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Algorithmen zur Gefäßerkennung für die Koronarangiographie mit Synchrotronstrahlung

AutorJörg Mielebacher
VerlagVieweg+Teubner (GWV)
Erscheinungsjahr2010
Seitenanzahl160 Seiten
ISBN9783834896476
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis49,44 EUR
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.

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Leseprobe
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.
Inhaltsverzeichnis
Danksagung6
Inhaltsverzeichnis7
Abbildungsverzeichnis9
Tabellenverzeichnis12
Algorithmenverzeichnis13
Kapitel 1 Einleitung14
Kapitel 2 Grundlagen18
2.1 Medizinische Grundlagen19
2.1.1 Das menschliche Herz-Kreislauf-System19
2.1.1.1 Das Gefäßsystem19
2.1.1.2 Das Herz20
2.1.1.3 Die Blutversorgung des Herzens21
2.1.2 Die Koronare Herzkrankheit22
2.1.3 Apparative Standardverfahren der Herzdiagnostik23
2.1.3.1 Elektrokardiogramm23
2.1.3.2 Echokardiographie23
2.1.3.3 Röntgenuntersuchungen24
2.1.3.4 Computertomographie24
2.1.3.5 Kernspintomographie24
2.1.3.6 Herzkatheteruntersuchungen25
2.1.3.7 Nuklearmedizinische Verfahren26
2.1.4 Besonderheiten des Schweineherzens26
2.2 Technik der Koronarangiographie mit Synchrotronstrahlung27
2.2.1 Ursprung27
2.2.2 Aufnahmeprinzip27
2.2.3 Messanordnung31
2.2.4 Kontrastmittelgabe33
2.2.5 Transmissionsaufnahmen33
2.2.6 Time Projection Imaging (TPI)35
2.3 Datenmaterial35
2.3.1 Überblick35
2.3.2 Messungen an Phantomen37
2.3.3 Messungen an Schweineherzen39
2.3.4 Simulierte Daten42
Kapitel 3 Vorverarbeitung44
3.1 Eigenschaften der Rohdaten45
3.1.1 Grundlegende Eigenschaften45
3.1.2 Defekte Detektorkanäle45
3.1.3 Unterschiedliche Kennlinien der Detektorkanäle46
3.1.4 Ortsabhängigkeit der Strahlintensität49
3.1.5 Zeitabhängigkeit der Strahlintensität51
3.1.6 Diskretisierungseffekte51
3.1.7 Rauscheffekte52
3.1.8 Winkeldivergenz der Fächerstrahlen53
3.2 Korrekturverfahren55
3.2.1 Zielsetzung und Vorgehen55
3.2.2 Korrektur defekter Detektorkanäle57
3.2.3 Normierung der Kanalkennlinien57
3.2.4 Unterdrückung von Schwankungen der Strahlintensität59
3.3 Logarithmische Subtraktion61
3.3.1 Ein.uss der Korrekturverfahren61
3.3.2 Subtraktion korrigierter Teilaufnahmen62
3.3.3 Berücksichtigung der Winkeldivergenz63
3.3.4 Nachbearbeitung der Subtraktionsaufnahmen64
Kapitel 4 Bildinhalte66
4.1 Übersicht67
4.2 Blutgefäße68
4.3 Herzinnenräume76
4.4 Herzmuskel83
Kapitel 5 Gefäßerkennung als Problem der Strukturerkennung85
5.1 De.nition und Einordnung86
5.2 Exkurs: Natürliche Strukturerkennung87
5.3 Verfahren der Gefäßerkennung88
5.4 Durchführbarkeit und Bewertungskriterien93
5.4.1 Sichtbarkeit des Abbilds der gesuchten Struktur93
5.4.2 Unterscheidbarkeit des Strukturabbilds94
5.4.3 Wiedererkennbarkeit der Struktur anhand ihres Abbilds96
5.4.4 Bestimmbarkeit von Struktureigenschaften98
5.5 Einschränkungen und Lösungsansätze99
5.5.1 Abbildungsbedingter Informationsverlust99
5.5.2 Überlagerung von Bildinhalten100
5.5.3 Mehrdeutigkeit der Bildinhalte101
5.5.4 Variabilität der Strukturen und ihrer Abbilder103
Kapitel 6 Gefäßerkennung in nichtinvasiven Koronarangiogrammen105
6.1 Anwendungsszenario und Anforderungen106
6.2 Problemanalyse107
6.2.1 Untersuchung der Sichtbarkeit107
6.2.2 Untersuchung der Unterscheidbarkeit111
6.2.3 Untersuchung der Wiedererkennbarkeit119
6.2.4 Untersuchung der Bestimmbarkeit der Gefäßeigenschaften120
6.3 Entwicklung des Erkennungsverfahrens121
6.4 Evaluation126
6.4.1 Vorgehen126
6.4.2 Simulationen127
6.4.3 Nichtinvasive Aufnahmen135
6.4.4 Selektive Aufnahmen137
6.5 Fazit138
Kapitel 7 Gefäßerkennung in selektiven TPI-Aufnahmen140
7.1 Anwendungsszenario und Anforderungen141
7.2 Problemanalyse142
7.2.1 Untersuchung der Sichtbarkeit142
7.2.2 Untersuchung der Unterscheidbarkeit142
7.2.3 Untersuchung der Wiedererkennbarkeit145
7.2.4 Untersuchung der Bestimmbarkeit der Gefäßeigenschaften148
7.3 Entwicklung des Erkennungsverfahrens149
7.4 Evaluation152
7.4.1 Vorgehen152
7.4.2 Simulationen152
7.4.3 Reale Aufnahmen155
7.5 Fazit158
Kapitel 8 Fazit und Ausblick162
Literaturverzeichnis166

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