Algorithmen zur Gefäßerkennung für die Koronarangiographie mit Synchrotronstrahlung (eBook)

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

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

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.