Comprehensive visualization of cardiac MRI data

Abstract

Koronare Herzkrankheit ist eine der führenden Todesursachen in der westlichen Welt. Die kontinuierliche Verbesserung der Magnetresonanztomographie (MRT) erleichtert genauere Diagnosen, indem sie immer detailliertere Informationen über die Lebensfähigkeit, das Funktionieren, die Durchblutung und die Anatomie des Herzens eines Patienten liefert.<br />Diese zunehmende Menge an Informationen schafft die Notwendigkeit für effizientere und effektivere Mittel der Verarbeitung dieser Daten.<br />Diese Dissertation präsentiert mehrere neue Techniken, die eine umfassendere Visualisierung des Patienten bei der Diagnose von Erkrankungen der Herzkranzgefäße mittels MRT unterstützen. Das volumetrische Polardiagram wird als Erweiterung des Polardiagrams, welches eine bestehende Visualusierungstechnik in der klinischen Praxis ist, eingeführt. Dieses neuartige Konzept bietet eine umfassendere Sicht auf die Lebensfähigkeit des Herzens eines Patienten, indem detaillierte Informationen über die Transmuralität der Narbe ohne Diskontinuitäten bereitgestellt werden.<br />Anatomische Zusammenhänge gehen in abstrakten Darstellungen von Daten häufig verloren. Darüberhinaus liefern einige Arten von Scans relativ wenig anatomischen Kontext. Mehrere Techniken zur Wiederherstellung des anatomischen Bezugs werden vorgestellt. Die primären Koronararterien sind in einem Scan des ganzen Herzens segmentiert und werden auf ein volumetrisches Polardiagram abgebildet. Hierbei wird der abstrakten Repräsentation anatomischer Kontext hinzugefügt. Ebenso, werden segmentierte späte Anreicherungs Daten zusammen mit einer drei-dimensionalen Segmentierung des patientenspezifischen Herzmuskels und koronarer Anatomie dargestellt. Darüberhinaus werden koronare Versorgungsgebiete aus den patientenspezifischen Daten berechnet. Dies bedeutet eine Verbesserung gegenüber Modellen welche auf Bevölkerungsdurchschnitten basieren.<br />Informationen über die Durchblutung des Herzmuskels welche aus MRT-Aufnahmen abgeleitet werden können sind in der Regel von relativ geringer Auflösung. Unter Verwendung hochauflösender anatomischen Daten wird ein Konzept für die Visualisierung simulierter Durchblutung des Herzmuskels präsentiert. Dabei wird die detaillierte Information über die Durchblutung genutzt. Schließlich, wird eine wirklich umfassende Visualisierung einer Herz-MRT-Untersuchung erforscht. Dabei werden Scans des ganzen Herzens, der Herzvitalität, der Herzfunktion und der Durchblutung in einer einzigen Visualisierung kombiniert. Die eingeführten Konzepte fördern den Aufbau eines umfassenderen Überblicks über den Patienten. Die dabei zusätzlich gewonnene Information kann für den Diagnoseprozess von Nutzem sein.<br />

Coronary artery disease is one of the leading causes of death in the western world. The continuous improvements in magnetic resonance imaging technology facilitate more accurate diagnoses by providing increasingly more detailed information on the viability, functioning, perfusion, and anatomy of a patient's heart. This increasing amount of information creates the need for more efficient and more effective means of processing these data.<br />This thesis presents several novel techniques that facilitate a more comprehensive visualization of a patient's heart to assist in the diagnosis of coronary artery disease using magnetic resonance imaging (MRI). The volumetric bull's eye plot is introduced as an extension of an existing visualization technique used in clinical practice-the bull's eye plot.<br />This novel concept offers a more comprehensive view on the viability of a patient's heart by providing detailed information on the transmurality of scar while not suffering from discontinuities.<br />Anatomical context is often lost due to abstract representations of data, or may be scarce due to the nature of the scanning protocol. Several techniques to restore the relation to anatomy are presented. The primary coronary arteries are segmented in a whole heart scan and mapped onto a volumetric bull's eye plot, adding anatomical context to an abstract representation. Similarly, segmented late enhancement data are rendered along with a three-dimensional segmentation of the patient-specific myocardial and coronary anatomy. Additionally, coronary supply territories are computed from patient-specific data as an improvement over models based on population averages.<br />Information on the perfusion of the myocardium provided by MRI is typically of fairly low resolution. Using high-resolution anatomical data, an approach to visualize simulated myocardial perfusion is presented, taking full advantage of the detailed information on perfusion. Finally, a truly comprehensive visualization of a cardiac MRI exam is explored by combining whole heart, late enhancement, functional, and perfusion scans in a single visualization. The concepts introduced help to build a more comprehensive view of the patient and the additional information may prove to be beneficial for the diagnostic process.<br />