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Praktikum "Mathematical Models in Biomedical Imaging"


Zusammenfassung

Dieses Praktikum beschäftigt sich mit verschiedenen mathematischen Problemen der Bildgebung innerhalb der Biologie und der Medizin. Es werden aktuelle Fragestellungen aus der Forschung vorgestellt, diskutiert, und von den Teilnehmern einzeln oder in kleinen Gruppen bearbeitet. Durch eine enge Kooperation mit dem Universitätsklinikum Münster, dem St. Franziskus Hospital Münster, dem Exzellenzcluster "Cells in Motion", dem Sonderforschungsbereich 656 Molekulare Bildgebung und dem European Institute for Molecular Imaging gibt es einen direkten Zugang zu realen Daten. Der interdisziplinäre Austausch mit den beteiligten Kooperationspartnern ermöglicht einen Einblick in die zu Grunde liegenden Prozesse der jeweiligen Bildgebungsmodalität.

Organisation

Vorläufige Themenauswahl:

Rekonstruktionsmethoden für die Magnetresonanztomographie (MRT)

In der Magnetresonanztomographie wird das Gewebe eines Probanden mittels starker Magnetfelder magnetisiert und die resultierenden Signale mit Hilfe von Spulen gemessen. Die gemessenen elektrischen Ströme sind als Rohdaten nicht direkt interpretierbar und müssen mittels mathematischer Methoden rekonstruiert werden. Innerhalb dieses Projekts soll unter anderem für ein existierendes Kleintier-PET/MR-Gerät Methoden und Algorithmen entwickelt bzw. implementiert werden um MRT-Daten zu rekonstruieren (siehe Abbildung, Quelle: Mediso). Das System besteht aus einem 1 Tesla Permanent-Magnet-MRT in Kombination mit einem hochauflösenden PET-System.

Segmentierung des menschlichen Herzens in der Magnetresonanztomographie (MRT)

Der plötzliche Herztod ist heutzutage immer noch eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Aus diesem Grund bemüht sich die medizinische Bildgebung möglichst genaue Diagnosen zu treffen, um den Patienten eine optimale Therapie zum richtigen Zeitpunkt anbieten zu können. Ein häufig herangezogener Indikator für Herzprobleme ist die sogenannte Ejektionsfraktion, die sich aus dem Pumpvolumen des Herzens bestimmen lässt. Sie sagt etwas über die Leistungsfähigkeit des Herzmuskels aus und ist wichtiger Parameter vieler Standarduntersuchungen. Zur Bestimmung der Ejektionsfraktion in MRT Daten muss ein Arzt manuell die Innenkontur des linken Ventrikels zu verschiedenen Zeitpunkten markieren. Dies ist eine umständliche und zeitintensive Arbeit, die man nach Möglichkeit automatisieren will. In diesem Projekt soll eine einsatzfähige Software für die klinische Forschung etabliert werden, die eine (semi-)automatische Segmentierung des Herzens aus MRT Daten ermöglicht (siehe Abbildung).



Listmode-Rekonstruktion in der Positronenemissionstomographie (PET)

Bei der Positronenemissionstomographie wird einem Probanden eine schwach-radioaktive Substanz injiziert, welche sich abhängig von ihrer molekularen Zusammensetzung in bestimmten Geweben oder Organen anreichert. Ein Detektorring misst bei einer PET-Untersuchung den radioaktiven Zerfall der eingesetzten Substanz und liefert somit wichtige Informationen über metabolische Prozesse, wie z.B. Tumorwachstum (siehe Abbildung, Quelle: Wikimedia). Normalerweise werden PET-Bilder aus Daten rekonstruiert, die in sog. Sinogramme sortiert sind. In diesen Sinogrammen verlieren sie allerdings ihre hohe zeitliche Auflösung, was insbesondere für die Nachbearbeitung (z.B. Bewegungskorrektur) von Nachteil ist. Neben der Sinogramm-basierten Rekonstruktion besteht auch die Möglichkeit, Bilder direkt aus den Rohdaten zu rekonstruieren, sog. Listmode-Rekonstruktion. Eine solche Methode soll für ein klinisches PET-System implementiert werden.



Vermessung von Aneurysmen in der Computertomographie (CT)

Ziel dieses Praktikums soll die Entwicklung eines Frameworks zur automatischen Segmentierung und Vermessung von Aneurysmen sein. Dies ist besonders schwierig, da das Gefäß zwar geweitet aber oft nicht mehr vollständig von Blut durchflossen wird (siehe Abbildung, Bildquelle: http://medipods.de). Der undurchflossene Teil ist dadurch kaum zur erkennen. Als Daten stehen uns anonymisierte CT Datensätze zur Verfügung, welche vom St. Franziskus Hospital gestellt wurden. Das Projekt ist klinisch von hoher Bedeutung, da anschließend eine Korrelation zwischen Volumen und postoperativen Entzündungserscheinungen bestimmt werden soll.



Kooperationspartner


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