Combined statistical modelling of shape and microstructure of the proximal femur for the assessment of local bone quality and therapy planning
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GESAMTPROJEKTLEITUNG:

Univ.-Prof. Dr. Rainer Schubert, IBIA, UMIT


LAUFZEIT:

FWF-Projekt in Begutachtungsphase, geplante Laufzeit: Januar 2008 bis Dezember 2010


GESAMTUMFANG:

(beantragt): 224.000 Euro


ZIELSETZUNG:
(Abstract aus dem FWF-Antrag:)

Die Analyse von Form und Formvariationen menschlicher Organe hat sich zu einem vielversprechenden Gebiet der medizinischen Bildverarbeitung entwickelt. Detaillierte Formanalysen mithilfe statistischer Modelle ermöglichen die Identifkation signifkanter Formvariationen innerhalb einer Population um so natürlich auftretende Variationen von pathologischen Varietäten zu unterscheiden und dadurch die Frühdiagnose von Erkrankungen, die zu Veränderungen der äußeren Form von Organen führen, verbessern. Um die Segmentierung medizinischer Bilddaten mit Hilfe statistischer Modelle zu verbessern, wurden auch zahlreiche Bemühungen unternommen, neben der Modellierung von Formvariationen auch das Erscheinungsbild von Organen zu modellieren. Dafür muss neben der äußern Form von Organen auch die Grauwertinformation der einzelnen Voxel berücksichtigt werden. Unterschiedliche Modelle, welche das Erscheinungsbild von Organen modellieren sind auf diese Bemühungen zurückzuführen und wurden für die Segmentierung medizinischer Bilddaten verwendet.

Die Entwicklung von Methoden und statistischen Modellen zur vollautomatischen Segmentierung ist auch am Institut für Biomedizinische Bildanalyse (IBIA) einer der Hauptforschungszweige und auch Inhalt eines Dissertationsprojekts. Im Zuge dieses Projektes wurden Methoden zur Erstellung eines Form-Intensitäts-Modells entwickelt und in Kombination mit level-sets zur Segmentierung medizinischer Bilddaten verwendet. Die entwickelten Methoden erlauben die Erstellung von Modellen, welche Informationen über äußere Form und Erscheinungsbild in einem Modell vereinen. Die Erfahrungen aus diesem Projekt bilden auch die Grundlage für das hier vorgeschlagene Projekt. Wie bereits erwähnt, wurden statistische Modelle bisher hauptsächlich zur Segmentierung verwendet. Vergleichsweise wenig wurde jedoch die Verwendbarkeit statistischer Form-Intensitäts-Modelle zu medizinisch diagnostischen Zwecken erforscht. Neue Aufschlüsse über die innere Struktur und den Aufbau eines Organs spielen vor allem bei Erkrankungen eine Rolle, die sich weniger in Veränderung der äußeren Form als vielmehr in einer Veränderung des inneren Aufbaus des Organs darstellen.

Ein prominentes Beispiel für eine solche Erkrankung ist die Osteoporose, welche vor allem aufgrund der demographischen Entwicklung der Weltbevölkerung und der dadurch zunehmenden Überalterung der Gesellschaft ein immer wichtiger werdendes Problem für die Bevölkerung und das Gesundheitswesen im Allgemeinen darstellt. Aus diesem Grund ist das Hauptziel dieses Projektes die Benützung und Verbesserung des bisher am Institut für Biomedizinische Bildanalyse entwickelten Form-Intensitäts-Modells zur Analyse der Mikrostruktur menschlicher Organe. Die Modellierung dieser Variationen unter Berücksichtigung der Abhängigkeiten zwischen äußerer Form und innerer Struktur eines Organs könnte daher weitere Aufschlüsse über die Pathogenese geben, welche unmittelbar für Diagnose und Therapieplanung verwendet werden können. Als Datenbasis könnte ein Pool aus klinischen und nicht-klinischen Bilddaten, welche im Rahmen eines Projektes zur Erforschung der Osteoporose in Zusammenarbeit mit der University of California, San Francisco und der Medizinischen Universität Innsbruck akquiriert wurden, verwendet werden. Die aus dem hier vorgeschlagenen Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit zur Diagnose von Osteoporose und der Planung chirurgischer Eingriffe nach Osteoporose induzierter Fraktur evaluiert und optimiert werden. Aufgrund der vielseitigen Anwendbarkeit der zu entwickelnden Methoden, könnten die im Rahmen dieses Projektes entwickelten Algorithmen bzw. Software Module ohne größeren Aufwand für andere klinische und nichtklinische Fragestellungen adaptiert werden und so als Basis für weitere Projekte bzw. als Grundlage für eine kommerzielle Umsetzung des entwickelten Frameworks dienen.


STAND:

Der Antrag wurde im März 2007 eingereicht und wird voraussichtlich auf der FWF-Kuratoriumssitzung im Dezember 2007 entschieden werden. Die grundlegende Methodenentwicklung zu diesem Projekt gehört zu den permanenten und projektunabhängigen Forschungsthemen des Instituts. Daher basiert die konkrete anwendungsspezifsche Zielsetzung auf weitreichenden Vorarbeiten und es stehen sowohl Methoden und Algortihmen, als auch eine umfangreiche Softwareumgebung zur Verfügung.

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