MeVis Automatische Analyse von Lungenrundherden im CT ...

drg.apt.de
  • Keine Tags gefunden...

MeVis Automatische Analyse von Lungenrundherden im CT ...

Automatische Analyse vonLungenrundherden im CTDr. rer. nat. Volker DickenMeVis – Zentrum für Medizinische Diagnose Systeme und Visualisierungan der Universität Bremen-1- Dr. Volker DickenMeVis


MeVisMeVis – Zentrum für Medizinische Diagnose Systeme & Visualisierung• 40 Mitarbeiter, davon 35 Wissenschaftler• > 55 Klinische Partner, Deutschland (>30),Europe\ D (13), USA (6), Asien (7)• Schwerpunkte:– Quantitatives Neuro-Imaging (MRT)– Kardio-Vakuläre Diagnostik (CT & MRT)– Bildanalyse von Thorax CTs– Digitale Mammographie & Brustkrebs MRT– Auswertung dynamischer Bilddaten (MRT & CT)– Interventions Planung (Leber OP & HF-Ablation)9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -2- Dr. Volker DickenMeVis


CeVisseit 1992Teil der Universitätam FB Mathematik / InformatikStruktur10 MitarbeiterDirektor: Prof. Heinz-Otto Peitgenseit 1995gGmbHan der Universität Bremen40 MitarbeiterInstitutsleitung: Prof. Heinz-Otto Peitgenseit 1997GmbH & Co.KGHolding seit 200120 MitarbeiterMeVis BreastCare JV: SIEMENSMeVis Diagnostics JV: MEDOS9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -3- Dr. Volker DickenMeVis


Historischer Streifzug9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -4- Dr. Volker DickenMeVis


MeVis MissionUnterstüzung von Medizinern durchComputergestützte Analyse medizinischer Bilddaten• Quantitative Radiologie– z.B. Volumina von Organen und Untereinheiten sowie Läsionen– Gefäßgeometrie• Innovative Visualisierung ausgebend vonAnalyseergebnissen– 3D Darstellungen und Quantifizierung der Patientenanatomiezur OP Planung– Besser verständliche bebilderte Befunde• z.B. bei Metastasenpatienten– Farbcodierung von räumlich verteiltenQuantifizierungsergebnissen• z.B: Dichteverteilung in der Lunge9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -5- Dr. Volker DickenMeVis


Analyse radiologischer BilddatenMultislice CT: „3D-Röntgen“sehr hohe Auflösung~0,6mm isotrope Voxel möglichund Geschwindigkeit10sec.-1 min Aufnahmedaueru.U. Hunderte von Bildern pro ScanNachteil: Geringe Differenzierung vonGewebetypen (nur Dichte abgebildet)MRT: strahlungsfreireduzierte Auflösungkleine isotrope Voxel nurschwer möglichgeringe Geschwindigkeitmehrere Min. für 3D Seq.Probleme mit BildartefaktenBewegung, PhysikMagnetfeldstörungen9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -6- Dr. Volker DickenMeVis


Analogie zur Labormedizin um 1900Übergang von sensorischer Beurteilungder Körperflüssigkeitenzur quantitativen biochemischen AnalytikWird verbesserte Analytik und Quantifizierungin der Radiologie langfristig vergleichbarweitreichende Konsequenzen haben ?9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -7- Dr. Volker DickenMeVis


Volumetrie im GehirnNeuro-Applikationen• Gesamtvolumen & AnteileGraue / Weiße Substanz• Gehirn-Ventrikel Volumen• Läsionen: Tumore undHerde bei Multipler ScleroseDiffusions Tensor Imaging• Fibertracking• Darstellung der Faserbündel9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -8- Dr. Volker DickenMeVis


Gefäßanalyse• Curved MPR der Gefäße• Reformatierungensenkrecht zum Gefäß• Stenosequantifizierung9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -9- Dr. Volker DickenMeVis


• EU Projekt Screen TrialProjekte zu BrustkrebsKlinische Einführung der Digitalen Befundung vonMammographien• Dynamische MRT Mamma-Untersuchungen vorBiopsien und zur NavigationsunterstützungQuantifizierung von Tumoraktivität durch lokaleAnalyse der Dynamik von Kontrastmittelanreicherungen– Time-To Peak, Wash-Out rate,….– Mit 3D-BewegungskorrekturNavigationstool derFa. MRI DevicesVisualisierung der Kontrastmitteldynamik (Farb-MIP)9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -10- Dr. Volker DickenMeVis


3D-Aufarbeitung von Leber-Daten• OP-Planung für– Leberlebendspende unter Verwandten– Tumor- und Metastasen-ChirugieSchon > 650 Leber OPs geplant• Simulation der HF-Ablationen vonLebermetastasen9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -11- Dr. Volker DickenMeVis


Risiko Analysebei Tumor OPFarbcodierung:zu resezierendes Gewebebei Sicherheitsabstand• 5 mm – rot• 10 mm – gelb• 15 mm – grünzum Rand des TumorsDaten: AZG GroningenDilemma derMittleren LeberveneTrennung rechts / links dermittleren Lebervene ?Abhängig von Größe derVersorgungsgebiete der SeitenästeDaten: University Hospital Kyoto9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -12- Dr. Volker DickenMeVis


Bildanalyse in derLeberoperationsplanungRegistrierung Planung GefäßanalyseGefäßvorverarbeitungRisikoanalyseRisikoterritorienLebersegmentierungGefäßsegmentierungBerechnung Definition GefäßterritorienTumorsegmentierungder ResektionslinieInterventionder der MittelachsenBilddaten9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -13- Dr. Volker DickenMeVis


3D-Risikoanalyse als DienstleistungSpin-Off im März 2004:MDS mit Dienstleistungs-Angebot:Telemedizinische Aufarbeitung von Leber CTDatenNachfrage:Insbesondere ausOstasien undden USAData AcquisitionDiagnosisTherapy PlanningImageAnalysisVisualization9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -14- Dr. Volker DickenMeVis


Arbeiten zur Lunge• Relevanz von Lungenkrankheiten wird oft unterschätzt:–Lungenkrebs– Lungenemphysem / COPD–Asthma–Lungenembolie– Lungenentzündung• Gehören zur den häufigsten Todesursachen oderchronischen Erkrankungen• Verursachen einen erheblichen Anteil allerGesundheitsausgaben9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -15- Dr. Volker DickenMeVis


Motivation Lungenkrebs-Screening• In der Mehrzahl der hochaufgelöstenThorax Multislice-CT Scans vonälteren Menschen finden sich kleineLungenherde, insbesondere beiRauchern• Diese sind in der Regel– gutartig (selbst bei Krebspatienten!)– zu klein für Biopsien– mühselig zu suchen• Chirurgische Abklärung oder Biopsiemedizinisch und volkswirtschaftlichnicht möglich oder nicht sinnvoll• Ab einer gewissen Größe (3-5mm) Beobachtung (nach ca. 6 Monaten)auf tumorverdächtiges Wachstum• Ziel: Lungekrebs möglichst inkurierbarem Stadium Ia entdecken.9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -16- Dr. Volker DickenMeVis


Motivation Therapiemonitoring• Chemotherapien bei systemischenTumorerkrankungen sind verbunden mitstarken Belastungen für den Patientenund hohen Kosten• ca. 350.000 neue Krebspatienten proJahr allein in Deutschland• Lungenkrebs am zweithäufigsten (~14%)und häufig (> 50%) inoperabel• ca. 25% aller onkologischen Patientenentwickeln Lungenmetastasen• Krebserkrankungen verursachen 15 Mrd.Euro Kosten jährlich nur in Deutschland• Präzise Beurteilung des Therapieerfolgsist wesentliche Voraussetzung für eineadäquate Therapieanpassung und dieEntwicklung neuer Therapien9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -17- Dr. Volker DickenMeVis


Hintergrund• Radiologische Beurteilung von Tumorwachstum istzentral für das Management von Chemotherapien.• Chemotherapien sind sehr häufig,hochbelastend (toxische u.a. Nebenwirkungen),risikoreich und sehr teuer.• Wichtige Aufgabe: (Nicht-)Ansprechende Therapiensicherer und frühzeitig erkennen !• Die Verbesserung der Tumorvolumetrie hatPotential zu großem klinischen Effekt.9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -18- Dr. Volker DickenMeVis


Gesundheitsökonomische BedeutungEinige grobe Abschätzungen:• Neue Krebspatienten pro Jahr in Deutschland:ca. 350.000.• Radiologische Untersuchungen wegen Krebs pro Jahr:ca. 1-5 Mio. CT-Scans.• Direkte Kosten: einige 100 Mio. EUR.• Die Ergebnisse sind maßgeblich für die Verteilung vonmehreren Mrd. EUR / Jahr Krebs-Behandlungskosten.9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -19- Dr. Volker DickenMeVis


Beispiel Thorax CT DatenDrei Kontrolluntersuchungen auf LungenmetastasenDaten: VICORA Partner RWTH Aachen, Prof. Günther, Prof. Wein: 45 MB / 123 MB / 192 MB9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -20- Dr. Volker DickenMeVis


Beispiel Thorax CT DatenDrei Kontrolluntersuchungen auf LungenmetastasenDaten: VICORA Partner RWTH Aachen, Prof. Günther, Prof. WeinOkt 02 Dez 02 Feb 03Interpolierte Darstellung in 3 Ebenen9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -21- Dr. Volker DickenMeVis


Beispiel Thorax CT DatenDrei Kontrolluntersuchungen auf LungenmetastasenDaten: VICORA Partner RWTH Aachen, Prof. Günther, Prof. WeinOkt 02 4mm Dez 02 1.5mm Feb 03 1.0mmDarstellung der originalen Bildvoxel in 3 Ebenen9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -22- Dr. Volker DickenMeVis


Beispiel Thorax CT DatenDrei Kontrolluntersuchungen auf LungenmetastasenDaten: VICORA Partner RWTH Aachen, Prof. Günther, Prof. WeinOkt 02 Dez 02 Feb 03Lokales Volumenrendering aus supergesampelten Daten9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -23- Dr. Volker DickenMeVis


Klassifikation:RECIST Kriterien (1999)Quantifizierung für klinische Studien:Messe axialen Durchmesser für die größten TumorenstablediseaseprogressivediseasepartialresponsecompleteresponseDurchmesser:kleinereÄnderungen‣ +20%< -30%Tumorennicht mehrsichtbarVolumenwachstum:> + 73%< -66%9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -24- Dr. Volker DickenMeVis


Herausforderung Tumorvolumetrie!• Bestimmung von Volumina überMessung von Durchmessern• Quantifizierung von Wachstum alsDifferenz zweier Volumina• Volumetrie und Partialvolumeneffekt9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -25- Dr. Volker DickenMeVis


Statistische Untersuchungen• Fehlerverstärkung bei Berechnung vonKugel-Volumina aus Durchmessern( V3= π 3) um ca. einen Faktor 3.6 D• Fehlerverstärkung der Quantifizierung vonVolumen-Wachstum aus Durchmessern istenorm bei moderatem Wachstum.(Faktor ca. 22 bei W = 20% des Volumens, Faktor ca. 45 bei W = 10%)• Hohe Wahrscheinlichkeit rasch wachsende, nicht aufTherapie ansprechende Tumore fälschlich als„stable disease“ zu klassifizieren.9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -26- Dr. Volker DickenMeVis


PartialvolumeneffektPhantom:Tumor (Kugel)8 ml, D = 25 mm5mm Schichtabstand0,5 mm PixelDaten simulierenperfekte Aufnahme &ideale Segmentierung8ml @ 1ml @5mm 1mm 1mm 3mmRandvoxel bei idealer Segmentierung: 58% 14% 30% 49%Ausgeschlossene Partialvolumenvoxel: 35% 10% 20% 69%( %- Anteile am wahren Volumen)9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -27- Dr. Volker DickenMeVis


Konsequenz aus PartialvolumeneffektSehr sorgfältig manuell gezeichneteKonturen mit systematisch 1 VoxelAbstand zur Idealkontur(~50% Kontrast) Volumen-Fehler von 15 - 70%fürkugelige Objekte von 10 - 1 mlFehleranalyse von manueller / Software VolumetrieAus : Volumetrie von MS-Läsionsphantomenim MR, Multispektrale Analyse;Jan. Rexilius, MICCAI 20031ml Kugelgescanntmit 5 mmSchichten9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -28- Dr. Volker DickenMeVis


Wie ist das zu verstehen ?Vergleiche 1ml Würfel inAuflösung 1 x 1 x 1mm pro Voxel 10 x 10 x 10 = 1000 VoxelInneres: 8 x 8 x 8= 512 Voxel49% Oberfläche9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -29- Dr. Volker DickenMeVis


Thesen• Therapieversagen bei manueller Quantifizierung vonTumoren oft erst bei Tumorverdoppelung erkannt.• Verdoppelung auch rein visuell gut erkennbar.• Manuelle 3D-Messung (Planimetrie) zu aufwändigund für kleine Objekte nicht genau genug.• Für sichere / frühzeitige Beurteilung desAnsprechens von Chemotherapien ist hochgenaue,vergleichende Volumetrie-Software außerordentlichwichtig.9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -30- Dr. Volker DickenMeVis


Konsequenz für Onkologische-Studien• Bei hoher Variabilität der Messung braucht man vielePatienten, um eine Änderung unter Therapie zu belegen• Bei geringer Variabilität der Einzelmessung braucht mandeutlich weniger Patienten um einen Effekt statistischhinreichend sicher zu erkennen• Bei größerer Messgenauigkeit sind Effekte zudem in deneinzelnen Patienten früher nachweisbar• Eine genaue softwaregestützte Volumetrie ermöglichtkleinere und somit schneller und preiswerter durchführbareStudien• Rahmenbedingung:Akzeptanz der Volumetrie bei der Zulassungsbehörde undden Onkologen9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -31- Dr. Volker DickenMeVis


Lungenapplikation „PulmoTreat“9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -32- Dr. Volker DickenMeVis


Tumor-Volumetrie und Follow-Up• Robuste Segmentierung• Geeignet auch für großeRaumforderungen undkomplexe Morphologie• Getestet an über700 Läsionen9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -33- Dr. Volker DickenMeVis


SegmentierungProblem:Kontakt zu anderen hochdichten StrukturenIdee:Hybrides Verfahren, das mit morphologischen Methodenverbundene Strukturen abtrenntBeispiel:Initiales Distanztransformation Zweite Schnittmenge Subtrahiere (inverse)Region-Growing erhaltenevon erhaltenerundmitfestem ThresholdingDistanztransformation Maske Fertig!und von Schwellwertinitialer Region-undThresholdingGrowing Maskeund Dilation9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -34- Dr. Volker DickenMeVis


Beispiele segmentierter Lungenherde9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -35- Dr. Volker DickenMeVis


VolumetrieEinfaches „Voxel zählen“ aufgrund vonPartialvolumeneffekten nichtausreichendDaher:(1) Definiere Partialvolumen-Region (PV)um die Rundherdgrenze (2 mm Abstandin jede Richtung)(2) Ermittle mittlere Dichte vonParenchym (PC) und Rundherd-“Kern“(NC)(3) Alle Voxel innerhalb von PV werdengewichtet zum Volumen des Kernshinzuaddiert9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -36- Dr. Volker DickenMeVis


Tumor-Volumetrie und Follow-Up• Hoch reproduzierbare Volumetrievon Lungen-Läsionen• Effizienter Workflow fürFollow-Up Untersuchungen• Automatische Korrelation mitErgebnissen der Voruntersuchung• Geeignet für Screening undOnkologisches Follow-Up9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -37- Dr. Volker DickenMeVis


Evaluation PulmoTreat• Sehr gute Inter-Scan Reproduzierbarkeit für komplexe Raumforderungen:Vergleichende Volumetrie in doppelten Low-Dose Scans von8 Patienten mit multiplen (in der Summe 96) Metastasen.Mediane Abweichungder Volumetrie: < 3%3-6%12%•Sensitiv: • Volumenwachstum synthethischerLäsionen sicher erkannt ab10 % Volumenwachstum (>=10mm),bei 5mm Läsionen ab 20% WachstumDaten: H. Shin, MHH HannoverDaten: Dag Wormanns,Universitätsklinikum Münster9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -38- Dr. Volker DickenMeVis


9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -39- Dr. Volker DickenMeVis


Entwicklung der Tumorvolumetrie1. Lungenläsionen– In fast allen Fällen sehr gut volumetrierbar,– Forschungsergebnisse diverser Ansätze für kleine Läsionen transferiert inIndustrieprodukte– Detektionssoftware seit ca. 2 Jahren klinisch verfügbar• GE: ALA(2),• Siemens: LungCARE + NEV• R2 (auch in Vitrea / Toshiba): ImageChecker,• Philips CT Pulmo• iCAD (auch in Viatronix / TeraRecon)• Median: CAD-Lung• MedicSight• Prototyp für onkologische Läsionen und große Bronchialkarzinome: MeVisOncoTREAT– Größere klinische und Phantom-Studien zur Reproduzierbarkeit und Nutzender System und laufen– Lungcancer-Screening Studien z.B: Nelson Studie mit 2 x 8000 Rauchern inNL und B (LungCare)– Studien zum Systemvergleich geplant9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -40- Dr. Volker DickenMeVis


Zukunft der Tumorvolumetrie2. Lebermetasen– zunächst Segmentierung hypodenser Läsionen möglich– 1. Ergebnisse für hyperdense und peripher anreichernde Herde– hochgenaue Volumetrie von hyperdense Läsionen in Arbeit– Evaluationen zur Interobserver Reproduzierbarkeit laufen3. Vergrößerte Lymphknoten (abdominell und mediastinal)- Segmentierung in vielen Fällen möglich- Probleme in der Bildverarbeitung bei Lymphknotenkonglomeratenund flächigem Kontakt zu großen Gefäßen4. Onkologische Gehirnläsionen– Hirn MRT Daten sind sequenzabhängig sehr vielfältig und bisher nur seltenin hoher 3D Ortsauflösung gescannt– Nur erste Ergebnisse verfügbar für MP-Rage Bilder mit


Lebermetastasensegmentierung9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -42- Dr. Volker DickenMeVis


Ausblicke• Nichtplanare „anatomische“ Reformatierung• Ziele:– Leichteres Auffinden subtiler Pleuraständiger Herde undOberflächnenaher Veränderungen,– Infomation über Abstand zur Organoberfläche fürInterventionsn oder Chirurgische Eingriffe• Analyse der CT Kontrastmittelanreichernung Ziel: Reduktion der Anzahl von Biopsien undResektionen benigner Herde9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -43- Dr. Volker DickenMeVis


Anatomische ReformatierungNicht planare Reformatierung s. d. Punke mit gleichem Abstandzur Lungeoberfläche in einer Schicht liegen9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -44- Dr. Volker DickenMeVis


Neue Visualisierungen von Thorax HRCTAnatomischeReformatierung9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -45- Dr. Volker DickenMeVis


Dynamische CT Untersuchungen anLungenläsionen• Experimentelle Studie zur Kontrastmitteldynamik im CTzur Bestimmung der Tumorvitalität• Protokoll: eine ca. 5cm dicke Schicht wird nativ und 4 xnach Kontrastmittel in ca. 1 min Abstand ineingeatmentem Zustand gescannt(Partner: Dag Wormans, Uni Münster)• Frage bisher: Ist eine Biopsie angeraten oder können wirdie Läsion (5-15mm) noch rein radiologisch beobachten ?9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -46- Dr. Volker DickenMeVis


AuswerteansatzDynamik in Zwiebelschalen• Rekonstruiere die Daten in für tomographische Daten extrem hoher Ortsauflösung:ca. 0,3-0,5mm isotrop möglich ca. 1/30 – 1/8 mm^3• Segmentiere die Läsion zu allen Zeiten(das ist nur im CT gut möglich, für Lunge sehr leicht)• Berechne „Zwiebelschalen“ von ca. 0,5-1mm Stärke• Vergleiche mittlere Dichte pro Zwiebelschalezu allen 5 Zeiten• Vorteile:– Gute Korrespondenz zu Angiogenesmodell– Keine aufwendige Registrierung !– Ortsauflösung (Vol.) ca. 8-30 mal besser als MR• Nachteile:– Strahlung bei Aufnahme– Geringe zeitliche Auflösung (ca. 1 min)– Mäßiges Signal Rauschverhältniswg. geringem relativen Enhancementvon ca. 10-30 HU bei 800 HU Kontrastund Pixelrauschen von 10-30 HU9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -47- Dr. Volker DickenMeVis


UniversitätklinikumMünsterLMU MünchenGroßhadernUniversitätsklinikumTübingenPhilipps-UniversitätMarburgCharité BerlinDt. Krebsforschungszentrum,HeidelbergMedizinische HochschuleHannoverUniversitätsklinikumMainzInstitut für MRDiagnostik, BremenVICORAVirtuelles Institut für Computer-Unterstützung in der klinischenRadiologiewww.vicora.deMeVisRheinisch-WestfälischeTechnische HochschuleAachenZentralkrankenhausBremen-Ost9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -48- Dr. Volker DickenMeVis


Software Plattform MeVisLab• Website: www.mevislab.de• MeVisLab Eigenschaften– Effizienzsteigerung bei R&D– Rapid application prototyping– Klinische Evaluation von Prototypen– Möglichkeit des Produkttransfers• MeVisLab Geschichte– 5. Generation der hausinternen Entwicklungsumgebung– Vorläufer ILAB4 über 50 Entwickler Mannjahre bewährt– Öffentliche Beta version: Mai 2004– MeVisLab 1.0 final release: Aug. 2004• MeVisLab licenses– Windows und Linux– MeVisLab Basic:• free for non-commercial, academic, research, private use– MeVisLab SDK:• free demo version (eingeschränkte Funktionalität)• Lizenzmodelle für kommerzielle Anwender (Applikation und Entwicklung)Freie MeVisLab Demoversionper Download verfügbar9. APT Fortbildungsseminar Göttingen 17. Juni 05 -49- Dr. Volker DickenMeVis

Weitere Magazine dieses Users
Ähnliche Magazine