Algorithmen zur Gefäßerkennung für die Koronarangiographie mit Synchrotronstrahlung

Autor	Jörg Mielebacher
Verlag	Vieweg+Teubner (GWV)
Erscheinungsjahr	2010
Seitenanzahl	160 Seiten
ISBN	9783834896476
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	49,44 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

Danksagung	6
Inhaltsverzeichnis	7
Abbildungsverzeichnis	9
Tabellenverzeichnis	12
Algorithmenverzeichnis	13
Kapitel 1 Einleitung	14
Kapitel 2 Grundlagen	18
2.1 Medizinische Grundlagen	19
2.1.1 Das menschliche Herz-Kreislauf-System	19
2.1.1.1 Das Gefäßsystem	19
2.1.1.2 Das Herz	20
2.1.1.3 Die Blutversorgung des Herzens	21
2.1.2 Die Koronare Herzkrankheit	22
2.1.3 Apparative Standardverfahren der Herzdiagnostik	23
2.1.3.1 Elektrokardiogramm	23
2.1.3.2 Echokardiographie	23
2.1.3.3 Röntgenuntersuchungen	24
2.1.3.4 Computertomographie	24
2.1.3.5 Kernspintomographie	24
2.1.3.6 Herzkatheteruntersuchungen	25
2.1.3.7 Nuklearmedizinische Verfahren	26
2.1.4 Besonderheiten des Schweineherzens	26
2.2 Technik der Koronarangiographie mit Synchrotronstrahlung	27
2.2.1 Ursprung	27
2.2.2 Aufnahmeprinzip	27
2.2.3 Messanordnung	31
2.2.4 Kontrastmittelgabe	33
2.2.5 Transmissionsaufnahmen	33
2.2.6 Time Projection Imaging (TPI)	35
2.3 Datenmaterial	35
2.3.1 Überblick	35
2.3.2 Messungen an Phantomen	37
2.3.3 Messungen an Schweineherzen	39
2.3.4 Simulierte Daten	42
Kapitel 3 Vorverarbeitung	44
3.1 Eigenschaften der Rohdaten	45
3.1.1 Grundlegende Eigenschaften	45
3.1.2 Defekte Detektorkanäle	45
3.1.3 Unterschiedliche Kennlinien der Detektorkanäle	46
3.1.4 Ortsabhängigkeit der Strahlintensität	49
3.1.5 Zeitabhängigkeit der Strahlintensität	51
3.1.6 Diskretisierungseffekte	51
3.1.7 Rauscheffekte	52
3.1.8 Winkeldivergenz der Fächerstrahlen	53
3.2 Korrekturverfahren	55
3.2.1 Zielsetzung und Vorgehen	55
3.2.2 Korrektur defekter Detektorkanäle	57
3.2.3 Normierung der Kanalkennlinien	57
3.2.4 Unterdrückung von Schwankungen der Strahlintensität	59
3.3 Logarithmische Subtraktion	61
3.3.1 Ein.uss der Korrekturverfahren	61
3.3.2 Subtraktion korrigierter Teilaufnahmen	62
3.3.3 Berücksichtigung der Winkeldivergenz	63
3.3.4 Nachbearbeitung der Subtraktionsaufnahmen	64
Kapitel 4 Bildinhalte	66
4.1 Übersicht	67
4.2 Blutgefäße	68
4.3 Herzinnenräume	76
4.4 Herzmuskel	83
Kapitel 5 Gefäßerkennung als Problem der Strukturerkennung	85
5.1 De.nition und Einordnung	86
5.2 Exkurs: Natürliche Strukturerkennung	87
5.3 Verfahren der Gefäßerkennung	88
5.4 Durchführbarkeit und Bewertungskriterien	93
5.4.1 Sichtbarkeit des Abbilds der gesuchten Struktur	93
5.4.2 Unterscheidbarkeit des Strukturabbilds	94
5.4.3 Wiedererkennbarkeit der Struktur anhand ihres Abbilds	96
5.4.4 Bestimmbarkeit von Struktureigenschaften	98
5.5 Einschränkungen und Lösungsansätze	99
5.5.1 Abbildungsbedingter Informationsverlust	99
5.5.2 Überlagerung von Bildinhalten	100
5.5.3 Mehrdeutigkeit der Bildinhalte	101
5.5.4 Variabilität der Strukturen und ihrer Abbilder	103
Kapitel 6 Gefäßerkennung in nichtinvasiven Koronarangiogrammen	105
6.1 Anwendungsszenario und Anforderungen	106
6.2 Problemanalyse	107
6.2.1 Untersuchung der Sichtbarkeit	107
6.2.2 Untersuchung der Unterscheidbarkeit	111
6.2.3 Untersuchung der Wiedererkennbarkeit	119
6.2.4 Untersuchung der Bestimmbarkeit der Gefäßeigenschaften	120
6.3 Entwicklung des Erkennungsverfahrens	121
6.4 Evaluation	126
6.4.1 Vorgehen	126
6.4.2 Simulationen	127
6.4.3 Nichtinvasive Aufnahmen	135
6.4.4 Selektive Aufnahmen	137
6.5 Fazit	138
Kapitel 7 Gefäßerkennung in selektiven TPI-Aufnahmen	140
7.1 Anwendungsszenario und Anforderungen	141
7.2 Problemanalyse	142
7.2.1 Untersuchung der Sichtbarkeit	142
7.2.2 Untersuchung der Unterscheidbarkeit	142
7.2.3 Untersuchung der Wiedererkennbarkeit	145
7.2.4 Untersuchung der Bestimmbarkeit der Gefäßeigenschaften	148
7.3 Entwicklung des Erkennungsverfahrens	149
7.4 Evaluation	152
7.4.1 Vorgehen	152
7.4.2 Simulationen	152
7.4.3 Reale Aufnahmen	155
7.5 Fazit	158
Kapitel 8 Fazit und Ausblick	162
Literaturverzeichnis	166

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