Ein interaktiver Atlas für die Sonographie und Anatomie des Säuglingsgehirns

Abstract

Die Sonographie ist in der Kinderradiologie die Untersuchungsmethode der Wahl: Sie kann durch den Einsatz mobiler Geräte zeitlich und räumlich völlig flexibel durchgeführt werden. Die Untersuchung des Schädels und des Gehirns eines Säuglings wird dabei ohne den Einsatz von potenziell gesundheitsschädlicher Röntgenstrahlung durchgeführt. Für den ungeübten Betrachter ist es allerdings sehr schwierig, Ultraschallbilder richtig zu interpretieren. Dies hat verschiedene Gründe: Ultraschallbilder zeigen Artefakte wie Rauschen oder Schallschatten und besitzen im Vergleich zu vielen anderen Aufnahmeverfahren eine geringere Auflösung. Außerdem sind die Zugangswege zum Untersuchungsgebiet begrenzt, z. B. auf die Große Fontanelle. Die Bildebene liegt deshalb oft beliebig im Raum, was die Orientierung sehr erschwert. Die Säuglingsanatomie unterscheidet sich zudem erheblich von der des Erwachsenen. Zur Interpretationshilfe herangezogene Radiologie- und Anatomieatlanten oder Multimediaprogramme mit vorberechneten Bildsequenzen bieten wenig Hilfe bei beliebig im Raum liegenden Bildebenen und beschränken sich außerdem häufig auf die Erwachsenenanatomie. In dieser Arbeit wurde daher ein computerbasierter, interaktiver Atlas erstellt, welcher als Übungs- und Lernhilfe für die Ultraschalldiagnostik dienen soll und besonderen Wert auf die Darstellung von beliebig im Raum liegenden Schnittbildebenen legt. Hierzu wurde ein Magnetresonanztomographie (MRT)-Volumendatensatz mit dem Autorensystem VOXEL-MAN und modernen Bildverarbeitungsmethoden wie z. B. Segmentation und Modellierung bearbeitet. Der MRT-Datensatz wurde daraufhin mit einem passenden Ultraschall-Volumendatensatz zusammengeführt (Registrierung). Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein detaillierter interaktiver Atlas mit einem räumlichen Modell des Säuglingsschädels, welcher alle für die Ultraschalluntersuchung wesentlichen Gehirnteile umfasst. Diese wurden in einer Wissensbasis klassifiziert und können interaktiv abgefragt werden. Auf Basis des erstellten Modells wurden intelligente Filmsequenzen erstellt, in denen die Ultraschalluntersuchung des Schädels in Echtzeit simuliert wird. In weiteren Filmsequenzen wird durch räumliche Darstellung des Schädels und Gehirns ein besseres Verständnis für die Säuglingsanatomie vermittelt. Der interaktive Atlas soll dabei helfen, die Kunst der Ultraschalluntersuchung zu erlernen und kann dazu im Selbststudium oder im Studentenunterricht genutzt werden.

Sonography is the image modality of choice in pediatric radiology: The examination can be performed flexibly due to the use of mobile ultrasound devices. The examination of the head and brain of a baby is accomplished without the use of ionizing radiation. Unfortunately, the interpretation of ultrasonic images can be very difficult for the untrained viewer, due to various reasons: Ultrasonic images show artifacts like noise or acoustic shadows. Compared to other image modalities like MRI or CT, sonography also offers a lower spatial resolution. Due to hand-held operation of the probe and limited access, such as through the anterior fontanelle, cross-sections are oblique, making orientation very difficult. Furthermore, the infant’s anatomy differs significantly from that of an adult. Especially with respect to oblique cross-sections, printed atlases or collections of pre-calculated images, as presented in typical multimedia systems, are of limited value. In this paper a computer-based, interactive atlas of an infant’s head is presented, which allows the simulation of oblique cross-sections and hereby serves as a training means for pediatric sonography. The atlas was created on the basis of clinical MRI data sets, using the VOXEL-MAN volume visualization environment and modern image processing methods like segmentation and interactive modelling. The MRI data sets were subsequently matched with an adequate ultrasound volume data set (registration). The result of this work is a detailed interactive atlas with a spatial model of the infant’s head, which contains all brain structures essential for the ultrasound examination. These structures were classified in a knowledge base and can be interrogated interactively on the screen. The spatial model was used as a basis to create intelligent film sequences, which simulate the ultrasound examination of the brain in real-time. In other film sequences a three-dimensional view of the head and brain is presented and thus improves the understanding of the infant’s anatomy. The interactive atlas assists in acquiring the art of ultrasound examination and can be used in private studies or in student’s classes.