SAVE the DATE: Rhinodiagnost-Abschlusssymposium

Das Abschlusssymposium von Rhinodiagnost am 9. Dezember 2020 wird unseren Kooperationspartnern und Forscherkollegen einen Überblick über die Projektergebnisse geben.

Wir laden zu einem inspirierenden Nachmittag mit Online-Präsentationen und Diskussionen ein.

Weitere Einzelheiten zur Veranstaltung, zur Anmeldung und zu den Vorträgen finden Sie auf der Veranstaltungswebsite.

Die Veranstaltungssprache ist Englisch.

Deutsche Versionen der Abstracts:

1 RWTHA Moritz Waldmann „Virtuelle Operationen der Nasenhöhle“
Eine gesunde nasale Atmung ist für das menschliche Wohlbefinden essentiell. Funktionsmängel, die durch anatomische Fehlstellungen verursacht werden, können zu einer Erhöhung des Atemwiderstandes und zu einer für die Lunge unzureichenden Befeuchtung und Erwärmung der Atemluft führen. Aus physikalischer Sicht erlauben die strömungsmechanischen Eigenschaften der Atmung, wie zum Beispiel der Druckverlust, die Wandschubspannungsverteilung und die Erwärmungsfähigkeit, eine Beurteilung der Nasenhöhlen. Ihre Analyse bietet neue Möglichkeiten zur Erweiterung der momentan verfügbaren diagnostischen Methoden, die häufig bei chirurgischen Entscheidungsprozessen eingesetzt werden. Da in-vivo Messungen der Strömungsmechanik nicht immer möglich und oft fehleranfällig sind, stellen Methoden der Computational Fluid Dynamics eine wertvolle Alternative dar. Zur Unterstützung der Ärzte bei der Entscheidungsfindung wird eine Software zur Simulation der Atemströmung und zur Durchführung von virtuellen Operationen zur Laufzeit entwickelt. Aus Computertomographie Abbildungen wird die Geometrie der Nasenhöhle extrahiert. Für die massiv parallele Simulation wird eine thermische Lattice-Boltzmann Methode (TLBM) verwendet. Um das Ergebnis einer virtuellen Operation in-situ zu analysieren, wird die TLBM mit einem Level-Set Solver gekoppelt. Letzterer ermöglicht zusammen mit einem Immersed-Boundary Ansatz die effiziente Durchführung anatomischer Veränderungen, die sich aus einer virtuellen Operation ergeben, durch Geometrieanpassung zur Laufzeit der Simulation unter Verwendung eines Level-Sets.
2 FZJ-JSC Christian Witzler „Ermöglichen von  webbasiertem interaktivem HPC für die Rhinologie“
Der Einsatz von Ressourcen eines Hochleistungsrechners kann recht schwierig sein, der Zugriff erfolgt in der Regel über die Kommandozeile. Für Fachwissenschaftler mit Informatik-Hintergrund ist dies kein Hindernis, aber für Nicht-Experten ist dies oft eine schwer zu überwindende Hürde. Mit einem webbasierten Serviceportal kann diese Einstiegshürde deutlich reduziert werden, indem ein Zugang geschaffen wird, der ohne zusätzliches Wissen genutzt werden kann und damit wesentlich benutzerfreundlicher ist. Darüber hinaus ist es möglich, diesen webbasierten Zugang zu nutzen, um für einen Anwendungsfall weitere Schwierigkeiten hinter einer individuellen Website zu verbergen. Diese Website kann dann die Möglichkeit bieten, Rohdaten hochzuladen und zu verarbeiten sowie Simulationen auf den Hochleistungsrechnern zu konfigurieren und zu starten. Darüber hinaus kann dann eine interaktive Visualisierung großer Datenmengen gestartet werden, und dank des serverseitigen Renderings müssen nur noch kleine Datenpakete übertragen werden. Diese stellen nur geringe Anforderungen an den Rechner des Benutzers in Bezug auf Bandbreite, Rechenleistung und Speicherplatz. Mit diesen Methoden wurde eine maßgeschneiderte Website entwickelt, die es erlaubt, Strömungssimulationen in Nasen ohne Spezialkenntnisse zu starten und auszuwerten.   
3 FZJ-JSC Andreas Franken/Jens Henrik Göbbert „Kollaborative virtuelle Realität für die Rhinologie“
Mit dem Betrachten von Visualisierungen wissenschaftlicher Daten in der virtuellen Realität (VR) wurde in den letzten Jahren Neuland betreten, die Einstiegshürde durch Anschaffung und Inbetriebnahme komplexer VR-Systemumgebungen wird dank neuster Techniken zunehmend weiter herabgesetzt. Vor dem Hintergrund der Einschränkungen durch die aktuelle Corona Pandemie und der Gefahr von Missdeutung der visualisierten Daten bei alleiniger Betrachtung, gewinnt das kollaborative Arbeiten in VR zunehmend an Bedeutung. Mit einer standardisierten, leicht zugänglichen und kollaborativen Anwendung für etablierte VR-Systeme kann hier entgegengewirkt werden. Durch Verwendung der Plattform Steam, welche weltweit überwiegend von Computerspielern verwendet wird, wird der Zugang zu einer zentralen Anwendung für das gemeinsame Arbeiten benutzerfreundlicher. Die Kommunikation der Teilnehmer per Sprache mittels Push-To-Talk wirkt hierbei möglichen Missverständnissen entgegen und vereinfacht die Diskussion über die gezeigten Daten. Darüber hinaus belegen Studien den Vorteil von Lernen in VR, da dem Gehirn eine komplexe Erfahrung geboten wird, welche neue Verknüpfungen in Bezug auf die gezeigten Informationen fördert. Die Vorteile der gemeinsamen Betrachtung in Verbindung mit der realistischen stereoskopischen Darstellung von Strömungssimulationen, sowie die dem Gehirn zuträgliche Erfahrung gegenüber der herkömmlichen zweidimensionalen Betrachtungsweise, erlaubt auch weniger erfahrenen Benutzern in der Rhinologie die Folgen von veränderteren Geometrien und den daraus resultierenden Strömungsverhältnissen zu bewerten.
4 AIT Koch/Lehner „Die Segmentierung von CT-Scans mithilfe künstlicher Intelligenz“
Für die Entwicklung eines Webdienstes zur Simulation der Luftströmung in den oberen Atemwegen sind zwei Voraussetzungen notwendig. Zum einen muss in kurzer Zeit ein 3D-Modell der Nasenhöhlen oder von Teilen davon erstellt werden und zum anderen muss ein Verfahren zur Strömungssimulation eingesetzt werden, das mit einem zeitlich und wirtschaftlich vertretbaren Aufwand aussagekräftige Ergebnisse liefert.  Manuelle Methoden zur Erstellung eines qualitativ hochwertigen 3D-Modells aller Nasenhöhlen können mehrere Stunden bis zu einem Arbeitstag in Anspruch nehmen. Im Rahmen des Rhinodiagnost-Projekts wurde eine Methode entwickelt, die anhand von DICOM-Bildern (Axialschnitte) den Bereich des menschlichen Schädels ermittelt, der dem von den Nasenhöhlen umschlossenen Luftraum entspricht. Zu diesem Zweck wurde ein künstliches neuronales Netz (CNN: Convolutional Neural Network) aufgebaut. Für den Deep Learning-Prozess reichte es aus, aus den Bildern von drei Patienten Trainingsdaten zu generieren. Einschließlich der Nachbearbeitung (z.B. Entfernen der Eustachischen Röhre) und der anschließenden Erstellung eines Oberflächennetzes für das 3D-Modell werden nun etwa 5 Minuten für die Bearbeitung auf einem herkömmlichen PC benötigt. Dieses Modell ist der Ausgangspunkt für für die CFD (Computational Fluid Dynamics) und kann auch für andere Prozesse wie beispielsweise den 3D-Druck der Nasenhöhlen eingesetzt werden. Neben der Zweiklassensegmentierung (Luft – Nichtluft) wurde im Rahmen des Projektes begonnen ein künstliches neuronales Netz zu entwickeln das eine Mehrklassensegmentierung zum Ziel hat um auch anatomische Strukturen (z.Bsp. eine Kieferhöhle) automatisch zu erkennen. Damit sollen automatische Volumensmessungen möglich werden, um den Grad der Schwellung in einer Nebenhöhle (Siebbeinzellen ausgenommen) feststellen zu können. Weitere neuronale Netze zum Erkennen der Zugänge zu den Nebenhöhlen (Ostien) oder Stellung der Nasenscheidewand (Septum) sind in Vorbereitung.   
5 AIT Benda/Ortiz „CFD Simulierung – ein Rhinodiagnost Service“
Ein Ergebnis des Rhinodiagnost-Projektes ist die Einführung eines Web-Services zur Simulation von Luftströmungen in der Nase. Ausgangspunkt sind die Schnittbilder (DICOM-Format) die im Rahmen einer CT- (Computer Tomographie) Untersuchung erhalten werden. Um sämtliche Höhlen und Verbindungen zwischen den Nasenhöhlen und deren Zugänge (Ostien) in einem Computermodell darstellen zu können sollte eine Dünnschicht-Computertomographie gewählt werden die eine Schichtdicke bis 0,5mm ermöglicht. Der Nutzer des Rhinodiagnost-Strömungssimulations (CFD)-Dienstes (CFD: Computational Fluid Dynamics) hat die Möglichkeit die einzelnen Schichtbilder (DICOM-Images) auf einen PACS-Server (PACS: Picture Archiving and Communication System ) über das Internet hochzuladen (bei einer Schichtdicke von 0,6mm entstehen bei der Computertomographie ca. 250 Schnittbilder.) und bei Bedarf auch anonymisieren zu lassen. Dieser Server ermöglicht das Betrachten der einzelnen Bilder (Axial-Schnitte) und gibt die Daten an ein künstliches neuronal Netz weiter, das in der Folge in den Bildern jene Bereiche bestimmt die den Nasenhöhlen zuzuordnen sind. Aus diesen Bildern wird ein 3D-Modell erzeugt („Marching Cube“-Algorithmus) wobei man noch einige Parameter wie Glättung der Oberfläche oder die Anzahl der Zellen in dem 3D-Modell auswählen kann. Bei ca. 250 Schnittbildern wir in etwa 4 Minuten eine 3D-Modell der Nasenhöhlen erzeugt welches mittels eines Standard-Web-Browsers angesehen werden kann. Dabei können Schnittbilder durch das 3D-Modell entlang der verschiedenen Achsen (sagittal, axial, coronar) angesehen werden und auch verschieden Teile des 3D-Modells Z.Bsp. Nasennebenhöhlen) werden – soweit diese durch das künstliche neuronale Netz bestimmt werden konnten – farblich hervorgehoben. Dieses 3D-Modell kann nun auch über einen 3D-Drucker gedruckt werden, oder auf den eigenen PC als STL-Datei (STereoLithography) heruntergeladen werden. Vor allem dient dieses der Strömungssimulation (CFD-simulation) zur Darstellung der Luftströmung in der Nase. Um eine Simulation in einem ökonomisch vertretbaren Rahmen zu halten wird im Rahmen diese Services das Strämungsverhalten zu einem bestimmten Zeitpunkt im Atemzyklus (steady flow) berechnet; dabei wird das Druck- und Strömungsverhalten anhand von farblichen Linien dargestellt. Der Einfluss von Temperatur, Feuchtigkeit oder Reibung an der Nasenwand wird hier nicht berücksichtigt. Mit diesen Einschraenkungen kann mit einem einfachen Strömungsmodell innerhalb von ca. einer Stunde eine CFD-Simulatioin durchgeführt werden und deren Ergebnisse über einen Web-Browser inspiziert werden. Es wird auch ein CFD-Analysereport generiert der auf den PC heruntergeladen oder ausgedruckt werden kann.   
6 SUTTER Klaus Vogt, Klaus-Dieter Wernecke,Anita Bergmane „Systemanalyse rhinologischer Funktionsprüfungen“
Für diagnostische Verfahren muss der Nachweis erbracht werden, dass sie erstens der physiologischen Aufgabe angepasst sind und zweitens als Werkzeug die notwendigen Anforderungen an ein Messmittel mitbringen. Für die Diagnostik der nasalen Obstruktion ist sowohl die Messung der Beziehung von Volumenstrom (Flux) durch die Nase und narino-choanalem Differenzdruck als Strömungswiderstand erforderlich als auch die Herstellung einer Beziehung zur subjektiven Empfindung einer behinderten Nasenatmung. Hierzu wurden 4-Phasen-Rhinomanometrie (4PR) und PNIF miteinander verglichen. Die Reproduzierbarkeit der Messungen wurde sowohl in vitro als auch in vivo geprüft. Für die 4-Phasen-Rhinomanometrie wurde durch die gleichzeitige Messung des Obstruktionsempfindens auf einer visuell-analogen Skale die Beziehung zur Subjektivität hergestellt. Für die 4PR wurde in jedem Falle eine hohe Übereinstimmung der Messungen sowohl am Probanden als auch am Simulator hergestellt. Durch die logarithmische Transformation der Messwerte wird eine statistisch hohe Korrelation zur Empfindung der Obstruktion ermöglicht (Weber-Fechner´sches Gesetz). Auch PNIF (Peak Nasal Inspiratory Flow) erbringt eine hohe Reproduzierbarkeit der Messergebnisse, ist aber als Messmittel für den nasalen Atemstrom komplett abzulehnen, weil der elastische Verschluss der Nase durch einen maximalen Inspirationsstrom physiologisch provoziert wird und daher grundsätzlich den Schnief-Effekt hervorrufen muss. In einer zweiten Studie wurde getestet, ob die Parameter Arbeit und Leistung für diagnostische Zwecke angewendet werden können: Dies wird nicht empfohlen, weil beide Parameter von der Atemtiefe und dem nasalen Widerstand abhängen. Beide Studien verwandten komplexe Methoden der Mess-Systemanalyse (measurement system analysis – MSA) mit dem Ziel, den fraglichen Prozess zu kontrollieren und zu bewerten. Die entscheidenden Verfahren der MSA beziehen sich auf die Erfassung der Gesamtvariabilität des Prozesses und umfassen zweifaktorielle Varianzanalysen und R Kontrollkarten.   
7 SUTTER,MEDCONTACT Christopher Kohn, Klaus Vogt, Matthias Prill,David LangEntwicklung und erste Testergebnisse eines neuen 4-Phasen-Rhinomanometers“
Die Entwicklung von Fertigungstechniken für die in der Medizintechnik typischen kleinen Stückzahlen war das im Rhinodiagnostprogramm vereinbarte Ziel von MedContact. Hierzu wurde beispielhaft die Entwicklung eines funktionsfähigen neuen Rhinomanometers angestrebt. Das Ziel war ein kabelloses Gerät mit Bluetooth-Datenübertragung. Durch Anwendung sterilisierbarer A Strömungssensoren fallen Filter weg und der Eigenwiderstand des Gerätes wird minimiert. Die Software des Vorgängers 4RHINO wurde angepasst. Durch das Konzept wird der Einsatzbereich vor allem in der Schlafmedizin und Allergologie deutlich erweitert. Die Voraussetzungen für die Herstellung einer speziellen Spritzgussform wurden dadurch geschaffen, dass ein 6-teiliges Gehäuse-Set im 3D-Druck konzipiert und hergestellt wurde und schrittweise der Aufgabe angepasst wurde. Der nachträgliche Einbau einer Vorrichtung zur Elastographie der Nasenwand ist vorgesehen. Hierzu sind auch analoge Ausgabekanäle in der Elektronik vorgesehen.   
8 SUTTER Klaus Vogt, Liga Akmenkalne, Lucas van Boemmel „Elastographie und Elastometrie der seitlichen Nasenwand“
Die seitliche Nasenwand ist der bewegliche Teil der so genannten „Nasenklappe“, über deren Funktion viel diskutiert wird, die vielen operativen Schritten unterliegt , die aber nie physikalisch korrekt definiert wurde. Es war daher notwendig, ihre Beweglichkeit in Abhängigkeit von Flux und Druck des Atemstromes zu untersuchen. Wegen der erwarteten geringen Auslenkung in niederen Strömungsbereichen mussten hierzu ein geeignete Meßverfahren gefunden werden, die eine zuverlässige Messung unter realen Bedingungen zulassen. Neben der vergleichsweise teuren Laserabstandsmessung (Mikro-Epsilon) und optischen Verfahren (ToF-Messungen) hat sich hier als sehr genau die Messung mit Dehnungsmessstreifen herausgestellt, womit die Elastographie als Messmethode in vivo kreiert werden konnte. Unerwarteter Weise hat sich bei der beidseitigen simultanen Messung von Druck, Flux und Auslenkung gezeigt, dass bereits in ruhiger Atmung eine eindeutige Auslenkung der Nasenflügel in unterschiedlichem Maße regelhaft zu messen ist. Die respiratorische Beweglichkeit der Nasenflügel hängt erwartungsgemäß von der geometrischen Form der Nasenflügel als auch von ihrer mechanischen Beschaffenheit ab. Es wurde daher ein Messinstrument konstruiert, mit welchem die Kompressibilität der seitlichen Nasenwand gemessen werden kann. Erste Ergebnisse dazu werden demonstriert.   
9 SUTTER Klaus Vogt, Eliza Poikane, Patricia Neumaier, Marta Ievina „Die subjektive Empfindung des Atemwiderstandes der Nase“
Zahlreiche Publikationen beschäftigen sich mit der Beziehung zwischen dem objektive gemessenen Strömungswiderstand der Nase und dessen subjektiver Empfindung. Nur ausnahmsweise wurde das Weber-Fechner´sche Gesetz über den logarithmischen Zusammenhang zwischen Reiz und Empfindung dazu herangezogen. Die 4-Phasen-Rhinomanometrie berücksichtigt diesen Zusammenhang. Unklar ist, in welchem Bereich überhaupt derartige Empfindungen wahrgenommen werden können. Es wurde daher ein einfacher Simulator hergestellt, mit welchem nacheinander durch Löcher verschiedener Größe in einem 3.5 mm starken Lochstreifen geatmet wird. Es wird notiert, ob der Unterschied sicher, vielleicht oder gar nicht empfunden wird. Der Bereich von 3.5 bis 8.5 mm Durchmessern entspricht dabei allen Nasenwiderständen, die in Messungen am Patienten von uns klinisch in 36.500 Messungen klassifiziert werden konnten. Es zeigt sich, dass zwischen Löchern im Bereich von 3-6 mm Durchmesser Unterschiede noch gut wahrgenommen werden, bei größeren Durchmessern aber keine sicheren Unterschiede mehr wahrgenommen werden. Dies kann bei der operativen Indikation eine wichtige Rolle spielen. Eine statistisch relevante Anzahl von Untersuchungen ist noch nicht beendet.