Standardisierte Protokolle für die medizinische Bildanalyse und Bildvisualisierung

Abstract

Die Analyse medizinischer Bilddatensätze spielt in der täglichen klinischen Routine eine immer wichtigere Rolle. Bildgebende Systeme unterschiedlichster Modalitäten erzeugen Datensätze, die immer neue klinische Einsatzgebiete eröffnen. Postprocessing-Applikationen stellen kontinuierlich neue Funktionalitäten und Algorithmen zur Verfügung, um die erzeugten Daten für die Analyse aufzubereiten. Diese Entwicklung hat jedoch auch zur Folge, dass die Komplexität der zur Verfügung stehenden Geräte und Postprocessing-Applikationen drastisch zunimmt und die Anforderungen an das medizinische Personal entsprechend steigen. Speziell im Bereich der Postprocessing-Applikationen werden zwar eine Vielzahl von verschiedenen Algorithmen integriert, hinsichtlich der Auswahl und der Anwendung der einzelnen Algorithmen für eine konkrete medizinische Fragestellung ist der Benutzer jedoch häufig auf sich gestellt.

Während sich in vielen klinischen Bereichen bereits standardisierte Abläufe etabliert haben, ist die Analyse medizinischer Bilddatensätze unter Verwendung von Postprocessing-Applikationen derzeit noch durch individuelle Vorgehensweisen geprägt, die vor dem Erfahrungshintergrund des jeweiligen Benutzers stark differieren können.

Die vorliegende Arbeit stellt das Konzept der standardisierten Analyse medizinischer Bilddaten vor. Dieser Ansatz basiert auf dem Einsatz sogenannter Analyseprotokolle, die den vollständigen Prozess bei der Analyse einschließlich Bildverarbeitung, Visualisierung und Dokumentation beschreiben. Ein Analyseprotokoll definiert die einzelnen Analyseschritte als Aktivitäten eines Workflows, der von einer im Kontext dieser Arbeit entwickelten Workflow-Engine abgearbeitet wird. Durch die Analyseprotokolle können Analysen standardisiert verarbeitet werden. Die Vorteile dabei machen sich gerade in der Routinearbeit bemerkbar: Sie beeinflussen den Zeitfaktor beträchtlich, ermöglichen eine objektivere Analyse und somit den Einsatz der Analyseergebnisse in Studien, und sie fördern den Kommunikationsaustausch zwischen Medizinern.

Bei der standardisierten Analyse wurden zwei unterschiedliche Strategien herausgearbeitet die sich hinsichtlich ihrer Benutzerinteraktionen unterscheiden: Die vollautomatische Analyse und die benutzerunterstützende Analyse. Bei der vollautomatischen Analyse werden ausschließlich automatisch ablaufende Aktivitäten eingesetzt, so dass nach dem Setzen der Initialparameter und dem Starten des Analyseworkflows keine weitere Benutzerinteraktion mehr erforderlich ist. Bei der benutzerunterstützenden Analyse können in einem Analyseprotokoll automatische mit semiautomatischen und manuellen Verfahren kombiniert werden. Dies vergrößert den Einsatzbereich erheblich, da in vielen Fällen keine ausreichend robusten automatischen Algorithmen zur Verfügung stehen. Beide erwähnten Ansätze wurden im Rahmen dieser Arbeit implementiert und ausgewertet.

Der vollautomatische Ansatz wurde als webbasiertes System für die Analyse von intrakraniellen Aneurysmen realisiert. Der Mediziner sendet hier seine Patientendaten an einen webbasierten Service, der die Analyse automatisch durchführt und die Ergebnisse in Form von digitalen Videosequenzen an den Mediziner zurücksendet. Der genaue Ablauf der Analyse wird in einem Analyseprotokoll mit ausschließlich automatischen Aktivitäten beschrieben. Das System nutzt zur schnelleren Durchführung der Analyse einen PC-Cluster der Universität Stuttgart.

Beim benutzerunterstützenden Ansatz wurde ein Workflow, der den Benutzer während der Befundung führt, in eine bestehende Postprocessing-Applikation integriert. Ohne diese Benutzerunterstützung waren bisher sehr gute Kenntnisse im Umgang mit der Applikation und ein hoher Grad an Benutzerinteraktion erforderlich. Am Beispiel der Analyse der Temporallappenepilepsie wurden automatische und semiautomatische Algorithmen kombiniert. Das standardisierte Protokoll wurde hierfür um Aktivitäten erweitert, die Benutzerinteraktionen ermöglichen. Während einer Benutzerinteraktion werden dem Benutzer konkrete Handlungsanweisungen gegeben sowie die für den aktuellen Arbeitsschritt notwendigen Eingabedialoge, Layouts und Tools automatisch aktiviert. Dadurch erübrigt sich das zeitaufwändige Navigieren innerhalb der Applikation, wodurch sich die Effizienz erhöht.

Die Auswertung beider Systeme zeigte, dass die Verwendung solcher standardisierter Protokolle das medizinische Personal bei der täglichen Routinearbeit, aber auch bei der Erstellung wissenschaftlicher Studien, stark entlastet und dass die Qualität hinsichtlich der Bildverarbeitungs-Ergebnisse vergleichbar ist mit der Qualität bisheriger Ergebnisse, die durch manuelle Bearbeitung der Daten bzw. durch die konventionelle Verwendung von Postprocessing-Applikationen erzielt wurden. Dadurch stieß der Ansatz der standardisierten Bildanalyse bei den Medizinern auf große Akzeptanz.

Today, the analysis of medical imaging data is of increasing importance in the daily clinical routine. Diagnostic imaging systems of different modalities produce more and more data which continuously open up new fields of clinical application. Post-processing applications provide new functionality and algorithms that help in analyzing these data. However, this development goes hand in hand with an increasing complexity of the available imaging devices and post-processing applications. This demands higher qualified medical personnel. Especially in the area of post-processing applications, there exists a wide variety of different algorithms and the user is largely left alone in selecting and applying the right algorithms at the right time for a given medical indication.

While the analysis of medical imaging data using a post-processing application is highly individual and depends on the experience of the user, in other clinical fields standardized procedures are well established. For instance patient management or laboratory tests follow mainly standardized processes. Also the acquisition of medical image data is often guided by a standardized procedure.

This thesis is introducing the concept of standardized analysis of medical imaging data. This approach is based on so-called analysis protocols which describe the whole analysis workflow including image processing, visualization and documentation. Analysis protocols define the individual steps of the analysis as workflow activities. These activities will be executed by a workflow engine which was developed in the context of this thesis. Through the use of analysis protocols it is possible to execute the analysis in a standardized way which is of special importance for clinical routine: It reduces the overall time, supports a more objective analysis, thus allowing the usage of the results in clinical studies and also improves the communication between radiologists regarding the individual case. Two different strategies for the application of standardized protocols for image analysis have been developed. One important differentiator of these strategies is the level of required user interaction: There is the fully automatic approach and the semiautomatic approach which needs some user interaction but also offers user guidance. In order to show the different areas of applicability of these two approaches, a fully automatic workflow as well as a workflow which requires user interaction has been implemented within the scope of this thesis.

The fully automatic approach was realized within a web based system for the analysis of intra-cranial aneurysms. The physician sends the patient data via web browser to a server which automatically analyzes the data and sends back the results in form of digital video sequences. The analysis is based on an analysis protocol which contains automatic activities only. It is using automatic image processing algorithms, some of which have been developed or improved especially for this purpose. Additionally, a PC cluster provided by the University of Stuttgart was used in order to speed up the generation of the videos.

For the semi automatic approach a user-guiding workflow for the analysis of temporal lope epilepsy was integrated into an existing post-processing application. Prior to this, deep technical knowledge about the application and a high level of user interaction was required to perform time-consuming procedure. Because in this case not all steps of the analysis workflow could be realized by fully automatic algorithms, semiautomatic algorithms had to be integrated. To support this, the standardized analysis protocol was extended to handle activities that allow user interaction. During the processing of these activities the user is guided by user instructions and the required input dialogues, layouts and tools are automatically shown. This reduces the time-consuming navigation within the application and therefore significantly increases efficiency.

The evaluation of the two implemented approaches showed that standardized protocols can significantly support the radiologist in daily routine as well as in clinical studies. The quality of the results showed to be comparable with the quality of traditional approaches. Therefore the approach of standardized image analysis gained wide accepted among the involved physicians.