Poravnava slik v slikovno podprtih posegih v medicini

Evidenčna št.

J2-0716 (C) - iz evidence ARIS

Vodja

dr. Franjo Pernuš

Obdobje

1.2.2008 - 30.1.2011

Obseg v 2011

0.08 FTE

Veda

Tehnika (8)

Status raziskovalca

Raziskovalec (8)
Strokovni ali tehnični sodelavec (0)

Izobrazba

Doktorat znanosti (8)

Spol

Moški (8)

Status

Zaposlen v RO+RRD (8)

Število publikacij

0 (8)

Projekti / Programi vir: ARIS

vir: ARIS

Poravnava slik v slikovno podprtih posegih v medicini

Raziskovalna dejavnost

Koda	Veda	Področje	Podpodročje
2.06.00	Tehnika	Sistemi in kibernetika

Koda	Veda	Področje
T111	Tehnološke vede	Upodabljanje, obdelava podob

Ključne besede

medicinske slike; obdelava in analiza slik; poravnava slik; slikovno-podprti posegi; kirurgija; radioterapija, radiokirurgija; kemoterapija; minimalno invazivni posegi

Vrednotenje (pravilnik)

vir: COBISS

Vrednotenje bibliografskih kazalcev raziskovalne uspešnosti po metodologiji ARIS

Citiranost Citiranost bibliografskih zapisov v COBIB.SI, ki so povezani z zapisi citatnih baz

vir: WoS

vir: Scopus

vir: COBISS

Raziskovalci (8)

št.	Evidenčna št.	Ime in priimek	Razisk. področje	Vloga	Obdobje	Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.	25608	dr. Marko Bukovec	Računalništvo in informatika	Raziskovalec	2008 - 2010	0
2.	25528	dr. Miran Burmen	Sistemi in kibernetika	Raziskovalec	2009 - 2011	0
3.	29559	dr. Jaka Katrašnik	Sistemi in kibernetika	Mladi raziskovalec	2009 - 2011	0
4.	15678	dr. Boštjan Likar	Sistemi in kibernetika	Raziskovalec	2009 - 2011	0
5.	27519	dr. Primož Markelj	Sistemi in kibernetika	Mladi raziskovalec	2009 - 2010	0
6.	06857	dr. Franjo Pernuš	Sistemi in kibernetika	Vodja	2008 - 2011	0
7.	28465	dr. Žiga Špiclin	Sistemi in kibernetika	Mladi raziskovalec	2009 - 2011	0
8.	23404	dr. Tomaž Vrtovec	Sistemi in kibernetika	Raziskovalec	2008 - 2011	0

Organizacije (1)

št.	Evidenčna št.	Razisk. organizacija	Kraj	Matična številka	Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.	1538	Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko	Ljubljana	1626965	65

Povzetek

V zadnjih letih smo v medicini priča velikemu razmahu uporabe medicinskih slik, ki so zajete z različnimi slikovnimi tehnikami (rentgen, računalniška tomografija, magnetna resonanca, pozitronska izsevna tomografija, ultrazvok, itd.). Medicinske slike so danes nepogrešljive pri postavljanju diagnoze, načrtovanju in simulaciji posega, izvedbi posega ter pri spremljanju učinkov posega ali napredovanja bolezni. Vsak poseg v kirurgiji, radioterapiji, radiokirurgiji, kemoterapiji, biopsiji, itd., skušajo zdravniki izvesti čim natančneje in minimalno invazivno. Natančnost lahko povečamo, invazivnost pa zmanjšamo, z novimi tehnologijami, ki so poznani pod imenom slikovno vodeni posegi. Takšni posegi omogočajo vpogled v anatomske strukture pod površino, ki je operaterju v določenem trenutku razkrita. S pomočjo slikovno vodenih posegov lahko kirurg, radioterapevt ali kemoterapevt minimalno invazivno in natančno usmerja različna kirurška orodja, izvore energij in kemikalije proti ciljani anatomski strukturi in to tako, da se pri tem izogne kritičnim strukturam, kot so pomembne žile in živci. Osnovne komponente slikovno vodenih posegov so: pred in medoperativne slike različnih modalitet in dimenzij, poravnava (registracija) predoperativnih slik s slikami pacienta med posegom, sledenje kirirških orodij v prostoru ter istočasno prikazovanje slik, načrta posega in kirurških orodij na zaslonu. Ne glede na aplikacijo je koncept slikovno podprtega posega podoben, četudi različne aplikacije zahtevajo dodatne ali specifične modifikacije posameznih komponent. Predoperativne tridimenzionalne slike, ki so zajete z računalniško tomografijo ali magnetno resonančnim slikanjem, so pomembne za vizualizacijo, lokalizacijo in ciljanje anatomskih struktur, na katerih želi zdravnik izvesti poseg. Slike in anatomski modeli struktur, ki jih iz slik pridobimo z razgradnjo (segmentacijo), služijo za predoperativno načrtovanje in optimizacijo poti pristopa do ciljanih anatomskih struktur ter za simuliranje načrtovanih posegov. Ker so predoperativne slike, načrt posega in simulacija del slikovno vodenega postopka, ki se izvaja v operacijski oz. radioterapevtski dvorani, je potrebno te podatke pred posegom združiti z ustreznimi anatomskimi strukturami pacienta. Povezavo med predintervencijsko sliko in pacientom v intervencijskem prostoru dobimo s poravnavo oz. registracijo slike in pacienta. Da bi bil postopek poravnave uporaben v slikovno vodenem postopku, mora biti poravnava natančna, robustna, hitra, nezahtevna in neinvazivna. Četudi obstaja veliko registracijskih metod, poravnava predintervencijskih slik in pacienta še ni zadovoljivo rešena. V predlaganem projektu bomo na osnovi odmevnih rezultatov v preteklosti razvili nove postopke poravnave. Za vpeljavo določenega slikovno vodenega postopka v prakso so pomembni natančnost, robustnost, časovna zahtevnost in kompleksnost postopka poravnave ter celotnega sistema. Zato bomo v projektu posebno pozornost namenili razvoju standardiziranega postopka validacije poravnave. Standardizirani validacijski postopek bo vključeval validacijske slikovne podatkovne baze, zlati standard poravnave, validacijski protokol in validacijsko metriko.

Pomen za razvoj znanosti

Na osnovi rezultatov raziskav tega projekta, ki se odražajo v sedmih člankih, ki so bili objavljeni večinoma v revijah iz prve četrtine revij na področju ter številnih predstavitvah na kongresih, ter na osnovi preteklih raziskav, s katero se je raziskovalna skupina uveljavila kot ena vodilnih na področju poravnave slik v slikovno podprtih medicinskih posegih, pričakujemo, da bodo objavljeni rezultati raziskav deležni velikega zanimanja raziskovalcev in bodo prispevali k razvoju znanosti in novih tehnologij na področju minimalno invazivnih slikovno vodenih posegov. Najpomembnejše pa bi bilo, če bi raziskovalni rezultati koristili predvsem bolnikom, zdravnikom in družbi. 

Razvoj učinkovitih postopkov poravnav pred in med intervencijskih slik, ki je ključni del slikovno vodenih postopkov, zahteva intenzivne raziskave na treh področjih: (a) razvoj samih postopkov poravnav, (b) razvoj zahtevnih in standardiziranih validacijskih protokolov in (c) validacijo in testiranje postopkov, s katerimi se dokaže natančnost, robustnost, hitrost in zahtevnost uporabe postopkov poravnav. Menimo, da smo v okviru tega projekta prispevali k razvoju znanosti na vseh treh zgoraj omenjenih področjih. 

(a) Razvili smo učinkovit postopek poravnave, ki temelji na gradientih intenzitet slik
• MARKELJ, Primož, TOMAŽEVIČ, Dejan, PERNUŠ, Franjo, LIKAR, Boštjan. Robust gradient-based 3-D/2-D registration of CT and MR to X-ray images. IEEE Transactions on Medical Imaging, Dec. 2008, vol. 27, no. 12, str. 1704-1714
• MARKELJ, Primož, TOMAŽEVIČ, Dejan, PERNUŠ, Franjo, LIKAR, Boštjan. Robust 3-D/2-D registration of CT and MR to X-ray images based on gradient reconstruction. International journal of computer assisted radiology and surgery, 2008, vol. 3, no. 6, str. 477-483

(b) Razvili smo dva (enega v sodelovanju z Medicinsko Univerzo na Dunaju)standardizirana validacijska protokola:
• MARKELJ, Primož, LIKAR, Boštjan, PERNUŠ, Franjo. Standardized evaluation methodology for 3D/2D registration based on the Visible Human data set. Med. phys. (Lanc.), Sep. 2010, vol. 37, no. 9, str. 4643-4647
• PAWIRO, S. A., MARKELJ, Primož, PERNUŠ, Franjo. Validation for 2D/3D registration I : a new gold standard data set. Med. phys. (Lanc.), Mar. 2011, vol. 38, no. 3, str. 1481-1490

(c) razvite postopke smo obsežno validirali in jih primerjali med seboj
• GENDRIN, C., MARKELJ, Primož, LIKAR, Boštjan, PERNUŠ, Franjo. Validation for 2D/3D registration II : the comparison of intensity- and gradient-based merit functions using a new gold standard data set. Med. phys. (Lanc.), Mar. 2011, vol. 38, no. 3, str. 1491-1502

Poleg tega smo opravili najbolj izčrpen pregled postopkov poravnave:
• MARKELJ, Primož, TOMAŽEVIČ, Dejan, LIKAR, Boštjan, PERNUŠ, Franjo. A review of 3D/2D registration methods for image-guided interventions. Med. image anal. (Print), 2010, vol. , no. , str. 1-20

ter sodelovali pri učinkoviti implementaciji algoritma, ki so ga razvili kolegi na Dunaju
• FIGL, M., BLOCH, C., GENDRIN, C., WEBER, C., PAWIRO, S. A., HUMMEL, J., MARKELJ, Primož, PERNUŠ, Franjo, BERGMANN, Helmar, BIRKFELLNER, W. Efficient implementation of the rank correlation merit function for 2D/3D registration. Phys. Med. Biol., Oct. 2010, vol. 55, no. 19, str. 465-471

Pomen za razvoj Slovenije

Uporabnost nove medicinske tehnologije, v tem primeru dela tehnologije (poravnave pred in med intervencijskih slik) za slikovno vodene posege, se vrednoti predvsem na podlagi zmanjšanja invazivnosti in časa posega, rezultata posega ter cene zdravljenja in okrevanja. Zaradi velike biološke variabilnosti, različnih minimalno invazivnih slikovno vodenih posegov, različne infrastrukture in potekov posegov ter izurjenosti zdravnikov, je pot do uporabe medicinske tehnologije, podobni tisti, ki jo razvijamo, zelo dolga. Potrebna so obsežna testiranja na simuliranih slikah, fantomih, kadavrih in na koncu na pacientih in to v večjem številu bolnišnic. Po zaključku temeljnega raziskovalnega programa pa lahko vseeno zanesljivo ocenimo, da so rezultati raziskav pomembni za Slovenijo. Koristi za gospodarstvo in družbo so predvsem naslednje:
 
Koristi v smislu rezultatov: Rezultati raziskovalnega projekta so pomembno prispevali k napredku znanosti v Sloveniji na področjih biomedicinske tehnike in neinvazivnih slikovno podprtih postopkov. Okrepili so predvsem področje biomedicinske tehnike, ki zaradi staranja prebivalstva postaja pomembno področje raziskav in razvoja in v bližnji bodočnosti tudi študija. Veliko število objav (glede na velikost projekta) v uglednih revijah ter referati na velikih kongresih so tudi povečali prepoznavnost Slovenije na znanstveno-raziskovalnem področju. To se neposredno in hitro odraža v članstvu uredniških odborov mednarodnih revij, članstvu v programskih odborih velikih konferenc, predavanjih na tujih univerzah, članstvu v komisijah za oceno in zagovor doktorskih disertacij na tujih uglednih univerzah, zanimanju tujih študentov za doktorski študij v okviru laboratorija (trenutno so v laboratoriju trije tuji študenti), vabilih za skupne projekte, obiskih tujih strokovnjakov, zanimanju velikih podjetij s področja medicinske tehnologije (npr. Philips), itd. 

Razvoj kadrov: Rezultati raziskovalnega projekta so nedvomno prispevali k povečanju znanja ter izboljšanju spretnosti raziskovalcev, ki so bili s projektom neposredno ali pa le delno povezani. Poleg direktnega prenosa znanja iz akademskega okolja v industrijo, se ta prenos odvija tudi preko mladih raziskovalcev, ki so delali na projektu in so po uspešno zaključenem doktoratu odšli v podjetja. Zaradi aktualne in zanimive teme projekta, kot tudi zaradi znanja in izkušenj raziskovalne skupine, ki se je povečalo, pričakujemo, da bodo naslednje raziskave privabile nove talentirane raziskovalce.
 
Krepitev inštitucijskih zmožnosti: Predlagani raziskovalni projekt je delno omogočil tudi oskrbo z novimi ter izboljšanje oziroma prenovo obstoječih komponent strojne opreme, programske opreme, literature ter administrativnih in upravljavskih sistemov. 
 
Povečano in učinkovitejše sodelovanje: Na osnovi projekta so se vzpostavila nova in okrepile obstoječa sodelovanja (npr. Medicinska univerza na Dunaju), ki bodo posledično prispevala k učinkovitejšemu sodelovanju v prihodnosti. 
 
Viri sredstev: Za raziskovalce, kot tudi za organizacijo, kjer so se raziskave odvijale, se bo povečala sposobnost pridobivanja novih finančnih, tehničnih in organizacijskih virov za prihodnje raziskovalne projekte.

Najpomembnejši znanstveni rezultati

Letno poročilo 2008, 2009, zaključno poročilo, celotno poročilo na dLib.si

Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati

Letno poročilo 2008, 2009, zaključno poročilo, celotno poročilo na dLib.si