Application of smart visibility on medical 3D ultrasound datasets

Abstract

Die Ultraschalluntersuchung (Sonographie) ist ein bildgebendes Verfahren, das sich in der Pränataldiagnostik als Standard durchgesetzt hat. Das Verfahren ist weit verbreitet und besticht durch niedrige Betriebskosten, hohe Portabilität und einen verhältnismäßig einfachen Untersuchungsablauf. In den letzten Jahren haben 3D Ultraschallgeräte an Bedeutung gewonnen, da sie, im Gegensatz zu 2D Ultraschallgeräten, eine vollständige Visualisierung des Fetus ermöglichen. Innerhalb der aufgenommenen 3D Datensätze ist der Fetus allerding oft von Strukturen umgeben, die auf den endgültigen Visualisierungen zu Verdeckungen führen. Aktuelle Ultraschallgeräte verfügen zwar über Methoden zur Entfernung von Verdeckungen, diese sind jedoch oft schwierig zu steuern und werden daher selten direkt während der Untersuchung eingesetzt. Der Untersuchungsablauf wird stattdessen kurz unterbrochen, um Verdeckungen in einzelnen Scans zu entfernen.<br />Diese Diplomarbeit analysiert ein kürzlich entwickeltes Verfahren zur Entfernung von Verdeckungen, mit dem Ziel benötigte Benutzerinteraktion zu reduzieren. Die "smart visibility method" für pränatale Sonographie basiert auf einer Analyse der Opazitätsprofile von Sehstrahlen während der Ausführung eines Raycasting-Algorithmus. Die Analyse identifiziert anatomische Merkmale in einem 3D Datensatz, die dazu benutzt werden, eine Clipping-Fläche zwischen dem Fötus und den Verdeckungen zu berechnen. Die Clipping-Fläche wird dann in Kombination mit Cutaway- und Ghosting-Techniken dazu benutzt, Verdeckungen aus der Visualisierung zu entfernen, ohne dabei den Kontext zum umgebenden Volumen zu verlieren.<br />Die "smart visibility method" berechnet die Clipping-Fläche mit Hilfe eines Oberflächenrekonstruktionsalgorithmus. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden verschiedene Methoden zur Oberflächenrekonstruktion getestet und die Qualität der Resultate ausgewertet. Es konnte gezeigt werden, dass einer der getesteten Ansätze in einem Großteil der Testfälle gute Resultate liefert. Außerdem reduziert dieser Ansatz die benötigten Benutzereingaben auf einen einzigen Parameter. Um die Ergebnisse zu verifizieren, wurde die "smart visibility method" in der Firmware eines aktuellen Ultraschallgeräts getestet. Durch die Steuerung des Parameters mittels eines Hardwarereglers am Ultraschallgerät kann die Methode direkt während der Ultraschalluntersuchung angewendet werden. Die "smart visibility method" wird zur Zeit von GE Healthcare überprüft. Eine Integration der Technik in zukünftige Versionen der GE US Firmware wird in Erwägung gezogen.<br />

Ultrasonography is one of the standard medical imaging techniques used in pregnancy examinations. It is widely available due to its low cost, portability and simple diagnostic procedure. In recent years, three-dimensional ultrasound (US) imaging has been gaining popularity in the area of prenatal care. It provides examiners with a coherent visualization of the fetus. However, within scanned 3D datasets, the fetus is often surrounded by occluding structures which reduce its visibility in the resulting visualizations. Current ultrasound machines provide several methods to remove these occluders from visualizations. These methods are often difficult to control in the real-time setting of an US examination session. As a result, the work flow of US examinations has to be interrupted in order to apply occlusion removal to selected scans. In an attempt to reduce the required user interaction, this thesis evaluates a recently developed occlusion removal technique. The smart visibility method for prenatal ultrasound analyzes the ray profiles during an execution of a ray casting algorithm. This analysis identifies anatomic features within a dataset. From these features, a clipping surface that separates the fetus from its occluders is calculated. The clipping surface is used to remove occlusions from the visualization.<br />The use of cutaway and ghosting visualization techniques allow an unoccluded view of the fetus, while retaining its general context within the volume. The clipping surface calculated by the smart visibility method is obtained by using a surface reconstruction algorithm. Within this thesis, different surface reconstruction techniques were evaluated for their occlusion removal quality and performance. It was possible to show that one of the evaluated approaches provides good results in a majority of test cases. This approach also reduces the required user interaction to a single parameter. To verify these results, the approach has been tested within a state-of-the-art US firmware. By manipulating the adjustable parameter through the hardware controls of an US machine, the smart visibility method can be used in real-time scenarios. GE Healthcare is evaluating the smart visibility method and considers to include it in upcoming versions of their US machine firmwares.