Interactive exploration of volumetric ultrasound data based on distance transforms on image manifolds

Abstract

Dreidimensionaler Ultraschall (3DUS) kann als fundamentaler Fortschritt in der bildgebenden Diagnostik angesehen werden. Erstmals ist es möglich, in Echtzeit anatomische Strukturen und deren pathologische Veränderungen innerhalb eines dreidimensionalen Ausschnitts des menschlichen Körpers aufzunehmen und darzustellen. Um jedoch das Potenzial dieser Modalität voll ausschöpfen zu können ist die Entwicklung neuer Methoden zur Verarbeitung und Visualisierung dieser Daten erforderlich. Dabei stellen deren spezielle Charakteristik bedingt durch den zugrunde liegenden physikalischen Prozess des Ultraschall-Echo-Verfahrens einerseits und die Notwendigkeit von Verarbeitungszeiten, die der Interaktivität der Modalität entsprechen andererseits besondere Herausforderungen dar.<br />Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Methoden zur Verarbeitung von 3DUS Daten mit dem Ziel, anatomische und pathologische Strukturen für einen möglichst breiten Bereich diagnostischer Fragestellungen zu modellieren und darzustellen. Dabei soll dem Untersucher auch Information über die Zuverlässigkeit der dargestellten Struktur und die "Schärfe" deren Begrenzung zur Verfügung gestellt werden. Den Rahmen für die Entwicklung dieser neuen Methoden bildet das etablierte Gebiet der Differentialgeometrie, genauer, das Konzept der Distanzfunktion auf einer Riemannschen Mannigfaltigkeit.<br />Dieses Konzept liefert einerseits ein solides, geometrisches Fundament für die Entwicklung neuer Methoden wie die der "Soft Segmentation", eines Segmentierungsverfahrens welches Zuverlässigkeit als integralen Bestandteil des Segmentierungsergebnisses beinhaltet. Andererseits sind Distanzfunktionen auf Mannigfaltigkeiten auch Ausgangspunkt für eine Generalisierung etablierter Methodik, nämlich morphologischer Operationen. Auf letzteren aufbauend wird ein System zur Exploration von 3DUS Daten entwickelt. Um die für eine interaktive Applikation erforderliche Effizienz der eingesetzten Methodik zu gewährleisten wird besonderes Augenmerk auf die Entwicklung von Schemata gelegt, welche die Berechnung von Näherungen dreidimensionaler Distanzfunktionen auf Single-Instruction-Multiple-Data Prozessorarchitekturen erlauben. Auf den Ergebnissen dieser Arbeit aufbauend konnte bereits ein klinisches Produkt entwickelt und in die neueste Generation eines Ultraschallgeräts integriert werden. Erste klinische Evaluierungen wurden durchgeführt und zeigten eine signifikante Verbesserung der diagnostischen Qualität bei einer Verkürzung der Untersuchungszeit im Anwendungsszenario der Assisted Reproductive Technologies.<br />

Three-dimensional ultrasound (3DUS) is a fundamental advancement in image based diagnostics. For the first time it is possible to acquire and visualize anatomical structures and their pathological changes within a three-dimensional region of the human body in real-time. In order to capitalize on the potential of this modality, development of novel methods for processing and visualization of these data is essential. The unique characteristics due to the underlying physical process of data generation and the interactivity of the modality pose additional challenges. The present thesis summarizes the development of new methods for processing 3DUS data with the goal of providing a model and a visualization of anatomical and pathological structures for a wide range of tasks in diagnostic ultrasound imaging. Additionally, the sonographer shall be notified about the reliability of the model and the fuzziness of the structure's margin. Differential geometry forms the framework for these novel methods. More precisely, it is the concept of a distance function on an image manifold which on the one hand provides a solid foundation for developing new methods such as soft segmentation, a segmentation method which incorporates reliability as an integral part of the segmentation result. On the other hand, distance functions on manifolds serve as a starting point for generalizing an established methodology, namely mathematical morphological. Based on this generalization a framework for interactive exploration of 3DUS data has been developed.<br />In order to achieve the computational efficiency required for interactive application, attention has been turned toward developing schemata which allow for computing approximations of three-dimensional distance functions on single-instruction-multiple-data architectures. On the basis of the results of this thesis a clinical application has already been developed and integrated in the latest generation of a 3DUS machine. Clinical evaluations indicated both a significant improvement of diagnostic quality and a decrease of the duration of the examination in the application field of assisted reproductive technologies.