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2D-View of the Mitral Valve Through Global Parameterization

  • The mitral valve is one of four human heart valves. It is located in the left heart and acts as a unidirectional passageway for blood between the left atrium and the left ventricle. A correctly functioning mitral valve prevents a backflow of blood into the pulmonary circulation (lungs) and thus constitutes a vital part of the cardiac cycle. Pathologies of the mitral valve can manifest in a variety of symptoms with severity ranging from chest pain and fatigue to pulmonary edema (fluid accumulation in the tissue and air space of lungs), which may ultimately cause respiratory failure. Malfunctioning mitral valves can be restored through complex surgical interventions, which greatly benefit from intensive planning and pre-operative analysis. Visualization techniques provide a possibility to enhance such preparation processes and can also facilitate post-operative evaluation. The work at hand extends current research in this field, building upon patient-specific mitral valve segmentations developed at the German Cancer Research Center, which result in triangulated 3D models of the valve surface. The core of this work will be the construction of a 2D-view of these models through global parameterization, a method that can be used to establish a bijective mapping between a planar parameter domain and a surface embedded in higher dimensions. A flat representation of the mitral valve provides physicians with a view of the whole surface at once, similar to a map. This allows assessment of the valve's area and shape without the need for different viewing angles. Parts of the valve that are occluded by geometry in 3D become visible in 2D. An additional contribution of this work will be the exploration of different visualizations of the 3D and 2D mitral valve representations. Features of the valve can be highlighted by associating them with specified colors, which can for instance directly convey pathology indicators. Quality and effectiveness of the proposed methods were evaluated through a survey conducted at the Heidelberg University Hospital.
  • Die Mitralklappe ist eine der vier Herzklappen des Menschen. Sie befindet sich in der linken Herzkammer und agiert als ein unidirektionales Ventil, welches den Blutfluss vom linken Atrium zum linken Ventrikel steuert. Eine funktionierende Mitralklappe verhindert den Rückfluss von Blut in den Lungenkreislauf, wodurch sie einen unverzichtbaren Anteil zu einem gesunden Herzkreislauf beiträgt. Pathologien der Mitralklappe können eine Reihe von Symptomen hervorrufen, welche in ihrer Schwere von Brustschmerzen und Ermüdung bis zum Lungenödem (dem Eindringen von Flüssigkeit in die Lunge) reichen können. Im schlimmsten Fall kann dieses zum Atemversagen führen. Dysfunktionale Mitralklappen können mithilfe komplexer chirurgischer Eingriffe wiederhergestellt werden, welche in hohem Maße von intensiver Planung und präoperativer Analyse profitieren. Visualisierungstechniken eröffnen die Möglichkeit, solche Vorbereitungsprozesse zu unterstützen und können zudem einer postoperativen Evaluation dienlich sein. Die vorliegende Arbeit erweitert die Forschung in diesem Bereich. Sie stützt sich auf patientenspezifische Segmentierungen der Mitralklappe, wie sie am Deutschen Krebsforschungszentrum entwickelt werden. Solche Segmentierungen resultieren in 3D-Modellen der Mitralklappe. Der Kern dieser Arbeit wird sich mit der Konstruktion einer 2D-Ansicht dieser Modelle befassen. Die 2D-Visualisierung wird durch Methoden der globalen Parametrisierung erzeugt, welche es erlauben, bijektive Abbildungen zwischen einem planaren Parameterraum und Oberflächen in höheren Dimensionen zu erstellen. Eine ebene Repräsentation der Mitralklappe ermöglicht Ärzten einen unmittelbaren Blick auf deren gesamte Oberfläche, analog zu einer Karte. Dies erlaubt die Begutachtung der Fläche und Form ohne die Notwendigkeit unterschiedlicher Blickwinkel. Teile der Klappe, die in der 3D-Ansicht von Geometrie verdeckt sind, werden in der 2D-Darstellung sichtbar. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit ist die Untersuchung verschiedener Visualisierungen der 3D- und 2D-Mitralklappenrepräsentationen. Merkmale der Klappe können durch Assoziation mit spezifizierten Farbschemata hervorgehoben werden. So können zum Beispiel Pathologie-Indikatoren direkt vermittelt werden. Qualität und Wirkungsgrad der vorgestellten Methoden wurden in einer Studie am Universitätsklinikum Heidelberg evaluiert.

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Metadaten
Author:Pepe Eulzer
URN:urn:nbn:de:kola-17760
Advisor:Kai Lawonn, Nils Lichtenberg
Document Type:Bachelor Thesis
Language:English
Date of completion:2019/01/05
Date of publication:2019/02/22
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Date of final exam:2018/09/28
Release Date:2019/02/22
Number of pages:ii, 74
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Computervisualistik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
BKL-Classification:54 Informatik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG