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Realitätsnahe Modellierung und Visualisierung dynamischer medizinischer Bilddaten mittels aktiver Konturen, aktiver Regionen und deformierbarer Modelle

Großkopf, Stefan :
Realitätsnahe Modellierung und Visualisierung dynamischer medizinischer Bilddaten mittels aktiver Konturen, aktiver Regionen und deformierbarer Modelle.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Realitätsnahe Modellierung und Visualisierung dynamischer medizinischer Bilddaten mittels aktiver Konturen, aktiver Regionen und deformierbarer Modelle
Language: German
Abstract:

In der Medizin werden sensible Entscheidungen zunehmend in allen Phasen der Behandlung (Diagnose, Planung, Durchführung und Kontrolle der Therapie) auf der Grundlage von Bild-material getroffen. Die Präzision, mit der medizinisches Bildmaterial die Anatomie und dar-über hinaus physiologische und dynamische Prozesse des menschlichen Körpers abbildet, konnte aufgrund der technologischen Entwicklung der Bildgebung seit Entdeckung der Rönt-genstrahlen erheblich verbessert werden. Damit erfolgte gleichzeitig ein tiefgreifender Wan-del im klinischen Alltag. Andererseits hat sich die Form der Bewertung der Bilddaten seit Einführung der Computer-tomographie in der Mitte der 70er Jahre nur wenig verändert. Trotz der Verfügbarkeit digita-ler Bilddaten über Breitbandnetzwerke werden Bilder häufig schichtweise betrachtet und ausgewertet. Die Genauigkeit, mit der anatomische Details in Original-Schichtbildern zu er-kennen sind, scheint durch andere Methoden der Visualisierung bisher unerreicht. Bei einer schichtweisen Betrachtung des Bildmaterials muss jedoch die eigentlich in 3D vorliegende, sich dynamisch ändernde Anatomie des Patienten mental rekonstruiert werden. Erstrebens-wert ist eine dynamische Visualisierung von 3D-Modellen der Anatomie, mit der darüber hin-aus verbesserte Möglichkeiten der Therapieplanung und Kontrolle direkt in 3D realisiert wer-den können. Eine Reihe von Anwendungen, die den Stand der Technik darstellen, haben sich trotz enger Kooperationen mit medizinischen Partnern insgesamt noch wenig im klini-schen Alltag durchsetzen können. Die vorliegende Arbeit möchte einen Beitrag zur Verbesserung der Situation durch neue Methoden der realitätsnahen Modellierung, der Visualisierung und der Analyse dynamischer medizinischer Bilddaten leisten. Durch die Integration der Verfahren und Verfahrensketten in Pilotapplikationen für die Onkologie, Kardiologie und Zahnmedi-zin sowie einer nicht-medizinischen Anwendung werden deren Genauigkeit und Effizi-enz demonstriert und evaluiert. Durch den Einsatz aktiver Konturen, aktiver Regionen und deformierbarer Modelle ist der Anwender dabei in der Lage, in allen Phasen die Genauigkeit der Modelle und Vi-sualisierung zu kontrollieren. Darüber hinaus ermöglichen sie eine genaue Selektion für die Visualisierung nur derjenigen Daten, die für eine Diagnose von Bedeutung sind. Durch den Einsatz von Methoden der Statistik, der mathematischen Morphologie und der to-pologischen Analyse können in dieser Arbeit signifikante Fortschritte gegenüber zuvor in der Literatur vorgestellten Techniken erzielt werden. Es werden neue Verfahren und Verfahrens-ketten zur Rekonstruktion, Segmentierung, Triangulation und direkten Volumenvisualisierung sowie ein Verfahren zur Formanalyse von 3D-Modellen entwickelt und anhand von realen medizinischen Bilddaten unterschiedlicher Patienten evaluiert. Im Anschluss an eine Zusammenfassung des Standes der Technik in der Bildakquisition werden zunächst zwei Verfahren zur Rekonstruktion aus dynamischen, angiographischen Projektionen präsentiert. Die Angiographie ist in der Kardiologie aufgrund der hohen Auflö-sung in Raum und Zeit und der guten Verfügbarkeit der Goldstandard. Insofern stellen die entwickelten Verfahren der photogrammetrischen Rekonstruktion (für die Rekonstruktion von Koronargefäßen) und ein Verfahren der Rückprojektion (für die Rekonstruktion des linken Ventrikels) eine Wertsteigerung dieser verbreiteten Bildgebungstechnik mit einem großem Anwendungspotential dar. Für die Segmentierung, auf der ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt, werden nach einer Ana-lyse der Einzelkomponenten aktiver Konturen (Repräsentation, Constraints, Energiedefiniti-on, Extremalsuche) verschiedene Ansätze aktiver Konturen und Regionen gegenüberge-stellt. Hierzu zählen die Level Set-Methode, das Verfahren des Region Competition, sowie ein eigener Ansatz einer aktiven Kontur, der eine gerichtete Distanztransformation zur Pro-pagierung von Bildkonturen in den Bildraum verwendet. Des weiteren wird eine aktive Regi-on, die auf der Simulation Lagrangescher Dynamik basiert, und ein Ansatz des Kontur-Trackings durch das zur Videokompression eingesetzte Blockmatching präsentiert und be-wertet. Als ein Beitrag zur geometrischen Modellierung durch Triangulationen wird das Verfahren des Tracing Cube vorgestellt. Es verfolgt genau eine Oberfläche von einem vorgegebenen Startpunkt aus und ist dadurch in der Lage, einen rekonstruierten Ventrikel von Ghostings der Rückprojektion zu isolieren. Durch einen Ansatz zur Dreiecksreduktion basierend auf ei-nem geometrisch deformierbaren Modell können Dreiecksnetze mit einer optimalen Anzahl von Dreiecken generiert werden, da ihre Dreiecksgröße lokal adaptiv aufgrund der Oberflä-chenkrümmung gewählt wird. Die Genauigkeit der Approximation einer implizit definierten Oberfläche kann dabei gegenüber einem zuvor angewendeten Vergleichsverfahren etwa um den Faktor fünf gesteigert werden. Für die Formanalyse wird ein Verfahren vorgestellt, das zunächst das zu analysierende Ob-jekt (z. B. einen Gefäßbaum) bis auf sein Skelett verdünnt, um Verzweigungsstellen, End-punkte und Stenosen mit Hilfe einer zusätzlich durchgeführten Distanztransformation zu identifizieren. Im weiteren werden zwei Verfahren der direkten Volumenvisualisierung vorgestellt und dis-kutiert: selektive Volumenvisualisierung, die globale Segmentierungsinformation nutzt, um interessierende Objektoberflächen aus dem Datensatz herauszuschälen und eine durch die Quantillenanalyse verbesserte Maximums- (Minimums-) Intensitätsprojektion. Mit Hilfe der letzteren ist es z. B. möglich, durch Selektion eines Grauwertebereiches Liquor-gefüllte Hirn-ventrikel aus CT-Datensätzen zu visualisieren. Für eine abschließende Bewertung werden die eingangs erwähnten Pilotapplikationen vor-gestellt, die aus den Bereichen Onkologie, Kardiologie und Zahnmedizin stammen. Für sie wird jeweils eine Demonstrationssoftware beschrieben, die eine Evaluierung der Technologi-en ermöglicht und die z. T. bereits Einzug in den Alltag gefunden haben. Darüber hinaus wird das vorstehend erwähnte Verfahren zur Dreiecksreduktion auch für eine technische Applika-tion angewendet: Für eine Rekonstruktion von Objektoberflächen auf der Basis mehrerer 2,5D-Scans.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Sensitive decisions in medicine are increasingly based on image data used throughout all phases of medical treatment (diagnosis, planning, execution, and therapy control). Since X-rays have been discovered the accuracy of medical images depicting anatomy and physio-logical processes has been improved due to the technological progress of imaging devices. Thus a profound alteration has been induced in medical routines. Evaluation of image data, on the other hand, did not change since the computer tomography was introduced in 1973. Despite image data being available through digital files over high-speed networks, physiologists still study images slice-by-slice. This is because the precision and reliability that can be derived from original slices is not yet attained by other visualization techniques. However, when viewing the images slice-by-slice, the underlying dynamic 3D anatomy of the patient has to be reconstructed mentally. It is more desirable to have a dy-namic visualization of 3D models of the anatomy. This may include information about im-proved planning facilities and therapy control. Numerous applications that reflect the state-of-the-art in this area generally do not yet have a break-through into routine despite of a close cooperation with medical staff. This thesis intends to contribute overcoming this situation by new techniques of close-to-reality modeling, visualization and analysis of dynamic medical image data. By integrating methods and processing pipelines in pilot applications of oncology, cardiology, and dental medicine, as well as a non-medical application the accuracy and efficiency is demonstrated and evaluated. By application of active contours, active regions, and deformable models the user is able to control the accuracy of models and visualization within all phases. Moreover they enable a visualization of just that portion of data that is relevant for the diagno-sis. By application of methods from statistics, mathematical morphology and topological analysis this thesis enables significant improvements over methods presented in related literature. New reconstruction, segmentation, triangulation, and volume rendering techniques as well as a technique for shape analysis are developed and evaluated on real medical image data. Subsequently to a summary of the state-of-the-art in the area of image acquisition, two tech-niques for the reconstruction from dynamic, angiographic sequences are presented. Angiog-raphy is still the golden standard in cardiology due to its high spatial and temporal resolution and its high availability. Thus the developed methodology of photogrammetric reconstruction (for the reconstruction of coronary vessels) and the reprojection (for reconstruction of the left ventricle) are an added value for this popular imaging technique with a high application po-tential. The main focus of this thesis is the segmentation. Thus it analyses the components of active contour models in depth (representation, constraints, energy terms, search for extremas) and compares different approaches of active contours and regions. For this the level set method, region competition, an own approach of an active contour model which includes a directed distance transform in order to propagate image contours into image space are presented. Furthermore an active region that is based on simulating Lagrangian dynamics and an ap-proach of tracking based on block matching are presented and evaluated. A contribution for geometric modeling by triangulation is the method, which is denoted as tracing cube. It traces exactly one surface starting from a given surface point. It thus enables to isolate a reconstructed ventricle from ghostings of the back projection. By application of a triangle reduction method, which is based on a geometric deformable model a triangulation with an optimal number of triangles, can be generated. It is achieved by adapting the local triangle size to the curvature of the surface. The accuracy of matching an implicit surface was improved by factor five against a method used previously. For shape analysis a technique is presented that thins the object (e.g. a vessel tree) to its skeleton. Subsequently the branches and end points as well as stenotic areas can be identi-fied. For the latter an additional distance transform is performed. In the following two methods of direct volume rendering are presented and discussed: first selective volume rendering which uses global segmentation information for extracting regions of interest from the data set, and second a maximum-intensity (resp. minimum-intensity) projection which is improved by including a quantile analysis. Applying the latter for the visu-alization of CT-images enables to visualize the liquor filled ventricles of the brain by selecting an intensity level. For the evaluation of the developed techniques pilot applications are presented for the areas of oncology, cardiology, and dental medicine. For each of them a demonstration software is described which enable the evaluation of the developed technologies and partially have been introduced into the medical routine. Moreover the triangle reduction technique is applied for processing data from a 3D scanner that is based on registering different 2.5D scans of one object.English
Uncontrolled Keywords: medical informatics, computer graphics, segmentation, active contour models, 3D modelling, volume visualization
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
medical informatics, computer graphics, segmentation, active contour models, 3D modelling, volume visualizationEnglish
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: Fachbereich Informatik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:47
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000182
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1826
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Encarnação, J.L.; Prof. Dr.-Ing., Dr. E.h. Dr. h.c. and Sakas, Prof. Dr.- G.
Advisors: Encarnação, J.L.; Prof. Dr.-Ing., Dr. E.h. Dr. h.c.
Refereed: 12 October 2001
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/182
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