Digitalisierung, Verarbeitung und Auswertung von Videoaufzeichnungen in Echtzeit zur Kontraktilitätsmessung an isolierten Herzzellen

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1 Digitalisierung, Verarbeitung und Auswertung von Videoaufzeichnungen in Echtzeit zur Kontraktilitätsmessung an isolierten Herzzellen Lehnich, H.; Kaltenborn, G.; Müller-Werdan, Ursula.; Pauer, H.-D. Zusammenfassung Zur Erfassung der Kontraktion isolierter Herzzellen werden mit einer CCD-Fernsehkamera in CCIR-Norm die Bilder kontinuierlich auf eine Videokassette gespeichert und gleichzeitig einer IMAQ-Karte PCI 1407 zugeführt und auf dem PC-Monitor dargestellt. Über die mittlere Helligkeit eines Region of Interest (ROI) pro Halbbild wird mit Hilfe der IMAQ- Karte sowie der Software IMAQ-Vision und LabVIEW aus den digitalisierten Daten die Frequenz der kontraktilen Herzzellen bestimmt. Die Erfassung und Analyse der Kontraktionsfrequenz in Echtzeit kann sowohl von der Videokamera (online) als auch von Videoaufzeichnungen durchgeführt werden. Medizinische Aufgabenstellung Messung der chronotropen (frequenzsteigernden) und inotropen (kraftsteigernden) Wirkungen unterschiedlicher Pharmaka auf isolierte, spontan kontraktile Kardiomyozyten neonataler Ratten. Medizintechnische Aufgabenstellung Erfassung, Digitalisierung und Speicherung von Videoaufnahmen in CCIR-Norm. Reproduzierbarkeit des Bildes: Ausgleich von Gleichlaufschwankungen des Videobandes. Reproduzierbare Auswahl eines Bildausschnitts (ROI) im digitalisierten Monitorbild. Erweiterung eines vorhandenen optisch-elektrischen in ein digitales Aufzeichnungsverfahren. Bild 1 : Optisch-elektrisches Aufzeichnungsverfahren

2 Methoden Mit dem bisherigen langjährig genutzten Aufzeichnungsverfahren wird das Bild der kontrahierenden Herzzellen über ein Polarisationsmikroskop mit einer CCD Kamera erfaßt und auf einem Fernsehmonitor dargestellt (Bild 1). Eine über dem Bildschirm verschiebbare Photodiode wandelt die Helligkeitsschwankungen eines Bildausschnitts in eine Spannung um, die auf einem Schreiber registriert wird. Die Photodiode, die manuell-mechanisch über eine Hell-Dunkel-Grenze der kontrahierenden Herzzelle positioniert wird, liefert eine helligkeitsabhängige pulsierende Spannung, aus deren Papieraufzeichnung die weitere manuelle Versuchsauswertung vorgenommen wird. Die Einstellung der Photodiode wird so gewählt, daß mit einer Helligkeitszunahme die Kontraktion (Systole) erfaßt wird. Mit der Darstellung auf dem Fernsehmonitor wird das Videobild gleichzeitig von einem Videorecorder im CCIR-Format aufgezeichnet. Die Urdaten stehen dann für die spätere Auswertung weiterer Bildausschnitte zur Verfügung. Bei der Erweiterung des Meßplatzes soll das analoge Bildaufnahme- und Bildspeicherungsverfahren in CCIR-Norm beibehalten werden. Die Auswertung des laufenden Videobildes auf dem Fernsehmonitor mit Hilfe der Photodioden ist zu ersetzen. Das analoge Videobild der CCD-Kamera oder des Videorecorders wird mit Hilfe eines Framegrabbers in Echtzeit digitalisiert und auf dem Bildschirm eines PC mit einer Auflösung von 768*576 Bildpunkten in 256 Graustufen dargestellt. Das digitalisierte Mikroskopbild dient der weiteren Bildverarbeitung und Bildauswertung, z.b. der Auswahl einer Hell-Dunkel-Grenze durch Festlegung eines ROI (Bild 2). Bild 2 : Digitales Aufzeichnungsverfahren Das unter diesen Vorgaben realisierte digitale Aufzeichnungsverfahren besteht aus folgenden Komponenten : Hardware: PC mit Dualprozessorsystem Pentium III 500 MHz, 128 MByte RAM, UW-SCSI-Bus, PCI-1407 Framegrabber als PCI Busmaster Software : Windows NT 4.0, LabVIEW 5.1, IMAQ Vision 5.0

3 Beschreibung der Datenerfassung Das digitalisierte Videobild dient in der Phase der Vorbereitung der Datenerfassung zur visuellen Kontrolle des Mikroskopbildes. Die Veränderungen von Helligkeit, Kontrast und Bildschärfe am Mikroskop und die Objektbewegungen werden unmittelbar auf dem Computermonitor sichtbar. Ein zusätzlicher Videomonitor wird nicht benötigt. Um den günstigsten Erfassungsbereich maximaler Helligkeitsschwankungen am Kardiomyozyten zu finden, wird mit Hilfe der PC-Maus ein Bildausschnitt (ROI) von 20*20 Pixeln über das bewegte Bild verschoben. Der PC berechnet den durchschnittlichen Helligkeitswert im ROI für jedes Halbbild, d.h. im 20 ms Zyklus, und zeigt das Ergebnis an einem vertikalen Balkenindikator an. Die Änderung der Helligkeitsschwankungen sind an den Grenzen von kontrahierenden Zellen besonders hoch. Bei optimaler Einstellung pulsiert der Balkenindikator mit konstanter Amplitude und der jeweiligen Herzfrequenz von 0,2 bis 5 Hz. Mit Hilfe der Kontroll- und Anzeigeelemente auf der Bedienoberfläche wird die Aufzeichnung gestartet und nach Ablauf der festgelegten Auswertungsdauer von 1-50 min die Helligkeitsänderungen im ROI und dessen Position als Datei im Spreadsheetformat gespeichert (Bild 3). Als Bildquelle für das Videobildauswertungsverfahren kann eine Videokamera (online) aber auch ein Videorecorder dienen. Damit ist es möglich, auch ältere Videoaufzeichnungen digital auszuwerten. Die geforderte Auswertungsdauer von bis zu 50 min macht es aber dringend erforderlich, Gleichlaufschwankungen und drop-outs des Videobandes zu erkennen und durch eine geeignete Fehlerbehandlung die kontinuierliche Datenerfassung zu sichern. Bild 3 : Bedienoberfläche und digitalisiertes Videobild zur ROI-Selektion

4 Beschreibung der Datenauswertung Auf der Bedienoberfläche des Auswertungsprogramms (Bild 4) wird im oberen Graphen die Helligkeit des ROI in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Der untere Graph zeigt die nach der Zeit differenzierte Kurve zur Ermittlung weiterer abgeleiteter Merkmale. In beiden Graphen werden die Zeiten und die Amplituden von lokalen Minima bzw. Maxima durch peak-detektoren ermittelt. Die Festlegung der Schwellwerte durch Verschieben der Cursoren erfolgt manuell. Bild 4 : Bedienoberfläche des Auswertungsprogramms Im oberen Graphen wird der Cursor so festgelegt, daß alle Maxima erfaßt werden. Aus der Bestimmung der Zeit zwischen jeweils 2 aufeinanderfolgenden Maxima werden die Herzfrequenz und die Kenngrößen ihrer Variabilität ermittelt. Das gleiche Berechnungsverfahren wird auch auf die Maxima im unteren Graphen angewandt. Bei richtiger Einstellung der beiden Cursoren müssen die gleichen Ergebnisse erzielt werden. Die nach der Zeit differenzierten Helligkeitsschwankungen (unterer Graph) dienen zur Ermittlung weiterer abgeleiteter Merkmale. Für deren Berechnung werden die Amplituden der positiven und negativen Extremwerte benötigt. Die Koordinaten und die Anzahl der Maxima sind durch die Berechnung der Herzfrequenz bekannt. Die Koordinaten der Minima werden gleichfalls mit Hilfe des peak-detektors bestimmt. Der Schwellwert wird über den unteren Cursor festgelegt. Dabei sollte die Anzahl der gefundenen Minima annähernd gleich der Anzahl der schon bestimmten Maxima sein. Die Amplituden dieser Extremwerte sind die maximalen Geschwindigkeiten der Helligkeitsänderung, medizinisch interpretiert als maximale Kontraktionsgeschwindigkeit (positive Amplituden) oder als maximale Relaxationsgeschwindigkeit (negative Amplituden). Alle Ergebnisse der Datenauswertung, einschließlich der Koordinaten der Extremwerte, können mittels DDE nach EXCEL übergeben werden.

5 Konzeption eines digitalen Videorecorders mit LabVIEW Für erweiterte medizinische Aufgabenstellungen wird eine vollständige digitale Aufzeichnung von CCIR-Videosequenzen erforderlich. Das prinzipielle Diagramm eines digitalen Videorecorders mit Einzelbild JPEG-Kompression zeigt Bild 5. Bild 5: Digitaler Videorecorder In der IMAQ-Vision 5.0 Bibliothek verfügt nur das Write JPEG File VI über Kompressionseigenschaften. Es ist aber mit ca. 150 ms Ausführungsgeschwindigkeit zu langsam für eine Echtzeitanwendung. Das zu erstellende VI soll das IMAQ-Vision Bildformat nutzen, einen schnellen Kompressionsalgorithmus beinhalten und das gepackte Einzelbild als Array ausgeben. Diese Forderungen können nur durch Einbindung von externem Programmcode erfüllt werden. Für zeitkritische Anwendungen eignen sich dazu Funktionsbibliotheken (DLL) oder C-Code (CIN). Eine Funktionsbibliothek, die das codieren und decodieren von Bildern im JPEG Standard ermöglicht, ist die Intel JPEG Library ( Unter Nutzung der darin enthaltenen DLL-Funktionen wurden ein Encoder VI (Bild 6) und ein Decoder VI (Bild 7) erstellt. Die Bestimmung der Ausführungsgeschwindigkeit dieser VIs erfolgte mit dem LabVIEW Profiler. Für die Kompression eines Bildes in CCIR-Norm mit 768*576 Pixel zu je 256 Grauwerten benötigt der eingesetzte 500 MHz Dual Pentium III PC 42 ms. Die digitale Aufzeichnung und Anzeige von 25 Bildern pro Sekunde (25 fps), gemäß Bild 5, ist mit der genutzten PC Konfiguration nur durch die Skalierung des Bildes auf ½ möglich. Dabei wird nur jeder zweite Bildpunkt vom Framegrabber digitalisiert. Die Bildgröße reduziert sich damit bei gleichem Bildfeld auf 384*288 Pixel. Im Vollbildmodus kann mit der eingesetzten Hardware eine Bildwiederholrate von 14 fps bzw. 17 fps (ohne Anzeige) erreicht werden. Eine normgerechte Kompression mit 25 Vollbildern pro Sekunde ist bei gleicher Software durch Erhöhung des CPU-Taktes auf 800 MHz realisierbar. Die zusätzliche Speicherung einer Zeitmarke vor jedem komprimierten Einzelbild ermöglicht auch bei variablen Bildwiederholraten die zeitgerechte Wiedergabe oder Bildanalyse der digitalen Aufzeichnung.

6 Bild 6: JPEG Encoder Bild 7: JPEG Decoder