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Über dieses Buch

Durch die zunehmende Digitalisierung bildgebender Systeme in der medizinischen Diagnostik gewinnt die digitale Bildverarbeitung eine immer stärkere Bedeutung für die Medizin. Die Themen des Workshops umfassen alle Bereiche der medizinischen Bildverarbeitung, insbesondere Algorithmen, eingesetzte Hard- und Softwaresysteme sowie deren klinische Anwendung.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Eingeladener Vortrag

Automated Ventriculargram Boundary Delineation

Quantitative analysis of the left ventricle wall motion is important for the diagnosis of coronary heart disease. Prom wall motion, stroke volume, ejection fraction, and velocity of ventricular circumference can be estimated. These are helpful in identifying the state of diseased hearts.This paper describes a left ventricle boundary delineation algorithm which operates on X-Ray image data sets (ventriculargrams) produced in a catheterization laboratory for patient cardiovascular assessment. On a data set of 377 patient studies, the algorithm was able to delineate the boundary for the left ventricle with an average error just over 2.4 mm relative to the gold standard of cardiologist hand traced boundaries.

Robert M. Haralick, Jasjit Suri, Florence Sheehan

Wissenschaftliche Beiträge

Robust Motion Vector Relaxation for X-Ray Fluoroscopy Using Generalized Gauss-Markov Random Fields

We describe a Bayesian motion estimation algorithm which is part of a temporally recursive noise reduction filter for X-ray fluo-roscopy images. Our algorithm draws its robustness against high quan-tum noise levels from a statistical regularization, where a priori expecta-tions about the spatial and temporal smoothness of motion vector fields are modelled by generalized Gauss-Markov random fields. We show that by using generalized Gauss-Markov random fields both smoothness and motion edges can be captured, without the need to specify an often crit-ical edge detection threshold. Instead, our algorithm controls edges by a single parameter by means of which the regularization can be tuned from a median-filter like behaviour to a linear-filter like one.

Til Aach, Dietmar Kunz

Analyse und Korrektur der Abbildungsfehler einer Gammakamera mit Hilfe einer Feinnadelstrahl-Quelle

Die Abbildung mit einer Gammakamera zeigt In-homogenitäten und Nichtlinearitäten. Diese in vielfältigen Ursachen zu suchenden Fehler werden in der Elektronik der Kamera mit Hilfe von Korrekturalgorithmen teilweise behoben. Die für die Korrekturalgorith-men notwendigen Daten werden durch die Abbildung ausgedehnter Phan-tome gewonnen.Ziel der Entwicklung einer hochkollimierten Nadelstrahlquelle war es, eine genau definierte Quellsituation zu besitzen. Anhand der Bilddaten, gwonnen mit einer solchen parallel zur Kamera-Oberfläche verfahrbaren Feinnadelstrahlquelle, entwickeln wir einen neuen Korrekturalgorithmus, der eine genauere differentielle Analyse der Abbildungseigenschaften der Kamera und eine entsprechende Korrektur ermöglicht. Die Ergebnisse der Studie zeigen sowohl in der experimentellen Situation als auch mit Hilfe von Monte-Carlo Simulationen sehr gute Erfolge bei der Korrektur der Abbildungsfehler.

U. Engeland, T. Striker, H. Luig

Theoretische und experimentelle Untersuchung eines Verfahrens zur Schätzung von Attributen der Grauwertkanten in 2D CT/MR-Bildern

Die Merkmale von Grauwertkanten in CT/MR-Bildern liefern wichtige Informationen für eine nachfolgende Bildanalyse. Basierend auf einem Modell für sigmoide Grauwertkanten existiert ein Verfahren zu deren Schätzung. Neben einer experimentellen und theoretischen Evaluierung der Leistungsfähigkeit dieses Verfahrens werden Erweiterungen zur Erkennung von Modellabweichungen sowie zur Ermittlung der lokalen Grauwertkantenkrümmung vorgestellt.

Alexander Hagemann, Karl Rohr, H. Siegfried Stiehl

Festkörper-Kernspintomographie Darstellung von Knochenstrukturen mit Hilfe der Kernspintomo-graphie

Die Kernspintomographie (MRT bzw. MRI von Magne-tic Resonance Tomographie bzw. Imaging) hat sich heute zu einer Standard-methode für die Schnittbilddarstellung von Weichteilgewebe in der Medizin entwickelt. Erst mit speziellen Aufnahmemethoden, in diesem Fall der Single-Point-Imaging-Sequenz (SPI-Sequenz) ist Kernresonanzbildgebung mit Fest-körpern möglich. Der Grund hierfür ist, daß die Relaxationszeit T2 bei Fest-körpern sehr kurz ist, und mit der SPI-Sequenz MRT-Signale sehr schnell nach der Anregung aufgenommen werden können. Nachteil der SPI-Methode ist die lange Aufnahmedauer, weshalb sie in der Praxis momentan kaum zum Einsatz kommt. Die acquirierten Signale werden nach entsprechender Datenaufbereitung mit Hilfe einer 3D-Oberflächenrekonstruktion dargestellt und können aus beliebigen Positionen hinsichtlich Aufbau und Struktur beurteilt werde.

T. Oerther, D. Höpfel, G. Rohr

Bildregistrierung und -überlagerung: Eine Hybridlösung aus interaktiven und automatisierten Verfahren

Ein Hybridverfahren zum Abgleich medizinischer Schnitt-bilder wurde entwickelt, welches die Vorzüge des automatisierten und des visu-ell-interaktiven Bildabgleichs vereint. Die visuelle Kontrolle aller Verarbei-tungsschritte ist zu jedem Zeitpunkt möglich. Auch komplexere Aufgaben, wie Registrierung von 12 PET Studien mit einer MRT Studie lassen sich innerhalb von 10 min bewältigen.

Uwe Pietrzyk, Alexander Thiel, Helmut Lucht, Alexander Schuster

Automatische Augenstellungsbestimmung in Infrarot-Videobild-Sequenzen

In diesem Artikel soll ein Verfahren vorgestellt wer-den, mit dem genau, robust und schnell die Augenstellung beider Au-gen einer Person objektiv bestimmt werden kann, um eine dynamische Schielwinkelmessung durchzuführen. Das Verfahren wird erfolgreich in der Augenheilkunde eingesetzt.

Rainer Schian, Jean-Cyriaque Barry, Uwe Pongs, Lutz Priese

Kantenerhaltende Glättung von Volumendaten bei sehr geringem Signal-Rausch-Verhältnis

Es wird ein massiv parallisierbares Verfahren be-schrieben, das in einem Signal Feinstruktur wie z.B. Rauschen eliminiert, dabei aber die gröberen Strukturen gut erhält. Die Wert ander ungen der zu entfernenden Feinstruktur dürfen in derselben Größenordnung wie die der zu erhaltenden gröberen Struktur sein.

Volker Aurich, Eva Mühlhaus, Sven Grundmann

Die Vorverarbeitung von fMR-Daten

Bei der Untersuchung komplexer Hirnleistungen mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomografie (fMR) fallen oft nur schwache Signale als Antwort an. Eine Filterung vor Anwendung der Teststatistik kann eine deutliche Abtrennung des Signals von Artefakten und Rauschen erbringen. Anhand von Beispielen wird gezeigt, daß sich durch die Vor Verarbeitung eine eindeutige Verbesserung der Auswertung von fMRI-Daten erzielen läßt.

Frithjof Kruggel, Xavier Descombes, D. Yves von Cramon

Erste klinische Untersuchungen mit einem mechanischen Finite-Elemente-Modell des menschlichen Kopfes

Das Verständnis der mechanischen Folgen externer und interner Krafteinwirkungen auf den Kopf ist von hoher klinischer Relevanz und kann Einfluß auf die Wahl der Therapieform nehmen. Wir benutzen die Finite-Elemente-Methode (FEM), um computerbasiert mechanische Einwirkungen auf das System Kopf zu modellieren. Mit un-serem räumlich hochaufgelösten FE-Modell des menschlichen Kopfes sind wir in der Lage, Simulationsrechnungen durchzuführen, die auf individu-ellen dreidimensionalen MRT-Datensätzen basieren. Wir präsentieren zwei FE-Analysemethoden unterschiedlicher Zielrichtung, deren Ergeb-nisse mit experimentell ermittelten Daten verglichen werden. Mit der dynamischen FE-Analyse wird das Coup-Contrecoup-Phänomen unter-sucht; die Eigenschwingungsanalyse des Kopfes kann als Ansatz zur Er-klärung von Verletzungsmechanismen wie z.B. der diffusen axonalen Ge-hirnschädigung (DAI) genutzt werden.

Ulrich Hartmann, Frithjof Kruggel

Prostate Ultrasound Images Processing

The purpose of this paper is to present a software package for the handling and management of prostate transabdominal ultrasound images. The software package can be used to detect men’s prostate in transabdominal ultrasound images, to build a 3D model for the detected object, to represent the 3D model obtained, to calculate prostate’s volume and to classify the prostate transabdominal ultrasound images acquired. The software system can be used in hospitals which do not have either CAT scanners or NMR/MRI equipment (the majority of Romanian hospitals). It provides these hospitals with a tool enabling a more accurate diagnosis, which in turn improves the efficiency of the hospital, saves money, and has a profound psychological benefit on the well-being of the patient.

Daniela Crivianu-Gaita, Fl. Miclea, A. Gaspar, St. Holban, G. Muntean

Lokal-trilineare Bewegungskorrektur in der MR-Mammographie

Kontrastmittel-gestützte MR-Mammographie wird zur Diagnose von Mammakarzinomen in Fällen unklarer Aussagen von Ultraschall und Röntgenuntersuchung auf Grund seiner hohen Spezifität herangezogen. Die einzelnen Volumen können auf Grund der benötigten Datenakquisitionsdauer nicht unter Atemanhalten aufgenommen werden, sondern bei normaler Lungen-aktivität. Dies kann zu starken lokalen Bewegungsartefakten führen, welche zu Fehldiagnose oder Unbefundbarkeit der Daten führen kann. Es soll hier ein Verfahren zur Korrektur dieser artefaktbehafteten Daten vorgestellt werden.

Harald Fischer, Claudia Ehritt-Braun, Matthias Otte, Jürgen Hennig, Thomas Mergner

Dynamic X-Ray Imaging System based on an all-solid-state Detector

New digital detector systems based on all-solid-state large area elec-tronics offer a number of advantages for the user, like no image distortions, flat and light weight housing, no veiling glare, and large dynamic range. On the other hand, they require a dedicated image preprocessing to exploit their full image quality. In this paper we address design concepts, performance charac-terization and resulting image preprocessing aspects of our experimental de-tector system. The system comprises the detector frontend and a realtime image preprocessing unit with an interface to a commercial digital video system. It is intended for clinical evaluation of this new technology.

N. Jung, F. Busse, N. Conrads, H. Meulenbrugge, W. Rütten, H. Stouten, H. Wieczorek

Gewebedifferenzierung in sonographischen Aufnahmen der Haut

In dem Beitrag wird ein System vorgestellt, welches den Arzt bei der Auswertung von Ultraschallbildern der Haut unterstützen soll. Da-zu wurden zuerst Segmentierungsverfahren entwickelt. Sie erlaubten eine mög-lichst automatische Detektion der interessierenden Objekte. Anschließend er-folgte die Berechnung einer Vielzahl von Textur- und Formmerkmalen für je-den segmentierten Bereich, von denen dann für die verschiedenen Unterschei-dungsaufgaben eine optimale Untermenge ausgewählt wurde. Die bisher er-zielten Ergebnisse werden dargestellt und Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert.

Regina Pohle, Jens Ulrich

Verbesserung der Dynamik und Ortsauflösung in der Ultraschalldiagnostik durch die Kombination kodierter Anregung und tiefenangepaßter Mismatched-Filterung

Durch Verwendung kodierter Signale kann die Abbildungs-tiefe und der Signal-Rausch-Abstand von Ultraschallaufnahmen erheblich gestei-gert werden. Nachteilig wirkt sich dabei vor allem bei der Aufnahme dämpfenden Gewebes die mit der Tiefe sinkende Dynamik und Ortsauflösung auf die Bildqua-lität aus. Mit Hilfe des hier vorgestellten Pulskompressionsverfahrens der tiefen-angepaßten Mismatched-Filterung können Dynamik und Ortsauflösung der Abbildung über weite Tiefenbereiche erhalten werden. Der Erfolg des Verfahrens wird durch Simulationen und Experimente bestätigt. Eine Flächenabschätzung für einen Echtzeit-Pulskompressor mit nachladbaren Koeffizienten in 0.5 μm CMOS-Technologie bei einer Taktfrequenz von 200 MHz wird vorgestellt.

K. Eck, A. R. Brenner, W. Wilhelm, T. G. Noll

Tiefenangepaßte Filterung für das Puls-Echo-Verfahren in der Ultraschalldiagnostik

Das in der konventionellen Ultraschalldiagnostik verwendete Puls-Echo-Verfahren hängt in seiner Abbildungsqualität maßgeblich vom ausge-sendeten Signal ab. Beeinträchtigt wird die Ortsauflösung des Systems vom Über-tragungsverhalten des Transducers und des Gewebes. Mit einer geeigneten Filterung der von den Transducerelementen empfangenen Hochfrequenzdaten wird sowohl das Nachschwingen der Wandlerelemente kompensiert, als auch der Einfluß der frequenzabhängigen Dämpfung berücksichtigt. Damit kann die Puls-dauer der aus dem Gewebe empfangenen Echos reduziert werden. Eine Filterim-plementierung als zusätzliche Hardwarekomponente ermöglicht den Einsatz bei der Echtzeit-Bildgebung in kommerziellen Ultraschallgeräten. Der erforderliche Aufwand wird für Systeme mit und ohne digitaler Strahlschwenkung abgeschätzt.

R. Schwann, K. Eck, A. R. Brenner, T. G. Noll

Evaluierung der Detektionsleistung von 3D-Operatoren zur Ermittlung anatomischer Landmarken in tomographischen Bildern

Während die Leistungsfähigkeit von 2D-Operatoren zur Detektion von Punktlandmarken in 2D tomographischen Bildern bereits untersucht wurde (z.B. [10]), sind Untersuchungen bzgl. der Detektionsleistung von 3D-Operatoren kaum bekannt. In dieser Ar-beit werden neun verschiedene 3D-Differentialoperatoren dahingehend untersucht, ob und inwieweit sie geeignet sind, Landmarken in 3D-Bildern zu detektieren. Dazu verwenden wir Maße, die unterschiedliche Aspekte der Detektionsleistung der Operatoren widerspiegeln.

Thomas Hartkens, Karl Rohr, H.-Siegfried Stiehl

TRANSFORMER

Ein Software-System zur Registrierung medizinischer Bilddaten

In diesem Beitrag wird das Software-System TRANSFORMER vorgestellt, daß für den räumlichen Abgleich medizinischer Schichtbildaufnahmen entwickelt wurde. In TRANS-FORMER sind manuelle, semi-automatische und automatische Registrierungsverfahren implementiert, die eine Bearbeitung verschiedener Registrierungsprobleme erlauben. Abhängig von der Beschaffenheit des zur Verfügung stehenden Datenmaterials und der speziellen Aufgaben-stellung können mehr oder weniger komplexe Transformationen berech-net werden, die eine geometrische Zuordnung in einem gemeinsamen Koordinatensystem erlauben. Zur Überprüfung der Registrierungsergebnisse werden verschiedene visuelle und statistische Werkzeuge zur Verfügung gestellt.

Matthias Otte

Neuronavigation und Elektrophysiologie Intraoperative anatomische Darstellung funktioneller Regionen des sensomotorischen Kortex

Die Operation cerebraler Läsionen im Bereich der Zentral-region erfordert intraoperativ eine exakte anatomische Orientierung und die Kenntnis der individuellen Lage funktionell wichtiger Regionen, um operati-onsbedingte motorische Defizite zu vermeiden. Wir kombinierten bei 29 Pati-enten die intraoperative Neuronavigation, mit der Phasenumkehr somatosenso-risch evozierter Potentiale und der elektrischen Stimulation des Kortex. Durch dieses Vorgehen gelang die Orientierung in der individuellen Anatomie, die Identifikation funktioneller motorischer Areale, ihre anatomische Darstellung und die Evaluation ihrer Lage in Bezug auf die Läsion.

Gabriele A. Krombach, Uwe Spetzger, Veit Rohde, Wilhelm Küker, Claudia Zacharias, Joachim M. Gilsbach

Konzept zur Modellierung und funktionellen Simulation von Strukturen in der Biomedizin

Computergestützte Repräsentationen biologischer Or-gane, Gewebe und Zellen können zum besseren strukturellen und funktionel-len Verständnis beitragen. Zur Strukturierung des Arbeitsablaufs von funk-tionellen Simulationen wird ein Konzept vorgestellt, welches am Beispiel des Organs der Lunge erläutert wird. Dabei wird durch Kombination der Daten aus verschiedenen 3D bildgebenden Modalitäten, der Extraktion und fraktalen Modellierung typischer Merkmale zunächst ein exaktes strukturel-les System auf der Basis finiter Elemente gewonnen. Durch iterative CFD-Berechnungen werden dann Massentransportgleichungen gelöst und visuali-siert, die den Gastransport beschreiben.

Andres Kriete

Operatoren zur deskriptiven und modellbasierten un-scharfen Wissensbeschreibung in der medizinischen Bildverarbeitung

Der Bereich der medizinischen Bildverarbeitung gewinnt zunehmend an Bedeutung, insbesondere bedingt durch die fortschreitende Ent-wicklung moderner bildgebender Verfahren und der weiten Verfügbarkeit ent-sprechender Aufnahmegeräte. Trotz wachsender Bildqualität können die Bilddaten verschiedenste Arten von Unsicherheiten enthalten, die bei einer compu-ter-unterstützten Auswertung geeignet berücksichtigt werden müssen. In diesem Beitrag wird der Umgang mit den in Bilddaten auftretenden Unsicherheiten behandelt. Berücksichtigung findet dabei unter anderem die sogenannte interindividuelle Variabilität. Zur Segmentierung und Erkennung von Objekten trotz vorkommender Unsicherheiten werden neu entwickelte Lösungsansätze vorgestellt und diskutiert.

Jens Hiltner

Virtuelle Endoskopien aus CT- und MR-Datensätzen Alternative Visualisierung hochaufgelöster Schnittbildserien

Die heute verfügbare hohe Rechen- und Grafikleistung moderner Grafik-Workstations ermöglicht dreidimensionale Oberflächenrekonstruktionen aus Schittbild-Datensätzen in so kurzer Zeit, daß eine interaktive Visualisierung ohne Probleme möglich ist. Darüberhinaus erlaubt entsprechende Software, nicht nur die Außenansicht der Strukturen darzustellen, sondern den Beobachter- bzw. Kamera-Standort im Sinne einer Endoskopie in das rekonstruierte Objekt hinein zu verlagern. Ausgangsmaterial hierfür sind die digitalen Bilder hochauflösender Schnittbildverfahren. Vorgestellt werden einige Ansätze zur Rekonstruktion von Spiral-CT- und 3D-MR-Studien.

A. P. Wunderlich, T. Fleiter, A. J. Aschoff, R. Sokiranski, H.-J. Brambs

Beurteilung des präoperativen Brain shift mit Hilfe des Neuronavigationssystems EasyGuide Neuro

Brain shift, d.h. die Verschiebung des Gehirns gegenüber seiner knöchernen Umhüllung, führt zu Einschränkungen der Verläßlichkeit beim intraoperativen Einsatz der heute gebräuchlichen Neuronavigationssyste-me. Bei 12 Patienten wurde untersucht, ob unterschiedliche Kopfpositionen während der präoperativen Bilddatenerfassung für die intraoperative Neuronavigation einen ähnlichen Einfluß auf die intraoperative Verläßlichkeit des Navigationssystems haben, d.h., ob auch schon vor Eröffnung der Dura eine relevante, gravitationsabhängige Verschiebung des Gehirns auftritt. Die erhaltenen Ergebnisse sprechen dafür, daß die Kopfposition während der Bilddatenerfassung keinen wesentlichen Einfluß auf die intraoperative Verläßlichkeit der Neuronavigation hat. Jedoch sind zur Beurteilung des Problems des Brain shift weitere, insbesondere intraoperative, Untersuchungen nötig.

Marcus H. T. Reinges, Hong-Ha Nguyen, Uwe Spetzger, Wilhelm Küker, Joachim M. Gilsbach

3D-Darstellung der inneren Struktur des Zellkerns -Rekonstruktion und Modelle zur Zellfunktion

Molekularbiologische Methoden erlauben heute, durch Anfärbung von spezifischen DNS-Bereichen der Chromosomen, die inneren Struktur von Zellkernen durch eine dreidimensionale Raster-ung mit dem Konfokalen-Fluoreszenz-Scanning-Mikroskop darzustellen. Zur quantitativen Untersuchungen der Morphologie der Zellkerne wird die Kernoberfläche mit Hilfe von Kugelflächenfunktionen modelliert, was zum einen zur Beschreibung der Form, zum anderen zur Definition eines kerneigenen Koordinatensystems führt. Zur Ermittlung der räumlichen Verteilung markierter DNS-Sequenzen, wie z.B. Kinetochoren, Centromere, Nukleoli u.a., wird die Pyramid-Linking-Segmentierung benutzt. Mit zwei Parametern, dem Abstand der segmentierten Region zum Zellkernrand bzw. zum Zellkernmittelpunkt, wird die Verteilung von Kinetochoren innerhalb des Zellkernes untersucht.

A. Bischoff, R. Bracht, D. Komitowski

Eine hierarchische Wasserscheidentransformation für die Spotdetektion in 2D Gelelektrophorese-Bildern

Eine hierarchische Wasserscheidentransformation (WST) zur Spotdetektion in 2D Gelelektrophorese-Bildern wird beschrieben. Die WST wird auf dem Gradientenbild durchgeführt und resultiert folglich in Regionen mit unterschiedlicher Krümmung. Da sich Spots durch eine konvexe Krümmung auszeichnen, können Spotregionen sofort im Ergebnis der WST lokalisiert werden. Weil jedoch Spots durch mehrere Regionen charakterisiert sein können, müssen diese Teilspotregionen noch zusammengefaßt werden.

S. Wegner, A. Sahlström, K.-P. Pleißner, H. Oswald, E. Fleck

Elastic registration of medical images using finite element meshes

In this paper a new method for elastic registration of medical images is presented. The method uses corresponding regions of gray values, which are segmented interactively. The deformation part is based on finite element meshes generated from the segmented regions. During the deformation process, the similarity between the deformed mesh and the target image is measured and the ‘intensity’ of the deformation is controlled.

Hartwig Grabowski

Einsatz von steuerbaren Filtern zur modellbasierten Segmentation von Fundusphotographien

Bildverarbeitungsmethoden zur automatischen Analyse von Fundusphotographien hinsichtlich der Entdeckung und Quantifizierung von diabetischer Retinopathie werden entwickelt. Die zentrale Aufgabe dieser Methoden ist die Segmentation der Papille und des Gefäßbaumes. Dadurch sollen einerseits pathologische Veränderungen am Verlauf und der Kontur von Gefäßästen erkannt und andererseits Läsionen auf dem restlichen Augenhintergrund durch einfache Bildverarbeitungsverfahren lokalisiert werden. Die Segmentation der Papille erfolgt durch ein hierarchisches Filterschema unter Berücksichtigung ihrer Lage und Form. Die Gefäße werden durch ein dreistufiges Verfahren extrahiert: 1) Tracken des Gefäß Verlaufes, 2) Ermittlung der Gefäßkontur und 3) Identifikation von Gefäß Verzweigungen. Alle Verfahren basieren auf steuerbaren Filtern.

B. Kochner, D. Schuhmann, M. Michaelis, M. Obermaier, T. Bek, G. Mann, K.-H. Englmeier

Entwicklung eines klinischen Demonstrators für die computerunterstützte Orthopädische Chirurgie mit CT-Bildbasierten Individualschablonen

Bei der Planung von Eingriffen in der orthopädischen Chirurgie kann der Orthopäde auf eine Vielzahl von bildgebenden Verfahren zurückgreifen, wie z.B. CT, MR, Ultraschall und Röntgenaufnahmen. Die jüngsten Entwicklungen im Bereich der computerunterstützten Chirurgie bieten verschiedene Lösungsansätze, um die hohe geometrische Genauigkeit der präoperativen Bildgebung und Planung für eine ebenso präzise intraoperative Ausführung zu nutzen. Am Helmholtz-Institut wurde dafür das Prinzip der Individualschablonen entwickelt. Hierbei werden individuell angepaßte Schablonen auf Basis von CT-Daten präoperativ gefertigt, die intraoperativ eine präzise Werkzeugführung für die geplanten Knochenbearbeitung darstellen. Die Realisierbarkeit des Konzeptes für verschiedene chirurgische Anwendungen wurde bereits in Laboruntersuchungen sowie in klinischen Applikationen demonstriert. Im folgenden werden Aspekte der Entwicklung eines integrierten klinischen Demonstrators zur chirurgischen Planung und Fertigung von Individualschablonen für periacetabuläre Umstellungsosteotomien dargestellt.

F. Portheine, K. Radermacher, A. Zimolong, M. Anton, H.-W. Staudte, G. Rau

Analyse von Fundusbildern zur Bewertung des Erfolges von Operationen bei Macula pucker

Dieser Beitrag präsentiert ein Verfahren zur Segmentierung und Ausrichtung von Fundusbildern, die bei Macula pucker Patienten zur Dokumentation des Operationserfolges aufgenommen wurden. Bei diesen Patienten hat sich eine kontraktionsfähige, epiretinale Membran am hinteren Augenpol gebildet, die zu Verziehungen der Netzhaut führt. Die Segmentierung erfolgt durch ein Template Matching Verfahren auf Grauwertgradienten prä- und postoperativer Fundusbilder. Nach der Markierung korrespondierender Gefäßabschnitte werden durch ein Ausrichtungsverfahren dann unter der Berücksichtigung, daß sich die Lage der Gefäße durch die Operation verändert haben kann, optimale Transformationsparameter bestimmt. Dies ermöglicht quantitative Analysen der Veränderungen der Gefäß verlaufe.

Chr. Roßmanith, O. Huwendiek, H. Handels, W. Brockmann, A. Hager, H. Laqua, E. Maehle, S. J. Pöppl

Bestimmung und Visualisierung von aktivierten Hirnregionen aus fMRT-Daten

Mit der funktionellen Magnetresonanztomographie fMRT kann neuronale Aktivierung des menschlichen Gehirns erfaßt werden. Zu deren Visualisierung ist die Klassifikation aktivierter und nicht-aktivierter Voxel anhand der. gemessenen zeitlichen Signalverläufe erforderlich. Hierzu werden verschiedene Merkmalsextraktions- und Segmentierungsverfahren systematisch untersucht, anhand von Simulationsdaten optimiert und schließlich auf klinische Daten angewendet.

Ch. Hahn, H. Handels, M. F. Nitschke, U. H. Melchert, S. J. Pöppl

Segmentation of MR images with B-spline snakes: A multi-resolution approach using the distance transformation for model forces

A B-spline snake algorithm is proposed for the segmentation of the knee joint cartilage from MR images. A first guess of the contour is provided interactively and is transformed into a B-spline representation. Image forces attract the B-spline curve towards the real cartilage boundaries. In addition, model forces based on a distance transformation axe introduced in order to guide the evolution of the contour in those parts of the image that show no significant features. The total energy of the B-spline curve is minimized within a multiple scale approach. The algorithm turned out to be more accurate as the manual delineation of cartilage boundaries from medical experts.

T. Stammberger, S. Rudert, M. Michaelis, M. Reiser, K.-H. Englmeier

Contour tracking on sequences of ventriculographic images: a comparison between gradient of Gaussian and first order absolute moment

In this paper the properties of both the GoG and FOAM operators, as well as the results obtained with their respective localization procedures, are compared. FOAM (first order absolute moment) and GoG (gradient of Gaussian) filters are used to enhance the discontinuities between the gray levels of the different structures of the images. The contour we are tracking is then localized through the filtered images by starting from an approximate contour. Results of the two automatic contour tracking procedures are presented on sequences of ventriculographic and synthetic images.

V. Gemignani, M. Demi, A. Benassi

Unüberwachte Bildsegmentierung durch die Adaption geometrischer Objekte mit einem Evolutionsalgorithmus

Die automatische Segmentierung ist aufgrund der Komplexität der zu analysierenden Strukturen eines der größten Probleme bei der Verarbeitung medizinischer Bilder. Dieser Beitrag stellt ein neues Segmentierungsverfahren vor, das auf einem evolutionären Algorithmus, also auf einer stochastischen Optimierungsmethode basiert. Ausgehend von elementaren, geometrischen Objekten wird dabei das zu segmentierende Zielbild iterativ rekonstruiert. Dadurch erhält man inplizit eine Segmentierung des Zielbildes, da die Segmentierungen der Elementarstrukturen bekannt sind. Das Verfahren wird zur Verifikation auf artifizielle Testbilder angewendet. Hierbei zeigt ein Vergleich mit verschiedenen Schwellwertverfahren einen etwa zwei- bis dreifach geringeren Segmentierungsfehler. Die Gefäßerkennung auf radio-angiographischen Bildern wird exemplarisch als medizinische Anwendung demonstriert. Eine wissensbasierte und pixelorientierte Variante des Algorithmus wird ebenfalls vorgestellt und experimentell verifiziert.

H. Brinck, R. Grebe, J. Krone, V. Metzler

Computer Aided Diagnosis of Bone Lesions in the Facial Skeleton

We present a system for computer aided diagnosis of bone tumors in the facial skeleton. There are many different lesions with radiographic manifestation in the jaws. Our system helps performing the differential diagnosis of these. The input is a digitized orthopantomo-graph (OPG) in which the user marks the position of the lesion with a single mouse click. An active contour model then automatically finds the boundaries of the lesion. Gray-level histograms, MRSAR texture features and Gabor filter features are computed for the lesion region. These features are then combined and used to query a database containing expert-diagnosed reference cases. The result is a number of similar cases, with tumor position marked and with available expert annotations. We show good agreement between our results and differential diagnosis given by humans. The system is also a suitable tool for training and education.

Wolfgang Sörgel, Sabine Girod, Martin Szummer, Bernd Girod

Eine modulare Architektur zur Vereinfachung der Entwicklung klinischer Bildverarbeitungssysteme

Das Problem der Bearbeitung medizinischen Bildmaterials in der klinischen Routine wurde bisher systemtheoretisch auf zwei Arten angegangen. Die eine Lösung sieht ein monolithisches System vor, das mit einem Maximum an Funktionalität ausgestattet ist. Die andere dagegen besteht aus mehreren kleineren Systemeinheiten, welche spezialisierte Teilaufgaben in der klinischen Bildverarbeitung angehen, wie z.B. Volumenmessung in der Leberchirurgie, Flußmessungen in der Herzchirurgie und zahlreiche andere. Diese kleineren Systeme können dann in ein sog. Host-System eingebettet werden und koexistieren. Für die Unterstützung der Entwicklung der modularen und konfigurierbaren Systeme der zweiten Gruppe stellen wir eine Architektur vor. Wir erläutern die Gründe für die Einführung einer derartigen Architektur, die Aktivitäten des Bildverarbeiters, die diese Architektur unterstützen soll, ihre Komponenten, und abschließend eine mögliche Implementierung in Form von objektorientierten Frameworks.

Athanasios M. Demiris, E. Carlos, S. Cardenas, Manuela H. Makabe, Hans-Peter Meinzer

Ein System zur automatischen Generierung graphischer Benutzungsschnittstellen für Bildverarbeitungsalgorithmen

Seit Anfang der achtziger Jahre ist eine große Anzahl von Tools für die Entwicklung graphischer Benutzungsschnittstellen (GUI) auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen entstanden. Einige dieser Tools zwingen den Entwickler sich mit unnötig vielen Details auseinanderzusetzen. Andere Tools lassen dem Benutzer keine Flexibilität oder sind so komplex, daß dadurch die Arbeit nicht erleichtert wird. Mit Hilfe von Generierungssystemen erreicht man eine Senkung der Entwicklungszeiten und Kosten. Wir stellen eine generische Architektur vor, die eine weitestgehende Automatisierung des Generierungsprozeßes graphischer Benutzungsschnittstellen für Bildverarbeitungsalgorithmen erlaubt. Dabei werden keine zusätzlichen Anforderungen an den Benutzer gestellt.

Carlos E. S. Cárdenas, Athanasios M. Demiris, Manuela H. Makabe, Hans-Peter Meinzer

3D-Rekonstruktion von Blutgefäßen mit polynomialen und rationalen Splinefunktionen aus segmentierten MRA Datensätzen

In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur 3D-Rekonstruktion von Blutgefäßen aus Magnet-Resonanz-Angiographie (MRA) Datensätzen vorgestellt. Grundlage des Rekonstruktionsprozesses bildet eine Segmentierung der Blutgefäße, die eine Liste von Gefaßquerschnitten in beliebiger Raumrichtung liefert. Der erste Schritt der Rekonstruktion besteht in einer Approximation der unverzweigten Gefäßstücke mit polynomialen Splines unter Verwendung der Tensorprodukt-Gitter-Technik, die sehr schnelle Rekonstruktionsalgorithmen erlaubt. Nach der Einteilung in verschiedene Strukturklassen erfolgt die Rekonstruktion der Verzweigungen, wobei hier rationale Splinefunktionen zum Einsatz kommen. Als Ergebnis steht eine glatte, aus Splines zusammengesetzte Oberfläche im Dreidimensionalen zur Verfügung, die weitergehende diagnostische Möglichkeiten eröffnet.

Alexander Zimmermann

Echtzeit 3D I/O für netzwerkorientierte Anwendungen der Volumenvisualisierung

Diese Arbeit beschreibt Ansätze, die es erlauben, Anwendungen basierend auf rechenaufwendigen, jedoch qualitativ hochwertigen, Volumenvisualisierungen interaktiv bedienbar zu machen. Die Volumenvisualisierung und die volumenorientierte Bildverarbeitung kann in einem Netzwerk auf einen zentralen, leistungsfähigen Rechner ausgelagert werden. Der Benutzer kann auf einer Viewing-Station mit den Visualisierungen im dreidimensionalen Raum interagieren, wobei sich mehrere solcher Clients die Resourcen des Servers teilen können. Ein hybrider Volumenvisualisierungsansatz erlaubt die Integration von Oberflächen-und volumenorientierten Objektmodellen.

Achim Mayer, Harald Evers, Hans-Peter Meinzer

Efficient Representation of Cortical Convolutions for the Analysis of Brain Surface Topology

Various time efficient procedures were developed allowing to calculate planar representations of the brain in MR and CT clearly conveying the whole surface topology. For the comparison of the provided techniques we present additional complex functionality for the transformation of cortical convolutions between different representations after extracting and marking them manually or automatically. This includes re-projection to the original volume data in order to compare our approach to results obtained with direct volume rendering. Considering brain information exclusively, and ensuring a standardized orientation for the inter-patient comparison different segmentation and registration procedures are provided for the pre-processing. All implementation was integrated in a flexible and modular extensible platform allowing for convenient manipulation and visualization.

Peter Hastreiter, Christof Rezk-Salama, Günther Greiner, Thomas Ertl

Segmentierung medizinischer Bilddaten unter Verwendung eines automatisch generierten patientenspezifischen Gewebemodells und Superquadriken

Im folgenden Artikel wird ein von uns entwickelter wissenbasierter Ansatz zur Segmentierung medizinischer Bilddaten beschrieben. Mit einem automatisch erstellten, aufnahmespezifischen Gewebemodell wird die Nutzung von Information über die Grauwertverteilung im inneren der zu segmentierenden anatomischen Strukturen ermöglicht. Das Gewebemodell unterstützt die Schätzung von Lage, Orientierung und Form der in einer Wissensbasis modellierten Strukturen. Die geometrische Modellierung anatomischer Strukturen wird mit Hilfe von verformbaren Superquadriken realisiert. Eine genaue Anpassung an die Umrisse der zu segmentierenden Objekte wird durch aktive Konturen erreicht. Mit Hilfe dieses mehrstufigen Verfahrens ist die genaue Segmentierung anatomischer Strukturen mit geringem zeitlichen Aufwand, ohne Benutzerinteraktion möglich.

Catherina Burghart, Arno Pernozzoli, Jörg Raczkowsky, Ulrich Rembold, Heinz Wörn

Similarity-Based Image Segmentation Determination of Brain/Liquor Ratio by Alzheimer Dementia

In the paper, we propose a similarity based image segmentation method, which takes the non-image information and the image characteristics and selects among a set of cases the case, which fits best to the current case. The segmentation parameters associated to the close case are applied to the segmentation unit and taken for segmentation of the current case. By taking into account the non-image and image information we break down our complex solution space to a subspace of relevant cases where the variation among the cases is limited. We use our approach for determination of brain/liquor ratio in CT-images. This parameter is used for diagnosis of Alzheimer disease.

Petra Perner

Funktionale Kernspintomographie Sliding-Window Echtzeit-Korrelationsanalyse

In dieser Arbeit werden Korrelations-Algorithmen vorgestellt, die die Erstellung funktionaler Karten des Gehirns aus Kern-spintomographie(MR)-Daten in Echtzeit während eines laufenden Scan-Vorgangs erlauben. Ausgehend von einem Optimierungsproblem werden Formeln für die Berechnung von Korrelationskoeffizienten zwischen den Zeitreihen der MR-Datensätze und Modell-Zeitreihen hergeleitet. Die Formeln unterstützen „Detrending“, das heißt die Unterdrückung von nicht-stimulus induzierten Signaländerungen, wie zum Beispiel Drifts. Mathematisch wird dies durch die Subtraktion einer Linear-Kombination von Basis-Vektoren erreicht. Bei den vorgestellten Algorithmen, die in unserer FIRE-Software (Functional Imaging in REal-time) implementiert wurden, läßt sich die Korrelationsberechnung auf die N letzten Datensätze beschränken, wobei N < Anzahl der aufgenommenen Datensätze ist (Sliding-Window-Technik).

Daniel Gembris, John G. Taylor, Stefan Schor, Dieter Suter, Stefan Posse

Mammalyzer II A Decision Support System for Early Detection of Breast Cancer in Contrast-Enhanced MRI

We present an integrated system for the automatic analysis of MRI-breast images towards the early detection of breast cancer. The system operates on taken images using the method of dynamic contrast-enhanced MRI. Suspicious breast lesions are automatically marked with colours, thus directing the physician’s attention towards the critical regions. The medical support system is based on image-matching algorithms using self organizing maps (SOM) and Monte Carlo methods, which enables the system to work properly even with image sequences that are strongly deformed by the patients breathing movements. The system is tested on real patient data and is now being refined in cooperation with Dr. Buddenbrock, Dr Blasinger, Dr. Benz hospital for Radiology and Nuclear Medicine, Mainz.

Dirk Krechel, Felix Hess, Ralf Comes, Aldo V. Wangenheim, Klaus Blasinger

Waveletbasierte Rauschreduktion in medizinischen Ultraschalldaten

Von Donoho und Johnstone wurde ein waveletba-siertes Verfahren zur Rauschreduktion entwickelt. Dieses Verfahren beruht auf der Annahme, daß signalunabhängiges Rauschen vorliegt. Medizinische Ultraschalldaten sind jedoch mit signalabhängigem Rauschen behaftet. In diesem Artikel werden zwei Ansätze vorgestellt, die das Ve-fahren von Donoho und Johnstone an das signalabhängige Rauschmodell anpassen.

H. Mehldau, D. Zerfowski, A. Klappenecker

OP 2000 and MedSeC A Concept to Extend the DICOM Standard to Include Digital Stereoscopic Video Sequences

We present a concept for a medical video server extended by a DICOM interface. DICOM conform security mechanisms will be integrated to enable secure Internet access. Especially digital stereoscopic video sequences (DSVS) that are relevant for surgery should be examined regarding clip length necessary for diagnosis and documentation and clip size manageable with today’s hardware. Methods for DSVS compression are described, implemented and tested. DSVS are provided by a stereoscopic surgery microscope and a stereo video camera.

G. Bellaire, D. Steines, G. Graschew, A. Thiel, J. Bernarding, T. Tolxdorff, P. M. Schlag

Interaktive Segmentierung von medizinischen Schichtbilddatensätzen verifiziert durch 3D-Visualisierung mittels “Volume Rendering” Methoden

In diesem Beitrag wird eine Methode und deren interaktive Steuerung zur 3D-Segmentierung medizinischer Schichtbilddatensätze vorgestellt. Das Segmentierungsverfahren nutzt dabei einen Bereichswachstumsalgorithmus (region growing) [3] basierend auf der lokalen Grauwertstatistik mit zusätzlicher wachstumsabhängiger Terminierung. Eine direkte Verifizierung der Ergebnisse anhand der Visualisierung von so extrahierten Objekten bildet die Grundlage zur Verbesserung der Segmentierung. Die Ergebnisse werden nach einer Veränderung der Steuerungsparameter durch den Anwender, z.B. den entsprechenden Facharzt, unmittelbar überprüft und führen somit zu einer auf Expertenwissen basierenden Segmentierung.

R. Kottenhoff, J. Krone, R. Grebe, I. Wurdack, J. Jansen

Hierarchische Identifikation von Merkmalen zur automatischen Orientierung im Bildmaterial des Herzens

Um in der Herzchirurgie eine präoperative Operationsplanung durchführen zu können, sind dreidimensionale Rekonstruktionen des vermuteten Defekts basierend auf unterschiedlichem Bildmaterial wünschenswert. Dazu ist eine Identifikation der defekten Region und beteiligter Strukturen in Bildern unterschiedlicher Modalitäten und Schichtrichtungen nötig. In diesem Beitrag wird ein Ansatz vorgestellt, der sich mit der Identifikation statistischer und bildinhärenter Merkmale für eine automatische Orientierung beschäftigt.

A. Schroeder, A. M. Demiris, J. Albers, H.-P. Meinzer

MeVisTo-Jaw

Ein Visualisierungstool für die kieferchirurgische OP-Planung

Im folgenden soll ein, auf einer 3-D-Visualisierung basierendes, kieferchirurgisches Planungstool vorgestellt werden. Ausgehend von rekonstruierten Bildern aus CT-Volumendaten ist der Arzt in der Lage, eine computergestützte dreidimensionale Profilanalyse und Operationsplanung durchzuführen. Das von uns entwickelte Konzept für „Medical Visualization Tools“ (MeVisTo) bietet hierfür die Voraussetzungen. Neben einer einfachen Benutzerschnittstelle wurde dabei im besonderen eine hohe Geschwindigkeit und Qualität des Volumenrenderings für die Visualisierung angestrebt. Mit dem „Virtual Sphere Rendering“ (VSR) ist ein Verfahren integriert, das es durch Vorberechnung von Ansichten ermöglicht, eine Visualisierung der Daten in Echtzeit, also mit mehr als 25 Bildern pro Sekunden, zu erreichen.

Patrick Neumann, Gabriele Faulkner, Klaus Haarbeck, Thomas Tolxdorff

Echokardiographische Flußberechnung durch Integration von Doppleraufnahmen und vierdimensionale Winkelkorrektur

Wir präsentieren in diesem Artikel Methoden zur Analyse von echokardiographischen Zeitserien von Volumenbildern. Darauf basierend wurde ein System entwickelt, das die zeitliche Entwicklung intrakardialer Flüsse visualisiert und durchgesetzte Volumina berechnet. Wir beschreiben die Datenakquisition durch multiplane Transducer und die anschließende Extraktion der für die Flußmessung relevanten anatomischen Strukturen durch interaktive Segmentierung. Die fehlerhafte Abtastung der so erhaltenen Kurve wird korrigiert und eine Filterung im Fourierraum durchgeführt. Ein Modell für die notwendige Oberflächenintegration wird vorgestellt. Nach einer zeitabhängigen Winkelkorrektur führt die zeitliche Integration zum gesuchten Volumen.

M. Merdes, G. Glombitza, R. De Simone, H. P. Meinzer, C. F. Vahl, S. Hagl

Multimodale Bildauswertung zur rechnergestützten Bestrahlungsplanung von Augentumoren

Bei dem zugrundeliegenden Projekt wird eine Verbesserung der aktuellen Bestrahlungstherapie von intraokularen Tumoren durch den Einsatz von Protonenstrahlen angestrebt. Ausgehend von CT-Schnittbildern, MRT-Schnittbildern, Fundusphotographien und Ultraschallaufnahmen wird ein Bestrahlungmodell für die Durchführung der Bestrahlungstherapie ermittelt. Durch wissensbasierte Bildauswertung und Kombination aller zur Verfügung stehenden Informationen erreicht dieses Modell eine Präzision, die eine Ausnutzung der Dosierungsgenauigkeit von Protonenstrahlen erst möglich macht.

Sebastian Nöh, Klaus Haarbeck, Norbert Bornfeld, Thomas Tolxdorff

Trennung von Gefäßbäumen in medizinischen Schichtbildserien am Beispiel der Leber

Für eine präoperative Bestimmung der individuellen Leberanatomie ist eine sichere Segmentierung und Rekonstruktion der Pfortader sowie ihrer intrahepatischen Verästelungen notwendig. In kontrastmittelverstärkten CT-Aufnahmen ist dies nicht immer eindeutig möglich, da das venöse Gefäßsystem der Leber ebenfalls kontrastiert ist. Dadurch kommt es zu PseudoVerbindungen zwischen den beiden Gefäßbäumen, die mit Hilfe eines hier vorgestellten Verfahrens getrennt werden. Dabei werden in der symbolischen Beschreibung der Gefäßbäume, in der die Verzweigungs-und Endpunkte als Knoten repräsentiert sind, alle falschen Verbindungen lokalisiert und nacheinander eliminiert.

M. R. Göpfert, G. Glombitza, A. M. Demiris, W. Lamadé, H.-P. Meinzer

Die Problemorientierte Segmentierung des Herzens am Beispiel des Myocardödems

Eine nichtinvasive Erkennung myocardialer Ödeme stellt für den Herzchirurgen gerade im Bereich der Frühdiagnostik und der Verlaufskontrolle ein wichtiges Hilfsmittel dar. In einer Studie, die sich mit der Identifikation von Ödemen in Bildern beschäftigt, wurden von sechs explantierten Schweineherzen (drei mit und drei ohne Ödem) MR-Aufnahmen erstellt und mit Methoden der Bildverarbeitung ausgewertet. Darin ergab sich, daß es generell möglich ist, qualitative Aussagen über das Vorhandensein myocardialer Ödeme zu machen.

A. Schroeder, M. H. Makabe, J. Albers, R. Möckel, H.-P. Meinzer

Modellbasierte Segmentation klinischer MR-Aufnahmen

Die in dieser Arbeit vorgestellte Strategie zur Segmentation und Klassifikation drei-und vierdimensionaler MR-Datensätze ermöglicht die Erstellung anatomischer Modelle des menschlichen Körpers. Zur Segmentation dieser Datensätze kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Schwerpunkte bilden dabei das Region Growing und die Aktiven Konturen. Bei beiden Segmentationsverfahren werden zur Filterung der Datensätze unterschiedliche Filter (u. a. Gauß-, Sobelfil-ter, nichtlineare adaptive Diffusionsfilter, morphologische Filter) angewendet. Das Aktive Konturen-Verfahren wird weiterhin durch die Wahl geeigneter Potentialfunktionen unterstützt.

Christian D. Werner, Frank B. Sachse, Karsten Mühlmann, Olaf Dössel

Filterbankstrukturen zur verlustfreien Kompression medizinischer Bilddaten

In der modernen medizinischen Diagnostik werden eine Vielzahl von bildgebenden Verfahren verwendet. Hierdurch fallen jährlich radiologische Bilddaten in der Größenordnung von mehreren Petabytes an. In Deutschland wird vom Gesetzgeber zur Archivierung nur eine verlustlose Kompression dieser Bilddaten erlaubt. Wir stellen zwei neue verlustlose Kompressionsverfahren vor. Beide Verfahren benutzen eine Filterbank zur Reduktion der Signalentropie und verwenden eine Erweiterung der arithmetischen Codierung zur Entfernung der Redundanz.

Andreas Klappenecker, Frank U. May, Thomas Beth

Kompensation von Metallartefakten in der Computertomographie

Metallische Fremdkörper wie z. B. Zahnfüllungen oder implantierte Schrauben wirken sich in computertomographischen Aufnahmen negativ auf die Bildqualität aus, indem sich streifenförmige Artefakte über große Bereiche des Bildes ausbreiten und für die Diagnostik relevante Informationen überdecken. Für eine zuverlässigere Befundung ist die Kompensation solcher Artefakte von besonderer Bedeutung. Das vorgestellte Verfahren lokalisiert in den gemessenen Rohdaten die durch das Metallobjekt verursachten Störungen, um diese mittels eines an die Geometrie des Tomographen angepaßten Verfahrens zu kompensieren.Da das vorgestellte Verfahren unabhängig von nachfolgend angewandten Rekonstruktionsalgorithmen ist, handelt es sich um einen reinen Vorver-arbeitungsalgorithmus, der sich einfach auf bereits existierenden Tomographieanordnungen implementieren läßt.

D. Zerfowski

A new stereotaxic multiarchitectonic atlas of the human thalamus in a 3D MRI navigation system

In the context of MRI-guided stereotaxy a new stereotaxic atlas of the human thalamus was developed in order to improve anatomical definition and precision in the prediction of the exact location of thalamic targets. It is based on multiarchitectonic parcellation (Nissl, myelin, calcium-binding proteins). Sagittal atlas data were digitized and registered together with 3D MRI data sets. In a coarse to fine strategy the atlas-to-patient transformation matrix is refined. Thus the atlas is tailored to the individual anatomy of the patient. The effects of the rigid transformation are directly monitored on the computer screen using visible anatomical landmarks as control.

Klaus Niemann, Dagmar Noelchen, Daniel Jeanmonod, Anne Morel

Anatomically Guided Neuronavigation: Sample Applications of the SulcusEditor in a Clinical Setting

The clinical use of the SulcusEditor (SE) on an everyday basis for preoperative analysis of 3D MRI data sets of neurosurgical patients is reported. The SE is applied to MRI data sets of patients with tumors in the central and the temporal region of the brain in order to trace the individual sulcal pattern. This leads to a better understanding of the topographical relationships between the tumor and the surrounding tissue. Hence the operating neurosurgeon is provided preoperatively with detailed knowledge concerning the area of interest, eventually leading to a reduction of the operating trauma. Three cases of patients with tumors in the central region are shown examplarily.

Volker A. Coenen, Klaus Niemann, Uwe Spetzger, Armin Thron

CT-basierte 3D-Planung für die dentale Implantologie

Beschrieben wird ein 3D-Planungssytem für die dentale Implantologie. Wir haben einen Algorithmus für die automatisierte Detektion Alveolarnervs entwickelt, der nur eine minimale Benutzerinitialisierung erfordert. Um eine interaktive Implantatpositionierung auf vergleichsweise preiswerter PC-Hardware zu ermöglichen, wurden Methoden zur Hybridvisualisierung entwickelt, die auch ohne große Texturspeicher und spezielle Graphikprozessoren auskommen.

W. Stein, S. Haßfeld, J. Brief, I. Bertovic, R. Krempien, J. Mühling

Region-Oriented Segmentation of Vascular Structures from DSA Images Using Mathematical Morphology and Binary Region Growing

In this paper we describe a region-oriented segmentation algorithm suited for the detection and extraction of large blood vessels in angiographic images. The algorithm is based on the mathematical morphology top-hat operator followed by a binary region growing process. The combination of these two steps generates an image containing only the largest vessels regions, allowing a fully automatic segmentation without any manual interaction. We demonstrate the advantages of our approach comparing its results with those of other classical and morphological algorithms.

Marco Donizelli

An Object-Oriented Client-Server System for Interactive Segmentation of Medical Images Using the Method of Active Contours

In this paper we describe the first prototype of a distributed medical imaging system suitable for the visualisation and processing of medical images. The prototype is an object-oriented client-server system that provides a complete framework for the interactive segmentation of blood vessel contours from X-Ray Computed Tomography (CT) or Magnetic Resonance Imaging (MRI) scans, through the method of snakes or active contours. The system has been implemented exploiting the benefits of recent software developments, such as the Java language programming and the CORBA distributed object technology, which simplify the building, the maintenance and the portability of this kind of distributed applications.

Alan L. Scheinine, Marco Donizelli, Marco Pescosolido

Automatische 3D-Volumetrie und Visualisierung von Insuffizienzjets in der Echokardiographie

Die Bestimmung des Volumens von Insuffizienzjets stellt in der Echokardiographie einen wichtigen Parameter bei der Beurteilung von defekten Herzklappenstrukturen dar. Für diese Volumenbestimmung gibt es in der klinischen Routine keine Standardmethode. Wir stellen zum einen ein Verfahren für die dreidimensionale Volumetrie der Insuffizienzjets vor, das auf der Verteilung der Geschwindigkeiten im Blutfluß beruht, zum anderen wird ein neues Verfahren für die dreidimensionale Rekonstruktion in diesem Gebeit vorgestellt, bei dem die Flußinformation auf die gleiche Weise farblich kodiert werden kann, die auch bei der zweidimensionalen Darstellung während der Aufnahme verwendet wurde.

G. Glombitza, R. De Simone, M. Merdes, A. Mayer, H. P. Meinzer, C. F. Vahl, S. Hagl

Neuronale Netze zur automatischen Auswertung der Zirkulationsstörungen der Netzhaut auf den SLDF-Perfusionsbildern

Scanning Laser Doppler Flowmetrie (SLDF) bietet ein nicht-invasives Verfahren zur Untersuchung der Zirkulationsstörungen des Augenhintergrundes. Die mit SLDF hergestellten Perfusionsbilder können mit neuronalem Netz automatisch ausgewertet werden.

István Pál, Heinrich Niemann, Georg Michelson

Multimodale Registrierung mit effizienten Lernverfahren für neuronale Netze

Ausgangspunkt ist die mathematische Äquivalenz von voxelbasierter Registrierung und dem Training neuronaler Netze als multidimensionales Optimierungsproblem. Die Lernverfahren Quickprop und Rprop wurden implementiert, modifiziert und als Optimierungsverfahren für ein voxelbasiertes Ähnlichkeitsmaß verwendet. Tests mit realen Daten zeigten eine deutliche Überlegenheit beider Verfahren gegenüber einfachem Gradientenabstieg, wobei sich ein Vorteil zugunsten von Rprop andeutete. Der Vergleich mit einem konjugierte-Gradienten-Verfahren ergab keine signifikanten Unterschiede bezüglich Effizienz und Stabilität.

Torsten Rohlfing, Jürgen Beier, Oliver Schulte, Norbert Hosten, Roland Felix

Automatische Objekterkennung in 3D-Echokardio-graphiesequenzen auf Basis aktiver Oberflächenmodelle und modellgekoppelter Merkmalsextraktion

Die in der kardiologischen Routine anfallende Menge echokardiographischer Aufnahmen kann mit manuellen Methoden nicht mehr quantitativ ausgewertet werden. Wir stellen daher einen auf aktiven Oberflächen basierenden Ansatz vor, der ein automatisches Konturieren von TEE Echokardiographiesequenzen erlaubt. Im Gegensatz zu bestehenden Ansätzen erfolgt dabei die Extraktion von lokalen Bildmerkmalen nicht in einem Vorverarbeitungsschritt, sondern iterativ mit einem an das globale Modell angekoppelten anisotropen Extraktor.

M. Schreckenberg, G. von Dziembowski, O. Ziermann, D. Meyer-Ebrecht

Benutzergeführte Auswertung von Bildsequenzen mikroskopierter Mikrozirkulationsgebiete

Anwendungen der Digital Video Workbench

Rheoskopie ist eine Methode, Blutzellen unter wohldefinierten fluiddynamischen Bedingungen studieren zu können. Bei der seit kurzem verfügbaren Invivo-Rheoskopie werden Blutzellen auf ihren Bahnen durch bestimmte Mikrozirkulationspräparate (Mesenterien) mit Hilfe eines computergesteuerten Mikroskops verfolgt. Diese Verfolgungsfahrten werden mittels einer CCD auf Videoband aufgezeichnet und können später offline mit Hilfe einer geeigneten Software ausgewertet werden.In diesem Beitrag wird eine Methode zur benutzergeführten Auswertung solcher Bildsequenzen vorgestellt. Nach Bewegungskorrektur der Einzelbilder der Aufzeichnung werden anschließend mit einer Kombination aus einem einfachen Subtraktionsverfahren und einem modifizierten Isoseg-Algorithmus die Lage der Blutzellen in den Einzelbildern bestimmt und daraus relevante Parameter wie Geschwindigkeit, Lage und Orientierung im Gefäß sowie Verformung der Zellen bestimmt. Mit dieser Methode läßt sich das unterschiedliche Verhalten normaler und gehärteter Zellen miteinander vergleichen und quantifizieren.

Jens Hektor, Florian Zschocke, Thomas Förster, Reinhard Grebe, Holger Schmid-Schönbein

Visualisierung und Kommentierung von DICOM-Daten Ein Java-Applet

Zum Zweck einer orts-und plattformunabhängigen Möglichkeit der Visualisierung von DICOM 3.0-Daten wurde ein Java-Applet erstellt, das in jede Intra-und Internetanwendung eingebunden werden kann. Dieses Java-Applet interpretiert Bilddaten nach dem DICOM 3.0-Standard wie zum Beispiel CT-und MRT-Daten.Die Bilddaten selbst liegen auf einem HTTP-Server in Dateiverzeichnissen relativ zur jeweils aufrufenden HTTP-Scite. Die Visualisierung erfolgt auf beliebigen Java-fähigen WWW-Clients in Originalqualität, also in 12-Bit-Graustu-fen, und ermöglicht eine Grauwertfensterung nach Hounsfield mit frei wählbaren Einstellungen von Fensterzentrum und Fensterweite.Innerhalb des Applets können ganze Schichtbildserien mit ca. 40 bis 120 Bildern durchgesehen werden. Ferner ist es möglich, die Schichtbilder einzeln zu kommentieren und mit Overlays zu versehen, die mit Hilfe des Applets generiert werden. Als geometrische Primitive für die Overlays werden hier Pfeile, Polygone, Kreise, Ellipsen und Textfelder angeboten.Das Speichern der Overlay-und Kommentardaten übernimmt ein CGI-Skript nach Senden der Daten an den HTTP-Server. Dabei bleiben die DICOM-Dateien unverändert, indem unabhängig davon auf dem HTTP-Server Annotationsdateien in einem speziell dafür entworfenen ASCII-Format angelegt werden.Eingesetzt wird das Applet im verteilten radiologischen Lehrbuch ODITEB (gefördert vom DFN-Verein, Berlin, mit Mitteln des BMBF, Förderkennzeichen TK598-VA/M04.3), das fallorientiert aufgebaut ist und die Bilddaten verschiedener Provider visualisiert. Entscheidend ist dabei die Benutzerfreundlichkeit der Overlay-und Kommentarerstellung für die medizinisch-radiologischen Experten bei der Fallaufbereitung.

Thomas Balbach, Thomas Liß, Alexander Horsch

Erstellung detaillierter Finite Elemente Modelle des menschlichen Körpers

Wir präsentieren einen Algorithmus zur Erstellung von Finite Elemente Modellen des menschlichen Körpers. Ein von uns entwickelter Netzgenerator zerlegt ein durch Voxeldaten vorgegebenes Volumen in ein unstrukturiertes Tetraedergitter, welches das Delaunay Kriterium erfüllt. Sind die Ausgangsdaten gewebeklassifiziert, so erfolgt die Modellerzeugung basierend auf einem Teile und Herrsche Algorithmus automatisch, bei unklassifizierten Voxeldaten können unterstützend Grenzflächen mit Aktiven Konturen oder Marching Cubes erzeugt werden.

Marcus Müller, Thilo Franz, Karsten Meyer-Waarden

Computerbasierte Planung für die roboterunterstützte zementlose Implantation von Hüftendoprothesen

Die Implantation von Hüftendoprothesen ist eine der am häufigsten durchgeführten orthopädischen Operationen. Der Operationserfolg hängt dabei vor allem von der Auswahl der richtigen Prothese und der optimalen Positionierung des Implantats im Knochen ab. Bei der konventionellen Operationsmethode stellen sowohl die präoperative Planung als auch deren genaue intraoperative Umsetzung selbst für erfahrene Chirurgen eine große Herausforderung dar. In diesem Artikel wird ein System vorgestellt, das den Chirurgen bei der Planung und Durchführung eines Hüftgelenkersatzes unterstützt. Die Planung erfolgt auf der von uns entwickelten Planungsstation anhand von Spiral-CT-Daten von Hüfte und Femur sowie CAD-Daten der Prothesen. Die exakte Umsetzung des präoperativen Plans wird durch den intraoperativen Einsatz eines Roboters gewährleistet, der die Markhöhle zur Aufnahme der Femur-schaftkomponente einer Hüftendoprothese mit hoher Genauigkeit entsprechend der präoperativen Planung präpariert.

K. Wolsiffer, R. Petzold, W. A. Kalender

Automatische Segmentierung und morphometrische Analyse von Nervenbiopsien

Lichtmikroskopische Aufnahmen gefärbter Semidünn-schnitt-Präparate von Nervenbiopsien müssen bei einer Vielzahl von neuromuskulären Erkrankungen morphometrisch analysiert werden. Es wird hier eine weitgehend automatische Ermittlung klinisch relevanter Parameter vorgestellt. Die nach Vorverarbeitung, Kantendetektion und region growing noch verbundenen Objekte werden mit einem statistischen und einem geometrischen Ansatz aufgetrennt. Für die klassifizierten Nervenfasern wird die Axon-Markscheiden-Relation bestimmt. Außerdem werden neue Beschreibungen der Rundheit der Nervenfasern eingeführt.

A. Knepper, A. Dölemeyer, M. Mugler, J. M. Schröder, D. Meyer-Ebrecht

Ein schneller Algorithmus zur Erkennung und Kompensation von Augenbewegungen zur automatischen Durchführung der funduskontrollierten Mikroperimetrie

Bei der mikroperimetrischen Untersuchung der Funktion des visuellen Systems des Menschen führen unvermeidbare Augenbewegungen zu großen Meßungenauigkeiten. Eine bislang eingesetzte manuelle Nachführung bedeutet eine erhebliche Belastung für den Patienten und den Untersucher. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, mit dem Augenbewegungen in Echtzeit erkannt und ausgeglichen werden können. Dabei wird a-priori-Wissen über das Bildmaterial genutzt, um die Bewegungserkennung stark zu vereinfachen. In einer Kontrollstufe wird die Validität des Ergebnisses überprüft. Die Performance wurde an Hand von Videomitschnitten verschiedener Untersuchungen ermittelt. Bei der Implementierung unter WindowsNT konnte die vi-deofrequente Bestimmung der Augenposition erreicht werden. Es gelang weiterhin, falsch positive Ergebnisse völlig auszuschließen.

A. Dölemeyer, H. Liebau, F. Toonen, S. Wolf, D. Meyer-Ebrecht

Robuste Anpassung digitaler Bilddaten auf mehreren Auflösungsstufen

In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur elastischen Modellierung zweier Bilddatensätze auf mehreren Auflösungsstufen beschrieben. Durch die automatische Modellierung ist es möglich die verschieden frequenten Bildstrukturen auf den verschiedenen Auflösungsstufen ohne jede Vorabinformation elastisch so zu deformieren, daß eine deckungsgleiche Anpassung möglich ist. Hierfür wird auf jeder Auflösungsstufe ein von der gewählten Modellierung abhängiges Funktional sukzessiv minimiert. Dadurch entsteht eine Folge von Verschiebungsvektoren, die die Bilddatensätze elastisch ineinander überführt.

Stefan Henn, Thorsten Schormann, Knut Engler, Karl Zilles, Kristian Witsch

Ein Verfahren für die Berechnung von Farbclustern zur robusten Segmentierung von Farbflächen

Dieser Beitrag beschreibt ein interaktives Verfahren für die Berechnung von Farbclustern zur robusten Segmentierung von Farbflächen in Videobildern. Die entwickelte Segmentierungsmethode ist Bestandteil eines Bildverarbeitungssystems zur Erkennung von Gebärden, wie sie in der Gebärdensprache Anwendung finden [1]. Der Benutzer trägt einen mehrfarbig markierten Handschuh an der rechten Hand, einen einfarbigen Handschuh an der linken Hand und eine Farbmarkierung am rechten Ellenbogen. Insgesamt sollen die zehn Farben sowie der Bildhintergrund, die Haut und die Kleidung mit Hilfe einer Farb-Look-Up-Tabelle (LUT) in Echtzeit segmentiert werden. Unter Berücksichtigung der Echtzeitanforderungen wird ein Segmentierungsverfahren entwickelt, das robust bezüglich der Kleidung des Benutzers, des Bildhintergrunds und gegenüber Änderungen der Beleuchtungsintensität ist. Das implementierte Segmentierungsverfahren ermöglicht dem Benutzer, eine Segmentierung von sehr hoher Qualität zu erzielen, welche eine gute Grundlage für die anschließende Merkmalsextraktion und Klassifikation der Gebärde darstellt.

Hermann Hienz, Kirsti Grobel, Markus Tan

Multimediale Darstellung und Verarbeitung medizinischer Bilddaten in Rechnernetzen

Auf der Basis der Java-Programmiertechnik wird eine Anwendung erstellt, mit der medizinische Bilddaten, Befunde und Patienteninformationen in digitaler Form innerhalb und außerhalb des Krankenhauses dargestellt und verarbeitet werden können. Die Java-Anwendung ermöglicht eine Informationsübertragung im Intra-und Internet, die unabhängig ist von der Hardware und vom Betriebssystem des Clients. Der Funktionsumfang der auf den Client übertragenen Software zur Visualisierung und Verarbeitung der Bilddaten wird vom Server genau auf die jeweils ausgewählte medizinische Anwendung abgestimmt.

W. Hillen, N. Jansen, F. Unglauben, R. Indefrey

Automatische Extraktion von Referenzpunkten zur Inhomogenitätskorrektur in kernspintomographischem Bildmaterial des menschlichen Gehirns

Grauwertinhomogenitäten in kernspintomographischem Bildmaterial erschweren die automatische Klassifikation des Gehirngewebes. Das eingesetzte Korrekturverfahren basiert auf der Hypothese, daß von der Grauwertinhomogenität eines Gewebetyps (Referenzgewebe) auf die Gesamtinhomogenität geschlossen werden kann. Die zur Schätzung des Inhomogenitätsverlaufs benötigten Referenzpunkte werden mit Hilfe eines zweistufigen Extraktionsverfahrens bestimmt, welches Merkmale des Referenzgewebes und der Referenzpunkte mit Verfahren der digitalen Bildverarbeitung aus den Bilddaten ermittelt und analysiert.

S. Romainczyk, G. Wagenknecht, U. Büll

Verlustbehaftete Bilddatenreduktion von digitalen Koronarangiogrammen

Vergleich der subjektiven Bildqualität mit verschiedenen objektiven Parametern

Zum Testen und Entwickeln von neuen verlustbehafteten Algorithmen für die Bilddatenkompression benötigt man leicht zu ermittelnde, berechnete Bildqualitätsparameter. Die Korrelation solcher berechneter, „objektiver“ Parameter mit der visuellen, subjektiven Beurteilung der Bildqualität wurde für JPEG-komprimierte Koronaran-giogramme untersucht. Zusätzlich zu drei auf der mittleren quadratischen Abweichung basierenden Bildqualitätsparametern wurde dabei ein neu entwickeltes, die Bildstrukturen berücksichtigendes Bildqualitätsmaß getestet. Die visuelle Bildqualitätsbeurteilung wurde von sechs Beobachtern anhand einer fünfstufigen Skala durchgeführt. Als Bildmaterial dienten 40 verschiedene Bilder (acht Koronarangiogramme in fünf verschiedenen Kompressionsstufen). Mit Hilfe des neuen Qualitätsparameters konnte die Korrelation zur visuellen Qualitätsbeurteilung von ca. 92% (PSNR) auf ca. 96% gesteigert werden.

U. Bürgel, R. Brennecke, H. P. Fritsch, J. Meyer

Colored 3D-CT Reconstruction

A Planning Tool in Skull Base Surgery

Introduction: Planning of skull base surgery involves a large number of conventional pictures. Three-dimensional CT-reconstruction added a different perspective in demonstrating spatial relationships of bone, tumor and vessel in a single illustration. Methods: 70 patients with skull base lesions (63 neoplastic and 7 vascular) were examined with spiral CT and 3D-reconstruction preoperatively. The reconstruction both visualized the pathology in its relationship to the adjacent bone and vessels -labelled in different colors— and simulated the possible surgical approaches. A General Electric High Speed Advantage CT and a maximum of 95 ml intravenous contrast media were used. A Spiral CT covering the area of interest was performed and transformed to 1 mm slices. Reconstruction was done after transfering the data set to an Advantage Windows Workstation; this required about 3 to 5 minutes. Editing the 3D-reconstruction took between 20 minutes and 1.5 hours (average one (1) hour) depending on the pathology’s complexity. Results: Preoperative 3D-reconstruction of CT-data renders spatial representation of the lesion in relationship to neighboring structures using data usually acquired in preoperative routine. Complex anatomy is visualized with a handful of pictures including cinematografic presentations. Using the reconstructed 3D-computer model it was easily possible to compare different surgical approaches and its specific exposure. The short time necessary for reconstruction allows the application of this method as a routine preoperative procedure for selected skull base pathologies. Computing time of 1.5 hours in complex cases is acceptable due to the information gained with 3D-imaging. Since a preoperative CT in thin slices is mandatory in skull base surgery, no additional costs are caused. Conclusion: 3D-imaging in skull base surgery is a useful tool for visualizing complex anatomy and for finding the most feasible approach. It represents an application of “virtual surgery” in a standard hospital environment. Since CT data is acquired during preoperative routine, no additional examinations become necessary. We recommend this procedure as a routine preoperative procedure for selected skull base lesions.

Erck Elolf, Marcos Tatagiba, Madjid Samii

In vitro Kalzifizierung biologischer Herzklappenprothesen: Computergestützte Bestimmung des Kalzifizierungsgrads aus Mikroradiographien

Die Lebensdauer biologischer Herzklappenprothesen (Bioprothesen) wird durch strukturelles Klappenversagen beeinträchtigt. Das Hauptproblem liegt in der dystrophischen Kalzifizierung des implantierten Gewebes. Die meisten implantierten Bioprothesen stammen entweder vom Schwein (porcine Klappen) oder werden aus Rinderperikard (bovine Klappen) gefertigt. Ziel der vorliegenden Studie ist, in vitro den Einfluß dieser beiden Gewebearten auf die Kalzifizierung zu untersuchen. Dabei wird das Ausmaß der Kalzifizierung zerstörungsfrei mittels Mikroradiographie detektiert. Mit Hilfe einer Bildverarbeitungssoftware war es möglich, die kalzifizierten Areale der untersuchten Herzklappenprothesen aus den Röntgenbildern zu berechnen. Die bovinen Bioprothesen weisen in dieser Studie eine geringere Kalzifizie-rungsneigung gegenüber den porcinen auf.

Birgit Glasmacher, Helmut Reul, Günter Rau

Medizinische Bildverarbeitung

-Aktueller Stand und Zukunftsperspektiven-

Der Bereich der Medizinischen Bildverarbeitung ist ein sehr umfangreiches Anwendungsgebiet in der großen Disziplin der Bildverarbeitung. Er hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen (siehe beispielsweise die verschiedenen Konferenzen und Workshops, neu erschienene Bücher und die unterschiedlichen Lehrveranstaltungen an den Hochschulen). Neben der Entwicklung immer besser werdender bildgebender Verfahren hat auch gerade die Anwendung „Intelligenter Systeme“ (Unscharfe Logik, Neuronale Netze und Evolutionäre Algorithmen) in den siebziger Jahren bis heute dieses Forschungsgebiet zusätzlich neu „belebt“, was sich auch in den vielen neuen positiven Forschungsergebnissen widerspiegelt.

Erdmuthe Meyer Zu Bexten, Jens Hiltner

Neural network analysis of functional MRI time-series— hierarchical clustering by deterministic annealing

In this paper, we present a neural network approach to hierarchical unsupervised clustering of functional magnetic resonance imaging (fMRI) timesequences of the human brain by self-organized fuzzy minimal free energy vector quantization (VQ). In contrast to conventional model-based fMRI data analysis techniques, this deterministic annealing procedure does not imply presumptive knowledge of expected stimulus-response patterns, and, thus, may be applied to fMRI experiments in which the time course of the stimulus is unknown like in spontaneously occurring events, e.g. hallucinations, epileptic fits, or sleep. Moreover, as minimal free energy VQ represents a hierarchical data analysis strategy implying repetitive cluster splitting, it can provide a natural approach to the subclassification task of activated brain regions on different scales of resolution with respect to fine-grained differences in pixel dynamics.

A. Wismüller, D. R. Dersch, B. Lipinski, K. Hahn, D. Auer

Detektion und Quantifizierung der Membranstrukturen von Nervenzellen

Quantitative diagnostische Aussagen aufgrund histologischer Untersuchungen erfordern eine reproduzierbare Auswertung von Zellbildern. Der Einsatz eines rechnergestützten Auswertungssystems kann die Qualität der Aussagen steigern, indem der subjektive Einfluß des Untersuchers minimiert wird. Mit einem für die Aufgabe der Zelldetektion spezialisierten deformierbaren Membranmodell können geometrische Informationen über die Form einer Zelle im Bild gewonnen werden. Die Geometrie und ein zusätzlich ermitteltes lokales Qualitäts-und Wichtungsmaß für die aufgefundene Kontur werden verwendet, um diagnostisch relevante Membranstrukturen zu extrahieren und quantitative Kennwerte zu ermitteln. Das Verfahren wird zur quantitativen Auswertung bei einer neurobiologischen Fragestellung eingesetzt. Hier werden histologisch präparierte Zellen automatisch ausgewertet und in 94% der Fälle korrekt erkannt.

J. Bredno, V. Metzler, W. Nacimiento, T. Lehmann, K. Spitzer

Quantitative Farbmessung in laryngoskopischen Bildern

Quantitative Farbmessungen sollen die Diagnostik laryngealer Erkrankungen unterstützen. Dabei wird der Farbeindruck nicht nur durch die Reflexionseigenschaften des Gewebes sondern auch durch die Farbe der verwendeten Lichtquelle beeinflußt. Der hier vorgestellte Farbkonstanz-Algorithmus basiert auf dem dichromatischen Reflexionsmodell und liefert eine pixelweise Trennung des Farbbildes in seine beiden Faxbanteile. Die Körperfarbe entspricht dabei der gewebespezifischen Reflexion, die Oberfächenfarbe der Strahlung der Lichtquelle.

Christoph Palm, Ingrid Scholl, Thomas Lehmann, Klaus Spitzer

Schadensbeurteilung von Zellpopulationen durch morphologische Formanalyse

Im IZKF „Biomat“ wird die Bioverträglichkeit von Biomaterialien über den Schädigungsgrad von Zellpopulationen beurteilt. Dazu werden spezielle Zellinien (hier L-929 Fibroblasten) dem Material im indirekten oder direkten Kontakt unter definierten Bedingungen ausgesetzt, wodurch die Zellen ihre Morphologie proportional zur Toxizität des zu untersuchenden Materials verändern. Die automatische Analyse des Schädigungsgrads der Zellen liefert dem Untersucher, im Gegensatz zur üblichen Beschreibung eines visuellen Eindrucks, quantitative Maße, die erst eine objektive Vergleichbarkeit von Ergebnissen ermöglichen. Darüber hinaus kann das Laborpersonal von einer zeitaufwendigen und fehlerintensiven Routinetätigkeit entlastet werden. Nach der digitalen Aufnahme der Präparate mit einer CCD Kamera werden die Zellbilder mit Methoden der mathematischen Morphologie analysiert. Der Algorithmus besteht aus drei Phasen: Der Binarisierung, der morphologischen Trennung zusammenhängender Zellen und der Vermessung der Objekte. Im Gegensatz zu herkömmlichen morphologischen Analysemethoden liefert das Verfahren im praktischen Einsatz zufriedenstellende diskriminative Papameter.

V. Metzler, H. Bienert, T. Lehmann, K. Spitzer

Quantifizierung von Brain-Shift durch Vergleich von prä-und intraoperativ erzeugten MR-Volumendaten

Bei der Neuronavigation tritt häufig ein Brain-Shift-Effekt auf: Das Gehirn verändert seine Form aufgrund mechanischer Einflüsse während der Operation. Da der Operationsplan, der anhand präoperativen Bildmaterials entstanden ist, dann nur mehr bedingt gültig ist, war es Ziel der Arbeit, quantitative Aussagen über Lokalisation und Ausmaß der Verschiebungen machen zu können. Zu diesem Zweck wurden jeweils prä-und intraoperativ aufgenommene MR-Volumendaten von insgesamt 10 Tumorpatienten untersucht. Die beiden Aufnahmen eines Patienten wurden gematcht, und anschließend wurden mit eigens entwickelten Vergleichsverfahren die Veränderungen an der Hirnoberfläche, an der Interhemisphärspalte und am Ventrikelsystem quantifiziert. Es wurden Unterschiede bis zu 2 cm beobachtet.

K. A. Ganser, H. Dickhaus, A. Staubert, M. M. Bonsanto, C. R. Wirtz, V. M. Tronnier, S. Kunze

Detektion von Leukozyten mit Hilfe neuronaler Strukturen

Die Bestimmung der Anzahl und Geschwindigkeit von Leukozyten in Venolen ermöglicht Rückschlüsse auf den Aktivierungszustand des Immunsystems. In diesem Beitrag werden neuronale Netze zur Detektion von Leukozyten in Sequenzen von Mikrozirkulationsaufnahmen eingesetzt. Das Training der Netze erfolgt mit synthetischen Leukozytenbildern, die über ein stochastisches Modell gewonnen werden. Künstliche Zellenmuster bieten eine wesentlich bessere Anpassungsfähigkeit an neues Bildmaterial, als dies reales Bildmaterial ermöglicht. Um die Leistungsfähigkeit des Zellenmodells zu überprüfen, werden Netze mit echten und synthetischen Datensätzen trainiert. Dabei erzielen Netze auf Basis synthetischer Zellenmuster in fast allen Netzkonfigurationen bessere Ergebnisse als solche, die mit echten Zellenbildern trainiert wurden.

U. Schreiner, M. Egmont-Petersen, T. Lehmann, S. C. Tromp, D. W. Slaaf, T. Arts

Modellierung und Visualisierung kardialer Erregungs-ausbreitungsmuster in einem Voxelmodell des Herzens

Ein dreidimensionales Zelluläres Automatenmodell

Bisherige Computermodelle der kardialen Erregungsausbreitung beschränkten sich entweder auf zwei räumliche Dimensionen oder auf Teilbereiche des Herzens. Für eine realistische Simulation des Herzens ist es nötig, das physiologische Modell mit einem möglichst detaillierten räumlichen anatomischen Modell zu verbinden. Dazu wird ein Voxelmodell des Herzmuskels auf der Basis des Visible Human Datenersatzes erstellt. Zur Modellierung der Erregungsausbreitung wird das von Gerhardt et al. (1) entwickelte Zelluläre Automatenmodell den verschiedenen Zelltypen des Herzmuskels angepasst. So lassen sich erstmals sowohl normale als auch pathologisch veränderte Erregungsmuster auf einer makroskopischen Ebene in einem verschiedene Zelltypen umfassenden dreidimensionalen Modell des gesamten Herzens modellieren. Derartige Modelle könnten es in Zukunft ermöglichen, Auswirkungen lokalisierter Defekte oder anatomischer Fehlbildungen auf die Erregungsausbreitung zu untersuchen.

Jan Freudenberg, Karl Heinz Höhne

Interaktive Deformation volumenbasierter Körpermodelle

Üblicherweise sind digitale Körpermodelle starr. Für einen realistischen Umgang mit den Modellen ist es jedoch nötig, diese auch verformen zu können. Da der volumenbasierte Charakter für einen umfassenden Einsatz der Modelle entscheidend ist, kommt es darauf an, daß echte Volumendeformationen anstelle von Oberflächenverformungen berechnet werden. Die Deformationen werden zur Simulation interaktiver Eingriffe benutzt, so daß die entwickelten Methoden sich vor allem durch schnelle Berechenbarkeit auszeichnen.

Thomas Schiemann, Karl Heinz Höhne

Image Retrieval für klinische Bilddatenbanken

Die ständig zunehmende Menge an multimedialen (Bild-)Daten in den verschiedensten Anwendungsbereichen stellt immer höhere Anforderungen an den Zugriff auf diese. Da eine manuelle Indizierung immer aufwendiger wird, sind in der Vergangenheit zahlreiche Systeme und Algorithmen entwickelt worden, mit denen Indizierung und Abfrage solcher Datenbanken erleichtert werden sollen. Ein möglicher Ansatz ist der Bildzugriff durch Bildanalyse, der eine automatische Indizierung von Bilddaten erlaubt. In dieser Arbeit wird ein Überblick über aktuelle Entwicklungen auf diesem Gebiet gegeben, insbesondere im Hinblick auf eine klinische Anwendbarkeit, und es wird ein neues Verfahren zur Leistungsbewertung solcher Systeme vorgeschlagen, das auf dem statistischen Ansatz von Sensitivität und Spezifität beruht.

Jörg Dahmen, Thomas Lehmann, Klaus Spitzer, Hermann Ney

Industriebeiträge

Moderne Computertechnologie für die medizinische Bildverarbeitung

Für die Befundung und Diagnostik spielt die traditionelle Bilderstellung in zahlreichen Teilgebieten der Medizin eine immer wichtigere Rolle. Durch den Einsatz digitaler, bildgebender Geräte konnte die diagnostische Relevanz in den letzten Jahren drastisch gesteigert werden. Teilweise wurden durch die neuen Technologien auch die Belastung der Patienten (z.B. durch Minimierung der Röntgenstrahlung) reduziert.

Jörg Schwarz

Waveletbasierte Bildkompressionsverfahren

Vorteile bei der Archivierung und Übertragung hochaufgelöster Bilddaten

Die elektronische Verarbeitung von Daten eröffnet neue Möglichkeiten auch im Bereich der Bildverarbeitung. Ihr Einsatz vereinfacht die Archivierung, Verwaltung und Übertragung von Bildern. Aufgrund der hohen Datenmenge, die bei der Arbeit mit digitalisierten Bildern entstehen, stoßen jedoch die Archivierungs-und Datenübertragungssysteme dabei an ihre Leistungsgrenzen. Obwohl die Leistungsfähigkeit der digitalen Bildaufnahmesysteme und der Rechentechnik ständig zunimmt, steigt die Datenmenge der digital zu verarbeitenden Bilder in höherem Maße, so daß derzeit die Speicherund Übertragungsmedien den Engpaß bei der digitalen Bildverarbeitung darstellen. Eine Lösungsmöglichkeit besteht in einer effizienten Datenkompression. Der folgende Beitrag zeigt die Vorteile des Einsatzes moderner Bilddaten-kompressionsverfahren am Beispiel des waveletbasierten LuraWave-Verfahrens.

Michael Thierschmann, Uwe-Erik Martin

EEG/MEG Quellen Rekonstruktion

-Die Funktionen von CURRY und CAUCHYpar-

In dem Programmpaket CURRY-CAUCHY wurden Werkzeuge erstellt, mit denen es möglich wurde, die Quellen der elektromagnetischen Aktivität des Zentralnervensystems in der individuellen Anatomie zu berechnen. Es wird der Weg von der Datenaufnahme bis zur Visualisierung der Ergebnisse vorgestellt. Ziel weiterer methodischer Entwicklung sind deutlich beschleunigte und „automatisierte“ Programmabläufe. Als wesentlicher Schritt zum effizienten Einsatz der Methoden werden zeitintensive Teilfunktionen parallelisiert und das gesamte Programmpaket auf einen Parallelrechner portiert.

H. Buchner, S. Kaiser, P. M. A. Sloot, M. Fuchs, K. Waßmuth

3D-Segmentierung in konfokalen Laserscans der Retina über das Dresdner 3D-Display ESPRIT-Projekt 26 401 „VISPAR“

Das ESPRIT-Projekt „VISPAR“ stellt eine über den Technologie-Transfer-Knoten Thüringen (TTN-T) geförderte Demonstrationsaktivität dar. Deren Ziel ist die Erweiterung eines bestehenden Systems zur Unterstützung der medizinischen Diagnose, speziell von Glaukomerkrankungen. Durch autostereoskopische 3D-Visualisierung, online 3D-Segmentierung und wissensbasierte Diagnoseunterstützung soll die bisherige ophthalmologische Laserscanning-Untersuchung weiterentwickelt werden. Insbesondere soll die Reproduzierbarkeit der Segmentationsergebnisse, der darauf aufbauenden statistischen Daten und die Diagnosesicherheit entschieden verbessert werden.

S. Böttcher, H.-J. Malig

Bilddokumentation und -analyse am Beispiel der Augenmedizin

Die digitale Erfassung und Dokumentation erlangt in der Augenmedizin eine immer größere Bedeutung. Der Einsatz herkömmlicher chemischer Photomaterialien (Sofortfilm) verbietet sich bei Dokumentationspflicht und bei Anfall von bis zu einem Dutzend Aufnahmen pro Untersuchung aus Preis-und Umweltschutzgründen. Die Erzeugung von Dias ist zeitaufwendig, das Material steht erst Stunden bis Tage später zur Begutachtung unsortiert zur Verfügung. Bei Fluoreszenzangiografie-, ICG und auch normalen Farbaufnahmen wird eine objektive, den Behandlungsverlauf dokumentierende Befundung mittels schneller Monitordarstellung und Ablage in die Bilddatenbank erst ermöglicht.

Werner Neubert

Backmatter

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