Eignung und Unsicherheiten geometrischer und fluiddynamischer Parameter zur Rupturrisikoabschätzung zerebraler Aneurysmen
Creators: name: Schetelig, Daniel
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2020
Subjects: subject: Aneurysm
subject: Image processing
subject: IMAGE REGISTRATION
subject: Phantoms, Imaging
subject: image analysis
classificationCode: 570
subject: Biowissenschaften, Biologie

description: Zerebrale Aneurysmen sind krankhafte Aussackungen von Blutgefäßen im Gehirn, die bei Ruptur starke Schädigungen - von motorischen und kognitiven Ausfällen bis hin zum Tod - verursachen können. Die Wahl einer geeigneten Therapie eines diagnostizierten Aneurysmas wird derzeit maßgeblich von der Größe und Lokalisation des Aneurysmas abhängig gemacht. Hingegen werden hämodynamische und mechanische Eigenschaften des Gefäßsystems für die Risikoeinschätzung der Aneurysmen in der klinischen Praxis gegenwärtig nicht genutzt, könnten aber gerade für die Beurteilung kleiner Aneurysmen von großem diagnostischen Wert hinsichtlich der Einschätzung von Entstehung, Wachstum und schlussendlich auch Ruptur sein. Weiterhin ist ein wesentliches Problem beim Verständnis von Aneurysmen hinsichtlich der genauen Mechanismen, die zu einer Ruptur führen, dass von einzelnen Aneurysmenstrukturen nur wenige Bilddatensätze zu verschiedenen Zeitpunkten existieren. Die verschiedenen Entwicklungsstufen eines einzelnen Aneurysmas können also nur schwierig analysiert werden, sodass Thesen hinsichtlich der bedingenden Faktoren von Entwicklung und Ruptur nur schwierig formuliert und verifiziert werden können. Diese Problematik stellte die Motivation für die vorliegende Arbeit dar. Sie beschäftigt sich mit der genauen Berechnung geometrischer Deformation von Aneurysmen, der zuverlässigen Berechnung fluidmechanischer Parameter sowie einer prognostizierten zeitlichen Entwicklung von Aneurysmenstrukturen. Typischerweise stehen in diesem Forschungsfeld nur begrenzt Ground-Truth-Datensätze (dt. etwa Grundwahrheit, ein empirisch erhobener, zur Validierung genutzter, Datensatz) zur Verfügung, weshalb ein wesentlicher Fokus dieser Arbeit in der Entwicklung eines Hardwarephantoms besteht. Das Phantom stellt die strömungsmechanischen Charakteristika eines Aneurysmas und Materialeigenschaften der Gefäßwand nach und dient für alle vorgestellten Studien als Ground-Truth-Datensatz. Das Flussphantom wurde mit verschiedenen Bildgebungsmodalitäten (MRT, CT, DSA) vermessen, sodass medizinische Bilddaten (für die in diesem Forschungsfeld üblichen Bildgebungsmodalitäten) vorliegen, welche die Geometrie und geometrische Verformung abbilden. Zunächst wurden diese Daten genutzt, um eine verlässliche Methode zur zuverlässigen Berechnung von Volumen und Deformation der Aneurysmengeometrien zu entwickeln. Zwar wurde in vorherigen Studien bereits versucht, auf Basis von zeitlich aufgelösten Bilddaten die Pulsation von Aneurysmen zu quantifizieren, allerdings wurde auf Artefakte der genutzten Bildgebungsmodalitäten nicht eingegangen. Folglich ist nicht klar, inwieweit die gemessenen Werte einer wahren Deformation entsprechen. Zudem wurden in den vorherigen Studien keine Ground-Truth-Datensätze für die Verifizierung der generierten Ergebnisse genutzt, was die Verlässlichkeit hinsichtlich der quantifizierten Werte offen lässt. Um sich der verlässlichen Berechnung fluidmechanischer Parameter zu nähern, wurde unter Nutzung des Ground-Truth-Datensatzes ein strömungsmechanisches Berechnungssetup aufgesetzt, das eine zuverlässige Simulation und Berechnung fluidmechanischer Parameter ermöglicht. Dabei wurde die zuvor erlangte Kenntnis genauer Phantom-Geometrie, Deformation und strömungsmechanischer Randbedingungen (Einströmgeschwindigkeit, etc.) genutzt, um die berechneten Ergebnisse zu verifizieren. Auf Basis von diesem Berechnungssetup konnten patientenspezifische Geometrien, die im Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (Klinik und Poliklinik für Neuroradiologische Diagnostik und Intervention) erhoben wurden, simuliert werden und Parameter, die in vorherigen Studien mit einem erhöhten Rupturrisiko korrelierten, ausgewertet werden. Dies wurde im Sinne einer Parameterstudie durchgeführt, die zum Ziel hatte, Randbedingungen zu identifizieren, die einen verfälschenden Einfluss auf die produzierten Ergebnisse haben können. Die teilweise Widersprüchlichkeit, die sich in gegenwärtig veröffentlichter Studien findet, könnte auf dieser Basis zu erklären sein. Darüber hinaus wurden verschiedene Entwicklungsstadien von Aneurysmen konstruiert und die geometrische Form simuliert, sodass die sich über den Entwicklungsprozess ändernden strömungsmechanischen Eigenschaften analysiert werden konnten.
description: Cerebral aneurysms are abnormal bulges of blood vessels in the brain that, if ruptured, can cause severe damage - from motor and cognitive failure to death. The choice of a suitable therapy for a diagnosed aneurysm is currently largely dependent on the size and location of the aneurysm. In contrast, hemodynamic and mechanical properties of the vascular system are not currently used in clinical practice for the risk assessment of aneurysms, but could be of great diagnostic value, especially for the assessment of small aneurysms with regard to the assessment of formation, growth and ultimately rupture. Furthermore, a major problem in understanding aneurysms with regard to the exact mechanisms leading to rupture is that only a few image data sets of individual aneurysm structures exist at different points in time. The different developmental stages of a single aneurysm are therefore difficult to analyze, making it difficult to formulate and verify propositions regarding the factors that determine development and rupture. This problem was the motivation for this work, which is why we worked on the exact calculation of geometric deformation of aneurysms, the reliable calculation of fluid-mechanical parameters and a extrapolated temporal development of aneurysm structures. Typically, only limited ground-truth data sets are available in this field of research. Therefore, the goal for this work was to base the analysis on verifiable datasets as much as possible, which motivated the development of a hardware phantom. The phantom simulates the fluid-mechanical characteristics of an aneurysm and material properties of the vessel wall and serves as a ground truth data set for all studies presented. The flow phantom was measured with different imaging modalities (MRI, CT, DSA), so that medical image data (which are common in this research field) are available, which represent the geometry and temporal geometric deformation. First, these data were used to develop a reliable method for the calculation of volumes and deformation of aneurysm geometries. Although previous studies have tried to quantify aneurysm pulsation based on temporally resolved image data, artifacts of the used imaging modalities have not been addressed, so it is not clear to what extent the measured values correspond to a true deformation. In addition, in previous studies no ground-truth data sets were used to verify the generated results, which leaves the reliability regarding the quantified values open. In order to approach the reliable calculation of fluid mechanical parameters, a fluid mechanical calculation setup was set up using the Ground-Truth data set, which enables a reliable simulation and calculation of fluid mechanical parameters. The previously acquired knowledge of exact phantom geometry, deformation and fluid mechanical boundary conditions (inflow velocity, etc.) was used to verify the calculated results. Based on this calculation setup, patient-specific geometries, which were collected at the University Medical Center Hamburg-Eppendorf (Clinic and Polyclinic for Neuroradiological Diagnostics and Intervention), could be simulated and parameters, which correlated with an increased risk of rupture in previous studies, could be evaluated. This was carried out in the sense of a parameter study with the aim of identifying boundary conditions that could have a falsifying influence on the produced results, which could explain the partial contradiction of currently published studies. In addition, different developmental stages of aneurysms were constructed and the geometric shape was simulated so that the fluid mechanical properties that change over the development process could be analysed.