haut und Knochen e Eingrenzung des Planungsbereiches ROI e Angabe des zur Registrierung verwendeten Markertyps e Best tigung der automatisch detektierten Markerpositionen e Ausrichtung des 3D Sch delmodells zur Planung e Computergestiitzte grafische Platzierung der Implantatmodelle e Speichern der Planungsdaten Es ist vorgesehen dass bei dem klinisch einsetzbaren System ein kompletter Planungs vorgang vom Einlesen der CT Daten ber die Modellgenerierung bis hin zur Bereitstel lung der Planungsdaten in weniger als 30 Minuten erfolgen kann Die erforderlichen Aktionen sollen dabei im Dialog abgefordert werden wobei deren Durchf hrung ein fach und intuitiv sein muss Die Benut
28. Bild 2 2 Bild 2 3 Bild 2 4 Bild 2 5 Bild 2 6 Bild 3 1 Bild 3 2 Bild 3 3 Bild 3 4 Bild 3 5 Bild 3 6 Bild 3 7 Bild 3 8 Bild 3 9 Bild 3 10 Bild 3 11 Bild 3 12 Bild 4 1 Bild 4 2 Bild 4 3 Bild 4 4 Bild 4 5 Bild 4 6 Bild 4 7 Bild 4 8 Bild 4 9 Bild 4 10 Experimental OP des Surgical Robotics Lab eenene 2 Konzeptionelle Teilbereiche des Planungssystems een 5 Versorgung mit einer hrepithese u a 8 Planungsvorgabe zur Vorbereitung einer Ohrepithese enee 8 Schematischer Ablauf der chirurgischen Vorgehensweise 9 Befestigungssteg und Eikieruine ans a RR 11 Datenflussmodell des Planungssystems ccsccessceeseeesseeeeceeeeeeeeeeneees 12 HOUNSFIELD Einheiten typischer Gewebe 17 Datenerzeugung und Datenspeicherung usessensenensennsenseennnen 25 Speicherungsm glichkeiten von 12 Bit Aufnahmewerten 26 Format einer ACR NEMA Nachricht c essesssesserssensnseensenneennnnnnnn 34 Gliederung des DICOM 3 0 Standards 04ssennennsennennnennnn 37 Aufbau eines DICOM Datenelementes 0enensesnnnesnnnnnenne 37 Struktur einer DICOM Datei nach Teil 10 des Standards 38 DICOM Dafcnstruki r ze RR 41 Ermittlung des vorliegenden Speichermodells ee 42 DICOM Dateiauswahl in Anna RR He 53 DICOM Identifikationsschema nn 54 Visu
29. Daten angepasst werden da sie nicht nur vom Gewebetyp abh ngen sondern auch vom Alter des Patienten und der H rte der Strahlen also deren Energie und Wellen l nge Toe93 Die Generierung computergrafischer 3D Modelle aus medizinischen Aufnahmedaten f hrt in der Regel zu sehr komplexen Oberfl chenmodellen die sich oft aus mehreren Millionen Dreiecken zusammensetzen Solche Modelle lassen sich nur schwer visuali sieren und derzeit auch auf den leistungsf higsten Rechnersystemen nicht interaktiv manipulieren Aus diesem Grund bietet sich die Definition einer ROI an durch die das Oberfl chenmodell stark vereinfacht werden kann Innerhalb der ROI muss die Ober fl chenapproximation zwar mit maximaler Genauigkeit erfolgen doch au erhalb der ROI k nnen die Aufnahmedaten in einer gr beren Aufl sung neu diskretisiert und eine vereinfachte Approximation der Oberfl che vorgenommen werden Dadurch lie e sich das Oberfl chenmodell theoretisch durch eine Anzahl von Dreiecksfl chen repr sen tieren die je nach Gr e der ROI um 50 bis 70 geringer ist als die des urspr nglichen Modells F r die optimale Modellerzeugung bedarf es somit der Angabe der Segmentierungs schwellen sowie der Definition eines Planungsbereiches in Form einer ROI Diese Vor gaben gen gen im Prinzip um ein optimiertes dreidimensionales Oberfl chenmodell des Patientensch dels zu erzeugen an dem in nachfolgenden Schritten interaktiv eine grafische Planun
30. Datenstruktur bereitstellt bot es sich an hnliche Hilfsprogramme zum Test der Bibliotheksfunktion und zur Analyse solcher Dateien zu implementieren Sollen z B DICOM Daten mit Visualisierungssystemen wie AVS IBM Data Explorer oder dem Visualization Toolkit dargestellt werden so ben tigt man einen Zugriff auf die Bilddaten sowie die Kenntnis der zugrundeliegenden Bildparameter Zu diesem Zweck wurden im Rahmen dieser Arbeit folgende Hilfsprogramme entwickelt und bereitgestellt extractDicomImg zur Extraktion der Bilddaten showDicomHdr zur formatierten Anzeige aller Datenelemente getDicomEntry zur Auswertung einzelner Datenelemente xDicomView zur grafischen Anzeige der Bilddaten unter X11 Der Programmcode zu diesen Hilfsprogrammen befindet sich auf der beiliegenden CD im Verzeichnis dicom tools siehe Anhang B Seite 187 ff In Kombination mit den in Abschnitt 3 2 vorgestellten Hilfsprogrammen zur Arbeit mit medizinischen Bilddaten lassen sich ACR NEMA und DICOM Daten wie sie z B auf der CD im Verzeichnis images dicom vorliegen f r beliebige Visualisierungssysteme aufbereiten 3 5 1 Extraktion der Bilddaten Liegen DICOM Daten vor deren Format sich nicht in ein verf gbares Visualisierungs system importieren l sst so gibt es in der Regel immer die M glichkeit zumindest die reinen Bilddaten unter Angabe der Dimensionen der Bildmatrix und des zugrunde liegenden Datentyps einlesen zu k nnen Zu diesem Zweck wurde das Programm
31. Epithetik 1995 GKG95 GL97 Gla90 Gol72 Gra98 GSS 97 HHM 97 HD94 HJM 97 HPB 94 HK 96 HL79 HZ98 IDX98 J h97 Kee96 Bedienung des Planungssystems Girod S Keeve E Girod B Advances in Interactive Craniofacial Surgery Planning by 3D Simulation and Visualization Int Journal for Oral and Maxillofacial Surgery 24 1 Part I S 120 125 1995 Goodwin P M Linney A D 3 D Representation and Visualisation of the Human Face and Applications to Surgery Morphology Anthropometrics and Forensic Science In RC97 S 213 238 1997 Glassner A S Hrsg Graphics Gems Academic Press 1990 Goldstein H Klassische Mechanik 2 Auflage Akademische Verlagsgesellschaft 1972 Graphics Usenet News comp graphics comp graphics visualization comp graphics avs comp graphics data explorer 1998 Gehl G Sailer H F Simmen D et al Von der Immediatepithese zur definitiven implantatfixierten Gesichtsepithese Das Z rcher Versorgungskonzept In ST97 S 222 232 1997 Heissler E Henz J Menneking H et al CAD CAM basierte Epithesenherstellung unter Verwendung von gespiegelten 3D CT Daten In ST97 S 57 61 1997 Hibberd R D Davies B L Special Purpose Robots for Surgery S 15 29 WCRR SME World Conference on Robotic Research Cambridge MA 1994 Hiltner J Jager M Meyer zu Bexten E et al Analyse medizinis
32. Godfrey N Hounsfield einem Entwickler der R ntgen Computertomographie Image Management and Communication System ein Informationssystem zur Speicherung und zum Abruf medizinischer Bilddaten sowie alphanumerischer Daten im Unterschied zu gt PACS ist IMACS nicht auf radiologische Anwendung beschr nkt sondern schlie t auch die Verwaltung von Bildern und Befunden mit ein Information Object Definition gt DICOM Terminus f r Datentyp Internet Protocol ein Protokoll zur bertragung von Paketen zwischen zwei Systemen in einem Netzwerk Image Save and Carry ein in Japan entwickeltes System zur Speicherung von medizinischen Bilddaten auf Speichermedien verwendet gt MOD s als Speichermedien im Zusammenhang mit einem speziellen Medienformat welches eine hohe Zuverl ssigkeit und Zugriffsgeschwindigkeit gew hrleistet das Datenformat basiert auf dem gt ACR NEMA 2 0 Standard International Standards Organisation Internationales Normungsgremium Anordnung der Bytes eines aus mehreren Bytes bestehenden Datentyps wobei das niederwertigste least significant Byte zuerst und alle nachfolgenden Bytes mit ansteigender Wertigkeit kodiert sind Medical Imaging and Communication der Name f r die europ ische Variante von gt DICOM welcher unver ndert von gt CEN TC251 bernommen wurde Medical Imaging and Processing Standard japanische Variante des gt ACR NEMA Standards MIPS 3 0 ist somit gt DICOM 3 0 Magneto Optic
33. Implantate ben tigt Liegen die erforderlichen Daten vor so m ssen diese mit einem computergrafischen Visualisierungssystem weiterverarbeitet werden 2 2 2 Datenimport und Visualisierung Die wesentliche Grundlage f r eine 3D Planung ist die medizinische Bildgebung mit den daraus resultierenden Schichtdaten die in der Regel in speziellen Formaten vor liegen Diese Daten m ssen eingelesen und visualisiert werden und bilden wiederum die Grundlage f r eine dreidimensionale Rekonstruktion der urspr nglichen Aufnahme information Neben der computergrafischen Visualisierung spielt allerdings auch die Segmentierung Filterung und Vermessung solcher Datens tze eine gro e Rolle Weiterhin muss eine geometrische Manipulation der computergrafischen Modelle bzw einzelner Teile davon m glich sein In Bezug auf die Entwicklung eines chirurgischen Planungssystems kommt der Visuali sierung und der Bildverarbeitung eine sehr gro e Bedeutung zu Es w re jedoch sehr aufwendig alle ben tigten Verfahren neu zu programmieren zu testen und zu opti mieren Aus diesem Grund bietet es sich an bestehende Programmpakete auf ihre Nutz barkeit hin zu untersuchen Wichtigste Pr misse dabei ist dass sich diese Programm pakete erweitern lassen so dass spezielle Anforderungen oder fehlende Merkmale im Rahmen einer Eigenentwicklung bereitgestellt und in das bestehende System integriert werden k nnen 195 2 Medizinische Problemstellung und Konzept Zu
34. Kontrolle und Registrierung bei der jedem Marker im Modellkoordinatensystem der entsprechende Marker am Patienten zugeordnet werden muss Aus diesem Grund wurde anhand der Markergeometrie ein 3D CAD Modell erstellt ber das automatisch die in Tabelle 4 1 aufgef hrten Kenngr en berechnet werden k nnen Omu98 Das in Bild 4 6 gezeigte CAD Modell des Philips Markers dient als Grundlage zur Klassifikation durch Mustervergleich Template Matching und zur Visualisierung dieses Markertyps 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Bild 4 6 3D CAD Modell eines Philips Markers vom Typ Easy Guide 4 2 2 Beekley Spot Beekley Spot Marker sind Kugeln aus Blei Pb die auf einer runden Klebefolie fixiert sind und einen Durchmesser von 1 5 Millimeter besitzen Der Markerreferenzpunkt liegt im Zentrum der Kugel wobei zur Registrierung der Kugelradius ber eine ent sprechende Messsonde Probe ber cksichtigt werden muss Beekley Spots werden ebenfalls auf die Hautoberfl che aufgeklebt lassen sich aber aufgrund ihrer Gr e und der flexiblen Klebefolie weitaus universeller einsetzen als die in Abschnitt 4 2 1 be schriebenen Philips Marker Der Untergrund muss nicht zwingend eben sein doch sollten die zu markierenden Hautbereiche ebenfalls mittels geeigneter Substanzen ent fettet werden damit ein dauerhafter Halt gew hrleistet ist Ein versehentliches Abl sen der Marker z B im Schlaf ist bei diesem Markertyp im Gegensatz zu den
35. Philips Markern weitaus unwahrscheinlicher Messungen mit dem Philips Tomoscan M EG lieferten f r Beekley Spot Marker ein deutliches Signal ber 2000 HOUNSFIELD Units siehe Bild 4 7 Auch hier ist der bereits erw hnte Partialvolumen Effekt bei der Bestimmung der Markerregion zu ber cksich tigen Geht man z B von einem Aufnahmebereich von 25 x 25 cm aus der mit einer r umlichen Aufl sung von 512 x 512 Punkten abgetastet wird dann liegt die Gr e eines Bildelementes Pixel bei 0 49 x 0 49 mm Daraus resultiert dass innerhalb einer durch den Markerreferenzpunkt verlaufenden Schicht lediglich 4 bis maximal 9 Pixel einen Aufnahmewert repr sentieren der einen Beitrag zur Erkennung des Markers leistet Aus diesem Grund sollten bei Verwendung dieses Markertyps nur kleine Regio nen mit einer Ausdehnung von maximal 10 x 10 cm untersucht werden Bez glich der Schichtdicke und des Schichtabstandes liegt man bei der Gr e der Beekley Spots immer an der Grenze zur Unterabtastung Bei konventionellen Computertomographen ist ein Schichtabstand von 2mm und mehr bei einer Schichtdicke von 1 mm im Hinblick auf die automatische Erkennung und Klassifikation der Marker sowie einer genauen Registrierung bereits problematisch 195 3 Import medizinischer Bilddaten Bild 4 7 HOUNSFIELD Bereich eines Beekley Spots Die schwellenwertabh ngige Bestimmung der Markerregion aus den CT Daten liefert in Abh ngigkeit von der gew hlten Segmentie
36. Planungswerk zeug entwickelt und bereitgestellt mit dem die Positionierung der Implantate am aus den CT Daten rekonstruierten 3D Sch delmodell vorgenommen und sowohl qualitativ als auch quantitativ bewertet werden kann In diesem Kapitel wird der implementierte Prototyp des Planungssystems vorgestellt der auf dem am Konrad Zuse Zentrum f r Informationstechnik Berlin ZIB entwickelten 3D Visualisierungssystem Amira basiert und dieses um die entsprechende Funktionalit t erweitert Das Planungssystem integriert dabei die M glichkeiten einer ersten Diagnose anhand computertomographischer Aufnahmen einer computergest tzten 3D Planung zur optimalen Implantatpositio nierung sowie der Bereitstellung aller erforderlichen Daten f r eine robotergest tzte Umsetzung der Planung 5 1 Prototyp eines grafischen 3D Planungssystems Das Visualisierungssystem Amira ist ein modulares Programmpaket zur wissenschaft lichen Visualisierung gro er Datenmengen wie sie bei medizinischen Bilddaten im Allgemeinen vorliegen Mit Amira lassen sich solche Daten auf mannigfaltige Art dar stellen bearbeiten und interaktiv manipulieren Ami98 Das gesamte Visualisierungs system basiert dabei auf der objektorientierten Grafikbibliothek Open Inventor die ihrerseits die Funktionalit t von Open GL kapselt und in Form einer komplexen Programmierschnittstelle bereitstellt Wer94a Open GL ist eine leistungsf hige 3D Grafikbibliothek die zwar unabh ngig von einer spezi
37. Registrierungsmarkern e Export aller zur robotergestiitzten Planungsumsetzung ben tigten Daten 2 2 1 Planungsgrundlage Ausgehend vom medizinischen Befund werden am Sch del des Patienten kephalome trische Messungen vorgenommen anhand derer die Quantifizierung einer Missbildung bzw eines Defektes erfolgen kann Des Weiteren werden fotografische Aufnahmen an gefertigt die zum einen den pr operativen Zustand dokumentieren sollen zum anderen aber auch als Planungsgrundlage dienen k nnen Auf diesen Fotografien bzw den digi talisierten Bilddaten lassen sich z B Sollpositionen einzeichnen und qualitativ be werten Konventionelle R ntgenaufnahmen k nnen ebenfalls relativ schnell und preis wert generiert werden und liefern einem Arzt oder Radiologen einen ersten berblick ber die vorliegende Knochenstruktur die im Verlauf der Therapie als Grundlage f r die Verankerung von Implantaten dient Das sowohl kosten als auch zeitintensivste Verfahren zur Erstellung einer Planungs grundlage ist die Computertomographie mit der Gewebestrukturen dreidimensional erfasst werden k nnen Anhand tomographischer Aufnahmen l sst sich derzeit die genaueste Planung unter Ber cksichtigung der Gewebedicke vornehmen BJ95 doch erfordert diese aufgrund der gewaltigen Datenmengen den Einsatz von Computer systemen Solche Computersysteme er ffnen neben der reinen Aufbereitung bzw Visualisierung der tomographischen Aufnahmedaten viele weitere M glichk
38. Schichten ausgewertet Die Analyse des Datensatzes erfolgte mit einer Segmentierungsschwelle von 1200 HU wobei sich deutlich abzeich net dass die Wahl von nur einer Segmentierungsschwelle f r die Detektion von unter schiedlichen Markertypen problematisch ist Stattdessen m ssten mehrere Detektions durchl ufe mit variierenden Schwellenwerten erfolgen Bild 4 28 zeigt die berlagerte Darstellung von CT Daten und Markermodellen nach manueller Korrektur Bild 4 28 Visuelles Ergebnis der Markerdetektion an einem Sch delphantom In diesem Datensatz wurden 30 Marker erkannt Die Miniplatten wurden falsch klassi fiziert da f r sie kein Referenzmodell vorlag Die falsch erkannten Marker wurden aus dem Modell entfernt Von den verbleibenden Markern waren sechs St ck nicht klassi fiziert die manuell in Beekley Spot Marker abge ndert wurden Visuell entspricht das Ergebnis der automatischen Markerdetektion dem aus den CT Daten rekonstruierten Modell Insbesondere Philips Marker scheinen sich ohne manuelle Eingriffe gut aus CT Daten segmentieren und aufgrund ihrer Form eindeutig klassifizieren zu lassen F r eine weitere Untersuchung der Genauigkeit m ssen allerdings exakte Messungen erfolgen und die Ergebnisse ber die Registrierung verifiziert werden 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 4 6 4 Genauigkeitsuntersuchungen an einem Referenzobjekt Im Verzeichnis images dicom ruler bzw in der Datei images hypermesh rul
39. Standard Ein gabekanal so dass eine Verarbeitung in einer pipe erfolgen kann extractSrilmg h inputFile srl outputimg raw cat inputFile srl extractSrllmg gt outputlmg raw 6 3 4 Formatierte Ausgabe aller Eintr ge Das Programm showSrliHdr entspricht in seiner Arbeitsweise im Wesentlichen dem Programm extractSriHdr mit dem Unterschied dass die Information formatiert ausge geben wird Erfolgt ein Aufruf des Programms showSrIHdr mit der Option h elp UNIX bzw DOS wird eine kurze Programmbeschreibung ausgegeben Ansonsten erfolgt der Aufruf durch Eingabe des Programmnamens sowie des Namens einer Datei im SRL Format Auch showSriHdr liest ohne Angabe eines zus tzlichen Dateinamens aus dem Standard Eingabekanal showSrlHdr h inputFile srl 195 3 Import medizinischer Bilddaten Name john 2 Id 0008 Date of Birth 16 05 1997 Sex m Date of acquisition 22 05 1998 Time of acquisition 18 05 33 Modality CT Images 30 Image width 150 Image height 150 Pixel size 0 6055x 0 6055 mm Slice thickness 2 0000 mm Slice distance 2 0000 mm Bits per Pixel 8 Pixel stored in 8 bits High bit 7 Pixel data type unsigned Imaging direction SI Preview available Preview width 150 Preview height 150 Segmentation lower bound for bone is 49 upper bound for bone is 71 4 marker in data set 1 marker position 90 20 13 90 8 30 orientation 0 00 0 00 0 00 0 000 2 mark
40. Testing and Demonstrating DICOM Functionality Version 2 9 5 Mallinckrodt Institute of Radiology Electronic Radiology Lab URL ftp ftp erl wustl edu pub dicom ctn 1997 Bost P Federspil P Kurt P Schedler M Craniofaciale Rehabilitation mit knochenverankerten Epithesen In RS94 S 164 168 1994 Besimo C Jacobs K Optimierung der chirurgisch prothetischen Planung durch digitale Auswertung von Computertomogrammen In GECP95 S 68 75 1995 Bohner P Pokrandt P Hassfeld S Operation Planning and Execution in Cranio and Maxillofacial Surgery In WMS96 S 435 446 1996 Brown L G A Survey of Image Registration Techniques In ACM Computing Surveys Vol 24 No 4 1992 Barth A Schuschke C Jensch P PI IIF Profile for the Conversion of DICOM Images In LIJV95 S 458 463 1995 Baraff D Witkin A Kass M An Introduction to Physically Based Modeling Rigid Body Simulation SigGraph Course Notes URL http www cs cmu edu baraff sigcourse 1997 Computer Assisted Surgery Valuable Sources of Information 1998 MICCAI Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention URL http www ai mit edu conferences CARS Computer Assisted Radiology and Surgery URL http cars tu berlin de CAR MMVR Medicine Meets Virtual Reality URL http www amainc com MMVR MMVR html CAS Computer Aided Surgery URL http www aist go jp NIBH b0673 english cas html MRCAS Me
41. Transfersyntax ausgehandelt werden so muss per Definition die bereits in ACR NEMA 2 0 definierte implizite little endian Transfersyntax verwen det werden Neu ist ebenfalls die Einf hrung einer optionalen expliziten Wertrepr sentation bei der ein Datenelement um eine zus tzliches Kennung zur Beschreibung des im Wertfeld vor liegenden Datentyps erweitert wird Bild 3 5 Diese Kennung besteht aus zwei aufein ander folgenden ASCH Zeichen die den Datentyp und die L nge des L ngenfeldes in Bytes definieren NEM93a NEM93b DICOM Nachricht Byte 0 eee Byte n Oneneemen Datenelement Datenelement DICOM gt a Bild 3 5 Aufbau eines DICOM Datenelementes Ein DICOM Datenelement kann somit im Gegensatz zum ACR NEMA Format aus vier Feldern bestehen wobei das Feldkennzeichen das Langen und Wertfeld immer in einem Datenelement vorliegen m ssen Die Verwendung einer expliziten Wertrepr sentation ist hingegen optional Wird eine explizite Wertrepr sentation verwendet dann kann sich das L ngenfeld entweder aus 2 4 oder aus 8 Bytes zusammensetzen Die L nge des L ngenfeldes ergibt sich aus dem Inhalt der expliziten Wertrepr sentation siehe Tabelle 3 2 auf Seite 44 195 3 Import medizinischer Bilddaten Eine komplette Nachricht im DICOM 3 0 Format ist aus Kompatibilit tsgr nden hnlich aufgebaut wie eine ACR NEMA Nachricht Bild 3 3 Die Anzahl von Gruppen und Datenelementen ist im Gegensatz zum ACR NEMA Standar
42. aller verf gbaren Elemente gesucht werden muss Das Gleiche gilt auch f r die Elemente die die Dimensionen der Bildmatrix beschreiben siehe Bild 3 7 Seite 41 Zur Darstellung der Bilddaten k nnen jedoch oft nicht die vollen 12 Bits der Aufnahme werte verwendet werden sondern nur 8 Bits was eine Reduktion des vorliegenden Wertebereiches erforderlich macht Zu diesem Zweck wurde die Bibliotheksfunktion 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten dicomMapTo8 bereitgestellt die eine Reduktion des Wertebereiches vornimmt und eine reduzierte Bildmatrix zur ckliefert Die Reduktion erfolgt in der implementierten Form linear zwischen dem niedrigsten und h chsten vorliegenden Aufnahmewert Die Inter pretation der Datenelemente 0x0028 1050 Rescale Slope 1051 Rescale Intercept 1052 Window Center und 1053 Window Width w rde falls diese Elemente in der DICOM Nachricht vorliegen zu einer Verbesserung der Kontrastreduktion f hren Die Funktion dicomMapTo8 liefert einen Zeiger auf die neu angelegte Bildmatrix zur ck oder den Wert 0 wenn nicht gen gend Speicher zur Verf gung steht 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten F r die Analyse vorliegender unbekannter Dateien die Daten im DICOM Format ent halten erwiesen sich die dicom3tools Clu98a sowie die CTN Software BD97 als aus gesprochen n tzlich Da die in dieser Arbeit implementierte DICOM Bibliothek alle Datenelemente der DICOM Nachricht in einer
43. aufgerufen der die Liste der Dateinamen sowie die Anzahl der ausgew hlten Dateien bergeben wird Die Methode readDicom berf hrt mit Hilfe der in Abschnitt 3 4 vorgestellten DICOM Bibliothek alle Dateien in eine Liste von Objekten der Klasse TDicomFile die anschlie end je nach Schichtabstand und Zusammengeh rigkeit in eine oder mehrere Objekte der Amira Klassen HxUniformScalarField3 oder HxStackedScalarField3 berf hrt werden Die Entscheidung bzgl der Zusammengeh rig keit spezifizierter Dateien erfolgt ber die eindeutige Identifikation der Aufnahmeserie SOP Class UID des Patientennamens des Aufnahmezeitpunktes sowie der Patienten identifikation Der Schichtabstand wird ber den Inhalt des Datenelementes 0x0020 1041 Slice Location ermittelt Jedes der neu erzeugten dreidimensionalen Skalarfelder wird in Amira als eigenst ndiges Datenobjekt mit dem Patientennamen oder der Identi fikationsnummer registriert und kann anschlie end mit Hilfe geeigneter Verarbeitungs module manipuliert bzw ber Pr sentationsmodule visualisiert werden Vorgaben f r den DICOM Datenimport in Amira waren die visuelle Kontrollm glich keit des Ladevorganges sowie die M glichkeit seines Abbruchs Da es sich bei tomogra phischen Aufnahmedaten um eine Vielzahl von Dateien mit einer Gr e von z B einem halben Megabyte pro Datei handeln kann die unter Umst nden ber langsame Netz werkverbindungen geladen werden m ssen ist eine Ladezeit von
44. den Befehlssatz der ACR NEMA Nachricht alle anderen Gruppen bilden den Datensatz Mit Hilfe von Gruppen lassen sich verschiedene Arten von Datens tzen bilden Der Datensatz mit dem hexadezimalen Gruppenschl ssel 0x7FEO beinhaltet per Definition immer die Bilddaten 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Jede Gruppe ist wiederum in einzelne Datenelemente unterteilt die sich aus einem Ele mentschl ssel Tag der L nge des Datenwertes und dem Wert selbst zusammensetzen Der Elementschl ssel ergibt sich aus der Kombination von zugeh riger Gruppen nummer und einer innerhalb der Gruppe eindeutigen Elementnummer Jedes Daten element ist durch diese Art der Kennzeichnung eindeutig in der Nachricht bestimmt Das Datenelement 0 muss in jeder Gruppe als erstes Element vorhanden sein Sein Wert enth lt die L nge der zugeh rigen Gruppe vom Ende des Wertfeldes bis zum Anfang einer neuen Gruppe Innerhalb einer Gruppe sind alle Datenelemente nach ihrem Schl ssel aufsteigend sortiert Jedes L ngenfeld eines Datenelementes gibt dessen L nge in Bytes vom Ende des L ngenfeldes bis zum Anfang des n chsten Datenfeldes an NEM88 Ein interessanter Aspekt dieses Formates ist die M glichkeit unbekannte Datenelemente deren Wert nicht interpretiert werden kann ignorieren zu k nnen Durch die feste L nge des Kennzeichen und L ngenfeldes jeweils 32 Bit ohne Vor zeichen kann stets auf das nachfolgende Datenelement zugegriffen werden o
45. der Implantatausrichtung vorgenommen wird Jedes Implantat f r sich wird bereits optimal zur Knochenoberfl che ausgerichtet das hei t das Implantat wird voll st ndig im Knochen versenkt und die Rotationsachse wird mit der Oberfl chennormale an der jeweiligen Position in bereinstimmung gebracht Dadurch ist allerdings in den berwiegenden F llen die Forderung nach einer parallelen Ausrichtung der Implantate verletzt Aus diesem Grund werden zwei Implantate immer ber den Mittelwert ihrer optimalen Orientierung ausgerichtet wodurch die Implantatoberkante nicht mehr an allen Stellen b ndig mit der Knochenoberfl che abschlie en muss siehe Bild 5 10 195 3 Import medizinischer Bilddaten Bild 5 10 Ausrichtung zweier Implantath lsen Auf eine erneute Korrektur der Implantatlage im Knochen wurde an dieser Stelle ver zichtet da die aus der Mittelwertbildung resultierende Abweichung bei einer Rotation um den Schwerpunkt des Implantates in Bezug zur Gesamtgenauigkeit vorerst als vernachl ssigbar erschien Die Notwendigkeit einer zus tzlichen Verschiebung sollte jedoch mit Hilfe von Experimenten an Testk rpern berpr ft werden Eine parallele Ausrichtung der beiden Implantate gew hrleistet noch nicht dass diese mit einem orthogonal dazu liegenden Steg verbunden werden k nnen An dieser Stelle k nnte entweder die Distanz der Implantatoberkanten als Planungsergebnis zur Fer tigung entsprechender Distanzh lsen ausgegeben oder e
46. der Name des zugeh rigen Datenobjektes im Netzwerkeditor von Amira Hierbei handelt es sich um einen Fehler da die Daten noch im urspr nglichen Format vorliegen und nicht in dem Format auf das der neue Name schlie en l sst Um dieses Problem zu umgehen sollte man die Daten entweder erst dann Speichern wenn sie nicht mehr zur Visualisie rung ben tigt werden oder vor dem Speichern mit dem Befehl Duplicate des Edit Men s eine Kopie davon anlegen und diese nach der Speicherung mit dem Befehl Remove wieder l schen Beide M glichkeiten stellen jedoch lediglich Hilfsl sungen dar Die nderung des Verhaltens bei der Speicherung von Datenobjekten m sste von den Amira Entwicklern vorgenommen werden 6 6 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde ein Datenformat definiert das die derzeit geforderten Planungsdaten vollst ndig beschreibt Dieses Format stellt eine Schnittstelle zwischen Planungs und Ausf hrungssystem dar Des Weiteren wurde eine Programmbibliothek vorgestellt mit der das SRL Format eingelesen interpretiert und ausgewertet werden kann Der zugeh rige Programmcode befindet sich auf der beiliegenden CD im Ver zeichnis srlheader lib Zum Test der SRL Bibliothek und zur Analyse von Dateien im SRL Format wurden zus tzliche Hilfsprogramme bereitgestellt deren Programmcode im Verzeichnis srl header tools vorliegt Sowohl die Bibliothek als auch die Hilfs programme wurden unter UNIX entwickelt und lie en sich problemlos unter DOS
47. der medizinischen Kommunikationssysteme sind drei wesentliche Kategorien zu unterscheiden 1 Krankenhaus Informationssysteme Hospital Information Systems HIS 2 Radiologische Informationssysteme Radiological Information Systems RIS 3 Bildarchivierungs und kommunikationssysteme Picture Archiving and Communication Systems PACS Systeme dieser Art setzen sich aus einer Vielzahl von Komponenten unterschiedlicher Hersteller zusammen die miteinander in einer einheitlichen und wohl definierten Form Daten austauschen m ssen Mit der Entwicklung des HL 7 Standards Health Level 7 zeigten sich 1987 erste Bem hungen heterogene Systeme zusammenzuf hren F r den Austausch medizinischer Bilddaten zwischen solchen Systemen ergab sich dabei die Forderung nach einer Standardisierung des den Daten zugrundeliegenden Formates die bereits 1983 von der amerikanischen Vereinigung der Radiologen American College of Radiology ACR und der Vereinigung der Elektronikhersteller National Electrical Manufacturers Association NEMA in Angriff genommen wurde Auf andere Standards 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten wie SPI Standard Product Interconnect IS amp C Image Save and Carry IPI Image Processing and Interchange Papyrus u wird an dieser Stelle nicht weiter einge gangen da sie f r diese Arbeit keine Rolle spielen Weiterf hrende Information findet man u a in Clu98b Cos97 RGL95 BSJ95 Nachfolgend werden
48. diesem Zweck wurde eine interaktive Korrektur m glichkeit bereitgestellt mit der die gesamte Anordnung um diese Achse gedreht und zur Sch deloberfl che ausgerichtet werden kann siehe Bild 5 12 Bild 5 12 Manuelle Korrektur der Implantatorientierung Die Korrektur erfolgt dabei manuell mit der Maus unter visueller Kontrolle wobei sich die Korrekturm glichkeit durch Anklicken des Steges aktivieren und auch wieder deaktivieren l sst Diese manuelle Korrekturm glichkeit mit visueller Bewertung bzgl des Oberfl chenmodells ist jedoch problematisch da das Modell durch die Ober fl chenapproximation eine scheinbare Genauigkeit vorgibt die mit der realen Knochen bzw Hautoberfl che nicht bereinstimmen muss Aus diesem Grund w re eine abschlie ende Anpassung des Implantatmodells ber die CT Daten erforderlich auf die sich der planende Arzt letztendlich verlassen m sste Die damit verbundene Frage nach der geforderten und erreichbaren Genauigkeit kann jedoch erst durch entsprechende Experimente in der klinischen Bewertungsphase beantwortet werden 195 3 Import medizinischer Bilddaten 5 1 6 Planungsergebnis Nach einer Planung mit dem in dieser Arbeit implementierten Prototyp des Planungs systems f r die Epithetik liegen die geforderten Bohrkoordinaten in Form von Start und Endpunkt der beiden Bohrpfade vor Diese Koordinaten lassen sich durch die Bet tigung der Schaltfl che OK in einer Datei abspeichern Bild 5 13
49. durch ein robotergest tztes Ausf hrungssystem erfolgen das ebenfalls von der Fachgruppe Navi gation und Robotik entwickelt wird Erkl rung zur Diplomarbeit FB Studiengang Matrikelnummer Name Vorname Hiermit versichere ich diese Arbeit selbst ndig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel herangezogen zu haben Berlin den Unterschrift Vorwort Die Motivation zu dieser Arbeit ergab sich aus meinem allgemeinen Interesse an der Medizin in der es viele interessante Bereiche gibt die zwar von der Informatik profitieren k nnen deren kritiklose Ver nderung jedoch nicht grunds tzlich und ohne Bedenken m glich ist Gerade diese Kritik bringt einen dabei immer wieder zum berdenken seiner eigenen Technikgl ubigkeit Mediziner und Ingenieure sollten die meiner Meinung nach vorliegende Scheu voreinander verlieren die gegenseitigen F higkeiten anerkennen und respektieren eine gemeinsame Sprache finden und verst rkt konstruktiv zusammenarbeiten Eine Verbesserung medizinischer Abl ufe zum Wohle der Patienten stellt f r mich eine n tzliche und erstrebenswerte Aufgabe dar der ich mich gerne langfristig widme An dieser Stelle m chte ich allen Personen danken die ihren Teil bewusst oder auch unbewusst dazu beigetragen haben dass ich mich mit diesem Thema so intensiv besch ftigen konnte Dazu geh rt nat rlich meine Frau Uta Zachow die mich w hrend meines n
50. eine Ortho gonale die kranial eine 12 Uhr Position vorgibt nach der die Positionierung der Im plantate erfolgt siehe Bild 2 2 Markierungen f r Bohrstellen und Schnitte werden mit einer Spezialtinte auf der Haut und im Verlauf der Operation auch auf dem Knochen aufgebracht Nob95 Bild 2 2 Planungsvorgabe zur Vorbereitung einer Ohrepithese 24 2 4 Zusammenfassung Ausgehend vom Zentrum des Geh rganges erfolgen Vorbohrungen in 1 und 4 Uhr bzw 11 und 8 Uhr Position hinter dem Ohr und ggf einer weiteren Bohrung dazwischen wobei sich 20 mm als Entfernung zwischen Implantat und Geh rgang sowie mindestens 15 mm zwischen den Implantaten als g nstig erwiesen hat BFKS94 Die Verwendung von zwei Implantaten ist wenn m glich zu favorisieren da insbesondere an den transkutanen Befestigungsstellen Komplikationen in Form von Hautreizungen und Infektionen auftreten k nnen FKF97 Nach den Vorbohrungen werden die L cher auf den erforderlichen Durchmesser zur Aufnahme der Implantath lsen erweitert Die Bohrtiefe variiert dabei je nach Knochenangebot zwischen 2 und 5 mm Eine Tiefe von weniger als 2 mm ist generell ungen gend da in diesem Fall keine ausreichende Anzahl von Gewindedrehungen m glich ist Die Einhaltung der korrekten Bohrtiefe unter Ber cksichtigung der maximalen Knochendicke ist f r diesen Eingriff von essentieller Bedeutung und wird durch geeignete Bohraufs tze mit mechanischem Anschlag garan tiert Eine exakte Bestim
51. eine geschlossene Hautoberfl che an wie sie bei einer realen Operation auch zuerst vorliegt Der Arbeitsschritt der hier simuliert wird ist das Messen und Markieren der Bohrstellen auf der Haut unter Bereitstellung von geeigneten Planungshilfen Wechselt man zur Ansicht des darunter liegenden Knochenmodells so entspricht dieses der Betrachtung des freigelegten Knochens zur Vorbereitung der Implantataufnahme In dieser Ansicht k nnen die Implantate bez glich der Knochenoberfl che ausgerichtet werden Alle Markierungen lassen sich dabei automatisch vom Haut zum Knochen modell bertragen Im weiteren Planungsverlauf muss ein Implantattyp bzw ein komplettes Befestigungsset aus einer Liste verf gbarer Implantate ausgew hlt werden k nnen Das zugeh rige computergrafische 3D Modell lie e sich dann in der Planungsansicht beliebig positio nieren Aus dem gew hlten Implantattyp ergibt sich automatisch die erforderliche Bohr tiefe und der Bohrdurchmesser Die Positionierung der Implantatmodelle kann dabei durch die Anzeige der Knochen und Weichgewebedicke an den selektierten Stellen sowie die zugeh rigen Schichten in den Projektionsansichten optimal unterst tzt wer den Nach jeder Festlegung einer Implantatposition kann die an dieser Stelle vorliegende Knochendicke ermittelt und angezeigt werden Ist die Knochendicke an einer geplanten Stelle nicht ausreichend oder befinden sich in diesem Bereich Mastoidzellen sollte eine entsprechende Warnu
52. eines Beekley Spots HOUNSFIELD Bereich 2000 3095 HU Volumen 1 77 mm Oberfl che 7 07 mm Referenzpunkt x y z 0 0 0 0 0 0 mm Begrenzungsvolumen x y z 0 75 0 75 0 75 0 75 0 75 0 75 mm Schwerpunkt x y z 0 0 0 0 0 0 mm Tr gheitsmomente x y z 1 1 1 Tragheitsradien x y z 0 47 0 47 0 47 mm 4 2 3 Leibinger Knochenschraube Leibinger Knochenschrauben dienen eigentlich zur Fixierung von Miniplatten die f r die Verbindung von Knochenfragmenten verwendet werden Die Titanschrauben lassen sich allerdings aufgrund ihrer spezifischen Kopfform und der dem Material inh renten Absorptionseigenschaften auch f r die Registrierung einsetzen Der Schraubenkopf hat einen Durchmesser von 3 mm und besitzt in seinem Zentrum eine definierte 0 9 mm Bohrung mit vorgegebener Tiefe siehe Bild 4 9 Die Schraubenl nge variiert je nach Typ zwischen 4 und 19 mm Der Vorteil bei der Verwendung von Knochenschrauben als Registrierungsmarker liegt in der absolut starren Verbindung des Referenzpunktes mit dem Knochen woraus eine verbesserte Genauigkeit bei der Registrierung resultiert Die Verwendung von Knochenschrauben kommt jedoch nur bei komplizierten Ein griffen mit einer hohen geforderten Pr zision in Frage die eine invasive Verankerung von Registrierungsmarkern bedingen Bild 4 9 Leibinger Knochenschraube 195 3 Import medizinischer Bilddaten Messunge
53. einmaliges Setzen der Implantath lse mit anschlie ender ber pr fung auf vollst ndigen Sitz im Knochengewebe Das Implantat sollte sich dann ber die Projektionsansichten beliebig verschieben lassen wobei das Resultat sofort in der 3D Ansicht visualisiert wird Nach dem Abschluss der Umpositionierung z B nach Loslassen der Maustaste erfolgt eine erneute berpr fung der Implantatlage im Knochengewebe Das Gleiche k nnte auch f r eine gemeinsame Verschiebung beider Implantate zur Lagekorrektur des gesamten Befestigungssteges gelten Die interaktive Manipulation der Implantate erscheint eine vorrangige Forderung bei der Verbesserung des Planungssystems zu sein 5 2 4 Eine ergebnisorientierte Vorgehensweise In der aktuell implementierten Version des Planungssystems lassen sich Implantate nur einzeln ausw hlen und positionieren Das entspricht zwar der Vorgehensweise des chi rurgischen Eingriffs doch muss dieses Konzept nicht zwingend auf die Planung ber tragen werden Ziel der Planung ist die Anpassung einer kompletten Ohrepithese bei der die erforderlichen Positionen der Implantate eher zweitrangig sind F r eine ergeb nisorientierte Planung w re es z B vorstellbar das intakte Ohr des Patienten aus dem Modell zu kopieren dieses zu spiegeln und an der Position der defekten Ohrmuschel anzupassen Anschlie end k nnte ein kompletter Befestigungssteg entsprechend der jeweils vorliegenden Abmessungen ausgew hlt und in Relation zur
54. erzeugen zu m ssen so kann das Programm wie folgt verwendet werden cat imageFile getRange 1 1 2 2 type imageFile getRange 1 1 2 2 3 2 2 Konvertierung der Byte Anordnung Liegen medizinische Bilddaten vor deren Werte sich au erhalb des zu erwartenden Wertebereiches befinden dann k nnte eine vertauschte Anordnung der Bytes die Ur sache daf r sein Diesem Problem kann mit dem Programm swapByte begegnet werden das die Bytefolge der Daten d h immer zwei aufeinander folgende Bytes vertauscht Auch hier ist zu beachten dass das Programm nur auf die extrahierten Bilddaten ange wendet werden sollte und das auch nur wenn diese als Sequenz von in 2 Bytes gespei cherten Aufnahmewerten angenommen werden Der Aufruf des Programms erfolgt im Normalfall durch Eingabe des Programmnamens des Namens der Datei mit den Bilddaten und eines Namens f r die Zieldatei in der das Ergebnis abgespeichert werden soll Existiert eine Datei mit dem angegebenen Namen der Zieldatei so wird diese nicht berschrieben sondern eine Warnung ausgegeben swapByte imageFile outputFile Fur die Nutzung des Programms in einer Verarbeitungskette kann z B eine Extraktion der Bilddaten aus einer Originaldatei erfolgen dieses Ergebnis ber eine pipe an das Programm swapByte weitergereicht werden und dieses in einer neuen Datei abge speichert oder anhand dessen Resultat z B der Wertebereich mittels getRange bestimmt werden ohne dass tempor
55. extractDicomImg bereitgestellt mit dem die Bildinformation aus einer DICOM Nachricht extrahiert und ausgegeben bzw in einer neuen Datei gespeichert werden kann 195 3 Import medizinischer Bilddaten Der Aufruf des Programms erfolgt durch Eingabe des Programmnamens des Namens einer Datei die eine gespeicherte ACR NEMA DICOM Nachricht enth lt und eines Dateinamens unter dem die Bildinformation gespeichert werden soll Existiert eine Datei gleichen Namens wird eine entsprechende Warnung ausgegeben und das Programm beendet Wird kein Name f r eine Ausgabedatei angegeben dann werden die Bilddaten in den Standard Ausgabekanal geschrieben Dieser kann entweder in eine Datei umgelenkt oder in einer so genannten pipe weiterverarbeitet werden extractDicomImg dicomFile dicomlmage raw Eine m gliche Verarbeitungskette w re z B die Extraktion der Bilddaten aus einer DICOM Nachricht mit anschlie ender Vertauschung der Byte Reihenfolge und ab schlie ender Transformation der vorzeichenbehafteten 12 Bit Bilddaten in einen 8 Bit Wertebereich Das Ergebnis k nnte ohne zus tzliche Erzeugung tempor rer Dateien direkt in einer Ausgabedatei abgespeichert und mit einem Visualisierungssystem darge stellt werden extractDicomImg dicomFile swapByte signedToByte gt dicomlmg raw 3 5 2 Formatierte Ausgabe aller Datenelemente Zur Analyse von Dateien in denen DICOM Nachrichten gespeichert wurden ist es oft sehr hilfreich einen berbli
56. gen und eine Umsetzung der Aufnahmedaten auf weniger als acht Bit ist durch die Verringerung der zur Verf gung stehenden Ausgabewerte ebenso einfach m glich Die Angabe der Inter vallgrenzen f r die einzelnen Materialbereiche sowie der Anzahl der zur Verf gung stehenden Ausgabewerte ber geeignete Kommandozeilenparameter w re jedoch ein fach zu realisieren F r die Nutzung der Programme in einer Verarbeitungskette kann z B eine Extraktion der Bilddaten aus einer Originaldatei erfolgen dieses Ergebnis ber eine pipe an das jeweilige Programm weitergereicht und dessen Resultat z B mit dem Programm getRange berpr ft oder in eine neue Datei umgelenkt werden cat imageFile signedToByte gt outputFile type imageFile unsignedToByte getRange 1 3 3 Standards und Datenformate in der Medizin Die vorangehend beschriebenen Hilfsprogramme bieten zwar eine M glichkeit zur Extraktion medizinischer Bilddaten f r die Visualisierung sie stellen jedoch eine sehr primitive Variante der Datenaufbereitung f r ein Planungssystem dar Der Zugriff auf medizinische Bilddaten inklusive damit verbundener Zusatzinformation sowie deren Auswertung erfordert standardisierte Datenformate Kommunikationsrichtlinien und Methoden Solche Standards beschr nken sich nicht nur auf die Form der Speicherung sondern ber cksichtigen auch den Zugriff auf die Daten sowie deren Austausch zwi schen bildgebenden und weiterverarbeitenden Systemen Im Bereich
57. hinsichtlich eines ent sprechenden Eintrages untersucht Bild 3 5 Seite 37 Kann eine der ASCII Sequenzen aus Tabelle 3 2 ausgelesen werden dann wird f r dieses Datenfeld eine explizite Wertrepr sentation angenommen NEM93a Tabelle 3 2 Explizite Wertrepr sentation gem DICOM 3 0 Wertrepr sentation Bedeutung L nge des L ngenfeldes AE Application Entity 16 Bit AS Age String 16 Bit AT Attribute Tag 16 Bit CS Code String 16 Bit DA Date 16 Bit DS Decimal String 16 Bit DT Date Time 16 Bit FL Float Single 16 Bit FD Float Double 16 Bit IS Integer String 16 Bit LO Long String 16 Bit LT Long Text 16 Bit OB Other Byte 32 Bit OW Other Word 32 Bit PN Person Name 16 Bit SH Short String 16 Bit SL Signed Long 16 Bit SQ Sequence of Items 32 Bit SS Signed Short 16 Bit ST Short Text 16 Bit TM Time 16 Bit UI Unique Identifier 16 Bit UL Unsigned Long 16 Bit US Unsigned Short 16 Bit Aus Tabelle 3 2 ist ebenfalls ersichtlich dass die Datenfelder zu den Wertrepr sen tationen OB OW und SQ einen gro en Umfang besitzen k nnen was sich in einem ver gr erten L ngenfeld widerspiegelt Dieser Umstand muss beim Einlesen solcher Elemente ber cksichtigt und das L ngenfeld entsprechend des angegebenen Wertes kor rigiert werden Die berpr fung auf das Vorliegen einer expliziten Wertrepr sentation erfolgt mittels der Bibliotheksfunktion dicomExpl
58. im 3D Modell ausgew hlte Position soll zudem zur Anzeige der zugeh rigen drei Schichten in den Projektionsansichten f hren wodurch die Korrelation zwischen Schichtdaten und 3D Modell automatisch hergestellt wird und nicht mehr nur der Erfahrung und der Vorstellungskraft eines planenden Arztes obliegt Neben der optimalen Platzierung von Implantaten unter Ber cksichtigung von Knochen und 195 2 Medizinische Problemstellung und Konzept Weichgewebedicke ist es weiterhin m glich deren Orientierung bzgl der Knochenober fl che zu optimieren den Abstand zwischen den Implantaten zu berechnen und den Befestigungssteg inklusive der Distanzh lsen als computergrafisches 3D Modell in den Planungsvorgang mit einzubeziehen Die grafische Planung kann in vielen Bereichen noch weiter ausgebaut werden So ist zum Beispiel denkbar dass rekonstruierte Bereiche des 3D Modells gespiegelt inter aktiv platziert und automatisch an die vorliegende Geometrie des Operationsgebietes angepasst werden k nnen Ein Spiegeln und Anpassen der intakten Ohrmuschel k nnte dann auch automatisch zur Bestimmung der optimalen Implantatpositionen f hren die sich aus der Knochenstruktur im definierten Auflagebereich der Epithese ableiten lie en Statt der einzelnen Implantath lsen k nnten auch komplette Befestigungsstege mit Standardabmessungen ausgew hlt und unter Ber cksichtigung der zugrunde liegenden Geometrie am Sch delmodell angepasst werden woraus sich die e
59. in ein dreidimensionales Abbild umzusetzen so dass ich hoffe dass die 3D Computergrafik hier weiterhelfen kann Ich w nsche allen die in diesem Bereich arbeiten viel Erfolg allen Patienten die eine Epithese ben tigen das Gl ck optimal versorgt zu werden und hoffe mit meiner Arbeit einen kleinen Beitrag f r einen Schritt in diese Richtung geleistet zu haben 46 Glossar ACR ACR NEMA ANSI ANSI C ASCH Big Endian CAD CEN CEN TC251 CIM CT DICOM HIS HL 7 HTTP American College of Radiology Vereinigung der Radiologen in den USA Von gt ACR und gt NEMA gemeinsam gegriindetes Komitee f r die Standardisierung der Codierung und der Ubertragung digitaler Bilder in der Radiologie im Oktober 1996 umbenannt in gt DICOM Committee Name des f r die ersten beiden Versionen des von diesem Komitee verabschiedeten Standards American National Standards Institute Amerikanisches Standardisierungsgremium quivalent zum Deutschen Institut f r Normung DIN Vom gt ANSI ber das X3J11 Standard Comittee festgelegter Standard f r die Programmiersprache C l ste 1986 den de facto Standard zur Programmierung in C von Kernighan und Ritchie ab American Standard Code for Information Interchange international gebr uchliche Verschl sselung von 128 Zeichen im Bin rformat Anordnung der Bytes eines aus mehreren Bytes bestehenden Datentyps wobei das h chstwertigste most significant Byte zuerst und alle nach
60. modelliert werden Diese Negativform bildet zudem die Fertigungsgrundlage f r den Befestigungssteg Auch die u ere Form der anzufertigenden Epithese l sst sich aus einem Abdruck der zweiten noch intakten Ohrmuschel ableiten Dennoch ergeben sich f r den Patienten durch eine computergest tzte pr operative Planung sowie deren exakte Umsetzung Vorteile die nicht von der Hand zu weisen sind Betrachtet man zum Beispiel die Zeit die zwischen der Operation und dem endg ltigen Erhalt der Epithese liegt dann muss zum einen die Dauer des Abheilvorganges ber ck sichtigt werden bevor ein Abdruck der Implantate am Patientensch del erfolgen kann und zum anderen die Zeitspanne die bis zur vollst ndigen Implantatstabilit t bzw der Fertigstellung von Suprakonstruktion und Epithese vergeht Von Patienten mit ange borenen Missbildungen mag diese Zeitspanne zwar toleriert werden im Normalfall unterliegen Patienten in der Zeit zwischen Vorbereitung und Erhalt der Epithese einer erheblichen sthetisch begr ndeten psychischen Belastung die es zu minimieren gilt Durch die M glichkeit der Rekonstruktion von Knochen und Hautoberfl che aus tomo graphischen Daten lassen sich zum Beispiel intakte Bereiche spiegeln die in Form von CAD Modellen als Grundlage f r die pr operative Epithesenfertigung dienen k n nen HHM 97 GL97 RN96 Weiterhin lassen sich durch die M glichkeit der exakten Bestimmung von Knochen und Weichgewebedicke an den gepl
61. re Dateien angelegt werden m ssen cat imageFile swapByte gt outputFile type imageFile swapByte getRange 195 3 Import medizinischer Bilddaten 3 2 3 Transformation des Wertebereiches F r die Visualisierung medizinischer Bilddaten ist es je nach Visualisierungssystem erforderlich den Wertebereich der Aufnahmedaten vom negativen in den positiven Bereich bzw umgekehrt zu verschieben Liegen z B Daten als vorzeichenbehaftete HOUNSFIELD Einheiten 1000 3095 in einer Datei vor und erfordert das Visuali sierungsprogramm einen positiven Wertebereich der Daten dann m ssen diese in den Wertebereich 0 4095 transformiert werden Mit den Programmen signedToUnsigned bzw unsignedToSigned kann eine solche Trans formation des Wertebereiches vorgenommen werden Zu jedem Bildpunkt wird ent weder der Wert 1000 oder 1000 addiert und das Ergebnis typkonvertiert in den Aus gabekanal geschrieben Bei den Eingabedaten wird stets von Aufnahmewerten ausge gangen die in zwei Bytes gespeichert vorliegen und sich lediglich aus der extrahierten Bildinformation zusammensetzen Der Aufruf der Programme erfolgt im Normalfall durch Eingabe des Programmnamens des Namens der Datei mit den Bilddaten und eines Namens f r die Zieldatei in der das Ergebnis abgespeichert werden soll Existiert eine Datei mit dem angegebenen Namen der Zieldatei so wird diese nicht berschrieben sondern eine Warnung ausgegeben signedToUnsigned imageFile outpu
62. simulierten Ohr epithese angepasst werden Aus der Lage des Steges lie en sich dann die notwendigen Positionen der Implantath lsen bestimmen die entsprechend der vorliegenden Knochenstrukturen optimal ausgerichtet werden k nnten Diese Vorgehensweise erscheint weitaus intuitiver und sollte letztendlich in einem klinisch einsetzbaren Planungssystem realisiert werden 5 2 5 Weitere Planungsdaten und deren Nutzungsm glichkeiten Neben den geforderten Bohrkoordinaten zur Planungsumsetzung liegen gem voran gehender Beschreibung bereits weitere Angaben vor die exportiert werden k nnten Der Implantatdurchmesser die Knochen und Weichgewebedicke an den Bohrpositionen und der Implantattyp sind einige davon Auch der berechnete Abstand zwischen den Implantaten kann zur pr operativen Fertigung des Befestigungssteges herangezogen werden Sollen die Daten zur Vorbereitung des chirurgischen Eingriffs genutzt werden dann k nnten mit den Implantattypen auch die erforderlichen Werkzeuge bzw Instru mente verkn pft und ausgegeben werden F r ein klinisch einsetzbares System lassen sich auch f r jede Planungssitzung Angaben vom planenden Arzt anfordern die mit dem Planungsdatum und der Zeit in einem Planungsprotokoll gespeichert werden k nnen Ein solches Planungsprotokoll w re dann ein weiterer Bestandteil der digitalen Patientenakte wie sie in zuk nftigen Krankenhausinformationssystemen vorliegen wird 195 3 Import medizinischer Bildda
63. sind und dieser Marker noch nicht im Men aufgelistet ist Eine weitaus bessere M glichkeit ist die Bereitstellung einer Markerrefenz Template auf die im nachfolgenden Abschnitt detailliert eingegangen wird Das Resultat einer Markerdetektion ist eine Liste gefundener Marker die als neues Datenobjekt vom Typ HxLandmarkSet in Amira erzeugt wird Diese Markerliste wird im Netzwerkeditor ebenfalls durch ein gr nes Symbol repr sentiert das mit dem Modul zur Markerdetektion verbunden ist Zus tzlich wird ein so genanntes Pr sentationsmodul der Klasse HxDisplayLandmarks aktiviert das die gefundene Markerliste im grafischen Anzeigebereich von Amira visualisiert 195 3 Import medizinischer Bilddaten 4 5 3 Nutzung externer Marker Templates Die Visualisierung bekannter Markertypen soll ber eigens daf r erstellte 3D CAD Modelle erfolgen Diese Modelle k nnen mit beliebigen CAD Programmen erstellt wer den wobei f r die Erzeugung der in Abschnitt 4 2 beschriebenen Markertypen das Pro gramm AutoCAD der Firma Autodesk verwendet wurde Da Amira keine CAD Dateien importieren kann wurden die 3D Modelldaten vom DXF Format mit Hilfe des Programms DxfTolv in das Inventor Dateiformat umgewandelt Dateien dieses Typs k nnen problemlos in Amira eingelesen und deren Inhalt visualisiert werden Um das Modul zur Markerdetektion frei konfigurierbar zu gestalten wurden die Eigen schaften der Registrierungsmarker ebenfalls in externe Dateien
64. t lcsh setenv AMIRA_LOCAL HOME Amira balsh export AMIRA_LOCAL HOME Amira 6 4 2 Datenimport Obwohl sich aus den Anforderungen f r das chirurgische Planungssystem kein direkter Bedarf am Reimport der Planungsdaten ergibt wurde diese M glichkeit bei der Erwei terung von Amira vorgesehen Das Einlesen von Daten im SRL Format bietet zumin dest die M glichkeit der Verifikation generierter Planungsdaten was im Rahmen der Entwicklung von Vorteil ist Liegt eine Datei in diesem Format vor so kann sie mit dem Befehl Load des File Meniis eingelesen werden Uber den zugeh rigen Dateiauswahl dialog kann z B in das Verzeichnis images srl gewechselt und eine oder mehrere Dateien ausgew hlt werden Aufgrund der Dateinamenserweiterung srl bzw der ASCII Zeichen kette SRL in der ersten Zeile des Formates erscheint im Dateiauswahlbereich des Dialogfensters ein Hinweis auf das erkannte Dateiformat siehe Bild 6 1 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Tik ee fee Be E abe Bild 6 1 Auswahl von Dateien im SRL Format Nach Auswahl und Best tigung einer Datei werden die darin gespeicherten Daten einge lesen und die zugeh rigen Datenobjekte entsprechend des Inhaltes erzeugt Bilddaten werden dabei grunds tzlich in ein regul res dreidimensionales Skalarfeld vom Typ HxRegScalarField3 berf hrt Diese Daten k nnen in Amira auf normale Art und Weise visualisiert werden Befindet sich eine Planungsvoransicht im
65. unterschiedlicher Planungsvorg nge vermischt werden Eine Planungssitzung 24 2 4 Zusammenfassung beginnt demnach immer mit dem Anlegen oder ffnen einer Planungsstudie wobei das Laden tomographischer Aufnahmedaten automatisch zur Generierung einer neuen Studie f hren sollte deren Bezeichnung sich aus dem Patientennamen und einer ein deutigen Identifikationsnummer ableitet Dadurch soll gew hrleistet werden dass eine Studie eindeutig mit einem Patienten verbunden ist Beim Laden der Bilddaten sollten immer alle Schichten der Aufnahmereihe eingelesen werden Es ist zwar m glich nur einen w hlbaren Bereich oder sogar einzelne Schichten einzulesen doch sollte dieser Umstand im gesamten Planungsablauf erkennbar sein Die Auswahl der Aufnahmedaten muss sich dabei so komfortabel wie m glich gestalten Im Dateiauswahlfenster k nnten z B bereits Patienteninformation Typ und Format der Aufnahmedaten und ggf auch verkleinerte Voransichten dargestellt werden Diese An gaben lassen sich zum einen aus der typischen Namengebung von Verzeichnissen auf dem DICOM Server ableiten und zum anderen aus speziellen Datenfeldern des DICOM Formates extrahieren Auf die entsprechenden M glichkeiten wird in Kapitel 3 detail liert eingegangen Nach Auswahl der zu ladenden Aufnahmedaten sollte der Fortschritt beim Laden der Bilddaten in geeigneter Form verdeutlicht werden da der Ladevorgang bei Datens tzen mit einer typischen Gr e zwischen 50 und 100 MB
66. vor der Operation angefertigt oder aus einer Palette von Standardschablonen ausgew hlt werden kann Solche Schab lonen werden dem Patienten entweder in den Geh rgang eingef hrt oder in der ersten Bohrung fixiert und entsprechend des darunter liegenden Sch delknochens ausgerichtet Die F hrungsl cher der Schablone geben dabei die Bohrpositionen vor und gew hr leisten dass die Bohrachsen parallel zueinander liegen Die tats chlichen Positionen und Orientierungen h ngen von der Beweglichkeit der Schablone in Relation zum Patienten sch del sowie der Genauigkeit der F hrungsh lsen ab Eine Alternative zu dieser Vor gehensweise bietet der Einsatz computergest tzter Planungshilfen in Kombination mit mechanischen Hilfsmitteln und kinematischen Verfahren wie sie in der Fachgruppe Navigation und Robotik entwickelt bzw eingesetzt werden LHA 98 2 1 2 Vorteile einer computergest tzten Planung Die Planung und Ausf hrung des vorangehend beschriebenen Eingriffs wird von erfah renen Chirurgen im Hinblick auf das Operationsergebnis bereits seit Langem erfolgreich durchgef hrt ST97 Drehzahl und Drehmomentbegrenzende Werkzeuge mit mecha nischen Anschl gen erm glichen eine materialgerechte Arbeit und ein Durchbohren des Sch delknochens tritt bei fachgerechter Vorgehensweise in der Regel selten auf Der Auflagebereich der Epithese kann nach der Verheilung durch einen Wachsabdruck des Sch delknochens inklusive der implantierten Fixierungen
67. vorangehend beschriebene Datenformat l sst sich problemlos mit einem konventio nellen Texteditor erstellen bzw bearbeiten Diese M glichkeit vereinfacht den Test und die unabh ngige Entwicklung des Planungs und Ausf hrungssystems F r Teilkompo nenten des Ausf hrungssystems l sst sich mit einfachen Mitteln und unabh ngig vom Planungssystem eine Datei im SRL Format erzeugen die problemlos um ben tigte Zusatzinformation erweitert werden kann Wenn die Entwicklung der beiden Kom ponenten des integrierten Planungs und Ausf hrungssystems einen stabilen Zustand erreicht hat kann das SRL Format ggf um ein bin res quivalent erg nzt werden Mit Hilfe der in Abschnitt 3 2 vorgestellten Hilfsprogramme zur Arbeit mit medizi nischen Bilddaten sowie der DICOM Bibliothek kann alle Information zu einem CT Datensatz gewonnen und in das SRL Datenformat berf hrt werden Marker und Bohr positionen lassen sich f r Tests in beliebiger Form angeben Die Bilddaten k nnen nach Reduktion auf 8 Bit z B mit den Programmen signedToByte oder unsignedToByte Abschnitt 3 2 3 Seite 30 mittels einfacher Ausgabeumlenkung an die manuell erzeugte ASCII Beschreibung im SRL Format angef gt werden extractDicomImg unsignedToByte gt gt file srl 6 2 Eine Bibliothek zum Import der SRL Planungsdaten F r die Auswertung des SRL Datenformates m ssen entsprechende Bibliotheks funktionen bereitgestellt werden die sowohl im Ausf hrungssystem als auch im
68. 110 3D Planungsansicht mit semitransparenter Hautoberfl che 111 Grafische Planungshilfen 2ER 112 CAD Modell einer Implantath lse ennnnneen 113 Planungshilfen bei der Implantatpositionierung uneennen 114 Implantate mit Befestigungssteg am 3D Modell eeen 115 Ausrichtung zweier Implantath lsen 20020000000000200nsnennennennn 116 Implantatpositionen in der Projektionsansicht eeneneenn 116 Manuelle Korrektur der Implantatorientierung eenenen 117 Bild 5 13 Bild 6 1 Bild 6 2 Bild 6 3 Bild 6 4 Bedienung des Planungssystems Speicherung der Planungssdaten aa u RE bo 118 Auswahl von Dateien im SRL Format uessnenennsenesenennnnnn 135 Visualisierung eines SRL Datensatzes nnnnenenen 135 Speichern von Bilddaten im SRL Format ur0000s00000000000000n0nennnenn 136 Speichern von Bild und Markerdaten im SRL Format 137 195 Tabellenverzeichnis Tabelle 3 1 Tabelle 3 1 Tabelle 3 2 Tabelle 3 3 Tabelle 3 4 Tabelle 3 5 Tabelle 4 1 Tabelle 4 2 Tabelle 4 3 Tabelle 4 4 Tabelle 4 5 Tabelle 4 6 Tabelle 4 7 Tabelle 4 8 Tabelle 4 9 Tabelle 6 1 Reduktion des Wertebereiches von CT Daten eee 31 Reservierte ACR NEMA Gruppen ueesesssensseessenssnensnennnnenensnennnnnnnannn 34 Explizite We
69. 2 3 4 Modellgenerierung In der Regel handelt es sich bei den Datens tzen die zur Planung herangezogen werden um sehr gro e Datenmengen 100 200 Schichten mit 512 x 512 x 2 Byte pro Schicht Ein CT Datensatz kann somit leicht 50 bis 100 Megabytes beanspruchen Diese Daten mengen zu verarbeiten und zu visualisieren erfordert eine leistungsf hige Grafikhard ware sowie eine gro e Menge an Hauptspeicher 24 2 4 Zusammenfassung F r die exakte Planung ist dabei oft nur ein wesentlich kleineres Datenvolumen von In teresse so dass bereits zu Beginn der Planung eine so genannte Region of Interest ROI festgelegt werden sollte die das Planungsgebiet einschr nkt Der planende Arzt kann sich anhand der Schichtbilddarstellung einen berblick verschaffen und ber zwei oder alle drei Projektionsansichten ein Volumen definieren welches das Planungsgebiet voll st ndig beinhaltet Die Einschr nkung des Datenvolumens kann unter Bereitstellung von grafischen Hilfsmitteln erfolgen wobei eine so genannte Bounding Box als Linien modell eingeblendet und in ihrer Gr e und Lage interaktiv ver ndert werden kann Zur Generierung eines 3D Modells der Haut und Knochenoberfl che m ssen vom planenden Arzt die Schwellenwerte f r Haut und Knochen vorgegeben werden In der Literatur finden sich zwar Richtwerte f r typische Wertebereiche Sch85 die auch vor eingestellt sein k nnen doch m ssen diese Werte immer individuell an die vorliegenden
70. 244 252 1995 Murray J D Russell D Vanryper W Encyclopedia of Graphics File Formats 2 Edition O Reilly 1996 Morgan K S Weghorst S J Hoffman H M Stredney D Hrsg Medicine Meets Virtual Reality Global Healthcare Grid Volume 39 in Studies in Health Technology and Informatics San Diego IOS Press 1997 Neider J Davis T Woo M Open GL Programming Guide The Official Guide to Learning Open GL Release 1 Addison Wesley 1993 ACR NEMA Standards Publication No 300 1985 NEMA Washington DC 1985 ACR NEMA Standards Publication No 300 1988 NEMA Washington DC 1988 ACR NEMA Standards Publication PS2 1989 NEMA Washington DC 1988 NEMA Standards Publication PS3 1 Digital Imaging and Communications in Medicine Part 1 Introduction and Overview NEMA Washington DC 1992 NEMA Standards Publication PS3 x Digital Imaging in Communications and Medicine Part 1 13 NEMA Washington DC 1993 NEMA Standards Publication PS3 5 Digital Imaging and Communications in Medicine Part 5 Data Structures and Encoding NEMA Washington DC 1993 NEMA Standards Publication PS3 6 Digital Imaging and Communications in Medicine Part 6 Data Dictionary NEMA Washington DC 1993 NEMA Draft Document Text for Letter Ballot Part 10 Media Storage and File Format for Data Interchange NEMA Washington DC 1994 Nobelpharma Br nemark System Fixture Placement Surgical Procedure Abu
71. 4 3 i l Es wird hierbei angenommen dass sich die Referenzpunktpaare m und p nicht nur durch Rotation und Translation unterscheiden dann g be es eine L sung mit amp 0 sondern dass zus tzlich zu jedem Referenzpunktpaar eine Fehlpositionierung vorliegt die als Translationsvektor v in die Berechnung mit einflie t 4 4 Dp m sR t v 4 4 Die Minimierung von Gleichung 4 3 unter Ber cksichtigung von 4 4 f hrt dabei zu einer mit der Anzahl N der Referenzpunktpaare steigenden Verbesserung der Bestim mung von Rotation und Translation der zu registrierenden Koordinatensysteme wobei davon ausgegangen wird dass die Fehlpositionierungen gleichverteilt um den Null vektor vorliegen Der minimale Registrierungsfehler ergibt sich demnach aus der kleinsten Summe aller quadratischen Abweichungen 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 4 2 CT Registrierungsmarker Zum Zwecke der Registrierung werden an der Klinik f r Mund Kiefer und Gesichts chirurgie der Charit Berlin in der Regel Markertypen verwendet die auf die Haut des Patienten aufgeklebt werden Solche Markertypen wurden als erste Vorgabe auch f r den Entwurf des Planungssystems f r die Epithetik vorgeschlagen Hierbei ist allerdings zu bedenken dass solche Marker nach der tomographischen Aufnahme weder in ihrer Lage ver ndert noch entfernt werden d rfen Diese Forderung kann jedoch nur dann erf llt werden wenn der Zeitraum zwischen der Aufnahme und
72. Auf den Export der Planungsdaten wird in Kapitel 6 noch detailliert eingegangen pispa ee Ti EI mj Tisi i meme o K Fisse Sie Ciamar EE wn 3 lt Then otis Bild 5 13 Speicherung der Planungsdaten Da fiir die Planungsumsetzung eine Transformation der Modellkoordinaten in die Patientenkoordinaten durch Registrierung tiber bekannte Punkte in beiden Koordinaten systemen erfolgen muss werden an dieser Stelle auch die Markerdaten ben tigt siehe Abschnitt 4 1 Sollten diese noch nicht vorliegen so wird ein entsprechender Hinweis ausgegeben mit dem die Speicherung abgebrochen und der Markerdetektionsvorgang gestartet werden kann Liegen Markerdaten vor so kann eine Speicherung aller derzeit erforderlichen Planungsdaten erfolgen wobei diese Speicherung derzeit auch noch ohne Markerinformation m glich ist 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 5 2 Erweiterungsm glichkeiten In den vorangehenden Abschnitten wurde demonstriert dass eine grafische Planung zur Positionierung von Implantaten an einem 3D Sch delmodell eines beliebigen Patienten realisierbar ist Ein entsprechendes Modul zur Erweiterung des Visualisierungssystems Amira wurde gem vieler Vorgaben dieser Arbeit implementiert Aufgrund des ersten subjektiven Eindruckes erscheint ein Planungssystem dieser Art als hilfreiches Werk zeug zur Unterst tzung der Chirurgen Eine objektive Bewertung des Planungssystems kann allerdings erst durch die m
73. Bedienelementen solange beliebig transformiert werden bis die zur Planung optimale Ausrichtung und Darstellungsgr e vorliegt siehe Bild 5 4 Bild 5 4 Vorbereitete 3D Planungsansicht Nach optimaler Ausrichtung des Modells kann ber die Schaltfl che Start in den Planungsmodus gewechselt werden wobei an dieser Stelle das Koordinatensystem f r die Planungsphase festgelegt wird In diesem Modellkoordinatensystem erfolgen die Vermessungen und Positionsbestimmungen Die M glichkeit der interaktiven Manipu lation des Modells mit der Maus ist im Planungsmodus deaktiviert Das 3D Modell kann zwar noch ber entsprechende Bedienelemente bzw nach expliziter Aktivierung des Transformationsmodus auch wieder mit der Maus gedreht und skaliert werden doch beziehen sich alle Planungsangaben auf das festgelegte Modellkoordinatensystem Um das Modell im Planungsmodus nach einer geometrischen Manipulation wieder in die urspr ngliche Planungsansicht transformieren zu k nnen wurde die Schaltfl che Reset bereitgestellt Falls die Ausrichtung des Modells ung nstig gew hlt wurde kann mittels der Schaltfl che Cancel auch wieder in den Modus der Planungsvorbereitung gewechselt werden siehe Bild 5 5 Alle Bedienelemente liefern dabei einen kurzen Hilfetext der auf deren zugrundeliegende Aktion hinweist Vor dem Wechsel vom Planungs in den Vorbereitungsmodus erfolgt zus tzlich noch eine Sicherheitsabfrage 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse vo
74. Bild 4 4 Hierbei ist jedoch zu beachten dass aufgrund des so genannten Partialvolumen Effektes Randbereiche des Markers in Abh ngigkeit von der Pixelauf l sung sowie des gew hlten Schichtabstandes nicht mehr vollst ndig in den oben ge nannten HOUNSFIELD Bereich fallen Ist ein diskretes Volumenelement Voxel im Raum zur H lfte mit AlMg aufgef llt und zur anderen H lfte mit Luft dann wird dieses Voxel in den CT Daten als Mittelwert der zugeh rigen HOUNSFIELD Einheiten repr sentiert Bei der Segmentierung mit einem festen Schwellenwert von z B 1500 HU ist das erkannte Volumen des Markers somit stets kleiner als das tats chlich vorliegende Je nachdem wie die Segmentierungsschwelle gew hlt wird und welche Materialien an den Marker angrenzen kann sich eine Verschiebung des Schwer bzw Referenzpunktes der Markerregion innerhalb der CT Daten um die Ausdehnung eines Voxels einstellen Kritisch sind Aufnahmen mit einem Schichtabstand von 2 Millimeter und mehr wenn Marker des Typs Easy Guide parallel zur Schichtebene liegen In diesem Fall erfolgt eine deutliche Unterabtastung bei der eine verl ssliche Registrierung nicht mehr gew hrleistet werden kann 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Bild 4 4 HOUNSFIELD Bereich des Philips Easy Guide Die schwellenwertabh ngige Bestimmung der Markerregion aus den CT Daten liefert in Abh ngigkeit von der gew hlten Segmentierungsschwelle die in Bild 4 5 gezeigten Ergebni
75. Daten vor die mit dem DICOM Importmodul in Amira eingelesen werden k nnen Abschnitt 3 6 Die Markerdaten lie gen nach einer erfolgreichen Markerdetektion vor Abschnitt 4 5 und die Bohrdaten ergeben sich aus der Planung am computergrafischen 3D Patientenmodell Kapitel 5 Alle diese Daten bilden einen vollst ndigen Planungsdatensatz der lediglich im verein barten Format in einer Datei gespeichert werden muss Die Bereitstellung dieser M g lichkeit und der eines Importes solcher Planungsdaten zur Verifikation ist Bestandteil der vorliegenden Arbeit Es wurde das Modul hxSrl f r das Visualisierungssystem Amira entwickelt und implementiert mit dem Planungsdaten als Dateien im SRL Format gespeichert und auch wieder eingelesen werden k nnen Das komplette Modul inklusive Programmcode liegt im Verzeichnis Amira packages hxsrl auf der beiliegenden CD vor siehe Anhang B Seite 187 ff 6 4 1 Das Modul hxSrl Auch das Modul hxSrl wurde als dynamisch ladbare Bibliothek zur Nutzung in Amira entwickelt und bereitgestellt Es handelt sich hierbei zum einen um eine Lesemethode wie sie bereits fiir Dateien im DICOM Format implementiert wurde und zum anderen um eine allgemeine Speichermethode die mit einem Amira Datenobjekt verkn pft bzw aus Amira aufgerufen werden kann Die Anmeldung des Moduls hxsrl erfolgt wie bei 195 3 Import medizinischer Bilddaten allen anderen Modulen ber eine externe ASCII Datei namens hxsrl rc die zur Startzeit v
76. Datensatz dann wird diese als separates Datenobjekt angelegt und geeignet gekennzeichnet Marker information wird automatisch in ein HxLandmarkSet berf hrt und das zugeh rige Pr sentationsmodul hxDisplayLandmarks gestartet siehe Bild 6 2 Eine allgemeine Beschreibung der M glichkeiten zur Datenanalyse mit Amira kann dem Online Handbuch entnommen werden Ami98 Fatal ra a a a Ta Ze Fi far Eire Rn ED om Leni mariar ot Frame ie Fete Sl Bild 6 2 Visualisierung eines SRL Datensatzes 195 3 Import medizinischer Bilddaten 6 4 3 Export der Bilddaten zur Visualisierung Aufgrund der Definition des SRL Datenformates ist es m glich nur Bilddaten mit der zugeh rigen Aufnahmeinformation abzuspeichern Die Existenz der Gruppen Marker und Targets ist ebenso wenig Voraussetzung wie deren Inhalt Aus diesem Grund wurde die M glichkeit bereitgestellt CT Aufnahmedaten wie sie z B ber das DICOM Importmodul eingelesen werden direkt im SRL Format abspeichern zu k nnen Die Vorgehensweise dabei ist denkbar einfach da nach Auswahl der CT Daten ber das zugeh rige Symbol im Netzwerkeditor lediglich die Option Save as aus dem File Men ausgew hlt werden muss Handelt es sich bei dem selektierten Datenobjekt um eine Instanz der Klasse HxRegScalarField3 dann ist im entsprechenden Dialogfenster die Speicheroption SRL verf gbar Soll beim Speichern das Suffix srl ber cksichtigt werden so ist dieses explizit anzugeb
77. EM94 DICOM Datensatz DICOM Ba DICOM DICOM Datei Dae Datei Datei 2 SOM Metainformation isk Praambel Prafix x k SOP Class OR a u Bild 3 6 Struktur einer DICOM Datei nach Teil 10 des Standards Dem Teil 10 des DICOM Standards l sst sich grunds tzlich entnehmen dass einer ge speicherten DICOM Nachricht eine 128 Byte lange Pr ambel vorangeht in der belie bige formatbeschreibende Daten gespeichert werden k nnen Der Pr ambel folgt direkt ein 4 Byte ASCII Pr fix mit dem Inhalt DICM der zur Identifikation des Datensatzes herangezogen werden kann Des Weiteren wird eine neu eingef hrte Standardgruppe 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten mit dem Gruppenschl ssel 2 vorgestellt die eine fest definierte Metainformation in expliziter little endian Transfersyntax beinhaltet Dieser Gruppe kann u a die zum bertragungszeitpunkt ausgehandelte den nachfolgenden Daten zugrundeliegende Transfersyntax entnommen werden F r die Entwicklung des in dieser Arbeit beschriebenen Planungssystems gibt es somit die M glichkeiten einen abgespeicherten ACR NEMA Datenstrom einen DICOM Datenstrom oder eine DICOM Datei nach Teil 10 des Standards auf einem Datentr ger vorzufinden F r den Import und die Interpretation dieser Daten muss demzufolge auch die neu eingef hrte explizite Repr sentationsbeschreibung der einzelnen Werte die variable Transfersyntax und die variable L nge der L ngenfeld
78. ENTWURF UND IMPLEMENTIERUNG EINES CHIRURGISCHEN PLANUNGSSYSTEMS F R DEN EINSATZ IN DER EPITHETIK DIPLOMARBEIT erstellt an der Charite Berlin Campus Virchow Klinikum Klinik f r Mund Kiefer und Gesichtschirurgie Fachgruppe Navigation und Robotik Prof Dr Tim L th in Kooperation mit dem Konrad Zuse Zentrum f r Informationstechnik Berlin Abteilung Wissenschaftliche Visualisierung Prof Dr Peter Deuflhard vorgelegt von Stefan Zachow 1999 Technische Universit t Berlin Fachbereich Informatik Institut f r Technische Informatik Fachgruppe Computer Graphics Vision Prof Dr Heinz U Lemke Kurzbeschreibung In dieser Arbeit wird der Entwurf und eine beispielhafte Implementierung eines compu tergest tzten chirurgischen Planungssystems f r den Einsatz in der Epithetik behandelt Die Arbeit entstand an der Charit Berlin Campus Virchow Klinikum Fachgruppe Navigation und Robotik in direkter Zusammenarbeit mit der Klinik f r Mund Kiefer und Gesichtschirurgie sowie dem Konrad Zuse Zentrum f r Informationstechnik in Berlin Es wird ein Planungswerkzeug beschrieben und in Form eines Prototyps zur Verf gung gestellt mit dem die optimale dreidimensionale Platzierung und Positio nierung von Implantaten zur Befestigung von Ohrepithesen anhand tomographischer Aufnahmen der zu behandelnden Patienten erfolgen kann Die exakte Umsetzung der Planungsdaten wie Position und Orientierung der Implantataufnahmen soll
79. H Carls F R et al Simulating Facial Surgery using Finite Element Models In Computer Gaphics Proceedings Volume 30 of Annual Conference Series ACM SigGraph Addison Wesley 1996 Krugel F Multimodale Registrierung Algorithmen und Applikationen In Digitale Bildverarbeitung in der Medizin 5 Workshop der Universitat Freiburg URL http www informatik uni freiburg de saupe workshop html 1997 Kuypers Friedhelm Klassische Mechanik 5 Auflage Wiley VCH 1997 Lavall e S Registration for Computer Integrated Surgery Methodology State of the Art In TLBM96 Chapter 5 S 77 97 1996 Lavall e S Cinquin P Troccaz J Computer Integrated Surgery and Therapy State of the Art In RC97 S 261 ff 1997 L th T C Hein A Albrecht J et al A Surgical Robot System for Maxillofacial Surgery IEEE Int Conference on Industrial Electronics Control and Instrumentation IECON Aachen URL http www charite de rv mkg srl publications iecon98 1998 Lemke H U Inamura K Jaffe C C Vannier M W Hrsg CAR 95 Computer Assisted Radiology Proceedings of the International Symposium Berlin Springer 1995 Lo L J Marsh J L Patel V V Vannier M V Craniofacial Surgical Simulation and Outcome Validation In LIJV95 S 789 794 1995 Lemke H U Rhodes M L Jaffe C C Felix R Hrsg CAR 91 Computer Assisted Radiology Proceedings of the Inter
80. Konzept Im Rahmen dieser Arbeit sollen die an der Klinik verwendeten Marker aus den CT Daten segmentiert werden wozu die entsprechenden HOUNSFIELD Bereiche dieser Marker bekannt sein m ssen F r die automatische Klassifizierung der unterschied lichen Markertypen zur Bestimmung der korrekten Orientierung m ssen weitere charakteristische Merkmale der einzelnen Marker analysiert werden W nschenswert ist ein automatisches Detektionsverfahren das alle potentiellen Marker im Datensatz be stimmt diese in Korrelation mit dem 3D Modell visualisiert und dem planenden Arzt die M glichkeit der Kontrolle und ggf der Korrektur gibt Nach Abschluss der Planung und erfolgreicher Markerdetektion sollen die Planungs daten in einer nutzbaren Form abgespeichert oder an ein Ausf hrungssystem bertragen werden Zu diesem Zweck ist es erforderlich ein Speicher bzw bertragungsformat zu definieren das s mtliche zur Planungsumsetzung erforderlichen Daten enth lt und vom Ausf hrungssystem eindeutig interpretiert werden kann 2 3 Entwurf eines Planungssystems Nachfolgend wird das Konzept f r den Entwurf und die Implementierung eines chirur gischen Planungssystems zum Einsatz in der Epithetik unter Ber cksichtigung der genannten Anforderungen vorgestellt Als Entwicklungsgrundlage dient das Visualisie rungssystem Amira vom Konrad Zuse Zentrum f r Informationstechnik Berlin welches um die entsprechende Funktionalit t erweitert werden soll Ami98
81. M Nachricht bzw einer DICOM Datei nach genau diesen Datenelementen 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten suchen zu k nnen Zu diesem Zweck wurde das Programm getDicomEntry bereitgestellt mit dem durch Angabe des Gruppen und Elementbezeichners bzw des Eintrages im Data Dictionary gezielt nach den zugeh rigen Datenelementen gesucht und deren Inhalt ausgegeben werden kann Der Aufruf des Programms erfolgt durch Eingabe des Programmnamens des Namens einer Datei deren gespeicherte DICOM Nachricht ausgewertet werden soll sowie des jeweiligen Suchkriteriums Die Suche ber den Gruppen und Elementbezeichner erfor dert die genaue Kenntnis dieser Werte sowie deren Angabe in hexadezimaler Form Liegt dieses Datenelement in der Nachricht vor so f hrt diese Suche immer zu einem eindeutigen Ergebnis Die textuelle Suche erfordert die Kenntnis des Data Dictionary mit seinen Eintr gen wobei ein eindeutiges Ergebnis nicht garantiert werden kann da ein beschreibender Text in identischer Form mehrfach vergeben worden sein k nnte Dennoch ist eine textuelle Suche bei der auch nur der Anfang einer Feldbeschreibung angegeben werden kann insbesondere dann sinnvoll wenn die numerischen Bezeichner nicht bekannt sind bzw nicht vorliegen getDicomEntry dicomFile 10 10 getDicomEntry dicomFile referring phys Die Suche nach Datens tzen von Patienten mit dem Namen Mustermann im Unter verzeichnis dicom l sst sich mit dem Progr
82. MA und DICOM Daten bereitgestellt Bei der ACR NEMA Importbibliothek handelt es sich um eine am Deutschen Herzzentrum Berlin DHZB erstellte Software die den ACR NEMA 2 0 Standard ber cksichtigt jedoch nicht mehr weiter gepflegt wird Die DICOM Bibliothek die auf der CTN Software basiert wurde zwar am ZIB erstellt wies allerdings eklatante Fehler auf Die Bilddaten lie en sich zwar einlesen zeigten jedoch in den meisten F llen eine deutliche Verzerrung in axialer Richtung Diese Verzerrun gen lie en sich nach Analyse der Aufnahmeparameter und systematischer Eingrenzung der Fehlerquelle auf eine falsche Interpretation des Schichtabstandes zur ckf hren der in dem Importmodul offensichtlich mit der Schichtdicke verwechselt wurde Da das DICOM Importmodul nicht ausreichend dokumentiert und der Autor der Software nicht mehr verf gbar ist ergab sich f r die Nutzung von Amira als Basis f r das zu ent wickelnde Planungssystem die Notwendigkeit einer berarbeitung bzw kompletten 195 3 Import medizinischer Bilddaten Neuerstellung des DICOM Importmoduls wobei letztere Variante vorgezogen wurde und einen Bestandteil dieser Arbeit bildet der nachfolgend beschrieben ist Gefordert ist eine Bibliothek die als Programmschnittstelle den Zugriff auf Dateien erm glicht die medizinische Aufnahmedaten nach dem ACR NEMA DICOM Standard beinhalten Dazu muss ein DICOM Datenstrom interpretiert und in eine Datenstruktur bernommen werden be
83. Planung nebst robotergest tzter Operation 2 Welches Risiko bzw welche Mehrbelastung ergibt sich f r den Patienten z B durch eine erh hte Strahlenbelastung f r genauere Planungsdaten 3 Welche Komplikationen treten derzeit h ufig auf bzw an welchen Stellen m ssten vorrangig nderungen der bisherigen Vorgehensweise erfolgen 4 Ergibt sich durch den Einsatz eines computergest tzten Planungssystems eine zus tzliche Belastung f r den planenden bzw behandelnden Chirurgen 5 Rechtfertigt das Planungsergebnis den Einsatz eines Planungssystems 6 Ist der Einsatz eines Planungssystems eher f r komplizierte Fragestellungen gedacht oder sollen damit alle Eingriffe geplant werden 7 Welche Mehrkosten ergeben sich aus einer aufwendigeren Planung bzw sind diese Kosten durch ein verbessertes Operationsergebnis gerechtfertigt Solche oder hnliche Fragen in Kombination mit einem geeigneten Bewertungsschl ssel erlauben eine klinische Bewertung und erm glichen eine zielgerichtete Weiterentwicklung des Planungssystems Im Hinblick auf die robotergest tzte Um setzung der Planung muss ebenfalls eine solche kritische Bewertung erfolgen Nur wenn daraus ein positives Gesamtergebnis resultiert lohnt sich die Entwicklung und der Einsatz eines integrierten Planungs und Ausf hrungssystems In diesem Fall sollte sich das in dieser Arbeit beschriebene und verbesserte Planungssystem allerdings gut in die klinische Routine integrieren lassen
84. SFFloat volume MFVec3f boundingBox SFVec3f centerOfMass SFVec3f momentsOfInertia SFVec3f radiiOfInertia name Philips Easy Guide value 1200 refPoint C2 Cee WED type 1 volume 220 0 boundingBox 6 0 6 07 5 0 6 20 6 20 a centerOfMass 0 0 0 0 0 02 momentsOf Inertia 2100 2100 4060 radiiOfInertia E 4 31 43 MarkerProperties Separator DEF PHILIPS Separator Label label Philips Easy Guide Label Material ambientColor 38 22 B27 diffuseColor 8 4 SZ specularColor 69 64 61 shininess 38 Material Separator Coordinate3 point 6 0 O 97767 00 0 02233 ShapeHints shapeType SOLID faceType CONVEX creaseAngle 0 25 IndexedFaceSet coordIndex 0 1 2 1 0 3 1 1 160 149 146 1 160 87 149 1 195 3 Import medizinischer Bilddaten Liegen solche Dateien im vereinbarten Verzeichnis f r Marker Templates vor dann werden diese nach dem Start des Moduls hxMarkerFinder eingelesen ausgewertet und bei korrekter Syntax in das Men der bekannten Markertypen bernommen Dadurch ist es m glich eine Liste von Registrierungsmarkern mit bekannten Eigenschaften f r die Klassifizierung aufzubauen wobei jede Markerregion die sich entsprechend eines dieser Markertypen klassifizieren lie durch das zugeh rige CAD Modell visualisiert werden kann 4 5 4 Visualisierung der Marker Nach der Markerextraktion und Klassifikation wird die generierte Markerliste m
85. SRL Format vor Wurde im Rahmen der Planung noch nicht die automatische Markerdetektion aufge rufen bzw liegen keine Marker im CT Datensatz vor dann erscheint vor der Speiche rung ein entsprechender Hinweis Die Markerdetektion kann an dieser Stelle nachgeholt werden Eine Speicherung der Planungsdaten ohne Markerinformation wird derzeit zu Testzwecken noch nicht ausgeschlossen obwohl die Planung ohne diese Information nicht umsetzbar ist 195 3 Import medizinischer Bilddaten 6 5 Erweiterungsm glichkeiten Die Planungsdaten k nnen entsprechend der Formatvorgaben mit dem Planungssystem erzeugt und abgespeichert werden Mit der vorgestellten Bibliothek lassen sich diese Daten einlesen interpretieren und f r die Umsetzung der Planung nutzen Das SRL Da tenformat wurde dabei so definiert dass es sich problemlos erweitern und einfach interpretieren l sst Sollte sich ein Planungssystem der vorgestellten Art in der kli nischen Routine etablieren dann empfiehlt sich langfristig die Nutzung des standardi sierten DICOM Formates wobei Marker und Bohrdaten Voransichten Overlay Infor mation usw in privaten Gruppen abgespeichert werden k nnen siehe Abschnitt 3 3 2 Dazu muss das Modul hxDicom um entsprechende Speichermethoden erweitert und diese statt der Methoden des Moduls hxSrl verwendet werden Das Ausf hrungssystem w re dabei lediglich auf die Nutzung der in Abschnitt 3 4 vorgestellten Bibliothek zum DICOM Datenimport abzu nde
86. abe eines alphanumerischen Bezeich ners dessen zugeordneter Wert aus der Eingabe extrahiert werden soll Beispiele f r g ltige Bezeichner sind u a acqDate xPixelSizeMM dataType marker usw Die Gro und Kleinschreibung bleibt beim Vergleich unber cksichtigt Sollen z B alle Dateien im Verzeichnis images srl auf die Existenz einer Markerinformation berpr ft werden so kann dieses unter UNIX mit folgendem Kommando leicht bewerkstelligt werden find images srl exec getSrlEntry marker In der derzeitigen Version werden alle Eintrage des SRL Datenstroms mit dem ange gebenen Bezeichner verglichen und der Wert des ersten bereinstimmenden Eintrags zur ckgeliefert Als Erweiterung k nnte die Angabe einer Gruppenbezeichnung akzep tiert werden der der gesuchte Eintrag untergeordnet sein soll F r die Nutzung der Bibliotheksfunktion srIGetEntry in eigenen Programmen existiert diese Eingrenzungs m glichkeit bereits Sie wurde in diesem Programm aus Vereinfachungsgr nden ledig lich nicht genutzt 6 4 Im und Export der SRL Planungsdaten mit Amira Nach der Definition eines Datenformates zum Austausch der Planungsdaten sowie der Implementierung entsprechender Bibliotheksfunktionen zur Speicherung und Verarbei tung dieser Daten ist als N chstes eine M glichkeit gefordert diese Daten direkt aus dem Planungssystem generieren zu k nnen Die ben tigte Information zum Patienten sowie zu den Aufnahmeparametern liegt ber die CT
87. adiologischen F higkeiten des planenden Arztes abh ngig Durch die Bereitstellung eines frei manipulierbaren 3D Modells ergibt sich eine neue Form der Planung Es kann z B wahlweise nur die Knochen bzw die Hautoberfl che oder die Knochenoberfl che mit einer berlagerten semitransparenten Hautoberfl che dargestellt werden wodurch der Bezug zwischen Haut und Knochen verdeutlicht wird Der Grad der Transparenz ist dabei stufenlos w hlbar Zus tzlich kann beliebig zwischen der Standardansicht mit allen vier Ansichtsbereichen oder einer bildschirm f llenden Einzelansicht gewechselt werden wobei sich das 3D Modell in beiden Ansichten beliebig skalieren drehen und verschieben l sst Hre onn me ie jo Eo jr Bild 5 5 3D Planungsansicht mit semitransparenter Hautoberfl che 195 3 Import medizinischer Bilddaten F r die Planung der Implantatpositionierung wurden weitere grafische Hilfsmittel bereitgestellt Es kann z B ein Zentimeterraster in der Planungsebene eingeblendet werden ber das eine einfache Vermessung und Gr enabsch tzung m glich ist Nach Festlegung der Planungsansicht l sst sich weiterhin unter Ber cksichtigung der in Abschnitt 2 1 1 beschriebenen Vorgehensweise die zur Planung erforderliche Ver bindungslinie zwischen Auge und Geh rgang festlegen darstellen und bema en wobei sich aus dieser Linie auch unmittelbar die Position und Lage der in Bild 2 2 gezeigten Planungshilfe ergibt
88. al Disk Magnetresonanztomographie bildgebendes Aufnahmeverfahren National Electrical Manufacturers Association Zusammenschluss der Elektronikhersteller in den USA Network File System Open Systems Interconnection gt ISO Standard f r die Verbindung von Computersystemen untereinander mit Hilfe eines Netzwerkes definiert ein aus 7 Schichten bestehendes Referenzmodell Picture Archiving and Communication System ein System zur Speicherung und zum Abruf diagnostischer Bilddaten PACS ist vorwiegend auf radiologische Bilddaten beschr nkt Papyrus Pixel RCT ROI SCP SCU SRL TCP TIFF Transfersyntax UID Voxel VR ZIB Bedienung des Planungssystems Ein von UIN in Genf entwickeltes Format zur Speicherung von mehreren diagnostischen Bildern in einer Datei urspr nglich auf gt ACR NEMA basierendes Dateiformat das mittlerweile gt DICOM 3 0 konform ist Picture s Element Ein Bereich definierter Form und Gr e in einer digitalen 2D Bildmatrix dem ein gemessener Intensit tswert zugeordnet wird siehe auch gt Voxel R ntgen Computertomographie siehe gt CT Region of Interest Teil eines Datenbestandes in dem sich relevante Information befindet die zur weiteren Untersuchung herangezogen werden soll auch Volume of Interest f r 3D Regionen Service Class Provider gt DICOM Terminus f r ein Prozess oder System der oder das Dienste f r andere Prozesse oder Systeme zur Verf gung ste
89. amm getDicomEntry unter UNIX wie folgt vor 3 nehmen find images dicom exec getDicomEntry 10 10 grep Mustermann 3 5 4 Darstellung der Bilddaten unter X11 Oftmals will man sich einen schnellen berblick ber die Bilddaten einer DICOM Nachricht verschaffen Entsprechende Programme dazu gibt es mittlerweile bereits sehr viele und nach jeder Herstellermesse bzw Fachkonferenz zu diesem Thema sind es mehr Aus diesem Grund wurde lediglich ein ganz einfaches Programm zur Visuali sierung der Bilddaten bereitgestellt Das Programm xDicomView zeigt den Inhalt des Datenelementes 0x7FEO 0010 als Graustufenbild unter X11 an Der Aufruf des Programms erfolgt durch Eingabe des Programmnamens sowie des Namens einer Datei deren gespeicherte DICOM Nachricht hinsichtlich der Bilddaten analysiert werden soll xDicomView dicomFile Das Programm xDicomView ist nicht ohne nderungen portierbar und h ngt zudem auch noch von den Einstellungen des jeweiligen X Servers ab Getestet wurde es lediglich mit 8 und 24 Bit Visuals unter Linux HP UX und IRIX Der Programmcode liegt im Ver zeichnis dicom tools auf der beiliegenden CD vor und kann bei Bedarf verbessert werden siehe Anhang B Seite 187 ff Eine Hilfe zu den Kommandos find und grep befindet sich in den zugeh rigen manual pages man find grep 195 3 Import medizinischer Bilddaten 3 6 DICOM Datenimport in Amira Mittels der vorangehend vorgestellten Hilfsprogramme ko
90. anten Bohrstellen sowie der Erkennung und Quantifizierung von Lage und Gr e m glicher Mastoidzellen im Operationsgebiet geeignete Implantate mit einer maximalen Tiefe und bestm glichem Halt im Knochenmaterial positionieren sowie geeignete Distanzh lsen f r den au en liegenden Befestigungssteg ausw hlen 24 2 4 Zusammenfassung Die Nutzung vorgefertigter Befestigungsstege mit Standardma en ist derzeit noch nicht m glich da die notwendigen Abst nde der Fixierungen sowie deren Orientierung bei manueller Durchf hrung der Bohrungen nicht exakt eingehalten werden k nnen Erst wenn die Bohrungen reproduzierbar mit einem vorgegebenen relativen Abstand zuein ander und einer definierten Orientierung vorgenommen werden k nnen lassen sich in Zukunft auch kosteng nstigere Standardimplantate bzw Befestigungsstege einsetzen Bild 2 4 Befestigungssteg und Fixierung Ein w nschenswertes Ziel w re es nun den Eingriff in seiner Gesamtheit optimal planen zu k nnen mit dem Resultat dass die Implantate bestm glich platziert werden und anhand der Planungsdaten bereits pr operativ die Herstellung bzw Auswahl der Epithese sowie der zugeh rigen Befestigungshilfsmittel veranlasst werden kann Dadurch w rde sich einerseits das Operationsergebnis noch verbessern lassen und an dererseits ein Patient bereits unmittelbar nach der Operation das mentale Gef hl einer deutlichen sthetischen Verbesserung erhalten 2 2 Vorgaben f r ein compu
91. arkSet vor dann kann das zugeh rige Symbol im Netzwerkeditor ausgew hlt und wieder die Option Save as aus dem File Men aufgerufen werden Im Gegensatz zur Abspeicherung von Bilddaten ber die CT Daten erh lt man an dieser Stelle die M glichkeit das Speicherformat SRL auszuw hlen Es muss wieder ein Dateiname ggf mit der Endung srl angegeben und der Dialog best tigt werden Die Datei die dabei erzeugt wird liegt im SRL Datenformat vor und enth lt sowohl die Bild als auch die Markerinformation Bild 6 4 Speichern von Bild und Markerdaten im SRL Format 6 4 5 Export der Bohrdaten zur Ausf hrung Nach Abschluss einer kompletten Planung m ssen die Bilddaten die Markerpositionen und die Bohrkoordinaten zur robotergest tzten Planungsumsetzung exportiert werden Diese M glichkeit erh lt man allerdings nur direkt aus dem Planungsmodul hxEpiPlan Nach Bet tigung der Schaltfl che OK erscheint ein Dialogfenster zur Speicherung der Planungsdaten Wurde eine Planungsstudie angelegt dann ist das zugeh rige Verzeich nis bereits ausgew hlt Zur Abspeicherung kann in diesem Fall kein Format ausgew hlt werden Das einzige Speicherformat das angeboten wird ist das SRL Format welches besagt dass Bild und Planungsdaten gespeichert werden Es muss an dieser Stelle lediglich ein Dateiname ggf mit dem Suffix srl angegeben und der Dialog best tigt werden Im Anschluss daran liegen die Planungsdaten im
92. as lokale Koordinaten system des Markers mit dem Modellkoordinatensystem des CT Datensatzes berein stimmt bzw darin lediglich parallel verschoben ist Im Allgemeinen wird das lokale Koordinatensystem des Markers innerhalb des Modellkoordinatensystems jedoch rotiert sein Gesucht ist demnach die Transformation die die korrespondierenden Koordi natenachsen durch Rotation aufeinander abbildet Mit dieser Transformation wird die Matrix eines Tr gheitstensors in ihre Diagonalform berf hrt Die daraus resultierenden Diagonalelemente werden als Eigenwerte des Tr gheitstensors bezeichnet und die zuge h rigen Eigenvektoren definieren die Haupttr gheitsachsen des K rpers Gol72 Die Bestimmung dieser Achsen zu einem gegebenen Tr gheitstensor bezeichnet man als Hauptachsentransformation bei der als Ergebnis der durchschnittliche Abstand der Punkte von den jeweiligen Achsen Eigenwerte sowie die Orientierung dieser Achsen Eigenvektoren vorliegt Ist die Matrix des Tr gheitstensors J gegeben dann ist das charakteristische Polynom p gesucht f r das nach 4 12 gilt p A det 1 AE mit E als Einheitsmatrix 4 12 Bei p handelt es sich um ein Polynom dritten Grades das h chstens drei unterschied liche Nullstellen Wurzeln besitzt die die zu bestimmenden Eigenwerte darstellen Ist A ein Eigenwert dann gilt det AE 0 woraus folgt dass es sich bei AE um eine singul re Matrix handelt In diesem Fall besitzt das durch AE e
93. asst somit einen Wertebereich von 0 bis 65535 Alle geradzahligen Gruppen sind f r die Nutzung inner halb des ACR NEMA Standards reserviert wobei von den insgesamt 65536 m glichen Gruppen 24 so genannte Standardgruppen festgelegt wurden Tabelle 3 1 Tabelle 3 1 Reservierte ACR NEMA Gruppen 0x0000 Command L nge der Nachricht 0x0008 Identifying Datum Zeit usw 0x0010 Patient Patientendaten 0x0018 Acquisition Aufnahmeparameter 0x0020 Relationship Lageinformation 0x0028 Image Presentation Bildgr e Datentyp usw 0x4000 Text Kommentar 0x6000 0x601E Overlay Grafik 0x7FEO Pixel Data Aufnahmedaten Gruppen mit ungeradem Identifikationsschl ssel werden als private Gruppen bezeich net die vom Anwender oder Hersteller unter der Bedingung der Einhaltung der im Standard festgelegten Gruppenstruktur frei definiert werden k nnen Solche Gruppen stellen so genannte Schattengruppen der direkten Vorg ngergruppen mit geradzahligem Schl ssel dar Schattengruppen erlauben hersteller bzw anwenderspezifische Erweite rungen der Standardgruppen Die Bedeutung solcher Gruppen muss beim jeweiligen Hersteller erfragt werden Innerhalb einer Nachricht m ssen die Gruppen in der Reihenfolge ihres Gruppenschl s sels aufsteigend sortiert sein wobei die Gruppe 0 immer das erste Element einer Nach richt bildet und die Kommandogruppe repr sentiert Die Kommandogruppe 0 und ihre Schattengruppe 1 bilden
94. at dieser Arbeit bildet ein computergrafisches Planungssystem f r den Einsatz in der Epithetik das in Form eines Prototyps implementiert wird und die Anfor derungen bzgl des Imports medizinischer Bilddaten der Visualisierung der Datens tze der Modellerzeugung der Markerdetektion der grafischen Planung zur optimalen Posi tionierung von Implantaten und des Exports der Planungsdaten integriert Weiterhin wird eine Programmbibliothek zum Import der Planungsdaten in das Ausf hrungs system entwickelt und bereitgestellt 1 3 Gliederung der Arbeit Kapitel 2 behandelt den grunds tzlichen Entwurf des zu entwickelnden Planungs systems unter Ber cksichtigung der Anforderungen und Vorgaben und f hrt zu einer Struktur die die Gesamtentwicklung in einzelne Teilbereiche untergliedert In Kapitel 3 werden der Import medizinischer Bilddaten in ein 3D Visualisierungssystem inklusive des zugrundeliegenden Datenformates sowie die Anforderungen an eine Programm bibliothek zur Interpretation dieser Daten beschrieben Kapitel 4 behandelt die Erken nung von Registrierungsmarkern wobei die zu erkennenden Markertypen vorgestellt 4 1 3 Gliederung der Arbeit werden und das Verfahren zu deren automatischer Detektion und Klassifikation erl utert wird In Kapitel 5 wird der implementierte Prototyp eines grafischen Planungssystems vorgestellt mit dem das interaktive Platzieren von Implantatmodellen an einem computergrafischen 3D Sch delmodell erm glicht w
95. ausgelagert Da Inventordateien sowohl im ASCII als auch im Bin rformat vorliegen k nnen wurde die ASCI Form gew hlt und die Markereigenschaften in diese Dateien integriert Dadurch sind die Markereigenschaften mit der zugeh rigen Geometrie fest verkn pft und k nnen dennoch mit einem konventionellen Texteditor bearbeitet werden Die Erweiterung einer Inventordatei ist durch die Baumstruktur eines so genannten Inventor Szene Graphen mit einzelnen szenebeschreibenden Knoten in einfacher Form m glich Es k nnen beliebige frei definierbare Knoten in den Szene Graphen eingef gt werden Eine Anwendung die diese Knoten nicht interpretieren kann ignoriert sie einfach wohingegen Anwendungen denen die Bedeutung der Knoten bekannt ist diese auswerten k nnen Es soll an dieser Stelle nicht auf den Aufbau von Inventor Szene Graphen bzw das Inventor Dateiformat eingegangen werden Entsprechende Information befindet sich im Kapitel 11 des Inventor Mentor Wer94a in Kapitel 2 des Inventor Toolmaker Wer94b sowie in SGI93a SGI93c Eine mit DxfTolv erzeugte Markerbeschreibungsdatei wird um einen Knoten mit dem Namen MarkerProperties erweitert Dieser Knoten enth lt eine Feldbeschreibung sowie die zugeh rigen Felder Die Knotensyntax ist in Tabelle 4 6 verdeutlicht Tabelle 4 6 Syntax eines Inventorknotens zur Markerbeschreibung MarkerProperties fields SFString name SFShort value SFVec3f refPoint SFShort type SFFloat vo
96. ax eines SRL Daten stroms und ggf dessen Fehlerbereinigung Alle Eintr ge werden entsprechend der Vor gaben in Abschnitt 6 1 1 gepr ft Jede Zeile die syntaktisch weder einem Kommentar noch einer Gruppe bzw einem Eintrag entspricht wird als fehlerhaft interpretiert Alle g ltigen Zeilen werden unver ndert ber den Standard Ausgabekanal und fehlerhafte Zeilen mit dem Pr fix ERROR ber den Standard Fehlerkanal ausgegeben Wird die Standardausgabe in eine Datei umgelenkt so enth lt diese Datei eine syntaktisch kor rekte ASCII Information im SRL Format aus der fehlerhafte Eintr ge entfernt wurden Werden sowohl Standard als auch Fehlerausgabe in eine Datei umgelenkt so enth lt diese Datei eine syntaktisch korrekte Information bei der fehlerhafte Zeilen auskom mentiert sind checkSrIHdr h inputFile srl cat inputFile srl checkSrlHdr gt outputHdr srl Wird checkSrIHdr mit der Option h elp UNIX bzw DOS aufgerufen dann wird eine kurze Programmbeschreibung ausgegeben Ansonsten erfolgt der Aufruf durch Ein gabe des Programmnamens sowie des Namens einer Datei im SRL Format Unterbleibt die Angabe eines Dateinamens liest das Programm aus dem Standard Eingabekanal so dass eine Verarbeitung in einer so genannten pipe erfolgen kann 6 3 2 Extraktion der ASCII Daten Das Programm extractSriHdr dient dazu die ASCII Information eines Datenstroms im SRL Format von der Bin rinformation zu trennen und diese
97. ber setzen und nutzen Das Visualisierungssystem Amira des Konrad Zuse Zentrums f r Informationstechnik Berlin wurde erfolgreich um die Funktionalit t des Ex und Imports von SRL Datens tzen erweitert Das komplette Modul hxSrl befindet sich ebenfalls auf der CD im Verzeichnis Amira packages hxsrl Testdaten im SRL Datenformat liegen im Verzeichnis images srl vor siehe Anhang B Seite 187 ff 195 7 Bewertung und Ausblick In dieser Arbeit wurde ein Konzept f r ein chirurgisches Planungssystem zum Einsatz in der Epithetik vorgestellt und ein entsprechender Prototyp auf Basis des am Konrad Zuse Zentrum f r Informationstechnik Berlin ZIB entwickelten Visualisierungs systems Amira implementiert In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Arbeit den urspr nglichen Vorgaben gegen bergestellt bewertet und M glichkeiten zur Erwei terung des Prototyps f r ein klinisch einsetzbares Planungssystem aufgezeigt 7 1 Aktueller Stand und n chste Schritte Gefordert war ein computergest tztes Planungssystem f r den Einsatz in der Epithetik das eine dreidimensionale Planung auf Basis computertomographischer Daten er m glicht Dabei sollen Implantatmodelle unter Ber cksichtigung der vorliegenden Gewebestrukturen an einem dreidimensionalen Modell des Patientensch dels angepasst und die daraus resultierenden Planungsdaten zur robotergest tzten Bohrung f r die Auf nahme der realen Implantate am Patientensch del genutzt werden F r den
98. bole repr sentiert werden die mit entsprechenden Kommandos verkn pft sind Die Programmsteuerung w rde in diesem Fall ber die bereits existierende HTTP Schnitt stelle Hypertext Transfer Protocol von Amira erfolgen Weiterhin k nnten auch die Programmiersprachen Java oder Python genutzt werden wobei hierf r erst geeignete Schnittstellen bereitgestellt werden m ssten Python stellt ein objektorientiertes qui valent zur Programmiersprache Tcl dar so dass sich dessen Kommandointerpreter problemlos in Amira integrieren lassen sollte ber Python l sst sich dann in gleicher Weise wie mit Tcl auf die Funktionalit t von Tk zugreifen Lut96 Mit einer geeigneten Bedienschnittstelle lie e sich die Gesamtkomplexit t von Amira auf die Belange eines chirurgischen Planungssystems reduzieren So k nnte ein struktu rierter sequentieller Ablauf in der Bedienung unter Ber cksichtigung relativ weniger Zust nde und wechselseitiger Abh ngigkeiten erzwungen werden Ein wohl definierter leicht zu berblickender Zustandsgraph der die Abfolge aller Planungsschritte beschreibt und auf den sich die Bedienung des Planungssystems st tzt w rde die Chance einer medizinischen Zulassung des auf Amira aufsetzenden Planungssystems deutlich verbessern Aufgrund der umfangreichen Funktionalit t von Amira ist momen tan eine Fehlbedienung bzw der Aufruf einer unerlaubten Funktion leicht m glich woraus eine weitere Forderung zur zeitgem en Progra
99. char byte amp word little endian 9 byte 0 1 i u big endian byte 1 Bild 3 8 Ermittlung des vorliegenden Speichermodells Eine Funktion zur berpr fung des Speichermodells wurde in der DICOM Bibliothek unter dem Namen isLittleEndianArchitecture bereitgestellt Der Aufruf der Funktion liefert den Wert 1 zur ck wenn eine little endian Architektur erkannt wurde und sonst den Wert 0 3 4 3 Identifikation des Datenformates einer Datei Wenn die aktuelle Rechnerarchitektur bekannt ist k nnen die Daten der auszuwer tenden Datei interpretiert werden Genau an dieser Stelle kommt es darauf an wie die Daten in die Datei geschrieben wurden Handelt es sich um reine ASCII Daten bzw in 8 Bit gespeicherte Bin rdaten ergeben sich beim Einlesen keine Probleme da die kleinste adressierbare Einheit das Byte mit seinen 8 Bit darstellt Ein in dieser Form gespeicherter Datenstrom wird auf jeder Maschine gleich interpretiert Medizinische Bilddaten und Bezeichner sowie L ngenangaben des ACR NEMA DICOM Formates sind jedoch in Datentypen mit mehr als 8 Bit bin r gespeichert so dass herausgefunden werden muss wie die Bytes des Datenstroms in der Datei abgelegt wurden Eine berpr fung dieser Art kann nat rlich nur erfolgen wenn Teile des Dateiinhaltes bekannt sind Bef nde sich z B am Anfang der Datei ein 16 oder 32 Bit Wert mit einem definierten Inhalt dann k nnte genau dieser sowohl mit dem h chst
100. chengewebe repr sentiert Die restlichen 32 Bits stehen f r 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten den HOUNSFIELD Bereich von 1000 bis 3095 zur Verf gung der z B Metallmarker Zahnplomben und Titanimplantate in CT Daten abdeckt HZ98 Tabelle 3 1 Reduktion des Wertebereiches von CT Daten Materialo Material Material Material Iin 1000 601 600 199 200 999 1000 3095 Range 400 800 800 2095 Samples 32 96 96 32 Values Sample 12 5 8 3 8 3 65 5 Tout 0 31 32 127 128 223 224 255 Der gesamte Wertebereich der HOUNSFIELD Einheiten wird fiir die Reduktion in ein zelne direkt aufeinander folgende Materialbereiche mit festgelegter Unter und Ober grenze unterteilt die fortlaufend indiziert werden Jeder Aufnahmewert Iin f llt somit in genau eines dieser Intervalle In Da der HU Bereich mit seinen 4096 Werten auf 256 Werte reduziert werden soll m ssen Aufnahmewerte zusammengefasst werden Wie viele Eingabewerte zu einem Ausgabewert zusammengefasst werden ergibt sich aus der Breite des jeweiligen Materialintervalls Range und der Anzahl daf r zur Verf gung stehender Ausgabewerte Samples Innerhalb dieser Intervalle erfolgt eine lineare Um setzung der Werte Die Transformationsvorschrift f r ein Material n lautet wie folgt Sampl es RE Es min Samples Range 2 3 1 out Mit dem Programm unsignedToByte lassen sich extrahierte Bilddaten die als vorze
101. cher Bilddaten mit Hilfe unscharfen Wissens In Digitale Bildverarbeitung in der Medizin 5 Workshop der Universit t Freiburg URL http www informatik uni freiburg de saupe workshop html 1997 Horiil S C Prior F W Bidgood W D jr et al DICOM An Introduction to the Standard Radiological Society of North America URL http www xray hmc psu edu dicom dicom_intro DICOMIntro html 1998 H hne K H Kikinis R Hrsg Visualization in Biomedical Computing 1131 In Lecture Notes in Computer Science Springer 1996 Herman G T Liu H K Three Dimensional Display of Human Organs from Computed Tomograms Computer Graphics and Image Processing 9 1 S 1 21 1979 Hein A Zachow S Import von Bilddaten in die MSS Steuerung Charit Campus Virchow MKG Fachgruppe Navigation amp Robotik Internes Dokument vom 18 05 1998 IBM Data Explorer URL http www hursley ibm com dx 1998 J hne B Digitale Bildverarbeitung 4 Auflage Springer 1997 Keeve E Visualisierungs und Simulationsverfahren zur interaktiven Planung kraniofazialer Korrekturoperationen Dissertation an der Technischen Fakult t der Friedrich Alexander Universit t Erlangen N rnberg 1996 195 Bedienung des Planungssystems KGC 96 Kru97 Kuy97 Lav96 LCT97 LHA 98 LIJV95 LMPV95 LRJF91 LSIK95 Lut96 LVIF96 LVI97 Mer97 MFG 96 MHH 97 46 Koch R M Gross M
102. chnisses f r die Studie m ssen die CT Daten des zugeh rigen Patienten eingelesen werden siehe Abschnitt 3 6 ber das Modul hxDicom wird der Name des zugeh rigen Datenobjektes automatisch auf den jeweiligen Patientennamen gesetzt Bild 5 1 Dieser sollte sich mit dem Namen der Studie decken damit nicht auf falschen Daten geplant wird Sinnvollerweise sollte das Laden von CT Daten automatisch zur Anlage einer zugeh rigen Studie f hren wodurch f r jede Studie ein eindeutiger Name vergeben werden k nnte Diese M glichkeit ist derzeit jedoch noch nicht implementiert Nach dem Laden der Daten aus einem ent sprechenden Verzeichnis oder in sp teren Ausbaustufen direkt von einem DICOM Server sollten diese im Verzeichnis der Planungsstudie gespeichert werden wodurch sie fest mit dieser Studie verkn pft werden Zur ersten Begutachtung der Daten wurde f r das Planungssystem ein geeignetes Pr sentationsmodul hxlmView bereitgestellt mit dem nach den Vorgaben aus Abschnitt 2 2 3 alle drei Projektionsansichten coronal axial und sagittal auf dem Bild schirm dargestellt werden k nnen Dieses Modul stellt einen Ersatz f r den gewohnten 195 3 Import medizinischer Bilddaten Lichtkasten dar und l sst sich ber die CT Daten mittels der Option StandardView ausw hlen Per Definition befindet sich unten rechts im Darstellungsbereich immer die Axialansicht mit Blick von unten Inferior Superior bzw Caudal Cranial Dar ber liegt die Coro
103. ck ber den Inhalt der gespeicherten Information zu bekom men Aus diesem Grund wurde das Programm showDicomHar bereitgestellt mit dem der Inhalt aller Datenelemente der DICOM Nachricht in formatierter Form auf dem Bild schirm ausgegeben werden kann Dazu wird auch das mit der Bibliothek implementierte Data Dictionary verwendet das zu jedem Datenelement f r das ein Eintrag vorgesehen ist eine Kontextinformation liefert Der Aufruf des Programms erfolgt durch Eingabe des Programmnamens und des Namens einer Datei deren gespeicherte DICOM Nachricht ausgewertet werden soll Alle darin befindlichen Datenelemente werden mit ihrer Gruppen und Element kennung der L nge der Wertfeldes einer eventuellen Wertrepr sentation der Informa tion aus dem Data Dictionary und dem Inhalt des Wertfeldes in formatierter Form ber den Standard Ausgabekanal ausgegeben Die Ausgabe kann dabei selbstverst ndlich auch in eine Datei oder zum Drucker umgelenkt werden extractDicomHdr dicomFile extractDicomHar Ipr In Tabelle 3 3 ist die Ausgabe des Programms showDicomHdr zu einer DICOM Nach richt verdeutlicht wie sie derzeit vom Philips Tomoscan M EG geliefert wird Zu jedem Datenelement wird in Spalte 1 die Gruppen und Elementkennung ausgegeben in Spalte 2 die L nge des Wertfeldes in Bytes Spalte 3 enth lt den Eintrag des Data Dic tionary bzw die Meldung dass kein entsprechender Eintrag vorliegt und Spalte 4 ent h lt den Inhalt des Datenelemente
104. d stark angestiegen was sich in einem weitaus umfangreicheren Data Dictionary manifestiert Einige Daten elemente des ACR NEMA 2 0 Standards wurden durch neue ersetzt wobei die alten Elemente aus Gr nden der Abw rtskompatibilit t nicht fehlerhaft jedoch als veraltet markiert sind und bei der Interpretation ignoriert werden k nnen DICOM 3 0 wurde in seiner ersten Form ebenfalls als reines Kommunikationsprotokoll definiert Durch die M glichkeit einer frei aushandelbaren Transfersyntax und die Ein f hrung eines optionalen Feldes zur Wertrepr sentation mit daraus resultierender vari abler L nge des L ngenfeldes wird die Interpretation des Datenstroms etwas kompli zierter Wird ein solcher Datenstrom auf einem Datentr ger gespeichert dann m ssen diese F lle bei dessen Auswertung ebenfalls ber cksichtigt werden Der Datenstrom muss demnach solange analysiert werden bis das zugrundeliegende Format erkannt wurde Diesem Problem wurde im Standard durch die Teile 10 bis 12 begegnet die das DICOM Format zum Datenaustausch ber Speichermedien festlegen Die endg ltige Fassung des verabschiedeten Standards lag zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Arbeit noch nicht vor so dass f r die Bearbeitung nicht der Standard selbst sondern nur eine Vorabversion verwendet werden konnte Die Vorabversion hat allerdings keinen ver bindlichen Charakter und es wird darin ausdr cklich darauf hingewiesen diese nicht als Arbeitsgrundlage zu verwenden N
105. dem CT Datensatz ermittelt Im ersten Fall 0 wurden die Philips Marker korrekt klassifiziert und deren Orientie rungen richtig erkannt Von den f nf Leibinger Schrauben musste lediglich eine manuell klassifiziert jedoch vier in ihrer Orientierung korrigiert werden Von den acht Beekley Spots konnten nur vier automatisch klassifziert werden Im zweiten Fall 45 wurden wieder alle Philips Marker korrekt klassifiziert es musste allerdings einer der Marker in seiner Orientierung um 180 gedreht werden was ber die Men option Flip Marker einfach erfolgen kann Die Leibinger Schrauben wurden korrekt klassifiziert doch mussten alle in ihrer Orientierung korrigiert werden Die Beekley Spots wurden bis auf einen korrekt klassifiziert Im dritten Fall 90 liegen die ung nstigsten Bedingungen f r die Erkennung und Klassifizierung der Philips Marker vor da diese maximal in zwei Schichten ein Signal lieferten Bei einer Segmentierungsschwelle von 1200 HU wurde nur einer der drei Marker korrekt klassifiziert Bei 1000 HU konnten zwei der Marker korrekt erkannt werden Diese Marker sind allerdings bereits visuell um einen bis zwei Millimeter in der Aufnahmeebene verschoben und die Orientierungen konnten nicht eindeutig bestimmt werden Die Leibinger Schrauben wurden korrekt klassifiziert sie 195 3 Import medizinischer Bilddaten mussten jedoch alle in ihrer Orientierung leicht korrigiert werden Von den Beekley Spots wurde nur einer korrekt k
106. dem chirurgischen Ein griff kurz ist Im Schlaf k nnen aufgeklebte Marker leicht abfallen und auf fettiger Haut verrutschen Ein Waschen der betroffenen Stellen ist ebenfalls problematisch Weiterhin ist es prinzipiell von Vorteil m glichst gro e Markertypen zu verwenden die im Rahmen der Bildgebung gut erkannt werden k nnen Je gr er die Marker sind desto gr er ist jedoch auch die Gefahr deren Lage ungewollt zu ver ndern Aus diesem Grund wurde als zus tzlicher Markertyp auch eine Knochenschraube ber ck sichtigt die sich aufgrund ihrer Kopfform ebenfalls zur Registrierung eignet Die Ver wendung von Knochenschrauben kann allerdings nur in besonderen F llen in Frage kommen da sie einen pr operativen invasiven Eingriff erforderlich macht der in seiner Notwendigkeit gerechtfertigt sein muss Die zur Verf gung stehenden Registrierungsmarker sind alle f r den Einsatz in der R ntgen Computertomographie konzipiert und besitzen demzufolge einen hohen Absorptionskoeffizienten bzgl R ntgenstrahlung Bei den Hautmarkern handelt es sich zum einen um zylindrische Marker aus einer Aluminium Mangan Legierung mit Klebe r cken und zum anderen um auf einer runden Klebefolie fixierte Bleikugeln Die Marker die eine maximale Ausdehnung zwischen 1 5 und 12 Millimeter besitzen sind in Bild 4 2 ma st blich verdeutlicht i au yy ag sl 4 w MAA 2 i NM NANG 1 MNT Mi TAA te SETTER ET Uy SIE a gore H ai i t
107. der zu visualisierende Grauwertbereich je nach Bedarf zur optimalen Kontrasteinstellung variierbar sein muss Weiterhin ist es von Vorteil Teilbereiche der Schichtdaten vergr ert darstellen zu k nnen Die Visualisierung eines 3D Modells der Haut und Knochenoberfl che erm glicht zu s tzlich eine Planung in der Sichtweise der realen Operation Sowohl die Knochen als auch die Hautoberfl che soll sich dabei separat anzeigen lassen wodurch Messungen auf der modellierten Hautoberfl che unter Ber cksichtigung der darunter liegenden Knochenstruktur erm glicht werden Zus tzlich zur getrennten Darstellung von Haut und Knochenoberfl che ist es w nschenswert die kn cherne Struktur mit berlagerter semitransparent dargestellter Hautoberfl che betrachten zu k nnen Diese Darstellungs weise erm glicht eine neue Form der Planung bei der Bezugspunkte auf der Haut und Knochenoberfl che gleichzeitig ber cksichtigt werden k nnen F r die Planung der Befestigung einer Ohrepithese ergibt sich weiterhin die M glichkeit der Auswahl von 3D Modellen der zu verwendenden Implantate die interaktiv am 3D Knochenmodell platziert und ausgerichtet werden k nnen Die Planungsvorgaben aus Bild 2 2 auf Seite 8 sollen dabei in grafischer Form als Planungshilfe bereitgestellt werden Zu jeder Position kann die Dicke des Knochens und des dar berliegenden Weichgewebes bestimmt und angezeigt werden was den Planungsvorgang erheblich verbessern w rde Jede
108. deten Schwellenwerten zur Segmentierung und zum anderen von der G te des Approxima tionsverfahrens abh ngt Aus diesem Grund kann das computergrafische 3D Modell zwar zur qualitativen Planung herangezogen werden quantitative Analysen wie Abstands und Dickebestimmungen m ssen jedoch immer direkt auf den Originaldaten erfolgen Das Hauptproblem der Planungsumsetzung liegt derzeit in der bertragung der Planungsdaten auf den Patienten bei der eigentlichen Operation Hier muss gew hr leistet sein dass Modell und Patient mit einer maximalen Genauigkeit aufeinander 24 2 4 Zusammenfassung abgebildet werden Diese Voraussetzung kann jedoch nur f r die festen kn chernen Strukturen des Sch dels gelten Bewegliche Bereiche wie der Unterkiefer oder durch Fraktur separierte Knochenteile k nnen ohne Zusatzma nahmen nicht mehr eindeutig am Patienten lokalisiert werden F r den Vorgang der Registrierung von Modell und Patientengeometrie werden deshalb so genannte Registrierungsmarker verwendet die vor der computertomographischen Aufnahme an exponierten Stellen des Patienten befestigt werden Solche Marker lassen sich aus den tomographischen R ntgenaufnahmedaten gut seg mentieren da sie einen sehr hohen Absorptionskoeffizienten bzgl R ntgenstrahlung besitzen und durch Aufnahmewerte HOUNSFIELD Units im Datensatz repr sentiert wer den die noch deutlich ber denen aller anderen Gewebetypen liegen Bild 2 6 A055 FL Keoshen w
109. dical Robotics and Computer Assisted Surgery URL http www mrcas ri edu Clunie D A dicom3tools software URL http idt net dclunie dicom3tools html 1998 Clunie D A Medical Image Format FAQ URL http idt net delunie medical image fag html 1998 25 Bedienung des Planungssystems Com91 Cos97 Cro94 CSVS95 DGP97 DIC98 Dud96 Dun97 DZ97 EEHJ95 FB94 FKF97 FMCC95 Fos97 Fri97 FWN 96 GECP95 46 Comer D E Internetworking with TCP IP Volume I Principles Protocols and Architecture 2 Edition Chapter 5 The Socket Interface Prentice Hall International 1991 Cosi D Offene Systeme in medizinischen Anwendungen Dissertation am Fachbereich Informatik der Technischen Universitat Berlin 1997 Cromwell R L Efficient Eigenvalues for Visualization In Graphics Gems IV S 193 197 Academic Press 1994 Carls F R Schuhknecht B Valavanis A Sailer H F The Diagnostic Value of 3D CT in Cranio Maxillo Facial Surgery In LIJV95 S 795 803 1995 Darabi K Grunert P Perneczky A Accuracy of Intraoperative Navigation using Skin Markers In LVI97 S 920 924 1997 DICOM Usenet News comp protocols dicom alt image medical sci data formats 1998 Duden Rechtschreibung der deutschen Sprache 21 Auflage Dudenverlag 1996 Duncan G F Entwicklung zur Vollkommenheit Die Rolle der amerikanischen Gesel
110. e 11 2 21 Planunsssrindllase a sense Een 12 2 2 2 Datenimport und Visualisierung 13 2 2 3 Grafische Planonr nen ee ae ken 15 224 Planunssumsetzungn aseus naeh ik 16 2 3 Entwurf eines Planungssystems aanadaehisoecaicigtewd ashen nadeld dae seimendavratane 18 2 3 1 7 Daterimp rt ae in Rea eed esi Ras des nae 18 2 32 NAISWANISIOTUNE heiren behav ehe EAEE R AE a aR 19 2 3 3 Korrelation zwischen Planungsdaten und Patient eee 20 2 3 4 Modelloenereruns wann Enns 20 2 3 5 Computergrafische Planuns n ue ssue een 22 2 3 6 Datenexport f r die Planungsumsetzung nnnnennen 23 2A 7 Zusammenfassing seien 23 3 Import medizinischer Bilddaten nen san 25 3 1 Bilddaten und Aufnahmeparameter ssessennssenssennennnnsenenenn sn 25 3 2 Hilfsprogramme zur Arbeit mit medizinischen Bilddaten 27 3 2 1 Ermittlung des Wertebereiches u a 28 3 2 2 Konvertierung der Byte Anordnung useseenssensseennseennennnennnnnnnnnnnn 29 3 2 3 Transformation des Wertebereiches uessessensensensensenensnne nennen 30 3 2 4 Reduktion des Wertebereiches nn ae ei 30 3 3 Standards und Datenformate in der Medizin nn nn 32 3 3 1 ZACR NEMA 10 20 an i R E E E 33 3 3 2 Digital Imaging and Communication in Medicine DICOM 3 0 36 3 4 Eine Bibliothek f r den DICOM Datenimpott nennnnnsnennnnn 39 3 4 1 Die Datenstruktur zur
111. e Vorbereitung und Planung liegt bei sch tzungsweise 15 Minuten Die Dauer der Modellgenerierung h ngt von der Gr e des Datenvolumens und der Komplexit t des Modells ab Bei Verwendung leistungsf higer Computersysteme ergeben sich momentan Berechnungs zeiten zwischen f nf und zwanzig Minuten wobei diese Werte durch Optimierungen noch deutlich verk rzt werden k nnen F r die klinische Bewertung muss das Planungssystem von medizinischen Anwendern getestet werden Zu diesem Zweck liegt mit Anhang A eine Bedienungsanleitung vor die alle Vorg nge vom Laden der Bilddaten ber die Markerdetektion die grafische Planung bis hin zum Datenexport ausf hrlich und beispielhaft erkl rt Der Test des Planungsvorgangs m sste derzeit behandlungsbegleitend erfolgen wobei alle computer tomographischen Daten zus tzlich mit dem Planungssystem verarbeitet werden Inner halb dieser Testphase lassen sich alle gew nschten nderungen protokollieren die zu einer sukzessiven Verbesserung des Planungssystems f hren Die Genauigkeit der Planungsumsetzung muss in dieser Phase von der Entwicklergruppe an diversen Modellen berpr ft werden Das Modul hxEpiPlan wurde auf der beiliegenden CD im Verzeichnis Amira packages hxepiplan bereitgestellt Anhang B Seite 187 ff Testdaten liegen nicht auf der CD vor da es sich um personenbezogene Daten handelt 46 6 Export der Planungsdaten Das vorgestellte Planungssystem stellt lediglich einen Teil der Gesam
112. e bzgl des Typs erweiterte Datenstruktur der Marker region Das implementierte Klassifizierungsverfahren ist in sehr vielen Punkten noch verbes serungsf hig Momentan kann eine Klassifizierung ber den mittleren HOUNSFIELD Wert der Markerregion deren Volumen dem Abstand des Schwerpunktes zum Zentrum des Begrenzungsvolumens dem Verh ltnis der Tr gheitsmomente sowie der L nge der Diagonalen des Begrenzungsvolumens erfolgen Jeder Vergleich mit bekannten Eigen schaften f hrt zu genau einem Markertyp wobei die einzelnen Ergebnisse entsprechend ihrer G te gewichtet werden Mittels einer Mehrheitsentscheidung wird der Typ der Markerregion bestimmt oder diese als unbekannter Typ klassifiziert Im Rahmen der Tests hat sich gezeigt dass die Momente und das Volumen die besten Klassifizierungsmerkmale sind Die Ber cksichtigung der HOUNSFIELD Werte f hrte nicht zu den gew nschten Ergebnissen da nicht die Mitte des Intervalls sondern nur die untere Segmentierungsschwelle zum Zeitpunkt der Klassifizierung vorlag Hier handelt es sich offensichtlich um einen Designfehler der in einer weiteren Arbeit durch Ber ck 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten sichtigung des HOUNSFIELD Intervalls ausgebessert werden m sste Auch der Abstand des Schwerpunktes zum Zentrum des Begrenzungsvolumens f hrte aufgrund der gerin gen Abmessungen der Marker zu unbrauchbaren Ergebnissen Pr misse des implementierten Klassifizierungsve
113. ebenberuflichen Studiums oft entbehrt doch immer maximal unterst tzt hat Weiterhin danke ich der Carl Duisberg Gesellschaft die mir mit einem Stipendium ein Praxissemester in den USA erm glichte ber das ich im Verlauf meines ersten Stu diums an der Technischen Fachhochschule Berlin berhaupt erst zu meinem jetzigen Studienschwerpunkt gefunden habe Als N chstes gilt mein Dank Herrn Prof Dr Heinz Lemke an dessen Institut ich mich im Hauptstudium am meisten aufgehalten viele interessante Veranstaltungen besucht und letztendlich meine Studien und Diplomarbeit erstellt habe Das Mitwirken an der Organisation der CAR Konferenz Computer Assisted Radiology deren Mitbegr nder und Organisator Heinz Lemke ist war eine sehr interessante Erfahrung und eines der Schl sselerlebnisse f r meine jetzige Arbeit Ein Ziel des Studiums seine geistige Heimat zu finden ist somit bereits erreicht Im Hinblick auf die Erstellung der vorliegenden Diplomarbeit danke ich Herrn Prof Dr L th der mir die M glichkeit gegeben hat in seiner Forschungsgruppe mitzu wirken dem Klinikleiter Prof Dr Dr Bier der uns Ingenieuren eine Spielwiese im klinischen Umfeld erm glicht hat und allen am Projekt beteiligten rzten und wissen schaftlichen Mitarbeitern der Klinik f r Mund Kiefer und Gesichtschirurgie Weiter hin bedanke ich mich bei den wissenschaftlichen Mitarbeitern der Fachgruppe Computer Graphics an der TU Berlin f r die vi
114. ebnisses ber die Markerduchmesser ermittelt wurden Die Kugeldurchmesser der Beekley Spots vari ierten dabei zwischen 0 14 und 0 17 mm F r die Untersuchung wurde die Mess genauigkeit jedoch auf 0 1 mm beschr nkt da die Pixelaufl sung innerhalb der Schichten diesen Wert nicht unterschreitet und klebefixierte Marker bei einer Kontakt messung leicht verschoben werden k nnen 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Bild 4 30 zeigt die Darstellung des aus den CT Daten rekonstruierten Lineals mit den erkannten durch ihr CAD Modell repr sentierten Markern der ersten Aufnahmereihe Bild 4 30 Ei BS a TE es EHE usa BE Cad So BLM ROH clio E flanker tyor Bikiak b ri l Seme D tm eit pakiet OGG LR UE e fl tis ff ad dm A ante ei Visuelles Ergebnis der Markerdetektion an einem Referenzobjekt Tabelle 4 7 stellt die gemessenen und berechneten Werte gegen ber Hierbei handelt es sich allerdings nur um eine exemplarische Untersuchung zur groben Absch tzung der Genauigkeit des Detektionsverfahrens Die Stichprobenanzahl ist mit 15 Markerpaaren bei drei Messungen relativ gering und es sollten weiterhin Aufnahmen mit unter schiedlichen Schichtabst nden ber cksichtigt werden Tabelle 4 8 Abst nde zwischen Markerpaaren cm gemessener Abstand berechneter Abstand aus berechneter Abstand aus berechneter Abstand aus 0 Messung 45 Messung 90 Mess
115. echend der berechneten Werte erfolgen Zur Ausrichtung wird das charakteristische Verh ltnis der Haupttr gheitsmomente her angezogen Als unbekannt markierte oder kugelf rmige Marker werden bei der Verar beitung nicht weiter ber cksichtigt Leibinger Schrauben und Philips Marker vom Typ Easy Guide besitzen jedoch eine Orientierung die f r die Registrierung korrekt ermittelt werden muss Dabei unterscheiden sich die Eigenwerte dahingehend dass Leibinger Schrauben zwei Maxima und ein Minimum besitzen siehe Tabelle 4 3 und Philips Marker ein Maximum und zwei Minima Tabelle 4 1 Ber cksichtigt man an dieser Stelle die normierten Verh ltniswerte dann kann dieses Verh ltnis problemlos mit den Referenzwerten des zugeh rigen Markertyps in Relation gesetzt und eine beste berein stimmung ermittelt werden Da die Referenzmodelle so definiert wurden dass die Hauptsymmetrieachse mit der Z Achse des lokalen Koordinatensystems bereinstimmt kann durch zyklische Vertauschung der Eigenvektoren die Hauptsymmetrieachse der Markerregion in die lokale Z Achse berf hrt und mittels des Kreuzproduktes der beiden anderen Achsen die Orientierung der Hauptachse zwischen Modell und Marker region abgeglichen werden Um nun noch die korrekte Richtung der Hauptsymmetrieachse bestimmen zu k nnen wird ein Teilergebnis der Markereigenschaften genutzt das sich bei der Bestimmung der drei Markerdurchmesser ergab und ber deren Vorzeichen ausgewertet werden
116. edizinische Anwendergruppe erfolgen wobei die Ergebnisse der Genauigkeitsuntersuchungen im Rahmen der Planungsumsetzung ein weiteres wesentliches Bewertungskriterium darstellen Der vorgestellte Prototyp besitzt bereits eine umfangreiche Funktionalit t dennoch bedarf es noch vieler Erweiterungen um ihn in ein klinisch einsetzbares Planungs system f r den Einsatz in der Epithetik zu berf hren Eine wesentliche Forderung ist die benutzerfreundliche Bedienung und die klare und unmissverst ndliche Benutzer oberfl che bei der eine feste Vorgehensweise vorgeschrieben wird von der nicht oder nur in kontrolliertem Ma e abgewichen werden kann Nur wenn alle erforderlichen Arbeitsschritte in ihrer korrekten Reihenfolge abgefordert werden wird die M glichkeit der Fehlbedienung reduziert Weiterhin sollte sich zumindest die zuletzt vorgenommene Aktion stets r ckg ngig machen lassen damit die M glichkeit einer intuitiven und spielerischen Vorgehensweise unterst tzt wird Neben dieser grundlegenden Verbes serung die sich auf die Gesamtbedienung von Amira bezieht lassen sich allerdings auch die einzelnen Planungsstufen noch verbessern 5 2 1 Verbesserung der Lichtkastenfunktionalit t Bereits in der Standardansicht des Planungssystems Bild 5 2 lassen sich einige Ver besserungen vornehmen Die Bestimmung der Segmentierungsschwellen f r Haut und Knochen sollte auf jeden Fall durch verbesserte Hilfsmittel vereinfacht werden Eine automatisc
117. egenden Datenformates Eine solche Kennzeichnung hat sich bei der Arbeit mit unterschiedlichen Bild und Dateiformaten bew hrt MRV96 Gruppen Gruppen erm glichen die Strukturierung der Information und erlauben die mehrfache Verwendung von Feldbezeichnern sowie einen beschleunigten Zugriff auf Einzel information innerhalb einer Datei Per Definition werden Gruppen im SRL Datenformat durch einen Eintrag in eckigen Klammern gekennzeichnet Eine ffnende Klammer als erstes Zeichen einer Zeile das kein Leer oder Tabulatorzeichen ist leitet einen Gruppenbezeichner ein der mit einer schlie enden Klammer terminiert wird Jegliche Information zwischen Gruppenbezeichner und Zeilenende wird bei der Verarbeitung des Formates ignoriert Die Definition der Gruppenbezeichnungen muss eindeutig und allen auswertenden Programmen bekannt sein Das mehrfache Auftreten gleicher Gruppenbezeichner stellt einen Fehler dar wobei das Resultat der Auswertung vom jeweiligen Programm abh ngt das diese Daten interpretiert Folgende Gruppen wurden in der Version 1 0 des SRL Datenformates festgelegt Patient Patientendaten Date Aufnahmedatum und Zeit Modality Aufnahmeart Image Aufnahmeparameter Segmentation Segmentierungsinformation Preview grafische Zusatzinformation Marker Registrierungsmarker Target Bohrkoordinaten Data Bilddaten Werden neue Gruppen in das Format eingef gt so m ssen die entsprechenden Aus werte und Konve
118. ehe Bild 4 21 Befindet sich in Richtung des jeweiligen Eigenvektors ein Gewebe mit h herer Dichte als in ent gegengesetzter Richtung dann wird auf eine falsche Orientierung des Markerreferenz punktes geschlossen und dieses in Form eines negativen Durchmessers f r die weitere Bearbeitung gekennzeichnet 195 3 Import medizinischer Bilddaten Bild 4 21 Markerorientierung unter Ber cksichtigung angrenzender Gewebe 4 4 5 Klassifizierung der Markertypen F r die Klassifizierung einer potentiellen Markerregion werden deren berechnete Eigen schaften mit denen bekannter Markertypen verglichen Die beste bereinstimmung f hrt zur entsprechenden Klassifikation der Markerregion Sollte das gew hlte Auswahl verfahren zu keinem eindeutigen Ergebnis f hren dann wird die Markerregion als unbekannter Markertyp klassifiziert was in weiteren Verarbeitungsschritten ber ck sichtigt wird Als Ergebnis der Klassifizierung wird in der Datenstruktur der Markertyp gesetzt Derzeit werden die Typen PHILIPS LEIBINGER und BEEKLEY ber cksichtigt Nicht klassifizierbare Markerregionen erhalten den Typ UNKNOWN Diese Typen sind in der Datei marker h definiert Zur Klassifizierung wurde die Bibliotheksfunktion classifyMarker implementiert die als Eingabeparameter eine Markerregion MarkerType und die Liste aller vorliegenden Referenzmarker erh lt Der Programmcode liegt in der Datei markerClassification c vor Das Ergebnis der Funktion ist di
119. ei F llen das Markermodell um diese Achse gespiegelt werden An dieser Stelle sollte f r die verwendete Schraube ein CAD Modell mit seinen Eigenschaften zur Klassifizierung bereitgestellt werden Aufgrund des Schichtabstandes wurden f nf der acht Beekley Spots nicht klassifiziert da sie lediglich ein Signal in einer Schicht hervorriefen Stattdessen wurden unbekannte Markertypen angenommen Auch diese Marker mussten manuell auf den korrekten Typ ge ndert werden Nach den nderungen entsprachen die Positionen der Beekley Spots den Mittelpunkten der Marker in den CT Schichten An dieser Stelle ist zu bemerken dass Beekley Spots einen Durchmesser von nur 1 5 mm besitzen und sich alle Marker modelle visuell mit den CT Daten in bereinstimmung befanden Dieses Ergebnis l sst eine Genauigkeit des Detektionsverfahrens im Submillimeterbereich vermuten und erscheint f r die Registrierung schon recht zufrieden stellend 195 3 Import medizinischer Bilddaten 4 6 3 Sch delphantom mit diversen Markertypen Im Verzeichnis images dicom skull bzw in der Datei images hypermesh skull hm auf der beiliegenden CD befinden sich die CT Aufnahmedaten zu einem Sch delmodell aus Kunststoff das mit einer Vielzahl unterschiedlicher Markertypen und Miniplatten ver sehen ist Der Schichtabstand und die Schichtdicke betrugen jeweils 2 mm Die r um liche Aufl sung lag bei 0 605469 x 0 605469 mm pro Bildpunkt innerhalb einer Schicht und es wurde ein Bereich von 35
120. eine l ngere Zeit in Anspruch nehmen kann Der Ladevorgang sollte sich auch jederzeit vom Benutzer unterbrechen lassen Nach dem Einlesen der Aufnahmedaten muss nicht nur auf die Bilddaten sondern auch auf die wesentlichen Patientendaten und Aufnahmeparameter zugegriffen werden k nnen Diese Daten sind Teil der Planungsgrundlage und werden mit den Planungs daten abgespeichert und an das Ausf hrungssystem bergeben 2 3 2 Visualisierung Der grafische Anzeigebereich soll sich aus vier Ansichtsfenstern zusammensetzen wobei in einem Fenster das 3D Modell und in den anderen drei Fenstern die 2D Projek tionsansichten axial sagittal und coronal visualisiert werden Bei der Schichtbild anzeige muss unbedingt festgelegt bzw kenntlich gemacht werden von welcher Seite die aktuelle Ansicht erfolgt sagittal links oder rechts coronal vorne oder hinten und axial oben oder unten F r jede Projektionsrichtung wird anf nglich die mittlere Schicht im Datenvolumen ausgew hlt und angezeigt F r die grafische Planung ist es unter Umst nden von Vorteil das 3D Modell mit maximaler Gr e auf dem Bildschirm anzuzeigen so dass ein einfacher Wechsel zwischen den vier kleineren Anzeige bereichen und einem vergr erten Anzeigebereich vorzusehen ist Anhand der Schichtbilddarstellung k nnen behandlungsrelevante Bereiche grafisch markiert und ausgew hlt sowie der Planungsbereich eingegrenzt werden Ebenso sind auf deren Basis die Schwellenwerte f
121. einigen Minuten durchaus vorstellbar Aus diesem Grund wurde in hxDicom eine visuelle Statusanzeige verwendet in der die Anzahl der zu ladenden sowie der bereits geladenen Dateien tex tuell dargestellt wird Zus tzlich wird diese Darstellung von einer Balkenanzeige unter legt die den Ladevorgang grafisch untermalt Bild 3 11 Neben dieser Anzeige wurde eine Schaltfl che bereitgestellt ber die der Ladevorgang jederzeit abgebrochen werden kann Alle bereits vollst ndig eingelesenen Dateien bleiben dabei zur weiteren Verar beitung in Amira erhalten Der Abbruch eines Ladevorganges wird im Amira Console Fenster durch eine entsprechende Meldung signalisiert Bild 3 11 Visuelle Kontrolle des Ladevorganges 195 3 Import medizinischer Bilddaten Beim Einlesen von CT Daten Image Modality CT wird der in einer DICOM Nachricht festgelegte Wertebereich von 0 bis 4095 automatisch in den HOUNSFIELD Bereich von 1000 bis 3095 verschoben Weiterhin wird je nach erkannter Patientenlage Head First oder Feet First der Datensatz so eingelesen dass die Aufnahmerichtung der positiven Z Achse des Datensatzes entspricht Als Letztes wird gepr ft ob die DICOM Daten elemente 0x0028 0105 bis 0107 smallest valid pixel smallest pixel value largest valid pixel und largest pixel value vorliegen und ggf der zu visualisierende Grauwertbereich des Datensatzes entsprechend angepasst 3 6 4 DICOM Datenelemente in Amira Eine weitere Forderung f
122. eiten der Datenanalyse und Datenmanipulation worauf sich die Forschung und Entwicklung im Bereich der computergest tzten Chirurgie begr ndet 24 2 4 Zusammenfassung Bei der Entwicklung des Planungssystems werden in der ersten Stufe ausschlie lich tomographische R ntgenaufnahmen als Planungsgrundlage herangezogen da diese eine deutliche Differenzierung von Knochenstrukturen und der Hautoberfl che sowie eine Planung am dreidimensionalen Modell erm glichen Als Datenquellen werden die an der Klinik eingesetzten CT Scanner ber cksichtigt die ihre Aufnahmedaten nach dem DICOM Standard bereitstellen Die CT Datens tze spiegeln eine r umliche Verteilung der Absorptionswerte des von R ntgenstrahlung durchdrungenen Gewebes wider von denen umgekehrt in gleicher Art auf das zugrundeliegende Gewebe geschlossen werden kann Innerhalb einer Schicht liegen die Absorptionswerte in Form einer 2D Matrix x y vor Um solche Daten nutzen und vergleichen zu k nnen m ssen sie auf einen definierten Bereich normiert werden Diese Normierung erfolgt in Relation zu einem bekannten Absorptionskoeffi zienten u n mlich dem von Wasser bei einer festgelegten Energie die sich aus einer Spannung von 73kV ergibt Toe93 Die Einheit des normierten Absorptionskoeffi zienten hei t HOUNSFIELD Unit HU fa ay 1000 Artur fHu 2 Hwasser 73kV Neben den patientenbezogenen Aufnahmedaten werden au erdem die Geometriedaten der zu verwendenden
123. eits eigene Konvertierungsroutinen entwickelt werden um die Daten in das produktspezifische Datenformat zu berf hren Die geometrische Manipulation von gro en CT Datens tzen erfolgt weitaus langsamer als bei Analyze und die Entwicklungsumgebung sowie die M glichkeiten der eigenen Erweiterung bzgl eines homogenen und leicht bedienbaren Gesamtsystems sind sehr restriktiv Das Visualization Toolkit bietet eine sehr umfangreiche Kollektion von Grafik und Bildverarbeitungsfunktionen die in Form von C Bibliotheken vorliegen und als Basis f r eine eigene Entwicklung gut geeignet sind VTK98 SML98 F r den Datenimport m ssen allerdings auch eigene Konvertierungsroutinen geschrieben werden Ein inter essanter Aspekt von vrk ist die freie Verf gbarkeit s mtlicher Quellen sowie die breite Anwenderschaft die sich in reger Kommunikation in den Usenet News Gra98 aus tauscht F r eine komplette Eigenentwicklung w rde sich der Einsatz von vtk als computergrafisches Basissystem absolut empfehlen Die Entscheidung fiel letztendlich auf das in der Voruntersuchung nicht ber cksichtigte am Konrad Zuse Zentrum f r Informationstechnik Berlin ZIB entwickelte Visualisie rungssystem Amira das zwar noch nicht f r Microsoft Windows NT 95 Plattformen verf gbar ist jedoch ber einen sehr gro en Funktionsumfang verf gt und eine schnelle und qualitativ hochwertige Visualisierung gro er Datenmengen erm glicht Ami98 24 2 4 Zusammen
124. elen interessanten Gespr che den Teamgeist der diese Gruppe auszeichnet und die stets gute Unterst tzung Da die Arbeit in enger Kooperation mit dem Konrad Zuse Zentrum f r Informationstechnik Berlin erfolgte m chte ich mich auch ganz besonders bei Dr Detlev Stalling und Dr Martin Seebass bedanken die mir mit unendlicher Geduld und vielen n tzlichen Tipps weitergeholfen haben Zu guter Letzt danke ich Herrn Prof Dr Buchholz in dessen Labor ich seit 1991 besch ftigt bin Herr Buchholz der mein Studium an der TU Berlin stets mit gro em Interesse verfolgte war immer sehr offen f r Diskussionen versorgte mich stets mit viel Information und hielt sogar in der letzten Phase meiner Diplomarbeit aufschiebbare T tigkeiten von mir fern Inhaltsverzeichnis Kurzbeschreibung a Assos 422er anal nd i WW OF WOT ee AE E ill WV TO sirni mne a dia becivaste xed uattecty aaelaeedoadecarcein a a a aoe 1 1 1 Computergestiitzte Planung in der Chirurgie 2 1 2 Allgemeiner berblick ee nee 3 13 Glieder ng der Abel nun a Deka ee ka 4 2 Medizinische Problemstellung und Konzept esensensnensneennnnnnennn nenn 7 2 1 Operationsszenario Setzen einer Ohrepithese enenenennenneenne 7 2 1 1 Konventionelle Planung und Durchf hrung eeeeen 8 2 1 2 Vorteile einer computergest tzten Planung eenen 10 2 2 Vorgaben f r ein computergest tztes Planungssystem eee
125. elle Kontrolle des Ladevorganges cccccssecsseeeseceeeeeseeeteeeeeeenseees 55 Zugriff auf die Aufnahmeparameter in Amira esensensensenseenennn 57 Registrierung unterschiedlicher Koordinatensysteme nee 61 CT Registrierungsmarker leisen 63 Philips Marker Easy Guldel au 2a ri Gees 64 HOUNSFIELD Bereich des Philips Easy Guide 65 Schwellenwertabh ngige Segmentierungsergebmisse een 65 3D CAD Modell eines Philips Markers vom Typ Easy Guide 67 HOUNSFIELD Bereich eines Beekley Spots cccccesccssccesseceteceteeeeeeeeseees 68 Schwellenwertabh ngige Segmentierungsergebmisse eeen 68 Leibinger Knochenschra be nie an 69 HOUNSFIELD Bereich der Leibinger Knochenschraube 70 Bedienung des Planungssystems Bild 4 11 Bild 4 12 Bild 4 13 Bild 4 14 Bild 4 15 Bild 4 16 Bild 4 17 Bild 4 18 Bild 4 19 Bild 4 20 Bild 4 21 Bild 4 22 Bild 4 23 Bild 4 24 Bild 4 25 Bild 4 26 Bild 4 27 Bild 4 28 Bild 4 29 Bild 4 30 Bild 5 1 Bild 5 2 Bild 5 3 Bild 5 4 Bild 5 5 Bild 5 6 Bild 5 7 Bild 5 8 Bild 5 9 Bild 5 10 Bild 5 11 Bild 5 12 46 3D CAD Modell einer Leibinger Knochenschraube 5 mm 70 Schwellenwertabh ngige Segmentierungsergebnisse nene 71 Oberfl chendarstellung potentieller Markerregionen mit Amira 72 Manuelle Bestimmung einer Marke
126. ellen Hardware ist deren Funktionalit t jedoch sehr gut auf eine Grafik Hardware abgebildet werden kann NDW93 Unter Verwendung solch einer geeigneten Grafik Hardware wie sie z B von Silicon Graphics bereitgestellt wird bietet Open GL eine au erordentlich hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit die der interaktiven Manipulation komplexer Daten zu Gute kommt In Abschnitt 3 6 wurde bereits beschrieben wie medizinische Bilddaten in das Visuali sierungssystem Amira importiert werden k nnen Auf Basis solcher Daten soll eine Diagnose und Planung vorgenommen werden ber die chirurgische Eingriffe der Epithetik in ihrer Genauigkeit verbessert werden sollen Nachfolgend wird das Modul hxEpiPlan zur chirurgischen Planung vorgestellt mit dem sich alle Schritte der Planung von der Begutachtung der Projektionsansichten ber die Generierung und Visuali sierung eines daraus rekonstruierten 3D Modells der Auswahl und Platzierung von Implantaten bis hin zum Export der Planungsdaten interaktiv durchf hren lassen Das 25 3 Import medizinischer Bilddaten Planungssystem stellt dabei einen ersten Prototyp dar mit dem gezeigt werden soll welche M glichkeiten sich einem planenden Arzt bei der computergest tzten Planung bieten und ob sich durch den Einsatz eines solchen Systems eine Verbesserung des operativen Ergebnisses erzielen l sst Das Modul hxEpiPlan befindet sich inklusive Programmcode auf der beiliegenden CD im Verzeichnis Amira packages hxep
127. en da keine automatische Dateinamens erweiterung erfolgt siehe Bild 6 3 Bild 6 3 Speichern von Bilddaten im SRL Format Die Bilddaten allein stellen im eigentlichen Sinne keine Planungsdaten dar F r den Test des Ausf hrungssystems zur berlagerten Darstellung von Instrumenten und CT Daten ist es jedoch hilfreich ber eine solche Speicherm glichkeit zu verf gen Dabei lassen sich mit Amira auch Teilausschnitte des Datensatzes erzeugen Crop bzw die CT Daten mit einer gr beren Aufl sung diskretisieren Resample Ami98 Auf diese Art k nnen sehr gro e Datenvolumen auf eine so genannte Region of Interest reduziert bzw mit einer verminderten Anzahl von Aufnahmewerten gespeichert werden wobei im letzteren Fall nat rlich Information verloren geht Aus diesem Grund darf eine Reduk tion der Aufl sung erst direkt vor der Speicherung und nicht bereits vor der Planung bzw Markerdetektion erfolgen F r die Nutzung der Planungsdaten im Ausf hrungs system ist eine Reduktion besonders gro er Datenvolumen aufgrund der Echtzeitanfor derungen jedoch unbedingt erforderlich 6 4 4 Export der Markerinformation zur Registrierung F r die Registrierung von Modell und Patientendaten m ssen die Markerpositionen und orientierungen abgespeichert werden k nnen Wurde zu einem CT Datensatz die automatische Markerdetektion aufgerufen und liegt eine Markerliste in Form eines 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten HxLandm
128. en tigten Planungsdaten enthalten sein Erg nzend k nnten beliebige Planungsansichten 2D 3D sowie Kommentar im Planungsprotokoll gespeichert werden Liegt die entsprechende Information vor dann l sst sich aus den Planungsdaten z B eine Material und Werkzeugliste generieren die f r die OP Vorbereitung von Bedeutung ist Der Umfang des Planungsprotokolls h ngt einzig von der Menge zur Planung vorliegender Daten ab Ein Planungsprotokoll kann 195 3 Import medizinischer Bilddaten entweder ausgedruckt oder in einer digitalen Patientenakte gespeichert werden wie sie in zuk nftigen Krankenhausinformationssystemen verst rkt anzufinden sein wird 7 2 5 Stereolithographiemodelle Computer Integrated Manufacturing Da im Rahmen der Planung bereits ma stabsgerechte 3D Modelle des Patientensch dels und aller Implantate vorliegen bietet es sich an diese ebenfalls f r die Vorbereitung der Suprakonstruktionen und Epithesen zu nutzen Das Planungssystem erlaubt es schon jetzt eine intakte Ohrmuschel als 3D Modell aus dem CT Datensatz zu rekonstruieren und diese zu spiegeln Durch Bereitstellung einer Methode zur Speicherung der Modell daten im STL Format ergibt sich weiterhin die M glichkeit der Anfertigung eines physischen 3D Modells mittels g ngiger Stereolithographieverfahren Zaser Technology Model HHM 97 LSJK95 Auf diese Art k nnen Fertigungsdaten bereitgestellt werden ber die sich Epithesen bereits pr operativ herstellen las
129. en ACR NEMA DICOM Daten strom handelt kann an dieser Stelle noch nicht erfolgen da gerade dazu das g ltige Speicherformat ermittelt werden muss Eine weitere berpr fung erschien an dieser Stelle nicht sinnvoll 3 4 7 berpr fung der G ltigkeit des ersten Datenelementes Nach der Ermittlung der abgespeicherten Transfersyntax kann der Datenstrom interpre tiert und eingelesen werden An dieser Stelle ist es allerdings immer noch m glich gar keine ACR NEMA DICOM Daten in der Datei vorzufinden Aus diesem Grund wird das erste Datenelement erneut eingelesen und entsprechend der ermittelten Byte anordnung nebst Wertrepr sentation untersucht Diese Untersuchung basiert wiederum auf einer heuristischen Vorgehensweise da es per Definition kein erstes Element im DICOM Datenstrom gibt Nach ACR NEMA ist die erste Gruppe immer die Kommandogruppe 0 deren erstes Element ebenfalls den Bezeichner 0 und eine L nge von vier Bytes besitzt Im DICOM Standard ist diese Vorgabe nicht mehr g ltig wodurch das erste Datenelement einer beliebigen Gruppe angeh ren und einen beliebigen Bezeichner besitzen kann Hier helfen die bereinstimmungserkl rungen Conformance Statements des jeweiligen Herstellers Sie98 Phi97 bzw die M glichkeit der Analyse der vorliegenden Dateien z B mit dem Programm dem_dump_elements der CTN Software BD97 Es hat sich aus den vorliegenden Daten gezeigt dass ein DICOM Datenstrom oft mit der Gruppe 8 Identifying einge
130. en Bezeichner Tag gekennzeichnet ist Ein Auf bau dieser Art wurde z B auch f r das mittlerweile weit verbreitete Tagged Image File Format TIFF verwendet das 1986 von der Firma Aldus Inc zur effizienten Kodierung digitaler Bilddaten entwickelt wurde MRV96 Ebenfalls 1986 erfolgte die erste und 1988 die zweite Erweiterung des ACR NEMA Standards NEM88 bei der in erster Linie Fehler und Inkonsistenzen bereinigt und neue Datenelemente eingef hrt wurden HPB 94 An dieser Stelle soll noch einmal hervorgehoben werden dass mit dem ACR NEMA Standard kein Speicher sondern ein Kommunikationsformat festgelegt wurde Als Transfersyntax f r die Daten bertragung wurde das little endian Format mit impliziter Wertrepr sentation vorgeschrieben Die ber die ACR NEMA Schnittstelle bertragene Information muss dabei als so genannte Nachricht strukturiert sein Eine Nachricht besteht immer aus zwei Teilen einem Befehlssatz und einem Datensatz Bild 3 3 195 3 Import medizinischer Bilddaten Byte 0 ACR NEMA Nachricht S Byte n m ee N Tag 4 Tag 5 Feld ID Feld ID Bild 3 3 Format einer ACR NEMA Nachricht Jede Nachricht ist in so genannten Gruppen organisiert wobei der Aufbau einer Gruppe einem vorgegebenen Schema unterliegt Eine Gruppe darf in einer Nachricht h chstens einmal vorkommen Jede Gruppe besitzt dabei einen numerischen Gruppenschl ssel der L nge 16 Bit als Identifikationsmerkmal Ein Gruppenschl ssel umf
131. en Datei speichern wobei im letzteren Fall eine Kenn zeichnung der Aufnahmereihenfolge ber eine geeignete Namengebung der jeweiligen Dateien gew hrleistet sein muss Diese Daten k nnen weiterhin ber eine entsprechende Schnittstelle im DICOM Format exportiert werden Fete bb bape i J a A MID TATEN l Charite Campus Virchow Klinikum Pa El or CIA Biimha ninenintedeieeesatatals hak Wietzaesk Di Le HEG Surgical Acbr ch Lab ER Dabhi Late Toren HEG DEIN Serer Pie eee Bild 3 1 Datenerzeugung und Datenspeicherung 25 3 Import medizinischer Bilddaten Liegen lediglich die reinen Aufnahmedaten vor dann ist zu einer Aufnahmesequenz eine Zusatzinformation erforderlich die angibt welche Dimensionen die Aufnahme matrix besitzt in welchem Format die Aufnahmewerte abgespeichert wurden und vieles mehr Diese Information kann als separate Datei oder direkt mit den Aufnahmedaten abgespeichert werden Befinden sich Zusatzinformation und Aufnahmedaten in einer gemeinsamen Datei dann muss ein Format eingehalten werden das Programmen die auf die Aufnahmedaten zugreifen wollen die M glichkeit gibt diese Information aus werten zu k nnen Im weiteren Verlauf wird solche Zusatzinformation als Header bezeichnet Das Format zur Speicherung medizinischer Bilddaten das in dieser Arbeit ber cksichtigt wird entspricht dem DICOM bzw dem vorangehenden ACR NEMA Standard Bei der Arbeit mit medizinischem Bi
132. en und die Aufnahmeparameter entweder durch geschicktes Ausprobieren oder durch Analyse der Header herauszufinden Dazu kann folgende Vor gehensweise in Betracht gezogen werden Zuerst sollte versucht werden das vorliegende Datenformat zu ermitteln Dabei kann nach typischen Zeichenketten in der Datei gesucht werden z B nach der Zeichenkette ACR NEMA oder DICM mit den UNIX Kommandos grep oder strings Unter Kenntnis des Datenformates l sst sich gezielter nach den Bilddaten im Datensatz suchen bzw existierende Software zur Verarbeitung dieser Formate einsetzen ber die Usenet News DIC98 und eine gezielte Recherche im World Wide Web fanden sich u a zwei n tzliche frei verf gbare Programmpakete zur Arbeit mit DICOM Daten die auf den Silicon Graphics Entwicklungsrechnern installiert wurden Dabei handelt es sich zum einen um die dicom3tools von David Clunie Clu98a der als absoluter Experte in diesem Bereich anzusehen ist und die Frequently Asked Questions zum Thema Medical Image Formats moderiert Clu98b und zum anderen um die Central Test Node CTN Software der Radiologenvereinigung Nordamerikas RSNA BD97 Aber auch ohne Kenntnis des Datenformates bzw die geeigneten Programme gibt es M glichkeiten auf die Bilddaten zugreifen zu k nnen In der Regel sind diese am Ende einer Datei abgespeichert Nach Analyse der Dateigr e kann die ungef hre Bildgr e oftmals abgesch tzt werden Im Allgemeinen sind medizinische Au
133. entation frame of referenc position reference slice location image comments samples per pixel photometric interp height width pixel spacing bits allocated bits stored high bit pixel representation window center window width image rows image columns ISO_IR 100 ORIGINAL PRIMARY AXIAL 1 2 840 10008 5 1 4 1 1 2 1 3 46 670589 10 13 19980522 19980522 19980522 180533 00 180758 00 180758 00 CT Philips Medical Systems UKRV CT Tomoscan M EG john 0008 O 000Y 0_0 0_O 0 0 2_0 21 1 1 2 1 2 120 Brain 2 mm 310 0 4000 10 HF4 HE S 1 3 46 67 0589 10 13 14 3 46 670589 10 73z Zi 2 2001 155 155 903 1 0 0 0 1 6 12323e 17 1 3 46 670589 10 13 503 MONOCHROME2 512 512 0 605469 0 605469 16 12 11 0 40 40 85 150 1000 rescal intercept rescale slope pixel data 1 Tabelle 3 4 zeigt einen Ausschnitt der Ausgabe des Programms showDicomHdr zu einer DICOM Datei die dem Teil 10 des DICOM Standards entspricht und eine Meta information in Gruppe 2 sowie eine explizite Wertrepr sentation enth lt die in Spalte 3 aufgef hrt ist 195 3 Import medizinischer Bilddaten 0002 0002 0002 0002 0002 0002 0002 0002 0008 0008 0008 0008 0008 1 0008 1 0008 1 0009 0009 1 0010 001 001 001 001 001 001 001 Cc co COO OrFREH 001 001 001 001 WO 00 00 00 0020
134. er Eintr ge gew hrleistet werden wobei im Gegensatz zu Bin rformaten wie ACR NEMA DICOM TIFF usw das Konzept einer Klartextinformation favorisiert wurde wie es z B im Interfile Datenformat gegeben ist Clu98b Entsprechende Diskussionen in den Usenet News DIC98 wiesen auf eine generelle Pr ferenz solcher Formate hin Eigene Erfahrungen zeigten dass Dateien mit Klartextinformation weitaus einfacher zu handhaben sind als reine Bin rformate siehe auch WBP91 Der Speichervorteil der sich bei Bin rformaten ergibt ist im Ver h ltnis zu den ohnehin sehr umfangreichen Bilddaten eher vernachl ssigbar 6 1 1 SRL Formatbeschreibung Das SRL Datenformat f r ASCH Information ist zeilenbasiert aufgebaut und bewusst einfach gehalten um es ohne besondere Hilfsmittel erstellen bzw auswerten zu k nnen Alle Eintr ge k nnen mit einem konventionellen Texteditor erzeugt bzw bearbeitet werden Bilddaten lassen sich nach Erstellung der ASCII Beschreibung z B durch Aus gabeumlenkung an das Dateiende anf gen Das SRL Format umfasst im Wesentlichen drei unterschiedliche Zeilentypen e Kommentarzeilen Eingeleitet durch ein Kommentarzeichen e Gruppenzeilen Gekennzeichnet durch eine Gruppenidentifikation e Eintr ge Eingeleitet durch eine Bezeichnung gefolgt von einem Trennzeichen Ein Zeilenende wird f r ASCII Information durch das g ngige Zeilenendezeichen Carriage Return Newline repr sentiert Bin rinformation wie sie z B bei de
135. er ber cksichtigt werden Auf das DICOM Dateiformat nach Teil 10 des Standards kann jedoch nur in groben Z gen eingegangen werden Es wird davon ausgegangen dass eine Pr ambel ein Pr fix und eine Metainformation zur Beschreibung der Transfersyntax vorliegt Die Auswer tung der Metainformation war aufgrund des noch nicht verf gbaren Standards sowie mangelnder Beispieldatens tze nicht m glich und wurde in dieser Arbeit nicht ber ck sichtigt 3 4 Eine Bibliothek f r den DICOM Datenimport In der ersten Entwicklungsstufe des zu implementierenden Planungssystems wird davon ausgegangen dass die Aufnahmedaten immer auf einem Speichermedium vorliegen und nicht direkt vom Aufnahmesystem entgegengenommen oder ber eine dedizierte DICOM Schnittstelle mittels spezieller DICOM Dienste angefordert werden Die Nutzung der DICOM Dienste zur Anforderung von Daten von einem DICOM Server sollte jedoch unbedingt in das zuk nftige Planungssystem integriert werden was in einer weiterf hrenden Arbeit erfolgen k nnte Ber cksichtigt wurden die M glichkeiten des Datenzugriffs ber die Dateisysteme eines HP 9000 DICOM Servers zweier Silicon Graphics Workstations und diverser Intel PC s wobei die Daten auch auf gemeinsam nutzbaren Datentr gern gespeichert sein k nnen NFS Verzeichnisse CD oder MOD F r den Import medizinischer Aufnahmedaten in das Visualisierungssystem Amira wur den vom ZIB die bislang dort genutzten Importbibliotheken f r ACR NE
136. er hm auf der beiliegenden CD befinden sich die CT Aufnahmedaten zu einem 20 cm langen Lineal aus Plexiglas Auf dem Lineal wurden drei Philips Marker vom Typ Easy Guide in Abst nden von 10 cm f nf Leibinger Knochenschrauben in Abst nden von 5 cm und zwei Gruppen mit je vier Beekley Spots in Abst nden von 2 cm befestigt Bild 4 29 En a mJ Ta m m ae iT Bild 4 29 Referenzobjekt mit diversen Markertypen Es wurden drei Aufnahmereihen mit dem Tomoscan M EG bei 120 kV 10 mA ange fertigt Der Schichtabstand und die Schichtdicke betrugen jeweils 2 mm Die erste Auf nahmesequenz erfolgte mit axialer Ausrichtung des Lineals und lieferte 110 Schichten Die zweite Aufnahme f hrte bei transversaler Linealausrichtung zu 14 Schichten und f r die dritte Aufnahme wurde das Lineal mit einem Winkel von ca 45 zur Aufnahme richtung positioniert und 84 Schichten generiert Die exakte Position des Lineals ist hierbei nicht ma geblich da lediglich die relativen Markerpositionen zueinander bestimmt werden sollen Die L nge des Lineals entspricht einer vorstellbaren maxi malen Distanz zwischen Registrierungsmarkern im Zusammenhang mit operativen Ein griffen aus dem Bereich der Mund Kiefer Gesichtschirurgie so dass die Genauigkeit des Verfahrens ber eine repr sentative Ausdehnung bestimmt werden kann Alle Markerpositionen wurden mit dem automatischen Detektionsverfahren ber die Segmentierungsschwellen 1200 1600 und 2000 HU aus
137. er position 84 50 45 50 21 00 orientation 0 00 0 00 0 00 0 000 3 marker position 114 60 86 80 25 10 orientation 0 00 0 00 0 00 0 000 4 marker position 125 70 120 00 22 00 orientation 0 00 0 00 0 00 0 000 0 targets in data set 6 3 5 Abfrage einzelner Eintrage Das Programm getSrlEntry bietet die M glichkeit einzelne Eintr ge durch Angabe ihres Feldbezeichners aus einem SRL Datenstrom zu extrahieren Die Bezeichner der Ein tr ge m ssen wohl bemerkt zum Zeitpunkt der Abfrage bekannt sein Mit getSriEntry lassen sich so auf sehr komfortable Art und Weise Dateien hinsichtlich einzelner Merkmale analysieren wobei sichergestellt ist dass es sich bei diesen Merkmalen um g ltige Eintr ge im Sinne des festgelegten Formates handelt Wird getSrlEntry mit der Option h elp UNIX bzw DOS aufgerufen dann wird eine kurze Programmbe schreibung ausgegeben Ansonsten erfolgt ein Aufruf durch Eingabe des Programm namens der Kennung des gew nschten Eintrags sowie des Namens einer Datei im SRL Format Entf llt die Angabe eines Dateinamens liest das Programm aus dem Standard Eingabekanal wodurch es sich mit der Ausgabe anderer Programme verketten l sst Mit extractSrl entries inputFile srl k nnen alle g ltigen Eintr ge einer Datei ausgewertet werden 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten getSrlEntry h entry inputFile srl Als Pflichtparameter erwartet getSrIEntry die Ang
138. ergebnis eines Testdatensatzes bei einer Segmentierungsschwelle von 1200 HU dargestellt Bild 4 13 Oberfl chendarstellung potentieller Markerregionen mit Amira 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Bereits mit dieser Darstellung kann die Existenz von Registrierungsmarkern in CT Datens tzen berpr ft und deren Lage visuell beurteilt werden Die genaue Position der Marker in Relation zum Modellkoordinatensystem kann so jedoch noch nicht bestimmt werden Eine M glichkeit der manuellen Bestimmung von Markerpositionen liegt mit dem Modul Point Probe vor das ein dreidimensionales Fadenkreuz im Datensatz einblendet welches mit der Maus beliebig positioniert werden kann Die Position des Fadenkreuzes in Relation zum Modellkoordinatensystem kann jederzeit ermittelt werden so dass Markerpositionen durch Platzierung des Fadenkreuzes im zugeh rigen Markerreferenzpunkt n herungsweise bestimmt werden k nnen siehe Bild 4 14 Auf diese Art wurden die ersten Testdatens tze bez glich der Markerpositionen untersucht Eine Bestimmung der Markerorientierung ist auf diese Art allerdings nicht m glich en Bild 4 14 Manuelle Bestimmung einer Markerposition mit Amira Ist die r umliche Aufl sung der Aufnahmewerte bekannt so lassen sich die diskreten Aufnahmewerte in ein kontinuierliches Modellkoordinatensystem berf hren Ein CT Datensatz besteht dabei aus N Schichten mit N x N Bildpunkten Die Gr e eines
139. erne Datei existiert wird pro grammintern ein zylindrisches Modell generiert dessen Durchmesser und L nge beliebig variiert werden kann Dadurch ist es m glich mit unterschiedlich gro en Implantaten zu experimentieren die noch nicht als Modell im Planungssystem vorliegen und ggf angefertigt werden m ssen 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Bild 5 7 CAD Modell einer Implantath lse Entsprechend der Vorgaben aus Abschnitt 2 1 wird von zwei in den Sch delknochen zu implantierenden H lsen ausgegangen Der planende Arzt kann diese beiden Implantate beliebig am Modell der Knochenoberfl che positionieren Unter Nutzung der grafischen Planungshilfen Bild 5 6 erfolgt eine Positionierung der zylindrischen Modelle mit der Maus wobei die Positionierung in der jetzigen Version des Planungssystems in keiner Weise eingeschr nkt wird Der planende Arzt soll in der ersten Bewertungsphase die Freiheit besitzen die Implantate an den f r ihn korrekten Positionen anordnen zu k nnen auch wenn diese Positionen nicht den allgemeinen Planungsvorgaben ent sprechen Erst im Rahmen einer klinischen Evaluierung sollte in Absprache mit den potentiellen Nutzern des Systems ber sinnvolle Einschr nkungsm glichkeiten dis kutiert und diese in hxEpiPlan integriert werden Zur Unterst tzung der optimalen Positionierung der Implantate wird vom Planungs system wichtige Zusatzinformation bereitgestellt die den Planungsablauf deutlich ve
140. eser erkannt so wird die Pr ambel in die Datenstruktur bernommen und die Auswertung der Datei kann direkt hinter dem Pr fix fortgesetzt werden Da die Auswertung der Metainformation in Gruppe 2 aufgrund fehlender Information noch nicht erfolgen kann wird versucht die Byteanordnung ebenso zu ermitteln wie es bei DICOM Datenstr men ohne Metainformation auch geschieht Nach Verabschiedung von Teil 10 bis 12 des DICOM Standards kann die in der Datei vorliegende Bytean ordnung direkt der Metainformation entnommen werden wobei diese immer mit expli ziter Wertrepr sentation im little endian Format vorliegen muss Momentan liegen aber noch keine Datens tze vor die nach diesem Standard abgespeichert wurden und zum Test herangezogen werden konnten Zur Nutzung der Metainformation muss die Biblio theksfunktion dicomPart10 hinsichtlich deren Auswertung erweitert werden 195 3 Import medizinischer Bilddaten 3 4 5 Ber cksichtigung der expliziten Wertrepr sentation Nach der berpr fung auf einen Dateiinhalt gem Teil 10 des DICOM Standards kann die erste Gruppe bzw das erste Datenelement dieser Gruppe untersucht werden Dieses Datenelement kann entweder eine explizite Wertrepr sentation besitzen was durch ein zus tzliches Feld im Datenelement gekennzeichnet w re oder eine implizite Wertrepr sentation wenn keine g ltige explizite Form erkannt wurde Aus diesem Grund wird zuerst das Feld hinter dem Gruppen und Elementschl ssel
141. essoren besitzen Register mit big endian Speichermodell Beim Speichern der Daten auf einem Datentr ger werden die Bytes in der jeweiligen Reihen folge der Architektur geschrieben und auf Rechnern anderer Architektur in dieser Reihenfolge wieder in die Register gelesen Somit wird z B der in 16 Bit gespeicherte Wert 1 im big endian Format 00000000 00000001 beim Wechsel der Architektur auf little endian als 2 256 interpretiert Das Vorzeichenbit verliert dabei ebenfalls seine Bedeutung Die DICOM Bibliothek soll in beiden F llen die Daten von einem Datentr ger korrekt interpretieren und als Datenstruktur bereitstellen so dass das Speichermodell des Systems auf dem der Programmcode der Bibliothek abl uft zur Laufzeit ermittelt wer den muss Im Rahmen der Entwicklung wurde die Bibliothek sowohl auf Intel Pro zessortypen unter Linux getestet als auch auf HP PA RISC und MIPS Prozessoren mit big endian Architektur Die Ermittlung des Speichermodells erfolgt dabei durch die berlagerung eines 16 Bit short integer Datentyps mit zwei aufeinander folgenden 8 Bit character Datentypen Die Speicherung einer 1 im 16 Bit Format f hrt je nach Architektur zu einem gesetzten Bit 195 3 Import medizinischer Bilddaten im h chstwertigen oder im niederwertigen Byte was durch anschlie ende berpr fung der ersten 8 Bit herausgefunden werden kann Bild 3 8 Hauptspeicher 32 Bit Architektur 1 16 Bit Integer short word 1
142. fassung Amira basiert auf einem objektorientierten Design ist weitgehend in der Programmier sprache C geschrieben und nutzt die objektorientierte Grafikbibliothek Open Inventor zu Open GL sowie die grafische Benutzerschnittstelle ViewKit Motif Aufgrund einer Kooperationsvereinbarung wurde Amira vom ZIB zur Verf gung gestellt und eine direkte Unterst tzung bei der Entwicklung zugesichert so dass unter Ber cksichtigung der bereits vorhandenen Funktionalit t eine individuelle Erweiterung von Amira auf die Belange eines chirurgischen Planungssystems im Rahmen einer Diplomarbeit als reali sierbar erschien Das Visualisierungssystem Amira bildet somit die Basis f r die Entwicklung eines Planungssystems zum Einsatz in der Epithetik 2 2 3 Grafische Planung F r die chirurgische Planung ist es zum einen erforderlich die einzelnen Schichten des Datensatzes begutachten zu k nnen wobei diese f r alle drei Projektionen bereitgestellt werden m ssen axial sagittal und coronal zum anderen soll aus allen Schichten in Abh ngigkeit von einstellbaren Schwellenwerten f r Haut und Knochen ein 3D Ober fl chenmodell generiert und visualisiert werden Die Visualisierung der Projektionen stellt einen Ersatz f r die herk mmliche Sichtweise am Lichtkasten dar und bietet den Chirurgen und Radiologen die gewohnte M glichkeit zur Diagnose und Planung Jede Schicht einer Projektionsrichtung soll dabei individuell selektiert werden k nnen wobei
143. fnahmematrizen quadratisch mit einer Seitenl nge die sich aus einer 2er Potenz ergibt 128 256 oder 512 Es muss dann noch ermittelt werden wie viele Bits pro Aufnahmewert beansprucht werden 8 12 oder 16 Zieht man die Anzahl der ben tigten Bytes von der Gesamtgr e der Datei ab dann erh lt man die Anzahl der Bytes die den Header repr sentieren Dieser Header kann mit Hilfe der UNIX Kommandos tail bzw head oder durch ein einfaches selbst geschriebenes Programm leicht entfernt werden Liegen die Bilddaten in einer separaten Form vor so l sst sich der Bildinhalt untersuchen Proble matisch sind bei dieser Vorgehensweise lediglich gepackte komprimierte oder aufge f llte Formate bzw Dateien bei denen die Bilddaten nicht am Ende gespeichert wurden 195 3 Import medizinischer Bilddaten Lassen sich die Bilddaten extrahieren dann kann deren Wertebereich analysiert werden F r R ntgendaten liegt dieser blicherweise im Bereich der HOUNSFIELD Einheiten also zwischen 1000 und 3095 Sollten die vorliegenden Daten au erhalb dieses Bereiches liegen ist m glicherweise die Anordnung der Bytes vertauscht die mit einem einfachen Programm wieder zur ck getauscht werden kann Liegt der Wertebereich anschlie end noch nicht im geforderten Bereich sondern z B zwischen 0 und 4095 dann kann falls CT Daten angenommen werden eine Verschiebung in den geforderten Bereich er folgen Zur Visualisierung der Bilddaten ist es weiterhin o
144. fnahmewerte in ein Modellkoordinatensystem keine R cktransformation erfolgen solange diese nicht zwingend erforderlich ist Bild 4 15 Markerpositionen in einer Region of Interest 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 4 3 2 Markerregionen Volumen Masse und Oberfl che F r die algorithmische Erkennung von Registrierungsmarkern m ssen als Erstes deren Regionen im Datensatz gefunden werden Eine potentielle Markerregion zeichnet sich durch ein zusammenh ngendes Gebiet von Aufnahmewerten aus die alle im Bereich der f r den jeweiligen Markertyp charakteristischen HOUNSFIELD Einheiten liegen Sind zwei Marker im Datensatz nicht voneinander zu trennen so werden sie ohne zus tzliche Untersuchungen zwangsl ufig als eine Markerregion erkannt F r die Entscheidung ob Aufnahmewerte zusammenh ngen und eine Region bilden oder nicht muss eine Nach barschaft definiert werden die sowohl innerhalb einer Schicht als auch zwischen aufein ander folgenden Schichten gilt Hierbei kann im dreidimensionalen Raum die so genannte 6er oder die 26er Nachbarschaft festgelegt werden siehe Bild 4 16 _ oag _ oh Hl eo FIS Bild 4 16 Diskrete 3D Nachbarschaftsmodelle Da jeder Aufnahmewert ein diskretes Volumenelement Voxel des aufgenommenen Objektes repr sentiert liegt bei Kenntnis der r umlichen Ausdehnung S eines Voxels auch unmittelbar das Volumen V einer Region vor F r die aus n Voxel v v2 Vn be stehende Mar
145. folge einer halben Markerh he Das visuelle Ergebnis der Markerdetektion erscheint somit gut Ve Dr IDEE Dat I a Bild 4 26 Visuelles Ergebnis der Detektion von Easy Guide Markern 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 4 6 2 Holzkugel mit Beekley Spots und Leibinger Schrauben Im Verzeichnis images dicom kugel bzw in der Datei images hypermesh kugel hm auf der beiliegenden CD befinden sich die CT Aufnahmedaten zu einer Buchenholzkugel auf der in symmetrischer Form acht Beekley Spots aufgeklebt und vier Knochenschrauben eingeschraubt wurden Der Schichtabstand und die Schichtdicke betrugen jeweils 2 mm Die r umliche Aufl sung lag bei 0 5 x 0 5 mm pro Bildpunkt innerhalb einer Schicht und es wurde ein Bereich von 25 Schichten ausgewertet Die Analyse des Datensatzes erfolgte mit den Segmentierungsschwellen 1600 1800 und 2000 HU wobei niedrigere Werte zu besseren Klassifikationsergebnissen f hrten In Bild 4 27 sind die rekon struierten Marker in semitransparenter Darstellung mit berlagerten CAD Modellen gezeigt E Marker pria CY TEEN LEHRTE Bild 4 27 Visuelles Ergebnis der Detektion kombinierter Markertypen Es wurden 12 Marker erkannt und alle Schrauben korrekt klassifiziert Aufgrund der abweichenden L nge der verwendeten Schrauben im Gegensatz zu den Referenz modellen stimmt der Schwerpunkt nicht berein Die Orientierung der Hauptsym metrieachse wurde zwar korrekt erkannt doch musste in dr
146. folgenden Bytes mit absteigender Wertigkeit kodiert sind Computer Aided Design Comit Europ en de Normalisation Europ isches Institut f r Normung Technisches Komitee 251 des gt CEN welches f r die Verabschiedung von europ ischen Standards in der medizinischen Informatik verantwortlich ist Computer Integrated Manufacturing Computertomographie bildgebendes Aufnahmeverfahren Digital Imaging and Communication in Medicine internationaler Standard f r die Codierung und bertragung medizinischer Bilddaten urspr nglich gt ACR NEMA in Europa unter dem Namen gt MEDICOM standardisiert Hospital Information System Krankenhaus Informationssystem dient zur Verwaltung von Patienten Befunden Arzneimitteln usw Health Level 7 Standard fiir die Codierung und Kommunikation allgemeiner Daten im Gesundheitswesen Basis f r gt HIS und gt RIS Systeme HyperText Transfer Protocol ein Protokoll der Anwendungsschicht zur bertragung von Dateien zwischen vernetzten Systemen konzipiert f r die bertragung von Hypertext Dokumenten setzt auf den gt TCP Stack auf 25 Bedienung des Planungssystems HU IMACS IOD IP IS amp C ISO Little Endian MEDICOM MIPS MOD MRT NEMA NFS OSI PACS 46 HOUNSFIELD Unit Auf den Wertebereich 1000 bis 3095 normierte Einheit des Absorptionskoeffizienten von organischen Gewebetypen in Bezug auf hochfrequente R ntgenstrahlung Benannt nach
147. ft eingelesen und ausgewertet In solchen Dateien k nnen u a neue Module bekannt gemacht werden deren ausf hrbarer Code in so genannten shared libraries vorliegt die zur Laufzeit zum Kern hinzu gebunden werden F r das Modul hxDicom wurde fol gender Eintrag in die Datei Amira share resources hxdicom rc eingef gt DataFile name Dicom Data option dicom file 1 0 9 0 9 0 9 0 9 ext dem load hxReadDicom dso libhxdicom so Die shared library muss entweder unter dem Verzeichnis lib abgelegt werden das sich im Installationsverzeichnis von Amira befindet AMIRA_ROOT oder unter dem Ver zeichnis lib des eigenen Entwicklungsbereiches AMIRA_LOCAL Die zugeh rigen Umgebungsvariablen werden zum Startzeitpunkt von Amira ausgewertet und m ssen entsprechend gesetzt sein tlcsh setenv AMIRA_ROOT usr local Amira ba sh export AMIRA_ROOT usr local Amira t csh setenv AMIRA_LOCAL HOME Amira balsh export AMIRA_LOCAL HOME Amira 3 6 2 Dateiauswahl In Amira erfolgt die Auswahl von Dateinamen ber ein grafisches Dateiauswahlfenster wobei mit der Maus Verzeichnis und Dateinamen selektiert werden k nnen Bild 3 9 Dieses Dateiauswahlfenster erh lt man durch Auswahl des Men punktes Load aus dem Amira Hauptmen File Nach der Wahl eines Verzeichnisses werden alle darin befindlichen Verzeichnis und Dateinamen in der Auswahlliste angezeigt wobei initial der Inhalt des Verzeichnisses angezeig
148. ft notwendig den Werte bereich auf 8 Bits zu reduzieren Eine solche Reduktion kann entweder linear ber den gesamten Wertebereich oder selektiv bzgl gewebetypischer Bereiche erfolgen F r Untersuchungen dieser Art ist es hilfreich ber einige einfache jedoch n tzliche Programme zu verf gen mit denen die Aufnahmedaten analysiert und verarbeitet wer den k nnen Einige Hilfsprogramme die zur Aufbereitung der verf gbaren Daten f r den Vergleich existierender Visualisierungssysteme DZ97 sowie den ersten Import in Amira dienten werden nachfolgend kurz vorgestellt Der zugeh rige Programmcode sowie die zugrundeliegende Bibliothek befindet sich auf der beiliegenden CD im Ver zeichnis medical image tools siehe Anhang B Seite 187 Die folgenden Hilfsprogramme wurden im Rahmen dieser Arbeit implementiert und unter dem Namen Medical Image Tools zusammengefasst getRange zur Ermittlung des vorliegenden Wertebereiches swapByte zur Vertauschung der Byteanordnung signedToUnsigned zur Transformation 1000 3095 gt 0 4095 unsignedToSigned zur Transformation 0 4095 gt 1000 3095 signedToByte zur Reduktion 1000 3095 gt 0 255 unsignedToByte zur Reduktion 0 4095 gt 0 255 3 2 1 Ermittlung des Wertebereiches Zur ersten Beurteilung vorliegender Daten ist es oft hilfreich deren Wertebereich zu kennen Daraus l sst sich bereits auf die Art der vorliegenden Daten bzw auf deren falsche Interpretation sch
149. g erfolgen kann Hierbei ist zu beachten dass das vereinfachte Modell lediglich zur Visualisierung herangezogen wird quantitative Untersuchungen im Rah men der Planung hingegen immer anhand der Originaldaten erfolgen 195 2 Medizinische Problemstellung und Konzept 2 3 5 Computergrafische Planung Liegt das computergrafische 3D Modell des Patientensch dels vor so kann daran die eigentliche Planung des chirurgischen Eingriffs erfolgen Ber cksichtigt man dabei die in Bild 2 2 auf Seite 8 gezeigte Vorgehensweise so w rde sich ein grafischer Planungs ablauf wie folgt gestalten 1 Ausrichten des 3D Sch delmodells in der Planungsansicht 2 Markierung der Auge Ohr Verbindung f r die Bereitstellung der grafischen Planungshilfe 3 Positionierung der Implantatmodelle F r die grafische Planung am 3D Modell ergeben sich mehrere M glichkeiten der Vor gehensweise Es kann sowohl eine Planung auf dem Modell der Hautoberfl che als auch der Knochenoberfl che erfolgen Die Planung auf einer semitransparenten Hautober fl che mit darunter liegendem Knochenmodell ist ebenfalls m glich Diese drei Darstellungsformen sollten somit auf jeden Fall bereitgestellt werden und sich vom planenden Arzt individuell ausw hlen lassen Die jeweilige Darstellungsform h ngt von der Fragestellung bei der Platzierung von Implantaten ab F r die visuelle Anordnung der Bohrstellen oder der Positionierung des Befestigungssteges bzw der Epithese bietet sich
150. gebenen Referenzwerten verglichen werden Zur Beschreibung der CT Aufnahmedaten werden folgende Parameter in einer Datenstruktur vom Typ ImageType zusammengefasst unsigned short width Anzahl der Spalten einer Bildmatrix unsigned short heigth Anzahl der Zeilen einer Bildmatrix unsigned short depth Anzahl der Schichten unsigned char bytesPerPixel Anzahl der Bytes pro Aufnahmewert unsigned long size Speicherbedarf fiir den CT Datensatz float voxelSize 3 Voxelabmessungen in Millimeter signed short minVal kleinster Wert der Aufnahmedaten signed short maxVal gr ter Wert der Aufnahmedaten void data Zeiger auf den Anfang der Bilddaten 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Marker und deren Eigenschaften werden ber die Datenstruktur MarkerType beschrieben Die Datentypen sind in der Datei marker h im Verzeichnis marker detection definiert siehe Anhang B Seite 187 ff char name 30 Bezeichnung short HUValue Segmentierungsschwelle int type Markertyp float refPoint 3 Referenzpunkt zur Registrierung float orientation 4 Orientierungsvektor und Winkel float volume Volumen in mm float boundingBox 6 Begrenzungsvolumen Quader float origin 3 Zentrum des Begrenzungsvolumens float centerOfMass 3 Schwerpunkt float eigenValue 3 Eigenwerte float eigenVector 3 3 Eigenvektoren float momentOfInertia 3 Tr gheitsmomente float radiu
151. gebnisse der Markerdetektion anhand einer Regist rierung des Referenzobjektes berpr ft werden Die Registrierung kann sowohl mit dem bisher eingesetzten Leksell Scope Planner als auch mit einer individuellen Auswertung der optisch ermittelten Positionsdaten erfolgen Ziel sollte es sein ber die Marker positionen einen beliebigen Punkt auf dem Objekt mit einer robotergef hrten Mess spitze ansteuern zu k nnen Erst ber die dabei erreichte Genauigkeit l sst sich die klinische Einsetzbarkeit des automatischen Detektionsverfahrens berpr fen Diese berpr fung ist jedoch nicht Bestandteil der vorliegenden Arbeit 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 4 7 Erweiterungsm glichkeiten Die implementierten Algorithmen und Verfahren liefern zwar zufrieden stellende Ergebnisse doch bedeutet das nicht dass sie sich nicht noch verbessern lassen Im Laufe der Arbeit wurden bereits einige verbesserungsw rdige Punkte erw hnt die an dieser Stelle f r nachfolgende Arbeiten noch einmal zusammengefasst werden sollen Ein wesentlicher Schwachpunkt erscheint die bisherige Nutzung einer einfachen Segmentierungsschwelle anstelle eines Segmentierungsintervalls zu sein Bei Verwen dung eines Intervalls lie e sich die Extraktion einzelner Markertypen vornehmen die in einer ersten Vorgabe nicht ber cksichtigt wurde da davon ausgegangen wurde dass immer alle Marker aus dem Datensatz extrahiert werden sollen Dar ber hinaus lag zu Begi
152. gmentierung verwendet werden soll Das Ergebnis der Funktion extractMarkers ist eine Liste von Elementen des Typs MarkerType sowie die Anzahl der vorliegenden Elemente Eine noch nicht implementierte Variante w re die M glichkeit der Angabe einer Ober und Untergrenze zur Binarisierung Diese M glichkeit wurde bislang ausgeschlossen da die Bereiche f r spezielle Markertypen 195 3 Import medizinischer Bilddaten erst exakt und vor allem reproduzierbar ermittelt werden m ssen Eine Beschr nkung der Obergrenze verhindert die Erkennung von Markern oder f hrt zur Nutzung einer niedrigen Segmentierungsschwelle mit entsprechend breitem Intervall Das erschien in der ersten Stufe zu restriktiv da ohnehin alle Marker durch deutlich h here Werte im Datensatz repr sentiert werden als das menschliche Gewebe siehe Bild 2 6 Die Bestimmung der zusammenh ngenden Markerregionen im CT Datensatz erfolgt durch einen modifizierten 3D F llalgorithmus der den Graphics Gems entnommen wurde Gla90 Dieser Algorithmus wurde sowohl f r die 26er als auch f r die 6er Nachbarschaft implementiert siehe Bild 4 16 wobei die Ergebnisse nicht so stark von einander abweichen dass sich der Mehraufwand durch Ber cksichtigung aller 26 Nachbarn eines Voxels lohnen w rde Als weiteres Ergebnis wird das quaderf rmige Begrenzungsvolumen der Markerregion ber seine Eckpunkte im CT Datensatz zur ck geliefert Durch diese Angabe l sst sich die Markerregion schne
153. gneter Kostenfunktionen oder der Einsatz von Verfahren der Fuzzy Logic anzuraten Auch mit neuronalen Netzen lassen sich brauchbare Klassifizierungsverfahren implementieren die durchaus als eigenst ndige Diplomarbeiten vergeben werden k nnen Als letzte der vielen m glichen Verbesserungen soll kurz auf die automatische Erzeu gung so genannter Marker Templates eingegangen werden Die Erstellung dieser CAD Referenzdaten unter Ber cksichtigung der markertypischen Kenngr en ist relativ aufwendig und kann nur von Personen vorgenommen werden die mit entsprechenden Programmen vertraut sind Der normale Benutzer steht jedoch vermutlich oft vor dem Problem einen neuen Datensatz vor sich zu haben den er z B mit Amira visualisieren kann und in dem er durch einfache Schwellenwertsegmentierung Marker extrahieren kann Die automatische Extraktion scheitert letztlich nur daran dass keine Referenz daten f r diesen Markertyp vorliegen Gelingt es nun aus den segmentierten Markern diese Daten nach visueller Kontrolle automatisch berechnen zu lassen und diese Daten inklusive des zugeh rigen Oberfl chenmodells abzuspeichern dann k nnen jederzeit Marker Templates zur automatischen Extraktion und Klassifikation generiert werden 4 8 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde ein automatisches Verfahren zur Lokalisierung und Klassifi zierung von Registrierungsmarkern in CT Daten vorgestellt Die implementierte Bibliothek sollte sich dabei einfach auf
154. h Open Inventor Release 2 Addison Wesley Reading MA 1994 Wernecke J Inventor Toolmaker Extending Open Inventor Release 2 Addison Wesley Reading MA 1994 195 Bedienung des Planungssystems WHSW98 WLS95 WMS96 Zac98 Zam91 ZIB98 46 Westwood J D Hoffman H M Stredney D Weghorst S J Hrsg Medicine Meets Virtual Reality Art Science Technology Healthcare R evolution Volume 50 in Studies in Health Technology and Informatics San Diego IOS Press 1998 Wachter R Lauer G Schilli W Schwierigkeiten bei der epithetischen Versorgung von Orbitadefekten nach Radiatio In GECP95 S 86 ff 1995 Weghorst S J Morgan K S Sieburg H B Hrsg Medicine Meets Virtual Reality Healthcare in the Information Age Volume 29 of Studies in Health Technology and Informatics San Diego IOS Press 1996 Zachow S Modellierung von Weichgewebe Simulation von Deformation und Destruktion Neue Moglichkeiten in der computergesttitzten Chirurgie Shaker Verlag Aachen 1998 Zamperoni P Methoden der digitalen Bildsignalverarbeitung 2 Auflage Vieweg 1991 Konrad Zuse Zentrum f r Informationstechnik Berlin URL http www zib de 1998
155. handlungsrelevanten Ausschnittes des Datenvolumens zur Beschleunigung der Modellerzeugung ist mit Amira zwar m glich doch ist die der zeitige Vorgehensweise eher umst ndlich und irref hrend und somit nicht f r den Einsatz im Planungssystem geeignet An dieser Stelle wurden bereits berlegungen mit den Amira Entwicklern am ZIB angestellt und M glichkeiten diskutiert mit denen die Beschleunigung und Verbesserung der Modellgenerierung unter Ber cksichtigung einer lokal variierenden Approximationsgenauigkeit erm glicht werden k nnte Vorstellbar ist die interaktive Festlegung einer Region of Interest ROI die sowohl in den Projektionsansichten als auch in der 3D Ansicht erfolgen kann Die ROI umfasst dabei das f r die Planung relevante Teilvolumen des CT Datensatzes Innerhalb der ROI wird ein Oberfl chenmodell mit hoher Approximationsg te erzeugt und au erhalb der ROI kann ein stark vereinfachtes Oberfl chenmodell generiert werden Auf diese Art lie e sich ein gro er Teil der Aufnahmedaten durch eine geringe Anzahl von Dreiecksfl chen im 3D Modell repr sentieren Das Planungsgebiet das nur einen ge ringen Prozentsatz des Gesamtvolumens ausmacht lie e sich so mit maximaler Genauigkeit in ein 3D Modell berf hren Die beiden Gebiete k nnten dann mit einer unterschiedlichen Farbe visualisiert werden so dass sich die Bereiche im Rahmen der Planung deutlich voneinander unterscheiden lassen Eine solche Vorgehensweise bei der Modellge
156. he Histogrammanalyse und eine Konturierung von Regionen bzw Teilen davon w rde im Zusammenhang mit geeigneten Bedienelementen zur Variation der HOUNSFIELD Werte eine verbesserte M glichkeit zur Bildanalyse und Diagnose dar stellen Die G te der Segmentierungsschwellen ist f r die Genauigkeit der Gewebe dickebestimmung von gro er Bedeutung Die Navigation im CT Stapel k nnte durch die berlagerte Darstellung des 3D Modells mit drei orthogonal zueinander angeordneten semitransparenten Schichten vereinfacht werden wobei die Auswahl einer Schicht in der Projektionsansicht zu einer ent sprechenden Anordnung der Schichten in der 3D Ansicht f hrt die sich wahlweise ein bzw ausblenden lassen Die Betrachtungsrichtung bei den Projektionsansichten k nnte falls dies von medizinischer Seite gew nscht wird in geeigneter Form gekennzeichnet werden Die Blickrichtung der Sagittalansicht lie e sich dann auch gem der Ausrich tung des dargestellten 3D Modells anpassen Eine Planung an der linken Kopfh lfte w rde in der Sagittalansicht eine Blickrichtung von links hervorrufen und umgekehrt 195 3 Import medizinischer Bilddaten 5 2 2 Verbesserung der 3D Modellgenerierung Die Erzeugung des 3D Modells Bild 5 3 ist derzeit noch recht umst ndlich und zeit aufwendig wobei die Nutzung eines externen Skriptes lediglich ein Provisorium darstellt mit dem der gesamte Vorgang in einem Schritt vorgenommen werden kann Die Definition eines be
157. hen Implantaten berechnen und deren Ausrichtung zueinander und zur Knochenoberfl che optimieren Erst wenn eine Planung anhand der vorliegenden Daten auch mit einer ausreichenden Genauigkeit auf den Patienten umgesetzt werden kann l sst sich ein entsprechendes System in der klinischen Routine einsetzen Aus diesem Grund ist ein weiterer Bestandteil der Arbeit die genaue Detektion so genannter Registrierungsmerkmale die in Form von kleinen Metallmarkern am Patienten angebracht und im Rahmen der Bild gebung erfasst werden Diese Marker die sich aufgrund ihres hohen Absorptionskoeffi zienten bzgl hochfrequenter R ntgenstrahlung deutlich vom umliegenden menschlichen Gewebe abheben m ssen in den Aufnahmedaten erkannt und klassifiziert werden L sst sich deren genaue Lage und Orientierung aus den Bilddaten rekonstruieren dann ist es m glich die ber das Modell erzeugten Planungsdaten mit dem zugeh rigen Patienten in Relation zu setzen Die robotergest tzte Umsetzung der Planung erfolgt ber ein separates Ausf hrungs system das zeitgleich mit dieser Arbeit am Surgical Robotics Lab entwickelt wird Zu diesem Zweck ist es erforderlich ein geeignetes Datenformat zu definieren das alle f r die Umsetzung der Planung notwendigen Daten umfasst Die Planungsdaten m ssen nach Abschluss der Planung in diesem Format abgespeichert und vom Ausf hrungs system wieder eingelesen bzw in sp teren Ausbaustufen direkt bertragen werden Das Result
158. hilfen bei der Implantatpositionierung 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Wurden beide Implantate am Sch delmodell positioniert dann liegt dadurch auch unmittelbar der Abstand zwischen diesen Implantaten vor Dieser Abstand ist ma geblich f r die Herstellung des erforderlichen Steges zur Befestigung der Epithese siehe Bild 2 4 auf Seite 11 und wird ebenfalls im Arbeitsbereich angezeigt Alle L ngenmessungen erfolgen dabei unter Ber cksichtigung einer Parallelprojektion der Modellkoordinaten in die Planungsebene wodurch im Gegensatz zur perspektivischen Projektion eine unverzerrte Geometrie der Modelldaten gew hrleistet ist Zur Visuali sierung des Planungsergebnisses werden die Implantate durch ein einfaches 3D Modell eines Befestigungssteges miteinander verbunden ber diese Darstellung kann das Planungsergebnis qualitativ bewertet werden wobei sich das 3D Sch delmodell beliebig drehen l sst und ebenfalls wieder eine semitransparente Darstellung der Hautoberfl che gew hlt werden kann Bild 5 9 i Siete Ber are Gites OTe Stare ae eet ter nl te waj N Bild 5 9 Implantate mit Befestigungssteg am 3D Modell 5 1 5 Optimierung der Planungsvorgaben Eine Vorgabe bei der Positionierung der Implantate war dass diese parallel und h henm ig zueinander ausgerichtet sind Diese Vorgabe ist bei einer manuellen Posi tionierung jedoch nicht einzuhalten so dass vom Planungssystem eine automatische Korrektur
159. hne den Wert des aktuellen Datenelementes ber cksichtigen zu m ssen In einem konkreten Datenelement ist die Repr sentation des Wertes durch die Kombi nation aus Gruppen und Elementnummer bestimmt Die Semantik eines Elementes ist ber eine Zuordnungstabelle dem so genannten Data Dictionary definiert Daten elemente k nnen ASCII oder Bin rinformation enthalten Zeichenketten nat rliche und rationale Zahlen werden im ASCH Format kodiert Dabei gibt es auch Elemente die mehrere durch einen Backslash 0x5C getrennte Werte beinhalten k nnen ASCH Werte mit ungerader L nge werden immer mit einem Leerzeichen 0x20 aufgef llt Bezeichner und L ngen sowie die Bilddaten liegen im Bin rformat vor Unter Kenntnis des Aufbaus einer ACR NEMA Nachricht l sst sich diese bzgl der Standardgruppen und derer Elemente problemlos auswerten Wird der Datenstrom einer solchen Nachricht auf einem Computer eingelesen und anschlie end auf einem Daten tr ger abgespeichert so kann beim erneuten Einlesen auf einem anderen Computer nicht mehr von der festgelegten Transfersyntax ausgegangen werden da die Anordnung der Bytes auf dem Datentr ger von der Rechnerarchitektur des Rechners abh ngt der diese Daten abgespeichert hat Aus diesem Grund muss beim Einlesen der Daten von einem Datentr ger eine Synchronisation zwischen eigener und vorliegender Byteanordnung erfolgen Der wesentliche Schwachpunkt des Standards in dieser Form betraf die Beschr nk
160. i M tT Regeienngemaker i Bhat Lib r Tumar Mir Bau Mine J Men P speicheldinise i Dam Hamblase Nabanniere Wiigi oe 0 A04 Erustdr se Fre mj an Fe Lunge A ta Bild 2 6 HOUNSFIELD Einheiten typischer Gewebe F r die Nutzbarkeit der Planungsdaten ist es nun von entscheidender Bedeutung ge eignete Marker an zweckm igen Stellen des Patienten zu befestigen wobei ber ck sichtigt werden muss dass im Allgemeinen Markertypen Verwendung finden die nicht invasiv auf die Hautoberfl che geklebt werden Hierbei ist allerdings zu bedenken dass sich die Haut verschieben kann dass Marker insbesondere auf stark fettenden Haut bereichen auch verrutschen und einzelne Marker in der Zeitspanne zwischen Aufnahme und Operation sogar abfallen k nnen Eine maximale Genauigkeit bei der Registrierung l sst sich somit nur dann erreichen wenn entweder die tomographische Aufnahme inklusive der Planung unmittelbar vor der Operation erfolgt oder anatomische bzw im Knochen verankerte Registrierungsmerkmale verwendet werden FWN 96 MFG 96 K nnen die Positionen und ggf Orientierungen der Marker in den CT Daten detektiert werden und lassen sich diese Marker auch w hrend der Operation genau lokalisieren dann k nnen durch Transformation der Koordinatensysteme von Modell und Patient die Planungsdaten intraoperativ genutzt werden 195 2 Medizinische Problemstellung und
161. i ist unter dem Namen ModGen scro im Verzeichnis Amira packages hxepiplan gespeichert Das Skript enth lt alle zur Modellerzeugung not wendigen Aufrufe in Form von TCL Kommandos die vom Amira TCL Kommando gt Eine detaillierte Beschreibung ist der Bedienungsanleitung in Anhang A Seite 167 ff zu entnehmen 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten interpreter ausgewertet und ausgef hrt werden ber das Skript wird aus den CT Daten ein kombiniertes Modell der Haut und Knochenoberfl che erzeugt wobei die Schwellenwerte f r Haut und Knochen sowie die gew nschte Darstellungsgenauigkeit in Form einer Anzahl zu generierender Dreiecksfl chen vom Benutzer eingegeben werden k nnen siehe Bild 5 3 Bild 5 3 Aus den CT Daten rekonstruiertes 3D Oberfl chenmodell An dieser Stelle ist anzumerken dass typische CT Datens tze zu 3D Oberfl chen modellen f hren die sich aus einer sehr gro en Anzahl von Dreiecksfl chen zusammen setzen Solche Modelle sind im Rahmen einer interaktiven Planung jedoch in der Regel nicht zu verarbeiten Aus diesem Grund ist die Angabe einer Anzahl von Dreiecksfl chen erforderlich mit der die Haut und Knochenoberfl che approximiert wird Ein Wert von 50 000 bis 100 000 Dreiecken f hrt je nach Grafikleistung des verwendeten Computersystems zu interaktiv manipulierbaren 3D Modellen Der Vorgang der Modellgenerierung und vereinfachung ist allerdings sehr langwierig und kann je nach Datenumfa
162. ichen lose 12 Bit Werte 0 4095 in jeweils 2 Bytes vorliegen in vorzeichenlose 8 Bit Werte 0 255 umwandeln Dazu werden lediglich die Materialbereiche Iin aus Tabelle 3 1 in den positiven Wertebereich verschoben Ebenso lie en sich die Aufnahmewerte erst mit unsignedToSigned in den Wertebereich 1000 bis 3095 verschieben und anschlie end mit signedToByte auf acht Bit reduzieren Dieser Wertebereich ist aller dings nur f r CT Daten relevant so dass die Funktion unsignedToByte extra bereitgestellt wurde um die Materialbereiche z B auf die Anforderungen der Magnetresonanz tomographie MRT anpassen zu k nnen Der Aufruf der Programme erfolgt durch Eingabe des Programmnamens des Namens der Datei mit den Bilddaten und eines Namens f r die Zieldatei in der das Ergebnis ab gespeichert werden soll Existiert eine Datei mit dem angegebenen Namen der Zieldatei so wird diese nicht berschrieben sondern eine Warnung ausgegeben signedToByte imageFile outputFile unsignedToByte imageFile outputFile Die Programme unsignedToByte und signedToByte erlauben in der bereitgestellten Form keine Parametrisierung tiber die Kommandozeile Es k nnen somit nur die im 195 3 Import medizinischer Bilddaten Programm festgelegten Transformationstabellen verwendet werden Diese bestehen aus einer den Vorgaben entsprechenden Datenstruktur die je nach Anforderung initialisiert werden muss Zus tzliche Materialbereiche lassen sich jedoch einfach einf
163. icitVR 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 3 4 6 berpr fung der Byteanordnung in einer Datei Um die Byteanordnung innerhalb eines unbekannten ACR NEMA DICOM Daten stromes ermitteln zu k nnen muss eine heuristische Untersuchung der zu erwartenden Daten erfolgen Erst wenn Teile des Datenstroms mit Sicherheit erkannt werden kann die Auswertung der gesamten Datei erfolgen Zu diesem Zweck wird mit der Bibliotheksfunktion dicomLittleEndian das erste Daten element zweimal eingelesen und sowohl im little endian als auch im big endian Format ausgewertet Aus der Kenntnis dass sowohl Gruppen als auch Elementbezeichner in ansteigender Reihenfolge im Datenstrom enthalten sein m ssen und das Vertauschen der Bytes zu einer Vorzeichenumkehr oder zu einer drastischen nderung des Wertes f hrt gibt das Element das den niedrigeren positiven Gruppenbezeichner ungleich 0 besitzt die Datenrepr sentation vor Handelt es sich um die Gruppe 0 dann wird als N chstes der Elementbezeichner in gleicher Form untersucht und anschlie end das L ngenfeld Sollten alle Felder den Wert 0 bzw einen kleineren Wert enthalten dann wird als Vorgabewert little endian f r die vorliegende Transfersyntax angenommen An dieser Stelle k nnten zwar noch weitere Elemente eingelesen werden doch lie en sich mit der beschriebenen Vorgehensweise bereits alle vorliegenden Datens tze korrekt klassifizieren Die Pr fung ob es sich wirklich um ein
164. ieses Feld zur ckgeliefert wird Nach Aufruf dieser Funktion k nnen die Daten entweder linear verarbeitet oder es kann in indizierter Form tiber die Zeilen und Spalten auf die Aufnahmewerte der zugeh rigen Schichten zugegriffen werden Das Zeigerfeld kann dabei jederzeit erzeugt und mit srIReleaseData wieder freigegeben werden ohne dass die Bilddaten kopiert oder gel scht werden m ssen Es stellt lediglich eine bequeme und weniger fehlertr chtige Zugriffsform auf die Bilddaten bereit 6 3 Hilfsprogramme zur Auswertung des SRL Datenformates Zum Test der Bibliotheksfunktionen und zur Analyse von Daten im SRL Format wurden im Rahmen dieser Arbeit einige einfache Hilfsprogramme implementiert Diese Programme erweitern die in Abschnitt 3 2 vorgestellten Medical Image Tools und lassen sich mit diesen zu n tzlichen Verarbeitungsketten kombinieren Der zugeh rige Programmcode liegt im Verzeichnis srl header tools auf der beiliegenden CD vor siehe Anhang B Seite 187 ff checkSrlHdr zur Syntax berpr fung des Datenformates extractSrIHdr zur Extraktion der gesamten ASCII Information extractSrl zur Extraktion von Kommentaren Gruppen oder Eintr gen extractSrllmg zur Extraktion der Binardaten showSrlHdr zur formatierten Ausgabe aller Eintrage getSrlEntry zur gezielten Abfrage einzelner Eintrage 195 3 Import medizinischer Bilddaten 6 3 1 berpr fung des Datenformates Das Programm checkSriHdr erm glicht die berpr fung der Synt
165. igen Umgebungsvariablen werden zum Startzeitpunkt von Amira ausgewertet und miissen entsprechend gesetzt sein t csh setenv AMIRA_ROOT usr local Amira baJsh export AMIRA_ROOT usr local Amira t lcsh setenv AMIRA_LOCAL HOME Amira balsh export AMIRA_LOCAL HOME Amira 4 5 2 Die Benutzerschnittstelle zur Markerdetektion Die Benutzerschnittstelle zur Detektion von Registrierungsmarkern aus CT Daten wurde an die Funktionalit t des Programms findMarker angelehnt Als Erstes muss ein CT Datensatz eingelesen werden was in Amira ber die Men option Load des File Men s erfolgen kann Abschnitt 3 6 2 Seite 53 Nachdem ein Datensatz eingelesen wurde kann dieser auf vorliegende Registrierungsmarker untersucht werden Dazu muss das durch ein gr nes Sinnbild repr sentierte Datenobjekt der CT Daten im Netzwerk editor von Amira mit der rechten Maustaste ausgew hlt werden In der daraufhin erscheinenden Men liste wird die Funktion MarkerDetection ausgew hlt worauf im Netzwerkeditor ein Symbol f r das Verarbeitungsmodul hxMarkerFinder erscheint das mit den CT Daten verbunden ist Im darunter liegenden Arbeitsbereich wird die gra fische Benutzerschnittstelle zur Markerdetektion angezeigt Bild 4 23 F r eine detail lierte Anleitung zur Benutzung des Visualisierungssystems Amira sei an dieser Stelle auf das Online Benutzerhandbuch Ami98 sowie den entsprechenden Abschnitt in Anhang A verwiesen Analog zu findMarker kann ohne zu
166. ilddaten Zur weiteren Planungsunterst tzung werden zu jeder Implantatposition automatisch die zugeh rigen drei Schichten in den Projektionsansichten ausgew hlt und die Konturen des Implantates in der jeweiligen Schicht dargestellt Dazu werden alle Dreiecksfl chen aus denen sich das CAD Implantatmodell zusammensetzt daraufhin berpr ft ob sie die jeweils ausgew hlte Ebene im Datenvolumen schneiden Alle Schnittlinien werden anschlie end als Kontur in der zugeh rigen Schicht dargestellt Die Pr fung erfolgt dabei f r jede Schicht die in der Projektionsdarstellung der Standardansicht ausgew hlt wird f r jede Dreiecksfl che des Implantatmodells f r jede Projektionsebene axial sagittal coronal wenn Dreiecksfl che und Ebene geschnitten zeige Schittlinie bzw punkt in Ebene Nach Festlegung einer Implantatposition am 3D Modell k nnte auch sofort in allen angrenzenden Schichten berpr ft werden ob das Implantat vollst ndig von Knochen gewebe umgeben ist an Mastoidzellen angrenzt oder die Knochendicke m glicherweise nicht zur Aufnahme des Implantates ausreicht In der aktuellen Implementierung obliegt diese berpr fung jedoch noch vollst ndig dem planenden Arzt Diesbez gliche Erweiterungen zur algorithmischen Analyse inklusive der Generierung entsprechender Warnhinweise sind allerdings sinnvoll und sollten in einer weiteren Arbeit imple mentiert werden byi es cit fa ch E Tiei Ama Bild 5 8 Planungs
167. immer auf die Diagonalform transformiert werden wobei die Deviationsmomente verschwinden Die daraus resul tierenden neuen Achsen werden als Haupttr gheitsachsen und die Diagonalelemente als Haupttr gheitsmomente bezeichnet Die Haupttr gheitsachsen die durch den Schwer punkt eines K rpers verlaufen entsprechen bei symmetrischen K rpern gerade den Symmetrieachsen Kuy97 Auf Grundlage der Haupttr gheitsachsen kann demnach eine Untersuchung bzgl der Objektsymmetrie als Formcharakteristik erfolgen 4 3 5 Hauptachsentransformation Eigenwerte und Eigenvektoren Je nach Lage der Region in Relation zum Modellkoordinatensystem variieren die Koeffizienten des Tr gheitstensors Diese geben Auskunft ber die r umliche Ver teilung der Massepunkte des zugrundeliegenden K rpers In Analogie zur physika lischen Betrachtung sind nun die Achsen gesucht um die der K rper mit minimaler Tr gheit rotiert Zu diesem Zweck wird in die vorliegende Punktmenge ein ortho normales Koordinatensystem gelegt dessen Achsen in mathematischer Hinsicht Regressionsgeraden darstellen zu denen die Summe der Abstandsquadrate aller Punkte minimal sein soll Der vorgegebene Tr gheitstensor stellt in diesem Zusammenhang eine Kovarianzmatrix bzgl der Abweichungen dar 195 3 Import medizinischer Bilddaten Im optimalen Fall liegt der Tr gheitstensor bereits in seiner Diagonalform vor das hei t seine Deviationsmomente sind Null Dieses ist der Fall wenn d
168. ine weitere automatische Lage korrektur vorgenommen werden In der vorliegenden Implementierung erfolgt eine weitere Korrektur der Implantatausrichtungen Beide Implantate werden unter Bei behaltung ihrer Parallelit t so gedreht dass ihre Oberkanten in einer gemeinsamen Ebene liegen Nach der h henm igen Ausrichtung ist gew hrleistet dass ein Steg mit optimalem Sitz auf beiden Implantath lsen montiert werden kann siehe Bild 5 11 Bild 5 11 Implantatpositionen in der Projektionsansicht 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Auch nach dieser Ausrichtung m sste theoretisch eine erneute Verschiebung der Implantate erfolgen bei der die komplette H lse in das Knochenmaterial versenkt wird ber die Projektionsansichten kann die Lage der Implantate im Knochenmaterial visuell berpr ft werden wobei die Ausrichtung im Vergleich zur unkorrigierten Position auf grund der relativ geringen Implantatabmessungen und der kleinen Korrekturwinkel vorerst als vernachl ssigbar erscheint Die Notwendigkeit einer solchen Korrektur h ngt aber von der erreichten Genauigkeit bei der Planungsumsetzung ab so dass auch diese berpr ft werden muss Das Ensemble aus Implantaten und Steg besitzt an dieser Stelle noch einen Freiheits grad der manuell auf die jeweils vorliegende Situation angepasst werden muss Es kann noch eine Rotation um die Achse erfolgen die sich aus der Verbindung der beiden Auflagepunkte am Knochen ergibt Zu
169. iner neuen Gruppe muss dieser Datentyp entsprechend erweitert werden Tabelle 6 1 Datentypen des SRL Formates srlPatient Patientendaten srlDate Aufnahmedatum srlTime Aufnahmezeit srlModality Aufnahmeart srlImage Aufnahmeparameter srlMaterial Segmentierungsinformation srlPreview Planungsansicht en srlMarkerList Liste der Registrierungsmarker srlTargetList Liste der Bohrdaten 6 2 2 Einlesen der ASCII Information Die bernahme eines Datenstroms im SRL Format erfolgt zweistufig Als Erstes wer den alle Daten bis zu einer in srl h definierten Endesequenz End of Header mittels der Bibliotheksfunktion srlReadHdr in einen Bytestrom bernommen Dieser Bytestrom liegt anschlie end uninterpretiert im Speicher vor Uber die Funktion srIConvertHdr l sst sich ein solcher Bytestrom in eine Struktur vom Typ srIType berf hren Durch diese Vorgehensweise erfolgt die Analyse des Datenformates im Speicher was einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil zur Folge hat Wenn das Datenformat korrekt aus gewertet werden konnte liefert sriConvertHdr einen Zeiger auf eine neu angelegte Struktur vom Typ srIType zur ck und im Fehlerfall den Wert 0 Die Funktion srlCon vertHdr bildet das Herzst ck der SRL Bibliothek da in ihr die einzelnen ASCII Ein tr ge entsprechend eines zugrundeliegenden Datenformates interpretiert werden Eine Erweiterung der Datenstrukturen muss demzufolge auch in dieser Bibli
170. ing Volume 30 in Studies in Health Technology and Informatics IOS Press 1997 Rossing N Darvann T Kreiborg S Larsen P From Diagnostic Imaging to Image Guided Therapy in Patient Focused Care In LIJV95 S 818 824 1995 Revet B DICOM Cook Book for Implementation in Modalities Version 1 1 Nr XPR080 970004 00 Philips Medical Systems URL ftp ftp philips com pub ms dicom DICOM_Information 1997 Ratib O Girard C Ligier Y The Papyrus Image File Format Based on DICOM Standard In LIJV95 S 464 471 1995 Reekow E D Nappi B CAD CAM Automation and Expert Systems for Design and Fabrication of Dental Restorations In TLBM96 Chapter 41 S 543 554 1996 Rahmanzadeh R Scheller E E Hrsg Alloplastische Verfahren und Mikrochirurgische Ma nahmen Einhorn Presse Verlag 1994 Rademaker M Sandmann H Schwipper V Anwendungsspektrum unterschiedlicher Suprakonstruktionen in der kraniofazialen Epithetik In ST97 S 233 238 1997 Rohr K Stiehl H S Sprengel R et al Landmark Based Elastic Matching of Tomographic Images In Digitale Bildverarbeitung in der Medizin 5 Workshop der Universit t Freiburg URL http www informatik uni freiburg de saupe workshop html 1997 Schulz E Computertomographische Verfahren Thieme Stuttgart 1985 Schmidt O Fritzemeier U Verankerungsm glichkeiten in der Epithetik und Defektprothetik In GECP95 S 21 28 1995 Si
171. ion rechnerisch kontrolliert Gefordert ist jedoch ein Modul das von Amira aufgerufen werden kann einen CT Datensatz hinsichtlich der Existenz von Registrierungsmarkern untersucht und das Ergebnis der Markerdetektion in visuell ansprechender Form mit korrekter Position und Orientierung der Marker in Relation zum 3D Patientenmodell anzeigt Zur Visualisierung der Marker sollen 3D CAD Modelle herangezogen werden deren Erstellung und geeignete Bereitstellung einen Teil dieser Arbeit bildet Des Weiteren ist eine interaktive Korrekturm glichkeit gefordert mit der Marker entfernt bzw deren Eigenschaften bei Bedarf modifiziert werden k nnen Die Liste der vom planenden Arzt akzeptierten Marker muss zur weiteren Nutzung an ein Ausf hrungssystem bergeben oder gespeichert werden Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Modul hxMarkerFinder f r das Visualisierungs system Amira entwickelt und implementiert mit dem sich Registrierungsmarker aus CT Datens tzen extrahieren lassen Dieses Modul stellt eine objektorientierte grafische Benutzerschnittstelle zur Markerdetektionsbibliothek dar und erm glicht mit Hilfe der DICOM Importbibliothek Abschnitt 3 6 1 Seite 52 ff eine Extraktion von Registrie rungsmarkern aus computertomographischen Aufnahmedaten Das komplette Modul inklusive Programmcode befindet sich auf der beiliegenden CD im Verzeichnis Amira packages hxmarkerfinder Anhang B Seite 187 ff 4 5 1 Das Modul hxMarkerFinder Das Modul hxMarke
172. iplan Anhang B Seite 187 ff 5 1 1 Das Modul hxEpiPlan Mit hxEpiPlan wird das Visualisierungssystem Amira um ein dynamisch ladbares Modul erweitert dass die geforderte Planung anhand von CT Daten und den daraus rekon struierten Oberfl chenmodellen erm glicht Es stellt dabei ein interaktiv nutzbares Verarbeitungsmodul dar das im Gegensatz zu den sonstigen Amira Modulen weder einem Daten noch einem reinen Verarbeitungs oder Pr sentationsmodul entspricht Ein Modul der Art von hxEpiPlan k nnte man im Prinzip als Anwendungsmodul be zeichnen das die Funktionalit t von Amira f r eine konkrete Aufgabenstellung nutzt Der ausf hrbare Programmcode von hxEpiPlan muss sich entweder im Installations verzeichnis von Amira oder in einem lokalen Entwicklungsbereich befinden auf den ber die Umgebungsvariable AMIRA_LOCAL verwiesen wird Diese und die Variable AMIRA_ROOT werden zur Startzeit von Amira ausgewertet und die entsprechenden Verzeichnisse auf die Existenz zus tzlicher Module berpr ft t csh setenv AMIRA_ROOT usr local Amira ba sh export AMIRA_ROOT usr local Amira t lcsh setenv AMIRA_LOCAL HOME Amira balsh export AMIRA_LOCAL HOME Amira Mittels der Datei hxepiplan rc die sich im Verzeichnis Amira share resources befindet wird das Modul hxEpiPlan bekannt gemacht Die Datei hxepiplan rc hat dabei den fol genden Inhalt module name EpiPlan class HxEpiPlan primary HxSurface seconda
173. ird Abschlie end erfolgt in Kapitel 6 die Beschreibung des Datenformates zum Export der Planungsdaten die mit einem Ausf hrungssystem weiterverarbeitet werden sollen Im nachfolgenden Kapitel 7 wird das implementierte Planungssystem bewertet und die M glichkeiten zusammengefasst wie und an welchen Stellen dieses System im Hinblick auf eine klinische Nutzbarkeit verbessert werden kann Eine klinische Bewer tung kann in dieser Arbeit noch nicht erfolgen da mit ihr der erste Prototyp eines Planungssystems bereitgestellt wird Dieser Prototyp basiert zwar auf den Vorgaben der medizinischen Anforderungen doch m ssen vor einem klinischen Einsatz noch detail lierte Genauigkeitsuntersuchungen sowie praktische Anwendertests erfolgen die im Rahmen dieser Diplomarbeit nicht vorgenommen werden konnten Anhang A beinhaltet eine kurze Bedienungsanleitung in der die Nutzung der ent wickelten Komponenten des Planungssystems beispielhaft beschrieben ist In Anhang B befindet sich eine bersicht ber den auf der beiliegenden CD vorliegenden Programm code sowie die zugeh rigen Testdaten F r die Weiterentwicklung kann die Verzeich nisstruktur auf der CD in das eigene Entwicklungsverzeichnis kopiert werden Alle ausf hrbaren Programme wurden auf einer Silicon Graphics Workstation unter IRIX 6 3 bzw 6 4 mit dem MIPS Pro Compiler Version 7 2 bersetzt und sind dort sofort ablauf f hig Auf anderen Rechnerplattformen muss der Programmcode neu berset
174. iterung von Amira darstellt Ami98 Um Amira von seiner eigenen Bedienoberfl che dem Arbeitsbereich und dem Netzwerkeditor zu befreien k nnte z B eine neue Klasse HxAppModule entwickelt werden ber die ein Zugriff auf die Funktionalit t von Amira unter Nutzung einer individuellen Bedienoberfl che erm glicht wird womit jeder davon abgeleiteten Klasse ein unabh ngiges Aussehen mit individuellen Bedieneigenschaften gew hrt werden kann Davon abgeleitete Klassen die keine eigene Benutzeroberfl che bereitstellen k nnen dabei weiterhin ber die gewohnte Amira Oberfl che bedient werden Eine Basisklasse vom Typ HxAppModule existiert derzeit noch nicht b te jedoch eine gro e Flexibilit t bei der Entwicklung von auf Amira aufsetzenden Anwen dungen Als Benutzerschnittstelle k nnte dann z B mit der Programmiersprache Tk eine platt formunabh ngige grafische Bedienoberfl che entwickelt werden ber deren 195 3 Import medizinischer Bilddaten Bedienelemente sich die entsprechenden Kommandos in Amira aufrufen und das Planungssystem steuern l sst Wel95 Fos97 Amira verf gt bereits ber eine Tel Kommandoschnittstelle so dass lediglich ein Tk Kommandointerpreter in Amira integriert werden m sste um das Planungssystem mit einer Tcl Tk Schnittstelle zu ver sehen Ebenso ist eine Bedienung ber einen HTML Browser Netscape Internet Ex plorer u vorstellbar wobei die grafischen Bedienelemente durch geeignete Grafik sym
175. ittels des Pr sentationsmoduls hxDisplayLandmarks visualisiert Die 3D Markermodelle wer den dabei in das Modellkoordinatensystem der CT Daten transformiert und lassen sich so mit dem 3D Patientenmodell darstellen und geometrisch manipulieren Jeder klassifi zierte Markertyp wird durch das zugeh rige CAD Modell repr sentiert wobei sich durch Auswahl des Symbols f r die Markerdaten im Netzwerkeditor eine detaillierte Information zu Typ und Position der Marker anzeigen l sst Die Selektion eines Markers mit der Maus f hrt zur Anzeige des zugeh rigen Markertyps sowie der Koordinaten im Modellkoordinatensystem In Bild 4 24 ist das Ergebnis einer Markerdetektion mit den zugeh rigen CT Daten und einem selektierten Philips Marker gezeigt Mercer pian 142 65 RT Cl Bild 4 24 Visualisierung erkannter Registrierungsmarker 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 4 5 5 Manuelle Korrektur Die automatische Markerdetektion h ngt sehr stark von der Qualit t der Aufnahme daten dem Schichtabstand und der verwendeten Segmentierungsschwelle ab Befinden sich in einem Datensatz viele unterschiedliche Markertypen dann kann es durchaus vorkommen dass nicht alle Marker korrekt klassifiziert werden In solch einem Fall m ssen die entsprechenden Marker manuell umklassifiziert und ggf deren Ausrichtung korrigiert werden Zu diesem Zweck wurde ein Editor bereitgestellt der sich ber das zugeh rige HxLandmarkSet aufrufen l ss
176. kerregion l sst sich das Volumen Vm entsprechend 4 8 aus der Summe der einzelnen Voxelvolumen V bestimmen Fe 328 ne 4 8 Die Oberfl che A einer Region erh lt man durch Addition aller m Voxelseitenfl chen dsl 42 5 dsm die nicht an ein benachbartes Voxel der Region angrenzen Bei den Seitenfl chen muss je nach Lage im Volumen das Produkt aus den beiden Pixeldimen sionen oder aus einer Pixeldimension und dem Schichtabstand ber cksichtigt werden L ge der Zusammenhang zwischen den HOUNSFIELD Einheiten die ja ein Ma f r die Absorptionseigenschaften eines Materials darstellen und der Dichte p des Materials vor die ma geblich f r die Absorption von R ntgenstrahlung ist dann k nnte ber den Zusammenhang in 4 9 problemlos auf die Masse m der Region geschlossen werden Eine entsprechende Tabelle oder ein funktionaler Zusammenhang zwischen HOUNSFIELD und Dichtewerten lag f r diese Arbeit jedoch nicht vor m Vp mit p f HU 4 9 195 3 Import medizinischer Bilddaten 4 3 3 Schwerpunkt als Markerposition F r jede Markerregion muss ein Referenzpunkt festgelegt werden der die Lage der Markerregion im Datenvolumen beschreibt Dieser Punkt sollte die aus einer beliebigen Anzahl zusammenh ngender Aufnahmewerte bestehende Region eindeutig lokalisieren Zu diesem Zweck k nnte das geometrische Zentrum eines K rpers verwendet werden der die Region vollst ndig umschlie t doch w re dadurch nicht gew hrleistet dass
177. klinischen Einsatz muss das Planungssystem alle anfallenden CT Daten verarbeiten k nnen sowie eine einfache klare und sichere Benutzerf hrung besitzen die von den Anwendern akzeptiert wird Die Planung soll dabei intuitiv und mit optimaler Computerunter st tzung vorgenommen und das Ergebnis der Planung an ein Ausf hrungssystem bertragen werden welches die Planungsdaten interpretiert diese auf die jeweilige Patientenlage umrechnet alle erforderlichen Steuerkommandos zur exakten roboter gest tzten Planungsumsetzung generiert und die Einhaltung der Planungsdaten berwacht Zur intraoperativen Nutzung der Planungsdaten muss dabei sichergestellt sein dass die Planungsdaten mit einer ausreichenden Genauigkeit auf den Patienten angewendet werden k nnen Das entsprechend der Anforderungen erweiterte Visualisierungssystem Amira bietet derzeit eine M glichkeit zur computergest tzten Planung Es stellt allerdings noch kein eigenst ndiges Planungssystem im Sinne eines Produktes dar sondern bietet lediglich die gesamte geforderte Funktionalit t Es k nnen medizinische Bilddaten im ACR NEMA DICOM Format eingelesen interpretiert und verarbeitet werden Somit l sst sich eine Planung anhand aller Daten die von den Computertomographen der Klinik f r Mund Kiefer und Gesichtschirurgie der Charit amp Berlin generiert werden vornehmen Diese Daten k nnen zur Planung sowohl zweidimensional als auch dreidimensional visualisiert werden und es is
178. kurz die beiden wesentlichen aufeinander aufbauenden Formate ACR NEMA und DICOM beschrieben da diese fiir den Im und Export medizinischer Bilddaten in das zu entwickelnde grafische Planungssystem eine ma gebliche Be deutung besitzen Es wird allerdings nur auf das Datenformat genauer eingegangen zus tzliche Information ist der Standardpublikation zu entnehmen NEM93 3 3 1 ACR NEMA 1 0 2 0 Anfang der Achtzigerjahre verst rkte sich der Bedarf medizinische Bilddaten nebst Zusatzinformation zwischen bildgebenden und bildverarbeitenden Systemen aus tauschen zu k nnen Aufgrund st ndig wachsender Neuentwicklungen und vieler herstellerspezifischer Formate waren zu diesem Zeitpunkt f r den Datenaustausch auf wendige Konvertierungsverfahren erforderlich Zur Vereinheitlichung gr ndeten ACR und NEMA im Jahr 1983 ein gemeinsames Komitee mit folgender Zielsetzung e Definition eines Datenformates f r medizinische Bilddaten und Zusatzinformation e Definition eines Kommunikationsprotokolls zur bertragung der Daten e Definition einer Kommunikationsschnittstelle als bertragungsmedium Die erste Version des Standards wurde 1985 verabschiedet NEM85 Hierin erfolgte die Festlegung der Hardware Schnittstelle sowie eines minimalen Befehlssatzes zur Kommunikation zwischen beteiligten Systemen und des eigentlichen Datenformates Dieses legte die Verwendung einzelner Datenelemente mit variabler L nge fest wobei jedes Element durch einen eindeutig
179. lassifiziert Bei einem Beekley Spot Be Bild 4 29 existierte in den CT Daten keine zusammenh ngende Region mehr so dass zwei Marker erkannt wurden Dieser Fall l sst sich manuell nur schwer korrigieren da einer der Marker entfernt und der andere verschoben werden muss An dieser Stelle m sste eine weitere Variation der Segmentierungsschwelle erfolgen Von den 48 ermittelten Markerpositionen aus den drei Messungen ist lediglich der Wert des Beekley Spots Be aus der Transversalmessung 90 nicht verl sslich Als auswertbares Ergebnis liegen die Positionen der berechneten Markerschwerpunkte vor die in Tabelle 4 7 zusammengefasst sind Tabelle 4 7 Markerpositionen im Modellkoordinatensystem em 0 Messung axial 45 Messung axial 90 Messung axial x y z x y z x y z P 0 326 P2 0 303 P3 10 193 0 300 L4 9 756 0 295 is 0 330 L3 0 332 La 0 180 Ls 0 168 B4 0 345 B2 0 347 B3 0 300 B4 0 345 Bs 0 300 Be 0 295 B7 0 300 Bg 0 300 Zur Auswertung der Daten wurden die Abst nde zwischen 15 Markerpaaren vermessen und aus den erkannten Markerpositionen berechnet Anhand des Lineals k nnen die Abst nde lediglich mit einer Genauigkeit von maximal 0 5 mm abgelesen werden Aus diesem Grund wurde eine Messlehre verwendet mit der sich die Abst nde zwischen den Markern mit einer Genauigkeit von 0 02 mm bestimmen lassen wobei alle Abst nde zwischen den Markerpaaren zur Verbesserung des Messerg
180. ldmaterial treten in der Regel immer wieder kehrende Probleme auf Zur Anzeige der im digitalen Format gespeicherten Aufnahme daten muss zumindest die Anzahl der Bits pro Aufnahmewert die Reihenfolge der Bytes bei Aufnahmewerten mit mehr als 8 Bit deren Wertebereich sowie die Anzahl von Zeilen und Spalten einer 2D Aufnahmematrix bekannt sein Liegt ein kombiniertes Dateiformat Header Daten vor so muss entweder die Anfangsposition der Daten in der Datei gekennzeichnet werden oder ein explizites Feld zur Speicherung der Daten existieren Da medizinische Bilddaten in der Regel mit 12 Bit pro Aufnahmewert abge speichert werden die kleinste adressierbare Speichereinheit jedoch das Byte mit seinen 8 Bit darstellt gibt es auch noch unterschiedliche M glichkeiten solche Werte zu speichern Bild 3 2 12 Bit Aufnahmewert in 16 Bit gespeichert h chstwertiges Bit 11 12 Bit Aufnanmewert in 16 Bit gespeichert h chstwertiges Bit 15 l 1 12 Bit Aufnahmewert in 12 Bit gespeichert h chstwertiges Bit 11 itii it EN 1 1112 Bild 3 2 Speicherungsm glichkeiten von 12 Bit Aufnahmewerten F r einen Aufnahmewert k nnen entweder zwei aufeinander folgende Bytes verwendet werden wobei immer vier Bits ungenutzt bleiben oder es k nnen zwei Aufnahmewerte in drei aufeinander folgenden Bytes abgespeichert werden Bei der Speicherung eines Aufnahmewertes in zwei Bytes k nnen weiterhin die obere
181. leitet wird Aus den Philips bereinstimmungserkl rungen f r den Tomoscan M EG Phi97 ist ersichtlich dass als niedrigster Gruppenschl ssel die 8 und in dieser Gruppe der Bezeichner 5 Specific Character Set ISO_IR 100 das 195 3 Import medizinischer Bilddaten erste Element repr sentiert Ber cksichtigt wurden bei der Untersuchung auch die Elemente 1 Length to End 8 Image Type und 16 SOP Class UID die potentielle erste Elemente eines DICOM Datenstromes darstellen Nach Teil 10 des DICOM Stan dards d rfte wahrscheinlich die Gruppe 2 den DICOM Datenstrom anf hren was bei einer m glichen Erweiterung der Funktion dicomFirstElement ber cksichtigt werden sollte 3 4 8 Bereitstellung eines Data Dictionary Die Identifikation eines Datenelementes im ACR NEMA DICOM Datenstrom mittels eines numerischen Gruppen und Elementbezeichners ist hinsichtlich der digitalen Spei cherung und Verarbeitung absolut sinnvoll doch f r die Interpretation dieser Elemente wird eine Semantik ben tigt die in einem so genannten Data Dictionary festgelegt ist NEM93b Dieses Data Dictionary beinhaltet alle im Standard definierten Daten elemente und ordnet jedem eine explizite Wertrepr sentation sowie einen in nat rlicher Sprache formulierten Kontext zu Zur Auswertung dieser Information wurde in der DICOM Bibliothek ein Data Dic tionary implementiert das eine Zuordnungstabelle von Gruppen und Elementbezeich ner zur Elementbeschreibung und
182. lich komfortabler gestaltet werden Es ist zum Beispiel denkbar die Daten direkt von einem DICOM Service Class Provider SCP mittels entsprechender DICOM Dienste Dicom Message Service Element DIMSE anzufordern Aber auch wenn die Daten aus dem Dateisystem geladen werden lie e sich die Dateiauswahl in einigen Punkten deutlich verbessern So w re z B die vollst ndige Interpretation der DICOM Verzeichnis und Dateinamen denkbar die bereits Informationen zur Auf nahmeart zum Aufnahmezeitpunkt und zum Patienten enthalten siehe Bild 3 10 Diese Information w re in aufbereiteter Form weitaus einfacher zu lesen als die welt weit eindeutigen und daher sehr langen Objektbezeichner Aus den gespeicherten DICOM Nachrichten lie e sich ebenfalls der Patientenname bzw andere relevante Information extrahieren und im Dateiauswahlfenster anzeigen Die Darstellung der Bilddaten in Form von so genannten Thumbnails ist ebenfalls denkbar 3 8 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde eine portierbare Programmbibliothek zum Import von ACR NEMA DICOM Daten vorgestellt Mit dieser Bibliothek deren Programmcode auf der beiliegenden CD im Verzeichnis dicom vorliegt lassen sich alle an der Klinik f r Mund Kiefer und Gesichtschirurgie der Charit Berlin anfallenden Daten einlesen und mit entsprechenden Programmen weiterverarbeiten Die vorgestellten Hilfsprogramme erlauben dabei eine schnelle Analyse der vorliegenden Daten sowie den Test der Bibliotheksfunk
183. licon Graphics Inc JRIS Inventor Nodes Quick Reference Release 1 0 1993 Silicon Graphics Inc How to Write an IRIS Inventor File Translator Release 1 0 1993 Siemens Somatom Plus 4 DICOM Conformance Statements Version B40 Print No C2 018 610 07 02 09 URL http www siemens de med 1998 Schroeder W Martin K Lorensen B The Visualization Toolkit ae Edition Prentice Hall New Jersey 1998 SMS 95 SRL98 SS95 ST97 STS97 TG97 TLBM96 Toe93 VCM 96 VMT96 VMW83 VTK98 WBP91 WEH 97 Wel95 Wer94a Wer94b Bedienung des Planungssystems Satava R M Morgan K S Sieburg H B et al Hrsg Interactive Technology and the New Paradigm of Healthcare Volume 18 in Studies in Health Technology and Informatics San Diego IOS Press 1995 Surgical Robotics Lab Research Activities and Development Charit Campus Virchow Berlin URL http www charite de rv mkg srl 1998 Sch ffler A Schmidt S Mensch K rper Krankheit 2 Auflage Jungjohann Verlag Neckarsulm 1995 Schwipper V Tilkorn H Hrsg Fortschritte in der kraniofazialen chirurgischen Prothetik und Epithetik Einhorn Presse Verlag 1997 Schwipper V Tilkorn H Sander U Mi erfolgsraten und Fehlindikationen in der Implantat gest tzten kraniofazialen Epithetik Klinische Daten von 124 Patienten und Literatur bersicht In ST97 S 110 152 1997 Tjellstr
184. lie en Mit dem Programm getRange wird der maximale und minimale Aufnahmewert in einer Datei ermittelt und ausgegeben Als Datentyp wird ein vorzeichenbehafteter 16 Bit Wert short integer angenommen der jedoch beim Pro grammaufruf durch Angabe eines Parameters ge ndert werden kann Zu beachten ist dass f r eine verl ssliche Ermittlung des Wertebereiches keine Zusatzinformation in der Datei vorliegen darf Das Programm getRange sollte somit nur auf die extrahierten Bild daten angewendet werden 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Der Aufruf des Programms erfolgt im Normalfall durch Eingabe des Programm und eines Dateinamens In diesem Fall wird angenommen dass die Bilddaten in vorzeichen behafteten 2 Bytes vorliegen Als Resultat wird der kleinste und gr te Wert innerhalb des Datenstroms entsprechend des angenommenen Datentyps ausgegeben getRange imageFile Zur nderung des f r die Auswertung herangezogenen Datentyps kann ein zus tzlicher Parameter angegeben werden Mit diesem Parameter lassen sich vier verschiedene Datentypen ausw hlen 1 Byte ohne Vorzeichen 1 und mit Vorzeichen 1 2 Bytes ohne Vorzeichen 2 und mit Vorzeichen 2 getRange 1 1 2 2 imageFile Will man die Verarbeitung in einer so genannten pipe vornehmen um z B aus einem Originaldatensatz die Bilddaten zu extrahieren und das Ergebnis direkt auf den vorlie genden Wertebereich zu untersuchen ohne eine tempor re Datei
185. lisierung muss anhand des Klassifikations ergebnisses das entsprechende CAD Modell ausgew hlt die Schwerpunkte von Region und Modell durch Translation zur Deckung gebracht und das Modell in das durch die Eigenvektoren aufgespannte Koordinatensystem gedreht werden 4 4 Eine Bibliothek zur automatischen Markerdetektion Im vorangehenden Abschnitt wurde beschrieben wie Registrierungsmarker aus CT Daten extrahiert und deren Lage und Orientierung in Relation zum Modellkoordinaten system bestimmt werden k nnen F r die Entwicklung eines chirurgischen Planungs systems bei dem die Planungsdaten im Rahmen des chirurgischen Eingriffs mit gr tm glicher Genauigkeit umgesetzt werden sollen ist die Registrierung von Planungsdaten und Patient von gr ter Bedeutung Aus diesem Grund wurde eine Programmbibliothek entwickelt und implementiert mit der sich Registrierungsmarker schwellenwertabh ngig aus CT Daten extrahieren lassen und f r jeden Marker auto matisch Lage Orientierung und Typ bestimmt werden kann Die Bibliothek wurde in der Programmiersprache C erstellt Der zugeh rige Programmcode befindet sich auf der beiliegenden CD im Verzeichnis marker detection Anhang B Seite 187 ff 195 3 Import medizinischer Bilddaten 4 4 1 Ablauf der automatischen Markerdetektion Gegeben sind die Bilddaten einer computertomographischen Aufnahme sowie die charakteristischen Kenngr en der einzelnen Markertypen siehe Bild 2 5 Das automati
186. ll im Datensatz lokali sieren und alle weiteren Verarbeitungsschritte brauchen lediglich in diesem verkleinerten Datenvolumen vorgenommen werden Zur Verbesserung der Bestimmung potentieller Markerregionen k nnte nach der Binari sierung eine Vorverarbeitung in Form von Erosion und Dilatation erfolgen J h97 Diese morphologischen Operationen werden h ufig in der digitalen Bildverarbeitung angewendet und haben zur Folge dass die aus den Bilddaten erkannte Objektform an einer der Suche entsprechenden Form angepasst werden kann Eine Erosion gl ttet Objektkanten durch so genanntes Abtragen von Unebenheiten und eliminiert kleine Strukturen Die Dilatation gl ttet Objektkanten durch so genanntes Verspachteln von Unebenheiten siehe Bild 4 20 Eine sequentielle Abfolge der beiden Operationen w rde je nach Gr e des Operators kleine Strukturen aus der Bildinformation entfernen und dicht beieinander liegende Objekte trennen und anschlie end die brig gebliebenen Objekte wieder auf ihre urspr ngliche Gr e bringen wobei ein erneuter Zusammenschluss von Objekten vermieden wird Originaldaten Erosion mit 3x3 Operator Dilatation mit 3x3 Operator
187. llt Service Class User gt DICOM Terminus f r ein Prozess oder System der oder das Dienste von anderen Prozessen oder Systemen in Anspruch nimmt Surgical Robotics Lab Fachgruppe f r Navigation und Robotik in der Klinik f r Mund Kiefer und Gesichtschirurgie an der Charit Berlin Campus Virchow Klinikum der Humboldt Universit t zu Berlin Transmission Control Protocol ein Protokoll der Transportschicht das eine zuverl ssige verbindungsorientierte Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern erm glicht TCP unterteilt einen Datenstrom in einzelne Pakete und setzt auf gt IP zur bertragung dieser Datenpakete auf Tagged Image File Format Kodierungsvorschrift zur eindeutigen Interpretation von Datenelementen inklusive Byteanordnung Struktur und ggf Kompression Unique Identifier eindeutiger Bezeichner in Form einer Zeichenkette durch die ein Objekt global eindeutig gekennzeichnet und somit per Referenz adressiert werden kann UID s werden in gt DICOM zur Referenzierung von Informationsobjekten eingesetzt Volume s Element Ein Bereich definierter Form und Gr e in einer digitalen 3D Bildmatrix dem ein gemessener Intensit tswert zugeordnet wird siehe auch gt Pixel Value Representation Wertrepr sentation zur Spezifikation von Format und Datentyp eines Wertes in einem Datenelement Konrad Zuse Zentrum f r Informationstechnik Berlin 195 Abbildungsverzeichnis Bild 1 1 Bild 1 2 Bild 2 1
188. lschaft f r Anaplastologie in Nordamerika In ST97 S 239 244 1997 Demirtas M Zachow S Comparison of Visualization Software for Medical Images Technical Report TR MKG SRL 001 97 Charite Humboldt University Berlin URL http www charite de rv mkg srl reports Eichelberg M Ehlers G Hewett A J Jensch P Management of DICOM Data Structures an Object Oriented Approach In LIJV95 S 452 457 1995 Faires D Burden R L Numerische Methoden N herungsverfahren und ihre praktische Anwendung Spektrum Akademischer Verlag 1994 Federspil P Kurt P Federspil Ph Kraniofaziale Rehabilitation mit knochenverankerten Epithesen und H rger ten In ST97 S 159 179 1997 Fritz S L Munjal S Connors J Csipo D A C Class Library for DICOM and HL7 In LIJV95 S 445 451 1995 Foster Johnson Eric Graphical Applications with Tcl amp Tk 2 Edition M amp T Books 1997 Fritzemeier C U Einsatz des Titans in der Epithetik und Defektprothetik In ST97 S 69 88 1997 Fuchs M Wischmann H A Neumann A et al Accuracy Analysis for Image Guided Neurosurgery using Fiducial Skin Markers 3D CT Imaging and an Optical Localizer System In LVIF96 S 770 775 1996 Gesellschaft fiir Epithetik und chirurgische Prothetik Hrsg Fortschritte in der chirurgischen Prothetik und Epithetik Kongre band zum VIL Internationalen Symposium f r Chirurgische Prothetik und
189. lume MFVec3f boundingBox SFVec3f centerOfMass SFVec3f momentsOfInertia SFVec3f radiiOfInertia name Name des Markertyps value Hounsfield Wert zur Segmentierung refPoint Rx Ry Rz type Markertyp 1 3 gem marker h volume Volumen in mm boundingBox Xo Yo Zo X Y Z centerOfMass Cx Cy Cz momentsOfInertia In Im Inez radiiOfInertia Rmx Ruy Ruz 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten F r die drei Markertypen Philips Easy Guide Beekley Spot und Leibinger Schraube wurden 3D CAD Modelle erstellt die zugeh rigen Markereigenschaften bestimmt ent sprechende Dateien im Inventor Format generiert und diese um den jeweiligen Knoten zur Markerbeschreibung erweitert Diese Dateien befinden sich im Verzeichnis Amira share Templates in dem das Modul hxMarkerFinder standardm ig nach solchen Dateien sucht Das Verzeichnis l sst sich ber die Datei hxmarkerfinder ad konfigurieren Nachfolgend ist exemplarisch ein Auszug aus der Markerbeschreibungsdatei des Philips Easy Guide gezeigt Die Geometriedaten wurden dabei stark verk rzt dargestellt Die vollst ndige Datei befindet sich auf der beiliegenden CD im Verzeichnis Amira share Templates Philips EasyGuide iv siehe Anhang B Seite 187 ff Inventor V2 0 ascii Philips EasyGuide iv Extended by MarkerProperties Node Surgical Robotics Lab Separator MarkerProperties fields SFString name SFShort value SFVec3f refPoint SFShort type
190. m A Granstr m G Osseointegrierte Implantate f r die Rekonstruktion des Mittelgesichtes eine bersicht In ST97 S 37 42 1997 Taylor R H Lavall e S Burdea G M sges R Hrsg Computer Integrated Surgery Technology and Clinical Applications MIT Press Cambridge MA 1996 Toennies K D Bildverarbeitung und Computergraphik in der Radiologie Vorlesungsskript an der TU Berlin 1993 Verstreken K Cleynenbreugel J van Marchal G et al Computer Assisted Planning of Oral Implant Surgery In WMS96 S 423 343 1996 Vannier M W Marsh J L Tsiaras A Craniofacial Surgical Planning and Evaluation with Computers In TLBM96 S 673 677 1996 Vannier M W Marsh J L Warren J O Three Dimensional Computer Graphics for Craniofacial Surgical Planning and Evaluation In Computer Gaphics Proceedings Volume 17 of Annual Conference Series ACM SigGraph Addison Wesley 1983 The Visualization Toolkit URL http www kitware com vtk 1998 Wicks D A G Barker G J Plummer D L A General Image File Format In LRJF91 S 471 476 1991 Wehm ller M Eufinger H Hillringhaus K et al Reverse Engineering Methods for the Determination of the Precision of 3D Helical CT Data In LV197 S 61 66 1997 Welch B B Practical Programming in Tcl and Tk Prentice Hall PTR New Jersey 1995 Wernecke J The Inventor Mentor Programming Object Oriented 3D Graphics wit
191. m Hilfspro gramm findMarker und dem Amira Modul hxMarkerFinder sind optimale Voraussetzungen f r eine Evaluierungsphase geschaffen worden Als Testdaten lagen diverse mit dem Philips Tomoscan M EG erzeugte Aufnahmesequenzen vor die nachfolgend kurz beschrieben werden Anhand eines Referenzobjektes wird exemplarisch eine Genauig keitsuntersuchung vorgenommen 4 6 1 Plexiglasplatte mit drei Philips Easy Guide Markern Im Verzeichnis images dicom philips bzw in der Datei images hypermesh philips hm auf der beiliegenden CD befinden sich die CT Aufnahmedaten zu einer 10 x 10 cm gro en Plexiglasplatte auf der in drei unterschiedlichen Orientierungen Registrierungsmarker vom Typ Philips Easy Guide befestigt sind Der Schichtabstand betrug 1 mm und die Schichtdicke 2 mm Die r umliche Aufl sung lag bei 0 5 x 0 5 mm pro Bildpunkt inner halb einer Schicht und es wurden 69 Schichten erzeugt Die Analyse des Datensatzes erfolgte mit einer Segmentierungsschwelle von 1200 HU und lieferte visuell korrekte Ergebnisse f r die Markerdetektion In Bild 4 26 ist das rekonstruierte Modell der Plexi glasplatte in semitransparenter Darstellung mit berlagerten Markermodellen gezeigt Hierbei ist zu bemerken dass alle Marker bzgl ihres Typs und ihrer Orientierung korrekt erkannt wurden und keine manuelle Korrektur erforderlich war Ein Marker hat dabei die Abmessungen von 12 mm im Durchmesser und 2 mm in der H he Eine Lage abweichung von mm entspr che demzu
192. m vor Anhang B Seite 187 ff 3 4 1 Die Datenstruktur zur bernahme des DICOM Formates Mit der DICOM Importbibliothek soll ein ACR NEMA DICOM Datenstrom in eine Datenstruktur berf hrt werden die es Programmen die diese Daten ben tigen erm g licht auf alle Datenelemente des Datenstroms der Datei zugreifen zu k nnen Da es sich bei einem ACR NEMA DICOM Datenstrom nicht um ein festes Format mit defi nierter L nge handelt sondern um eine beliebige Anzahl von Datenelementen deren Aufbau zwischen den einzelnen Versionen des Standards auch noch variiert ist die Datenstruktur so ausgelegt dass sie dem DICOM 3 0 Standard unter Ber cksichtigung von Teil 10 als Obermenge gen gt Diese schlie t die Vorg ngerversionen des ACR NEMA Formates vollst ndig ein Ein DICOM 3 0 Teil 10 Datenstrom setzt sich aus einer 128 Byte langen Pr ambel einem 4 Byte Pr fix und einer beliebigen Anzahl von Datenelementen zusammen Bild 3 6 Seite 38 Ein Datenelement besteht dabei gem Bild 3 5 Seite 37 aus maximal f nf Feldern 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Mit der Bibliotheksfunktion dicomReadFile wird ein spezifizierter Datenstrom einge lesen analysiert und nach erfolgreicher Interpretation in der festgelegten DICOM Datenstruktur zur ckgeliefert Bild 3 7 DICOM Datei DICOM Datenelement unsigned char preamble 128 Il 128 Byte Pr ambel unsigned char prefix 4 II 4 Byte Pr fix DICM dico
193. mDataElement dde pate von Datenelementen unsigned short group unsigned short element unsigned short numElements I Anzahl der Datenelemente unsigned long valueLen void image I Zeiger auf die Bilddaten unsigned char valueRep 2 unsigned short littleEndian II little Endian Speicherformat unsigned char value unsigned short part10 II DICOM Datei nach PS 3 10 unsigned short explicitVR II explizite Wertrepr sentation unsigned long imageSize II Bildgr e in Bytes unsigned short imageWidth I Spalten der Bildmatrix unsigned short imageHeight I Zeilen der Bildmatrix Bild 3 7 DICOM Datenstruktur 3 4 2 berpr fung des Speichermodells der Rechnerarchitektur Das erste Problem mit dem man konfrontiert wird wenn man bin re Daten mit mehr als 8 Bit pro Datenwert von einem Datentr ger lesen und in eine interne Datenstruktur berf hren m chte ist die Bestimmung der korrekten Reihenfolge der Bytes bei der Interpretation der Daten Dieses Problem wird allerdings erst dann offensichtlich wenn Daten die auf einer Rechnerplattform mit so genantem big endian Speichermodell h chstwertiges Byte zuerst msb auf einen Datentr ger geschrieben werden der dann auf einer Rechnerplattform mit little endian Architektur niederwertiges Byte zuerst Isb wieder ausgelesen wird bzw umgekehrt Typische Prozessoren mit little endian Architektur sind die weit verbreiteten Intel Typen die in allen PC s vorkommen Die meisten anderen Proz
194. mmbedienung resultiert W nschenswert ist die Bereitstellung eines Kommandospeichers ber den zumindest die letzte ausgef hrte Aktion r ckg ngig gemacht werden kann Eine solche M glichkeit und die Bereitstellung einer durchg ngigen kontextabh ngigen Hilfe w rden eine intui tive und benutzerfreundliche Bedienung erm glichen die spielerische Erkundung des Planungssystems f rdern und langfristig zu einer hohen Akzeptanz bei den Benutzern f hren 7 1 3 Klinische Bewertung F r die klinische Bewertung muss das Planungssystem medizinischen Anwendern vor gestellt und von diesen getestet werden Ein solcher Test bzw die interdisziplin re Weiterentwicklung setzt die Akzeptanz Offenheit und Neugierde bei den entspre chenden Anwendern sowie eine gute Kooperation mit den Entwicklern voraus die ihrerseits eine optimale Unterst tzung und Hilfestellung leisten m ssen Eine kompli zierte und unklare Benutzerf hrung w rde einen unkundigen Anwender sofort ab schrecken so dass vor der klinischen Bewertung unbedingt f r eine klare Bedienung des Planungssystems gesorgt werden muss F r erste Tests liegt mit Anhang A eine einfache Bedienungsanleitung vor in der alle Vorg nge vom Laden der Bilddaten ber die Markerdetektion die grafische Planung bis hin zum Datenexport ausf hrlich und beispielhaft erkl rt sind An dieser Stelle sei noch einmal erw hnt dass es sich bei dem 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Planungs
195. mung der Knochendicke unter Ber cksichtigung von Regionen geringerer Dichte Mastoidzellen erfolgt derzeit nicht Nach der Pr paration der L cher werden die Gewinde zur Aufnahme der Implantate geschnitten in die im Anschluss die Titanh lsen eingeschraubt werden In Bild 2 3 ist der Ablauf eines solchen Eingriffes schematisch skizziert Nob95 Aus dem Abstand der Gewindeh lsen und deren Orientierung zueinander resultiert die Form der anzufer tigenden Suprakonstruktion Voraussetzung f r die Nutzbarkeit vorgefertigter Standard stege ist eine parallele und h henm ige Ausrichtung der Implantate zueinander unter Einhaltung eines vorgegebenen Abstandes Bild 2 3 Schematischer Ablauf der chirurgischen Vorgehensweise F r die Planung einer solchen Operation ist es interessant die Dicke des Sch del knochens sowie des dar berliegenden Weichgewebes und die eventuelle Existenz von Mastoidzellen aus den CT Daten ermitteln zu k nnen MHH 97 BJ95 Mit dieser Information lassen sich die optimalen Positionen der Bohrstellen bestimmen Liegen die Bohrachsen sowie die Positionen der Bohrl cher vor so stellt sich die Frage wie die Planungsvorgaben in ihrer Genauigkeit umgesetzt werden k nnen Erstrebenswert ist die exakte Einhaltung der Planungsvorgaben 195 2 Medizinische Problemstellung und Konzept Eine konventionelle Vorgehensweise zur Erreichung dieses Ziels ist die Verwendung einer stabilen Bohrschablone die entweder individuell
196. n 12 Bits des Datenwortes bzw die unteren 12 Bits genutzt werden Die Anordnung der Bytes zueinander kann auch noch variieren und wird bei der Speicherung auf einem Datentr ger durch die jeweilige Rechnerarchitektur bestimmt Hierbei besteht die M glichkeit einer Speiche rung im so genannten big endian oder im little endian Format Im little endian Format wird das niederwertigste Byte least significant byte zuerst in den Datenstrom geschrie ben und im big endian Format das h chstwertigste most significant byte 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Es wird bereits deutlich dass die Interpretation und Verarbeitung medizinischer Bild daten hnlich wie bei den unterschiedlichen Grafikformaten auch ohne geeignete Kon vertierungsprogramme oder Importfilter nicht so ohne Weiteres m glich ist Aus diesem Grund werden solche Programme bzw Filter zur Arbeit mit medizinischen Bilddaten ben tigt In diesem Kapitel werden sowohl einfache jedoch hilfreiche Programme zur Arbeit mit unbekannten Datenformaten als auch eine Importbibliothek sowie Hilfspro gramme f r Daten im DICOM Format vorgestellt 3 2 Hilfsprogramme zur Arbeit mit medizinischen Bilddaten Liegen medizinische Aufnahmedaten vor und sind deren Aufnahmeparameter bzw dessen Format nicht bekannt oder existiert keine M glichkeit diese Daten mittels eines geeigneten Programms auszuwerten so ist es erforderlich die reinen Bilddaten aus den Datens tzen zu extrahier
197. n Bilddaten vorliegt wird in einer eigenen Gruppe als kontinuierlicher Bytestrom zusammengefasst wobei dessen L nge explizit als ASCII Information angegeben werden muss Ein Feld bezeichner inklusive Feldtrennzeichen ist f r Bin rinformation nicht vorgesehen Kommentarzeilen Kommentarzeilen vereinfachen die Interpretation der im Klartext vorliegenden Daten und erm glichen es Besonderheiten hervorzuheben bzw Teilinformation auszublenden Per Definition wird ein Kommentar im SRL Format durch ein Semikolon als erstes Zeichen einer Zeile das weder ein Leerzeichen noch ein Tabulatorzeichen ist eingeleitet Der Rest der Zeile bis zum abschlie enden Zeilenendezeichen kann eine beliebige Information beinhalten die von auswertenden Programmen nicht interpretiert werden muss Die erste Zeile einer Datei im SRL Format muss eine Kommentarzeile sein die eine Beschreibung des nachfolgenden Dateiformates beinhaltet Innerhalb des Datensatzes k nnen beliebig viele Kommentarzeilen vorliegen Per Definition setzt sich die erste Zeile eines SRL Datensatzes zumindest aus der Zeichenkette SRL einem Verweis auf die vorliegende ASCII Syntax sowie einer Versionsnummer 1 0 zusammen 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten SRL file format ASCII v1 0 Die Kennzeichnung erlaubt auf diesen Daten operierenden Programmen unabh ngig vom Dateisuffix der momentan durch die Endung srl gegeben ist eine schnelle Inter pretation des vorli
198. n DICOM Daten 5 1 3 Grafische Planungshilfen Eine computergest tzte Planung erm glicht die Nutzung von Planungshilfsmitteln mit denen der Planungsvorgang optimal unterst tzt werden kann Mit dem implementierten Planungssystem wurde bereits eine Vielzahl solcher Hilfsmittel bereitgestellt die aus der in Abschnitt 2 1 1 beschriebenen konventionellen Vorgehensweise sowie den Anforderungen aus Abschnitt 2 2 resultieren Dank der umfangreichen Funktionalit t des Visualisierungssystems Amira und dessen hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit bieten sich interessante M glichkeiten der Planungsunterst tzung Der grafische Planungsbereich an sich stellt bereits eine Verbesserung zur herk mm lichen Planungsansicht dar Es k nnen die Schichten aller drei Projektionen beliebig ausgew hlt der Bildinhalt auf das gew nschte Ma vergr ert und der Kontrast optimal eingestellt werden Zus tzlich ist in jeder Ansicht ein Fadenkreuz eingeblendet das die aktuelle Position der drei Schichten im CT Datensatz verdeutlicht Ein ganz wesent licher Vorteil ergibt sich allerdings aus der mit den Schichten korrelierten Darstellung des aus den CT Daten rekonstruierten 3D Modells Jeder Position der Haut bzw Knochenoberfl che k nnen die drei zugeh rigen Schichten zugeordnet und diese auto matisch in den Projektionsansichten angezeigt werden bzw umgekehrt Dadurch ist eine dreidimensionale Planung nicht mehr nur von der r umlichen Vorstellungskraft bzw den r
199. n die Registrierungsmarker aus dem Datensatz extrahiert und deren Positionen und Orientierungen in Abh ngigkeit vom Markertyp ermittelt werden Dieser Vorgang kann entweder automatisch nach dem Einlesen der Aufnahmedaten oder auf explizite Anforderung durch den planenden Arzt gestartet werden Da der Segmentierungs und Klassifizierungsvorgang von den zugrun deliegenden Schwellenwerten der jeweiligen Markertypen abh ngt sollte dem Benutzer zumindest die M glichkeit gegeben werden den am Patienten fixierten Markertyp aus w hlen zu k nnen Durch diese Auswahl wird die Suche nach potentiellen Markern ein geschr nkt wodurch die Ergebnismenge reduziert und bez glich des zu erwartenden Resultates verbessert wird Der planende Arzt w hlt somit lediglich den verwendeten Markertyp aus und startet den automatischen Detektionsvorgang Als Resultat werden alle im Datensatz erkannten Marker entsprechend ihres Typs visualisiert und die Anzahl der gefundenen Marker ausgegeben Trotz automatischer Markerdetektion sollte eine manuelle Korrektur m glichkeit vorgesehen werden mit der falsch erkannte Marker Zahnplomben Metall artefakte usw entfernt und falsch klassifizierte Markertypen durch den tats chlich vor liegenden Markertyp ersetzt werden k nnen Die Positionen und Orientierungen der Marker sind ein wesentlicher Bestandteil der Planungsdaten und werden zum Zwecke der Registrierung von Modell und Patient an das Ausf hrungssystem bergeben
200. n mit dem Philips Tomoscan M EG lieferten f r Leibinger Knochen schrauben im Gegensatz zu den beiden anderen Markertypen keine so deutliche Seg mentierungsschwelle Aufgrund der sehr unregelm igen Oberfl chenstruktur liegt eine breite Streuung der Aufnahmewerte vor die auf den Partialvolumen Effekt zur ck zuf hren ist Dem Histogramm in Bild 4 10 kann eine Anh ufung von Werten im Bereich zwischen 2000 und 2200 HU entnommen werden Dieser Bereich lie sich bei einer visuellen Kontrolle nach entsprechender Segmentierung best tigen wobei eine Tendenz zu niedrigeren Werten vorliegt Bild 4 10 HOUNSFIELD Bereich der Leibinger Knochenschraube Aus den CT Daten l sst sich aufgrund der feinen Oberfl chenstrukturen keine brauch bare 3D Darstellung der Schraube rekonstruieren Bild 4 12 so dass sich gerade f r diesen Markertyp die Verwendung eines 3D CAD Modells zur Visualisierung anbietet Bild 4 11 Hierzu wurde die in Bild 4 9 gezeigte 5 mm Schraube modelliert und die zugeh rigen Kenngr en f r die Klassifizierung bestimmt Tabelle 4 3 Bild 4 11 3D CAD Modell einer Leibinger Knochenschraube 5 mm 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Tabelle 4 3 Kenngr en einer Leibinger Knochenschraube 5 mm HOUNSFIELD Bereich 1900 2300 HU Volumen 12 24 mm Referenzpunkt x y z 0 0 0 0 1 1 mm Begrenzungsvolumen x y z 1 5 1 5 1 5 1 5 2 5 2 5 mm Schwer
201. n und Trajektorien mit einer geforderten Genauigkeit im Rahmen des chirurgischen Eingriffes umsetzen zu k nnen In diesem Kapitel wird ein kurzer berblick ber die M glichkeiten der Umsetzung dreidimensionaler Planungsdaten auf eine vorliegende Operationssituation gegeben und das Verfahren der Nutzung so genannter Registrierungsmarker vorgestellt ber das die Planungsvorgaben des in dieser Arbeit entwickelten Planungssystems intraoperativ um gesetzt werden sollen Im Anschluss werden die physikalischen und mathematischen Grundlagen zur Extraktion von Registrierungsmarkern aus tomographischen Aufnahme daten ausf hrlich behandelt und die in dieser Arbeit implementierte Programmbiblio thek vorgestellt mit der eine automatische Extraktion Klassifikation und Lageerken nung unterschiedlicher Markertypen erm glicht wird Anhand von Testdatens tzen und einem einfachen Testprogramm erfolgt eine berpr fung der Markerdetektion Abschlie end wird auf die Erweiterung des am Konrad Zuse Zentrum f r Informations technik Berlin entwickelten Visualisierungssystems Amira eingegangen f r das ein Modul implementiert wurde welches unter Nutzung der genannten Programmbibliothek eine Schnittstelle zur Detektion und Visualisierung von Registrierungsmarkern in tomo graphischen Datens tzen bereitstellt Als Resultat der Markerdetektion liegen Lage Orientierung und Typ aller im jeweiligen CT Datensatz erkannten und ggf manuell korrigierten Registrieru
202. n zu untersuchen wie genau sich die Planungsdaten robotergest tzt umsetzen lassen Von medizinischer Seite ist letztendlich eine klinische Bewertung des Planungssystems erforderlich damit gemeinsam an einem klinisch nutzbaren System weiterentwickelt werden kann 7 1 1 Genauigkeitsuntersuchungen Wie bereits in Kapitel 4 erw hnt muss zur intraoperativen Nutzung von aus medizi nischen Bilddaten gewonnenen dreidimensionalen Planungsdaten ein Zusammenhang zwischen diesen Daten und der im Operationssaal vorliegenden Patientenposition und lage hergestellt werden Aufgrund von Abbildungs und Diskretisierungsfehlern Deformationen sowie rechnerischen und mechanischen Ungenauigkeiten k nnen die Planungsdaten nicht mit absoluter Genauigkeit im Rahmen des chirurgischen Eingriffes eingehalten werden An dieser Stelle ist zu pr fen ob die Ungenauigkeiten durch ge eignete Ma nahmen minimiert werden k nnen und ob diese minimale Abweichung in tolerierbaren Grenzen liegt Bei der konventionellen Vorgehensweise siehe Abschnitt 2 1 1 kann ein Planungs fehler nicht quantifiziert werden da keine messbaren Planungsdaten vorliegen Insofern ist ein direkter Vergleich zwischen der robotergest tzten und der manuellen Vor gehensweise nicht m glich Es kann jedoch davon ausgegangen werden dass sich mit einer computergest tzten Planung an CT Daten eine h here Genauigkeit bei der Posi tionierung von Implantaten im Knochengewebe ergibt Somit ist zu berp
203. nalansicht mit Blick von vorne Anterior Posterior und links unten wird die Sagittalansicht mit Blick von links Sinister Dexter dargestellt Psc98 SS95 Der Anzeigebereich links oben ist f r die Visualisierung des aus den CT Daten rekon struierten 3D Modells reserviert siehe Bild 5 2 Bild 5 2 Standardansicht des grafischen Planungsbereiches Im Arbeitsbereich der Standardansicht auf der rechten Seite kann eine Kontrast einstellung durch Angabe einer oberen und unteren Schwelle f r die darzustellenden HOUNSFIELD Einheiten vorgenommen werden Voreingestellt ist entweder der durch das Modul hxDicom gesetzte Bereich oder die Werte 200 und 200 Durch Variation dieser Werte lassen sich z B die Schwellen f r Haut und Knochen bestimmen Weiterhin kann in jeder der drei Projektionsansichten eine beliebige Schicht ausgew hlt bzw schnell durch alle Schichten gefahren werden Als zus tzliches Bedienmerkmal ist die aktuelle Vergr erungsstufe aller Ansichten inkrementell ver nderbar Mit den Projektionsansichten kann sich ein berblick ber die anatomischen Strukturen des jeweiligen Patienten verschafft werden F r die Planung wird aber auch das zuge h rige 3D Modell ben tigt Dieses kann auf Anforderung erzeugt werden wozu momentan ein so genanntes Script Objekt geladen werden muss ber das die erforder lichen Verarbeitungsschritte zur Modellgenerierung und vereinfachung zusammen gefasst werden Die zugeh rige Date
204. natensysteme sowie der erforderlichen Transformationsbeziehungen 2 Bestimmung der erforderlichen Anzahl von Referenzpunkten in den Koordinatensystemen 3 Berechnung der Lagedifferenzen zwischen zusammengeh rigen Referenzpunkten und Bestimmung der Transformationsparameter 4 1 1 Modell und Patientenkoordinatensystem Als Modellkoordinatensystem M wird das Koordinatensystem definiert das sich aus den CT Daten ableitet und in dem die Planung vorgenommen wird Die Lage des Patienten auf dem Operationstisch legt das Patientenkoordinatensystem P fest in dem die Planungsumsetzung erfolgt F r die Registrierung ist die Transformationsfunktion 7 gesucht die alle Punkte aus M nach P berf hrt 4 1 P T M 4 1 Die Transformationsfunktion 7 setzt sich unter der Annahme der Lage nderung starrer K rper aus einer Rotation r einer homogenen Skalierung s und einer Translation t zusammen Das daraus resultierende Gleichungssystem zur berf hrung von Modell in Patientenkoordinaten ergibt sich dann wie folgt Xp t Xm Yp t sR Yu mit R als Rotationsmatrix 4 2 Zp L Zu 195 3 Import medizinischer Bilddaten 4 1 2 Koordinatentransformation Liegen in unterschiedlichen Koordinatensystemen korrespondierende Punkte eines K r pers vor so k nnen diese ineinander berf hrt werden Dazu sind die drei Komponenten des Translationsvektors sowie die neun Elemente der Rotationsmatrix R gesucht Zur L sung des Gleichungssystem
205. national Symposium Berlin Springer 1991 Lambrecht J T Schiel H Jacob A L Kreusch T CAR CAD CAM CAS 3D Perspectives In LIJV95 S 1364 1368 1995 Lutz M Programming Python O Reilly amp Associates Inc 1996 Lemke H U Vannier M W Inamura K Farman A G Hrsg CAR 96 Computer Assisted Radiology Proceedings of the International Symposium Paris Elsevier Science 1996 Lemke H U Vannier M W Inamura K Hrsg CAR 97 Computer Assisted Radiology Proceedings of the International Symposium Berlin Elsevier Science 1997 Merlyn P R Emerging Robotics Technology and its Transformation of Practices in Healthcare In MWHS97 S 572 582 1997 Maurer C R Fitzpatrick J M Galloway R L Wang M Y et al The Accuracy of Image guided Neurosurgery using Implantable Fiducial Markers In LVIF96 S 1197 1202 1996 Menneking H Heissler E Henz J et al Navigatorunterst tzte Implantatinsertion zur osseointegrierten Epithesenverankerung In ST97 S 51 56 1997 MMR 95 MRV96 MWHS97 NDW93 NEM85 NEM88 NEM89 NEM92 NEM93 NEM93a NEM93b NEM94 Nob95 OIAG94 Omu98 Phi97 Psc98 Bedienung des Planungssystems Merril J R Merril G L Raju R et al Photorealistic Interactive Three dimensional Graphics in Surgery Simulation In SMS 95 S
206. nem eigens daf r definierten Format abgespeichert oder direkt an ein Ausf hrungssystem bertragen Als Planungsdoku mentation k nnten ebenfalls Ausdrucke der grafischen Planungsansicht sowie ein Planungsprotokoll generiert werden Das Planungsprotokoll k nnte z B Patientendaten Planungsdatum Angaben zum planenden Arzt Bemerkungen Implantattypen nebst zugeh riger Werkzeugliste uvm beinhalten Das Planungsprotokoll stellt dabei einen Beleg dar der zur OP Vorbereitung genutzt und in der Behandlungsakte abgelegt werden kann 2 4 Zusammenfassung In diesem Kapitel erfolgte die Beschreibung einer medizinischen Aufgabenstellung deren Bew ltigung mit Hilfe der Computerunterst tzung m glicherweise vereinfacht optimiert und vom Ergebnis her verbessert werden kann Es wurde ein Konzept vor gestellt das den computergest tzten Ablauf einer chirurgischen Planung zum Setzen von Implantaten am Modell eines Patientensch dels zur Befestigung einer Ohrepithese beschreibt Das Konzept basiert auf den Beobachtungen der chirurgischen Vorgehens weise und auf Gespr chen mit rzten und Ingenieuren die sich mit dieser Thematik besch ftigen Es ist anzunehmen dass das Konzept da es aus der Sicht eines Nicht Mediziners erstellt wurde noch an vielen Stellen Defizite aufweist und erforderliche Vorg nge m glicherweise nicht ber cksichtigt F r die Entwicklung eines Prototyps bildet es jedoch eine wichtige Grundlage da die ausschlie lich technische
207. nerierung w rde die M glichkeit der visuellen Planung anhand des 3D Modells deutlich verbessern 5 2 3 Verbesserung der Implantatpositionierung Bei der computergrafischen Visualisierung des 3D Sch delmodells lie e sich die Knochendicke durch spezielle Farbkodierungstechniken direkt am 3D Modell verdeut lichen hnlich wie bei der so genannten Maximum Intensity Projection MIP k nnten Knochenbereiche entsprechend ihrer Dicke mit einer variierenden Intensit t bzw Transparenz oder auch Farbe dargestellt werden So lie en sich bereits bei der Platzie rung von Implantaten geeignete Knochenbereiche mit ausreichender Dicke anhand ihrer Darstellung visuell erkennen und ausw hlen Auf die M glichkeiten der algorithmischen Analyse des umliegenden Gewebes wurde in Abschnitt 5 1 4 kurz eingegangen Hier k nnte mit entsprechenden Verfahren der Bildverarbeitung das gesamte Gebiet um das Implantat auf Knochengewebe untersucht und eine Warnung bei Erkennung von potentiellen Mastoidzellen bzw unzureichender Knochendicke ausgegeben werden In diesem Zusammenhang sollte auch unbedingt die Umpositionierung der Implantate verbessert werden Derzeit l sst sich die Position eines Implantates nur mit Hilfe des Mauszeigers setzen Ein interaktives Verschieben mit der Maus bzw den Cursortasten w re jedoch insbesondere bei der Feinpositionierung ein w nschenswertes Merkmal 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Vorstellbar ist z B ein
208. ng Prozessorleistung und Arbeitsspeicher einige Minuten in Anspruch nehmen Aus diesem Grund wird das Oberfl chenmodell erst auf explizite Anforderung erzeugt und sollte f r eine wiederholte Bearbeitung im Verzeichnis der zugeh rigen Planungsstudie gespeichert werden Mit dem Vorliegen der CT Daten und dem Oberfl chenmodell kann die Planung der Implantatpositionierung am 3D Modell des Patientensch dels erfolgen Dazu wird das Modul hxEpiPlan aufgerufen das alle derzeit implementierten M glichkeiten zur Ein Datensatz von ca 200 Schichten mit 512x512 Aufnahmewerten pro Schicht f hrte zu einem Oberfl chenmodell mit 2 6 Millionen Dreiecken 7 Gerechnet wurde auf einer Silicon Grahics Octane MXE mit einem MIPS R10000 Prozessor bei 250 MHz Systemtakt und 384 MB Hauptspeicher 195 3 Import medizinischer Bilddaten Planung bereitstellt F r die Planungsvorbereitung muss das 3D Modell in der Planungsansicht entsprechend des jeweiligen Operationsgebietes ausgerichtet werden Die Ausrichtung kann dabei entweder in der viergeteilten Standardansicht erfolgen oder es kann in einen vergr erten Darstellungsmodus gewechselt werden Da der in dieser Arbeit vorgestellte Prototyp des Systems f r die Planung der Befestigung von Ohrepithesen eingesetzt werden soll wurden zwei Schaltfl chen zur Ausrichtung gem der linken oder rechten Kopfseite bereitgestellt Nach entsprechender Auswahl kann das 3D Modell mit der Maus oder mit grafischen
209. ng dahingehend vorgenommen werden sollte dass das Verzeichnis in eine externe ASCH Datei ausgelagert und zur Laufzeit ausgewertet wird Dazu m sste der Programmcode in dicomDictionary c nur noch einmal bzgl der Auswertung einer solchen Datei ge ndert werden Die Erweiterung der Verzeichnisdatei k nnte dann jederzeit unabh ngig vom Programmcode erfolgen wodurch sich auch private Eintr ge aus den bereinstim mungserkl rungen der Hersteller in geeigneter Form ber cksichtigen lie en Weiterhin sollte die Metainformation der Gruppe 2 gem Teil 10 des DICOM Stan dards ausgewertet und entsprechende Erg nzungen in den Dateien dicomPart10 c und dicomFirstElement c vorgenommen werden Dazu sind allerdings geeignete Testdaten z B nach entsprechender Erweiterung der Tomoscan M EG Software sowie die ver abschiedete Version der in dieser Arbeit verwendeten Vorabversion des Standards erfor derlich NEM94 Bei den in Abschnitt 3 2 beschriebenen Hilfsprogrammen zur Arbeit mit medizinischen Bilddaten lie en sich die Programme signedToByte und unsignedToByte dahingehend ver bessern dass eine beliebige Parametrisierung der Wertebereiche ber die Kommando zeile erfolgen k nnte Bei den Hilfsprogrammen zur Analyse von DICOM Daten Abschnitt 3 5 w re das Programm xDicomView noch stark verbesserungsw rdig 195 3 Import medizinischer Bilddaten F r den klinischen Einsatz von Amira als Planungssystem sollte die DICOM Datei auswahl wesent
210. ng chirur gischer Abl ufe an dreidimensionalen Patientenmodellen bilden In diesem Kapitel wird auf die Arbeit mit medizinischen Bilddaten eingegangen und eine in der Programmier sprache C entwickelte Bibliothek vorgestellt mit der sich Daten im ACR NEMA DICOM Format interpretieren und weiterverarbeiten lassen Diese Bibliothek wird in Form eines Importmoduls f r das am Konrad Zuse Zentrum f r Informations technik Berlin entwickelte Visualisierungssystem Amira zug nglich gemacht so dass sich die medizinischen Aufnahmedaten damit korrekt einlesen und darstellen lassen 3 1 Bilddaten und Aufnahmeparameter Bei den Aufnahmedaten die als Grundlage f r das zu entwickelnde Planungssystem dienen handelt es sich um computertomographische R ntgenaufnahmen wie sie z B von den CT Aufnahmeger ten Siemens Somatom der Charite bzw dem mobilen Computertomographen Philips Tomoscan M EG des SRL Experimental OPs geliefert werden Ein CT Datensatz repr sentiert dabei eine Sequenz von Schnittbildern deren Messwerte als HOUNSFIELD Einheiten in Form von 2D Matrizen vorliegen Diese Matri zen werden zeilenweise als kontinuierlicher Datenstrom vom Aufnahmeger t geliefert der wiederum auf digitalen Datentr gern wie Festplatte Compact Disk CD ISO 9660 oder magnetooptischer Platte MOD gespeichert werden kann ber die Steuerungs software des Computertomographen lassen sich entweder alle Messwerte in einer Datei oder jede Schicht in einer separat
211. ng erfolgen bzw die Platzierung des Implantates ausgeschlossen sein Nach der visuellen Bestimmung geeigneter Positionen f r die Implantate k nnen deren Ausrichtungen zur umliegenden Knochenoberfl che bzw zueinander mittels geeigneter Verfahren der digitalen Bildverarbeitung optimiert werden Als Planungsergebnis liegen 24 2 4 Zusammenfassung die Positionen und Orientierungen der Implantate im Planungsmodell sowie deren Abstand zueinander und die jeweilige Dicke des dar berliegenden Weichgewebes vor Diese Daten k nnen als Grundlage zur Planungsumsetzung gespeichert oder an ein Aus f hrungssystem weitergegeben werden 2 3 6 Datenexport f r die Planungsumsetzung Als quantifizierbare Planungsdaten liegen die Positionen und Orientierungen der Implantatmodelle sowie der aus dem Datensatz extrahierten Registrierungsmarker in Form von Koordinaten in Relation zum 3D Planungsmodell vor Aus der Lokalisierung der Registrierungsmarker am Patienten lassen sich ber deren r umliche Lage mittels mathematischer Transformationsverfahren die tats chlichen Bohrkoordinaten ermit teln Lav96 Neben den Bohrkoordinaten liegt mit der Planung auch die Information ber die zu verwendenden Implantattypen sowie die zur Durchf hrung notwendigen Werkzeuge vor da diese direkt mit dem jeweiligen Implantattyp verkn pft sind Mit dem Abschluss der Planung wird ein Datensatz erzeugt der die notwendigen Planungsdaten enth lt Dieser Datensatz wird in ei
212. ngsmarker vor die mit den speziell aufbereiteten Bilddaten an ein Ausf hrungssystem exportiert werden sollen ber das letztendlich die eigentliche Registrierung und Planungsumsetzung erfolgt 4 1 Registrierung Legt man dreidimensionalen Planungsdaten ein durch das Aufnahmesystem vorgege benes r umliches Koordinatensystem zugrunde das in das Koordinatensystem des Patienten zum Zeitpunkt der Operation berf hrt werden soll dann bezeichnet man diesen Vorgang der Koordinatentransformation als Registrierung F r die Registrierung sind so genannte Referenzpunkte erforderlich deren Anordnung zueinander fest und bekannt sein muss Als Referenzpunkte lassen sich entweder charakteristische anato 25 3 Import medizinischer Bilddaten mische Merkmale nutzen die sowohl in den Aufnahmedaten als auch am Patienten ein deutig lokalisiert werden k nnen und deren relative Lage sich zwischen dem Zeitpunkt der Aufnahme und der Operation nicht ver ndert oder es k nnen externe k nstliche Merkmale am Patienten fixiert werden die im Rahmen der Bildgebung ein definiertes Signal liefern Bei der Verwendung externer Merkmale existiert allerdings das Problem dass diese ortsfest am Patienten angebracht werden m ssen Optimal ist eine Veranke rung an statischen Knochenstrukturen Jede Verschiebung wie sie bei auf der Haut fixierten Markern leicht auftreten kann f hrt zu einem Registrierungsfehler der sich nur durch eine erh hte Anzahl von Markern k
213. nn der Arbeit noch keine genaue Kenntnis zu den HOUNSFIELD Bereichen der ein zelnen Marker vor Die Anpassung auf die Nutzbarkeit einer oberen und unteren Segmentierungsschwelle erfordert die Erweiterung der Datenstruktur markerType siehe Abschnitt 4 4 2 Seite 82 die nderung der Bibliotheksfunktion markerExtraction die nderung der Aufrufparameter des Programms findMarker sowie die Erweiterung der grafischen Benutzerschnittstelle des Moduls hxMarkerFinder auf zwei Eingabefelder Zus tzlich muss das modifizierte Inventor Dateiformat inklusive der Auswerteroutine sowie die Bibliotheksfunktion classifyMarker hinsichtlich der Existenz einer oberen und unteren Segmentierungsschwelle angepasst werden Im Verlauf der Arbeit zeigte sich auch dass die Kenntnis des Zusammenhangs zwischen HOUNSFIELD Werten und Materialdichte zur Bestimmung des Schwerpunktes und der Tr gheitsmomente von Vorteil w re Abschnitt 4 3 2 Ein solcher Zusammenhang m sste durch umfangreiche Messreihen aufgestellt werden wenn er nicht bereits in der Literatur vorliegt Eine entsprechende Recherche f hrte leider nicht zu einem positiven Ergebnis Die Bestimmung der physikalischen Eigenschaften aus den tomographischen Aufnahmedaten lie e sich ebenfalls noch verbessern wenn zwischen den Aufnahme werten trilinear interpoliert werden w rde anstatt nur die Aufnahmewerte der kubischen Voxel zu ber cksichtigen Eine Subvoxelgenauigkeit w rde vermutlich zu einem ver besser
214. nnte die Funktionalit t der DICOM Importbibliothek demonstriert werden In der n chsten Stufe muss diese in das Visualisierungssystem Amira integriert werden Es sollen Dateien in denen DICOM Nachrichten gespeichert sind direkt ber ein Dialogfenster ausgew hlt und eingelesen auf die wesentlichen Datenelemente des jeweiligen Datensatzes zugegriffen und deren Bilddaten mit Amira visualisiert sowie ber mehrere Schichten dreidimensional rekon struiert werden k nnen Unter Amira stellen in zusammenh ngenden Schichten gespeicherte Aufnahmewerte wie sie von den tomographischen Verfahren geliefert werden so genannte regul re dreidimensionale Skalarfelder dar Zur Speicherung und Verarbeitung solcher Felder wird in Amira eine Klasse mit dem Namen HxRegScalarField3 verwendet Wie bereits erw hnt basiert das Visualisierungssystem auf einem objektorientierten Design und wurde berwiegend in der Programmiersprache C entwickelt Die Klasse HxReg ScalarField3 leitet sich von vielen anderen Klassen ab deren Aufz hlung und Erkl rung den Rahmen dieser Arbeit sprengen w rde Die Klassenhierarchie sowie die Beschrei bung aller einzelnen Klassen ist deshalb der Amira Online Referenz zu ent nehmen Ami98 Bei einer tomographischen Aufnahme ist es nicht zwingend erforderlich einen konstan ten Abstand zwischen allen Schichten einzuhalten Es kann durchaus vorkommen dass diagnostisch relevante Bereiche des Patienten mit einem geringeren Schichtab
215. olution kernel patient position no dictionary entry study instance uid series instance uid study id series number acquisition number image number frame of referenc position reference slice location samples per pixel 194 840 840 10008 5 1 4 1 1 2 VIZ 61922 329 01s xc 840 10008 1 2 1 2 840 113619 6 48 2 CTOOL100 PEG2000 SO_IR 100 NNN HUuOHrhrHhH P 1 MEDICAL SYSTEMS K IMAGING CENTER TO1_OCO UTINE CHEST HAPSODE S_IDEN_01 62399669 PEG 2000 nj pi aA EENE edical CT Lung EMS_PATI_01 SOVUE300 100 ELICAL MODE 5 000000 120 5 000000 THOQ 0 000000 STANDARD FFS GEMS_ACQU_01 1 2 840 113619 6 48 1 2 1 2 840 113619 6 48 1 3 24078 2 2 14 1 2 840 7113619 2 305 SN 77 2040634155 MONOCHROME2 photometric interp image rows height 512 image columns width 512 pixel spacing 0 661468 0 661468 bits allocated 16 bits stored 16 high bit 15 pixel representation 1 rescale intercept 1024 rescale slope 1 no dictionary entry GEMS_IMPS_O1 no dictionary entry GEMS _PARM_01 no dictionary entry pixel data 3 5 3 Extraktion einzelner Datenelemente 1 093246e 09 Sollen in einem DICOM Verzeichnis alle Aufnahmen eines bestimmten Patienten oder berweisenden Arztes herausgesucht werden dann ist es hilfreich in einer gespeicher ten DICO
216. ompensieren l sst Angenommen die Referenzpunkte sind ortsfest bzw die Abweichung kann bzgl der geforderten Genauigkeit vernachl ssigt werden dann beschreibt diese Punktmenge einen so genannten starren K rper Die Lage nderung eines starren K rpers l sst sich mathematisch durch affine Transformationen wie Translation Rotation und ggf Skalie rung beschreiben ber die alle zugeh rigen Objektpunkte ineinander berf hrt werden k nnen Handelt es sich nicht um einen starren sondern um einen deformierbaren K rper dann m ssen zus tzliche Ma nahmen zur Registrierung ergriffen werden auf die in dieser Arbeit jedoch nicht weiter eingegangen wird RSS 97 In der radiologischen Diagnostik wird eine Registrierung schon seit Langem zur Analyse von zeitlich versetzten Aufnahmen eines Patienten herangezogen Sollen z B R ntgenbilder eines Tumorgebietes im Hinblick auf die Tumorgr e verglichen werden so m ssen Gr e Lage und Orientierung des umgebenden Gebietes in ber einstimmung gebracht werden Erst wenn das Bezugskoordinatensystem feststeht kann eine Quantifizierung der ver nderten Tumorgr e zur Wachstums berwachung oder zur Nachuntersuchung bei einer Bestrahlungsbehandlung erfolgen Auch die Registrierung der Bilddaten unterschiedlicher bildgebender Verfahren CT MR usw ist ein aktuelles Thema zur Verbesserung der diagnostischen M glichkeiten Kru97 Einen guten ber blick ber die Registrierung zweidimensionaler A
217. on einem in Amira integrierten TCL Kommandointerpreter ausgewertet wird Diese Datei muss sich im Verzeichnis Amira share resources befinden damit die entsprechende Bibliothek zur Startzeit lokalisiert und geladen werden kann Die Datei hxsrl rc hat dabei folgenden Inhalt dataFile name SRL option srl ext srl header SRL load readSRL type HxRegScalarField3 save savelmagesrl dso libhxsrl so dataFile name SRL type HxLandmarkSet save saveLandmarksSrl dso libhxsrl so Mit hxsrl rc wird festgelegt dass Dateien mit dem Suffix srl bzw der Zeichenkette SRL im Dateianfang ber die Methode readSRL eingelesen und Bilddaten mittels der Methode savelmageSri bzw Markerdaten mit der Methode saveLandmarksSri abge speichert werden Die M glichkeit der Speicherung von Bohrdaten erfolgt ber die Methode saveSrl die jedoch direkt aus dem Planungsmodul hxEpiPlan aufgerufen wird und nicht mit einem Datenobjekt verkn pft ist siehe Abschnitt 6 4 5 Alle Speicher methoden werden ber das Modul hxSrl bereitgestellt Die zugeh rige Bibliothek libhxsrl so muss sich dabei in einem Unterverzeichnis lib des Installationsverzeichnisses von Amira oder eines lokalen Entwicklungsverzeichnisses befinden ber die Umge bungsvariablen AMIRA_ROOT und AMIRA_LOCAL kann auf die entsprechenden Ver zeichnisse verwiesen werden csh setenv AMIRA_ROOT usr local Amira baJsh export AMIRA_ROOT usr local Amira
218. onen GKG95 Kee96 BPH 96 KGC 96 Aber auch in der Neuro chirurgie der Abdominalchirurgie und der Orthop die gibt es gro e Entwicklungs bem hungen die Planung und Ausf hrung von chirurgischen Eingriffen durch den Einsatz von Computern und Robotern zu verbessern TLBM96 Viele solcher Eingriffe k nnen durchaus von dem Einsatz robotergest tzter Assistenzsysteme profitieren die das ruhige Halten das exakte F hren oder pr zise Positionieren von Instrumenten Implantaten bzw Knochenteilen erm glichen LHA 98 Mer97 HD94 Durch die enge Zusammenarbeit von Ingenieuren Informatikern und Medizinern sowie die Integration eines Experimental OP s in den klinischen Operationsbereich liegen an der Charit optimale Voraussetzungen f r die Realisierung eines solchen Projektes vor Der Fachgruppe Navigation und Robotik Surgical Robotics Lab SRL steht dazu momentan folgende Hardware zur Verf gung e Ein mobiles CT Philips Analogic Tomoscan M EG e Eine Sun 5 Workstation zur CT Steuerung e Ein deckenmontierter Roboter Elekta MSS SurgiScope e Eine 3D Lokalisiereinheit mit 3 IR CCD Zeilenkameras PixSys 3000 e Eine HP 9000 Workstation als DICOM Server e Ein Puma 560 Industrieroboter mit 6 Freiheitsgraden e Eine SGI Octane MXE Workstation MIPS R10000 384 MB e Eine SGI IRIS Indigo II Workstation MIPS R4400 384 MB e Zwei NT 4 0 Workstations Pentium Pro 200 MHz 128 MB 1 Einleitung Gesamtziel der Forschungsgruppe ist es
219. ordnung der Bytes gekennzeichnet wird Eine heuristische Vorgehensweise zur Datenstromanalyse ist wie folgt in der Biblio theksfunktion dicomFile implementiert worden 1 berpr fung auf Dateiinhalt nach DICOM Teil 10 2 berpr fung des ersten Datenelementes auf explizite Wertrepr sentation 3 berpr fung der Byteanordnung in der Datei 4 berpr fung auf G ltigkeit des ersten Elementes Nach dieser Untersuchung steht fest ob es sich um einen DICOM bzw ACR NEMA Datenstrom handelt und mit welcher Byteanordnung dieser einzulesen ist Der Aufruf der Funktion liefert den Wert 1 zur ck wenn ein interpretierbarer Datenstrom erkannt wurde und den Wert 0 wenn der Datenstrom nicht interpretiert werden konnte 3 4 4 Ber cksichtigung von Teil 10 des DICOM 3 0 Standards Teil 10 des DICOM Standards lag zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Arbeit leider noch nicht in verabschiedeter Form vor Die Analyse des DICOM Datenstroms hinsicht lich des DICOM Speicherformates kann somit noch nicht gesichert erfolgen Dennoch wurden M glichkeiten implementiert die eine Erkennung und Interpretation der Daten gew hrleisten Es gilt als gesichert dass eine DICOM Datei nach Teil 10 des Standards durch eine 128 Byte umfassende Pr ambel gefolgt von einem 4 Byte Pr fix mit dem Inhalt DICM gekennzeichnet ist Da der Inhalt der Pr ambel seitens des Standards unspezifiziert ist wird lediglich nach dem Pr fix ab dem 129 Byte gesucht Wird di
220. otalverlust nicht m glich dann werden Prothesen bzw Epithesen zur funk tionalen und oder sthetischen Wiederherstellung herangezogen BFKS94 Epithesen sind k nstliche Aufsatzst cke die einen Defekt oberfl chlich verdecken und zumeist der sthetischen Rehabilitation dienen Eine Epithese hat dabei nach Federspil die Funktion eine m glichst unauff llige Physiognomie herzustellen und den Patienten wieder normal erscheinen zu lassen FKF97 Die Bestimmung der optimalen Form und Lage einer Epithese sowie der unauff lligen und vor allem sicheren Befestigungsart ist die Aufgabe des Epithetikers Die Verwendung von implantatfixierten Epithesen ist derzeit in vielen F llen die Methode der Wahl WLS95 SF95 Fri97 TG97 STS97 2 1 Operationsszenario Setzen einer Ohrepithese Ein missgebildetes Ohr soll durch eine Ohrepithese ersetzt werden Die operative Vor bereitung besteht darin zwei oder mehr Gewindeh lsen aus Titan in den Sch del knochen des Patienten zu implantieren Osseointegration TG97 in die sp ter die Aufnahmen f r den individuell anzufertigenden Steg Suprakonstruktion zur Befesti gung der Ohrepithese eingeschraubt werden RSS97 Rad95 Dazu m ssen Aufnahme l cher im Sch del des Patienten gebohrt sowie passende Gewinde geschnitten werden in die letztendlich die enossalen d h im Knochen liegenden Implantate eingedreht wer den Auf Basis der Sch deloberfl che im Operationsbereich unter
221. otheksfunktion ber cksichtigt werden Nach der erfolgreichen bernahme der ASCII Information kann 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten der Speicher f r den Bytestrom mit srIFreeHdr und der Speicher f r die Datenstruktur srlType mit srlReleaseHadr freigegeben werden 6 2 3 Einlesen der Bilddaten Die bernahme der Bilddaten erfolgt unabh ngig von den ASCII Daten Sollen die Bilddaten ebenfalls eingelesen werden was f r die Nutzung der Planungsdaten nicht zwingend erforderlich ist dann muss dem Aufruf von srIReadHdr und srIConvertHdr der Aufruf der Bibliotheksfunktion srlReadData folgen Mit srIReadData wird Speicher f r die Bin rdaten des SRL Datenstromes angelegt wobei per Definition immer zuerst die Aufnahmedaten und dann eventuelle Planungsansichten in der Datei vorliegen m s sen Anschlie end werden entsprechend der Angaben in den Gruppen Image und Preview alle Bin rdaten eingelesen Die Funktion srlReadData liefert einen Zeiger auf den neu angelegten Speicher oder im Fehlerfall den Wert 0 zur ck Mit srIFreeData kann der reservierte Speicher wieder freigegeben werden Da nach dem Einlesen der Bilddaten diese als linearer Bytestrom vorliegen obwohl es sich bei CT Daten um ein dreidimensionales Skalarfeld handelt wurde eine weitere Funktion srIConvertData bereitgestellt ber die ein entsprechendes Feld von Zeigern auf die Zeilen und Schichten der Aufnahmematrix angelegt und ein Zeiger auf d
222. punkt x y z 0 0 0 0 0 55 mm Tr gheitsmomente x y z 3 3 1 Tr gheitsradien x y z 1 4 1 4 0 8 mm Der Ursprung des den Werten zugrundeliegenden Koordinatensystems ergibt sich aus dem Zentrum des quaderf rmigen Begrenzungsvolumens Der Schwerpunkt ist von die sem Zentrum um 0 55 mm in Richtung Schraubenkopf verschoben Der Referenzpunkt zur Registrierung ist durch die Tiefe der Bohrung im Schraubenkopf VOLEFEeDEn F r die Berechnung der TaLe momen E wurde eine Dichte von 1 g cm statt des f r Titan typischen Wertes von 4 54 g cm zugrunde gelegt Zur Klassifikation des Marker typs wird das charakteristische Verh ltnis der Tr gheitsmomente herangezogen Bild 4 12 verdeutlicht einige Segmentierungsergebnisse Es wurden von links oben nach rechts unten die Schwellen 1500 1800 2100 und 2500 HU auf einen CT Datensatz mit einem Schichtabstand und einer Schichtdicke von 2 mm angewendet Hierbei wird deutlich dass sich der Referenzpunkt im Schraubenkopf sogar visuell nicht bestimmen l sst Automatische Segmentierungs und Klassifikationsverfahren w rden mit Sicher heit von einem gr eren Schraubenkopf profitieren wie ihn z B die Schrauben der OST REG Serie aus der Leibinger Produktpalette besitzen Diese Schrauben bieten zudem die M glichkeit spezielle Aufs tze zur Registrierung verwenden zu k nnen 33 q Bild 4 12 Schwellenwertabh ngige Segmentierungsergebnisse EMO HU 00 HU 21h HU 195 3 Impor
223. r bessern kann Als Erstes wird zu jeder selektierten Implantatposition die an dieser Stelle vorliegende Knochen und Weichgewebedicke aus den CT Daten bestimmt und ange zeigt wobei die Gewebegrenzen aus den anf nglich festgelegten Schwellenwerten f r Haut und Knochen resultieren Das Implantatmodell wird unmittelbar nach Festlegung der Position an der entsprechenden Stelle im 3D Modell visualisiert und automatisch gem der dort vorliegenden Aufnahmewerte im Knochen versenkt und ausgerichtet Dazu wird an der Stelle der Position des Mauszeigers im Planungskoordinatensystem die am n chsten zum Knochen liegende Weichgewebeoberfl che sowie die u ere und innere Knochenoberfl che aus den CT Daten ermittelt Aus diesen Werten resultiert die Knochen und Weichgewebedicke an dieser Position Anschlie end werden an der Voxelposition der u eren Knochenoberfl che die drei partiellen Ableitungen dx dy unddz der Aufnahmewerte J f x y z entlang der Koordinatenachsen bestimmt J h97 und ber den daraus resultierenden Gradientenvektor V der stets in Richtung ansteigender Werte weist auf die Oberfl chennormale n an dieser Position geschlossen 5 1 Der Gradient gibt somit die zur Knochenoberfl che optimale Ausrichtung der Implantath lse vor wobei das zylindrische Implantat entlang des Gradienten um seine H he in das Knochenmaterial verschoben werden muss ar ar arl vn 7 2 0 J SS n 5 1 195 3 Import medizinischer B
224. r Daten sind jedoch gegeben und eine entsprechende M glichkeit sollte bei Bedarf problemlos in das Planungssystem integriert werden k nnen Bei der Spezifikation des SRL Datenformates wurde keine M glichkeit vorgesehen CT Datens tze mit variablem Schichtabstand zu speichern Es ist zwar m glich solche Datens tze mit dem Modul hxDicom in Amira einzulesen doch lassen sich diese Daten momentan nicht ber das SRL Format exportieren Sollte sich solch eine Anforderung im weiteren Verlauf der Entwicklung ergeben dann best nde entweder die M glichkeit die SRL Formatbeschreibung um entsprechende Felder zur Beschreibung der Schicht positionen zu erweitern oder die CT Datens tze vor der Speicherung durch Interpolation bzw Entfernen von Schichten auf eine quidistante Form zu bringen 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Liegen in einem SRL Datensatz Bohrdaten vor dann werden diese derzeit beim Re import in das Planungssystem ignoriert F r den Fall dass diese Daten ebenfalls visuali siert werden sollen was ber die Anforderungen nicht gegeben war m sste die Lese methode des Moduls hxSrl erweitert werden Da ber die Daten allerdings nur der Anfangs und Endpunkt einer Bohrung vorliegt k nnen lediglich die Bohrachsen in Kombination mit dem 3D Patientenmodell dargestellt werden was zur berpr fung der Planungsdaten jedoch ausreichend w re Nach der Speicherung der CT Daten im SRL Format ndert sich automatisch
225. r fen wie genau diese optimalen Planungsdaten im nachfolgenden chirurgischen Eingriff umge setzt werden k nnen F r die Genauigkeitsuntersuchungen muss zum einen die Markerdetektion inklusive der Registrierung an Modellen berpr ft werden Daraus ergibt sich eine Abweichung zwischen dem Modell und dem Patientenkoordinatensystem wobei systematische Fehler wie z B Aufnahmeverzerrungen bei der Registrierung ber cksichtigt und aus geglichen werden k nnten Hier bietet sich ein direkter Vergleich mit dem derzeit ein gesetzten kommerziellen Leksell Scope Planner an Dieses System entspricht den Anforderungen hinsichtlich der geforderten Genauigkeit so dass ber den Vergleich der 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Registrierungsergebnisse auf die Genauigkeit des integrierten Planungs und Aus f hrungssystems geschlossen werden kann In der n chsten Stufe muss eine Planung an physischen Modellen erfolgen an denen im Anschluss auch die robotergest tzte Bohrung vorgenommen wird wobei sich hier die aus der Planung resultierenden Fehler mit den Registrierungsfehlern addieren Die dabei erzielte Genauigkeit bzw die zwischen Planung und Umsetzung auftretende Ab weichung ist ein erstes Resultat zur Bewertung der G te des Gesamtsystems Nach der Quantifizierung der maximalen Abweichung m ssen M glichkeiten gefunden werden die Fehler in der Kette von der Bildgebung bis hin zur robotergest tzten Bohrung durch geeigne
226. r diese Datenstruktur soll zum einen auf die Bilddaten zuge griffen werden k nnen und zum anderen auf alle Elemente der Zusatzinformation Header Die DICOM Bibliothek soll den Import aller an der Klinik f r Mund Kiefer und Gesichtschirurgie anfallenden Daten erm glichen um diese mit dem integrierten Planungs und Ausf hrungssystem verarbeiten zu k nnen Dabei sind sowohl Daten formate nach dem ACR NEMA 2 0 Standard NEM88 dem DICOM 3 0 Standard NEM93a NEM93b und dessen Erweiterung auf Speichermedien NEM94 m glich Die Bibliothek soll in der Programmiersprache C nach dem ANSI Standard implemen tiert werden so dass sie sich in Anwendungen nutzen l sst die ebenfalls mit dieser Pro grammiersprache entwickelt wurden Eine objektorientierte Entwicklung der Bibliothek h tte sich zwar angeboten da das gesamte Entwurfskonzept des DICOM Standards objektorientiert aufgebaut ist FMCC95 EEHJ95 doch lie e sie sich dann nicht mehr in anderen Komponenten des integrierten Planungs und Ausf hrungssystems nutzen F r das objektorientierte Visualisierungssystem Amira wird deshalb ein Importmodul bereitgestellt das die Bibliotheksfunktionen in einer entsprechenden Klasse kapselt und den DICOM Datenimport erm glicht Nachfolgend wird auf die Funktionalit t der implementierten DICOM Importbibliothek eingegangen Der Programmcode befindet sich auf der beiliegenden CD im Verzeichnis dicom lib Testdaten liegen im Verzeichnis images dico
227. r wissenschaftlichen Visualisierung komplexer Daten existieren bereits eine Vielzahl von Programmpaketen am Markt Eine ausf hrliche Untersuchung und Bewertung ihrer Merkmale und Leistungsf higkeit reduzierte die Anzahl potentiell geeigneter Visuali sierungssysteme auf vier Produkte DZ97 e AVS Express e IBM Data Explorer e Analyze AVW e Visualization Toolkit vtk Entscheidend f r diese Bewertung war neben der Funktionalit t und Erweiterbarkeit auch die Verf gbarkeit f r unterschiedliche Rechnerplattformen die ben tigte Dauer der Einarbeitung die Qualit t der zugeh rigen Entwicklungsumgebung und die M g lichkeit einer optimalen Unterst tzung durch den Hersteller bzw einer breiten aktiven Anwendergruppe Im direkten Vergleich berzeugte Analyze AVW da es als einziges Produkt den di rekten Import von ACR NEMA DICOM Daten zul sst die h chste Verarbeitungs geschwindigkeit bei der Manipulation von komplexen computergrafischen Modellen besitzt und seine gesamte Funktionalit t in Form von C Bibliotheksfunktionen bereit stellt wodurch die Entwicklung einer eigenen Anwendung inklusive Benutzeroberfl che nicht eingeschr nkt wird Ana98 Lediglich der hohe Preis von ber 25 000 DM lie einen Einsatz als Basissystem nicht zu Bei AVS AVS98 und dem IBM Data Explorer IDX98 handelt es sich zwar um sehr m chtige universell einsetzbare Visualisierungspakete doch f r den Import medizi nischer Bilddaten mussten ber
228. rFinder wurde als dynamisch ladbares Modul zur Nutzung in Amira entwickelt Es handelt sich um ein von der Klasse HxCompModule abgeleitetes Verarbei tungsmodul das ber ein Datenobjekt der Klasse HxRegScalarField3 aufgerufen werden kann und ein neues Datenobjekt der Klasse HxLandmarkSet erzeugt Eine Instanz der Klasse HxLandmarkSet kann wiederum mit dem Pr sentationsmodul hxDisplayLandmarks visualisiert und manipuliert werden siehe Bild 4 22 Die Beschreibung der einzelnen Klassen kann der Amira Online Referenz entnommen werden Ami98 LandinarkcSet 25 marken a fatimede irana S karerepet otainger 5 Marker postion 7 145339 IIHI A230 Bild 4 22 Beteiligte Module bei der Markerdetektion 195 3 Import medizinischer Bilddaten Zur Anmeldung des Moduls hxMarkerFinder in Amira dient die Datei hxmarkerfinder rc die im Verzeichnis Amira share resources vorliegen muss Diese Datei hat den folgenden Inhalt der zur Startzeit von einem TCL Kommandointerpreter ausgewertet wird module name MarkerDetection check string compare PRIMARY getTypeld HxVoxelGrid 0 primary HxRegScalarFeld3 class HxMarkerFinder dso libhxmarkerfinder so Die shared library des Moduls muss entweder unter dem Verzeichnis lib abgelegt wer den das sich im Installationsverzeichnis von Amira befindet AMIRA_ROOT oder unter dem Verzeichnis lib des eigenen Entwicklungsbereiches AMIRA_LOCAL Die zugeh r
229. reidimensionale Strukturen gew hren Die bestm gliche Umsetzung der Planung erfordert allerdings hochpr zise optische und mechanische Hilfsmittel und vor allem eine ruhige Hand des Chirurgen Operative Vorg nge die eine solche ruhige Hand erfordern k nnen unter Umst nden von einem assistierenden Robotersystem mit der geforderten Pr zision ausgef hrt werden Die Untersuchung ent In dieser Arbeit wird aus Gr nden der Vereinfachung und zur besseren Lesbarkeit der unspezifizierte Genus durch die maskuline Form ersetzt 1 3 Gliederung der Arbeit sprechender M glichkeiten und Einsatzgebiete ist Aufgabe von Medizinern und Ingenieuren weltweit CAS98 und erfolgt unter anderem am Universit tsklinikum Charit der Humboldt Universit t zu Berlin SRL98 In der vorliegenden Arbeit wird ein chirurgisches Planungssystem konzeptionell und prototypisch vorgestellt mit dem am dreidimensionalen computergrafischen Modell des aus CT Daten rekonstruierten menschlichen Sch dels das Setzen von Implantaten zur Befestigung von Ohrepithesen geplant werden kann Der Einsatz der 3D Computer grafik in Kombination mit der medizinischen Bildgebung ist dabei auf erste Arbeiten von Herman sowie Vannier und Marsh zur ckzuf hren HL79 VMW83 Mittlerweile stellt die wissenschaftliche Visualisierung eine hilfreiche und anerkannte Unterst tzung bei der Planung chirurgischer Eingriffe dar Klinische Bewertungen ergaben bereits 1995 eine hoffnungs
230. rfahrens war es eine erweiterbare Bibliotheksfunktion bereitzustellen die im Rahmen umfangreicher Tests verbessert werden kann ber die Klassifizierung der Einzelmerkmale l sst sich eine beliebige Ent scheidungsstrategie anwenden die problemlos in der Bibliotheksfunktion classify Marker implementiert werden kann Das Ergebnis der Funktion wird immer ein Markertyp sein so dass sich auch nach einer Verbesserung des Klassifizierungs verfahrens am Aufruf und der Nutzung dieser Funktion nichts ndert 4 4 6 Bestimmung der Lage und Orientierung von Markertypen Je nach Typ eines Markers muss dessen Orientierung interpretiert werden Unter der Orientierung versteht man dabei die Ausrichtung des Markers um seinen Schwer oder Referenzpunkt Bei kugelf rmigen Registrierungsmarkern hat die Orientierung f r eine Registrierung keine Bedeutung Marker mit einer charakteristischen Formauspr gung m ssen entsprechend ihrer Geometrie um den Bezugspunkt ausgerichtet werden Zu diesem Zweck wurde die Bibliotheksfunktion alignMarker implementiert deren Pro grammcode in der Datei markerAlignment c vorliegt Diese Funktion interpretiert den Markertyp der bei der Klassifizierung ermittelt wurde sowie die Eigenwerte der Markerregion die ein Charakteristikum f r die Symmetrie des zugrundeliegenden K r pers darstellen Aus der Kenntnis der realen Geometrie der unterschiedlichen Marker typen sowie deren Hauptsymmetrieachsen kann eine Ausrichtung entspr
231. rforder lichen Bohrpositionen nebst Tiefe und Durchmesser ergeben Entscheidend ist dass die Planung einfach und ergebnisorientiert erfolgen kann mit dem Ziel der f r den Patien ten optimalen Anpassung einer Epithese Das Resultat der Planung ist die Bereitstellung der Bohrdaten in Abh ngigkeit von der Knochenstruktur der Geometrie des Planungsgebietes und des zu verwendenden Implantattyps Die erforderliche L nge des Befestigungssteges ergibt sich aus der Distanz zwischen den Implantaten Die L nge der Distanzh lsen l sst sich aus der Dicke des Weichgewebes an den entsprechenden Stellen bestimmen und die Oberfl chen geometrie des Auflagebereiches der Epithese kann aus dem Modell der Knochen und Hautoberfl che abgeleitet werden wobei letzteres von der postoperativen Situation des Weichgewebes abh ngt die nach Ausd nnung und Deformation nicht eindeutig vorher zusagen ist 2 2 4 Planungsumsetzung Ausgehend von der pr operativen Situation besteht das Problem die Planungsdaten auf den realen Patienten anwenden zu k nnen Bereits bei der computertomographischen Aufnahme wird das menschliche Gewebe diskretisiert Daraus resultiert je nach Auf l sung und Schichtabstand ein Fehler bei der R ckabbildung von Punkten im Daten volumen zu den zugeh rigen Bereichen des Gewebes Bei der Generierung eines 3D Modells der Knochen und Hautoberfl che erfolgt eine weitere Approximation der realen Oberfl che die zum einen von den verwen
232. rn und m sste die ben tigte Information aus den neu eingef hrten Datenelementen extrahieren In Anlehnung an die Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Abschnitt 3 5 Seite 51 k nnte weiterhin ein Hilfsprogramm zur Visualisierung der Bilddaten im SRL Format bereitgestellt werden Vorstellbar w re ein Programm xSrlView das die einfache Anzeige der einzelnen Schichten unter X11 erm glicht Hierbei lie en sich z B mit den Cursor bzw Maustasten oder mit grafischen Bedienelementen einzelne Schichten ausw hlen und darstellen Im SRL Datenformat wurde die Gruppe Preview definiert die eine Information ber vor liegende Planungsansichten enth lt Wenn solche Planungsansichten im Datensatz gespeichert sind befinden sich die zugeh rigen Daten direkt hinter den CT Aufnahme daten Diese Information wird derzeit allerdings noch nicht aus dem Planungssystem bereitgestellt da bislang ungekl rt ist ob diese Daten tats chlich genutzt werden und wenn ja in welchem Format sie dann vorliegen sollten Gem der Vorgaben f r die Nutzung der Daten im Ausf hrungssystem m ssten derzeit auch die Voransichten auf sechs Bit reduziert werden HZ98 was zu einer schlechten Qualit t bei der Darstellung schattierter 3D Oberfl chen f hren w rde Eine entsprechende M glichkeit zur Konver tierung und Speicherung der jeweiligen Planungsansicht wurde deshalb im Rahmen dieser Arbeit noch nicht implementiert Die Voraussetzungen zur Bereitstellung diese
233. rposition mit Amira cc eens 73 Markerpositionen in einer Region of Interest 74 Diskrete 3D Nachbarschaftsmodelle uses sl 75 Lokales Koordinatensystem eines Philips Markers 76 Merkmalsraum zur Markerklassifizierung enee 80 Schematischer Ablauf der Markerdetektion u eeeennenn 82 Erosion und Dilatation am Beispiel ea 84 Markerorientierung unter Ber cksichtigung angrenzender Gewebe 86 Beteiligte Module bei der Markerdetektion nnneen 89 Die grafische Benutzerschnittstelle zur Markerdetektion 91 Visualisierung erkannter Registrierungsmarker neene 94 Manuelle Korrektur des Klassifizierungsergebnisses e 95 Visuelles Ergebnis der Detektion von Easy Guide Markern 96 Visuelles Ergebnis der Detektion kombinierter Markertypen 97 Visuelles Ergebnis der Markerdetektion an einem Sch delphantom 98 Referenzobjekt mit diversen Markertypen ennennnennen 99 Visuelles Ergebnis der Markerdetektion an einem Referenzobjekt 101 Planungsstudie mit zugeh rigen CT Daten een 107 Standardansicht des grafischen Planungsbereiches 108 Aus den CT Daten rekonstruiertes 3D Oberfl chenmodell 109 Vorbereitete 3D Planungsansicht enensenenennnnnnnn
234. rtierungsroutinen zu deren Interpretation erweitert werden Eine Abw rtskompatibilit t kann nur dann gew hrleistet werden wenn innerhalb der neu vereinbarten und eingef gten Gruppen eindeutige Feldbezeichner verwendet werden so dass Programme alle urspr nglichen Eintr ge noch eindeutig identifizieren und die unbekannte Gruppe inklusive der darin befindlichen Information ignorieren k nnen Eintr ge G ltige Eintr ge bestehen immer nur aus alphanumerischen Zeichen Einem g ltigen Eintrag muss das Trennzeichen folgen welches per Definition das Gleichheitssymbol darstellt Das Trennzeichen kann von Leer oder Tabulatorzeichen umgeben sein Das erste Zeichen nach dem Trennzeichen das weder ein Leerzeichen noch ein Tabulator 195 3 Import medizinischer Bilddaten zeichen ist leitet den Wert des Eintrages ein Die korrekte Interpretation des Inhaltes obliegt dem auswertenden Programm Feldbezeichner Feldinhalt Die Anforderungen an den derzeit geforderten Umfang der Planungsdaten wurden in Zusammenarbeit mit den Entwicklern des Ausf hrungssystems spezifiziert HZ98 6 1 2 Aufbau einer Datei im SRL Datenformat SRL file format ASCII v1 0 Sample header for the Berlin Integrated Surgery System Surgical Robotics Lab Charite HU Berlin Campus Virchow Patient Information Patient name lastName firstName middleName id 4711 dateOfBirth yyyy mm dd sex m f o Date and Time of Image Acquisition
235. rtrepr sentation gem DICOM 3 0 44 DICOM Nachricht des Philips Tomoscan M EG enneeen 49 Datenelemente einer DICOM Datei nach Teil 10 50 Pflichtparameter eines CT Datensatzes us ass 56 Kenngr en eines Philips Markers vom Typ Easy Guide 66 Kenngr en eines B ekley Spots 69 Kenngr en einer Leibinger Knochenschraube 5 mm 71 Klassifizierungsmerkmale von CT Registrierungsmarkern 79 Merkmalsvektor zur Markerklassifizierung een 79 Syntax eines Inventorknotens zur Markerbeschreibung 92 Markerpositionen als Ergebnis der automatischen Markerdetektion 100 Relative Genauigkeit der Markerdetektion ceenenenennn 101 Abweichung zwischen gemessenen und ermittelten Werten 102 Datentypen des SRL Formafes nee 128 25 Literaturverzeichnis Ami98 Ana98 AVS98 Bar92 BD97 BFKS94 BJ95 BPH 96 Bro92 BSJ95 BWK97 CAS98 Clu98a Clu98b Amira Online Information Service URL http amira zib de 1998 Analyze AVW URL http www mayo edu bir home html 1998 Advanced Visual Systems URL http www iavsc org express index html 1998 Barr A H Rigid Physically Based Superquadrics In Graphics Gems III S 137 157 Academic Press 1992 Beecher D E Duan L CTN Utility Programs A Guide to Programs for
236. rungsschwelle die in Bild 4 8 gezeigten Ergebnisse Hierbei wurden von links oben nach rechts unten die Schwellenwerte 1500 2000 2500 und 3000 HU verwendet Die Aufnahme erfolgte mit einem Schichtabstand von 2mm und einer Schichtdicke von ebenfalls 2 mm In den ersten beiden Abbil dungen ist der Marker noch deutlich zu erkennen doch mit steigender Segmentierungs schwelle macht sich der Partialvolumen Effekt bemerkbar bei dem Randbereiche des Markers diesem nicht mehr zugeordnet werden Aufgrund des hohen Schichtabstandes im Verh ltnis zur Ausdehnung des Markertyps ist dieser bei zu hoch gew hlter Seg mentierungsschwelle nur noch in einer Schicht zu erkennen Zwischen den Schichten m sste in Abh ngigkeit von der erkannten Markerfl che linear interpoliert werden SE HU AH PEED Hil SHAH Bild 4 8 Schwellenwertabh ngige Segmentierungsergebnisse 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Auch f r diesen Markertyp wurden die charakteristischen Kenngr en berechnet die in Tabelle 4 2 zusammengefasst sind Der Referenzpunkt ist durch das Zentrum der Kugel gegeben und f llt mit dem Schwerpunkt zusammen F r die Berechnung der Tr gheits momente wurde eine Dichte von 1 g cm statt des f r Blei typischen Wertes von 11 34 g cm zugrunde gelegt da zur Klassifikation des kugelf rmigen Markertyps wieder nur das charakteristische Verh ltnis der Tr gheitsmomente von Bedeutung ist Tabelle 4 2 Kenngr en
237. ry HxRegScalarField3 dso libhxepiplan so Die Erzeugung einer Instanz der Klasse HxEpiPlan ist somit von der Existenz der beiden Datenobjekte HxSurface und HxRegScalarField3 abh ngig was bedeutet dass diese beim Aufruf des Moduls in Amira instanziert also geladen sein m ssen ber die beiden Datenobjekte l sst sich das Modul hxEpiPlan mit dem Namen EpiPlan aufrufen Die shared library in der sich der Programmcode befindet besitzt den Namen libhxepiplan so und wird in den Unterverzeichnissen lib von AMIRA_ROOT und AMIRA_LOCAL gesucht 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 5 1 2 Planungsvorbereitung Um eine Planung beginnen zu k nnen sollte grunds tzlich eine Planungsstudie angelegt werden die als elektronische Behandlungsakte angesehen werden kann in der alle Planungsdaten eines Patienten gespeichert werden siehe Abschnitt 2 3 1 Das Anlegen einer Studie wird in Amira durch das Konzept der Projekte erm glicht ber solche Projekte kontrolliert Amira im Verlauf der Arbeit von wo Daten eingelesen werden und bietet zum Speichern von Daten stets das aktuelle Projektverzeichnis an F r den klinischen Einsatz von Amira als chirurgisches Planungssystem m sste die Bezeichnung Projekt lediglich durch den blichen Terminus der Studie ersetzt werden 7 Dee a a e a TS sirin ET SD eami mm na nen naa Bild 5 1 Planungsstudie mit zugeh rigen CT Daten Nach der Bestimmung eines Namens und eines Verzei
238. s 46 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 0008 001 001 001 001 001 001 001 001 001 001 001 001 001 001 001 001 0020 0020 0020 0020 0020 0020 0020 0020 0020 0020 0020 0020 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0028 0028 EO TEI 0 8 OO OO OO 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Tabelle 3 3 DICOM Nachricht des Philips Tomoscan M EG 10 22 26 56 8 8 8 10 10 10 0 2 N A A EN oh N BHONNADAANANBOBNDAOBNOKBHBA DOCS au m U Nhe ANA b oO 0 1 1 2 2 2 2 8 2 2 2 2 6 6 6 2 8 52428 character set image type sop class uid sop instance uid date date date time time time accession number Modality Manufacturer institution name referring physician performing physician no dictionary entry manufactorer s model no dictionary entry patient name Patient id patient birthdate patient sex patient age contrast bolus agent scan options slice thickness study series image study series image kvp protocol name reconstr Diameter gantry tilt exposure time x ray tube current convolution kernel patient position study instance uid series instance uid study id series number acquisition number image number image position image ori
239. s tzliche Angaben der Detektionsvorgang gestartet werden indem man die Schaltfl che Start mit der linken Maustaste aktiviert Der Schwellenwert zur Segmentierung ist im Feld Hounsfield Value vorgegeben kann jedoch bei Bedarf ge ndert werden Der Vorgabewert sowie alle anderen Textfelder der Benut zerschnittstelle k nnen ber die Datei hxmarkerfinder ad application defaults die sich im Verzeichnis Amira share resources befindet frei konfiguriert werden Hier l sst sich z B auch problemlos die Anpassung auf eine beliebige Sprache vornehmen 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Bild 4 23 Die grafische Benutzerschnittstelle zur Markerdetektion Zwischen dem Eingabefeld f r die Segmentierungsschwelle und dem Startknopf be findet sich ein Men mit dem ein spezieller Markertyp ausgew hlt werden kann Vor gegeben ist ein beliebiger Typ dessen Segmentierungsschwelle sich aus dem einge stellten HOUNSFIELD Wert ergibt Des Weiteren kann aus diesem Men ein frei kon figurierbarer Markertyp ausgew hlt werden Wird dazu der Men punkt Other aktiviert dann erweitert sich die Benutzerschnittstelle um die f nf Eingabeparameter Volume Bounding Box Center of Mass Moments of Inertia und Radii of Inertia ber diese Felder k nnen die zugeh rigen Eigenschaften eines Markers zur Klassifizierung angegeben werden Der Men punkt Other ist jedoch nur dann sinnvoll wenn die geforderten Para meter eines Markers bekannt
240. s Tomoscan M EG eindeutiger Suffix zu einer Aufnahmemodalitat 1 3 46 670589 10 13 800143 1 2155645152 0 21 1 108348136 Ger tetyp Seriennr Produkt System ID Serie Datum Uhrzeit u a Bild 3 10 DICOM Identifikationsschema Es k nnen einzelne Dateien mit der Maus sowie mehrere Dateien bei gedr ckter Shift Taste zur Auswahl markiert werden Diese Dateinamen sind im Auswahlfenster farblich unterlegt Weiterhin besteht die M glichkeit alle Dateien im Verzeichnis ber die Schaltfl che Select All auszuw hlen alle ausgew hlten Dateien ber Deselect All wieder abzuw hlen und die aktuelle Auswahl mittels Invert Selection umzukehren ber das Ein gabefeld Filter k nnen auch so genannte Wildcards angegeben werden mit denen sich Dateien ber bestimmte Namensmuster ausw hlen lassen Die Auswahl zusammen h ngender Dateien durch Ziehen des Mauszeigers ber die Listeneintr ge bzw Auswahl des ersten und letzten Namens bei gedr ckter Strg bzw Crrl Taste ist derzeit noch nicht m glich F r den DICOM Datenimport ist die Wahl des richtigen Verzeichnisses und die Schalt fl che Select All von prim rer Bedeutung Auf diese Art werden alle Dateinamen einer Aufnahmereihe selektiert und nach Bet tigung der Schaltfl che OK an das Modul hxDicom bergeben 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 3 6 3 bernahme der Daten Nach Auswahl der Dateinamen wird die Methode readDicom des Importmoduls hxDicom
241. s m ssen demnach entweder vier Referenzpunkte mit jeweils drei Koordinaten in den Koordinatensystemen M und P oder jeweils ein Refe renzpunkt mit seinen drei Koordinaten sowie die zugeh rigen drei Rotationswinkel um die Koordinatenachsen bekannt sein Die Referenzpunkte k nnen dabei z B durch die Registrierungsmarker gegeben sein die sowohl im Modellkoordinatensystem als auch am Patienten lokalisiert werden m ssen Diese Lokalisierung kann u a durch optische oder mechanische Messverfahren erfolgen Zur Bestimmung der Positionen und Orien tierungen der Marker in den CT Daten werden Verfahren der digitalen Bildverarbeitung ben tigt 4 1 3 Fehlerminimierung Die Berechnung der Transformationsparameter aus der Mindestanzahl von Referenz punkten hat den Nachteil dass sich Fehler in den Positionen der Marker stark auf das Registrierungsergebnis auswirken k nnen Ein Unterschied zwischen der Lage korres pondierender Referenzpunkte ist jedoch nicht auszuschlie en da die Bestimmung der Positionen aus dem CT Datensatz von der r umlichen Aufl sung des bildgebenden Systems sowie der Genauigkeit des Detektionsverfahrens abh ngt und die Lokalisierung der Marker am Patienten von der Genauigkeit des jeweiligen Messverfahrens und der Beweglichkeit der Marker Durch die Verwendung redundanter Information kann im Gegensatz zur eindeutigen L sung des linearen Gleichungssystems der Gesamtfehler amp minimiert werden 4 3 2 icki mit N gt 3
242. sOfInertia 3 Tr gheitsradien float diameter 3 Durchmesser Sowohl zu den vorliegenden Markerreferenzdaten Templates als auch zu den im Datensatz detektierten Registrierungsmarkern wird eine Liste von Markern des Typs MakerType ben tigt Zum Zeitpunkt der Markererkennung wird automatisch eine Liste von Markern generiert die alle gefundenen Marker inklusive ihrer berechneten Eigen schaften enth lt F r die Klassifizierung ist eine hnliche Liste mit bekannten Marker typen und deren Eigenschaften erforderlich wobei die Eigenschaften der jeweiligen Marker durch Messungen und Berechnungen ermittelt werden m ssen Die automatische Erkennung von Markern in CT Daten deren Klassifikation und die Bereitstellung ihrer Lage und Orientierung geschieht in aufeinander folgenden Stufen 1 Markerextraktion liefert eine Liste potentieller Markerregionen 2 Berechnung der Markereigenschaften 3 Markerklassifizierung Vergleich der Eigenschaften mit den Vorgaben 4 Bestimmung der korrekten Ausrichtung des jeweiligen Markertyps 4 4 3 Extraktion potentieller Marker aus CT Daten Die Extraktion potentieller Marker aus den CT Daten erfolgt ber die Bibliotheks funktion extractMarkers deren Programmcode in der Datei markerExtraction c vorliegt Die Funktion erh lt als Eingabeparameter die Bilddaten inklusive Zusatzinformation ber die Datenstruktur ImageType und den Schwellenwert als HOUNSFIELD Einheit der zur Binarisierung und Se
243. sche Markererkennungsverfahren extrahiert alle Marker in Abh ngigkeit von einer w hlbaren Segmentierungsschwelle aus den CT Daten berechnet zu allen erkannten Markerregionen die charakteristischen Eigenschaften und klassifiziert die gefundenen Marker durch Vergleich mit den gegebenen Kenngr en Als Resultat wird eine Liste von potentiell im Datensatz vorliegenden Markern zur ckgeliefert die im Wesentlichen den Typ des klassifizierten Markers sowie seine Position und Lage bzw Orientierung im Datensatz enth lt Diese Liste kann entweder direkt zum Zwecke der Registrierung weiterverarbeitet oder zur 3D Visualisierung herangezogen werden Markerdetektion Ergebri Klassifikation alle Eingangsdaten Sowers Beabrerung ee je ee CT Detan i Bening de Gjin aky ertannier Maree ee ee er y Se Maren ee DAD Markendabern Camre Exgqnechatien ure Wsie Fi ee Ap und Aci cher CAD Mocele ar Ze kleiserregionern Bild 4 19 Schematischer Ablauf der Markerdetektion 4 4 2 CT Daten und Markerlisten Die Datenstrukturen Aus den Anforderungen bzgl der Ein und Ausgabedaten der Markerdetektions bibliothek resultieren zwei wesentliche Datenstrukturen Zum einen werden medizi nische Bilddaten interpretiert wozu eine aufnahmebeschreibende Zusatzinformation vorliegen muss siehe Abschnitt 3 1 und zum anderen sollen charakteristische Kenn gr en von Markern aus den Daten ermittelt zusammengefasst und mit vorge
244. scheidung getroffen oder auf nicht klassifi zierbar entschieden werden F r die Klassifikation der in Abschnitt 4 2 vorgestellten Registrierungsmarker bieten sich z B die folgenden Merkmale an Tabelle 4 5 Merkmalsvektor zur Markerklassifizierung HOUNSFIELD Bereich Volumen inmm Symmetrienorm Philips Easy Guide 1300 1800 220 0 5 0 5 1 0 Beekley Spot 2000 3095 1 77 0 5 0 5 0 5 Leibinger Schraube 1500 2300 12 24 1 0 1 0 0 5 195 3 Import medizinischer Bilddaten Der Hounsfield Bereich erscheint f r die vorgegebenen Markertypen ein sinnvolles Klassifikationsmerkmal zu sein doch kann nicht davon ausgegangen werden dass sich weitere Marker ebenso deutlich trennen lassen Die Grenzen zwischen den Markern liegen nahe beieinander und sind in der Regel eher flie end Das Volumen der Markertypen bietet im Prinzip ein deutliches Unterscheidungs merkmal doch h ngt es sehr stark von der gew hlten Segmentierungsschwelle zur Bestimmung der Markerregionen ab Ist diese ung nstig gew hlt kann es u a zu Problemen bei der Unterscheidung von Beekley Spots und Leibinger Schrauben kommen Um eine Variation des Volumens in Abh ngigkeit von seiner Gr enordnung zu ber cksichtigen bietet es sich an den Logarithmus des Volumens zu bilden und diesen Wert zur Klassifizierung heranzuziehen Durch die daraus resultierende Lineari sierung kann zwischen den Markertypen eine Entscheidungsschwelle festgelegt werden
245. schen zwei typischen Werten angesiedelt sein Das Klassifikationsverfahren muss die Merkmale gegeneinander Ver gleichen und ggf geeignet wichten Hierbei kann mit geometrischen Abstandsma en Wahrscheinlichkeiten Kostenfunktionen oder so genannten Fuzzy Sets gearbeitet werden In dieser Arbeit wurde ein Zuordnungsverfahren verwendet bei der ein Merk malsvektor genau der Merkmalsregion zugeordnet wird zu der er den geringsten geometrischen Abstand besitzt Minimierung der euklidischen Norm FB94 Probleme der beschriebenen Art fallen in den Forschungsbereich der Mustererkennung Aus allen charakteristischen Merkmalen einer potentiellen Markerregion muss ermittelt werden um welchen Markertyp es sich dabei handeln k nnte Diese Entscheidung kann selbstverst ndlich nur f r bereits bekannte Marker erfolgen wobei der Bereich der so genannten K nstlichen Intelligenz KI auch dynamische und lernf hige Klassifi kationsverfahren hervorgebracht hat auf die im Rahmen dieser Arbeit allerdings nicht weiter eingegangen wird Die Klassifizierung von Markern ber Merkmale die mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung aus CT Daten extrahiert wurden bietet noch viel Raum f r m gliche Verbesserungen 4 3 7 Lage und Orientierung eines Markers Sind der Schwerpunkt sowie die Eigenvektoren einer Markerregion bekannt so liegt eine ausreichende Information ber die Lage und Orientierung des jeweiligen Markers f r die Registrierung vor Zur Visua
246. seiner expliziten Wertrepr sentation darstellt ber die Bibliotheksfunktion dicomDictionaryName wird zu einem angegebenen Gruppen und Elementbezeichner die zugeh rige Beschreibung zur ckgeliefert die Funktion dicomDictionaryEntry liefert umgekehrt zu einer gegebenen Zeichenkette den ersten passenden Elementschl ssel Mittels der Funktion dicomDictionaryType kann die expli zite Wertrepr sentation eines Datenelementes ermittelt werden Die Zuordnungstabelle liegt in Form einer einfach erweiterbaren Datenstruktur vor die momentan nur die f r diese Arbeit wesentlichen Datenelemente umfasst Zur Erweite rung m ssen lediglich die Bezeichner der jeweiligen Elemente eingef gt und deren Wertrepr sentation und Beschreibung angegeben werden Es bietet sich jedoch an ein erweitertes Verzeichnis in eine externe ASCII Datei auszulagern die bei Existenz zur Laufzeit ausgewertet und somit leichter gewartet werden kann Bei fehlender Datei w r den dann lediglich die im Programmcode verankerten Eintr ge Verwendung finden 3 4 9 Reduktion des Wertebereiches der Bilddaten F r die Arbeit mit medizinischen Bilddaten ist es oft erforderlich diese auf einem Com puterbildschirm darstellen zu k nnen ber die Datenstruktur der DICOM Importbiblio thek kann der Zugriff auf die Bilddaten in einfacher Form erfolgen da ein zus tzlicher Verweis auf das Datenfeld des Datenelementes 0x7FEO 0010 vorgesehen wurde so dass dieses nicht erst aus der Liste
247. selbst NEM92 das DICOM Kochbuch von Philips Rev97 und die Einf hrung in den Standard aus den Tutorials der Radiologenvereinigung Nordamerikas HPB 94 F r die vorliegende Arbeit soll nur die Speicherung und die Interpretation gespeicherter Information im DICOM 3 0 Format untersucht werden 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Allgemein Netzwerk amp Punkt zu Punkt i Kommunikation Teil 2 bereinstimmung Teil 4 Dienstklassen Datenaustausch ber Speichermedien Teil 3 Informationsobjekte Teil 6 Datenverzeichnis Teil 11 Teil 1 Anwendungs Peles 7 a an 10 Speichermedien Nachrichtenaustausch ee ae Teil 8 Teil 9 Teil 12 Netzwerk Punkt Punkt Speichermedien formate IU mop co o Bild 3 4 Gliederung des DICOM 3 0 Standards I I I I ur ee H e Uberblick Teil 5 Datenstrukturen profile I ee l l l Eine DICOM Nachricht kann als Bytestrom ber Standard Netzwerke bertragen wer den wobei dies mit einer beliebigen Transfersyntax m glich ist die zwischen den kom munizierenden Systemen ausgehandelt werden muss Es kann somit eine big endian Transfersyntax verwendet werden wenn beide Systeme diese unterst tzen Dadurch m ssten die Daten nicht erst in das ittle endian Format und wieder zur ck konvertiert werden was eine Steigerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit zur Folge hat Kann keine gemeinsam nutzbare
248. sen Weiterhin liegt nach der Planung der genaue Abstand zwischen den Implantaten vor Geht man davon aus dass sich dieser Abstand durch eine robotergest tzte Ausf hrung der Bohrungen einhalten l sst dann kann auch die Suprakonstruktion pr operativ angefertigt werden Wird zus tzlich aus dem gesamten CT Datensatz ein Stereolithographiemodell des Patientensch dels angefertigt so kann dieses Modell zur Simulation des chirurgischen Eingriffs verwendet und das Planungsergebnis durch Anpassung der Epithese am Modell abgesch tzt werden Aufgrund der hohen Reproduktionsgenauigkeit von Robotersystemen l sst sich das zu erwartende Ergebnis bereits vor der Operation bewerten und ggf zur Patientenaufkl rung heranziehen 7 3 Schlussbemerkung Mit dem Abschluss dieser Diplomarbeit f ngt die eigentliche Arbeit im Hinblick auf die Bereitstellung eines chirurgischen Planungssystems f r den Einsatz in der Epithetik erst an Die Bearbeitung des Themas war sehr interessant und ich w rde mich freuen wenn ich die Chance bekomme in diesem Bereich weiterarbeiten zu k nnen Ich sehe in der computergest tzten Chirurgie ein gro es Potential zur Verbesserung der Behandlungs ergebnisse f r die Patienten und glaube dass insbesondere die plastische Chirurgie als interdisziplin rer Bereich zwischen Medizin Kunst und Technik sowohl hervorragende rzte als auch gute Werkzeuge erfordert Leider ist es nicht jedem gegeben seine plas tische Vorstellungskraft
249. sitionen ist die geeignete Wahl der Segmentierungsschwellen die in Abh ngigkeit von der Lage der Marker in Relation zu den Schichten sowie der Pixelaufl sung innerhalb der Schichten zu unterschiedlichen Ergebnissen f hren 4 6 5 Genauigkeitsuntersuchungen ber die Registrierung Die Lageerkennung der Registrierungsmarker und die Rekonstruktionsgenauigkeit liegen nach ersten Erkenntnissen im zehntel Millimeterbereich Die Genauigkeit der Markerorientierung ist lediglich f r die Knochenschrauben von Bedeutung da nur dort der Markerreferenzpunkt nicht innerhalb dieser Genauigkeit mit dem Schwerpunkt zu sammenf llt sondern zu diesem um 0 55 mm auf der Hauptsymmetrieachse verschoben ist Im Falle einer korrekten Klassifikation bestimmt die Genauigkeit der ermittelten Haupttr gheitsachsen das Ergebnis der Markerposition Da der Marker manuell um seine Haupttr gheitsachse gespiegelt werden kann liegt im Extremfall eine Winkel abweichung von 90 Grad vor Daraus resultiert ein maximaler Fehler von 10 55 0 55 mm also 0 78 mm F r die Registrierung mit Hilfe von Knochenschrauben sind aus diesem Grund Schraubentypen mit gr erem Schraubenkopf zu empfehlen Zum einen lassen sich diese Schrauben besser aus den Daten segmentieren und klassifi zieren und zum anderen verschiebt sich der Schwerpunkt durch die h here Masse in Richtung Schraubenkopf was zu einer Verminderung des Gesamtfehlers f hren w rde In der n chsten Stufe m ssen die Er
250. sse Hierbei wurden von links oben nach rechts unten die Schwellenwerte 1000 1300 1600 und 1900 HU verwendet Visuell l sst sich der Markertyp inklusive Refe renzpunkt nur in den oberen beiden Abbildungen bestimmen Ein automatisches Ver fahren w rde bei einer zu hoch gew hlten Schwelle ohne Ber cksichtigung von Zusatz information bei der Bestimmung der Markerorientierung scheitern da die charakte ristische Einbuchtung nicht mehr aus den Daten extrahiert werden kann THO HU TAHU ito Hu 9 Bild 4 5 Schwellenwertabh ngige Segmentierungsergebnisse 195 3 Import medizinischer Bilddaten F r ein automatisches Detektions und Klassifikationsverfahren ist es erforderlich ne ben der Absorptionseigenschaft des Markers weitere objektbeschreibende Kenngr en heranzuziehen Dazu geh ren z B das Volumen die Oberfl che Tr gheitsradien Form charakteristik uvm Diese Parameter m ssen aus den CT Daten f r jeden potentiellen Marker ermittelt und mit den Werten bekannter Markertypen verglichen werden wobei das Klassifikationsergebnis je nach G te der vorliegenden Daten und Menge der objektbeschreibenden Parameter variiert Ziel sollte es sein den Markertyp anhand seiner Eigenschaften aus den CT Daten erkennen und dessen Lage und Orientierung m glichst genau bestimmen zu k nnen F r die Beschreibung der Markereigenschaften wird ein lokales Koordinatensystem definiert dessen Referenzpunkt im Zentrum des Zylinders bzw
251. sse 118 32 Erweiterungsm plichkeiten tu 119 5 2 1 Verbesserung der Lichtkastenfunktionalit t eeneeneenenne 119 3 2 2 Verbesserung der 3D M delleenerierung eisen 120 5 2 3 Verbesserung der Implantatpositionierung eenennnnenenn 120 5 2 4 Eine ergebnisorientierte Vorgehensweise eennseneesnennennennnn 121 5 2 5 Weitere Planungsdaten und deren Nutzungsm glichkeiten 121 5 3 Zusammenfassung sea 122 6 Export der Planungsdaten nr een 123 6 1 Das SRE Datenformab aa aaa 123 6 1 1 SRL Formatbesehreibung an aessa an gnldnk es 124 6 1 2 Aufbau einer Datei im SRL Datenformat nnnneenn 126 6 1 3 Manuelle Erzeugung einer Datei im SRL Datenformat 127 6 2 Eine Bibliothek zum Import der SRL Planungsdaten enee 127 6 2 1 Die Datenstruktur des SRL Formates censeensennsenseessnesnennnenneennennn 128 6 2 2 Einlesen der ASCH Information sau 128 6 2 3 Einlesen der Bilddaten au sh lesen serie 129 6 3 Hilfsprogramme zur Auswertung des SRL Datenformates e 129 6 3 1 berpr fung des Datenformates nneennnnenenennenn 130 63 2 Exfraktionder ASCH Daten t a E AE ETA 130 6 3 3 Extraktion der Bilddaten a a Reize 131 6 3 4 Formatierte Ausgabe aller Eintr ge ueeneeesseessnessnnenseennnensnnnssneenonnnnnnnn 131 6 3 3 Abfrage einzelner Eintr ge 132 6 4 Im und Export der SRL Planungsdaten mit Amira
252. st Bild 4 17 Lokales Koordinatensystem eines Philips Markers 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Momente die zum Schwerpunkt eines K rpers in Beziehung stehen werden auch als zentrale Momente bezeichnet wobei diesen in Abh ngigkeit von ihrer Bedeutung eine Ordnung zugewiesen wird J h97 Momente nullter Ordnung beschreiben die Masse M eines K rpers Gr eninvariante Momente h herer Ordnung erh lt man wenn man diese durch das Moment nullter Ordnung dividiert wie es bei der Berechnung des Schwerpunktes erfolgt Zur Formbeschreibung eines K rpers werden die Momente zweiter Ordnung ben tigt Diese enthalten Terme bei denen die Dichte mit dem Qua drat der Entfernungen vom Schwerpunkt multipliziert wird Eben solche Terme bilden auch die Komponenten des Tr gheitstensors f r die Rotation eines K rpers um seinen Schwerpunkt wobei die Dichtewerte wieder durch die an dieser Stelle vorliegenden Aufnahmewerte ersetzt werden Der Tr gheitstensor eines K rpers ist dabei ge m 4 11 in Matrixschreibweise definiert BWK97 2 2 3 Yi 2 TXY AZ 2 2 I m y X xX 2 y 4 11 i l 2 2 2 8 Zz y X Die Diagonalelemente des Tragheitstensors hei en Tr gheitsmomente alle anderen Elemente werden als Deviationsmomente bezeichnet Wie in 4 11 ersichtlich ist der Tr gheitstensor per Definition symmetrisch lj Jj Er kann somit durch die Ein f hrung eines neuen gedrehten Koordinatensystems
253. stand untersucht werden als die brigen Bereiche Im Allgemeinen liegen jedoch quidistante Schichten vor Die Unterscheidung zwischen einem konstanten und variablem Schicht abstand spiegelt sich in den beiden von HxRegScalarField3 abgeleiteten Klassen HxUniformScalarField3 und HxStackedScalarField3 wider Letztere erlaubt eine beliebige Verteilung der Schichten in Aufnahmerichtung Das zu entwickelnde Importmodul hat die Aufgabe die in Dateien gespeicherten DICOM Nachrichten in Abh ngigkeit vom Schichtabstand in die jeweilige Klasse zu berf hren wozu das Modul hxDicom im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und implementiert wurde Das komplette Modul inklusive Programmcode befindet sich auf der beiliegenden CD im Verzeichnis Amira packages hxdicom Anhang B Seite 187 ff 3 6 1 Das Modul hxDicom Bei der Entwicklung von Amira wurde auf eine weitgehende Einhaltung eines Modul konzeptes geachtet was bedeutet dass die Kernfunktionalit t des Visualisierungs systems strikt von den Datenobjekten den Verarbeitungs und Pr sentationsmodulen getrennt ist Neue Module k nnen dabei unabh ngig entwickelt und dynamisch d h zur Ausf hrungszeit zum Amira Basissystem hinzugef gt werden F r externe Module wurde als Namenskonvention der Pr fix hx gefolgt von einem geeigneten Modul namen vereinbart 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Beim Start von Amira werden spezielle ASCII Dateien auf ihre Existenz hin berpr
254. system momentan um einen Prototyp mit experimentellem Charakter handelt der erst zu einem brauchbaren System reifen muss Die Bereitstellung einer ad quaten Bedienoberfl che sowie die Anpassung auf Anwendervorgaben macht demzufolge eine konstante berarbeitung der Bedienungsanleitung erforderlich F r einen ausgiebigen Test m ssten alle behandlungsrelevanten CT Daten zus tzlich zur aktuellen Behandlung mit dem Planungssystem verarbeitet werden wobei berpr ft werden sollte ob f r die computergest tzte Planung ein geringerer Schichtabstand mit daraus resultierender erh hter Strahlenbelastung f r den Patienten erforderlich ist Diese Testphase bedeutet f r den Arzt eine Mehrbelastung so dass ein einfacher und schneller Planungsvorgang gew hrleistet werden muss Die zeitaufwendige Generierung des 3D Sch delmodells k nnte dabei von den Entwicklern vorgenommen werden so dass sich der Test lediglich auf einen ca 10 min tigen Planungsvorgang pro Patient beschr nkt In dieser Testphase kann das Planungssystem hinsichtlich seiner Benutzung auf die Anforderungen der medizinischen Anwender angepasst und optimiert werden F r die klinische Bewertung m sste weiterhin ein Fragebogen mit Bewertungskriterien aufgestellt werden der die Weiterentwicklung des Planungssystems in die richtige Richtung lenkt Folgende Fragen k nnten u a darin enthalten sein 1 Welcher Vorteil ergibt sich f r einen Patienten durch eine computergest tzte
255. t Der Editor erlaubt die nderung des Marker typs die Spiegelung um seine Hauptsymmetrieachse Flip das Entfernen eines Markers und sogar die beliebige nderung seiner Position und Orientierung wobei die letzten beiden nderungsm glichkeiten nicht den Vorgaben dieser Arbeit entsprechen da sie zu einer Verf lschung des Registrierungsergebnisses f hren w rden Im Normal fall wird nur das Entfernen berfl ssiger Marker Zahnplomben Artefakte usw sowie die nderung eines Markertyps von Bedeutung sein Dazu wird der jeweilige Marker mit der Maus im Anzeigebereich selektiert Im Arbeitsbereich wird der zugeh rige Typ des Markers und seine Position angezeigt Mittels der Option Remove wird der zuge h rige Marker aus der Markerliste entfernt und durch nderung des Typs wird das zu geh rige Markermodell durch das Modell des gew hlten Markers ersetzt In Bild 4 25 ist beispielhaft zu Bild 4 24 ein Marker entfernt und eine Knochenschraube durch einen Beekley Spot Marker ersetzt worden Ul ua FI Ld kiaia pasian 715076 Orne Las Bild 4 25 Manuelle Korrektur des Klassifizierungsergebnisses 195 3 Import medizinischer Bilddaten 4 6 Testdaten und Genauigkeitsuntersuchungen Die Ergebnisse der Markerdetektion m ssen in vielen Testreihen analysiert und die Genauigkeit des Detektionsverfahrens im Zusammenhang mit der Registrierung verifi ziert werden Mit der Bibliothek zur automatischen Markerdetektion de
256. t bzw an ein Ausf hrungs system bergeben werden stellt eine definierte Schnittstelle zwischen Planungs und Ausf hrungssystem dar In Abschnitt 3 1 wurde dabei bereits auf einige Probleme bei der Interpretation und Verarbeitung medizinischer Bilddaten und der entsprechenden Datenformate eingegangen so dass diese Erkenntnisse bei der Definition eines eigenen Formates ber cksichtigt werden k nnen Die wesentlichen Punkte dabei sind e Dateninterpretation bei unterschiedlicher Byteanordnung e Kennzeichnung der Reihenfolge bei Speicherung in mehreren Dateien e Visualisierung von Bilddaten mit mehr als 8 Bit pro Aufnahmewert e Interpretation unbekannter Datenformate e Erweiterbarkeit der Datenformate Aus den erkannten Problemen resultiert die Forderung nach einem Datenformat das bei der Speicherung und bertragung als reiner 8 Bit Datenstrom vorliegt wodurch eine unterschiedliche Interpretation der Byteanordnung vermieden wird Die Reduktion der Aufnahmeinformation auf 8 Bit stellt f r das Ausf hrungssystem kein Problem dar da die Bilddaten dort lediglich visualisiert und keine quantitativen Untersuchungen an ihnen vorgenommen werden Durch die Speicherung aller Information in einer Datei 25 3 Import medizinischer Bilddaten wird im Gegensatz zur Speicherung aller Schichten in separaten Dateien die Wahrung einer korrekten Reihenfolge garantiert Die Erweiterbarkeit kann durch die Speicherung individueller speziell gekennzeichnet
257. t eine Auswahl und interaktive Platzierung sowie die computergest tzte optimale Anpassung von Implantatmodellen am dreidimensionalen Sch delmodell m glich Als Resultat der Planung liegen die zur Planungsumsetzung erforderlichen Bohrkoordinaten vor F r die Registrierung von Modell und Patientenkoordinatensystem zur intraoperativen Nutzung der Planungsdaten ist es weiterhin m glich Registrierungsmarker automatisch in den CT Daten zu detektieren sowie deren Positionen und Orientierungen mit den 25 3 Import medizinischer Bilddaten Planungsdaten in einem eigens daf r festgelegten Format abzuspeichern Sowohl Markerdaten als auch Bohrkoordinaten beziehen sich dabei auf das Modellkoordinaten system der CT Daten und m ssen vom Ausf hrungssystem ber den Vorgang der Registrierung auf die vorliegende Patientengeometrie umgerechnet werden In den vorangehenden Kapiteln wurden alle Erweiterungen und Anpassungen des Visualisierungssystems Amira hinsichtlich der Anforderungen im Detail beschrieben In jedem Kapitel wurde dabei bereits auf Schwachpunkte und m gliche Verbesserungen hingewiesen Beim Vergleich der Vorgaben mit der Funktionalit t des prototypisch implementierten Planungssystems wird deutlich welche Schritte zur Bereitstellung eines klinisch einsetzbaren Planungssystems vorrangig erforderlich sind Der gesamte Planungsablauf muss einfach sicher und in benutzerfreundlicher Form erfolgen Weiterhin ist anhand von physischen Modelle
258. t einlesen und bez glich darin befindlicher Marker analysieren kann Das Programm besitzt den Namen findMarker und der Programmcode liegt ebenfalls im Verzeichnis marker detection auf der beiliegenden CD vor Anhang B Seite 187 ff Zum Aufruf des Programms gen gt die Eingabe des Programmnamens und des Namens einer Datei die Daten im Amira HyperMesh Format beinhaltet Optional kann eine Seg mentierungsschwelle in Form eines HU Wertes angegeben werden findMarker imageFile hm HU Value Das Programm findMarker enth lt fest kodiert die Eigenschaften aller bekannten Marker und binarisiert ohne Angabe einer Segmentierungsschwelle ab 1200 HU Es werden zuerst s mtliche Eigenschaften der Referenzmarker ausgegeben und anschlie end die gesamte Verarbeitungskette der Extraktion bis hin zur Ausrichtung auf die Daten ange wendet Als Ergebnis wird die Anzahl der gefundenen Marker sowie alle ihre Eigen schaften ausgegeben Durch Umlenkung der Ausgabe in eine Datei k nnen auch CT Daten mit einer gro en Anzahl von Markern testweise untersucht werden Setzt man zum Zeitpunkt der bersetzung der Bibliotheksfunktionen die Variable DEBUG dann liefert jede Verarbeitungsstufe weitere ausf hrliche Information die zum Test der Ver fahren genutzt werden kann 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten 4 5 Markerdetektion in Amira Mit Hilfe des Programms findMarker wurden s mtliche Verarbeitungsergebnisse der Bibliothek zur Markerdetekt
259. t medizinischer Bilddaten 4 3 Markerdetektion in CT Daten Nachdem ein Patient mit Registrierungsmarkern versehen und eine computertomo graphische Aufnahme der behandlungsrelevanten Region angefertigt wurde liegen zur weiteren Verarbeitung lediglich die Aufnahmedaten in digitaler Form vor Diese CT Daten bilden somit die Ausgangsbasis f r eine dreidimensionale Rekonstruktion und die m glichst pr zise Bestimmung der Lage und Orientierung aller Marker Von Vorteil ist hierbei dass die verwendeten Markertypen bekannt sind so dass eine gezielte Unter suchung der Aufnahmedaten erfolgen kann Die wichtigste Information ist ohne Zweifel das den jeweiligen Markern zugrundeliegende Aufnahmesignal das in den Daten als HOUNSFIELD Wert gespeichert ist ber den HOUNSFIELD Bereich kann da Registrie rungsmarker im Allgemeinen ein deutlich h heres Signal liefern als menschliches Gewebe siehe Bild 2 6 im einfachsten Fall eine so genannte Binarisierung des Daten satzes erfolgen bei der alle Aufnahmewerte die innerhalb des Bereiches liegen als relevant markiert werden und alle anderen Werte als irrelevant 4 3 1 Markerpositionen Das Visualisierungssystem Amira erlaubt bereits eine vom Schwellenwert abh ngige Segmentierung zur Erzeugung so genannter Iso Oberfl chen der zugeh rigen Regionen Somit k nnen CT Datens tze nachdem sie in Amira importiert wurden hinsichtlich existierender Marker untersucht werden In Bild 4 13 ist das Segmentierungs
260. t wird aus dem das Programm gestartet wurde Bild 3 9 DICOM Dateiauswahl in Amira 195 3 Import medizinischer Bilddaten In Amira gibt es die M glichkeit Dateitypen registrieren zu k nnen so dass deren Typ anhand bestimmter Kriterien erkannt und im Dateiauswahlfenster in der Spalte Type Format angezeigt werden kann Durch die Registrierung ist es m glich f r bekannte Dateiformate automatisch das entsprechende Importmodul ausw hlen und aufrufen zu k nnen Im einfachsten Fall erfolgt die Registrierung durch ein charakte ristisches Suffix Weiterhin gibt es die M glichkeit nach ASCII Sequenzen innerhalb bestimmter Dateibereiche zu suchen F r das Modul hxDicom erfolgt die Registrierung ber die f r DICOM Dateien typische Namensgebung die sich aus einer Folge von Zifferngruppen zusammensetzt die durch Punkte verbunden sind Bild 3 10 DICOM Identifikationsschema weltweit eindeutig lt org root gt lt suffix gt Bestandteile Ziffern von 0 9 und Punkte Zusatzinformation zur eindeutigen Identifikation von ISO festgelegter Schl ssel 1 2 840 10008 x DICOM Basis DICOM Transfer Syntax I ISO Organization Code 1 2 840 10008 1 2 x implicit VR little endian ISO Country Code 1 2 840 10008 1 2 1 x explicit VR little endian ISO Member Code 1 2 840 10008 1 2 2 x explicit VR big endian ISO DICOM Standard SOP Klassen 1 2 840 10008 5 1 4 1 1 x CT x 2 MR x 4 DICOM SOP Instanz Philip
261. tFile unsignedToSigned imageFile outputFile F r die Nutzung der Programme in einer Verarbeitungskette kann z B eine Extraktion der Bilddaten aus einer Originaldatei erfolgen dieses Ergebnis ber eine pipe an das jeweilige Programm weitergereicht werden und anhand dessen Resultat z B der Werte bereich mittels getRange berpr ft oder das konvertierte Ergebnis in eine Datei umge lenkt werden ohne dass tempor re Dateien angelegt werden m ssen cat imageFile signedToUnsigned gt outputFile type imageFile unsignedToSigned getRange 3 2 4 Reduktion des Wertebereiches F r die Visualisierung medizinischer Aufnahmedaten deren Bildinformation sich in der Regel aus 12 Bits zusammensetzt ist es oftmals erforderlich den Wertebereich auf dar stellbare 8 Bits zu reduzieren Dabei kann entweder eine Transformation erfolgen bei der die 4096 m glichen Werte linear auf 256 verf gbare Werte umgesetzt werden oder es k nnen selektiv gewebetypische Bereiche st rker gewichtet werden als Randbereiche Das Programm signedToByte verwendet f r die Reduktion einen funktionalen Zusam menhang 3 1 ber den die Bereiche von Weichgewebe und Knochen in CT Daten am st rksten gewichtet werden F r den Bereich von 1000 bis 600 HU werden 32 der 256 m glichen Grauwerte genutzt der Bereich 600 bis 200 in dem sich typischerweise Weichgewebe befindet wird auf 96 m gliche Grauwerte verteilt ebenso der Bereich von 200 bis 1000 der Kno
262. te Ma nahmen zu minimieren Ist die endg ltige maximale Abweichung bekannt so kann diese in Form von Sicherheitsbereichen in die Planung mit aufge nommen werden Bei jeder Messung der Knochendicke bzw des Abstandes zu Mastoidzellen muss ein zus tzlicher Fehlerbereich ber cksichtigt bzw grafisch kennt lich gemacht und entsprechende Warnhinweise bei der Implantatpositionierung aus gegeben werden 7 1 2 Verbesserung der Benutzerschnittstelle Eine wesentliche Forderung ist die anwenderfreundliche Bedienung des Planungs systems ber eine klare und unmissverst ndliche Benutzeroberfl che bei der eine feste Vorgehensweise vorgeschrieben wird von der nicht oder nur in geringem Ma e ab gewichen werden kann Die derzeitige Benutzerschnittstelle entspricht jedoch noch nicht den Anforderungen an ein klinisch einsetzbares Planungssystem Hierbei ist aller dings zu ber cksichtigen dass es sich bei Amira um ein modulares universell einsetzbares Visualisierungssystem handelt das vornehmlich zur Nutzung und Ent wicklung neuer Verfahren der wissenschaftlichen Visualisierung dient das Modul hxEpiPlan Abschnitt 5 1 1 Seite 106 jedoch im eigentlichen Sinne eine eigene Anwen dung darstellt die lediglich die Funktionalit t von Amira und dessen Visualisierungs m glichkeiten nutzt In der implementierten Version wurde das Planungsmodul hxEpiPlan von der Basisklasse HxModule abgeleitet die eine ganz allgemeine Programmierschnittstelle zur Erwe
263. teceeeeeeeeeeseees 167 Anhang B Programmcode und Beispieldaten eeeeen 187 195 1 Einleitung Gegenstand dieser Arbeit ist der Entwurf eines computergest tzten chirurgischen Planungssystems f r den Einsatz in der Epithetik bei der individuell modellierte Ersatz st cke zur Deckung von Oberfl chendefekten angefertigt und am Patienten angepasst werden m ssen Die Arbeit umfasst neben der Vorstellung des konzeptionellen Ent wurfes auch die Implementierung eines Prototyps mit dem das Setzen von Implantaten im menschlichen Knochengewebe unter Ber cksichtigung der zugrundeliegenden Knochenstrukturen sowie der Geometrie der Implantate an patientenspezifischen dreidimensionalen computergrafischen Modellen geplant werden kann Das Planungs system ist konzeptioneller Bestandteil einer computer und robotergest tzten Opera tionsumgebung die an der Klinik f r Mund Kiefer und Gesichtschirurgie Fachgebiet Navigation und Robotik der Charit Berlin Campus Virchow Klinikum entwickelt wird Die Forschung und Entwicklung in der computergest tzten Chirurgie ist ein stark expandierendes interdisziplin res Arbeitsgebiet in dem immer neue Aufgaben und Handlungsabl ufe gefunden werden die von dem Einsatz fortschrittlicher technischer M glichkeiten profitieren k nnen Zac98 In der Mund Kiefer und Gesichtschirurgie existieren bereits diverse zukunftsweisende Ans tze zur computergest tzten Planung komplexer Operati
264. ten 5 3 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurde der implementierte Prototyp eines chirurgischen Planungs systems f r den Einsatz in der Epithetik vorgestellt Mit diesem Prototyp konnte gezeigt werden dass eine patientenspezifische Planung der Implantatpositionierung f r die Vorbereitung einer Ohrepithese am computergrafischen 3D Modell vorgenommen werden kann Mit grafischen Planungshilfsmitteln und Methoden der digitalen Bild verarbeitung l sst sich der Planungsvorgang bez glich der optimalen Platzierung der Implantate im Knochengewebe eindeutig verbessern Die Planungsdaten k nnen entsprechend der Anforderungen an ein Ausf hrungssystem exportiert werden ber das die robotergest tzte Umsetzung der Planung erfolgt Die Notwendigkeit einer ver besserten Benutzerschnittstelle sowie die Forderung nach einer einfachen ergebnis orientierten und sicheren Benutzerf hrung wurden erkannt und m ssen f r ein klinisch einsetzbares Planungssystem bereitgestellt werden Eine Planung der in diesem Kapitel beschriebenen Art kann relativ schnell vorge nommen werden Zeitaufwendig ist lediglich der Prozess der Modellgenerierung bei dem allerdings niemand anwesend zu sein braucht Vorstellbar ist dass die Patienten daten geladen begutachtet ein behandlungsrelevantes Planungsgebiet festgelegt und die Schwellenwerte f r Haut und Knochen bestimmt werden wonach der Vorgang einer unbeaufsichtigten Modellgenerierung gestartet wird Die Dauer f r di
265. ten Ergebnis bei der Berechnung der Tr gheitsmomente und somit auch bei der Bestimmung der Markerorientierung f hren Durch die Beschr nkung aller Berech nungen auf die Begrenzungsvolumen potentieller Markerregionen muss die Berechnung auf Subvoxelniveau lediglich f r kleine Bereiche erfolgen so dass die Verarbeitungs geschwindigkeit kontrollierbar steigen w rde Im Rahmen der Markerextraktion Abschnitt 4 4 3 wurde auch bereits auf die M glichkeit des Einsatzes morphologischer Operationen der digitalen Bildverarbeitung eingegangen mit der die Bestimmung potentieller Markerregionen unter Umst nden verbessert werden kann Eine Erweiterung der Bibliotheksfunktion extractMarkers um die beiden Verarbeitungsstufen der Erosion und Dilatation bietet die M glichkeit der Trennung dicht beieinander liegender Markerregionen und erlaubt eine Tiefpassfilterung der Aufnahmedaten zur Elimination unerw nschter Artefakte 195 3 Import medizinischer Bilddaten Die in dieser Arbeit gew hlte Klassifizierungsmethode ist mit Sicherheit stark verbesse rungsw rdig und wird sich sp testens bei der Erweiterung der Markerreferenzdaten auf zus tzliche Marker als wenig flexibel erweisen siehe Abschnitt 4 4 5 F r eine opti male Klassifikation muss stets der Merkmalsraum aller vorliegenden Merkmale auf berschneidungen untersucht und neu definiert werden Statt der in dieser Arbeit gew hlten geometrischen Optimierungsmethode w re die Aufstellung geei
266. ten Version des Planungssystems nur einzeln ausw hlen und am Modell 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten des Sch delknochens positionieren Das entspricht zwar der Vorgehensweise des chirurgischen Eingriffs doch muss eine solche handlungsorientierte Planung nicht das Optimum darstellen Ziel der Planung ist schlie lich die Anpassung einer kompletten Ohrepithese bei der die erforderlichen Positionen der Befestigungshilfen eher sekund r sind F r eine ergebnisorientierte Planung w re es demnach vorstellbar die missge bildete oder partiell defekte Ohrmuschel vollst ndig aus dem 3D Modell zu entfernen die ggf noch intakte zweite Ohrmuschel aus dem Sch delmodell des Patienten zu kopieren diese zu spiegeln und an der Position des zuvor entfernten Ohrs im Modell anzupassen Anschlie end k nnte ein Befestigungssystem entsprechend der Anforde rungen sowie der vorliegenden Abmessungen ausgew hlt und in Relation zum Modell der Ohrepithese angepasst werden Aus der Lage der Epithese nebst Suprakonstruktion lie en sich im Anschluss die notwendigen Positionen der Implantate bestimmen die entsprechend der vorliegenden Knochenstrukturen optimal ausgerichtet werden k nnen Diese Vorgehensweise erscheint weitaus intuitiver und sollte als Zielvorstellung in einem klinisch einsetzbaren Planungssystem realisiert werden 7 2 3 Export der Planungsdaten im DICOM Format Die Planungsdaten k nnen entsprechend der Formatvorgaben in Abschni
267. tentwicklung des integrierten chirurgischen Planungs und Ausf hrungssystems dar Um die Planungs daten im Rahmen einer Therapie umsetzen bzw f r den Test des Ausf hrungssystems nutzen zu k nnen m ssen diese in geeigneter Form exportiert werden Da die Ent wicklung beider Komponenten des Gesamtsystems zeitgleich und unabh ngig vonein ander erfolgt ist eine Schnittstelle zum Austausch dieser Daten erforderlich Diese Schnittstelle wird durch ein Datenformat festgelegt das sowohl zur direkten Kommuni kation als auch zur Speicherung herangezogen werden kann Die Planungsdaten m ssen dabei alle zur Ausf hrung erforderliche Information umfassen wobei das Format so flexibel gestaltet sein sollte dass eine nderung bzw Erweiterung im Rahmen der Ent wicklung problemlos m glich ist In diesem Kapitel wird das Datenformat f r die Planungsdaten festgelegt und eine Pro grammbibliothek vorgestellt die eine Interpretation dieses Formates erm glicht und sich leicht auf beliebige Zielsysteme portieren l sst Weiterhin werden einige Hilfspro gramme beschrieben die zum Test und zur Analyse des Datenformates bereitgestellt wurden Abschlie end wird auf die Integration der Bibliothek in das Visualisierungs system Amira eingegangen das f r den Einsatz als chirurgisches Planungssystem um die M glichkeit des Exports der Planungsdaten erweitert werden muss 6 1 Das SRL Datenformat Das Format f r die Daten die nach der Planung abgespeicher
268. tergest tztes Planungssystem Das zu entwickelnde Planungssystem soll eine dreidimensionale Planung auf Basis computertomographischer Daten erm glichen Dazu m ssen Methoden der Computer grafik und der Bildverarbeitung vereint werden so dass Implantatmodelle unter Ber ck sichtigung der vorliegenden Gewebestrukturen an einem dreidimensionalen Modell des Patientensch dels angepasst werden k nnen F r einen klinischen Einsatz muss das Planungssystem alle in der Klinik anfallenden CT Daten verarbeiten k nnen und eine einfache und klare Benutzerf hrung besitzen die von den Chirurgen akzeptiert wird Es muss weiterhin gew hrleistet werden dass die Planungsdaten mit einer ausreichenden Genauigkeit auf den Patienten angewendet werden k nnen Das Ergebnis der Planung soll in einer definierten Form an ein Ausf hrungssystem bertragen werden welches die Planungsdaten auswertet die entsprechenden Steuersequenzen generiert und diese zur exakten Umsetzung an die Robotersteuerung weiterleitet 195 2 Medizinische Problemstellung und Konzept Planungen ar Bild 2 5 Datenflussmodell des Planungssystems Die funktionelle Struktur des Planungssystems ergibt sich demnach aus den erforder lichen Verarbeitungsschritten e Einlesen der tomographischen Aufnahmedaten e 3D Rekonstruktion und Visualisierung der Knochen und Hautoberfl che e Interaktive Platzierung der Implantate an einem 3D Modell e Automatische Segmentierung von
269. tientenkoordinatensystem neeeesennsennennnennnn 61 4 1 2 Koordinatentranstormation zes 62 4 1 3 WEehlermmimierung ar ass eahsieiklesihie asia 62 4 2 CT Registrierungsmarker nassen 63 42 11 Philips Easy Guide nasse 64 viii AD I Beekley SPOT iss 67 4 2 3 Leibinger Knochenschraube ash 69 4 3 Markerdetektion in CTD ate ansehen 72 4 321 dMlarkerpostionen sauer Nalsriick T2 4 3 2 Markerregionen Volumen Masse und Oberfl che ee 75 4 3 3 Schwerpunkt als Markerposition ueseesssesseessseenseessnneneennenennnnnnnnnne 76 4 3 4 Formanalyse ber den Tr gheitstensor ennnennnnnennenn 76 4 3 5 Hauptachsentransformation Eigenwerte und Eigenvektoren 77 4 3 6 Klassifizierung der Markertypen ennsensensnnesnennnnnnnnnnnne 78 4 3 7 Lage und Orientierung eines Markers nnnnennnsnnnnnnnnennen 81 44 Eine Bibliothek zur automatischen Markerdetektion eeeee 81 4 4 1 Ablauf der automatischen Markerdetektion enenneenen 82 4 4 2 CT Daten und Markerlisten Die Datenstrukturen 82 4 4 3 Extraktion potentieller Marker aus CT Daten neen 83 4 4 4 Bestimmung der Markereigenschaften uennsnnsesnennnennenn 85 4 4 5 Klassifizierung der Markertypen ueeessensennsnensnennnnnennnnnnnnnnn nennen 86 4 4 6 Bestimmung der Lage und Orientierung von Markertypen 87
270. tionen Die Bibliothek wurde erfolgreich in das Visualisierungssystem Amira des Konrad Zuse Zentrums f r Informationstechnik ZIB eingebunden und er m glicht den korrekten Import medizinischer Bilddaten im DICOM Format In der weiteren Entwicklung des grafischen Planungssystems wurde ausschlie lich diese Importbibliothek verwendet so dass ein ausreichender Verifikationszeitraum vorlag Der Programmcode des DICOM Importmoduls f r Amira befindet sich auf der beilie genden CD im Verzeichnis Amira packages hxdicom siehe Anhang B Seite 187 ff 46 4 Automatische Detektion von Registrierungsmarkern Zur intraoperativen Nutzung von aus medizinischen Bilddaten gewonnenen dreidimen sionalen Planungsdaten muss ein Zusammenhang zwischen diesen Daten und der im Operationssaal vorliegenden Patientenposition und geometrie hergestellt werden Das bedeutet im Idealfall dass ber einen Aufnahmewert aus den Planungsdaten ent sprechend der zugrundeliegenden r umlichen Aufl sung des Aufnahmesystems wieder eindeutig auf das zugeh rige Gewebevolumen am Patienten geschlossen werden kann Diese eindeutige Zuordnung ist jedoch aufgrund von Abbildungs und Diskretisierungs fehlern Deformationen rechnerischen und mechanischen Ungenauigkeiten sowie eines fehlenden Bezugssystems nicht gew hrleistet F r die Entwicklung und Nutzung eines chirurgischen Planungssystems m ssen deshalb M glichkeiten geschaffen werden Planungsvorgaben in Form von Positione
271. tment Connection Craniofacial Rehabilitation Herstellerinformation 1995 Open Inventor Architecture Group Open Inventor C Reference Manual The Official Reference Document for Open Inventor Release 2 Addison Wesley 1994 Omura G AutoCAD 14 Das umfassende Expertenbuch Kapitel 18 3D Volumenmodellierung S 823 ff Sybex D sseldorf 1998 Philips Medical Systems DICOM Conformance Statement CT Tomoscan M EG Document Number 4522 983 64661 URL http www philips com ms solution Conformance_Stmnts 1997 Pschyrembel Klinisches Worterbuch 258 Auflage Walter de Gruyter Berlin 1998 195 Bedienung des Planungssystems PTVF95 PVML95 Rad95 RC97 RDKL95 Rev97 RGL95 RN96 RS94 RSS97 RSS 97 Sch85 SF95 SGI93a SGI93c Sie98 SML98 46 Press W H Teukolsky S A Vetterling W T Flannery B P Numerical Recipes in C The Art of Scientific Computing Chapter 11 Eigensystems 2 Edition S 465 ff Cambridge University Press 1995 Patel V V Vannier M W Marsh J L Lo L J Evaluation of Digital Surgical Simulation In LIJV95 S 783 788 1995 Rademaker M Auswahlkriterien und Einsatz unterschiedlicher Implantatsysteme bzw Suprakonstruktionen bei knochenverankert getragenen Epithesen In GECP95 S 1 5 1995 Roux C Coatrieux J L Hrsg Contemporary Perspectives in Three dimensional Biomedical Imag
272. tt 6 1 mit dem Planungssystem erzeugt und abgespeichert werden Mit der in dieser Arbeit vorge stellten Programmbibliothek lassen sich diese Daten einlesen auswerten und f r die Umsetzung der Planung nutzen Das SRL Datenformat wurde dabei so definiert dass es sich problemlos erweitern und einfach interpretieren l sst Sollte sich ein Planungs system der vorgestellten Art in der klinischen Routine etablieren dann empfiehlt sich langfristig die Nutzung des standardisierten DICOM Formates wobei Marker und Bohrdaten Voransichten Overlay Information usw in privaten Gruppen abgespeichert werden k nnen siehe Abschnitt 3 3 2 Dazu muss das Modul hxDicom um ent sprechende Speichermethoden erweitert und diese statt der Methoden des Moduls hxSrl verwendet werden Das Ausf hrungssystem w re dabei lediglich auf die Nutzung der in Abschnitt 3 4 vorgestellten Bibliothek zum DICOM Datenimport abzu ndern und m sste die zur Planungsumsetzung ben tigte Information aus den jeweiligen DICOM Datenelementen extrahieren 7 2 4 Erstellung und Speicherung von Planungsprotokollen Um einen Planungsvorgang zu dokumentieren ist es erforderlich ein Planungsprotokoll zu erstellen Ein fester Bestandteil der Dokumentation sollte dabei der Name des planenden Arztes Ort Zeit Datum sowie alle Patientendaten sein Weiterhin muss aus dem Protokoll hervorgehen auf welchen Daten geplant wurde und es m ssen selbst verst ndlich die f r den chirurgischen Eingriff b
273. ufnahmeinformation liefert u a die Arbeit von Lisa G Brown Bro92 Im Bereich der computergest tzten Chirurgie muss oft eine Registrierung zwischen 3D Modell und Patient erfolgen so dass die Planungsdaten intraoperativ genutzt und mit maximaler Genauigkeit auf den Patienten umgesetzt werden k nnen Hierbei wird durch das Aufnahmesystem ein Bezugskoordinatensystem festgelegt in dem sich der Patient zum Zeitpunkt der Aufnahme befand und das mit den tomographischen Auf nahmedaten inh rent vorliegt Aus diesen Daten wird ein dreidimensionales Modell des Patienten rekonstruiert an dem die Planung erfolgt F r die Umsetzung der Planung muss das Modellkoordinatensystem wieder in das Patientenkoordinatensystem berf hrt werden so wie es f r den chirurgischen Eingriff im OP vorgefunden wird Bild 4 1 Alle Werkzeugpositionen und trajektorien m ssen sich letztendlich auf dieses Koordi natensystem beziehen wozu wieder eine Registrierung und auch eine Kalibrierung der mechanischen Komponenten erforderlich wird F r eine detaillierte Beschreibung der M glichkeiten und Probleme bei der 3D Registrierung sei an dieser Stelle z B auf die Arbeiten von St phane Lavall e verwiesen LCT97 Lav96 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten Planungen z De N Fi Bild 4 1 Registrierung unterschiedlicher Koordinatensysteme Die Registrierung kann grob in die folgenden drei Arbeitsschritte gegliedert werden 1 Festlegung der Koordi
274. ung P4 P2 10 01 10 005 10 019 10 007 P2 P3 9 96 9 933 9 948 9 947 P P3 19 97 19 939 19 967 19 954 L L gt 4 98 4 951 4 982 4 984 L gt L3 5 04 5 061 5 017 5 026 L3 L4 4 96 4 951 4 970 4 960 La Ls 5 00 4 991 5 003 5 015 Li Ls 19 98 19 970 19 971 19 984 B1 B2 1 97 1 966 1 978 1 999 B2 B3 2 00 2 013 2 003 1 995 B3 B4 2 03 2 019 1 978 2 005 B B 3 94 3 905 3 961 3 941 Bs Be 1 98 2 000 1 998 1 997 Be B7 2 04 2 042 2 020 2 030 B7 Bs 2 02 2 012 2 016 2 016 195 3 Import medizinischer Bilddaten Als Ergebnis der Genauigkeitsuntersuchung liegen die in Tabelle 4 9 gezeigten Ab weichungen zwischen den gemessenen und den berechneten Werten vor Daraus l sst sich schlie en dass die maximale Detektionsgenauigkeit bei 0 5 mm und die durch schnittliche Genauigkeit unter 0 2 mm liegt was im Normalfall allerdings auch der Pixelaufl sung innerhalb der Schichten entspricht Tabelle 4 9 Abweichung zwischen gemessenen und ermittelten Werten mm 0 Messung 45 Messung 90 Messung Total n 45 max Abw 0 35 0 52 0 29 0 52 Abw 0 16 0 14 0 11 0 13 Aufnahmen mit geringerem Schichtabstand k nnten die Genauigkeit der Positions bestimmung in axialer Richtung zwischen den Schichten noch geringf gig verbessern Die Klassifikation w rde jedoch von einem geringeren Schichtabstand in Kombination mit einer linearen Interpolation zwischen den Schichten deutlich profitieren Ein wesentlicher Faktor zur genauen Bestimmung der Markerpo
275. ung der Kommunikationsschnittstelle auf Punkt zu Punkt Verbindungen mit festgelegter 50 poliger paralleler Schnittstelle Daraus resultierte eine Beschr nkung auf direkt ver bundene Kommunikationseinheiten bei der sowohl Sender als auch Empf nger im Vor aus bekannt sein m ssen Weiterhin wurde eine m gliche Kompression der Aufnahme daten nicht ber cksichtigt was nachtr glich ber eine Erweiterung des Standards erfolgte NEM89 Der ACR NEMA Standard ber cksichtigte ebenfalls kein eindeu tiges Identifikationsschema f r die Zuordnung von Nachrichten zu Patienten und ver nachl ssigte die Festlegung eines Speicherformates zum Datenaustausch ber Daten tr ger und Speichermedien 195 3 Import medizinischer Bilddaten 3 3 2 Digital Imaging and Communication in Medicine DICOM 3 0 Die Beschr nkung des ACR NEMA Standards auf eine physikalische Kommunikations schnittstelle das Fehlen eindeutiger Bezeichner f r Datenobjekte sowie die mangelnde Spezifikation f r den Datenaustausch ber Netzwerke und Speichermedien f hrte 1993 zu einer grundlegenden Revision des Standards Gefordert war in erster Linie eine M glichkeit des Datenaustausches zwischen offenen Systemen unter Ber cksichtigung von Standard Netzwerkprotokollen ISO OSI und TCP IP Die Zielsetzung in einer Netzwerkumgebung die Kommunikation unterschiedlicher Ger te und Anwendungen mit unterschiedlichen F higkeiten zu erm glichen erforderte eine neue Sichtweise des
276. unter Nutzung der zur Verf gung stehenden Ressourcen ein integriertes Planungs und Ausf hrungssystem zu entwickeln mit dem klinische Abl ufe von der Bildgebung ber die Diagnose und Planung bis hin zur robotergest tzten Ausf hrung effizient und pr zise durchgef hrt werden k nnen Bild 1 1 Experimental OP des Surgical Robotics Lab 1 1 Computergest tzte Planung in der Chirurgie Die Chirurgie erlebt seit knapp f nf Jahren eine Entwicklung die mit dem Einzug der Computertomographie in die Radiologie verglichen werden kann Die technischen M glichkeiten computer und robotergest tzter Assistenzsysteme erm glichen eine Ausdehnung der Ger temedizin auf chirurgische Handlungsabl ufe die in ihrer Komplexit t und mit den ben tigten Genauigkeitsanforderungen kaum noch von menschlicher Hand durchgef hrt werden k nnen Zwar erfordert jeder chirurgische Ein griff an einem Patienten eine individuelle vom Arzt vorzunehmende Planung doch f hrt diese aufgrund der technischen M glichkeiten in der medizinischen Diagnostik bereits zu Planungsvorgaben im Submillimeterbereich Die medizinische Bildgebung liefert dabei z B Daten deren r umliche Aufl sung innerhalb einer Aufnahmeebene wenige zehntel Millimeter betr gt Der kleinstm gliche Schichtabstand liegt momentan zwischen 0 5 und einem Millimeter WEH 97 RC97 Die pr operative chirurgische Therapieplanung basiert auf solchen Daten die einen Einblick in k rperinnere d
277. unterschiedliche Rechnersysteme portieren lassen Der Programmcode liegt auf der beiliegenden CD im Verzeichnis marker detection vor Diese Bibliothek wurde ebenfalls erfolgreich in das Visualisierungssystem Amira des Konrad Zuse Zentrums f r Informationstechnik ZIB eingebunden und erm glicht es CT Daten auf die Existenz von Registrierungsmarkern zu berpr fen die erkannten Marker zu visualisieren und das Detektionsergebnis ggf zu korrigieren Durch die Nutzung externer CAD Modelle zur Klassifizierung und Visualisierung kann das Verfahren problemlos hinsichtlich neuer Markertypen erweitert werden Das komplette Modul zur Markerdetektion inklusive der Marker Templates in Form von Textdateien im erweiterten Inventor ASCII Format befindet sich ebenfalls auf der beiliegenden CD im Verzeichnis Amira packages hxmarkerfinder siehe Anhang B Seite 187 ff 46 5 Computergest tzte 3D Planung In Kapitel2 wurde die der Arbeit zugrundeliegende chirurgische Problemstellung beschrieben Es sollen am Patientensch del Bohrungen vorgenommen werden in die im Anschluss Implantate eingeschraubt werden die zur Aufnahme des Befestigungssteges f r eine Ohrepithese dienen Das Problem das sich einem Arzt hier stellt ist die korrekte Platzierung der Implantate f r die optimale Lage des Befestigungssteges unter Ber cksichtigung der vorliegenden Knochenstrukturen In Anlehnung an die in Abschnitt 2 1 1 beschriebene konventionelle Vorgehensweise wurde ein
278. volle positive Bilanz CSVS95 LMPV95 PVML95 VMT96 Das hier vorgestellte Planungssystem erlaubt eine f r jeden Patienten individuelle pr operative Planung des chirurgischen Eingriffs bei der anatomische Strukturen unter sucht und Implantate unter Ber cksichtigung dieser Strukturen optimal positioniert werden k nnen Die Planungsdaten dienen dabei als Grundlage f r die pr zise roboter gest tzte Durchf hrung punktgenauer paralleler Bohrungen am Sch del des Patienten 1 2 Allgemeiner berblick Die Planung chirurgischer Vorg nge anhand medizinischer Bilddaten erfordert die Ver arbeitung und Visualisierung medizinischer Datenformate Da sich mit dem ACR NEMA Standard sowie dem darauf aufsetzenden DICOM Standard ein Format f r die medizinische Bildgebung etabliert hat NEM88 NEM93 und die an der Klinik anfallenden Daten in diesen Formaten generiert bertragen und gespeichert werden ist es erforderlich diese Datenformate mit einem Visualisierungs und Planungssystem einlesen und verarbeiten zu k nnen F r das Konzept dieser Arbeit stellte sich dabei die Frage ob ein existierendes kommerzielles Visualisierungssystem verwendet und bez glich der Belange der Pla nung erweitert werden oder eine vollst ndige Eigenentwicklung erfolgen soll Eine Eigenentwicklung h tte zwar den Vorteil dass das System komplett nach den Vorgaben der Anforderungsspezifikation erstellt werden k nnte und keine berfl ssige Kom plexit t bes
279. wertigsten als auch mit dem niederwertigsten Byte zuerst ausgewertet werden Das korrekte Speicherformat erg be sich dann aus der Variante die zu dem vorgegebenen Inhalt f hrt Im ACR NEMA Standard und auch in der urspr nglichen Form des DICOM Standards wurde dieser Fall jedoch nicht ber cksichtigt da es sich um ein Kommunikations protokoll handelt bei dem Kommunikationsdienste in Anspruch genommen werden und eine zwischengelagerte Schicht die Bytereihenfolge vom Format der Rechnerarchitektur in ein festgelegtes Transferformat konvertiert F r DICOM 3 0 werden dazu die TCP IP Dienste unter Ber cksichtigung der Netzwerk byte order genutzt Com91 In ACR NEMA 1 0 2 0 wurde eine spezielle Abstraktionsschicht definiert die so genannte Network Interface Unit Durch die Verwendung dedizierter Kommunikationsdienste wird immer sicher gestellt dass ausgetauschte Daten dem Standard entsprechen der von diesen Diensten ber ck sichtigt wird Bei der Auswertung von Dateien kann eine beliebig Information vor liegen so dass erst berpr ft werden muss ob es sich um einen korrekten Datensatz 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten nach dem zu erwartenden Standard handelt Erst mit der Erweiterung des DICOM 3 0 Standards auf den Datenaustausch mittels physischer Speichermedien wurde diesem Problem durch Einf hrung eines definierten Datenbereiches innerhalb des Datenstromes begegnet mit dem die darin vorliegende Information nebst An
280. z B zur Verarbeitung mit einem einfachen Texteditor unmodifiziert auszugeben Wird extractSrIHdr mit der Option h elp UNIX bzw DOS aufgerufen dann wird eine kurze Programmbe schreibung ausgegeben Ansonsten erfolgt der Aufruf durch Eingabe des Programm namens des Namens einer Datei im SRL Format und eines Dateinamens zur Spei cherung der ASCI Daten Existiert eine Datei gleichen Namens so wird diese nicht berschrieben sondern eine Fehlermeldung ausgegeben Entf llt die Angabe eines Namens f r die Ausgabe so werden die Daten in den Standard Ausgabekanal geschrie ben Wird weder der Name einer Eingabe noch einer Ausgabedatei angegeben dann liest das Programm aus dem Standard Eingabekanal so dass eine Verarbeitung in einer pipe erfolgen kann extractSrlHdr h inputFile sri outputHdr srl cat inputFile srl extractSrIHdr gt outputHadr srl Das Programm extractSri bietet die M glichkeit selektiv entweder nur alle Eintr ge alle Gruppen oder alle Kommentarzeilen aus einem Datenstrom im SRL Format zu filtern Als Pflichtparameter erwartet extractSrl die Angabe des Zeilentyps der aus der Eingabe extrahiert werden soll Hierbei kann es sich entweder um die Zeichenkette com f r Kommentarzeilen ent f r g ltige Eintr ge oder um sec f r g ltige Gruppen 46 3 5 Hilfsprogramme zur Analyse von DICOM Daten bezeichner handeln Wird extractSrl mit der Option h elp UNIX bzw DOS aufge
281. zerf hrung muss klar gegliedert und strukturiert sein wobei zu jeder Aktion eine Hilfestellung bereitgestellt wird und jede Aktion r ck g ngig gemacht werden kann Mit dem Abschluss der Planung wird ein detailliertes Planungsprotokoll ausgegeben das zur Vorbereitung der Operation und zur Dokumen tation f r die Behandlungsakte verwendet werden kann Mit der vorliegenden Arbeit wird die Grundlage zu solch einem Planungssystem ent wickelt und auf einem Computersystem implementiert Die nachfolgenden Kapitel beschreiben die einzelnen Entwicklungsstufen die zur Bereitstellung eines ersten funktionsf higen Prototyps erforderlich sind Nach klinischer Evaluierung des Prototyps sollten die Voraussetzungen zur Fertigstellung eines Planungssystems der vorangehend beschriebenen Art vorliegen die in einer weiteren Arbeit umgesetzt werden k nnen 24 3 Import medizinischer Bilddaten Ausgehend von der Entdeckung der Nutzbarkeit von R ntgenstrahlung f r die medizi nische Diagnostik durch W C R ntgen 1895 entwickelte sich eine eigenst ndige medizinische Teildisziplin die Radiologie die sich ausschlie lich mit der Begutachtung und Bewertung medizinischer Bilddaten befasst Mittlerweile gibt es mannigfaltige Arten der medizinischen Bildgebung deren Aufnahmedaten sowie Zusatzinformation in digitaler Form gespeichert werden k nnen Insbesondere die tomographischen Ver fahren liefern Daten die die Grundlage f r eine computergest tzte Planu
282. zt werden Intsgrieries Planungs und Ausl hrungssysten Datenimport Mierke rcdelakiian Veualsienung Planung Daienes port Bild 1 2 Konzeptionelle Teilbereiche des Planungssystems 195 2 Medizinische Problemstellung und Konzept In diesem Kapitel wird die dieser Arbeit zugrunde liegende medizinische Problem stellung sowie ein Konzept zu deren verbesserter Bew ltigung vorgestellt Es sollen chirurgische Eingriffe aus dem Bereich der Epithetik computergest tzt geplant und robotergest tzt durchgef hrt werden wobei diese Planung exemplarisch am Beispiel der operativen Vorbereitung der Fixierung einer Ohrepithese erfolgt Um einen grund s tzlichen berblick ber die Art des zu planenden Eingriffs zu gewinnen wird nach einer einleitenden kurzen Beschreibung der Epithetik ein beobachteter Operationsablauf zusammengefasst und im Anschluss ein Konzept entwickelt und vorgestellt mit dem die Planung einer solchen Operation unter Zuhilfenahme technischer M glichkeiten unterst tzt werden kann Die Epithetik ist eine medizinisch k nstlerische Disziplin die eng mit der plastisch rekonstruktiven Chirurgie verbunden ist Dun97 Bei der rekonstruktiven Chirurgie wird versucht Patienten mit traumatisch oder tumorchirurgisch bedingten Defekten bzw angeborenen Malformationen durch operativen Wiederaufbau mit weitgehend k r pereigenem Gewebe zu versorgen Ist dies aufgrund der Schwere oder Art des Defektes z B bei T
283. zu standardisierenden Problems mit einem daraus resultierenden differenzierteren Datenmodell Aus diesem Grund wurde der bisherige ACR NEMA Standard 2 0 unter dem Namen Digital Imaging and Communication in Medicine DICOM neu fest gelegt NEM93 DICOM stellt einen Standard f r die Beschreibung Speicherung bertragung und In terpretation medizinischer Bilddaten und damit verkn pfter Zusatzinformation dar wobei eine Abw rtskompatibilit t zum bisherigen ACR NEMA Standard gew hrleistet wurde Die wesentlichen Neuerungen des DICOM 3 0 Standards sind e Objektorientiertes Entwurfskonzept Information Objects und Service Classes e Spezifikation zus tzlicher Datenobjekte Studien Patienten Berichte usw e Definition so genannter bereinstimmungserkl rungen Conformance Claims e Einf hrung eines eindeutigen Identifikationsschemas e Implizite Beschreibung des Datenformates e Datenaustausch ber Standard Netzwerkprotokolle und Speichermedien Im Gegensatz zum ACR NEMA Standard erfolgte au erdem eine Spezifikation in meh reren in sich abgeschlossenen Teildokumenten die sich zwar aufeinander beziehen jedoch unabh ngig voneinander sind und somit aufgrund der Trennung leichter an neue Anforderungen angepasst werden k nnen Der Standard ist dabei wie in Bild 3 4 ge zeigt in 12 Teile gegliedert An dieser Stelle soll keine Erkl rung der einzelnen Teil bereiche erfolgen Gute Beschreibungen sind der erste Teil des DICOM Standards

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