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Semi-Automatic Segmentation of the Mitral Valve Leaflets on 4D Ultrasound Images

  • The mitral valve is one of the four valves in the human heart. It is located in the left heart chamber and its function is to control the blood flow from the left atrium to the left ventricle. Pathologies can lead to malfunctions of the valve so that blood can flow back to the atrium. Patients with a faulty mitral valve function may suffer from fatigue and chest pain. The functionality can be surgically restored, which is often a long and exhaustive intervention. Thorough planning is necessary to ensure a safe and effective surgery. This can be supported by creating pre-operative segmentations of the mitral valve. A post-operative analysis can determine the success of an intervention. This work will combine existing and new ideas to propose a new approach to (semi-)automatically create such valve models. The manual part can guarantee a high quality model and reliability, whereas the automatic part contributes to saving valuable labour time. The main contributions of the automatic algorithm are an estimated semantic separation of the two leaflets of the mitral valve and an optimization process that is capable of finding a coaptation-line and -area between the leaflets. The segmentation method can perform a fully automatic segmentation of the mitral leaflets if the annulus ring is already given. The intermediate steps of this process will be integrated into a manual segmentation method so a user can guide the whole procedure. The quality of the valve models generated by the method proposed in this work will be measured by comparing them to completely manually segmented models. This will show that commonly used methods to measure the quality of a segmentation are too general and do not suffice to reflect the real quality of a model. Consequently the work at hand will introduce a set of measurements that can qualify a mitral valve segmentation in more detail and with respect to anatomical landmarks. Besides the intra-operative support for a surgeon, a segmented mitral valve provides additional benefits. The ability to patient-specifically obtain and objectively describe the valve anatomy may be the base for future medical research in this field and automation allows to process large data sets with reduced expert dependency. Further, simulation methods that use the segmented models as input may predict the outcome of a surgery.
  • Die Mitralklappe ist eine der vier Herzklappen des Menschen und in der linken Herzkammer zu finden. Ihre Funktion ist es, den Blutfluss vom linken Atrium zum linken Ventrikel zu regeln. Pathologien können zu eingeschränker Funktionalität der Klappe führen, sodass Blut zurück ins Atrium fließen kann. Patienten, die von einer Fehlfunktion betroffen sind, leiden möglicherweise an Erschöpfung und Schmerzen in der Brust. Die Funktionalität kann chirurgisch wiederhergestellt werden, was meist ein langer und anstrengender Eingriff ist. Eine gründliche Planung ist daher nötig, um eine sichere und effektive Operation zu garantieren. Dies kann durch prä-operative Segmentierungen der Mitralklappe unterstützt werden. Eine post-operative Analyse kann den Erfolg eines Eingriffs feststellen. Diese Arbeit wird bestehende und neue Ideen zu einem neuen Ansatz kombinieren, der zur (semi-)automatischen Erstellung solcher Mitralmodelle dienen kann. Der manuelle Anteil garantiert ein Modell hoher Qualität, während der automatische Teil dazu beiträgt, wertvolle Arbeitszeit zu sparen. Die Hauptbeiträge des automatischen Algorithmus sind eine ungefähre semantische Trennung der beiden Mitralsegel und ein Optimierungsprozess, der in der Lage ist, eine Koaptations-Linie und -Fläche zwischen den Segeln zu finden. Die Methode kann eine vollautomatische Segmentierung der Mitralsegel durchführen, wenn der Annulusring bereits gegeben ist. Die Zwischenschritte dieses Vorgangs werden in eine manuelle Segmentierungsmethode integriert, so dass ein Benutzer den Gesamtprozess beeinflussen kann. Die Qualität der generierten Mitralmodelle wird durch das Vergleichen mit vollständig manuell erstellten Modellen gemessen. Dies wird zeigen, dass übliche Methoden zur Bestimmung der Qualität einer Segmentierung zu allgemein gefasst sind und nicht ausreichen, um die echte Qualität eines Modells widerspiegeln zu können. Folglich führt diese Arbeit Messungen ein, die in der Lage sind, eine Segmentierung der Mitralklappe detailliert und unter Betracht anatomischer Landmarken bewerten zu können. Neben der intra-operativen Unterstützung eines Chirurgen liefert eine segmentierte Mitralklappe weitere Vorteile. Die Möglichkeit, die Anatomie einer Klappe patientenspezifisch aufzunehmen und objektiv zu bewerten, könnte als Grundlage für zukünftige medizinische Forschung in diesem Bereich dienen. Die Automatisierung erlaubt dabei das Bearbeiten großer Datenmengen mit reduzierter Abhängigkeit von Experten. Desweiteren könnten Simulationsmethoden, welche ein segmentiertes Modell als Eingabe nutzen, das Ergebnis einer Operation vorhersagen.

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Metadaten
Author:Nils Lichtenberg
URN:urn:nbn:de:kola-9380
Referee:Stefan Müller, Sandy Engelhardt
Document Type:Master's Thesis
Language:English
Date of completion:2015/05/19
Date of publication:2015/05/19
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Release Date:2015/05/19
Tag:Mitral Valve; Segmentation; Ultrasound
GND Keyword:Mitralklappe; Segmentierung; Ultraschall
Number of pages:ii, 100
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Computervisualistik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG