Neue klinische Anwendungen der dreidimensionalen Rekonstruktion in der echographischen Diagnostik

G. Glombitza, R. De Simone, U. Mende, M. Merdes, R. Krempien, D. Zerfowski C. F. Vahl, H. P. Meinzer, S. Hagl:
Informatik Forschung und Entwicklung, Springer Verlag, 1999, Nr. 1, Seiten 16-23.
Zusammenfassung:
Medizinische Bilddaten durchlaufen von der Datenakquisition bis zur Diagnose bzw. Operationsplanung die verschiedensten Verarbeitungsschritte. Die frühzeitige Kompensation auftretender Störungen in dieser Verarbeitungskette bietet den anschließend angewandten Algorithmen deutlich verbessertes Datenmaterial. In diesem Zusammenhang werden Verfahren zur Kompensation von Bewegungs- und Metallartefakten in tomographischen Aufnahmen vorgestellt, sowie neue Methoden der modellbasierten Registrierung von Datensätzen unterschiedlicher Modalitäten präsentiert.

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Auswertung von Funktions-CT oberer Halswirbel zur Diagnose von Weichteildistorsionen

M. Hahn, D. Zerfowski, H. Friedburg, Th. Beth:
Bildverarbeitung für die Medizin 1999, H. Evers et al. (Eds.), Serie: ''Informatik aktuell'', Tagungsband, Springer Verlag, 1999, 150-154

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Aufbereitung medizinischer Bilddaten

Detlef Zerfowski, Hartwig Grabowski, Robert Krempien, Stefan Haßfeld:
In: Informatik, Forschung und Entwicklung, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, Band 14, Nr. 1, 1999, Seiten 2-8
Zusammenfassung
Medizinische Bilddaten durchlaufen von der Datenakquisition bis zur Diagnose beziehungsweise Operationsplanung die verschiedensten Verarbeitungsschritte. Die frühzeitige Kompensation auftretender Störungen in dieser Verarbeitungskette bietet den anschließend angewandten Algorithmen deutlich verbessertes Datenmaterial. In diesem Zusammenhang werden Verfahren zur Kompensation von Bewegungs- und Metallartefakten in tomographischen Aufnahmen vorgestellt, sowie neue Methoden der modellbasierten Registrierung von Datensätzen unterschiedlicher Modalitäten präsentiert.

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Bildverbesserungsmethoden für die medizinische Diagnostik

Detlef Zerfowski:
1998, ISBN 3-928973-27-4, CGA-Verlag, Dissertation, TH Karlsruhe.
Zusammenfassung:
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung und Verbesserung verschiedener bildgebender Verfahren in der medizinischen Diagnostik und der ihrer Realisierung zugrunde liegenden Methoden und Algorithmen. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf dem Vergleich verschiedener Rekonstruktionsverfahren der Computertomographie und deren unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber Störungen wie Metalleinschlüssen, Patientenbewegung und Datenausfall.

Um eine höhere, störungsfreie Bildqualität und damit die Möglichkeit einer gesicherten Diagnostik bieten zu können, besitzen Verfahren zur Kompensation der zuvor genannten Artefakte eine hohe praktische Bedeutung, auch im Hinblick auf eine rechnergestützte Weiterverarbeitung.

Im Rahmen der Arbeit werden insbesondere die verschiedenen tomographischen Aufnahmemethoden gemäß ihrer Eigenschaften (z.B. Meßprinzip, Geometrie der Meßanordnung) klassifiziert. Anschließend erfolgt die mathematische Modellierung des tomographischen Meßprozesses mittels der Radon-Transformation.

Nach dieser Modellierung werden unter Verwendung der Simulationsumgebung TomAS verschiedenen Bildrekonstruktionsalgorithmen vorgestellt und im Hinblick auf ihre Vor- und Nachteile (z.B. Laufzeitverhalten, Speicherbedarf, Anfälligkeit gegenüber Störungen) analysiert.

Anschließend werden drei neue Algorithmen zur Verbesserung medizinischer CT-Aufnahmen präsentiert. Dabei handelt es sich um Verfahren

• zur Beseitigung von Artefakten auf Grund fehlender Daten,
• zur Kompensation von Bewegungsartefakten und
• zur Reduktion von Metallartefakten z.B. hervorgerufen durch Zahnfüllungen.

Im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen arbeiten die vorgestellten Verfahren weder auf den rekonstruierten Bilddaten, noch müssen die unterschiedlichen Rekonstruktionsalgorithmen berücksichtigt werden, da die neuen Kompensationsverfahren in einem Vorverarbeitungsschritt direkt auf den gemessenen Rohdaten, der Radon-Transformierten, operieren.

Für die Entwicklung der Algorithmen werden die Auswirkungen der störenden Einflüsse auf die gemessenen Rohdaten analysiert und modelliert. Mit der neuen, sogenannte Randkurvenmethode, werden sowohl nicht deformierende als auch deformierende Patientenbewegungen bereits in den Rohdatensätzen kompensiert werden.

In einem anschließenden Abschnitt wird aufbauend auf der Fourier-Rekonstruktion eine hochparallele Realisierung der Rekonstruktion in Form eines optischen Aufbaus untersucht. Hierzu werden die notwendigen einzelnen Operationsschritte der Rekonstruktion analysiert und die korrespondierenden optischen Primitive identifiziert. Anschließend wird ein optischer Aufbau beschrieben, der eine vollständige Rekonstruktion der tomographischen Daten auf optischem Wege ermöglicht.

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Reduction of Metal Artifacts in Computed Tomographies for the Planning and Simulation of Radiation Therapy

T. Rohlfing, D. Zerfowski, J. Beier, P. Wust, N. Hosten, R. Felix:
Presented at CAR'98, Tokyo. Published in: H. U. Lemke, M. V. Vannier, K. Inamura, A. G. Farman (Eds.), 'CAR'98, Computer Assisted Radiology and Surgery', Elsevier Science, 1998, pp. 57-62
Zusammenfassung:
Im Rahmen dieser Arbeit werden Techniken zur Kompensation von Metallartefakten in der Computertomographie (CT) evaluiert. Im Vergleich zu simulativ gewonnenen CT Projektionsdatensätzen erlauben reale Messungen eine geringere Qualitätsverbesserung des Bildmaterials. Die Metallartefakte können in der Regel nicht vollständig entfernt werden, auch nicht unter Verwendung von Informationen anatomischer Strukturen in der unmittelbaren Nachbarschaft des Metalls. Die Reduzierung des Bildrauschens liefert jedoch eine bessere Bildqualitä. Für die Weiterverarbeitung entsprechender Tomographien, z.B. im Bereich der Bestrahlungstherapie, versprechen die gezeigten Verfahren eine verbesserte Geneauigkeit und Numerische Stabilität.

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Kompensation von Metallartefakten in der Computertomographie

Detlef Zerfowski:
In: T. Lehmann, V. Metzler, K. Spitzer, T. Tolxdorff (Hrsg.), Bildverarbeitung für die Medizin 1998 , S. 284-288, Aachen, 25-26 März 1998
Zusammenfassung:
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 Vorverarbeitungsalgorithmus, der sich einfach auf bereits existierenden Tomographieanordnungen implementieren läßt.

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Waveletbasierte Rauschreduktion in medizinischen Ultraschalldaten

H. Mehldau, D. Zerfowski, A. Klappenecker:
In: T. Lehmann, V. Metzler, K. Spitzer, T. Tolxdorff (Hrsg.), Bildverarbeitung für die Medizin 1998 , S. 229-233, Aachen, 25-26 März 1998.
Zusammenfassung:
Von Donoho und Johnstone wurde ein waveletbasiertes 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 Vefahren von Donoho und Johnstone an das signalabhängige Rauschmodell anpassen.

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Motion Artifact Compensation in CT

Detlef Zerfowski:
Presented at SPIE's International Symposium, Medical Imaging 1998, San Diego, California, USA
Zusammenfassung:
In dem Papier wird eine neue Methode zur Kompensation von Bewegunsartefakten in computertomographischen Aufnahmen vorgestellt. Der Algorithmus operiert auf den gemessenen Rohdaten, der sogenannten Radon-Transformierten. Eine Kantendetektion auf diesen Rohdaten liefert die beiden Ränder der Radon-Transformierten, welche durch ein Schätzverfahren unter Verwendung von polynomialen Schätzfunktionen modifiziert werden. Die punktweise Differenz zwischen den geschätzten und den in der Radon-Transformierten gemessenen Randkurven bestimmen Parameter für die Bewegungskompensation. Die entsprechenden Operationen werden anschließend zeilenweise auf der Radon-Transformierten durchgeführt.

Die Methode is unabhängig vom verwendeten Rekonstruktionsalgorithmus, wie z.B. gefilterte Rückprojektion, Fourier-Methode etc., da sämtliche Operationen auf den Rohdaten ausgeführt werden.

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TomAS -- Tomographic Algorithms and Ultrasound Simulation

D. Zerfowski, T. Rohlfing, U. Mende, Th. Beth:
Presented at CAR'97, Berlin. Published in: Lemke (Ed.), 'CAR'97, Computer Assisted Radiology and Surgery', Elsevier Science, 1997, p. 1017
Zusammenfassung:
Ein neues Softwarepaket TomAS zur Simulation medizinischer Bildgebungstechniken wie Computertomographie und Ultraschall wurde vorgestellt. Das Hauptziel von TomAS besteht in der Unterstützung des Entwicklungsprozesses von Algorithmen für die medizinische Bildverarbeitung. TomAS kann außerdem im Rahmen der Ausbildung genutzt werden, um z.B. Prinzipien der Bildgebung zu erklären. Aus diesem Grund stellt TomAS ein Bindeglied zwischen den medizinischen Wissenschaften und der Informatik dar.

• Extended abstract
• Poster

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Wavelets and Waves in Optical Signal Preprocessing

Th. Beth, A. Klappenecker, M. Schmid, D. Zerfowski:
Published in: 'Inverse Problems in Medical Imaging and Nondestructive Testing', H. W. Engl, A. K. Louis, W. Rundell (Eds.), Springer Mathematics, 1997; Proceedings of the Conference in Oberwolfach, February 4-10, 1996, pp. 7-17
Zusammenfassung:
In diesem Papier werden Anwendungen der Wavelet-Transformation im Bereich der Signalverarbeitung beschrieben. Insbesondere wird hierbei auf die medizinischen Bildverarbeitung eingegangen, mit dem Ziel eine kompakte Darstellung der gegebenen Bilder zu erhalten.

Eine ähnliche Aufgabe stellt sich bei der Merkmalsextraktion in Bildern, die auf Methoden der Signalvorverarbeitung aufbaut. In diesem Zusammenhang präsentieren wir eine alternative , optische Realisierung von Wavelets unter Verwendung Diffraktiver Elemente (DE). Bei dem Entwurf von DEs handelt es sich um ein inverses und schlecht gestelltes Problem. Wir beschreiben wie approximative Lösungen für dieses Problem mit Hilfe modifizierter, iterativer Projektionsalgorithmen gefunden werden können.

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