Assessing fetal brain development based on a spatio-temporal in vivo atlas learned from ultra-fast magnetic resonance images / submitted by Eva Dittrich

• VerfasserIn: Dittrich, Eva
• Place / Publishing House: 2012
• Year of Publication: 2012
• Language: English
• Classification: 44.31 - Medizinische Physik; 44.64 - Radiologie; 44.51 - Diagnostik
• Physical Description: 120 S.; Ill., graph. Darst.
• Notes: Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers; Zsfassung in dt. Sprache

ger: Neue bildgebende Verfahren, wie etwa die ultraschnelle Magnetresonanztomographie (MRT), ermöglichen tiefe Einblicke in die früheste, menschliche Entwicklung. Aufgrund ihres nicht-invasiven Charakters kann die MRT zur in utero Untersuchung des heranwachsenden Fötus verwendet werden. Die Auswertung dieser hochauflösenden Bilder erfolgte bisher allerdings ausschließlich qualitativ und visuell. Um Aussagen über umfangreiche Patientengruppen machen zu können, bedarf es eines quantitativen Referenzwerkzeuges.<br />Ziel dieser Arbeit ist es, computer-gestützte Referenzmodelle zu erarbeiten, welche die Diagnose von fetalen MRT Bildern unterstützen.<br />Hierbei werden zwei Werkzeuge entwickelt: ein Atlas, sowie ein Template.<br />Der Atlas ist ein probabilistisches altersspezifisches Modell, das die Entwicklung einer spezifischen anatomischen Struktur über Raum und Zeit umfasst. Er wird aus Bildern verschiedener Individuen zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgebaut und ist damit ein vier-dimensionales Modell, das eine räumlich-zeitliche Entwicklung darstellt. In dieser Arbeit wird ein räumlich-zeitlicher Atlas entwickelt, der schon aus einer geringen Anzahl händisch annotierter Bilder gelernt werden kann und parallel dazu die automatische Segmentierung eines umfangreichen Datenkollektivs unterstützt. Das zweite Ergebnis dieser Arbeit ist das Template, das eine Vielzahl von Daten in ein gemeinsames Referenzkoordinatensystem abbildet. Damit ist es möglich Korrespondenzen zwischen zahlreichen Einzelfällen herzustellen, um anschließend detaillierte Aussagen über Kohorten zu treffen. Gemeinsam mit dem Template ermöglicht der Atlas die Segmentierung and quantitative Analyse neuer Bilder.<br />Experimentelle Ergebnisse zeigen die Einsatzvielfalt des Atlas wie etwa in der semi-automatischen Segmentierung subkortikaler Strukturen des fetalen Gehirns (bspw. Kortex, Ventrikel), oder als Tool zur morphologischen Altersschätzung individueller Fälle. Außerdem dient der Atlas in Kombination mit dem Template als Vergleichswerkzeug, um Abweichungen pathologischer Fälle von der Norm sowohl räumlich (morphologisch) als auch zeitlich (unterschiedliche Entwicklungsstadien) zu erkennen.<br />

eng: Novel imaging techniques such as ultra-fast Magnetic Resonance Imaging (MRI) enable deep insights into the early human development. Due to its non-invasive character, MRI can be used for the in utero examination of the growing fetus. Until recently, the analysis of these high resolution images was performed qualitatively, i.e. by visual inspection only. In order to make assumptions about comprehensive data sets, a quantitative reference system is required.<br />The aim of this work is to develop computer-aided reference models that support the diagnosis of fetal MR images. For this purpose, two tools were established: an atlas, as well as a template. The atlas is a probabilistic age-specific model that learns the development of a certain anatomical structure with respect to time and space. It is constructed from a series of images from different individuals at different gestational ages. The atlas is therefore a four-dimensional model that captures the spatio-temporal development of the fetal brain.<br />The thesis proposes a spatio-temporal latent atlas that is learned from a small amount of manually annotated images, and simultaneously supports the segmentation of an extensive collection of non-annotated images. The second result of this work is a corresponding spatio-temporal template which integrates a variety of images into a common reference coordinate system. This enables to find correspondences among numerous individual cases, and subsequently draw detailed conclusions about them. Together, the atlas and the template allow for segmentation and quantitative analysis of new cases.<br />Experimental results demonstrate and evaluate the versatility of the proposed spatio-temporal atlas. These experiments include the segmentation of subcortical structures of the fetal brain (e.g., cortex, ventricles), as well as using the atlas as measure to estimate the morphological age of individual subjects. In addition, in combination with the template, the atlas can be applied as tool to compute deviations of pathological subjects from the control population - both in space (morphological) as well as time (different developmental stages).