Dieses Tutorial zeigt, wie Sie mit der Applikation VOXEL-MAN My Cases aus CT-Daten ein virtuelles anatomisches 3D-Modell für das Operationstraining erstellen können. Der Einfachheit halber konzentrieren wir uns auf die benötigten Funktionen und lassen alle anderen Optionen außer Acht. Zu jedem Abschnitt gibt es ein Video, das genau zeigt, was gemacht wurde, und das anschließend erklärt wird. Wir empfehlen Ihnen, die Schritte an Ihrem Simulator nachzuvollziehen und mit den verschiedenen Parametern zu spielen, um ein Gefühl dafür zu entwickeln, was sie bewirken.
Im Folgenden werden wir oft das Wort Segmentation verwenden. Segmentation bedeutet, alle Voxel (3D-Punkte) des Datensatzes, die zu einer bestimmten anatomischen Struktur gehören, zu identifizieren und zu markieren. Alle Voxel, die zu einem Zeitpunkt ausgewählt sind, werden als Maske bezeichnet. In VOXEL-MAN My Cases wird eine Maske normalerweise in türkis dargestellt.
Einige typische Fragen und Antworten zu VOXEL-MAN My Cases finden Sie im FAQ.
1 Import
Wählen Sie die Registerkarte My Cases und klicken Sie auf Import DICOM. Für dieses Tutorial verwenden wir den mitgelieferten anonymisierten „Example Case“, der automatisch ausgewählt wird. Die Auswahl anderer CT-Datensätze wird in Kapitel 5 und Anhang C des Benutzerhandbuchs beschrieben.
Klicken Sie im Fenster Series auf der linken Seite auf eine Serie mit einem möglichst kleinen Abstand (es gibt in diesem Fall nur eine Serie). Nachdem eine Serie ausgewählt wurde, erscheinen ein 3D-Bild sowie sagittale, koronale und transversale CT-Bilder des Patienten. Diese zeigen die aktuelle Maske, die ungefähr dem Knochen entspricht.
- Bewegen Sie den Patienten so, dass die Struktur, die Sie interessiert, sichtbar wird.
- Smoothing kann angewendet werden, um das optische Erscheinungsbild zu verbessern, insbesondere bei verrauschten Daten. Beachten Sie jedoch, dass der Wert in der Regel nicht über 0,5 – 1,0 liegen sollte, da kleine Strukturen wie die Gehörknöchelchen sonst möglicherweise weggeglättet werden. Dieser Wert kann nach dem Datenimport nicht mehr geändert werden. Sie können Ihre Einstellungen auf verschiedenen Schnittbildern mit dem Schieberegler im Fenster Transverse kontrollieren.
- Mit dem Schwellenwert werden alle Voxel, die einen höheren Intensitätswert aufweisen, als Teil der Maske ausgewählt. Er kann später angepasst werden.
- Klicken Sie abschließend auf die Schaltfläche Import.
Der Datensatz wird nun importiert. Er kann später über die Registerkarte My Cases im Hauptmenü aufgerufen werden.
2 Knochen
Nach dem Import erscheint das Menü Segmentation. Es besteht aus einer Reihe von Untermenüs, die geöffnet oder geschlossen werden können. Beachten Sie, dass Sie möglicherweise ein Untermenü öffnen müssen, wenn eine Schaltfläche nicht sichtbar ist.
In einem ersten Schritt werden wir eine Segmentation des Knochens vornehmen.
2.1 Schwellenwert(e) verfeinern
Der untere Schwellenwert kann weiter verfeinert werden. Als Faustregel gilt: Stellen Sie den unteren Schwellenwert (linker Schieberegler) so ein, dass der Unterkieferkopf ohne falsche Löcher erscheint. Sie können den Schieberegler ziehen oder darauf klicken, um eine feinere Steuerung vorzunehmen.
Da keine Notwendigkeit besteht, zwischen verschiedenen Objekten mit hoher Intensität zu unterscheiden, sollte der obere Schwellenwert (rechter Schieberegler) auf dem Höchstwert (3095) belassen werden.
2.2 Die Maske als Knochen definieren
Als Nächstes müssen wir dem Computer mitteilen, welche anatomische Struktur die Maske enthält. Gehen Sie dazu auf Define (Untermenü Object), wählen Sie bone und drücken Sie auf Apply. Auf dem 3D-Bild und den Schnittbildern erscheint das Objekt nun in der Knochenfarbe. Dies zeigt an, dass es sich nicht mehr um eine temporäre Maske, sondern um ein richtig definiertes anatomisches Objekt handelt.
2.3 Ergebnisse sichern
Die Segmentation der ersten anatomischen Struktur ist nun abgeschlossen. Um Ihre Arbeit zu speichern, drücken Sie unten links im Menü auf Save.
3 Gehirn
Als Nächstes wollen wir das Gehirn als eine der wichtigsten Risikostrukturen segmentieren. Im CT hat das Gehirn ähnliche Intensitätswerte wie viele andere Weichteile, so dass eine einfache Segmentation anhand von Schwellenwerten nicht ausreicht.
3.1 Schwellenwerte wählen
Dennoch beginnen wir mit einem Intensitätsbereich für das Gehirn. Da wir nicht wollen, dass er sich mit dem Intensitätsbereich für den Knochen überschneidet, gehen wir wie folgt vor:
- Gehen Sie zu Select (Untermenü Object) und wählen Sie bone. Notieren Sie sich den unteren Schwellenwert.
- Legen Sie diesen als oberen Schwellenwert für das Weichteilgewebe fest.
- Wählen Sie einen unteren Schwellenwert, der das Weichteilgewebe abdeckt, aber nicht die umgebende Luft.
Sie haben nun eine Maske erstellt, die das gesamte Weichteilgewebe enthält.
3.2 Region of Interest
Die erste Strategie, um so viele hirnfremde Strukturen wie möglich zu entfernen, besteht darin, eine Region of Interest (ROI) zu definieren. Während ein Schwellenwert für alle Voxel im Datensatz gilt, können wir ihn mit der ROI auf eine Kugel mit einem definierten Zentrum und Durchmesser begrenzen.
Legen Sie zunächst die ROI size (Durchmesser) so fest, dass sie gerade das Gehirn abdeckt. Klicken Sie dann auf das transversale Bild, um den Mittelpunkt der ROI einzustellen. Kontrollieren Sie Ihre Auswahl, indem Sie den Schieberegler des transversalen Bildes bewegen und Ihre Einstellungen nach Bedarf ändern.
3.3 Morphologische Operationen
Unsere Maske enthält noch Weichteile sowohl innerhalb als auch außerhalb des Schädels. Um diese zu trennen, gehen Sie wie folgt vor (Untermenü Morphology):
- Drücken Sie einige Male auf die Schaltfläche Erode. Sie werden feststellen, dass bei jeder Erosion die äußerste Schicht der Maske abgeschält wird.
- Drücken Sie CC Analysis. Damit wird geprüft, ob die verschiedenen Teile der Maske noch miteinander verbunden sind (CC steht für connected components). Wenn dies der Fall ist, erscheinen sie weiterhin in einer Farbe. Drücken Sie in diesem Fall erneut Erode und CC Analysis. Wenn nicht, erscheinen sie in verschiedenen Farben.
- Klicken Sie auf das Gehirn. Seine Farbe wechselt wieder zu türkis. Das bedeutet, dass die Maske jetzt nur noch das Gehirn enthält.
- Drücken Sie Dilate ungefähr so oft, wie Sie zuvor Erode gedrückt haben. Dadurch werden die erodierten Ebenen wieder hinzugefügt, aber nur für das Gehirn. Hören Sie auf, wenn Sie feststellen, dass die Maske wieder bis zum Knochen reicht.
Verwenden Sie Define brain Apply wie zuvor.
3.4 Ergebnisse sichern
Sie haben nun zwei verschiedene anatomische Strukturen definiert. Klicken Sie abschließend auf Speichern.
Hinweis: Durch das Speichern werden Ihre zuvor gespeicherten Versionen nicht überschrieben, sondern es wird eine neue Version hinzugefügt. Auf alle Versionen können Sie über die Registerkarte My Cases im Hauptmenü zugreifen, so dass Sie jederzeit zurückgehen können. Ältere Versionen, die nicht mehr benötigt werden, können gelöscht werden.
4 Dura
In unserem CT-Datensatz hat die Dura ähnliche Intensitätswerte wie das Gehirn, so dass wir sie auf diese Weise nicht trennen können. Dennoch können wir die Dura als die äußerste Schicht des Gehirns definieren.
4.1 Puffer
Gehen Sie zunächst zu Select und wählen Sie brain, um sowohl die zugehörige Maske als auch die Schwellenwerte zu erhalten.
Als nächstes speichern Sie diese Maske in einem Puffer (Untermenü Buffer). Ein Puffer ist ein Zwischenspeicher für die Maske. Markieren Sie in diesem Fall Buffer 1 und drücken Sie die Schaltfläche Store. Die Maske erscheint nun rot.
Als Nächstes müssen Sie die Maske erodieren, ähnlich wie im vorherigen Abschnitt. Drücken Sie ein- oder zweimal auf Erode und speichern Sie die erodierte Maske in Buffer 2 auf die gleiche Weise wie zuvor. In diesem Fall wird die Maske grün.
Wir haben nun das vollständige Gehirn in Buffer 1 und das erodierte Gehirn in Buffer 2. Mit den logischen Operatoren wie AND (Schnittmenge), OR (Vereinigung) oder XOR (Differenz) können wir Kombinationen dieser Puffer berechnen. Um die Differenz zu ermitteln, wählen Sie sowohl Buffer 1 als auch Buffer 2 aus und drücken Sie XOR. Auf den Querschnittsbildern können Sie sehen, dass die Maske jetzt nur die äußere Schicht des Gehirns enthält.
Der nächste Schritt besteht darin, die Maske als Dura zu definieren. Gehen Sie wie zuvor zu Define und wählen Sie dura aus. Beachten Sie jedoch, dass ihre Teile zuvor als Gehirn definiert wurden. Wir müssen daher die Option Override aktivieren. Drücken Sie anschließend auf Apply.
Auf den Querschnittsbildern können Sie nun die Farben der drei verschiedenen anatomischen Strukturen sehen. Klicken Sie abschließend auf Save.
4.2 Erscheinungsbild des Gehirns
Aus Gründen, die den Rahmen dieses Tutorials sprengen würden, weist eine nicht durch Intensitätsschwellen definierte Oberfläche wie die des erodierten Gehirns verschiedene Artefakte auf. Daher ist es hilfreich, die folgenden Schritte anzuwenden.
Die erodierte Gehirnmaske ist noch in Buffer 2 gespeichert. Wählen Sie Buffer 2 und drücken Sie auf Load, um ihn wieder in die Maske zu übernehmen.
Gehen Sie wie zuvor zu Define und wählen Sie brain. Aktivieren Sie in diesem Fall die Optionen Override und Polish. Drücken Sie anschließend auf Apply.
Zum Schluss speichern Sie Ihre Arbeit.
5 Chirurgie
Wählen Sie im Menüpunkt Objekt Select *, um alle definierten Objekte anzuzeigen. Sie erscheinen in ihren typischen Farben auf 3D-Ansichten und Querschnittsbildern.
Klicken Sie anschließend unten rechts im Segmentationsfenster auf Surgery. Auf der rechten Seite erscheint ein Werkzeugkasten mit Instrumenten, die wie in den Applikationen Tempo oder Sinus verwendet werden können.
6 Export in Trainingsapplikationen
Wenn Sie auf das kleine Dreieck neben der Schaltfläche Save unten links im Menü klicken, können Sie die Option Save as Case auswählen.
Mit dieser Option wird Ihr Fall in einem der Trainingsapplikationen wie Tempo oder Sinus veröffentlicht, wo er wie die vordefinierten Trainingsfälle verfügbar ist. Es öffnet sich ein Dialogfeld, in dem Sie aufgefordert werden, einen Fallnamen, eine kurze und eine ausführliche Beschreibung sowie die Applikation anzugeben, in dem der Fall erscheinen soll.
Mit den Autorenwerkzeugen für Aufgaben (siehe Handbuch, Abschnitt 8.1) können Sie auch Trainingsaufgaben für Ihre neu definierten Fälle definieren.