Software zur automatischen Tumordiagnose in der funktionalen MRT der weiblichen Brust

In den westlichen Industrieländern ist das Mammakarzinom der häufigste bösartige Tumor der Frau. Sein weltweiter Anteil an allen Krebserkrankungen der Frau beläuft sich auf etwa 21 %. Inzwischen ist jede neunte Frau bedroht, während ihres Lebens an Brustkrebs zu erkranken. Die alterstandardisierte Mortalitätrate liegt derzeit bei knapp 27 %.rnrnDas Mammakarzinom hat eine relative geringe Wachstumsrate. Die Existenz eines diagnostischen Verfahrens, mit dem alle Mammakarzinome unter 10 mm Durchmesser erkannt und entfernt werden, würden den Tod durch Brustkrebs praktisch beseitigen. Denn die 20-Jahres-Überlebungsrate bei Erkrankung durch initiale Karzinome der Größe 5 bis 10 mm liegt mit über 95 % sehr hoch.rnrnMit der Kontrastmittel gestützten Bildgebung durch die MRT steht eine relativ junge Untersuchungsmethode zur Verfügung, die sensitiv genug zur Erkennung von Karzinomen ab einer Größe von 3 mm Durchmesser ist. Die diagnostische Methodik ist jedoch komplex, fehleranfällig, erfordert eine lange Einarbeitungszeit und somit viel Erfahrung des Radiologen.rnrnEine Computer unterstützte Diagnosesoftware kann die Qualität einer solch komplexen Diagnose erhöhen oder zumindest den Prozess beschleunigen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer vollautomatischen Diagnose Software, die als Zweitmeinungssystem eingesetzt werden kann. Meines Wissens existiert eine solche komplette Software bis heute nicht.rnrnDie Software führt eine Kette von verschiedenen Bildverarbeitungsschritten aus, die dem Vorgehen des Radiologen nachgeahmt wurden. Als Ergebnis wird eine selbstständige Diagnose für jede gefundene Läsion erstellt: Zuerst eleminiert eine 3d Bildregistrierung Bewegungsartefakte als Vorverarbeitungsschritt, um die Bildqualität der nachfolgenden Verarbeitungsschritte zu verbessern. Jedes kontrastanreichernde Objekt wird durch eine regelbasierte Segmentierung mit adaptiven Schwellwerten detektiert. Durch die Berechnung kinetischer und morphologischer Merkmale werden die Eigenschaften der Kontrastmittelaufnahme, Form-, Rand- und Textureeigenschaften für jedes Objekt beschrieben. Abschließend werden basierend auf den erhobenen Featurevektor durch zwei trainierte neuronale Netze jedes Objekt in zusätzliche Funde oder in gut- oder bösartige Läsionen klassifiziert.rnrnDie Leistungsfähigkeit der Software wurde auf Bilddaten von 101 weiblichen Patientinnen getested, die 141 histologisch gesicherte Läsionen enthielten. Die Vorhersage der Gesundheit dieser Läsionen ergab eine Sensitivität von 88 % bei einer Spezifität von 72 %. Diese Werte sind den in der Literatur bekannten Vorhersagen von Expertenradiologen ähnlich. Die Vorhersagen enthielten durchschnittlich 2,5 zusätzliche bösartige Funde pro Patientin, die sich als falsch klassifizierte Artefakte herausstellten.rn

Anpassung des Metamodells PerPot an den ausdauerorientierten Laufsport zur Trainings- und Wettkampfoptimierung

Schon seit einigen Jahrzehnten wird die Sportwissenschaft durch computergestützte Methoden in ihrer Arbeit unterstützt. Mit der stetigen Weiterentwicklung der Technik kann seit einigen Jahren auch zunehmend die Sportpraxis von deren Einsatz profitieren. Mathematische und informatische Modelle sowie Algorithmen werden zur Leistungsoptimierung sowohl im Mannschafts- als auch im Individualsport genutzt. In der vorliegenden Arbeit wird das von Prof. Perl im Jahr 2000 entwickelte Metamodell PerPot an den ausdauerorientierten Laufsport angepasst. Die Änderungen betreffen sowohl die interne Modellstruktur als auch die Art der Ermittlung der Modellparameter. Damit das Modell in der Sportpraxis eingesetzt werden kann, wurde ein Kalibrierungs-Test entwickelt, mit dem die spezifischen Modellparameter an den jeweiligen Sportler individuell angepasst werden. Mit dem angepassten Modell ist es möglich, aus gegebenen Geschwindigkeitsprofilen die korrespondierenden Herzfrequenzverläufe abzubilden. Mit dem auf den Athleten eingestellten Modell können anschliessend Simulationen von Läufen durch die Eingabe von Geschwindigkeitsprofilen durchgeführt werden. Die Simulationen können in der Praxis zur Optimierung des Trainings und der Wettkämpfe verwendet werden. Das Training kann durch die Ermittlung einer simulativ bestimmten individuellen anaeroben Schwellenherzfrequenz optimal gesteuert werden. Die statistische Auswertung der PerPot-Schwelle zeigt signifikante Übereinstimmungen mit den in der Sportpraxis üblichen invasiv bestimmten Laktatschwellen. Die Wettkämpfe können durch die Ermittlung eines optimalen Geschwindigkeitsprofils durch verschiedene simulationsbasierte Optimierungsverfahren unterstützt werden. Bei der neuesten Methode erhält der Athlet sogar im Laufe des Wettkampfs aktuelle Prognosen, die auf den Geschwindigkeits- und Herzfrequenzdaten basieren, die während des Wettkampfs gemessen werden. Die mit PerPot optimierten Wettkampfzielzeiten für die Athleten zeigen eine hohe Prognosegüte im Vergleich zu den tatsächlich erreichten Zielzeiten.

Bitext alignment: building and evaluating a bilingual corpus and translation memory of academic course descriptions

Following the internationalization of contemporary higher education, academic institutions based in non-English speaking countries are increasingly urged to produce contents in English to address international prospective students and personnel, as well as to increase their attractiveness. The demand for English translations in the institutional academic domain is consequently increasing at a rate exceeding the capacity of the translation profession. Resources for assisting non-native authors and translators in the production of appropriate texts in L2 are therefore required in order to help academic institutions and professionals streamline their translation workload. Some of these resources include: (i) parallel corpora to train machine translation systems and multilingual authoring tools; and (ii) translation memories for computer-aided tools. The purpose of this study is to create and evaluate reference resources like the ones mentioned in (i) and (ii) through the automatic sentence alignment of a large set of Italian and English as a Lingua Franca (ELF) institutional academic texts given as equivalent but not necessarily parallel (i.e. translated). In this framework, a set of aligning algorithms and alignment tools is examined in order to identify the most profitable one(s) in terms of accuracy and time- and cost-effectiveness. In order to determine the text pairs to align, a sample is selected according to document length similarity (characters) and subsequently evaluated in terms of extent of noisiness/parallelism, alignment accuracy and content leverageability. The results of these analyses serve as the basis for the creation of an aligned bilingual corpus of academic course descriptions, which is eventually used to create a translation memory in TMX format.

The Equidistant Method - a novel hip joint simulation algorithm for detection of femoroacetabular impingement

A novel computerized algorithm for hip joint motion simulation and collision detection, called the Equidistant Method, has been developed. This was compared to three pre-existing methods having different properties regarding definition of the hip joint center and behavior after collision detection. It was proposed that the Equidistant Method would be most accurate in detecting the location and extent of femoroacetabular impingement.

Comparison of three optical tracking systems in a complex navigation scenario

Three-dimensional rotational X-ray imaging with the SIREMOBIL Iso-C3D (Siemens AG, Medical Solutions, Erlangen, Germany) has become a well-established intra-operative imaging modality. In combination with a tracking system, the Iso-C3D provides inherently registered image volumes ready for direct navigation. This is achieved by means of a pre-calibration procedure. The aim of this study was to investigate the influence of the tracking system used on the overall navigation accuracy of direct Iso-C3D navigation. Three models of tracking system were used in the study: Two Optotrak 3020s, a Polaris P4 and a Polaris Spectra system, with both Polaris systems being in the passive operation mode. The evaluation was carried out at two different sites using two Iso-C3D devices. To measure the navigation accuracy, a number of phantom experiments were conducted using an acrylic phantom equipped with titanium spheres. After scanning, a special pointer was used to pinpoint these markers. The difference between the digitized and navigated positions served as the accuracy measure. Up to 20 phantom scans were performed for each tracking system. The average accuracy measured was 0.86 mm and 0.96 mm for the two Optotrak 3020 systems, 1.15 mm for the Polaris P4, and 1.04 mm for the Polaris Spectra system. For the Polaris systems a higher maximal error was found, but all three systems yielded similar minimal errors. On average, all tracking systems used in this study could deliver similar navigation accuracy. The passive Polaris system showed ? as expected ? higher maximal errors; however, depending on the application constraints, this might be negligible.

Using rapid prototyping molds to create patient specific polymethylmethacrylate implants in cranioplasty

Cranioplasty is a commonly performed procedure. Outcomes can be improved by the use of patient specific implants, however, high costs limit their accessibility. This paper presents a low cost alternative technique to create patient specific polymethylmethacrylate (PMMA) implants using rapid prototyped mold template. We used available patient's CT-scans, one dataset without craniotomy and one with craniotomy, for computer-assisted design of a 3D mold template, which itself can be brought into the operating room and be used for fast and easy building of a PMMA implant. We applied our solution to three patients with positive outcomes and no complications.

Automated cement segmentation in vertebroplasty

Vertebroplasty is a minimally invasive procedure with many benefits; however, the procedure is not without risks and potential complications, of which leakage of the cement out of the vertebral body and into the surrounding tissues is one of the most serious. Cement can leak into the spinal canal, venous system, soft tissues, lungs and intradiscal space, causing serious neurological complications, tissue necrosis or pulmonary embolism. We present a method for automatic segmentation and tracking of bone cement during vertebroplasty procedures, as a first step towards developing a warning system to avoid cement leakage outside the vertebral body. We show that by using active contours based on level sets the shape of the injected cement can be accurately detected. The model has been improved for segmentation as proposed in our previous work by including a term that restricts the level set function to the vertebral body. The method has been applied to a set of real intra-operative X-ray images and the results show that the algorithm can successfully detect different shapes with blurred and not well-defined boundaries, where the classical active contours segmentation is not applicable. The method has been positively evaluated by physicians.

A self-developed and constructed robot for minimally invasive cochlear implantation

Conclusion: A robot built specifically for stereotactic cochlear implantation provides equal or better accuracy levels together with a better integration into a clinical environment, when compared to existing approaches based on industrial robots. Objectives: To evaluate the technical accuracy of a robotic system developed specifically for lateral skull base surgery in an experimental setup reflecting the intended clinical application. The invasiveness of cochlear electrode implantation procedures may be reduced by replacing the traditional mastoidectomy with a small tunnel slightly larger in diameter than the electrode itself. Methods: The end-to-end accuracy of the robot system and associated image-guided procedure was evaluated on 15 temporal bones of whole head cadaver specimens. The main components of the procedure were as follows: reference screw placement, cone beam CT scan, computer-aided planning, pair-point matching of the surgical plan, robotic drilling of the direct access tunnel, and post-operative cone beam CT scan and accuracy assessment. Results: The mean accuracy at the target point (round window) was 0.56 ± 41 mm with an angular misalignment of 0.88 ± 0.41°. The procedural time of the registration process through the completion of the drilling procedure was 25 ± 11 min. The robot was fully operational in a clinical environment.

Automated Portal Placement for Arthroscopic Hip Surgery

Placing portal incisions during arthroscopic hip surgery presents challenges for surgeons in terms of anatomic accessibility and patient safety. Based on key anatomic landmarks and portal placement information from recent literature, suggested portal incisions were determined. Guidance in the placement of the three most common portal incision locations (anterior, anterolateral, and posterolateral) for arthroscopic surgery; in addition to visual feedback on tool trajectory to the hip joint is provided in real time by a computer aided system for hip arthroscopy. By simplifying the portal placement process, one of the most challenging aspects of arthroscopic hip surgery, an increased use of this minimally invasive technique could be possible. In addition to portal information, improvements to an existing computer aided system for arthroscopic hip surgery, including a new hip model and redesigned mechanical tracking linkage, were completed.