Interactive reformation of fetal ultrasound data to a T-position

Abstract

Dreidimensionale Ultraschall Untersuchungen werden heutzutage häufig bei fetalen Untersuchungen eingesetzt. Diese Untersuchungsmethode liefert genaue Informationen sowohl über die Haut und die Oberfläche des Fötus als auch über die inneren Organe. Pränatale Untersuchungen werden häufig eingesetzt, um die Entwicklung des Fötus zu untersuchen. Diese Untersuchungen sind sehr wichtig, um die gesunde Entwicklung des Fötus zu kontrollieren. Die Analyse der Daten basiert auf einer zweidimensionalen Schicht-Ansicht, um die Abmessungen durchzuführen, die für die Berechnung des Volumens und des Gewichtes des Fötus notwendig sind. Die Ergebnisse sind jedoch auch immer abhängig von der Person, die die Messungen durchführt, da es oft auch wenig eindeutige Daten gibt. Die Messungen und Berechnungen sind jedoch für die Kontrolle der Entwicklung des Fötus und auch für die Geburtsvorbereitung wichtig. Das Ultraschall Bildgebungsverfahren ist oft von Artefakten wie Punkten, Rauschen oder blockierter Sicht betroffen. Diese Störungen treten auf, weil das Verfahren akustischer Natur ist. 2D-Schichten als Basis für verschiedene Messungen sind nicht optimal, weil die Messungen von der Projektion abhängt und nur korrekt ist, wenn genau die richtige Ebene gewählt wurde, um diese durchzuführen. Eine Analyse der Daten in 3D wäre sinnvoller, da der Beobachter bzw. die Beobachterin einen besseren Überblick hätte und besser zwischen Artefakten und „echten“Daten unterscheiden könnte. Gewisse Messungen des Fötus wie zum Beispiel die Länge von Kopf bis Rumpf oder die Länge des femoralen Knochens können mit standardisierten Tabellen verglichen werden, um die Entwicklung des Fötus zu überprüfen. Standardisierung ist in der Medizin weit verbreitet und hat den Zweck, die Vergleichbarkeit der Daten verschiedener Patienten zu ermöglichen. Deshalb wird hier eine Methode vorgestellt, die 3D Ultraschalldaten einer fötalen Untersuchung standardisiert. Den Fötus in eine standardisierte Pose zu bringen, ermöglicht die Durchführung von automatischen Messungen und ermöglicht auch die Einführung von neuen Messungen, die unter anderem das Volumen von bestimmten Körperregionen beinhalten könnte. Eine standardisierte Pose des Fötus würde es auch ermöglichen, Föten miteinander zu vergleichen oder die Daten eines Fötus im Verlauf der Schwangerschaft zu beobachten. Die neue Methode besteht aus sechs Schritten: Laden der Daten, Vorverarbeitung, „Rigging“ des Modells, Gewichtung, die eigentliche Transformation oder auch „Vitruvian Baby“genannt und zum Schluss die Analyse. Es wurde versucht so viele Schritte des Workflows zu automatisieren, manche Schritte jedoch sind manuell. Vollkommen automatisiert ist die Gewichtung des Modells und die Transformation. Die Vorverarbeitung und das „Rigging“des Modells benötigt manuellen Input des Users. Beim „Rigging“wird ein abstrahiertes Skelett in das Modell eingesetzt. Dieses wird dazu verwendet, den Fötus zu beschreiben und dient als Grundlage für die Transformation. Die Leistung unseres neuen Verfahrens wurde getestet, indem ein Phantom-Datensatz eines Mannes verwendet wurde. Das Phantom ist bereits in der T-Pose gegeben und gilt daher auch als Vergleichsbasis für das Ergebnis unserer Methode. Das Phantom wurde zuerst in sieben verschiedene Fötus Posen gebracht. Der Vergleich des Ergebnisses unserer Methode und der Ziel T-Pose ergab eine Übereinstimmung auf Voxel Ebene von 79.02% im Durchschnitt. Die Ähnlichkeit der Messung von Kopf bis Fuß und von den Fingern der linken Hand zu den Fingern der rechten Hand wurde ebenfalls gemessen. VOn Kopf bis Fuß ergab sich eine Genauigkeit von 94.05% im Durchschnitt und bei der Messung von Finger zu Finger von 91.08% im Durchschnitt. Der manuelle Schritt des „Riggings“ dauerte in Durchschnitt sieben Minuten. Die Methode wurde auch mit einem Fötus-Modell und einem Phantom-Datensatz einer dreidimensionalen Ultraschall Untersuchung getestet und die Ergebnisse sind vielversprechend.

Three dimensional ultrasound images are commonly used in prenatal screening. The acquisition delivers detailed information about the skin as well as the inner organs of the fetus. Prenatal screenings in terms of growth analysis are very important to support a healthy development of the fetus. The analysis of this data involves viewing of two dimensional (2D) slices in order to take measurements or calculate the volume and weight of the fetus. These steps involve manual investigation and are dependent on the skills of the person who performs them. These measurements and calculations are very important to analyze the development of the fetus and for the birth preparation. Ultrasound imaging is affected by artifacts like speckles, noise and also of structures obstructing the regions of interest. These artifacts occur because the imaging technique is using sound waves and their echo to create images. 2D slices as used as basis for the measurement of the fetus therefore might not be the best solution. Analyzing the data in a three dimensional (3D) way would enable the viewer to have a better overview and to better distinguish between artifacts and the real data of the fetus. The growth of a fetus can be analysed by comparing standardized measurements like the crown foot length, the femur length or the derived head circumference as well as the abdominal circumference. Standardization is well known in many fields of medicine and is used to enable comparability between investigations of the same patient or between patients. Therefore we introduce a standardized way of analyzing 3D ultrasound images of fetuses. Bringing the fetus in a standardized position would enable automatized measurements by the machine and there could also be new measurements applied like the volume of specific body parts. A standardized pose would also provide possibilities to compare the results of different measurements of one fetus as well as the measurements of different fetuses. The novel method consists of six steps, namely the loading of the data, the preprocessing, the rigging of the model, the weighting of the data, the actual transformation called the "Vitruvian Baby" and at the end the analysis of the result. We tried to automatize the workflow as far as possible resulting in some manual tasks and some automatic ones. The loading of the data works with standard medical image formats and the preprocessing involves some interaction in order to get rid of the ultrasound induced artifacts. Transforming data into a specific position is a complex task which might involve a manual processing steps. In the method presented in this work one step of the transformation namely the rigging of the model, where a skeleton is placed in the data, is performed manually. The weighting as well as the transformation although are performed completely automatically resulting in a T-pose representation of the data. We analysed the performance of our novel approach in several ways. We first use a phantom model which has been used as a reference already presented in a T-pose. After using seven different fetus poses of the model as input the result was an average of 79,02% voxel overlapping between the output of the method and the goal T-pose. When having a look at the similarity of the finger to finger span and the head to toe measurement we considered a value of 91,08% and 94,05% in average. The time needed for the most complex manual task was in average seven minutes. After using a phantom model of a man, we also assessed the performance of the method using a computer model of a fetus and a phantom model of a 3D ultrasound investigation. The results also look very promising.