Medical Engineering
Medical Imaging
Faserverfolgung im Gehirn mittels diffusionsgewichteter
Magnetresonanztomografie
Moderne Bildverarbeitung hat Forschung, Diagnose und Therapie in der Medizin revolutioniert. Mathematik ermöglicht, aus den Rohdaten der Geräte interpretierbare Bilder zu erstellen und die Auswertung zu vereinfachen oder überhaupt zu
ermöglichen. Matheon leistet hierzu in Kooperation mit Partnern aus der medizinischen Forschung exzellente Beiträge.
Zentrale Problemstellungen dabei sind Bildrekonstruktion, Aggregation der Bildinformation sowie statistische Analyse der Bilddaten.
Neue Algorithmen aus Matheon zielen vor allem auf eine Verbesserung der Bildeigenschaften im Sinne des Signal/Rausch-Verhältnisses bei maximaler Strukturerhaltung sowie auf eine effiziente automatische Extraktion von Charakteristika
aus den Rohdaten. Mittels der Entwicklung und des Einsatzes innovativer Strategien für adaptive Glättung und unter maximaler Ausnutzung der Besonderheiten des bildgebenden Verfahrens (fMRI, DTI, CT, PET etc.) werden
so optimale Bedingungen für die medizinische Diagnostik und Therapie geschaffen.
Virtuelle Patienten
Virtueller Patient: 3D-Planungsmodell für die
Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie
Für die Entwicklung und den Einsatz moderner Therapieformen ist eine quantitativ zuverlässige Abschätzung des therapeutischen Ergebnisses wesentlich. Matheon unterstützt dies durch die Konstruktion virtueller Patienten, die die Geometrie anatomischer Strukturen
repräsentieren und es ermöglichen, physikalische und physiologische Prozesse simulativ nachzubilden.
Zur Gewinnung der Geometrie aus medizinischen Bilddaten werden in Matheon atlasbasierte Segmentierungsverfahren entwickelt, die statistisches Formwissen nutzen und somit ohne manuelle Eingriffe auskommen.
Diese Algorithmen sind derzeit weltweit führend und wurden bereits mehrfach international ausgezeichnet.
Die mechanische Belastung von Gelenken ist ein entscheidender Faktor etwa für die Frakturheilung oder den Abrieb von Gelenkimplantaten. Matheon entwickelt schnelle Algorithmen für die verlässliche Berechnung
der auftretenden Kräfte, nicht nur im stationären Fall, sondern auch für komplexere Bewegungsabläufe.
Die Untersuchung von Stoffwechselerkrankungen erfordert ein systembiologisches Verständnis der Vorgänge im Organismus auf unterschiedlichen Ebenen. In Matheon werden anhand experimenteller Daten mathematische Modelle entwickelt, die quantitative
und mechanistische Vorhersagen über komplexe Lebensprozesse und Therapieansätze erlauben.
Individuelle Therapieoptimierung
Optimierte Temperaturverteilung in der Hyperthermie
Schwierige und aufwendige Therapien müssen für den bestmöglichen Erfolg patientenspezifisch optimiert werden. Eine manuelle Planung führt jedoch bei vielfältigen Variationsmöglichkeiten und komplexen Zusammenhängen häufig zu unbefriedigenden
Resultaten. In Matheon werden spezialisierte Optimierungsalgorithmen entwickelt, die auf der Grundlage individueller Patientenmodelle optimale Therapieparameter vorschlagen.
So hängt bei der regionalen Hyperthermie der Therapieerfolg entscheidend von der Realisierung der optimalen Temperaturverteilung im Körper des jeweiligen Patienten ab. Hierbei wird die Wärmeenergie
vom Körper aus einem Interferenzfeld von Radiowellen aufgenommen. Um die für eine optimale Temperaturverteilung benötigten Amplituden und relativen Phasen der Antennen zu bestimmen, wurden speziellen Algorithmen entwickelt.
Bei der chirurgischen Rekonstruktion knöcherner Gesichtsstrukturen bestimmt die Formgebung von Implantaten wesentlich die visuelle Erscheinung des Patienten. Anhand einer vorgegebenen Gesichtsform
berechnen Wissenschaftler des Matheon die optimale Form des Implantats.
Interaktive Visualisierung
Interaktive Visualisierung in Kombination mit innovativen
Benutzerschnittstellen erlauben dem Chirurgen Planungsvorgaben
intraoperativ umzusetzen
Chirurgische Knochenschnittplanung am virtuellen Patienten
Damit die hier beschriebenen Verfahren – von der Bildgebung über die Patientenmodellierung bis hin zur Simulation – in der Klinik einsetzbar werden, bedarf es intuitiv bedienbarer Arbeitsumgebungen.
In diesen Software-Umgebungen müssen sich alle Arbeitsschritte unter visueller Kontrolle und möglichst interaktiv durchführen lassen.
Aufbauend auf der am ZIB entwickelten Software Amira werden derartige Arbeitsumgebungen für verschiedene Anwendungen maßgeschneidert. Hierbei werden modernste Methoden der computergrafischen Visualisierung und des Designs von Interaktionsschnittstellen verwendet.
Referenzen
Wir haben bereits mit einer Reihe namhafter Unternehmen der Medical Engineering-Branche und ihres unmittelbaren Umfeldes erfolgreiche Kooperationsprojekte zu verschiedenen praxisrelevanten Themen durchgeführt. Hier eine Auswahl:
- 1000shapes GmbH, Berlin
- Bernstein Center for Computational Neuroscience (BCCN) Berlin
- Charité - Universitätsmedizin Berlin
- Karolinska Institutet, Stockholm (SE)
- Hannover Medical School MHH
- Medical University of Vienna (AT)
- Istituto Ortopedica Rizzoli di Bologna (IT)
- Pfizer Inc. Research & Development, Sandwich (UK)
- Philips Research Hamburg
- Stryker Osteosynthesis, Freiburg
- Stryker Trauma, Kiel
- Universitätsklinikum Köln
- Universitätsklinikum Münster
- Universitätsspital Basel (CH)
- Visage Imaging GmbH, Berlin
Nutzen auch Sie unser Können für einen effizienteren Weg zu Innovationen!
