Medical visualization for orthopedic applications

Abstract

This dissertation discusses visualization techniques of articular cartilage for both quantitative and qualitative assessment. Articular cartilage is a very thin structure covering the endings of human bones. Thus, even slight changes in its thickness and inner structure may indicate an occurrence or progress of degeneration.The early detection of these factors is crucial for diagnosis and treatment of cartilage degeneration. Research to find treatments to stop or even reverse these degenerative changes is well in progress.<br />Magnetic resonance imaging is currently the best and most used non-invasive technique for acquisition of soft tissue structures like articular cartilage. In this work we use two types of data: a high-resolution anatomical scan of the cartilage and a T2 map, which is computed from a set of sequences with varying parameters. While the thickness of the data can be precisely assessed from the anatomical scan, the T2 map offers information on the inner structures of the cartilage.<br />Since the femoral cartilage is a curved thin-wall structure with a relatively small extent in one direction, it is very difficult to estimate its thickness from a stack of slices or even from a three-dimensional reconstruction of its surface. We discuss inspection of the tissue by unfolding and, thus, representing the tissue as a two-dimensional height field. Such a transformation of the object enables the application of 2D geometrical operations in order to observe subtle details in the thickness of the tissue.<br />Nowadays scanners allow a quality assessment checking disruptions in the pattern of the T2 map of the patellar cartilage. The T2 map illustrates the quality of the cartilage and changes in the pattern of T2 map indicate defects before changes in the thickness itself occur. We propose the Profile Flags - an intuitive interface for probing of the T2 maps by browsing the reconstructed surface of the cartilage. The Profile Flag is positioned on the reconstructed surface of the tissue, and can be moved along it. The Profile Flags can be applied to annotate local as well as global characteristics of the underlying data in a single still image. Furthermore, we present a set of extensions to Profile Flags for selection, classification and automatic positioning. Profile Flags can also be used to measure time-varying dynamic contrast enhanced magnetic resonance imaging data.

Die vorliegende Dissertation behandelt Visualisierungstechniken zur quantitativen und qualitativen Beurteilung des Zustandes von Gelenksknorpelgewebe. Es handelt sich dabei um dünne Knorpelstrukturen, die Gelenksköpfe im menschlichen Körper bedecken. Selbst geringe Änderungen in ihrer Dicke und Strutur können auf eine Degeneration hindeuten. Die Früherkennung solcher Veränderungen ist von großer Bedeutung sowohl für die Diagnose und Behandlung der auslösenden Krankheiten als auch für die Erforschung ihrer Ursachen.<br />Die Magnetresonanztomographie ist derzeit eines der am meisten verbreiteten bildgebenden Verfahren zur Untersuchung von Weichteilgewebe. Im Rahmen dieser Arbeit kommen zwei Typen von MR Daten zur Anwendung: ein hochaufläsender anatomischer Scan des Knorpelgewebes und eine sogenannte T2- Map, welche aus Sequenzen mit variirenden Parametern berechnet werden kann.<br />Während die Dicke des Gelenksknorpels mit Hilfe des anatomischen Scans mit hoher Präzision bestimmt werden kann, kann aus der T2-Map Information über seine Struktur gewonnen werden.<br />Insbesondere die Untersuchung des femoralen Gelenksknorpels (Knorpelgewebe, welches den Oberschenkelkopf bedeckt) ist schwierig: Bedingt durch seine gewundene Struktur sind konventionelle Methoden basierend auf Schichtbildsequenzen oder dreidimensionaler Rekonstruktion zumeist ungeeignet. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit eine Technik zur Auffaltung des Gewebes behandelt. Die so gewonnene Repräsentation als zweidimensionales Höhenfeld erlaubt die Anwendung von geometrischen Operationen, um eine verbesserte Darstellung von selbst geringen Annomalien zu ermöglichen.<br />Durch Untersuchung der T2-Map können darüberhinaus Veränderungen in der Struktur des Knorpelgewebes der Patella (Kniescheibe) erkannt werden bevor permanente Schäden entstehen. In dieser Arbeit wird die Profilflaggen-Metapher vorgestellt, welche eine einfache Sondierung von T2-Maps erlaubt. Eine Profilflagge wird auf der rekonstruierten Oberfläche des Knorpelgewebes platziert und kann darauf bewegt werden. Profilflaggen bieten eine einfache Schnittstelle zur Interaktion und Dastellung der zugrundeliegenden Daten und sind somit zur Untersuchung und Annotierung von lokalen und globalen Charakteristika des Gewebes geeignet. Neben dem grundlegenden Konzept werden zahlreiche Erweiterungen vorgestellt, die sich mit Selektion, Klassifikation und automatisierter Positionierung der Profilflaggen beschäftigen. Auch eine Anwendung zur Untersuchung von mit dynamischer kontrastmittelunterstützter Magnetresonanztomographie(DCE-MRI) gewonnenen Daten wird behandelt.<br />