Mielebacher Algorithmen zur Gefäßerkennung für die Koronarangiographie mit Synchrotronstrahlung

2010
ISBN: 978-3-8348-9647-6
Verlag: Vieweg & Teubner
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 160 Seiten, eBook

Anhand der Anwendungsszenarien Koronarscreening und Blutflussmessung untersucht Jörg Mielebacher die Eigenschaften der wichtigsten auftretenden Bildinhalte, also der Blutgefäße, Herzinnenräume und Herzmuskel.

Jörg Mielebacher studierte Medizinische Informatik an der Universität Heidelberg und promovierte am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Universität Siegen.

Zielgruppe

Research

Autoren/Hrsg.

Mielebacher, Jörg

Inhaltsverzeichnis

1;Danksagung;6
2;Inhaltsverzeichnis;7
3;Abbildungsverzeichnis;9
4;Tabellenverzeichnis;12
5;Algorithmenverzeichnis;13
6;Kapitel 1 Einleitung;14
7;Kapitel 2 Grundlagen;18
7.1;2.1 Medizinische Grundlagen;19
7.1.1;2.1.1 Das menschliche Herz-Kreislauf-System;19
7.1.1.1;2.1.1.1 Das Gefäßsystem;19
7.1.1.2;2.1.1.2 Das Herz;20
7.1.1.3;2.1.1.3 Die Blutversorgung des Herzens;21
7.1.2;2.1.2 Die Koronare Herzkrankheit;22
7.1.3;2.1.3 Apparative Standardverfahren der Herzdiagnostik;23
7.1.3.1;2.1.3.1 Elektrokardiogramm;23
7.1.3.2;2.1.3.2 Echokardiographie;23
7.1.3.3;2.1.3.3 Röntgenuntersuchungen;24
7.1.3.4;2.1.3.4 Computertomographie;24
7.1.3.5;2.1.3.5 Kernspintomographie;24
7.1.3.6;2.1.3.6 Herzkatheteruntersuchungen;25
7.1.3.7;2.1.3.7 Nuklearmedizinische Verfahren;26
7.1.4;2.1.4 Besonderheiten des Schweineherzens;26
7.2;2.2 Technik der Koronarangiographie mit Synchrotronstrahlung;27
7.2.1;2.2.1 Ursprung;27
7.2.2;2.2.2 Aufnahmeprinzip;27
7.2.3;2.2.3 Messanordnung;31
7.2.4;2.2.4 Kontrastmittelgabe;33
7.2.5;2.2.5 Transmissionsaufnahmen;33
7.2.6;2.2.6 Time Projection Imaging (TPI);35
7.3;2.3 Datenmaterial;35
7.3.1;2.3.1 Überblick;35
7.3.2;2.3.2 Messungen an Phantomen;37
7.3.3;2.3.3 Messungen an Schweineherzen;39
7.3.4;2.3.4 Simulierte Daten;42
8;Kapitel 3 Vorverarbeitung;44
8.1;3.1 Eigenschaften der Rohdaten;45
8.1.1;3.1.1 Grundlegende Eigenschaften;45
8.1.2;3.1.2 Defekte Detektorkanäle;45
8.1.3;3.1.3 Unterschiedliche Kennlinien der Detektorkanäle;46
8.1.4;3.1.4 Ortsabhängigkeit der Strahlintensität;49
8.1.5;3.1.5 Zeitabhängigkeit der Strahlintensität;51
8.1.6;3.1.6 Diskretisierungseffekte;51
8.1.7;3.1.7 Rauscheffekte;52
8.1.8;3.1.8 Winkeldivergenz der Fächerstrahlen;53
8.2;3.2 Korrekturverfahren;55
8.2.1;3.2.1 Zielsetzung und Vorgehen;55
8.2.2;3.2.2 Korrektur defekter Detektorkanäle;57
8.2.3;3.2.3 Normierung der Kanalkennlinien;57
8.2.4;3.2.4 Unterdrückung von Schwankungen der Strahlintensität;59
8.3;3.3 Logarithmische Subtraktion;61
8.3.1;3.3.1 Ein.uss der Korrekturverfahren;61
8.3.2;3.3.2 Subtraktion korrigierter Teilaufnahmen;62
8.3.3;3.3.3 Berücksichtigung der Winkeldivergenz;63
8.3.4;3.3.4 Nachbearbeitung der Subtraktionsaufnahmen;64
9;Kapitel 4 Bildinhalte;66
9.1;4.1 Übersicht;67
9.2;4.2 Blutgefäße;68
9.3;4.3 Herzinnenräume;76
9.4;4.4 Herzmuskel;83
10;Kapitel 5 Gefäßerkennung als Problem der Strukturerkennung;85
10.1;5.1 De.nition und Einordnung;86
10.2;5.2 Exkurs: Natürliche Strukturerkennung;87
10.3;5.3 Verfahren der Gefäßerkennung;88
10.4;5.4 Durchführbarkeit und Bewertungskriterien;93
10.4.1;5.4.1 Sichtbarkeit des Abbilds der gesuchten Struktur;93
10.4.2;5.4.2 Unterscheidbarkeit des Strukturabbilds;94
10.4.3;5.4.3 Wiedererkennbarkeit der Struktur anhand ihres Abbilds;96
10.4.4;5.4.4 Bestimmbarkeit von Struktureigenschaften;98
10.5;5.5 Einschränkungen und Lösungsansätze;99
10.5.1;5.5.1 Abbildungsbedingter Informationsverlust;99
10.5.2;5.5.2 Überlagerung von Bildinhalten;100
10.5.3;5.5.3 Mehrdeutigkeit der Bildinhalte;101
10.5.4;5.5.4 Variabilität der Strukturen und ihrer Abbilder;103
11;Kapitel 6 Gefäßerkennung in nichtinvasiven Koronarangiogrammen;105
11.1;6.1 Anwendungsszenario und Anforderungen;106
11.2;6.2 Problemanalyse;107
11.2.1;6.2.1 Untersuchung der Sichtbarkeit;107
11.2.2;6.2.2 Untersuchung der Unterscheidbarkeit;111
11.2.3;6.2.3 Untersuchung der Wiedererkennbarkeit;119
11.2.4;6.2.4 Untersuchung der Bestimmbarkeit der Gefäßeigenschaften;120
11.3;6.3 Entwicklung des Erkennungsverfahrens;121
11.4;6.4 Evaluation;126
11.4.1;6.4.1 Vorgehen;126
11.4.2;6.4.2 Simulationen;127
11.4.3;6.4.3 Nichtinvasive Aufnahmen;135
11.4.4;6.4.4 Selektive Aufnahmen;137
11.5;6.5 Fazit;138
12;Kapitel 7 Gefäßerkennung in selektiven TPI-Aufnahmen;140
12.1;7.1 Anwendungsszenario und Anforderungen;141
12.2;7.2 Problemanalyse;142
12.2.1;7.2.1 Untersuchung der Sichtbarkeit;142
12.2.2;7.2.2 Untersuchung der Unterscheidbarkeit;142
12.2.3;7.2.3 Untersuchung der Wiedererkennbarkeit;145
12.2.4;7.2.4 Untersuchung der Bestimmbarkeit der Gefäßeigenschaften;148
12.3;7.3 Entwicklung des Erkennungsverfahrens;149
12.4;7.4 Evaluation;152
12.4.1;7.4.1 Vorgehen;152
12.4.2;7.4.2 Simulationen;152
12.4.3;7.4.3 Reale Aufnahmen;155
12.5;7.5 Fazit;158
13;Kapitel 8 Fazit und Ausblick;162
14;Literaturverzeichnis;166

Grundlagen.- Vorverarbeitung.- Bildinhalte.- Gefäßerkennung als Problem der Strukturerkennung.- Gefäßerkennung in nichtinvasiven Koronarangiogrammen.- Gefäßerkennung in selektiven TPI-Aufnahmen.- Fazit und Ausblick.

Leseproben

Kapitel 5 Gefäßerkennung als Problem der Strukturerkennung (S. 74-75)

5.1 De?nition und Einordnung

Das Erkennen von Blutgefäßen lässt sich verallgemeinern zu einem Problem der Strukturerkennung. Dabei versteht man unter einer Struktur eine Region des Untersuchungsobjekts, deren Form- und Verhaltensmerkmale einem Ordnungsprinzip folgen und sich hierdurch von ihrer Umgebung unterscheiden. In der hier betrachteten, medizinischen Problemdomäne existiert anatomisches und physiologisches A-priori-Wissen. Dieses Wissen führt zu Strukturmodellen und zu Erwartungen hinsichtlich der Anordnung dieser Strukturen (Kap. 4).

Die Angiographie mit Synchrotronstrahlung liefert mit dem vorverarbeiteten Subtraktionsbild (Kap. 3) ein ebenes Überlagerungsbild des Untersuchungsobjekts. Strukturen darin zu erkennen, beschreiben verschiedene Autoren als Umkehrung eines Abbildungsprozesses (u.a. [PTK85]). Das digitale Strukturabbild ist eine Gruppe von Bildpunkten (samt ihrer jeweiligen Intensität), von der weder Lage noch Grenzen und Überlagerung bekannt sind.

Um von diesem Abbild zu Aussagen über die Struktur zu gelangen, verwendet man meist einen dreischrittigen Prozess aus Gruppierung, Zuordnung und Rekonstruktion: Man fasst ähnliche Bildpunkte zu einem Abbild zusammen, ordnet es der vermuteten Struktur zu und rekonstruiert deren Eigenschaften. Unabhängig von den gewählten Verfahren (Kap. 5.3) setzt ein solcher Erkennungsprozess vier Eigenschaften der Struktur und ihres Abbilds voraus:

1. Sichtbarkeit: Das bildgebende System muss ein Abbild der zu erkennenden Struktur erzeugen. Bei der Angiographie mit Synchrotronstrahlung ist dies (unter anderem) für kontrastmittelhaltige Strukturen erfüllt.

2. Unterscheidbarkeit: Das Abbild der zu erkennenden Struktur muss Bildmerkmale besitzen, anhand derer es sich von seiner Umgebung unterscheidet - beispielsweise durch stärkere Absorption.

3. Wiedererkennbarkeit: Das Abbild muss charakteristische Merkmale aufweisen, anhand derer es sich der gesuchten Struktur zuordnen lässt [Nie83].

4. Bestimmbarkeit: Der beschränkte Informationsgehalt des Abbildes muss zusammen mit dem A-priori-Wissen (Kap. 4) ausreichen, um die gesuchten Eigenschaften der Struktur bestimmen zu können.

Die Analyse eines Erkennungsproblems beschäftigt sich mit der Frage, inwieweit sich die genannten Voraussetzungen erfüllen lassen. Hierfür werden in Kapitel 5.4 Bewertungskriterien vorgeschlagen, die die Besonderheiten der Angiographie mit Synchrotronstrahlung berücksichtigen.

Über Autor(innen)

Jörg Mielebacher studierte Medizinische Informatik an der Universität Heidelberg und promovierte am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Universität Siegen.