Bachelor's Thesis

Segmentation of CT data to evaluate the accuracy of a commercial tool and measure cochlear length

Final Thesis 21.79 MB Appendix 13.82 kB

Author of thesis: Terezie Vašutová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Šíma

Reviewer: Ing. Jiří Chmelík, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis focuses on two closely related steps in the preoperative planning of cochlear implants: cochlear segmentation from CT scans and the subsequent determination of the cochlear duct length (CDL). The aim was, on the one hand, to compare the accuracy of three segmentation approaches (manual, semi-automatic, and automatic in OTOPLAN software) and, on the other hand, to implement and evaluate computational methods for estimating cochlear length. The analysis was performed on clinical data from 28 pediatric patients (53 ears). In the first part of the evaluation, spatial metrics demonstrated high agreement between manual and fully automatic segmentation (mean Dice coefficient 0.89; ASSD 0.15 mm). The second part of the study focused on the extraction of cochlear geometric parameters, the calculation of CDL using several mathematical models, and a comparison with the commercial OTOPLAN software. Statistical testing confirmed that while no significant differences were found between the automatic and semi-automatic methods for the basal spiral diameter (parameter A) and CDL determined by OTOPLAN software, the chosen method has a demonstrable effect on the results for other dimensions. The custom algorithms we implemented, which utilize principal component analysis (PCA) among other methods, showed that mathematical surface models predict different—and generally lower—length values than direct 3D measurements based on spatial trajectory. The results of this study demonstrate that automatic segmentation is a fast and reliable tool for clinical practice, while the determination of cochlear length remains sensitive to the measurement methodology used, the reference anatomical level, and the chosen mathematical model.

Keywords:

cochlea segmentation, cochlear implant, OTOPLAN, 3D Slicer, cochlear duct length, preoperative planning, pediatric patients

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka prezentovala výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Dr. Chmelík položil otázku navrhovala vaše metoda kratší nebo delší elektrodu oproti softwaru OTOPLAN. Dr. Šaclová položila otázku zda bude navržená metoda používána v nemocnici. Studentka obhájila bakalářskou práci a odpověděla na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Černý, Ph.D. (předseda)
Ing. Helena Vítková, Ph.D. (místopředseda)
MUDr. Michal Jurajda, Ph.D. (člen)
Ing. Oto Janoušek, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Chmelík, Ph.D. (člen)
Ing. Lucie Šaclová, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jan Šíma

Bakalářská práce Terezie Vašutové se zabývá analýzou a vyhodnocením segmentace kochley z CT snímků se zaměřením na stanovení anatomických parametrů a podporu výběru elektrody pro kochleární implantaci. Práce je logicky členěna do jednotlivých kapitol, které postupně představují teoretická východiska, problematiku segmentace, použité metody měření, zpracovávaný dataset, metodiku, výsledky, diskuzi a závěr. Rozsah práce činí přibližně 54 stran vlastního textu, což lze hodnotit jako nadprůměrné zpracování bakalářské práce. Teoretická část poskytuje podrobný přehled anatomie a fyziologie vnitřního ucha, segmentačních metod a klinického využití získaných parametrů. Místy však působí spíše jako učebnicový přehled a některé pasáže by mohly být více zaměřeny na kritické zhodnocení současného stavu poznání a přímou vazbu na řešenou problematiku. V praktické části studentka popisuje zpracování reálných klinických dat, metodiku segmentace a následné vyhodnocení anatomických parametrů. Kladně hodnotím vlastní implementaci algoritmů v prostředí Python, výpočet parametrů kochley včetně délky kochleárního duktu (CDL), simulaci zavedení elektrod a návrh algoritmu pro predikci vhodného typu elektrody. Metodika je popsána srozumitelně a výsledky jsou vhodně prezentovány pomocí tabulek, grafů a statistických testů. Za drobný nedostatek považuji absenci souhrnného schématu workflow zpracování dat, které by přispělo k lepší orientaci čtenáře v jednotlivých krocích analýzy. Z formálního a jazykového hlediska je práce na velmi dobré úrovni. Text je zpracován dobře v systému LaTeX a obsahuje kvalitně zpracované obrázky a tabulky. Práce využívá přibližně 57 odborných zdrojů, přičemž převážná část citované literatury pochází z posledních let. Studentka čerpá z relevantních medicínských, radiologických i technických publikací.  Za největší přínos práce považuji její praktickou využitelnost. Analýza byla provedena na reálných klinických datech 28 pediatrických pacientů, přičemž bylo prokázáno dosažení vysoké shody automatické segmentace s manuálním zpracováním. Navržený algoritmus pro výběr elektrody dosáhl téměř 70% shody s doporučeními systému OTOPLAN a výsledky mají potenciál pro praktické využití při plánování kochleárních implantací. Studentka zároveň korektně diskutuje omezení práce, zejména velikost datasetu, kvalitu vstupních CT dat a vliv manuálních zásahů při zpracování. Pozitivně hodnotím také její zájem o problematiku a strávený čas v ambulanci při nastavování kochleárních implantátů, což prohloubilo její znalosti souvislostí v praxi. Studentka při řešení prokázala schopnost samostatné odborné práce, osvojila si pokročilé metody zpracování obrazových dat a vytvořila několik vlastních algoritmů s potenciálním klinickým využitím. Zadání práce považuji za splněné ve všech bodech. Práci hodnotím jako nadprůměrnou bakalářskou práci s výrazným vlastním přínosem a navrhuji hodnocení 96 bodů, známka A. Points proposed by supervisor: 96

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jiří Chmelík, Ph.D.

Předložená bakalářská práce se zabývá analýzou přesnosti segmentačních přístupů pro segmentaci kochley z CT dat a následnou analýzou vlivu přesnosti segmentace na přesnost odhadu délky kochleárního kanálu pro účely volby optimální délky elektrody kochleárního implantátu. Na základě literární rešerše jsou v práci zvoleny a otestovány 3 segmentační přístupy, které jsou vyhodnoceny podle několika vhodně zvolených metrik. Dále jsou různé výsledky segmentace využity pro odhad 3 anatomických parametrů kochley a jejich vliv je objektivně vyhodnocen. Dále byly implementovány a porovnány 4 metody odhadu délky kochleárního kanálu, a to na úrovni Cortiho orgánu a na úrovni laterální stěny. Veškeré výsledky byly také detailně statisticky vyhodnoceny a diskutovány včetně limitací, což hodnotím velmi kladně. Po formální, prezentační i odborné stránce je práce na velmi dobré úrovni. Drobné výhrady mám pouze k občasnému neodbornému vyjadřování (např.: anatomické parametry A, B, H jsou nazvány body, ačkoliv jde o přímky). Studentka ve své práci využila velkého množství relevantních literárních zejména zahraničních zdrojů. Odkazy na reference jsou ale v drtivé většině případů umístěny za celými odstavci, a často i více zdrojů najednou, což není standardní a znemožňuje přesně identifikovat, která část textu pochází ze kterého zdroje. I přes uvedené výtky se však jedná o velmi kvalitní bakalářskou práci, kde studentka porovnala velké množství různých výsledků, navrhla vlastní možnosti měření včetně rozsáhlých statistických analýz, a prokázala tak schopnosti řešit reálné klinické problémy. Zadání práce považuji za splněné a celkově hodnotím práci stupněm A (92 bodů). Points proposed by reviewer: 92

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová