Einführung in die medizinische Bildverarbeitung SS 2013

Einführung in die medizinische
Bildverarbeitung
SS 2013
Stephan Gimbel
© Stephan Gimbel Einführung in die medizinische Bildverarbeitung
h_da

Medizinische Bildverarbeitung
vs.
[Quelle:http://www.apotheken-umschau.de/multimedia/257/4/51/6196305937.jpg]
[Quelle:http://images.apple.com/science/profiles/ucla/images/image_page2-1.jpg]
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Grundlagen - Bilderzeugung
Röntgenstrahlung
‣ Eine neue Art von Strahlen...
Aus den Sitzungsberichten der Würzburger Physik.-medic. Gesellschaft 1895
W. C Röntgen: Ueber eine neue Art von Strahlen
1. Lässt man durch eine Hittdorf´sche Vacuumröhre, oder einen genügend evakuierten Lenard’schen, Crook’schen
oder ähnlichen Apparat die Entladung eines grösseren Ruhmkorff´s gehen und bedeckt die Röhre mit einem
ziemlich eng anliegenden Mantel aus dünnem, schwarzem Carton, so sieht man in dem vollständig verdunkelten
Zimmer einen in die Nähe des Apparates gebrachten mit Bariumpanineyanür angestrichenen Papierschirm bei
jeder Entladung hell aufleuchten, fluorescieren, gleichgültig ob die angestrichene oder die andere Seite des
Schirmes dem Entladungsapparat zugewendet ist. Die Fluorescenz ist noch in 2m Entfernung vom Apparat
bemerkbar. Man überzeugt sich leicht, dass die Ursache der Fluorescenz vom Entladungsapparat und von keiner
anderen Stelle der Leitung ausgeht.
2. Das an dieser Erscheinung zunächst Auffallende ist, dass durch die schwarze Cartonhülse, welche keine
sichtbaren oder ultravioletten Strahlen des Sonnen- oder des elektrischen Bogenlichtes durchlässt, ein Agens
hindurchgeht, das im Stande ist, lebhafte Fluorescenz zu erzeugen, und man wird deshalb wohl zuerst
untersuchen, ob auch andere Körper diese Eigenschaft besitzen.
Man findet bald, dass alle Körper für dasselbe durchlässig sind, aber in sehr verschiedenem Grade. Einige
Beispiele führe ich an. Papier ist sehr durchlässig: 1) hinter einem eingebundenen Buch von ca. 1000 Seiten sah
ich den Fluorescenzschirm noch deutlich leuchten; die Druckerschwärze bietet kein merkliches Hinderniss.
Ebenso zeigte sich Fluorescenz hinter einem doppelten Whistspiel: eine einzelne Karte zwischen Apparat und
Schirm gehalten macht sich dem Auge fast gar nicht bemerkbar. – Auch ein einfaches Blatt Staniol ist kaum
wahrzunehmen; erst nachdem mehrere Lagen übereinander gelegt sind, sieht man ihren Schatten deutlich am
Schirm. . . . .
1)
Mit Durchlässigkeit eines Körpers bezeichne ich das Verhältnis der Helligkeit eines dicht hinter dem Körper
gehaltenen Fluorescenzschirmes zu derjenigen Helligkeit des Schirmes, welcher dieser unter denselben Verhältnissen
aber ohne Zwischenschaltung des Körpers zeigt.
[Quelle:http://www.leifiphysik.de/web_ph12/geschichte/06roentgen/roentgen.htm]
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Grundlagen - Bilderzeugung
Röntgenstrahlung
‣ Eine neue Art von Strahlen...
‣ Entdeckt 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen
‣ X-Strahlen (X-Rays)
‣ älteste Bildgebende Technik in der Medizin
‣ zu untersuchender Körper wird zwischen Strahlungsquelle
und Röntgenfilm positioniert, damit die Strahlung den Körper
durchdringen und einen „Schatten“ auf den Film werfen kann
→ Röntgenbild
‣ gehört zu den elektromagnetischen Strahlungen
[Quelle: http://wiki.ohm-hochschule.de/roettger/uploads/
Multimodale-Visualisierung/WilhelmConradRoentgen.jpg]
[Quelle: http://radonc.ucsd.edu/patient-info/social-workservices/PublishingImages/history/2RoentgenHand.jpg]
[Quelle: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/13/pc/spektroskopie/theorie/images/spekber.gif]
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Grundlagen - Bilderzeugung
Röntgenstrahlung
2.2 Medizinische Grundlagen 7
‣ Schematische Darstellung einer Röntgenuntersuchung
Abbildung 2.1: Darstellung einer typischen konventionellen Röntgenuntersuchung.
Eine Röntgenröhre dient als Strahlenquelle und durchleuchtet einen davor positionierten
Patienten mit Röntgenstrahlen, die auf einem Röntgenfilm (im Bild blau dargestellt)
erfasst werden. Dieser zeigt nach Entwicklung das innere des menschlichen
Körpers.
‣ Achtung! Röntgenstrahlung ist gefährlich! Aber warum?
‣ Symptome: Haarausfall, Taubheitsgefühle, Infektionen, starke Schmerzen, etc.
‣ Erklärung: Moleküle und Wasser im Körper bremst Strahlung ab
‣ → Energie wird freigesetzt
Bei einer solchen konventionellen Röntgenuntersuchung werden zum Zwecke der
‣ → Veränderung
räumlichen Informationen
von Ladung
und besseren
in Atomen
Visualisierung
und Molekülen
der Strukturen, Aufnahmen je
‣ → Versuch nach Lage stabile der zu untersuchenden Verbindungen Region herzustellen
manchmal auch in zwei Ebenen gemacht.
‣ → Enzyme werden funktionsunfähig, Zellen zerstört
Dies ermöglicht das Erkennen von Strukturen, die sonst vielleicht nicht eindeutig oder
‣ → Änderung gar nicht zu sehen in der sind. DNA → Krebs...
Abbildung 2.2 zeigt eine solche Aufnahme eines Thorax (Lunge) in zwei Ebenen.
‣ Abhilfe: Abschirmung, z.B. durch Blei
Bei den Röntgenröhren selbst handelt es sich um unter Vakuum stehende Röhren,
in denen Elektronen unter Hochspannung von etwa 10kV bis 150kV beschleunigt und
in Richtung Anode geschossen werden. Beim Aufprall auf die Anode werden Elektro-
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Grundlagen - Bilderzeugung
Röntgenbilder
‣ Überblick Röntgenbilder
Throax in PA (posterior-anterior) und lateral Darstellung
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Grundlagen - Bilderzeugung
Röntgenbilder
‣ Blick über den Tellerrand...
[Quelle: http://my.opera.com/mkrzych/albums/showpic.dml?album=708043&picture=9580397]
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Grundlagen - Bilderzeugung
Röntgenbilder
‣ Blick über den Tellerrand...
[Quelle: http://alanwatch.homestead.com/xraypage.html]
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Grundlagen - Bilderzeugung
Röntgenstrahlung
‣ Erzeugung von Röntgenstrahlung
[Quelle: http://online-media.uni-marburg.de/radiologie/lehre/bilder/roe_roehre.gif]
‣ Unter Hochspannung entsteht beim Aufprall der Elektronen auf dem Anodenmaterial
Röntgenstrahlung
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Grundlagen - Bilderzeugung
Röntgenbilder
‣ Diagnose...
‣ sehr gute Darstellung von Knochen oder Veränderung des Lungengewebes
‣ aber...
‣ begrenzte Darstellung von Organstrukturen, wie Leber, Muskeln oder Gehirn
‣ liefert Bilder nur aus einem „Betrachtungswinkel“, i.d.R. ein Bild pro Ansicht
‣ manche Strukturen werden verdeckt
‣ Digital Radiography
‣ Volldigital
‣ liefert auch zeitliche Abfolgen von Bildern (Schluckvorgang, etc.) in Echtzeit (25 Bilder/s)
‣ Einschränkungen von oben bleiben bestehen
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Grundlagen - Bilderzeugung
Röntgenbilder - Beispiel Darstellung mit Kontrastmittel
[Quelle: Molvar C A , Funaki B S AJR 2009;193:S46-S48]
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Grundlagen - Bilderzeugung
Röntgenbilder - Beispiel Koronarangiographie
Video
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Grundlagen 2.1.2.2 Digitale - Bilderzeugung
Subtraktionsangiographie
Röntgenbilder - Beispiel Subtraktionsangiogrpahie (DSA)
In der Angiographie wird die Lage und Struktur der Gefäße (Angio) mit Hilfe der Röntgentechnik
dargestellt. Bei der digitalen Subtraktionsangiographie (Abk.: DSA) werden hierzu
mindestens zwei Bilder generiert: ein Nativbild, das auch Maskenbild genannt wird, sowie ein
nach der Gabe von Kontrastmittel erzeugtes Röntgenbild, auch Füllbild genannt, in dem die
‣ Gefäße dient kontrastverstärkt zur Darstellung dargestellt von Blutgefäßen sind. Das Kontrastmittel wird zumeist mittels eines Katheters
„störende“ direkt in die Bildanteile Blutbahn geleitet. werden Durch durch Subtraktion ein Nativ- oder beiden Maskenbild Bilder erhält entfernt man ein (subtrahiert) Diffe-
‣
‣ renzbild, Das Differenz in dem nur oder noch Füllbild die mit enthält Kontrastmittel dann die gefüllten Darstellung Gefäße der dargestellt Gefäßesind (Abb. 2.3).
‣ Die Kontrastmittel so erhaltenen digitalen wird i.d.R. Bilder durch werden einen häufig Katheter mit einer die Auflösung Blutbahn von injiziert 10241024 Bildpunkten
generiert.
‣ DSA
0 s 0,2 s 0,4 s
Arteriovenöse Malformation im Gehirn
Abb. 2.3: DSA-Bildsequenz eines krankhaft veränderten Gefäßsystems des Gehirns (Arteriovenöse Malformation).
Die Bilder wurden zu verschiedenen Zeitpunkten nach Kontrastmittelgabe generiert, wobei
der Zeitpunkt der Kontrastmittelgabe 0 s entspricht.
[Quelle: H. Handels, Medizinische Bildverarbeitung]
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Grundlagen - Bilderzeugung
Röntgenbilder - Beispiel Subtraktionsangiogrpahie (DSA)
CVM rechtes Knie (Congenital Vascular Malformation)
Video
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Einen Lösungsansatz für die oben beschriebenen Probleme bietet die Computertomographie.
Da der menschliche Körper wie oben beschrieben ein inhomogenes Objekt ist, also aus
unterschiedlichen Gewebearten und Knochen besteht, musste ein Weg gefunden werden alle
Informationen zu gleicher Qualität gleichzeitig und ohne Verlust darzustellen. Die Grundidee
ist, nicht mehr einen ganzen Körperteil gleichzeitig zu durchstrahlen, sondern den Körper
entlang seiner Achse von Kopf zu Fuß oder v.v. in Schichten zu unterteilen. Hierbei werden
Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
‣
axiale Schicht- oder Schnittbilder des menschlichen Körpers erstellt. Dazu wird der Patient
Schematische Darstellung einer Computertomographie
auf einer beweglichen Liege positioniert, welche die Positionierung der Höhe der Aufnahme
und damit der aktuell zu scannenden Schicht ermöglicht.
[Quelle: http://www.bertelsmann-bkk.de/fileadmin/Redakteure/Bilder/ gesundheitslexikon/266328.jpg
Abbildung 2.4: Schematische Darstellung eines]
CT Scans zur Erfassung der Schnittbilder
entlang der Längsachse des menschlichen Körpers[2]
Im Gegensatz zum Röntgenfilm bei der konventionalen Radiologie, werden die geschwächten
© Stephan GimbelRöntgenstrahlen nicht Einführung auf einemin Film die abgebildet, medizinische sondern Bildverarbeitung
mit Hilfe eines Strahlendetektors h_da

2.2 Medizinische Grundlagen 11
Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
die Auflösung und damit auch die darstellbaren Details zu erhöhen, kann man aber auch
Schichtdicken von z.B. 0.5mm bis 1mm fahren.
‣ Schematische Darstellung einer Computertomographie
Durch Bewegung des zu untersuchenden Körpers entlang der z-Achse, können viele benachbarten
Schichtbilder erstellt werden, die man zwar einzeln betrachten, aber auch aneinander
hängen kann. Durch die Kombination mehrerer Schichtbilder entsteht dann ein sog. 3D- oder
Image Volume. Die geschieht durch die Bewegung der Patientenliege innerhalb der Gantry.
[Quelle: Williams, D. : Visualisation of Curved Tubular Structures in Medical Datasets : An Application to Virtual Colonoscopy]
Abbildung 2.7: Durch erfassen mehrerer 2D-Bilder entlang des Körpers (a) und anschließendes
kombinieren aller erhaltenen Bilder (b) entsteht ein 3D Image Volume [18]
Was dann im CT Bild selbst zu sehen ist, ist die ortsabhängige Abschwächung der
Röntgenstrahlung als Grauwert. Dies wird auch als Absoptions- oder Schwächungskoe zient
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bezeichnet.

Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
Video
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Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
‣ CT Schichtbild
[Quelle: Buzug, T. : CT - From Photon Statistics to Modern Cone-Beam CT]
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Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
‣ Diagnose...
‣ überlagerungsfreie Darstellung von Organen (Gehirn, Leber, Niere, Bauchspeicheldrüse,
Lunge, etc.)
‣ auch unter Verwendung von Kontrastmittel (z.B. Abdomen oral, Injizierung in die Blutbahn,...)
‣ zeitliche Abläufe sind besser darstellbar
‣ hohe räumliche Darstellung (

Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
a solid metal anode, and consists of waves with a range of wavelengths rou
between 10 −8 mand10 −13 m. Thus, the radiation energy depends on the elec
velocity, ν,whichinturndependsontheaccelerationvoltage,U a ,betweencat
and anode so that with the simple conservation of energy 3
eU a = 1 2 m eν 2
‣ Erzeugung von Röntgenstrahlen the (etwas electron velocity ausführlicher)
can be determined.
‣ wie schon erwähnt, es handelt sich um eine Elektromagnetische Strahlung
2.2.1
‣ Wellenlänge liegt etwa zwischen 10 -8 m und X-ray 10 -13 Cathode m
‣ Die Strahlung entsteht beim Abbremsen der Elektronen, wenn sie auf die Anode treffen
‣ → Strahlungs-Energie hängt von der Elektronengeschwindigkeit v und damit von der
Beschleunigungsspannung U a ab
In medical diagnostics acceleration voltages are chosen between 25kV and 15
for radiation therapy they lie between 10kV and 300kV, and for material te
they can reach up to 500kV. Figure 2.1 shows a schematic drawing of an X
eU a
= 1 2 m e v2
mit: e = 1,602 ⋅10 −19 C (Ladung eines Elektrons)
und m e
= 9,109 ⋅10 −31 kg (Masse eines Elektrons)
‣ Aus der Thermodynamik...
‣ durch Beschleunigen und Abbremsen von
geladenen Teilchen werden elektromagnetische
Wellen erzeugt
‣ Durch ein einzelnes Elektron entstehen
gewöhnlich mehrere Photonen die ausgesandt
werden
Fig. 2.1. Schematic drawing [Quelle: of an X-ray Buzug, T., tube. Computed Thermal Tomography electrons - From escape from a cathod
Photon Statistics to Modern Cone-Beam CT]
ment that is directly heated to approximately 2,400K. The electronsareacceleratedi
electric field between cathode and anode. X-ray radiation emerges from the decelerat
the fast electrons following their entry into the anode material
1 Charge of electrons: e = 1.602 ċ 10 −19 C; mass of electrons: m e = 9.109 ċ 10 −31 kg.
2 There is no clear definition of the X-ray wavelength interval. The rangeoverlaps
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Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
‣ Projektionen
‣ Für jeden Winkel wird ein Abschwächungsprofil oder auch Projektion erstellt, aus denen sich
2.2 Medizinische Grundlagen 10
das Originalbild rekonstruieren lässt. Je mehr Projektionen (aus unterschiedlichen Winkeln)
es gibt, desto genauer die Rekonstruktion
konventionellen Radiologie bekannt, denn dadurch würden sich die gleichen Nachteile ergeben.
Vielmehr werden mehrere Durchleuchtungen oder Scans pro Schicht unter einem anderen
Winkel durchgeführt, wobei jeder dieser einzelnen Scans in einem Intensitätsprofil abgebildet
und anschließend als Schwächungsprofil oder auch Projektion ausgewertet wird.
[Quelle: Universität Bonn, K. f. E.: Computertomographie (CT)]
Abbildung 2.5: Erstellung einer Projektion durch durchleuchten einer zu Untersuchenden
Struktur und erfassen der abgeschwächten Röntgenstrahlung durch einen Detektor [17]
Die Veränderung des Durchleuchtungswinkels erfolgt durch die Rotation von Strahlenquelle
© Stephan Gimbel und Detektor, Einführung welche gegenüberliegend in die medizinische auf einem Bildverarbeitung
Ring, genannt Gantry angeordnet sind. h_da

directions.
In computed tomography, the meaning of the mathematical term inverse problem
is immediately apparent. In contrast to the situation shown in Fig. 1.1,thespatial
distribution of the attenuating objects that produce the projection shadow is
not known a priori. This, actually, is the reason for acquiring the projections along
the rotating detector coordinate ξ over a projection angle interval of at least 180 ∘ .
Figure 1.2 illustrates this situation. It is an inversion of integral transforms. From
‣ Aus asequenceofmeasuredprojectionshadowsp einer geringen Anzahl an Projektionen, lässt γ1 (ξ), sich p γ2
nicht (ξ), pmit γ3 (ξ),...,thespa-
absoluter Gewissheit das
Originalbild rekonstruieren
Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
‣ Projektionen
[Quelle: Buzug, T., Computed Tomography - From Photon Statistics to Modern Cone-Beam CT]
Fig. 1.2. Schematic illustration of the inverse problem posed by CT. Attenuation profiles,
p γ (ξ),havebeenmeasuredforasetofprojectionangulations,γ 1 and γ 2 . Theunknown
geometry, or the object with its associated spatial distribution of attenuation coefficients, has
to be calculated from a complete set of attenuation profiles p γ1 (ξ), p γ2 (ξ), p γ3 (ξ),...
Dabei repräsentiert ρ γ i
( ξ ) den Radon Raum des Objektes
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Grundlagen rotates. - Bilderzeugung
Computertomographie
‣ Projektionen
veloped. In such a system, power supply to the X-ray tube and signal transfer from
the detector system is guaranteed, even though the imaging system continuously
From a mathematical point of view, image reconstruction in computed tomography
is the task of computing the spatial structure of an object that casts shadows
using these very shadows. The solutionforthisproblemiscomplexandinvolves
techniques in physics, mathematics, and computer science. Thedescribedscenario
is referred to as the inverse problem in mathematics.
‣ Originalobjekt und dazu passende Projektionen
Fig. 1.1. Schematic[Quelle: illustration
Buzug, T., Computed
of computed
Tomography -
tomography
From Photon Statistics
(CT).
to Modern
Three
Cone-Beam
homogeneous
CT]
objects
with quadratic intersection areas are exposed with X-ray under the projection angles γ 1
and γ 2 .Eachprojectionangleproducesaspecificshadow,p γ (ξ), which,measuredwith
the detector array represents the integral X-ray attenuation profile. The geometricshadow
boundaries are indicated with dashed lines. However,analysisoftheprofileunderthefirst
projection angle, γ 1 ,onitsowndoesnotallowonetodeduceanestimateofthenumberof
separated objects
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Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
‣ Von der Strahlung zum Schnittbild...
‣ Problem: wie kommt man vom Schattenbild zur Darstellung eines Objektes?
‣ Inverses Problem... Rekonstruiere ein Objekt aus seinem Schatten. In diesem Fall,
seiner Projektion
‣ Beispiel: Original Objekt
1 4
5 3
‣ dazu passende Projektion aus zwei Winkeln:
1 4
5 3
5
8
1 4
5 3
6 7
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Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
‣ Inverses Problem
‣ Wenn aber nur die Projektion und die beiden zugehörigen Winkel bekannt sind, wie kommt
man auf das Originalbild?
6 7
? ?
? ?
5
8
‣ Lösung: Lineare Algebra oder Fourier Transformation bzw. gefilterte Rückprojektion (FBP)
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Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
‣ Algebraische Lösung
A + B = 5
C + D = 8
C + A = 6
D + B = 7
⎛
⎜
⎜
⎝
⎜
1 1 0 0
0 0 1 1
1 0 1 0
0 1 0 1
⎞ ⎛
⎟ ⎜
⎟ ⎜
⎠
⎟
⎝
⎜
A
B
C
D
⎞
⎟
⎟
⎠
⎟
⎛
⎜
= ⎜
⎝
⎜
5
8
6
7
⎞
⎟
⎟
⎠
⎟
Q ist nicht invertierbar, daher gibt es nicht nur
eine Lösung zum Problem
Qx = b
‣ Algebraische Lösung
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Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
‣ Gefilterte Rückprojektion (stark vereinfacht)
( ) = 2Wπ
h x, y
mit
MN
M −1
∑
m=0
⎡
⎢
⎢
⎣⎢
N
2 −1
∑
n=− N 2
⎛
S n 2W N ,m π ⎝
⎜
M
M = Anzahl der Projektionen
⎞
⎠
⎟ e
N = Anzahl der Samples pro Projektion
W = höchste Ortsfrequenz
4Wπ ⎛ ⎛
nj x cos m π ⎞
N ⎝
⎜
M ⎠
⎟ +ysin ⎛
m π ⎞ ⎞
⎝
⎜
⎝
⎜
M ⎠
⎟
⎠
⎟ 2W n
N
⎤
⎥
⎥
⎦⎥
( ) = DFT der Projektion beim Winkel Θ m
S k,Θ m
‣ Die Erstellung von Bilddaten mittels Signalverarbeitung ist ein Thema für sich und zu
komplex um dies in der Vorlesung abzudecken
‣ Einführung: The Application of Fourier analysis in solving the Computed Tomography (CT)
Problem, Abbasi 2010
‣ Weiterführend: T. Buzug, Computed Tomography - From Photon Statistics to Modern Cone-
Beam CT
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Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie
‣ Wichtigste Parameter einer CT Untersuchung
‣ Beschleunigunsspannung (Energie des Röntgenquanten)
‣ Röhrenstrom (Intensität der Strahlung)
‣ Slice-Thickness (Schichtdicke)
‣ Gantry tilt
‣ Pitch (Tischbewegung)
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Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie - Beispiele
1.4 Some Examples 9
[Quelle: Buzug, T., Computed Tomography - From Photon Statistics to Modern Cone-Beam CT]
Fig. 1.6. A patient overview must be acquired for CT scan sequence planning. Depending
on the manufacturer the overview scan is called a topogram, a scout view, a scanogram or
apilotview.Thegeometricscanintervalandgantrytiltaredeterminedinteractively(courtesy
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Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie Artefakte
FIGURE 1. Examples of CT artifacts: streak artifact (A), motion artifact (B), beam-hardening artifact (C), ring artifacts (D and E),
and bloom
A -
artifact
Streak
(F).
Artifact B - Motion Artifact C - Beam Hardening
D - Ring Artifact
to each peak kilovoltage setting. Beam hardening is a complex
paradigm that involves trade-offs related to patient dose,
image noise, contrast, and CT number uniformity. Therefore,
technologists must carefully consider selection of imaging
parameters, filters, and patient position within the scanner.
Beam hardening presents as dark banding between dense
objects such as bone. Variations of contrast and intensity
across an object can appear like certain pathologic conditions
E - Ring Artifact
[Quelle: CT Artifact Recogition for the Nuclear Technologist, Popilock et al.]
F - Bloom Artifact
response for different scanning conditions (kilovoltage, collimator
aperture, etc.) in an effort to minimize the aforementioned
effects. It is also important to maintain the
specified ambient room conditions for the scanning room
to minimize temperature drift over time.
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ARTIFACTS
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Grundlagen - Bilderzeugung
Computertomographie Artefakte
‣ Streak Artifacts
‣ Bewegung
‣ Undersampling
‣ Data Sampling Error
‣ Motion Artifacts
‣ Patientenbewegung
‣ Herzschlag, Schlucken, etc.
‣ Beam Hardening
‣ Polychromatischer Röntgenstrahl
‣ Ring Artifacts
‣ Detektor (Ungenauigkeiten, Schäden)
‣ Kalibrierung
‣ Temperaturdifferenz
‣ Bloom Artifacts
‣ Metal (Protesen, Zahnfülling, etc.)
‣ schwach: Schattierung, stark: Streaking
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y interpolation of non-missing neighbor projections. volume increases. This can be particularly seen in pat
Rajgopal et al. [14] used a linear prediction method to replace with mass body. Artifacts arise because some part
the Grundlagen missing projections. - Bilderzeugung
In other work [15], a polynomial individual projection can be very noisy due to insuffi
interpolation Computertomographie technique International is used to Journal Artefakte
bridge of Biological the missing and Life photons Sciences passing 4:3 2008 through widest part of patient. Fig. 3
projections. A wavelet multiresolution analysis of projection shows these projects in the projection matrix for a pat
data is also proposed to detect the missing data and interpolate When these projects are reconstructed by standard algor
them ‣[16].
Verringerung der Artefakte durch of Bildverarbeitung
scanner, the noise is magnified, resulting in streaks in
direction of widest part (Fig. 3 (b)).
(a)
(a)
(a)
(a)
(b)
Fig. 2 Result of applying the method proposed in [18] for reduction
(b)
of © metallic Stephan artifacts; Gimbel a) original CT image, Einführung b) modified in CT die image medizinische artifact, Bildverarbeitung
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Fig. b) 3 Example modified of image photon with starvation removal artifact; artifact a) matrix (images of project are
(b)
[Quelle: Yazdi, Beaulieu - Artifacts in Spiral X-ray CT Scanners]
(b)
Fig. 5 Example of patient motion artifact; a) original image wit

Grundlagen - Bilderzeugung
Magnetresonanztomographie
‣ Kernspintomographie, MRT, MRI
‣ keine Röntgenstrahlung
‣ basiert auf kernmagnetischer Resonanz (Bloch, Purcell 1946)
‣ Wechselwirkung zwischen Atomkernen mit einer ungeraden Anzahl an Nukleonen
(Protonen und Neutronen) und äußerem Magnetfeld
‣ Magnetfeldstärke gemessen in T (Tesla), Praxis ∼3T
‣ Atomkerne mit ungerader Anzahl Nukleonen besitzen einen Kernspin J
‣ Daraus ergibt sich das Dipolmoment:
µ = γ ⋅ J
mit γ = gyromagnetisches Verhältnis (Kernspezifisch)
‣ für MR-Anwendung: Wasserstoff, Kohlenstoff, Natrium und Phosphor
‣ menschlicher Körper besteht zu 70% aus Wasser, zusätzliche Wasserstoffprotonen in Lipiden
und Proteinen
‣ 1cm 3 Wasser enthält etwa 10 23 Wasserstoffkerne
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Grundlagen - Bilderzeugung
Magnetresonanztomographie
16 2 Medizinische Bilder und ihre Erzeugung
Isotop
Gyromagnetisches Verhältnis/
10 [rad T -1 s -1 7
]
Resonanzfrequenz
bei B 1T [MHz]
0
Natürliche Häufigkeit
1 H 26,752 42,577 99,985
13 C 6,7283 10,708 1,11
23 Na 7,0801 11,268 100,00
31 P 10,841 17,254 100,00
[Quelle: H. Handels, Medizinische Bildverarbeitung]
Tab. 2.1: Eigenschaften biologisch wichtiger Atomkerne (Reiser und Semmler 1992).
Während die Kernspins J bzw. die mit ihnen assoziierten magnetischen Momente µ (vgl. Gl.
2.5) im feldfreien Raum isotrop verteilt sind, nehmen sie nach den allgemeinen Prinzipien der
Quantentheorie in einem äußeren Magnetfeld verschiedene diskrete Orientierungen relativ zur
Magnetfeldrichtung ein (Abb. 2.6), die zu unterschiedlichen Energieniveaus korrespondieren
(Abb. 2.7). Dieser Effekt wird als Zeeman-Effekt bezeichnet.
[%]
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Grundlagen - Bilderzeugung
Magnetresonanztomographie
Tab. 2.1: Eigenschaften biologisch wichtiger Atomkerne (Reiser und Semmler 1992).
Während die Kernspins J bzw. die mit ihnen assoziierten magnetischen Momente µ (vgl. Gl.
2.5) im feldfreien Raum isotrop verteilt sind, nehmen sie nach den allgemeinen Prinzipien der
Quantentheorie in einem äußeren Magnetfeld verschiedene diskrete Orientierungen relativ zur
Magnetfeldrichtung ein (Abb. 2.6), die zu unterschiedlichen Energieniveaus korrespondieren
(Abb. 2.7). Dieser Effekt wird als Zeeman-Effekt bezeichnet.
M
0
M
‣ Zeemann-Effekt (Quantentheorie)
[Quelle: H. Handels, Medizinische Bildverarbeitung]
Abb. 2.6: Werden Wasserstoffkerne in ein äußeres Magnetfeld eingebracht, so bildet sich
aufgrund der ungleichmäßigen Anzahl parallel und antiparallel orientierter Kernspins eine
Magnetisierung M als vektorielle Summe der magnetischen Kernmomente aus.
‣ im feldfreien Raum sind die magnetischen Momente isotrop verteilt
‣ in einem Magnetfeld nehmen sie eine diskrete Orientierung relativ zur
Magnetfeldrichtung an (unterschiedliche Energieniveaus)
‣ Wasserstoff: 2 verschiedene Orientierungen, parallel und antiparallel
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Grundlagen - Bilderzeugung
Magnetresonanztomographie
‣ Richtung des äußeren Magnetfeldes korrespondiert mit der z-Richtung des
Bildkoordinatensystems
‣ Liegt der Patient im Magnetfeld B 0 , wird eine Magnetisierung M parallel zur Richtung des
äußeren Magnetfeldes messbar
‣ den beiden Spinorientierungen werden unterschiedliche Energieniveaus zugeornet
‣ Parallele Ausrichtung: Grundzustand (energetisch niedrig)
‣ Antiparallele Ausrichtung: angeregter Zustand
‣ Energiedifferenz:
h
ΔΕ = γ ⋅
2π ⋅ B 0
mit h = Planck'sches Wirkungsquantum
‣ wird die Energie ΔE hinzugeführt tritt kernmagnetische Resonanz ein (Zustandsübergang)
‣ der Anregungsimpuls ist ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld
‣ nach der Auslenkung will das System wieder in den Gleichgewichtszustand zurückkehren
→ Relaxation
‣ die gemessenen Magnetisierungswerte werden durch Grauwerte visualisiert
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Grundlagen - Bilderzeugung
Magnetresonanztomographie
‣ fMRT
den Bereich der Grundlagenforschung hinaus können fMRT-Untersuchungen auch zur verbesserten
Planung neurochirurgischer Eingriffe genutzt werden. Hierbei werden funktionelle
Einheiten des Gehirns gezielt stimuliert und somit sichtbar gemacht (Abb. 2.17, rechts). Die
Information über die individuelle Lage funktioneller kortikaler Einheiten, die nicht geschädigt
werden dürfen, kann nachfolgend zur Optimierung des Operationsweges verwendet werden.
Wesentliche biophysikalische Grundlage für funktionelle MR-Untersuchungen ist die mit
neuronaler
‣ funktionelle
Aktivität
MRT zur
einhergehende
Lokalisation
Erhöhung
Neuronaler
des regionalen
Aktivität
zerebralen
im Gehirn
Blutflusses und des
Blutvolumens, durch die der sog. BOLD-Effekt (Abk. für blood oxygenation level dependent)
hervorgerufen wird.
Anregung visueller
Augenbewegung
Bewegung der Finger
Abb. 2.17: Aktivierte Areale im Kortex (hell markiert). Links: Erregung im visuellen Kortex. Mitte:
Kortex
bei Tumorpatient
Aktivierung bei Ausführung willkürlicher Augenbewegungen. Rechts: Aktivierungen im kontra-lateralen
primären Motorkortex sowie im supplementär-motorischen Bereich, die bei einem Hirntumorpatienten
durch Bewegung der Finger einer Hand hervorgerufen wurden (Hahn, Handels et al. 1997). Aus drucktechnischen
Gründen wurden die üblicherweise farbig dargestellten Aktivierungen weiß visualisiert.
[Quelle: H. Handels, Medizinische Bildverarbeitung]
© Stephan Gimbel Einführung in die medizinische Bildverarbeitung
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Grundlagen - Bilderzeugung
Magnetresonanztomographie
[Quelle: http://drugline.org/img/ail/1591_1603_2.jpg]
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Grundlagen - Bilderzeugung
Magnetresonanztomographie
Video
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Grundlagen - Bilderzeugung
Magnetresonanztomographie
‣ Diagnose...
‣ gute und überlagerungsfreie Darstellung von Weichteilen (Muskulatur, Bänder, Sehnen,
Kapsel, Gelenkschleimhaut, etc.)
‣ auch unter Verwendung von Kontrastmittel
‣ zeitliche Abläufe sind gut darstellbar
‣ keine Strahlenbelastung
‣ knöcherne Defekte (Zysten, Erosionen) lassen sich gut erfassen
‣ aber...
‣ räumliche Darstellung gegenüber CT eingeschränkt
‣ Untersuchung dauert länger und dadurch eingeschränkte Untersuchung der Region
‣ beim Patienten: evtl. Platzangst, Implantate, Herzschrittmacher
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Grundlagen - Bilderzeugung
Sonographie
‣ Ultraschall
‣ basiert auf Reflexion von Ultraschallwellen an Gewebegrenzen
‣ mechanische Wellen, die sich nur in Materie ausbreiten können
‣ Frequenzen liegen zwischen 20kHz und 1GHz, i.d. Praxis zwischen 2-10MHz
‣ Wellen werden an den Grenzflächen unterschiedlich stark reflektiert (gewebespezifischer
Schallwellenwiderstand)
‣ Schallwellenwiderstand zwischen unterschiedlichen Gewebearten unterscheidet sich nicht
sehr stark
‣ reflektierter Intensitätsanteil liegt bei etwa 25%
‣ Grenzfläche zu Luft oder Knochen bei knapp 100%
‣ Gewebe welches hinter Luft oder Knochen liegt ist nicht untersuchbar
‣ Kontaktgel zwischen Haut und Ultraschallkopf
‣ Erzeugung: gemessene Zeitdifferenz zwischen Aussendung und Empfang der Schallwellen
unter Kenntnis der Schallgeschwindigkeit c S = 1540 m/s bei 37°C
‣ bildgebende Ultraschalltechnik basiert auf B-Scan Verfahren
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Grundlagen - Bilderzeugung
Sonographie
‣ A-Scan Verfahren (Amplitude)
‣ linienorientierte Abtastung von Strukturen
‣ ortsfester Schallkopf sendet Ultraschallwellen aus, die Amplituden der Reflexion werden
über die Zeit aufgetragen
‣ In Abhängigkeit der Laufzeit gibt dies Aufschluss auf die Lokalisation von Gewebegrenzen
entlang der Einstrahlungsrichtung
‣ wird meist eingesetzt in der Neurologie und Ophthalmologie (Augenheilkunde)
‣ B-Scan Verfahren (Brightness)
‣ Veränderung der Einstrahlrichtung, dadurch wird die Einstrahlamplitude in mehrere
Richtungen bestimmt und 2D-Bilder erzeugt
‣ Abtastung erfolgt in einer Ebene
‣ Lage des Bildpunktes ergibt sich aus der Reflexionzeit
‣ Helligkeit ergibt sich aus der Amplitude
‣ Richtung der Einstrahlung wird im Schallkopf fächerförmig variiert
‣ Abtastung in Echtzeit (25 Bilder/s) möglich (Bewegung von Embryos, Organen)
‣ Aktuelle Geräte können auch 3D-Bilder erstellen
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Grundlagen - Bilderzeugung
Sonographie
‣ Doppler Sonographie
‣ Messung der Blutgeschwindigkeit in Blutgefäßen (Durchblutungs-/Strömungsverhalten) unter
Nutzung des Dopplereffekts
‣ konkret: Messung der Geschwindigkeit v von roten Blutkörperchen (Erythrozyten)
Frequenzverschiebung: Δv = v bewegt
− v 0
mit v 0
= Frequenz des US
Δv = 2v 0
cos α
mit:
c S
( )
v
c S
= Schallgeschwindigkeit im Gewebe
α= Winkel zw. Bewegungsrichtung und Ausbreitungsrichtung der Schallwelle
© Stephan Gimbel Einführung in die medizinische Bildverarbeitung
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äumliche Ausbreitung und Struktur der untersuchten Körperregionen und Organe in überlagerungsfreien
Schichtbildern erfasst wird. Die computergestützte Analyse und Interpretation von
Ultraschallbildern wird erschwert durch den starken Rauscheinfluss sowie die Abhängigkeit
der Darstellung der Bildstrukturen von der Position des Ultraschallkopfes.
Grundlagen - Bilderzeugung
Sonographie
[Quelle: H. Handels, Medizinische Bildverarbeitung]
Abb. 2.1: Menschlicher Fötus in
der Ultraschallaufnahme.
2.1.1.3 Doppler-Sonographie
In der Doppler-Sonographie wird eine Messung der Blutgeschwindigkeit durchgeführt und zur
Darstellung des Durchblutungs- und Strömungsverhaltens in Blutgefäßen genutzt. Messtechnische
Grundlage bildet der aus der Physik bekannte Doppler-Effekt (Alonso und Finn 1974),
bei dem durch die Bewegung eines reflektierenden Objektes mit der Geschwindigkeit v, hier
den roten Blutkörperchen (Erythrozyten), eine Frequenzverschiebung bewegt 0
des
mit der Frequenz 0 eingestrahlten Ultraschalls hervorgerufen wird, für die gilt:
2 0 cos(
)
v (2.1)
c
s
Video
Hierbei gibt c s die Schallgeschwindigkeit im Gewebe und den Winkel zwischen der Bewegungsrichtung
des Objektes und der Ausbreitungsrichtung der Schallwelle an. Somit kann
unter Kenntnis der Ausgangsfrequenz
0,
des Winkels sowie der Schallgeschwindigkeit c
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s
h_da
aus der Messung der Frequenzverschiebung die Geschwindigkeit der Blutkörperchen v
[Quelle: BluePhantom]