Medizinische Bildverarbeitung

Transkript

1 Heinz Handels Medizinische Bildverarbeitung Bildanalyse, Mustererkennung und Visualisierung für die computergestützte ärztliche Diagnostik und Therapie 2., überarbeitete und erweiterte Auflage STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG Entwicklung der Medizinischen Bildverarbeitung Struktur des Buches Bilddaten und Software 5 2 MEDIZINISCHE BILDER UND IHRE ERZEUGUNG Bildgebende Verfahren in der Medizin Sonographie A-Scan-Verfahren B-Scan-Verfahren Doppler-Sonographie Röntgentechnik Digitale Radiographic Digitale Subtraktionsangiographie Computertomographie Bilderzeugung Hounsfield-Skala Magnetresonanztomographie Physikalische Grundlagen Relaxationsprozesse Gewichtete MR-Bilder Magnetresonanzangiographie Relaxometrie Funktionelle Magnetresonanztomographie FMR-Bildgebung Subtraktionsmethode Korrelationsanalyseverfahren Nuklearmedizinische Bildgebung Szintigraphie Positronen-Emissions-Tomographie Digitale Fotografien 34

3 Inhaltsverzeichnis IX 2.2 Struktur und Formate medizinischer Bilddaten DICOM-Bilder Farbbilder Typisierung medizinischer Bilddaten D-Bilder Multispektrale 2D-Bilddaten Multispektrale MR-Bilddaten Farbbilder Multispektrale Parameterbilddaten Bewegtbildfolgen D-Bildfolgen Multispektrale 3D-Bilddaten D-Bilddaten 46 3 GRUNDLAGEN DIAGNOSE- UND THERAPIE UNTERSTÜTZENDER BILDVERARBEITUNGSSYSTEME Typische Phasen bei der Verarbeitung medizinischer Bilddaten Bildvorverarbeitung Lokale Operatoren Glättungsfilter Mittelwertfilter Gauß-und Binomialfilter Medianfilter Kantenfilter Differenzoperatoren Sobel-und Prewitt-Operator Laplace-Operator Segmentierung Quantitative Bildanalyse Visualisierung Bilderkennung und Klassifikation Erstellung diagnoseunterstützender Erkennungssysteme Aufbau von Lernstichproben Training eines Klassifikators Erkennung von Bildobjekten 68 4 REGISTRIERUNG MEDIZINISCHER BILDDATEN Grundlagen Starre, affine und perspektivische Transformationen 72

4 X Inhaltsverzeichnis 4.3 Landmarkenbasierte Registrierung Methode Anwendungsbeispiel Kurven- und oberflächenbasierte Registrierung Iterative-Closest-Point-Algorithmus Anwendungsbeispiel Registrierung durch atlasbasierte Bildsegmentierung Voxelbasierte Registrierung Ähnlichkeitsmaße Summe der quadratischen Intensitätsdifferenzen Varianz der Intensitätsverhältnisse Mutual Information Nicht-lineare voxelbasierte Registrierung Mathematische Grundlagen Elastische Registrierung Fluidale Registrierung Diffusive Registrierung Dämonenbasierte Registrierung Anwendungen voxelbasierter Registrierungsverfahren Bildfusion und Bewegungskorrektur Strukturerhaltende Interpolation Bewegungsfeldschätzung in 4D-Bilddaten Evaluation von Registrierungsverfahren 94 5 SEGMENTIERUNG MEDIZINISCHER BILDDATEN Schwellwertverfahren ROI-basierte Pixelklassifikation Intervallkriterium Abstandsmaße Eigenschaften Bereichs- und Volumenwachstunisverfahren Algorithmus Volumenwachstumsverfahren Algorithmische Erweiterungen und Varianten Clusteranalyse multispektraler Bilddaten Iterative partitionierende Clusteranalyseverfahren Histogrammbasierte Clusteranalyse Basisalgorithmus Konfliktbehandlung Histogrammpyramiden 114

5 Inhaltsverzeichnis XI 5.5 Live-Wire-Segmentierung Kontursegmentierung als graphentheoretisches Optimierungsproblem Kostendefinition Berechnung des Pfadgraphen nach Dijkstra Anwendung des Live-Wire-Verfahrens Methodische Erweiterungen Vereinfachte Saatpunktselektion auf der Kontur Kostentraining Erweiterung zur atlasbasierten Segmentierung von Bildfolgen Aktive Konturmodelle und deformierbare Modelle Kontursuche als Optimierungsproblem Innere Energie Äußere Energie Energieminimierung Aktive Konturmodelle in der Anwendung Level-Set-Segmentierung Level-Set-Modellierung Anpassungsprozess und Speed-Funktion Modellbasierte Segmentierung mit statistischen Formmodellen Formrepräsentationen und -modelle M-reps Point Distribution Model Generierung statistischer Formmodelle mit dem Point Distribution Model Evaluation von statistischen Formmodellen Segmentierung mit aktiven Formmodellen Segmentierung mit aktiven Erscheinungsmodellen Lokale statistische Erscheinungsmodelle Regionenbasierte statistische Erscheinungsmodelle Atlasbasierte Segmentierung durch nicht-lineare Registrierung Methode Anwendungsbeispiel Evaluation von Segmentierungsergebnissen Mittlerer Kontur-und Oberflächenabstand Hausdorff-Distanzen Dice- und Jaccard-Koeffizienten Flächenüberdeckung Phantome 155

6 XII Inhaltsverzeichnis 6 QUANTITATIVE BILDANALYSE Elementare Bildanalysefunktionen Abstandsmessung Winkelmessung Flächenmessung und Volumetrie Quantitative Analyse in Regions of Interest Texturanalyse Haralick'sche Texturmerkmale Texturenergien nach Laws Texturmerkmale aus dem Powerspektrum Fraktale Biidanalyse Ähnlichkeitsdimension Hausdorff-Dimension Fraktale Kästchendimension Bestimmung der fraktalen Kästchendimension digitaler Bildmuster Fraktale Dimension gebrochener Brownscher Flächen Gebrochene Brownsche Bewegung Gebrochene Brownsche Flächen Bestimmung der fraktalen Dimension und des Parameters H Morphologische Bildanalyse Momente einer Kontur Normalisierte radiale Distanzen und Rauhigkeit Fourier-Deskriptoren Kompaktheit und Rundheit Elongiertheit KLASSIFIKATION UND BILDERKENNUNG Mathematische Grundlagen Klassifikation als Optimierungsproblem Bayes-Strategie Minimax- und Neyman-Pearson-Strategie Statistische Klassifikatoren Bayes-Klassifikator unter Normalverteilungsannahme Maximum-Likelihood-Klassifikator Minimum-Distanz-Klassifikatoren Mahalanobis-Klassifikator Euklidischer Klassifikator Segmentierung multispektraler Bilddaten mit statistischen Klassifikatoren.. 213

7 Inhaltsverzeichnis XIII 7.3 Nicht-parametrische Klassifikationsverfahren K-Nächste-Nachbarn-Klassifikator Nächster-Nachbar-Klassifikator Neuronale Netze Neuronenmodell Perzeptrons Multilayer-Perzeptrons Lernen durch Back-Propagation Multilayer-Perzeptrons als Klassifikatoren Topologieoptimierang durch Ausdünnung Segmentierung multispektraler Bilddaten mit Multilayer-Perzeptrons Topologische Merkmalskarten Netzwerktopologie Lernprozess Kontrolle des Lernprozesses Clusteranalyse und Segmentierung mit topologischen Merkmalskarten Topologische Karten als Klassifikatoren Restricted-Coulomb-Energy-Klassifikator Evaluation von Mustererkennungssystemen Hold-out-Methode Leaving-one-out-Methode AUSWAHL UND TRANSFORMATION VON MERKMALEN Auswahl von Merkmalen Bewertung von Merkmalen Heuristische Strategien und Greedy-Algorithmen Genetische Algorithmen Grundlagen Selektionsverfahren Rekombination Mutation Steuerung der Populationsentwicklung Optimierang genetischer Algorithmen für die Merkmalsauswahl Transformation von Merkmalen Hauptkomponentenanalyse Mathematische Grundlagen Reduktion der Merkmalsanzahl Anwendungen in der Medizinischen Bildverarbeitung Merkmalstransformation unter Berücksichtigung der Interklassenund der gepoolten Intraklassen-Streuungsmatrix 281

8 XIV Inhaltsverzeichnis 9 VISUALISIERUNG MEDIZINISCHER BILDDATEN Visualisierung und Transformation von Grauwertbildern Fensterung Grauwerttransformationen Lineare Skalierung der Grauwerte Logarithmische und exponentielle Skalierung der Grauwerte Zoom-Operation Bildinterpolation Visualisierung und Transformation von Farbbildern Farbmodelle und Farbräume RGB-Farbraum und XYZ-Farbmodell HSV-Farbraum HLS-Farbraum Farbraumtransformationen Farbdarstellung von Segmentierungsergebnissen D-Visualisierung Basistechniken zur Visualisierung von 3D-Bildfolgen D-Visualisierang in der medizinischen Anwendung Oberflächen- versus voxelbasierte 3D-Visualisierang Generierung von Oberflächenmodellen Konturbasierte Triangulation Marching-Cubes-Algorithmus Beleuchtung, Schattierung und Transparenz Phong'sches Beleuchtungsmodell Schattierung Konstante Schattierung Gouraud-Schattierang Phong-Schattierung Transparenz Direktes Volumenrendering Ray Tracing und optische Modelle Volumenrenderingintegral Auswertung des Volumenrenderingintegrals Approximation der Normalen im Voxelmodell Integralschattierung Maximumsprojektion Voxelbasiertes Oberflächenrendering D-Interaktionen 329

9 Inhaltsverzeichnis XV 9.4 Techniken der Virtuellen Realität Stereobilderzeugung Stereoskopische Displays Parallel-binokulare Stereo-Displays Displays mit Multiplexing Haptische Interaktion Haptische EüWAusgabegeräte Haptisches Rendering Haptisches Oberflächenrendering Haptisches Volumenrendering Trackingsysteme Optische Trackingsysteme Magnetische Trackingsysteme COMPUTERGESTÜTZTE DIAGNOSTIK UND THERAPIE D-Bildanalyse intrakranieller Tumoren in MR-Bildfolgen Medizinische Grundlagen Computergestützte Hirntumoranalyse D-Formanalyse der Hirntumoren Analyse der Tumorberandung Fraktale Analyse der Tumorberandung und innerer Konturen Tumorrandprofile Texturanalyse des Tumorinneren Quantifizierung der Kontrastmittelaufnahme Bewertung der Tumormerkmale und Diagnoseunterstützung D-Büdanalyse atmungsbedingter Lungenbewegungen Medizinischer Hintergrund D-Bilddaten Segmentierung und 3D-Visualisierung Analyse der Lungenbewegung Analyse der Tumormobilität Computerunterstützte Erkennung von Hauttumoren in Oberflächenprofilen Medizinische Problemstellung Visualisierung der Hautoberflächenprofile Profilcharakterisierung durch Bildanalysemethoden Texturanalyse der Oberflächenprofile Fraktale Analyse der Oberflächenprofile Merkmalsauswahl für die Melanomerkennung Computergestützte Melanomerkennung 372

10 XVI Inhaltsverzeichnis 10.4 Computergestützte 3D-Planung und Simulation von Hüftoperationen Medizinischer Hintergrund Vorverarbeitung der Bilddaten Techniken für die computergestützte Operationsplanung Simulation der Operation und computergestütztes Prothesendesign Virtual-Reality-Simulator für das Training von Punktionen Medizinischer Hintergrund Vorverarbeitung Visualisierungskomponente Haptische Komponente VR-Training von Lumbalpunktionen ANHANG Texturmerkmale nach Haralick Algorithmen zur Farbraumtransformation LITERATURVERZEICHNIS STICHWORTVERZEICHNIS 421