Title: BrainXPlore : decision finding in brain biopsy planning
Language: English
Authors: Pezenka, Lukas 
Qualification level: Diploma
Keywords: Biopsieplanung; Medizinische Visualisierung
Brain Biopsy Planning; Medical Data Visualization
Advisor: Bühler, Katja 
Assisting Advisor: Gröller, Eduard  
Wolfsberger, Stefan 
Issue Date: 2017
Number of Pages: 108
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Neurochirurgen treffen Entscheidungen auf Basis ihres Expertenwissens. In diesem Prozess werden Faktoren wie die Distanz zu gefährdeten Strukturen, Pfadlänge und -winkel, etc. berücksichtigt. Während manche Kriterien (wie etwa das Unterschreiten der minimalen Distanz zu Blutgefäßen) zum Ausschluß einer potentiellen Trajektorie führen, sind andere Kriterien (etwa die Pfadlänge) weniger rigide. Diese Faktoren können dann zur Reihung und Bewertung von potentiellen Trajektorien herangezogen werden. Nach Analyse tatsächlich erfolgter Eingriffe sowie Rücksprache mit Neurochirurgen haben wir wichtige Regeln zur Planung und Durchführung von Gehirnbiopsien identifiziert. In dieser Arbeit präsentieren wir BrainXplore, ein in Zusammenarbeit mit der medizinschen Universität Wien entwickeltes System zur Unterstützung von Neurochriurgen bei der Planung von Gehirnbiopsien. BrainXplore ist ein erweiterbares Biopsieplanungsrahmenwerk, das die erarbeiteten Regeln implementiert und dabei dem Benutzer volle Flexibilität hinsichtlich deren Definition und Erweiterung bietet. Das System berechnet automatisch eine Menge an potentiellen Trajektorien. Durch die Definition und Verfeinerung der Regeln kann diese Menge schrittweise verkleinert werden, bis eine geeignete Trajektorie gefunden wurde. Durch den Einsatz eines räumlichen Indexes können beliebig viele anatomische Strukturen bei beliebiger Auflösung zur Berechnung der Trajektorien herangezogen werden. Somit wird der Einsatz hochauflösender multimodaler Datensätze möglich, welcher bisher aufgrund von Speicherplatzlimiterungen der Graphikkarte unmöglich war. Um den Neurochirurgen bei der Entscheidungsfindung zu unterstützen bietet BrainXPlore Methoden der Informationsvisualisierung, wie parallele Koordinatensysteme und Risikoprofildiagramme. Wir haben BrainXPlore auf realen Daten einer tatsächlich erfolgten Biopsie getestet und akzeptable Resultate erzielt. Der partizipierende Neurochirurg gab uns das Feedback, dass der Einsatz von BrainXPlore zu einer Verringerung der Dauer von Gehirnbiopsien führen kann und sinnvoll zur Unterstützung weniger erfahrener Chirurgen eingesetzt werden kann.

Neurosurgeons make decisions based on expert knowledge that takes factors such as safety margins, the avoidance of risk structures, trajectory length and trajectory angle into consideration. While some of those factors are mandatory, others can be optimized in order to obtain the best possible trajectory under the given circumstances. Through comparison with the actually chosen trajectories from real biopsies and qualitative interviews with domain experts, we identified important rules for trajectory planning. In this thesis, we present BrainXplore, an interactive visual analysis tool for aiding neurosurgeons in planning brain biopsies. BrainXplore is an extendable Biopsy Planning framework that incorporates those rules while at the same time leaving full flexibility for their customization and adding of new structures at risk. Automatically computed candidate trajectories can be incrementally refined in an interactive manner until an optimal trajectory is found. We employ a spatial index server as part of our system that allows us to access distance information on an unlimited number of risk structures at arbitrary resolution. Furthermore, we implemented InfoVis views such as parallel coordinate systems and risk signature charts to drive the decision process. As a case study, BrainXPlore offers a variety of information visualization modalities to present multivariate data in different ways. We evaluated BrainXPlore on a real dataset and accomplished acceptable results. The participating neurosurgeon gave us the feedback that BrainXPlore can decrease the time needed for biopsy planning and aid novice users in their decision making process.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-106479
http://hdl.handle.net/20.500.12708/2972
Library ID: AC14519915
Organisation: E186 - Institut für Computergraphik und Algorithmen 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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