Interactive Visualization for Assistance of Needle-Based Interventions

  • Needle-based interventions are an important part of tumor ablation therapies. Due to their common technical procedure, low complication rate, and low cost, needle-based ablation therapies have become alternatives to surgical resections in clinical practice. To date, the most well-studied and clinically relevant ablation therapy is radiofrequency ablation (RFA) in the liver. However, achieving successful outcomes is a challenging task which depends on a variety of partially unknown reasons. This uncertainty is mirrored by the high local recurrence rates reported in clinical studies. The aim of this PhD thesis is the investigation of interactive visualization methods to support the physician in planning and assessing needle-based interventions, in particular RFA. This work proposes a software workflow designed to guide the physician in planning the intervention in clinical practice. To support the physician with spatial information about pathological structures as well as finding trajectories without harming vitally important tissue, 2D slice and volume visualization techniques for interactive planning of needle-based interventions are presented. A further contribution for planning RFA is the fast approximation of the ablation zone, incorporating the heat-sink effects of blood vessels which decrease thermal ablation. In this approach, weighted distance fields are utilized to calculate the ablation zone within interactive frame rates on the graphics processing unit (GPU). To support the assessment of needle-based interventions such as RFA, an imageprocessing workflow for automatic alignment of CT images is proposed. Based on segmentation masks of tumor and coagulation, the workflow enables an automatic rigid registration algorithm to perform at least as accurately as experienced medical experts, but in significantly less time. A further contribution is a novel overview visualization as well as a navigation tool, the so-called tumor map. The goal of this method is the combined visualization of the tumor and its surface distance to the coagulation necrosis to support the physician in reliable therapy assessment. The tumor map additionally serves as an interactive tool for intuitive navigation within a 3D volume rendering of the tumor vicinity as well as within familiar 2D viewers. To facilitate the development of highly interactive visualization techniques, a rapid prototyping framework for GPU-based volume rendering is developed as part of this PhD thesis. The framework supports flexible extension and dynamic alteration of the volume rendering configuration. Therefore, a dynamic shader pipeline based on the SuperShader concept allows the user to insert custom shaders at run-time of the prototyping framework.
  • Nadelbasierte Interventionen stellen einen wichtigen Teil von Ablationstherapien zur Behandlung von Tumoren dar. Durch ihre einfache Handhabbarkeit, geringen Komplikationsraten und geringfügigen Kosten gelten sie in der klinischen Routine als alternative Therapien gegenüber der chirurgischen Resektion. Bis dato ist die Radiofrequenz Ablation (RFA) in der Leber die meist studierte und klinisch relevanteste Ablationstherapie. Allerdings ist das Erreichen von erfolgreichen Resultaten eine herausfordernde Aufgabe, welche von teilweise unbekannten Ursachen abhängig ist. Klinische Studien spiegeln diese Unsicherheit in hohen Rezidivraten wieder. Das Ziel dieser Dissertation ist die Erforschung von interaktiven Visualisierungsmethoden um Radiologen bei der Planung und Bewertung von nadelbasierten Interventionen, insbesondere der RFA, zu unterstützen. In dieser Arbeit wird ein Software-Workflow präsentiert, welcher den Radiologen bei der Planung von Interventionen in der klinischen Routine assistiert. Um den Radiologen mit räumlichen Information von pathologischen Strukturen zu unterstützen, sowie das Finden von Zugangswegen unter Berücksichtigung von Risikostrukturen zu erleichtern, werden 2D Slice- und 3D Volumenrendering Techniken vorgestellt. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist die schnelle Berechnung der Ablationszone unter Berücksichtigung der Kühleffekte von nahegelegenen Blutgefäßen, welche die Größe der Ablationszone reduzieren können. In diesem Verfahren werden gewichtete Distanzfelder verwendet, welches es erlauben die Ablationszone in Echtzeit auf der Grafikkarte zu berechnen. Um die Bewertung von nadelbasierten Interventionen wie die RFA zu unterstützen, wird in dieser Arbeit ein Workflow für die automatische Registrierung von CT-Bildern vorgestellt. Dieser erlaubt es eine rigide Registrierung, welche auf Segmentierungen von Tumor und Koagulation basiert, so genau wie erfahrene Mediziner, aber in kürzerer Zeit zu berechnen. Ein weiterer Beitrag ist eine neue Übersichtvisualisierung, welche auch als Interaktionswerkzeug zur Steuerung von 3D Volumenrendering bzw. von 2D Ansichten dient. Das Ziel dieser Methode ist die kombinierte Visualisierung der Tumoroberfläche sowie deren Distanz zur Koagulation, um den Radiologen bei der Bewertung des Therapieerfolgs zu unterstützen. Als Teil dieser Dissertation wird außerdem ein Prototyping-Framework zur Erstellung von interaktiven Volumenvisualisierungen entwickelt. Das Framework erlaubt es die Konfiguration des Volumenrenderings flexibel zu erweitern und dynamisch anzupassen. Hierfür ermöglicht eine dynamische Shaderpipeline, welche auf dem SuperShader Konzept basiert, dem Benutzer eigens angepasste Shaderprogramme zur Laufzeit des Systems hinzuzufügen.

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Meta data
Publishing Institution:IRC-Library, Information Resource Center der Jacobs University Bremen
Granting Institution:Jacobs Univ.
Author:Christian Rieder
Referee:Horst K. Hahn, Lars Linsen, Bernhard Preim
Advisor:Horst K. Hahn
Persistent Identifier (URN):urn:nbn:de:101:1-201307119522
Document Type:PhD Thesis
Language:English
Date of Successful Oral Defense:2013/03/22
Date of First Publication:2013/05/31
PhD Degree:Computer Science
School:SES School of Engineering and Science
Other Organisations Involved:Fraunhofer MEVIS
Library of Congress Classification:R Medicine / R Medicine (General) / R858-859.7 Computer applications to medicine. Medical informatics
Call No:Thesis 2013/09

$Rev: 13581 $