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Image-guided surgeries employ advanced imaging and computing technologies to assist the surgeon when direct visualization is inadequate or unavailable. As modern surgeries continue to move toward minimally invasive procedures, tracked ultrasound (US), an emerging technology that uniquely combines US imaging and position tracking, has been increasingly used for intraoperative guidance in surgical interventions. The intrinsic accuracy of a tracked US system is primarily determined by a unique procedure called ``probe calibration", where a spatial registration between the coordinate systems of the transducer (provided by a tracking device affixed to the probe) and the US image plane must be established prior to imaging. Inaccurate system calibration causes misalignments between the US image and the surgical end-effectors, which may directly contribute to treatment failure. The probe calibration quality is further reduced by the "elevation beamwidth" or "slice thickness", a unique feature of the ultrasound beam pattern that gives rise to localization errors and imaging uncertainties. In this thesis, we aim to provide an automated, pure-computation-based, intraoperative calibration solution that also incorporates the slice thickness to improve the calibration accuracy, precision and reliability. The following contributions have been made during the course of this research. First, we have designed and developed an automated, freehand US calibration system with instant feedback on its calibration accuracy. The system was able to consistently achieve submillimeter accuracy with real-time performance. Furthermore, we have developed a novel beamwidth-weighted calibration framework (USB-FW) that incorporates US slice thickness to improve the estimation of calibration parameters. The new framework provides an effective means of quality control for calibration results. Extensive phantom validation demonstrated that USB-FW introduces statistically significant reduction (p = 0.001) in the calibration errors and produces calibration outcomes that are less variable than a conventional, non-beamwidth-weighted calibration. Finally, we were the first to introduce an automated, intraoperative Transrectal Ultrasound (TRUS) calibration technology for needle guidance in prostate brachytherapy. Our tests with multiple commercial TRUS scanners and brachytherapy stepper systems demonstrated that the proposed method is practical in use and can achieve high calibration accuracy, precision and robustness. / Thesis (Ph.D, Computing) -- Queen's University, 2012-10-22 16:18:55.439

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να εξετάσουμε πως οι παράμετροι σάρωσης και ανακατασκευής επηρεάζουν την ποιότητα της εικόνας. Καθόσον, ορισμένες από τις παραμέτρους, αυξάνουν την δόση στον εξεταζόμενο, μελετήσαμε σε ποιες περιπτώσεις θα πρέπει να τις τροποποιήσουμε, άλλοτε για λόγους ακτινοπροστασίας και άλλοτε για την βελτιστοποίηση της ποιότητα της εικόνας. Υλικό και μέθοδος : Το πείραμα μας έγινε σε ελικοειδή Υ .Τ (Philips 5000SR), χρησιμοποιώντας πρόγραμμα συμβατικής σάρωσης (τομής-τομής) και ελικοειδούς σάρωσης σε ομοίωμα που χρησιμοποιείται για τον ποιοτικό έλεγχο. Σαρώσαμε τα διαφορετικά τμήματα του ομοιώματος, εφαρμόζοντας όλους τους δυνατούς συνδυασμούς των παραμέτρων σάρωσης και ανακατασκευής. Μετρήσαμε σε όλες τις εικόνες τον θόρυβο, την χωρική διακριτική ικανότητα (Χ.Δ.Ι ) και την αντιθετική διακριτική ικανότητα. Αποτελέσματα: Η Χ.Δ.Ι μεταβάλλεται περισσότερο από το πάχος τομής και τον αλγόριθμο ανακατασκευής, ενώ οι παράμετροι έκθεσης την επηρεάζουν λιγότερο σε εξεταζομένους με φυσιολογικές διαπλάσεις. Ο θόρυβος της εικόνας είναι μεγαλύτερος στο κέντρο της εικόνας και αυξάνει περισσότερο όταν μειώνουμε τους παράγοντες έκθεσης. Η αντιθετική διακριτική ικανότητα βελτιώνεται με αύξηση των παραμέτρων έκθεσης και με εφαρμογή κατάλληλου αλγόριθμου ανακατασκευής. Συμπέρασμα: Η σωστή επιλογή των παραμέτρων σάρωσης και ανακατασκευής μπορεί να οδηγήσει στην βελτίωση της ποιότητας της εικόνας ή στην βέλτιστη εικόνα με την λιγότερη δυνατή δόση στον εξεταζόμενο. / The purpose of the present study is to examine how the scanning and reconstruction parameters effect the quality imaging. While, some of the parameters increase the dose to the patient, we studied in which cases we have to modify them either for the benefit of the radiation protection or for the optimization of the quality imaging. Material and method. Our experiment was put into practice in conventional spiral CT (Philips 5000SR), using conventional scanning software ( slice-slice) and helical scanning at a phantom situable for quality control. We scanned the different parts of the phantom, by appling all the various combinations of the scanning and reconstruction parameters. We measured in all the images the noise, the spacial resolution and the low contrast resolution. Results. The spacial resolution is mainly influenced by the slice thickness and the reconstuction algorithm, while is less affected by the exposure parameters as far as it concerns patients with normal body mass. The noise of the image is greater at the center of the image and increases mostly when the exposure parameters are reduced. The low contrast resolution is improved by the increase of the exposure parameters and by the application of the suitable reconstruction algorithm. Conclusion. The reasonable choice of the scanning and reconstruction parameters results in the optimization of the quality imaging or in the best image with the less possible dose for the patient.

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Maschinelle Beatmung kann neben den gewünschten Effekten eine vorbestehende Lungenerkrankung weiter aggravieren und sogar das Lungenparenchym zuvor lungengesunder Patienten schädigen. Mit Hilfe der quantitativen Computertomographie (qCT) können pathologische Belüftungszustände und gegebenenfalls durch maschinelle Beatmung verursachte Schäden analysiert werden. Solche auf der qCT basierende Analysen der Lungenbelüftung werden jedoch potentiell durch CT-Akquisitions- und Bildrekonstruktionsparameter beeinflusst. Um die Ergebnisse vor allem von Analysen des überbelüfteten Lungenvolumens richtig bewerten zu können, müssen solche Einflüsse untersucht werden. Bei 10 Versuchstieren (Schweine) wurden bei einem konstanten Atemwegsdruck von 25 cm H2O zuerst bei gesunder Lunge und dann erneut nach experimenteller Lungenschädigung CT-Bildserien mit zwei unterschiedlichen Strahlendosen angefertigt. Von diesen Rohdaten wurden Bildserien mit unterschiedlichen Rekonstruktionsparametern angefertigt und in jeder dieser Bildserien das überbelüftete Lungenvolumen bestimmt. Sowohl die Schichtdicke, der Filter als auch die Stromstärke hatten einen signifikanten Einfluss auf das eigentlich konstante überbelüftete Lungenvolumen, der jedoch nur teilweise klinisch relevant war. Bei der Interpretation von Messungen des überbelüfteten Lungenvolumens sollten dennoch die Einflüsse der genannten Parameter beachtet und für Vergleichsuntersuchungen gleiche Parametereinstellungen verwendet werden. Eine Dosisreduktion scheint dabei für Messungen des überbelüfteten Lungenvolumens praktikabel.

Maschinelle Beatmung kann neben den gewünschten Effekten eine vorbestehende Lungenerkrankung weiter aggravieren und sogar das Lungenparenchym zuvor lungengesunder Patienten schädigen. Mit Hilfe der quantitativen Computertomographie (qCT) können pathologische Belüftungszustände und gegebenenfalls durch maschinelle Beatmung verursachte Schäden analysiert werden. Solche auf der qCT basierende Analysen der Lungenbelüftung werden jedoch potentiell durch CT-Akquisitions- und Bildrekonstruktionsparameter beeinflusst. Um die Ergebnisse vor allem von Analysen des überbelüfteten Lungenvolumens richtig bewerten zu können, müssen solche Einflüsse untersucht werden. Bei 10 Versuchstieren (Schweine) wurden bei einem konstanten Atemwegsdruck von 25 cm H2O zuerst bei gesunder Lunge und dann erneut nach experimenteller Lungenschädigung CT-Bildserien mit zwei unterschiedlichen Strahlendosen angefertigt. Von diesen Rohdaten wurden Bildserien mit unterschiedlichen Rekonstruktionsparametern angefertigt und in jeder dieser Bildserien das überbelüftete Lungenvolumen bestimmt. Sowohl die Schichtdicke, der Filter als auch die Stromstärke hatten einen signifikanten Einfluss auf das eigentlich konstante überbelüftete Lungenvolumen, der jedoch nur teilweise klinisch relevant war. Bei der Interpretation von Messungen des überbelüfteten Lungenvolumens sollten dennoch die Einflüsse der genannten Parameter beachtet und für Vergleichsuntersuchungen gleiche Parametereinstellungen verwendet werden. Eine Dosisreduktion scheint dabei für Messungen des überbelüfteten Lungenvolumens praktikabel.:Inhaltsverzeichnis 0 Abkürzungsverzeichnis 1 1 Einleitung 3 1.1 Ventilator-associated Lung Injury (VALI) 3 1.2 Computertomographie und Diagnostik von Lungenerkrankungen 5 1.3 Spiral-CT 9 1.4 Datenerfassung und Bildrekonstruktion 10 1.5 Grundlagen zur Dichtemessung 12 1.6 Einfluss von Filter und Schichtdicke auf das Bild 13 1.7 Einfluss von Filter und Schichtdicke auf die Analyse der pulmonalen Überbelüftung 15 1.8 Zielstellung 17 2 Materialien und Methodik 18 2.1 Versuchstiere 18 2.2 Überblick über den Versuchsablauf 18 2.2.1 Prämedikation und Narkoseführung 18 2.2.2 Induktion des Lungenschadens 20 2.2.3 CT-Scans und Bildrekonstruktionen 21 2.3 Segmentierung und volumetrische Analyse 22 2.4 Statistische Analyse 24 3 Ergebnisse 26 3.1 Einfluss von Schichtdicke, Filter und Stromstärke auf normale Lungen 26 3.2 Einfluss von Schichtdicke, Filter und Stromstärke auf geschädigte Lungen 34 3.3 Vergleich der automatischen und manuellen Segmentierung 38 4 Diskussion 40 4.1 Einfluss von Schichtdicke und Filter 42 4.2 Einfluss der Stromstärke 49 4.3 Einfluss der experimentell induzierten Lungenschädigung 53 4.4 Vergleich der Segmentierungssoftware 55 4.5 Diskussion der Methodik 55 4.6 Schlussfolgerung 58 5 Zusammenfassung der Arbeit 60 6 Literaturverzeichnis 63 7 Danksagung 77 8 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 78