Anwendung von Videokompressionsalgorithmen zur ...

Aus dem Zentrum für Innere Medizin
Klinik für Kardiologie
des Klinikums Oldenburg
Direktor: Prof. Dr. med. G.-H. Reil
Anwendung von
Videokompressionsalgorithmen
zur Datenreduktion
koronarangiographischer
Untersuchungen
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin
in der Medizinischen Hochschule Hannover
vorgelegt von
Wolfgang Vocke
aus Osnabrück
Oldenburg 2002

Angenommen vom Senat der Medizinischen Hochschule Hannover
am 19.05.2003
Gedruckt mit Genehmigung der Medizinischen Hochschule Hannover
Rektor:
Betreuer der Arbeit:
Referent:
Koreferent:
Prof. Dr. med. Horst von der Hardt
Prof. Dr. med. Gert-Hinrich Reil
Prof. Dr. med. Jürgen Tebbenjohanns
Prof. Dr. rer. nat. Herbert Matthies
Tag der mündlichen Prüfung: 19.05.2003
Promotionsausschussmitglieder:
Prof. Dr. med. Alexander Kapp
Prof. Dr. med. Akiro Hori
Prof. Dr. med. Burkhard Wippermann

Inhaltsverzeichnis
I
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ________________________________________________ 1
1.1 Einführung und Zielsetzung_________________________________________________ 1
1.2 Grundlagen des digitalen Herzkatheterlabors __________________________________ 2
1.2.1 Die Technik der Herzkatheteruntersuchung __________________________________________ 2
1.2.2 Speicherung und Archivierung koronarangiographischer Untersuchungen __________________ 3
1.3 Methoden der digitalen Bilddatenübertragung _________________________________ 4
1.4 Methoden der Bilddatenreduktion ____________________________________________ 7
1.4.1 Einzelbildverfahren _____________________________________________________________ 7
1.4.1.1 JPEG______________________________________________________________________ 7
1.4.1.2 JPEG 2000 _________________________________________________________________ 8
1.4.2 Mehrbild- /Filmverfahren _________________________________________________________ 9
1.4.2.1 Offene, standardisierte Verfahren ________________________________________________ 9
1.4.2.2 Proprietäre Verfahren ________________________________________________________ 12
1.4.3 Artefakte durch Bilddatenkompression _____________________________________________ 13
1.4.3.1 Artefakte durch räumliche Kompression __________________________________________ 13
1.4.3.2 Artefakte durch zeitliche Komprimierung _________________________________________ 14
1.5 Aktueller Wissensstand zum Einsatz von Kompressionsalgorithmen in der
digitalen Koronarangiographie _____________________________________________ 14
1.6 Fragestellung der Untersuchung____________________________________________ 19
2 Material und Methoden ____________________________________ 21
2.1 Begutachter _____________________________________________________________ 21
2.2 Aufzeichnung des Rohbilddatenmaterials ____________________________________ 21
2.3 Auswahl der Herzkatheterfilme _____________________________________________ 22
2.3.1 Filmschleife 1_________________________________________________________________ 22
2.3.2 Filmschleife 2_________________________________________________________________ 23
2.3.3 Fimschleife 3 _________________________________________________________________ 24
2.3.4 Filmschleife 4_________________________________________________________________ 25
2.3.5 Filmschleife 5_________________________________________________________________ 25
2.3.6 Filmschleife 6_________________________________________________________________ 26
2.3.7 Filmschleife 7_________________________________________________________________ 27
2.3.8 Filmschleife 8_________________________________________________________________ 27
2.3.9 Filmschleife 9_________________________________________________________________ 28
2.3.10 Filmschleife 10________________________________________________________________ 29
2.4 Bearbeitung und Komprimierung der ausgewählten Herzkatheterfilme ____________ 29
2.4.1 Umwandlung in unkomprimierte AVI-Dateien ________________________________________ 29
2.4.2 JPEG-Kompression ____________________________________________________________ 30
2.4.3 JPEG 2000 __________________________________________________________________ 30
2.4.4 MPEG-2_____________________________________________________________________ 31
2.4.5 MPEG-4_____________________________________________________________________ 31

Inhaltsverzeichnis
II
2.4.5.1 DivX ______________________________________________________________________ 31
2.4.5.2 OpenDivX _________________________________________________________________ 32
2.4.6 RealVideo 8_________________________________________________________________ 32
2.4.7 Windows Media Video 8 _______________________________________________________ 33
2.4.8 Sorenson Video 2 ____________________________________________________________ 33
2.4.9 Kompressionsfaktoren __________________________________________________________ 34
2.5 Begutachtungsumgebung _________________________________________________ 35
2.6 Untersuchungsablauf und Randomisierung __________________________________ 36
2.7 Speicherung und Verarbeitung der Daten ____________________________________ 38
2.8 Nachbetrachtung_________________________________________________________ 39
2.9 Statistische Methoden ____________________________________________________ 39
3 Ergebnisse ______________________________________________ 41
3.1 Beurteilungen und Versuchszeiten der einzelnen Untersucher __________________ 41
3.1.1 Bearbeitungszeit ______________________________________________________________ 41
3.1.2 Unterschiede in der Beurteilung der Bildqualität in Abhängigkeit von der Erfahrung der
Untersucher __________________________________________________________________ 41
3.2 Beurteilung der einzelnen Kompressionsverfahren ____________________________ 43
3.2.1 Bilddatenkompression mit JPEG __________________________________________________ 43
3.2.2 Bilddatenkompression mit JPEG 2000 _____________________________________________ 46
3.2.3 Bilddatenkompression mit MPEG-2 ________________________________________________ 49
3.2.4 Bilddatenkompression mit MPEG-4–DivX-Codec _____________________________________ 52
3.2.5 Bilddatenkompression mit MPEG-4–OpenDivX-Codec _________________________________ 55
3.2.6 Bilddatenkompression mit RealVideo 8 ___________________________________________ 58
3.2.7 Bilddatenkompression mit Windows Media Video 8 __________________________________ 61
3.2.8 Bilddatenkompression mit Sorenson Video 2 _______________________________________ 64
3.3 Vergleich der verschiedenen Kompressionsverfahren _________________________ 67
3.3.1 Vergleich der verschiedenen Kompressionsverfahren anhand eines deskriptiven
Verfahrens ___________________________________________________________________ 67
3.3.2 Vergleich der Verfahren JPEG und JPEG 2000 ______________________________________ 68
4 Diskussion ______________________________________________ 71
4.1 Versuchszeiten und Unterschiede zwischen verschiedenen
Untersuchergruppen______________________________________________________ 71
4.2 Eignung der einzelnen Verfahren zur Bilddatenkompression ____________________ 71
4.3 Vergleich der Verfahren ___________________________________________________ 76
4.4 Ausblick zur weiteren Anwendung von Videokompressionsverfahren in der
invasiven kardiologischen Diagnostik _______________________________________ 77
5 Zusammenfassung _______________________________________ 79

Abkürzungsverzeichnis
III
Abkürzungsverzeichnis
ADSL
AVI
DICOM
CD-R
Codec
DCT
DWT
FD
ISAC
ISDN
ISO
ITU
JPEG
Pixel
LAN
LAO
MPEG
RAO
RLE
ROI
S-VHS
WAN
WMV
Asynchronous Digital Subscriber Line
Audio Video Interleave
Digital Imaging for Communication in Medicine
Compact Disc - recordable
Compressor/Decompressor
Diskrete Cosinustransformation
Diskrete Wavelettransformation
Frame Differencing
International Study of Angiographic Data Compression
Integrated Services Digital Network
International Standardisation Organisation
International Telecommunications Union
Joint Photographic Experts Group
Picture Element
Local Area Network
Left anterior oblique
Moving Picture Experts Group
Right Anterior Oblique
Run Length Encoding
Region Of Interest
Super-Video-Home-System
Wide Area Network
Windows Media Video

Einleitung 1
1 Einleitung
1.1 Einführung und Zielsetzung
In der Kardiologie besitzt die Herzkatheteruntersuchung als Goldstandard zur Diagnostik
der koronaren Herzkrankheit einen hohen Stellenwert. Im Jahr 2000 wurden
in Deutschland in 431 Herzkatheterlaboren 594898 diagnostische Herzkatheteruntersuchungen
und 180366 Koronarinterventionen durchgeführt [11].
Aufgrund der Fortschritte in der Bild- und Datenverarbeitung ist eine komplette
digitale Aufzeichnung der erhobenen Befunde möglich [30]. Vorteile der digitalen
Archivierung sind verlustfreie Kopiermöglichkeiten und datenbankbasierter Zugriff
über ein Krankenhaus- oder telemedizinisches Netzwerk in unterschiedlichen Bereichen,
in denen klinische Entscheidungen durch Hinzunahme der visuellen Informationen
verbessert werden können [47, 28]. Limitiert werden diese Einsatzmöglichkeiten
vor allem durch die dabei anfallende enorme Rohdatenmenge. Einerseits wird
dadurch eine dauerhafte und rasche Verfügbarkeit in einem Kliniknetzwerk nur unter
sehr hohen Kosten realisierbar, andererseits ist eine aufwendige Infrastruktur für eine
zeitgerechte Datenfernübertragung im Rahmen telemedizinischer Anwendungen
erforderlich (breitbandige Datenleitungen als Zugang zum Wide Area Network bzw.
Internet).
Der aktuelle Standard zur digitalen Erfassung und Übermittlung bildgebender medizinischer
Verfahren Digital Imaging for Communication in Medicine (DICOM)
wurde in seiner jetzigen Fassung auf verlustfreie und somit nur geringgradige Kompressionsmöglichkeiten
festgelegt [37]. Moderne Bilddatenkompressionsverfahren
versuchen eine weit darüber hinausgehende Reduktion der Datenmenge bewegter
Bilder mittels komplexer rechnerischer Algorithmen zu erreichen und könnten damit
die Limitierungen aufheben, die in der Übermittlung und rationellen Archivierung
der unkomprimierten Daten bestehen [17].
Die vorliegende Untersuchung versucht zu klären, inwieweit sich neue Videokompressionsalgorithmen,
die im Internet und in der Unterhaltungselektronik bereits
etabliert sind [15], für eine Reduktion der Datenmenge kardiologischer angiographischer
Untersuchungen unter Wahrung der erforderlichen Bildqualität eignen.

2 Einleitung
1.2 Grundlagen des digitalen Herzkatheterlabors
1.2.1 Die Technik der Herzkatheteruntersuchung
Die Linksherzkatheteruntersuchung stellt nach wie vor die sensitivste Methode zur
Diagnostik der koronaren Herzkrankheit dar [19]. Bei angeborenen und erworbenen
Vitien ergänzt sie die nicht-invasiven diagnostischen Methoden. Durch eine zusätzliche
Platzierung eines Messkatheters im kleinen Kreislauf können zudem differenzierte
Aussagen zur Hämodynamik getroffen werden [26].
Die Ursprünge dieser Untersuchungstechnik gehen auf Forssmann zurück, der 1925
die erste radiologisch kontrollierte Katheterisation des rechten Vorhofes mit einem
Blasenkatheter vornahm [44].
Der arterielle Zugang zur Herzkatheteruntersuchung erfolgt üblicherweise durch die
Punktion der Arteria femoralis (Judkins-Technik) oder durch Arteriotomie der Arteria
brachialis (Sones-Technik). Die Auswahl des Verfahrens hängt von eventuellen
vaskulären Begleiterkrankungen (periphere arterielle Verschlusskrankheit, Bauchaortenaneurysma,
arterielle Thromben) und der Erfahrung des Untersuchers mit der
jeweiligen Technik ab [41]. Im Rahmen der Routinediagnostik werden
Polyethylenkatheter mit einem Durchmesser von 4-6 French (1 F = 0,33 mm) benutzt,
über die in der Regel jodhaltige nichtionische wasserlösliche Kontrastmittel
injiziert werden. Die radiologische Dokumentation erfolgt bei biplanen Techniken in
2 senkrecht aufeinander stehenden Ebenen. Zur Darstellung des linken Ventrikels
wird der Katheter in das Ventrikelcavum platziert und 30-40 ml röntgendichtes
Kontrastmittel mittels einer Druckspritze (druck- oder flussgesteuert) appliziert. Die
radiologische Aufzeichnung der beiden Bildebenen (30° RAO und 60° LAO) erfolgt
mit 25 Bildern/Sekunde. Zur selektiven Koronarangiographie wird über speziell
vorgeformte Katheter jeweils manuell Kontrastmittel in das linke und rechte Koronarostium
injiziert, wobei die Aufnahme wiederum in verschiedenen Ebenen erfolgt, so
dass Koronararterienstenosen frei von Überlagerungen dokumentiert werden können
[19]. Die Dokumentation wird hierbei mit 12,5 Bildern/Sekunde vorgenommen. Die
Darstellung von Ventrikel- und Koronarmorphologie ergänzen hämodynamische
Messungen.

Einleitung 3
1.2.2 Speicherung und Archivierung koronarangiographischer
Untersuchungen
Bis vor ungefähr 10 Jahren erfolgte die Aufzeichnung der durch Bildwandler verstärkten
Koronarangiographien und Lävokardiographien ausschließlich analog mittels
35 mm Cinefilm oder in geringerer Qualität auf Videobändern (v. a. im Standard
Super-Video-Home-System/S-VHS). Mit zunehmender Verbreitung der digitalen
Bildverarbeitung in der Angiographie verdrängt die digitale Bilderfassung und -
speicherung die konventionellen analogen Verfahren der Archivierung (namentlich
die Aufzeichnung auf Cinefilm). Die Vorteile der digitalen Bildarchivierung liegen
in der Möglichkeit der sofortigen Nachbetrachtung der Angiographie und der nachträglichen
Bildverarbeitung einschließlich quantitativer Analyse des gewonnenen
Bildmaterials [3].
Mit der Einführung eines internationalen Standards zum Austausch digitaler angiographischer
Bilder 1995 (Digital Imaging for Communication in Medicine,
DICOM) sind die Voraussetzungen für die weitere Verbreitung des „digitalen Herzkatheterlabors“
geschaffen worden [2, 36]. Als Speichermedium wird die CD-R
(compact disc – recordable) verwendet [12].
Die Problematik digitaler Bildarchivierung liegt vor allem in den hohen Datenmengen,
die hierbei anfallen [35]. Bei einer üblichen Aufzeichnung einer Koronarangiographie
mit 512 x 512 Pixeln in einer 8-bit Graustufenskala mit 12,5 Bildern pro
Sekunde entsteht ein Datenstrom von 26214400 Bit/s (= 26 Mbit/s) entsprechend ca.
3,3 MByte/s . Ein Datenstrom, der selbst über schnelle Internetverbindungen (z. B.
ADSL mit Bitraten von 300 - 500 Kbit/s) nicht in Echtzeit übertragen werden kann.
Eine einzelne Linksherzkatheteruntersuchung benötigt häufig über 500 Megabytes
(MB) an Speicherplatz, so dass die Archivierung sämtlicher Herzkatheteruntersuchungen
eines größeren kardiologischen Zentrums auf einem jederzeit abrufbaren
Datenserver trotz des Trends der Computerindustrie zu immer höherer Leistung bei
fallenden Kosten nur eingeschränkt zu verwirklichen ist. Dieses würde Speicherkapazitäten
im Terabytebereich erfordern [34]. Außerdem stehen die hohen Datenmengen
selbst bei zunehmenden Bandbreiten der interinstitutionell verfügbaren Netzwerke,
sogenannter „Wide Area Networks“ (WAN) wie z. B. das Internet, einer
weiten Verbreitung telemedizinischer Anwendungen entgegen [3].

4 Einleitung
Da zum Zeitpunkt der Verabschiedung des DICOM-Standards nur geringe Kenntnisse
über den Einfluß von Kompressionsalgorithmen auf die klinische Beurteilbarkeit
des so bearbeiteten Bildmaterials vorlagen, erlaubt DICOM bis jetzt nur die
Anwendung sogenannter verlustfreier („lossless“) Datenkompression, die de facto
höchstens zu einer Halbierung der unkomprimierten Datenmenge führt [34].
1.3 Methoden der digitalen Bilddatenübertragung
Ein großer Vorteil der digitalen Archivierung von Herzkatheterfilmen liegt darin,
dass sie mittels Datenfernübertragung ohne Umwege an verschiedenen Orten, an
denen therapeutische Entscheidungen getroffen werden, zur Verfügung gestellt
werden können. Hierin liegt hinsichtlich der Optimierung der Arbeitsabläufe (des
Workflows) ein wesentlicher Fortschritt zur ehemaligen Speicherung auf analogen
Medien, die erst durch persönlichen oder postalischen Transport an anderer Stelle zur
Verfügung stehen [5].
Ein gängiger Begriff zur Beschreibung lokaler innerinstitutioneller Netzwerke ist
LAN (Local Area Network). Die innerhalb von Kliniken gebräuchliche Ethernet-
Netzwerktechnologie stellt üblicherweise Bandbreiten von 10 Mbit/s bis 100 Mbit/s
zur Verfügung. Da mehrere Nutzer auf diese Netzwerke zurückgreifen, dürfte in den
meisten Kliniksnetzwerken die Übertragungsgeschwindigkeiten bei maximal 10
Mbit/s (10 000 kbit/s) liegen.
Im Gegensatz zu lokalen Netzwerken ist die Übertragungsrate für weiträumig strukturierte
Netzwerke (WAN = Wide Area Network) wie das Internet in der Regel
deutlich geringer [46]. In Europa lassen die üblichen Standleitungen (E1-Standard)
für institutionelle Nutzer Geschwindigkeiten bis ca. 2 Mbit/s (2048 kbit/s) zu, wobei
realistischerweise in den meisten größeren Kliniken höchstens Standleitungen bis 1
Mbit/s (1000 kbit/s) zur Verfügung stehen dürften.
Kleinere Institutionen und Praxen müssen überwiegend auf eine diskontinuierliche
Einwahlverbindung in das Internet zurückgreifen [21]. Als schnellstes Verfahren ist
in dieser Kategorie der ADSL (Asynchronous Digital Subscriber Line)-Standard zu
nennen, der eine Übertragung per Telefonleitung (d.h. Kupferkabel) realisiert [47].
Der in Deutschland am weitesten verbreitete Zugangsweg, der sich dieser Technolo-

Einleitung 5
gie bedient (T-DSL der Telekom AG), erreicht im Download (Datenempfang) Datenraten
bis 768 kbit/s, im Upload (Datenversand) bis 128 kbit/s.
Das digitale Telefonnetzwerk ISDN (Integrated Services Digital Network), das auf
einer Zweitdrahttelefonleitung mit digitaler Modulation basiert, stellt zur Datenübertragung
eine Bandbreite von je 64 kbit/s pro Kanal, bei Kanalbündelung also maximal
128 kbit/s zur Verfügung.
Mit den unter Privatpersonen am weitesten verbreiteten analogen Telefonmodem
werden in der Regel Bandbreiten von 28,8 bis 56 kbit/s erreicht.
Netzwerktechnologie
Modernes LAN
Konventionelles LAN
Standleitung (WAN)
T-DSL
ISDN
Analoges Modem
Mögliche Datenrate
100 Mbit/s
10 Mbit/s
1 Mbit/s
768 kbit/s
64 kbit/s, gebündelt 128 kbit/s
28 – 56 kbit/s
Tab. 1: Bandbreite verschiedener Netzwerktechnologien
Für die Übermittlung von digitalen kardiologischen Bildmaterial, das bei einer Herzkatheteruntersuchung
gewonnen wurde, werden somit je nach Art der Datenübertragung
unterschiedliche Zeiträume benötigt.
Eine 10-sekündige Koronarangiographie, die mit 12,5 Bildern/s aufgenommen wird,
umfasst unkomprimiert eine Datenmenge von 512 x 512 x 8 bit x 12,5 /s x 10 s =
262140000 bit (262 Mbit, entsprechend ca. 32 MB). Deren Übertragung in einem
100 Mbit-Ethernet-LAN würde wenigstens 2,6 s, im konventionellen lokalen Netzwerk
26 s, über eine übliche Standleitung 260 s, über T-DSL 5,7 min und über ein
analoges Modem 78 min in Anspruch nehmen.
Bei den oben angeführten Übertragungszeiten handelt es sich um die schnellsten

6 Einleitung
Zeiten, die aufgrund der technischen Beschränkungen des Übertragungsmediums zu
erreichen sind. In Realität sind die durchschnittlichen Wartezeiten deutlich länger.
Das liegt daran, dass zur Übertragung noch diverse Netzwerkprotokollaustauschschritte
nötig sind, welche zur Folge haben, dass Client (datenanfordender Rechner)
und Server (datenliefernder Rechner) aufeinander warten, so dass die Bandbreite
nicht die ganze Zeit voll ausgenutzt wird. Zudem können andere auf den gleichen
Datenweg zugreifende Anwender die tatsächlich zur Verfügung stehende Bandbreite
teilweise erheblich reduzieren [21].
Minuten
80
70
60
50
40
30
20
10
0
LAN Standleitung DSL ISDN Modem
Abb. 1: Transferzeiten einer unkomprimierten 10-sekündigen Angiographiesequenz bei
unterschiedlichen Übertragungsarten
Diese beispielhafte Rechnung veranschaulicht wie notwendig eine Kompression der
bei Herzkatheteruntersuchungen anfallenden Bilddatenmenge ist, um einen sinnvollen
Zugriff auf diese Informationen im Rahmen eines Kliniknetzwerkes oder - in
noch größeren Maße - für telemedizinische Applikationen überhaupt erst zu ermöglichen.

Einleitung 7
1.4 Methoden der Bilddatenreduktion
Aufgrund der hohen Datenrate, die die digitale Aufzeichnung eines Herzkatheterfilmes
mit sich bringt, liegt es gerade im Hinblick auf den zunehmenden Bedarf für
telemedizinische Applikationen nahe, gängige Verfahren zur Datenreduktion bei
kardiologischen Bildmaterial einzusetzen [15].
Die Idee der rechnerischen Datenreduktion besteht darin, die Irrelevanz und Redundanz,
also unwichtige und bereits bekannte Informationen aus dem Informationsfluß
zu eliminieren [16]. Erlaubt das Kompressionsverfahren eine genaue Rekonstruktion
des Originals spricht man von verlustfreier Kompression. Findet durch das Verfahren
eine Reduktion durch Weglassen von Bildinformationen statt, auch wenn diese für
den Betrachter nicht erkennbar sind, werden die Algorithmen als verlustbehaftet
bezeichnet.
Prinzipiell lassen sich Algorithmen zur Reduktion bewegter Bilder in Einzelbildverfahren,
die für jedes einzelne Bild einer Filmsequenz eine separate Kompression
durchführen, und Bewegbild- oder Videoverfahren, die zusätzlich Redundanzen
zwischen den einzelnen Bildern einer Filmschleife heranziehen, unterteilen.
Da die vorliegende Untersuchung einige der meistverbreiteten Videokompressionsverfahren
auf Ihre Eignung zur Kompression des im Rahmen einer Linksherzkatheteruntersuchung
gewonnenen Bildmaterials testet, soll eine kurze Beschreibung
dieser Methoden gegeben werden.
1.4.1 Einzelbildverfahren
1.4.1.1 JPEG
Dieses Verfahren stellt den konventionellen Kompressionsstandard zur Einzelbildbearbeitung
des Expertengremiums der Joint Picture Experts Group (JPEG, ISO-
10918) dar. Je nach gewünschter Kompressionsstufe sind verlustlose (bis zur Kompression
2:1) und verlustbehaftete Datenreduktion möglich.
Der Algorithmus nimmt zunächst einen Wechsel des Farbmodells von RGB (Rot-
Grün-Blau, meistverwendetes Farbmodell bei Anwendung von lichterzeugenden
Medien wie Monitoren) in das YUV-Farbmodell vor, das die Bildinformation in 1
Helligkeits- und 2 Farbsignale aufspaltet. Für jedes Teilbild (ein Luminanz- und

8 Einleitung
zwei Chrominanzbilder) erfolgt eine Einteilung in Makroblöcke zu 8 x 8 Pixel. Diese
Makroblöcke werden dann einer diskreten Kosinus-Transformation (DCT) unterzogen
[21]. Hierbei handelt es sich um eine mathematische Umwandlung der örtlichen
Bildinformationen in ein Frequenzspektrum, welches Kompression durch eine an die
psychooptischen Eigenschaften des visuellen Systems angepasste Rundung der errechneten
Koeffizienten erlaubt. Der sich an die eigentliche Transformation anschließende
Schritt der Rundung oder Gewichtung wird auch Quantisierung genannt.
Um die Datenrate weiter zu verringern, werden dann noch spezielle mathematische
Kodierungsverfahren (Lauflängenkodierung und Huffmann-Kodierung) eingesetzt,
die häufig vorkommenden oder redundanten Koeffizienten einen kürzeren Code
zuordnen [4].
Abb. 2: JPEG – Prinzip von Transformation und Quantisierung
1.4.1.2 JPEG 2000
Ende 2000 wurde von der International Standardisation Organisation (ISO) ein neuer
JPEG-Standard (JPEG 2000, ISO-Standard 15444-1) verabschiedet. Auch hierbei
handelt es sich primär um ein Verfahren zur Kompression von Einzelbildern [22].
Zunächst einmal übersetzt das neue Verfahren JPEG 2000 wie das konventionelle
JPEG-Verfahren die Farbwerte der Bildpunkte in ein Frequenzspektrum. Daran
schließt sich die Rundung bzw. Quantisierung der erhaltenen Koeffizienten an, die
anschließend noch kodiert werden (s. 1.4.1.1).
Der entscheidende Unterschied zwischen JPEG und JPEG 2000 besteht in der Art
der Transformation. Während das konventionelle JPEG für die Berechnung der
Frequenzkoeffizienten die diskrete Cosinustransformation (DCT) einsetzt, die mit
einem Satz kontinuierlicher Schwingungszüge arbeitet, nutzt die im JPEG 2000-

Einleitung 9
Verfahren eingesetzte Wavelet-Transformation dagegen einzelne Schwingungspakete
(die sogenannten Wavelets), die das Frequenzspektrum durch eine Basisfunktion
(Mother-Wavelet) und frei skalierbare Unterfunktionen beschreiben [4].
1.4.2 Mehrbild- /Filmverfahren
Die Kompression bewegter Bilder kann sich zusätzlich zu den Methoden der vorgenannten
Einzelbildverfahren die oftmals redundanten Informationen zwischen den
verschiedenen Einzelbildern einer Filmsequenz zunutze machen. So verändert sich in
Filmsequenzen oftmals der Hintergrund von Einzelbild zu Einzelbild nur wenig, was
zusätzlich zur räumlichen Kompression stehender Bilder durch Redundanzreduktion
in der zeitlichen Dimension eine Bilddatenminimierung ermöglicht.
1.4.2.1 Offene, standardisierte Verfahren
Die Moving Picture Experts Group (MPEG), eine Untergruppe der International
Standardisation Organisation (ISO), schafft im Gegensatz zu den von einzelnen
Firmen lizenzierten proprietären Videokompressionsverfahren (wie Windows Media
Video, Sorenson Video RealVideo) öffentliche Standards zur Video- und
Audiokompression, die jeder verwenden bzw. gegen Lizenzgebühren in eigene Programme
implementieren kann.
Die drei aktuellen MPEG-Standards verwenden neben den im JPEG-Verfahren
beschriebenen Methoden der Einzelbildkompression Verfahren, die sowohl Unterschiede
zwischen den Einzelbildern einer Sequenz (sogenannte Differenzierung) als
auch Bewegungsvektoren von Bildobjekten (Bewegungsvorhersage, Bewegungskompensation)
zur Bilddatenreduktion einsetzen [50]. Die Einzelbilder einer bewegten
Bildsequenz (Frames), werden in drei verschieden Arten kodiert:
Intraframes (I-Frames), die vollständige Bilddaten enthalten und nach dem JPEG-
Verfahren komprimiert werden.
Predicted Frames (P-Frames), die durch Bewegungsvorhersage („Motion Estimation“)
und Differenzbildung („Framedifferencing“) aus den vorhergehenden Frames
erzeugt worden sind. Zwischen 2 I-Frames liegen üblicherweise drei P-Frames.
Bidirectionally Predicted Frames (B-Frames), die durch Bewegungsvorhersage aus
dem vorhergehenden und nachfolgenden I- oder P-Frame hervorgehen. Typischer-

10 Einleitung
weise finden sich zwischen 2 P-Frames zwei bis drei B-Frames.
Die P- und B-Frames sind in 16 x 16 Makroblöcke eingeteilt. Für diese wird im
vorangehenden bzw. für die B-Frames auch im nachfolgenden Frame in der näheren
Umgebung von ca. 10 x 10 Pixel mit verschiedenen Suchalgorithmen nach der
größtmöglichen Übereinstimmung gesucht.
Abb. 3: Gruppierung der Frames in MPEG (nach [21])
Die Anordnung und relative Häufigkeit der einzelnen Frametypen ist abhängig vom
Codec. Sie kann also bei gleichen Rohdaten je nach Codierung variieren [21].
Derzeit sind 3 verschiedene Konfigurationen des MPEG-Standards aktuell.
1.4.2.1.1 MPEG-1/MPEG-2
Der erste Multimedia-Standard des MPEG-Komitees MPEG-1(ISO 11172) definiert
ein Format für Digitalvideo mit Datenraten von etwa 1,5 Mbit/s. Er ist optimiert für
die Verwendung von multimedialen Verwendungen auf CD-ROM (Video-CD).Als
Standardauflösungen stehen 360 x 288 Pixel x 25 Bilder/Sekunde (Common Intermediate
Format Europa, CIF Europa, Auflösung ungefähr dem analogen Videostandard
VHS entsprechend) und 352 x 240 Pixel x 30 Bilder/Sekunde (CIF USA) zur
Verfügung. Allerdings können erweiterte, dann allerdings nicht mehr der ISO-Spezifikation
entsprechende MPEG-1-Varianten auch Videos mit größeren Datenraten und
höheren Auflösungen kodieren. Neben einer Videospur beherrscht MPEG-1 die

Einleitung 11
verlustbehaftete Audiokodierung von Stereosignalen, die als Schicht (Layer) über der
Videospur liegen.
Um einige Beschränkungen von MPEG-1 hinsichtlich der erlaubten Datenrate und
Auflösung aufzuheben, erfolgte eine Erweiterung des Formates im Hinblick auf
„digitales Fernsehen“ einschließlich DVD-Video (Digital Versatile Disc). Der
MPEG-2-Standard (ISO 13818, 1993) bietet hohe Bandbreiten von 2 – 80 Mbit/s und
bis zu 5 Audiokanäle. Im Gegensatz zu MPEG-1 ist MPEG-2 darauf ausgelegt,
Bildmaterial nicht nur progressiv (in Vollbildern) zu übermitteln, sondern unter
Ausnutzung der Korrelation zwischen den Halbbildern analoger Fernsehsignale eine
höhere Kompressionseffizienz zu erzielen. Um verschiedenen Einsatzgebieten gerecht
zu werden, sind die in MPEG-2 definierten Auflösungen und anderen Formatierungen
in sogenannten Profilen zusammengefasst [50].
1.4.2.1.2 MPEG-4
Im Unterschied zu seinen Vorgängerversionen soll sich MPEG-4 (ISO 14496) als
Universallösung für komprimierte Multimedia-Daten platzieren. Es handelt sich
dabei jedoch nicht um einen festen Standard, sondern um ein Rahmenwerk mit den
Zielen der Integration beliebiger Medienobjekte, der Möglichkeit der Interaktion und
einer Erweiterbarkeit und Flexibilität der angewandten Techniken. Es vereint bereits
aus MPEG-1/2 bekannte Techniken mit Optionen der interaktiven Steuerung. Neben
den von MPEG-1/2 bekannten Verfahren zur Bewegungskompensation, Framedifferenzierung
und Kodierung auf Basis der diskreten Cosinustransformation unterstützt
MPEG-4 neue objektorientierte Methoden der Datenreduktion . Durch diese Änderungen
ist eine noch weitergehende Komprimierung als in den herkömmlichen
Verfahren MPEG-1 bzw. MPEG-2 möglich.

12 Einleitung
Abb. 4: Datenreduktion durch Definition visueller Objekte (modifiziert nach [25])
1.4.2.2 Proprietäre Verfahren
Neben den offenen durch die International Standardisation Organisation (ISO) verabschiedeten
Standards zur Einzelbild- und Filmdatenreduktion haben verschiedene
Unternehmen aus der Informations- und Telekommunikationsbranche eigene Verfahren
zur Videokompression entwickelt, deren Anwendung gerade im Internet weit
verbreitet ist. Die diesen Verfahren zugrundeliegenden Algorithmen werden jedoch
von den jeweiligen Firmen geheimgehalten. Zudem beschränken zum Teil rigide
Lizenzierungen die professionelle Anwendung der Verfahren.
1.4.2.2.1 Windows Media Video
Bei Windows Media Video (WMV) handelt es sich um ein proprietäres Multimediaformat
der Firma Microsoft, das sowohl Bilddaten- als auch Audiodatenkompression
ermöglicht. Obwohl die verwendeten Kompressionsalgorithmen nicht offen
legt sind, ist davon auszugehen, dass die üblichen Elemente der räumlichen (Transformation,
Quantisierung, Kodierung) und zeitlichen (Bewegungskompensation,
Differenzierung) Kompression zur Anwendung kommen, da eine Vorgängerversion
(Windows MPEG4v3) eine der ersten verfügbaren MPEG-4-Implementierungen
darstellte [40]. In der aktuellsten Version ist die Einstellung einer variablen
Kompressionsrate je nach Komplexität der zu kodierenden Szenen möglich, die in

Einleitung 13
einem Zweifachdurchlauf der Rohdaten ermittelt werden kann. Windows Media
Video ist Teil einer umfassenden Multimedia-Architektur, deren Protokoll auch
bandbreitenangepasste Videodatenübermittlung beinhaltet (sogenanntes Videostreaming).
1.4.2.2.2 RealVideo
Auch die Firma Real Networks Inc. hat ein eigenes Multimediaformat entwickelt,
das im Bereich des Internets vielfach zur Einbindung von kurzen Filmsequenzen in
Seiteninhalte genutzt wird. Ebenso wie beim vorgenannten Windows Media
Format sind die zugrundeliegenden Algorithmen nicht bekannt. Aufgrund der Bildcharakteristik
spricht einiges für die Anwendung einer Wavelet-Transformation bei
diesem Format. Unterstützt werden Kompressionen bei Bitraten von 24 – 768 kbit/s.
Auch RealVideo ermöglicht Videostreaming mit an die Übertragungsbandbreite
angepasste Kompressionsstufen [50].
1.4.2.2.3 Sorenson Video
Sorenson Video ist ein Videoencoder/-decoder in der Quicktime-Multimediaumgebung
der Firma Apple. Eingesetzt werden neben den räumlichen Kompressionsverfahren
für die Anwendung auf bewegte Bilder weiterentwickelete Arten der
Vektorquantisierung sowie die in MPEG beschriebene Bewegungskompensation.
Wie bei den vorgenannten proprietären Verfahren liegt jedoch auch für den Sorenson
Codec eine genaue Beschreibung der eingesetzten Kompressionsalgorithmen
nicht vor. Die Möglichkeit, einen variablen Datenstrom je nach Komplexität der
Filmsequenzen zu erzeugen, ist auch in diesem Codec implementiert [40].
1.4.3 Artefakte durch Bilddatenkompression
1.4.3.1 Artefakte durch räumliche Kompression
Die diskrete Kosinustransformation und die anschließende Quantisierung erzeugen
bei höherer Kompressionsstufe vornehmlich blockartige Bildverfremdungen, die sich
sehr gut an flächigen, wenig detailreichen Stellen eines Bildes nachvollziehen lassen.
Zudem lassen sich unscharfe Linien und eine Verschleifung scharfer Ecken erkennen.
Mit der diskreten Wavelettransformation kodierte Bilder zeigen kleine unscharfe,

14 Einleitung
kreisförmige Überlagerungen, die vorzugsweise an kantigen Objektabgrenzungen
auftreten.
Bei einer Reduzierung des Farbraumes oder der Auflösung spricht man nicht mehr
von Artefakten im eigentlichen Sinne. Sie bewirken vielmehr eine tatsächliche Reduzierung
des Informationsgehaltes eines Bildes und keine Redundanzreduzierung.
Die Häufigkeit von sichtbaren Artefakten bestimmt maßgeblich die Bildqualität. Zur
Beurteilung stehen objektive und subjektive Verfahren zur Verfügung. Zwar lassen
sich durch die objektiven Messverfahren wie „Peak Signal to Noise Ratio (PSNR)“
oder „Mean Squared Error (MSE)“ Unterschiede zwischen unkomprimierten und
kodierten Bildern sehr gut quantisieren, allerdings tragen diese Methoden dem natürlichen
Seheindruck nur sehr wenig Rechnung. Aus diesem Grunde stehen für praktische
Belange immer noch subjektive Qualitätstests im Vordergrund [40].
1.4.3.2 Artefakte durch zeitliche Komprimierung
Durch eine zeitliche Komprimierung mittels Bewegungskompensation oder Framedifferenzierung
können zusätzliche Artefakte entstehen. Diese umfassen die Bildung
von im Original nicht vorhandenen Farbflächen, Verschwimmen und Vermischung
von Details, Konturbildung durch Objektabgrenzung und Farbrauschen an Linien
oder an kontrastreichen Konturen [50].
1.5 Aktueller Wissensstand zum Einsatz von
Kompressionsalgorithmen in der digitalen Koronarangiographie
Wie in Kapitel 1.2.2 beschrieben erfordert die Speicherung und Archivierung digital
aufgezeichneter Herzkatheteruntersuchungen hardwareseitig enorme Kapazitäten.
Das gültige BASIC XA – Anwendungsprofil des internationalen DICOM (Digital
Imaging and Communication in Medicine)-Standards erlaubt zum jetzigen Zeitpunkt
nur eine verlustlose Datenkompression auf Basis des JPEG (Joint Photographic
Experts Group)-Verfahrens, mit der Kompressionsraten von 2:1 erreicht werden
können [33].
Obwohl die verschiedenen verlustbehafteten Verfahren der Bilddatenkompression in
der Unterhaltungselektronik schon seit vielen Jahren mit Erfolg zum Einsatz kom-

Einleitung 15
men, existieren zu deren Anwendungen in der Medizin und insbesondere im Bereich
der invasiven kardiologischen Diagnostik relativ wenige Daten. Die bisher vorliegenden
Untersuchungen sollen im folgenden dargestellt werden.
Für viele bildgebende Verfahren im Bereich der Medizin wie konventionelle Röntgendiagnostik
[1, 18], Computertomographie [13] und Echokardiographie [23, 29] ist
der Nutzen von verschiedenen Datenkompressionsverfahren belegt.
Die Grenzen der verlustlosen Kompression koronarangiographischen Bildmaterials
liegen bei 3,8:1 [9]. Darüberhinausgehende Reduktionen der digitalen in einem
Herzkatheterfilm enthaltenen Bildinformationen erfordern verlustbehaftete Kompressionsverfahren.
Über die Eignung verschiedener verlustbehafteter Kompressionsalgorithmen in der
invasiven kardiologischen Diagnostik berichteten Breeuwer et al. 1995 . Sie verglichen
die Bildqualität von auf Transformation in Bildblöcken basierenden Verfahren
(JPEG und MPEG-1/2) mit einem selbstentwickelten auf der Transformation überlappender
Bildblöcke basierenden Verfahren. Nach den Beobachtungen dieser Arbeitsgruppe
zeigen sich beim JPEG- und MPEG-1- bzw. MPEG-2-Verfahren ab
einer Kompressionsrate von 8:1 sichtbare Blockartefakte, die die Bildbeurteilung
erschweren. Das selbstentwickelte alternative Verfahren ermöglichte nach ihren
Aussagen Kompressionen bis 12:1 ohne Beeinträchtigung der Bildqualität. Allerdings
scheinen diese Aussagen einzig auf subjektiven Beobachtungen einzelner
Untersucher zu beruhen. Eine quantitative Beschreibung der gewonnenen Ergebnisse
liefert die Arbeit von Breeuwer et al. nicht [7].
Aus dem Jahre 1996 datiert eine Untersuchung der Arbeitgruppe von Rigolin in der 3
Kardiologen für insgesamt 96 koronarangiographische Sequenzen in unkomprimierten
und mit dem JPEG-Verfahren auf 15:1 komprimierten Format semiquantitative
und quantitative Begutachtungen von Koronarstenosen durchführten. Hierbei sahen
sie bei einer JPEG-Komprimierung des Bilddatenmaterials auf 15:1 keinen signifikanten
Einfluß auf die Einschätzung des Stenosegrades im Vergleich zu den unkomprimierten
Originalfilmen [39].
Silber und Mitarbeiter verglichen 45 verschiedene Herzkatheterfilmschleifen in 8 mit
dem JPEG-Verfahren erzeugten Kompressionsstufen mit dem unveränderten Film-

16 Einleitung
material. Die Beurteilung erfolgte mittels einer semiquantitativen Einschätzung der
Bildqualität. Die 4 Untersucher schätzten dabei eine JPEG-Kompression von 6:1 als
gegenüber dem Original gleichwertig ein. Ab einer Kompressionsstufe von 14:1
sahen sie eine signifikante Verschlechterung der Abbildungsqualität [42].
Zu einem ähnlichen Ergebnis kam die Gruppe um Baker in ihrer ebenfalls 1997
veröffentlichten Untersuchung, in der 4 Begutachter insgesamt 50 unkomprimierte
und 50 nach dem JPEG- Verfahren auf 15:1 komprimierte Koronarangiographien im
Hinblick auf das Vorhandensein von intravasalen Thromben, Dissektionen und Koronarstents
beurteilten. Hierbei ließ sich kein Unterschied zwischen unkomprimierten
und komprimierten Bildmaterial hinsichtlich der Detektion der oben genannten
Pathologien nachweisen [3].
Eine groß angelegte, vom American College of Cardiology und der European Society
of Cardiology initiierte Multicenter-Studie ging der Frage nach, bis zu welcher
Kompressionsstufe das JPEG-Verfahren ohne diagnostisch bedeutsamen Informationsverlust
angewandt werden kann. Im ersten Teil dieser in 3 Abschnitten aufgeteilten
Studie wurden insgesamt 71 invasiv erfahrenen Kardiologen jeweils 100 koronarangiographische
Sequenzen präsentiert, wobei diese aus vier Subgruppen bestanden,
die entweder im Original oder in einer der 3 untersuchten Kompressionsstufen (6:1,
10:1 oder 16:1) vorlagen. Die Untersucher mussten die vorgelegten Herzkatheterfilmschleifen
in 6 vorgegebene Diagnosekategorien einordnen sowie den Grad und
die Lokalisation eventueller Koronarstenosen in standardisierter Form (nach den
Kriterien der Coronary Artery Surgery Study) angeben. Die Bewertung wurde mit
einem zuvor bestimmten Expertenkonsens verglichen. Zudem wurde in dem sehr
differenzierten Studiendesign von den Begutachtern eine semiquantitative Einschätzung
der subjektiven Bildqualität gefordert. Hinsichtlich der Sensitivität zur Detektion
von Koronarpathologien fand sich kein Unterschied zwischen einer Bilddatenkompression
von 10:1 und dem unkomprimierten Original. Die subjektive Bildqualität
nahm ab einer Kompression von 10:1 signifikant ab [24].
In einem weiteren Studienabschnitt wurde der Einfluss der Kompression auf die
Ergebnisse einer semiautomatischen quantitativen Stenosegradbestimmung untersucht.
Bis zu einer Kompressionsstufe von 6:1 konnte dabei kein signifikanter Unter-

Einleitung 17
schied in den Meßergebnissen nachgewiesen werden [48].
Der dritte Teil der International Study of Angiographic Data Compression (ISAC)
bestand aus einer „Side-by-Side“-Begutachtung von komprimierten und unkomprimierten,
die wesentlichen Pathologien enthaltenden Bildausschnitten (sogenannte
„Region of interest“ – ROI). In diesem Studienzweig verglichen insgesamt 21 Begutachter
aus 18 Zentren die diagnostische und ästhetische Bildqualität. Bei einer
Kompressionsstufe von 6:1 fanden sich keine Unterschiede zwischen unkomprimiertem
Original und komprimierten Sequenzen in diagnostischer und ästhetischer
Bildqualität. Auch bei einer Kompression von 10:1 konstatierten die Begutachter
noch eine gute Bildqualität bei ästhetisch bereits wahrnehmbaren Unterschieden zum
Original [9].
Alle vorgenannten Untersuchungen wendeten zur Kompression des digitalen Bilddatenmaterials
den JPEG-Algorithmus in verschieden Kompressionsstufen an. Ein
alternatives Kompressionsverfahren wurde in Form der Wavelet-Transformation von
Brennecke und Mitarbeitern getestet. Dabei ließ sich die bei gleicher Bildqualität
noch realisierbare Kompression mit den von ihnen eingesetzten LSPIHT (Lossy Set
Partitioning in Hierarchical Trees)-Verfahren noch einmal von 10:1 beim JPEG-
Verfahren auf 16:1 beim Wavelet-Alghorithmus erhöhen [8]. Eingeschränkt werden
die Untersuchungsergebnisse jedoch durch die Tatsache, dass das Begutachtungsmaterial
größtenteils aus simulierten koronarangiographischen Standbildern bestand.
In einer weiteren Betrachtung von Puniene et al. wurden verschiedene koronarangiographische
Standbilder durch einen einzigen Kardiologen beurteilt, wobei mit der
auf der Wavelet-Transformation beruhenden JPEG2000-Kompression Datenreduktionen
bis zu einem Faktor von 25:1 als geeignet bewertet wurden [38].
Die einzige Untersuchung, die die Anwendung von Videokompressionsverfahren zur
Kompression angiographischer Bilddaten testete, wurde von Kronberg und Mitarbeitern
durchgeführt. In einer semiquantitativen Beurteilung von 5 Lävokardio-, 15
Koronar- und 5 peripheren Angiographien, die mit verschiedenen Verfahren komprimiert
wurden (JPEG Lossless/DICOM 2:1, JPEG 6:1, Cinepak 4:1 – proprietäres
älteres Format - und MPEG-4 30:1) ließen sich keine wesentlichen Unterschiede
zwischen JPEG 6:1 und MPEG-4 30:1 nachweisen [27].

18 Einleitung
Nach jetziger Studienlage liegen die Grenzen der verlustfreien koronarangiographischen
Datenreduktion mit modernen Verfahren bei maximal 3,8:1.
Hinsichtlich der verlustbehafteten Kompressionsalgorithmen lässt sich aus den bisher
durchgeführten Untersuchungen erkennen, dass durch eine Bearbeitung mit dem
JPEG-Verfahren, das eine gleichartige Kompression für jedes Einzelbild einer Bildsequenz
anwendet, Datenreduktionen mit dem Faktor 10:1 bis 15:1 ohne Verlust an
diagnostischer Bildqualität durchführbar sind. Allerdings existiert mit der International
Study of Angiographic Data Compression nur eine Studie, die aufgrund der
großen Anzahl an begutachtenden Probanden eine ausreichende statistische Power
für diese Aussage besitzt.
Eine weitere Untersuchung von Brennecke et al. deutet Möglichkeiten an, mit neueren
Einzelbildkompressionsverfahren, namentlich der Wavelettransformation, eine
ähnliche Bildqualität bei höherer Kompression zu erreichen. Eine Einschränkung
erfährt dieses Ergebnis durch die Tatsache, dass sich das Versuchdesign ausschließlich
einzelner Standbilder bediente, bei denen es sich größtenteils um computersimulierte
Koronarpathologien handelte.
Dem theoretischen Ansatz, die zusätzlichen Kompressionsmöglichkeiten in der
Zeitachse durch Ausschaltung redundanter Bildinformationen mittels moderner
Videokompressionsalgorithmen auszunutzen, ging bisher nur eine Arbeitsgruppe
nach. Hierbei schienen Kronberg et al. Datenreduktionen bis 30:1 unter Einsatz eines
auf dem MPEG-4-Standard basierendem Verfahrens ohne wesentlichen diagnostischen
Informationsverlust möglich. Allerdings liegt auch dieser Untersuchung nur
eine relativ geringe Datenmenge zugrunde.

Einleitung 19
1.6 Fragestellung der Untersuchung
Die vorliegende Untersuchung ging folgenden Fragen nach:
1. Inwieweit lassen die Videokompressionsverfahren JPEG, JPEG 2000,
MPEG-2, MPEG-4 (DivX-Codec, Open DivX-Codec), RealVideo 8,
Windows Media Video 8 und Sorenson Video 2 eine Bilddatenkompression
koronar- und ventrikulo-graphischer Filmsequenzen unter Wahrung
einer diagnostisch ausreichenden Bildqualität zu ?
2. Unterscheiden sich erfahrenere und weniger erfahrenere invasiv tätige Kardiologen
in ihren Qualitätsanforderungen an ein Videokompressionsverfahren
?
3. Ermöglicht das neue auf der Wavelettransformation beruhende JPEG 2000-
Einzelbildkompressionsverfahren eine höhere Datenkompression bei
gleichbleibender Bildqualität als der konventionelle JPEG-Algorithmus ?

20 Einleitung

Material und Methoden 21
2 Material und Methoden
Die vorliegende Untersuchung sollte die Eignung verschiedener Kompressionsverfahren
zur Bilddatenreduktion bei Herzkatheteruntersuchungen prüfen. Hierzu wurden
invasiv erfahrenen Kardiologen Herzkatheterfilme in verschiedenen Kompressionsstufen
präsentiert, die sowohl durch Einzelbildkompressionsverfahren als auch
durch Bewegbildkompressionsalgorithmen (Videocodecs = Videoencoder/-decoder)
erzeugt wurden. In einer standardisierten datenbankbasierten Untersuchungsumgebung
erfolgte durch die Untersucher eine Klassifizierung der erzeugten Filmschleifen
hinsichtlich ihrer diagnostischen Bildqualität.
2.1 Begutachter
Als Untersucher wurden insgesamt 10 invasiv erfahrene Kardiologen der Klinik für
Kardiologie des Klinikums Oldenburg im Alter von 37 bis 58 (im Mittel 41 ) Jahren
rekrutiert. Diese hatten als Erst- oder Zweituntersucher bis zum Zeitpunkt der Untersuchung
987 bis 6277 (im Mittel 3954 +/- 2570 ) Angiographien oder Koronarinterventionen
durchgeführt (detaillierte Beschreibung der Probanden im Anhang C). Zur
Überprüfung, ob die Einschätzung der Bildqualität von der Erfahrung der Untersucher
abhängt, wurden diese in zwei Subgruppen unterteilt. Zur Gruppe der erfahreneren
Untersucher („high-volume-rater“) wurden diejenigen mit Untersuchungszahlen
von über 2500 Koronarangiographien und -interventionen gezählt. Diese Subgruppe
umfasste 6 Begutachter. Die Subgruppe der weniger erfahreneren Untersucher („lowvolume-rater“,
< 2500 Koronarangiographien und –interventionen) bestand aus 4
Begutachtern.
2.2 Aufzeichnung des Rohbilddatenmaterials
Das Bilddatenmaterial wurde in 10 verschiedenen Herzkatheteruntersuchungen
gewonnen, die dem in 1.1 skizziertem Ablauf folgten. Als Durchleuchtungs- und
Aufzeichnungseinheit diente das Integris 5000 der Firma Philipps, Niederlande. Die
digitale Aufzeichnung der Koronarangiographien erfolgte mit 12,5 Bildern/Sekunde,
die der Ventrikulographien und Durchlaufangiographien mit 25 Bildern/Sekunde.
Als Kontrastmittel, das in der in 1.2.1 genannten Weise appliziert wurde, diente Imeron
350 der Firma Byk-Gulden (Konstanz, Deutschland). Eine rechnerische Kantenanhebung
der Rohdaten wurde nicht vorgenommen. Die gewonnenen angiographi-

22 Material und Methoden
schen Sequenzen wurden als unkomprimierte RAW-Dateien in einer Größe von 512
x 512 Bildpunkten (Pixeln) und einer Farbtiefe von 8 Bit je Pixel nach dem DICOM-
Standard 3.0 auf CD-R aufgezeichnet.
2.3 Auswahl der Herzkatheterfilme
Zur Komprimierung mittels der verschiedenen Algorithmen und anschließenden
Begutachtung durch die Untersucher wurden insgesamt 10 Angiographiesequenzen
ausgewählt (Länge der Sequenzen: 3,3 bis 9,2 Sekunden, entsprechend 39 – 192
Einzelbildern). Bei Auswahl der Koronarangiographien wurde auf die Darstellung
komplexer Stenosemorphologien wertgelegt. Die Ventrikulographien umfassten
mehrere Pathologien. Die in der Herzkatheteruntersuchung eingesetzten Herzkathetersequenzen
setzten sich aus 8 Koronarangiographien, einem Laevokardio- und
einem Durchlaufangiogramm zusammen.
Die einzelnen Filmschleifen lassen sich wie folgt charakterisieren:
2.3.1 Filmschleife 1
Abb. 5: Filmschleife 1
Projektion: Laterale Ebene 90/0.
Anatomie: Darstellung des Ramus interventricularis anterior mit liegendem
Führungsdraht und Führungskatheter.
Pathologie: mediale 80 %ige RIVA-Stenose, geschlängelter Gefäßverlauf, geringgra-

Material und Methoden 23
2.3.2 Filmschleife 2
dige diffuse Veränderungen der distalen Koronargefäße.
Abb. 6: Filmschleife 2
Projektion: Laterale Ebene 90/0.
Anatomie: Darstellung der rechten Kranzarterie.
Pathologie: komplexe, nativ deutlich verkalkte, subtotale Stenose der medialen rechten
Kranzarterie, 40 %ige Abgangsstenose des RPLA1 sowie diffuse periphere
Wandveränderungen.

24 Material und Methoden
2.3.3 Filmschleife 3
Abb. 7: Filmschleife 3
Projektion: frontal (30/0).
Anatomie: Laevokardiogramm. Darstellung mit dem Pigtail-Katheter.
Pathologie: deutlich eingeschränkte linksventrikuläre Funktion (EF 40 %) mit
Hypokinesie antero-medial, antero-apikal und infero-apikal. Wandständiger
Thrombus im Bereich der Herzspitze. Minimale Mitralklappeninsuffizienz.

Material und Methoden 25
2.3.4 Filmschleife 4
Abb. 8: Filmschleife 4
Projektion: lateral 90/0.
Anatomie: Diagnostische Darstellung der linken Kranzarterie.
Pathologie: Doppelstent im Ramus interventricularis anterior mit gutem Spätergebnis,
40 %ige Stenose der proximalen Circumflexarterie und subtotale
Stenose der medialen Circumflexarterie. Erkennbarer Stent im aorto-koronarem
Venenbypass zur rechten Kranzarterie.
2.3.5 Filmschleife 5
Abb. 9: Filmschleife 5
Projektion: frontal 0/0.

26 Material und Methoden
Anatomie: Diagnostische Darstellung der linken Kranzarterie bei Zustand nach
ACVB-Operation.
Pathologie: native Verkalkung der Ramus interventricularis anterior, Abgangsstenose
des Ramus interventricularis anterior und Verschluss im medialen Segment,
subtotale Stenose eines kleinen ersten Diagonalastes. Geringgradige
native Verkalkung im Bereich der Circumflexarterie mit subtotaler
Stenose proximal, Verschluss des ersten Posterolateralastes und multiplen
subtotalen Stenosen im Bereich des zweiten Posterolateralastes.
2.3.6 Filmschleife 6
Abb. 10: Filmschleife 6
Projektion: lateral 90/0.
Anatomie: Diagnostische Darstellung eines venösen Bypasses auf den Ramus interventricularis
anterior bei Zustand nach ACVB-Operation.
Pathologie: Drahtcerclagen nach Bypassoperation. Subtotale Stenose des Ramus
interventricularis anterior proximal der Bypassanastomose mit komplettem
Verschluss hochproximal. Erkennbare Venenklappe im sequentiellen
Venenbypass auf RD1/RIVA. Diffuse langstreckige 60 %ige Einengung
des medialen Ramus interventricularis anterior. Leichte Heraushebelung
der Bypassanastomosen.

Material und Methoden 27
2.3.7 Filmschleife 7
Abb. 11: Filmschleife 7
Projektion: frontal 0/0.
Anatomie: Rechtsventrikuläres Durchlaufangiogramm bei einem Kind über einen
Swan-Ganz-Katheter.
Pathologie: vermehrte Trabekularisierung des rechten Ventrikels. Subvalvuläre
membranöse Pulmonalklappenstenose. Schmale Aorta descendens.
2.3.8 Filmschleife 8
Abb. 12: Filmschleife 8
Projektion: lateral 0/90.

28 Material und Methoden
Anatomie: Darstellung der linken Kranzarterie mit einem Führungskatheter und
einem Führungsdraht.
Pathologie: subtotale Stenose des Ramus interventricularis anterior bei geschlängeltem
Gefäßverlauf. Subtotale Stenose der medialen Circumflexarterie bei
diffus verändertem Gefäß. Einlage eines Führungsdrahtes in den ersten
Posterolateralast mit Verschluss des Gefäßes und verzögerter Kontrastmittelanfüllung.
Kollaterale Anfüllung der verschlossenen rechten
Kranzarterie über ein feines Kollateralennetz von der Circumflexaterie.
VVI-Schrittmacherelektrode im rechten Ventrikel.
2.3.9 Filmschleife 9
Abb. 13: Filmschleife 9
Projektion: lateral 90/0.
Anatomie: Diagnostische Darstellung der rechten Kranzarterie.
Pathologie: subtotale Stenosierung durch „intima-flap“ im Bereich der medialen
rechten Kranzarterie mit anhaftendem Thrombus. Diffuse Stenosierung
im Bereich des RIVP.

Material und Methoden 29
2.3.10 Filmschleife 10
Abb. 14: Filmschleife 10
Projektion: frontal 0/0.
Anatomie: Diagnostische Darstellung der linken Kranzarterie.
Pathologie: Drahtcerclagen nach Mitralklappenersatz. Mechanische Klappe in
Mitralklappenposition. VVI-Schrittmacherkabel im rechten Ventrikel.
Diffuse, nicht signifikante Veränderungen eines weit spitzenumgreifenden
Ramus interventricularis anterior. Kräftige Circumflexarterie bei
Linksversorgungstyp. Geschlängelte und diffus wandveränderte Gefäße.
2.4 Bearbeitung und Komprimierung der ausgewählten
Herzkatheterfilme
Die unkomprimierten Rohdaten wurden mittels des frei verfügbaren Programmutilities
DCMDUMP (Version 3.4.1, DICOM Toolkit, Offis e.V., Oldenburg, Deutschland)
aus der CD-R ausgelesen und auf der Festplatte (Maxtor 5T040H4, 38 GB,
Festplattencontroller: Award PCI-SCISI Controller) eines Windows 2000basiertem
Computersystems (Prozessor: AMD Athlon 900 Mhz, Mainboard:
Asus A7V, 512 MB DDR-RAM, Grafikkarte: Matrox Millenium G400
DualHead Max) gespeichert und wie im folgenden beschrieben weiterbearbeitet.
2.4.1 Umwandlung in unkomprimierte AVI-Dateien
Mit Hilfe des Programmes DCM2AVI [11] wurden die Rohdaten zunächst in

30 Material und Methoden
unkomprimierter Form in eine durch gängige Multimedia-Player und Videobearbeitungssoftware
abspielbare Audio Video Interleave-Datei (sogenanntes AVI-Format)
überführt.
2.4.2 JPEG-Kompression
Die wie in 2.4.1 beschrieben gewonnene AVI-Datei konnte zunächst mit der Videobearbeitungssoftware
Ulead Media Studio Pro (Version 6.0, Ulead Inc.) in Einzelbilder
im Bitmap-Format überführt werden. Die so gewonnenen Einzelbilder, die
dem Original pixelgenau entsprachen, wurden mit dem frei verfügbaren Komprimierungstool
CJPEG der Joint Photographic Experts Group (online beziehbar über URL:
http://www.jpeg.org, Datum: 20.10.2001) einer verlustbehafteten Kompression
unterzogen. Hierzu wurde eine Batch-Datei programmiert, die an das Programm
CJPEG für jedes Einzelbild folgende Parameter übergab:
Format:
Grayscale
Quality Factor: 15, 30, 45, 60, 75, 90
Die so mit CJPEG im JPEG-Verfahren erzeugten Einzelbilder wurden dann erneut
mit der Videobearbeitungssoftware Ulead Media Studio Pro zu einer Filmschleife
zusammengefügt und im AVI-Format gespeichert.
2.4.3 JPEG 2000
Für das Kompressionsverfahren JPEG 2000 wendeten wir das über die Webseite der
Joint Photographic Experts Group kostenlos zu beziehende Kommandozeilenprogramm
Kakadu (Version 3.0) von David Taubman (University of New South Wales,
Australien) an (online beziehbar unter URL: http://www.jpeg.org, Datum:
20.10.2001).
Zunächst wurden die im AVI-Format vorliegenden unkomprimierten Originalschleifen
wieder mittels Ulead Media Studio Pro in einzelne Bitmap-Bilder zerlegt.
Die Kompression der Einzelbilder erfolgte mit dem Programm KDU_Compress aus
dem Kakadu-JPEG 2000-Toolkit. Dafür wurden folgende Parameter wieder mittels
einer Batch-Datei an das Kompressionsprogramm übergeben:

Material und Methoden 31
Kompressionsfaktor: 0,025, 0,05, 0,1, 0,2, 0,4, 0,8
Um die so komprimierten Einzelbilder wieder mittels Media Studio Pro zu einer
Filmschleife zusammenzusetzen, wurden die komprimierten Bilder mit dem Utility
KDU_Expand aus dem Kakadu-JPEG 2000-Toolkit wieder in das Bitmap-Format
exportiert und als AVI-Filmschleife gespeichert.
2.4.4 MPEG-2
Zur Umwandlung der unkomprimierten Videodateien in das MPEG-2-Format wurde
das als Freeware verfügbare Programm TMPGEnc (TMPG Enc., Hori Horoyuki,
online beziehbar über URL: http://www.tmpgenc.com, Datum 20.10.2001) in der
Version Beta 12 f (Build 0.11.24.108) eingesetzt. Als Einstellungsoptionen zur Umwandlung
der unkomprimierten Videosequenz in das MPEG-2-Format wurden folgende
Parameter gewählt:
Size:
512 x 512 Pixel
Framerate: 12/s
Rate Control Modus:
Bitrate:
Motionsearch precision:
CBR (constant bit rate)
350, 750, 1000, 1500, 2000, 2500 bit/s
highest quality
Die mit diesem Verfahren komprimierten Dateien wurden im MPEG-2-Format (Dateiattribut
M2V) gespeichert.
2.4.5 MPEG-4
2.4.5.1 DivX
Auch zur Anwendung des MPEG-4-Codecs wurde das Programm VitualDub (Version
1.4d) eingesetzt, das als freie Software nach der GNU-Lizenz (General Public
License) im Internet (www.virtualdub.org) zur Verfügung steht. Als Codec diente
der frei verfügbare DivX;-) MPEG-4 Low-Motion Codec (Version 3.11, online
beziehbar unter URL: http://www.divx.com, Datum: 20.10.2001). Als Parameter
wurden gesetzt:
Keyframes:
nach jeweils 10 Frames

32 Material und Methoden
Image Quality: 100
Bitrate (kbit/s): 50, 150, 250, 500, 650, 1000
Mittels dieser Parameter wurde die unkomprimierten AVI-Dateien in ein komprimiertes
AVI-Format überführt.
2.4.5.2 OpenDivX
Eine als “open source”-Projekt angelegte Version der MPEG-4-Videokompression
ist der OpenDivX-Codec, an dessen Entwicklung durch den offen gelegten Quellcode
viele auf Multimediaanwendungen spezialisierte Programmierer mitwirken.
Ebenfalls mit dem Programm VirtualDub 1.4d wurde unter Einsatz der Version 4.0
des Open-DivX-Codecs (online beziehbar über URL: http://www.projectmayo.com,
Datum: 20.10.2001) eine Kompression mittels folgender Parameter durch geführt:
Variable Bitrate Mode:
Performance/Quality:
1-pass, quality based
slowest
Max. Key Frame Interval: 10
Output video bitstream:
50, 350, 650, 800, 1000, 1500 kbit/s
Encoding Quality: 100%
Auch hier wurde durch das Programm direkt eine Transformation der unkomprimierten
in komprimierte AVI-Filmdateien vorgenommen.
2.4.6 RealVideo 8
Zur Konvertierung in das in 1.4.4 beschrieben RealVideo-Format diente das kommerzielle
Kompressionsprogramm Cleaner 5 (Version 5.0.2, Terran Interactive).
Die Einstellungen des RealVideo-Codec in der Version 8 (RealNetworks Inc.)
waren folgende:
Output Format:
Image:
Real, Player Compatibility: Real G2, Stream Media:
Video Media
512 X 512 pixel (same as source)

Material und Methoden 33
Encode:
Keyframes:
Data Rate:
every 10 th frame
LAN (904 kbit/s), high broadband (404 kbit/s), mid
broadband (236 kbit/s), low broadband (68 kbit/s),
double-isdn (58 kbit/s), single isdn (34 kbit/s)
Erzeugt wurden komprimierte Videodateien im RM-Format, die ausschließlich durch
ein Programm (Real Player) der Firma RealNetworks abgespielt werden können.
2.4.7 Windows Media Video 8
Für die Kompression in den aktuellen Videokompressionsstandard der Firma Microsoft,
Windows Media Video 8 (WMV 8), wurde das kostenlose kommandozeilenorientierte
Encoderprogramm Windows Media 8 Encoder Utility von Microsoft
verwendet. Zur komfortableren Bedienung diente die nicht kommerzielle Benutzeroberfläche
Windows Media 8 Encoder GUI von Daniel Smith (online beziehbar
unter URL: http://www.abdn.ac.uk/~u71ds/wm8egui/, Datum: 20.10.2001). Als
Parameter wurden eingestellt:
Keyframe distance: 10
CBR, two pass:
Puffer:
75, 200, 400, 750, 1000, 1500 kbit/s
500 ms
Quality: 100%
Das Encoderprogramm erzeugte eine komprimierte Multimediadatei im Windowseigenen
WMV-Format (Windows Media Video).
2.4.8 Sorenson Video 2
Wie in 2.4.2.6 Komprimierung mittels des Programms Cleaner in der Version 5.0.2
von Terran Interactive. Einsatz des Sorenson Video Codecs Version 2. Kodierungseinstellungen:
Format:
Display:
Quicktime
512 X 512 pixel, same as source

34 Material und Methoden
Bit depth:
Millions of colours
Encode:
Quality:
Keyframes:
Video Data Rate:
every 10 th frame
250, 400, 750, 1000, 1500, 2000 kbit/s
10 (highest)
Hierdurch lagen komprimierte Dateien im Quicktime Multimediaformat der Firma
Apple vor, die mit der proprietären Abspielsoftware dieses Unternehmens (Quicktime
Player) zu betrachten waren.
2.4.9 Kompressionsfaktoren
Durch in den vorhergehenden Abschnitten erläuterte Bearbeitung bzw. Kompression
des originalen digitalen Bildmaterials lagen 10 unkomprimierte Herzkathetersequenzen
sowie je 6 komprimierte Versionen für jedes der 8 Kompressionsverfahren vor,
insgesamt also 490 Filmschleifen im digitalem Format.
Aufgrund von technischen Einschränkungen der einzelnen Kompressionsalgorithmen
und der zur Verfügung stehenden Softwarelösungen war eine Gewährleistung von
genau gleichen Kompressionsfaktoren für jeden Standard nicht realisierbar. Gerade
die Videokompressionsverfahren, die nicht auf einer Einzelbildkompression beruhen,
variieren bei gleich gewählten Parametern je nach Komplexität der zu komprimierenden
Bildsequenzen unterschiedlich stark. Da jedoch die prinzipielle Eignung der
verfügbaren Kompressionsverfahren bzw. Codecs für die Kompression angiographischen
Bildmaterials getestet werden sollte, ist die Einhaltung genau identischer
Kompressionsstufen verzichtbar.
So lässt z. B. der auf MPEG-4 basierende Codec DivX eine Kompression mit einem
kleineren Faktor als 30:1 softwareseitig gar nicht zu. Das Verfahren der Firma Real
Networks Inc. beschränkt sich auf die Möglichkeit Datenkompression in 7 vorgegebenen,
den Transferraten der häufigsten Verfahren der Datenfernübertragung entsprechenden
Stufen vorzunehmen.
Die schließlich erzielten Datenkompressionen für die einzelnen Verfahren sind in

Material und Methoden 35
folgender Tabelle zusammengefasst:
JPEG
JPEG
Real
MPEG-
MPEG-
MPEG-
Win-
Soren-
2000
2
4 DivX
4 Open
Video 8
dows
son
DivX
Media
Video 2
Video 8
Stufe 1 9 10 12 35 22 32 21 15
Stufe 2 19 21 15 38 31 76 32 19
Stufe 3 26 40 20 46 38 126 42 29
Stufe 4 33 80 30 84 46 336 76 39
Stufe 5 43 156 41 133 83 443 151 71
Stufe 6 56 295 75 317 129 729 380 112
Tab. 2: Kompressionsstufen der einzelnen Kompressionsverfahren
Die genaue Auflistung der Dateigrößen und Filmlängen ist der Tabelle in Anhang D
zu entnehmen.
2.5 Begutachtungsumgebung
Zur Bewertung der Videosequenzen durch die Begutachter wurden standardisierte
Betrachtungsumgebungen geschaffen. Die Begutachtung fand in einem von Tageslicht
abgedunkeltem Zimmer statt, das durch gedimmtes Halogenkunstlicht beleuchtet
wurde. Vor jeder Bewertungssitzung erfolgte eine Luminanzmessung am Begutachtungsort
mit Hilfe des Luxmessers LM 3000 der Firma Conrad (Hirschau,
Deutschland), um ein konstantes Helligkeitsniveau von 300 Lux zu gewährleisten.
Zur Anzeige der Angiographiesequenzen diente ein Monitor der Firma ELSA
(Modell: ECOMO 750) mit 22"(55 cm)-Diamondtron-Natural-Flat-Bildröhre (sichtbare
Anzeigefläche: 406,1 mm x 304,6 mm) in einer Auflösung von 800 x 600 Pixel
und einer Bildwiederholungsfrequenz von 150 Hz. Vor jeder Sitzung wurde der
Monitor mit Hilfe des als freie Software verfügbaren Programmes CTSCREEN
(online beziehbar unter URL: http://www.heise-online.de, Datum: 03.10.2001) kalibriert.
Zur Ausschaltung von Spiegelungseinflüssen wurde der Monitorrahmen mit

36 Material und Methoden
Hilfe eines mattschwarzen Passepartouts abgedeckt. Aus dem gleichen Grund war
den Untersuchern das Tragen weißer Kleidung (Kittel) untersagt.
Der Monitor befand sich in Augenhöhe, in einem Abstand von 50-100 cm zum Kopf
des Probanden. Die Befundungsumgebung orientiert sich somit an den Empfehlungen
der Konsensuskonferenz der Deutschen Gesellschaft für Radiologie [6]. Während
der Begutachtung war zusätzlich zum Begutachter ein Testleiter zur Klärung
eventueller Bedienungsprobleme im Raum anwesend.
Abb. 15: Begutachtungsumgebung
2.6 Untersuchungsablauf und Randomisierung
Für die Begutachtung der einzelnen unkomprimierten und komprimierten koronarangiographischen
Filme wurde in der Hypertext Markup Language (HTML) unter
Nutzung der Skriptsprachen JavaScript und ActiveX ein Begutachtungsprogramm
entwickelt (s. Anhang B). Hierdurch konnte die Beurteilung der einzelnen Filmschleifen
in einem gängigen Internetbrowser (Microsoft Internet Explorer, Version
5.0) realisiert werden.

Material und Methoden 37
Dem einzelnen Untersucher wurde dabei zunächst ein einführender Text präsentiert,
in dem die Bedienung der Versuchsoberfläche und die Kriterien der Filmbeurteilung
erläutert wurden (siehe Anhang A). Eventuelle Rückfragen konnten vom mitanwesenden
Versuchsleiter vor Beginn der eigentlichen Begutachtung geklärt werden.
Die einzelnen Filmschleifen wurden in Originalauflösung (512 x 512 Pixel) und –
laufzeit (12,5 Bilder/s für Koronarangiographien, 25 Bilder/s für Ventrikulographien)
präsentiert. Durch die Einbindung der verschiedenen zum Abspielen der komprimierten
Filmschleifen notwendigen Multimedia-Player (Microsoft Media Player
Version 2, RealPlayer Basic Version 8, Quicktime Player Version 5.02) in das
Begutachtungsprogramm konnte bis auf das unterschiedliche Design der Steuerungssymbole
eine einheitliche Betrachtungsumgebung realisiert werden. Als Eingabemedium
standen eine Standard-Tastatur mit deutscher Tastaturbelegung der Firma
Cherry sowie eine über einen PS/2-Anschluß mit dem Präsentationsrechner verbundene
Maus (Microsoft IntelliMouse) zur Verfügung.
Dem Begutachter wurde immer eine Serie aus 6 mit einem einzelnen Kompressionsverfahren
unterschiedlich komprimierten Filmschleifen (s. Tabelle 2 in 2.4.9) und
dem unkomprimierten Original präsentiert. Diese 7 Angiographiesequenzen waren in
der Folge geordnet, dass zuerst die am höchsten komprimierte Version und am Ende
der Serie das unkomprimierte Original abgespielt wurde. Zwischen den einzelnen
Sequenzen einer Serie konnte der Untersucher über Steuersymbole der Begutachtungsoberfläche
beliebig oft wechseln. Dem Begutachter wurde erlaubt, die Filmsequenz
an jeder Stelle anzuhalten oder diese in Einzelschritten durchzusehen.
Die Versuchsaufgabe war es, aus den in aufsteigender Bildqualität geordneten Filmschleifen
jeder Serie jene auszuwählen, die noch eine diagnostisch ausreichende
Bildqualität darstellte. Dabei wurde gefordert, dass der Untersucher alle im Original
erhaltenen Informationen in nach seiner Ansicht zur Diagnose- und Therapiefindung
ausreichender Bildqualität in der gewählten Kompressionsstufe erkennt (s. Anhang
A). Alle höher komprimierten Filmsequenzen der Serie wurden als nicht von ausreichender
diagnostischer Bildqualität bewertet, alle niedriger komprimierten als ausreichend.
Die Auswahl wurde durch Anklicken eines entsprechenden Schaltsymbols getroffen.

38 Material und Methoden
Danach wurde jeweils die nächste Serie durch das Programm aufgerufen.
Abb. 16: Begutachtungsoberfläche
Die insgesamt 80 verschiedenen Serien (10 Angiographien in 8 Kompressionsverfahren)
wurden programmgesteuert randomisiert präsentiert. Eine Unterbrechung und
Wiederaufnahme des Tests zu einem späteren Zeitpunkt war möglich.
2.7 Speicherung und Verarbeitung der Daten
Durch die Programmierung der Begutachtungsoberfläche in HTML bzw. den oben
genannten Skriptsprachen, war eine rechnergestützte Datenübernahme in Echtzeit
möglich. Über ein als sogenanntes Common Gateway Interface(CGI) in der Programmiersprache
Perl programmiertes Script (siehe Anhang B) wurden die Auswahl
der Filmschleife mit diagnostisch ausreichender Bildqualität sowie die Aktionen
(Anhalten, Wiederfortsetzen der Filmschleifen, Wechsel der Kompressionsstufen)
und benötigten Zeiten für diese Aktionen für jeden einzelnen Untersucher direkt in
eine Datenbank (MySQL Version 3.23.36) auf einen als Server dienenden Linuxbasierendem
Rechnersystem (Linux-Distribution Madrake Version 8.0) importiert.
Die erhobenen Daten standen somit unmittelbar zur Auswertung zur Verfügung. Der

Material und Methoden 39
Vorteil eines solchen Ansatzes liegt darin, dass theoretisch durch die verwendeten
Komponenten in dieser Versuchsumgebung auch Internet-basierte Fernstudien denkbar
wären.
2.8 Nachbetrachtung
Nach Abschluß der eigentlichen Untersuchung wurde den Begutachtern freigestellt,
ausgewählte Filmschleifen des vorherigen Versuchs noch einmal nachzubetrachten
und frei formulierte Aussagen zu den Kompressionsartefakten der einzelnen Verfahren
abzugeben. Diese Nachbetrachtung war kein zwingend vorgeschriebener Bestandteil
des Versuchsprotokolls. Sie erfolgte freiwillig und nicht standardisiert.
2.9 Statistische Methoden
Durch den direkten Import der erhobenen Parameter in eine Datenbank standen diese
zur sofortigen statistischen Auswertung zur Verfügung. Zur Weiterverarbeitung mit
dem Statistikprogramm SPSS (englische Version 11.0) wurden diese über eine
ODBC (Open Database Connectivity)-Schnittstelle (API, Application Programming
Interface) exportiert.
Zum Vergleich der gesamten Codecbewertungen zwischen den beiden unterschiedlich
erfahrenen Untersuchergruppen wurde aufgrund der diskreten ordinalskalierten
Variablen der U-Test nach Mann-Whitney für unverbundene Stichproben angewandt
[50].
Mit dem gleichen Verfahren wurden die klassifizierten Daten zu Bildqualität und
Kompressionsrate zwischen dem JPEG- und JPEG 2000-Standard verglichen.
Für alle Kompressionsverfahren erfolgte eine deskriptive statistische Analyse , die
den Median, das 25%- und 75%-Quantil sowie 5. und 95. Perzentile enthielt. Diese
Parameter wurden mittels eines „Box-and-Whisker-Plots“ visualisiert [30].

40 Material und Methoden

Ergebnisse 41
3 Ergebnisse
3.1 Beurteilungen und Versuchszeiten der einzelnen Untersucher
3.1.1 Bearbeitungszeit
Die Untersucher benötigten für die Bearbeitung der 80 verschiedenen Angiographieserien
zwischen 25,7 und 74,9 Minuten, wobei diese Zeitangabe die reine Betrachtungszeit
erfasst, nicht jedoch Pausen und die Zwischenzeiten, die zum Einspielen
der Katheterfilme benötigt wurden.
Im Durchschnitt dauerte die Bearbeitung der Versuchsaufgaben somit 43,26 Minuten,
entsprechend 32,4 Sekunden pro Angiographieserie.
3.1.2 Unterschiede in der Beurteilung der Bildqualität in Abhängigkeit von
der Erfahrung der Untersucher
Betrachtet man die relative Häufigkeit der qualitativ noch als diagnostisch ausreichend
beurteilten Angiographiesequenzen in Abhängigkeit von der jeweiligen Erfahrung
der Untersucher, ohne zwischen den eingesetzten Kompressionsmethoden zu
unterscheiden, indem zwei Subgruppen gebildet werden, von der die eine alle Untersucher
mit weniger als 2500 als Erst- oder Zweitbegutachter durchgeführten Herzkatheterprozeduren
umfasst, ergibt sich die folgende Verteilung:

42 Ergebnisse
Original
Kompres
-sion
Stufe 1
Kompres
-sion
Stufe 2
Kompres
-sion
Stufe 3
Kompres
-sion
Stufe 4
Kompres
-sion
Stufe 5
Kompre
s-sion
Stufe 6
Begutachter
mit
Erfahrung
>
2500 HK
Begutachter
mit
Erfahrung
<
2500 HK
19,0 % 25.2 % 30,4 % 20,2 % 4,8 % 0,4 % 0 %
27,5 % 36,8 % 25,4 % 8,1 % 2,2 % 0 % 0%
Tab. 3: Bewertung der verschieden Kompressionsstufen in Abhängigkeit von der
Erfahrung des Untersuchers (Anteil der qualitativ als diagnostisch noch ausreichend
gewählten Kompressionsstufen in Prozent). Kompressionsstufe 1 entspricht der am
geringsten, Kompressionsstufe 6 der am höchsten komprimierten Angiographiesequenz
(in jedem Kompressionsverfahren)
In einer Darstellung mittels „Box-and-Whisker-Plot“ stellen sich die Verteilung von
Median der gewählten Kompressionsstufe sowie der 5., 25, 75. und 95. Perzentile der
Bewertungen in den beiden Subgruppen wie folgt dar:

Ergebnisse 43
Abb. 17: Verteilung der Bewertungen aller Kompressionsverfahren in den beiden
unterschiedlich erfahrenen Subgruppen (Median = schwarzer Doppelpfeil, Box = Bereich
zwischen 25. und 75. Perzentile, Whisker = 5. und 95. Perzentile)
Zur Prüfung, ob hier ein signifikanter Unterschied in der Beurteilung der Bildqualität
zwischen den beiden Subgruppen unabhängig von der Art der verwendeten Kompressionsverfahren
besteht, wurde der U-Test nach Mann, Whitney und Wilcoxon
für 2 unverbundene Stichproben eingesetzt.
Die Nullhypothese lautete: In der Wahl der diagnostisch ausreichenden Kompressionsstufen
besteht zwischen der Gruppe der invasiv erfahreneren Kardiologen (mehr
als 2500 durchgeführte Herzkatheterprozeduren) und der Gruppe der invasiv weniger
erfahrenen Untersucher kein Unterschied.
Dabei konnte eine hoch signifikante Abhängigkeit der Wahl der als diagnostisch
noch ausreichend bewerteten Kompressionsstufe von der Erfahrung des Untersuchers
in der Form nachgewiesen werden, dass die erfahreneren Untersucher höhere Kompressionsstufen
als die weniger erfahreneren Untersucher wählten (p

44 Ergebnisse
pressionsstufen 43:1 oder 56:1 als Darstellung mit diagnostisch ausreichender Bildqualität
beurteilt.
In 8% der bewerteten Angiographiesequenzen, die einer Datenkompression mit dem
JPEG-Verfahren unterzogen wurden, erschien den Begutachtern nur das unkomprimierte
Original als diagnostisch ausreichend.
Der Median der Bewertungen lag bei einer Datenkompression von 19:1, der 1. und 3.
Quartilspunkt bei 9:1 respektive 19:1.
Die Verteilung der Bewertungen werden durch die folgende Abbildung und Tabelle
illustriert:
60
50
40
Anzahl der Bewertungen
30
20
10
0
1:1
9:1
19:1
26:1
33:1
Kompressionsstufe
Abb. 18: Häufigkeitsverteilung der Bewertungen bei der JPEG-Bilddatenkompression

Ergebnisse 45
Median Minimum Maximum 5.
25.
75.
95.
Perzentile
Perzentile
Perzentile
Perzentile
19 1 33 1 9 19 32,65
Tab. 4: Verteilungscharakteristika der Kompressionsfaktoren beim JPEG-Verfahren
Der deskriptive Vergleich zwischen erfahreneren und weniger erfahreneren Untersuchern
nach den in 3.1.2 genannten Kriterien wird durch eine grafische Darstellung
mittels eines „Box-and-Whisker-Plots“ verdeutlicht, in der die Bewertungen der
einzelnen Verfahren, die den beiden mittleren Quartilen angehören, als Kasten bzw.
„Box“ und die Bewertungen, die zwischen der 5. und 95. Perzentile liegen, als ausgezogenen
Striche bzw. „Whisker“ markiert werden:
Abb. 19: Verteilung der JPEG-Bewertungen in den beiden unterschiedlich erfahrenen
Subgruppen (Median = schwarzer Doppelpfeil, Box = Bereich zwischen 25. und 75.
Perzentile, Whisker = 5. und 95. Perzentile)
In der Nachbetrachtung wurden zum JPEG-Verfahren von einzelnen Untersuchern
folgendes angemerkt:
- auffällige „Klötzchen“-Artefakte bei hohen Kompressionsstufen
- selbst bei hoher Kompression noch kleine Gefäße erkennbar
- Gefäßkonturen bei hohen Kompressionen blockartig verändert

46 Ergebnisse
Zur Veranschaulichung dieser Bemerkungen dienen die Bildausschnitte in der
nächsten Abbildung, die folgenden Kompressionsstufen entsprechen: Original (links
oben), Median (rechts oben), höchste von einem Begutachter als diagnostisch ausreichend
gewählte Kompression (links unten) und höchste präsentierte Kompression
(rechts unten).
Abb. 20: Bildausschnitte ausgewählter Kompressionsstufen im JPEG-Verfahren (links
oben 1:1 entsprechend dem Original, rechts oben 19:1 = Median, links unten 33:1 =
höchste gewählte Kompressionsstufe, rechts unten 56:1 = höchste präsentierte
Kompressionsstufe)
3.2.2 Bilddatenkompression mit JPEG 2000
Mit dem Verfahren JPEG 2000 wurde eine Kompression der Herzkatheterfilmse-

Ergebnisse 47
quenzen von 10:1, 21:1, 40:1, 80:1, 156:1 und 295:1 erreicht.
In dieser Subgruppe hielten 18 % der Untersucher nur das Original für diagnostisch
ausreichend. Die Kompressionsstufen 156:1 und 295:1 wurden von keinem Untersucher
gewählt.
Der Median der Bewertungen lag bei einer Kompressionsstufe von 21:1, der 1.
Quartilspunkt bei 10:1, der 3. Quartilspunkt bei 21:1.
Die folgende Abbildung und Tabelle beschreiben die Verteilung der abgegebenen
Bewertungen:
50
Häufigkeit der gewählten Stufen in %
40
30
20
10
0
1:1
10:1
21:1
40:1
80:1
Kompressionsstufe
Abb. 21: Verteilung der Bewertungen bei der JPEG 2000-Bilddatenkompression
Median Minimum Maximum 5.
25.
75.
95.
Perzentile
Perzentile
Perzentile
Perzentile
21 1 80 1 10 21 40
Tab. 5: Verteilungscharakteristika beim JPEG 2000-Verfahren
Der deskriptive Vergleich zwischen erfahreneren und weniger erfahreneren Untersu-

48 Ergebnisse
chern nach den in 3.1.2 genannten Kriterien stellt sich in einem Box-and-Whisker-
Plot wie folgt dar:
Abb. 22: Verteilung der JPEG 2000-Bewertungen in den beiden unterschiedlich
erfahrenen Subgruppen (Median = schwarzer Doppelpfeil, Box = Bereich zwischen 25.
und 75. Perzentile, Whisker = 5. und 95. Perzentile)
Die frei formulierten Beschreibungen von einzelnen Begutachtern in der Nachbetrachtung
lauteten:
- Verschwimmen von Gefäßkonturen und anderen anatomischen Grenzen bei
hohen Kompressionen
- In einigen Filmschleifen bis zur niedrigsten Kompressionsstufe Verspringen
von anatomischen Strukturen zwischen den Einzelbildern, vor allem bei Betrachtung
der Ventrikulographien auffallend
- Wellenförmige Artefakte, v. a. bei Filmsequenzen mit großformatiger
Darstellung der Rippen
Die Bildausschnitte in der nächsten Abbildung entsprechen folgenden Kompressionsstufen:
Original (links oben), Median (rechts oben), höchste von einem Begut-

Ergebnisse 49
achter als diagnostisch ausreichend gewählte Kompression (links unten) und höchste
präsentierte Kompression (rechts unten).
Abb. 23: Bildausschnitte ausgewählter Kompressionsstufen im JPEG 2000-Verfahren
(links oben 1:1 = Original, rechts oben 21:1 = Median, links unten 80:1 = höchste
gewählte Kompression, rechts unten 295:1 = höchste zur Wahl angebotenen
Kompressionsstufe)
3.2.3 Bilddatenkompression mit MPEG-2
Die Kompressionsstufen, die mittels des MPEG-2-Codecs getestet wurden, lagen bei
12:1, 15:1, 20:1, 30:1, 41:1 und 75:1.
In dieser Gruppe waren die Untersucher in 16% nur mit dem unkomprimierten Original
als von diagnostisch ausreichender Qualität zufrieden. Die Kompression mit
dem Faktor 75:1 wurde in keinem Fall als diagnostisch ausreichend bewertet.

50 Ergebnisse
Der Median der Bewertungen fand sich bei 15:1, der 1. Quartilspunkt bei 12:1, der 3.
Quartilspunkt bei 20:1.
40
Häufigkeit der gewählten Stufen in %
30
20
10
0
1:1
12:1
15:1
20:1
30:1
41:1
Kompressionsstufe
Abb. 24: Verteilung der Bewertungen bei der MPEG-2-Bilddatenkompression
Median Minimum Maximum 5.
25.
75.
95.
Perzentile
Perzentile
Perzentile
Perzentile
15:1 1 41 1 12 20 29,5
Tab. 6: Verteilungscharakteristika beim MPEG-2-Verfahren
Der deskriptive Vergleich zwischen den Subgruppen der erfahreneren und weniger
erfahrenen Untersucher (nach den in 3.2.1 genannten Kriterien) wird in der folgenden
Grafik dargestellt:

Ergebnisse 51
Abb. 25: Verteilung der MPEG-2-Bewertungen in den beiden unterschiedlich erfahrenen
Subgruppen (Median = schwarzer Doppelpfeil, Box = Bereich zwischen 25. und 75.
Perzentile, Whisker = 5. und 95. Perzentile)
In der Nachbetrachtung wurden zum MPEG-2-Verfahren von einzelnen Untersuchern
folgende Anmerkungen gemacht:
- bei hohen Kompressionen klötzchenartige Veränderung von Flächen und anatomischen
Strukturen, die vor allem zu Beginn der Filmschleifen auffallen
- teilweise kontrastarme Darstellung von Gefäßverläufen in allen
Kompressionsstufen
Die Bildausschnitte in der nächsten Abbildung entsprechen folgenden Kompressionsstufen:
Original (links oben), Median (rechts oben), höchste von einem Begutachter
als diagnostisch ausreichend gewählte Kompression (links unten) und höchste
präsentierte Kompression (rechts unten).

52 Ergebnisse
Abb. 26: Bildausschnitte ausgewählter Kompressionsstufen im MPEG-2-Verfahren (oben
links 1:1 = Original, oben rechts 15:1 = Median, unten links 41:1 = höchste gewählte
Kompression, unten rechts 75:1 = höchste präsentierte Kompressionsstufe)
3.2.4 Bilddatenkompression mit MPEG-4–DivX-Codec
Mit dem MPEG-4-DivX-Codec wurden Kompression von 35:1, 38:1, 46:1, 84:1,
133:1 und 317:1 getestet.
Die Kompressionsstufen 133:1 und 317:1 wurden von keinem der Begutachter als
diagnostisch ausreichend betrachtet.
In 14% der Herzkatheterfilmserien erschien den Untersuchern nur das unkomprimierte
Original von ausreichender Bildqualität. Der Median der Bewertungen lag bei

Ergebnisse 53
38:1. Der 1. Quartilspunkt fand sich bei 35:1, der 3. Quartilspunkt bei 46:1.
Die genaue Verteilung geben die folgende Abbildung und Tabelle wieder.
40
Häufigkeit der gewählten Stufen in %
30
20
10
0
1:1
35:1
38:1
46:1
84:1
Kompressionsstufe
Abb. 27: Verteilung der Bewertungen bei der MPEG-4-DivX-Bilddatenkompression
Median Minimum Maximum 5.
25.
75.
95.
Perzentile
Perzentile
Perzentile
Perzentile
38:1 1 84 1 35 46 46
Tab. 7: Verteilungscharakteristika beim MPEG-4-DivX-Verfahren
Die folgende Abbildung illustriert die Unterschiede zwischen den beiden in 3.2.1.
genannten Subgruppen (erfahrenere vs. weniger erfahrenere Kardiologen).

54 Ergebnisse
Abb. 28: Verteilung der MPEG-4-DivX-Bewertungen in den beiden unterschiedlich
erfahrenen Subgruppen (Median = schwarzer Doppelpfeil, Box = Bereich zwischen 25.
und 75. Perzentile, Whisker = 5. und 95. Perzentile)
In den frei formulierten Beschreibungen von einzelnen Begutachtern in der Nachbetrachtung
wurden folgende Aussagen getroffen:
- in der höchsten Kompressionsstufe blockartige Artefakte, die sich diffus und
wechselnd über das Bild verteilen und die Gefäßränder umfassen
- Bilder wirken im Vergleich zum Original etwas weichgezeichnet
Die Bildausschnitte in der nächsten Abbildung entsprechen folgenden
Kompressionsstufen: Original (links oben), Median (rechts oben), höchste von einem
Begutachter als diagnostisch ausreichend gewählte Kompression (links unten) und
höchste präsentierte Kompression (rechts unten).

Ergebnisse 55
Abb. 29: Bildausschnitte ausgewählter Kompressionsstufen im MPEG-4-DivX-Verfahren
(oben links Original, oben rechts 38:1 = Median, unten links 84:1 = höchste von einem
Untersucher gewählte Kompression, unten rechts 317:1 = höchste präsentierte
Kompressionsstufe)
3.2.5 Bilddatenkompression mit MPEG-4–OpenDivX-Codec
Die getesteten Kompressionsstufen lagen bei 22:1, 31:1, 38:1, 46:1, 83:1, 129:1.
In keinem Fall wurde die Kompression 129:1 gewählt. In 12% hielten die Untersucher
nur das unkomprimierte Original für diagnostisch ausreichend.
Der Median der gewählten Kompressionsstufen lag bei 31:1, der 1. Quartilspunkt bei
22:1, der 2. Quartilspunkt bei 38:1.
Die genaue Verteilung geben die folgende Abbildung und Tabelle wieder:

56 Ergebnisse
30
Häufigkeit der gewählten Stufen in %
20
10
0
1:1
22:1
31:1
38:1
46:1
83:1
Kompressionsstufe
Abb. 30: Verteilung der Bewertungen bei der MPEG-4-OpenDivX-Bilddatenkompression
Median Minimum Maximum 5.
25.
75.
95.
Perzentile
Perzentile
Perzentile
Perzentile
31:1 1 83 1 22 38 46
Tab. 8: Verteilungscharakteristika beim MPEG-4-OpenDivX-Verfahren
Die Subgruppen der erfahreneren und weniger erfahreneren Untersucher verteilten
sich entsprechend der folgenden Abbildung.

Ergebnisse 57
Abb. 31: Verteilung der MPEG-4-OpenDivX-Bewertungen in den beiden unterschiedlich
erfahrenen Subgruppen (Median = schwarzer Doppelpfeil, Box = Bereich zwischen 25.
und 75. Perzentile, Whisker = 5. und 95. Perzentile)
In der Nachbetrachtung wurden zum MPEG-4-OpenDivX-Verfahren von einzelnen
Untersuchern folgendes angemerkt:
- diskreter Farbfehler. Grautöne werden mit leichtem Rot- bzw. Violettstich
dargestellt
- bei hohen Kompressionen blockartig veränderte Randkonturen
Die Bildausschnitte in der nächsten Abbildung entsprechen folgenden Kompressionsstufen:
Original (links oben), Median (rechts oben), höchste von einem Begutachter
als diagnostisch ausreichend gewählte Kompression (links unten) und höchste
präsentierte Kompression (rechts unten).

58 Ergebnisse
Abb. 32: Bildausschnitte ausgewählter Kompressionsstufen im MPEG-4-OpenDivX-
Verfahren (oben links Original, oben rechts 31:1 = Median, unten links 83:1 = höchste
von einem Untersucher gewählte Kompression, unten rechts 129:1 = höchste
angebotene Kompression)
3.2.6 Bilddatenkompression mit RealVideo 8
Mit diesem Verfahren wurden Kompressionen von 32:1, 76:1, 126:1, 336:1, 443:1
und 729:1 zur Auswahl angeboten.
Die Kompressionsstufen von 336:1, 443:1 und 729:1 wurden in keinem Fall von den
Untersuchern als eine ausreichende diagnostische Bildqualität darstellend bewertet.
36% der Bewertungen sahen nur die unkomprimierte Version der dargestellten Angiographiesequenz
als qualitativ ausreichend an.

Ergebnisse 59
Der Median der Auswahl lag bei 32:1. 1. Der 1. Quartilspunkt fand sich beim unkomprimierten
Original, der 3. Quartilspunkt im Bereich des Medianes (32:1).
Die genaue Verteilung geben wiederum die folgende Abbildung und Tabelle wieder:
60
Häufigkeit der gewählten Stufen in %
50
40
30
20
10
0
1:1
32:1
76:1
126:1
Kompressionsstufe
Abb. 33: Verteilung der Bewertungen bei der RealVideo8-Bilddatenkompression
Median Minimum Maximum 5.
25.
75.
95.
Perzentile
Perzentile
Perzentile
Perzentile
32:1 1 126 1 1 32 76
Tab. 9: Verteilungscharakteristika beim RealVideo8-Verfahren
Die Verteilung in den einzelnen Subgruppen stellte sich im Box-and-Whisker-Plot
wie folgt dar:

60 Ergebnisse
Abb. 34: Verteilung der RealVideo-Bewertungen in den beiden unterschiedlich
erfahrenen Subgruppen (Median = schwarzer Doppelpfeil, Box = Bereich zwischen 25.
und 75. Perzentile, Whisker = 5. und 95. Perzentile)
Die frei formulierten Beschreibungen von einzelnen Begutachtern in der Nachbetrachtung
lauteten:
- bis in die geringste Kompressionsstufe z.T. deutliche Unschärfe
- Verspringen und Verwaschen der Gefäßstrukturen
- z. T. artefizielle Doppelkonturen
Die Bildausschnitte in der nächsten Abbildung entsprechen folgenden Kompressionsstufen:
Original (links oben), Median (rechts oben), höchste von einem Begutachter
als diagnostisch ausreichend gewählte Kompression (links unten) und höchste
präsentierte Kompression (rechts unten).

Ergebnisse 61
Abb. 35: Bildausschnitte ausgewählter Kompressionsstufen im RealVideo-Verfahren
(oben links Original, oben rechts 32:1 = Median, unten links 126:1 = höchste von einem
Untersucher gewählte Kompression, unten rechts 729:1 = höchste angebotenen
Kompression)
3.2.7 Bilddatenkompression mit Windows Media Video 8
Mit dem Windows Media Video 8-Verfahren wurden die Kompressionsstufen
21:1, 32:1, 42:1, 76:1, 151:1 und 380:1 erzeugt und zur Auswahl angeboten.
Die Kompressionen 151:1 und 380:1 bewerteten die Untersucher in keinem Fall als
qualitativ ausreichend.
In 20% der Bewertungen sahen die Begutachter nur die unkomprimierte Originalse-

62 Ergebnisse
quenz als diagnostisch ausreichend an. Der Median lag in diesem Verfahren bei 32:1.
der 1. Quartilspunkt fand sich bei 21:1, der 3. Quartilspunkt entsprach dem Median
von 32:1.
Eine genaue Darstellung der Verteilungscharakteristika gibt die folgende Abbildung
und Tabelle wieder:
40
Häufigkeit der gewählten Stufen in %
30
20
10
0
1:1
21:1
32:1
42:1
76:1
Kompressionsstufe
Abb. 36: Verteilung der Bewertungen bei der WindowsMediaVideo 8-Bilddatenkompression
Median Minimum Maximum 5.
25.
75.
95.
Perzentile
Perzentile
Perzentile
Perzentile
32:1 1 76 1 21 32 42
Tab. 10: Verteilungscharakteristika beim WindowsMediaVideo 8-Verfahren
Die Verteilungen der beiden in 3.2.1 beschriebenen Subgruppen stellen sich im Boxand-Whisker-Plot
wie folgt dar:

Ergebnisse 63
Abb. 37: Verteilung der WindowsMediaVideo 8-Bewertungen in den beiden unterschiedlich
erfahrenen Subgruppen (Median = schwarzer Doppelpfeil, Box = Bereich
zwischen 25. und 75. Perzentile, Whisker = 5. und 95. Perzentile)
Freie Äußerungen einzelner Untersucher in der Nachbetrachtung waren:
- in hohen Kompressionen deutliche „treppenstufenartige“ Verfremdung der
Gefäßkonturen
Die Bildausschnitte in der nächsten Abbildung entsprechen folgenden Kompressionsstufen:
Original (links oben), Median (rechts oben), höchste von einem Begutachter
als diagnostisch ausreichend gewählte Kompression (links unten) und höchste
präsentierte Kompression (rechts unten).

64 Ergebnisse
Abb. 38: Bildausschnitte ausgewählter Kompressionsstufen im WindowsMediaVideo-
Verfahren(oben links Original, oben rechts 32:1 = Median, unten links 76:1 = höchste
gewählte Kompression, unten rechts 380:1 = höchste präsentierte Kompression)
3.2.8 Bilddatenkompression mit Sorenson Video 2
Zur Auswahl standen bei diesem Verfahren die Kompressionen 15:1, 19:1, 29:1,
39:1, 71:1 und 112:1.
Für die Kompressionen mit dem Faktor 39:1, 71:1, und 112:1 als qualitativ ausreichend
entschied sich keiner der Begutachter.
In 55 % der Bewertungen konnten die Untersucher nur die Originalsequenz als diagnostisch
ausreichend bewerten. Der Median und der 1. Quartilspunkt der Bewertungen
fand sich somit ebenfalls bei der unkomprimierten Fassung. Der 3. Quartilspunkt

Ergebnisse 65
lag bei 15:1.
Die genaue Verteilung geben folgende Abbildung und Tabelle wieder:
60
Häufigkeit der gewählten Stufen in %
50
40
30
20
10
0
1:1
15:1
19:1
29:1
Kompressionsstufe
Abb. 39: Verteilung der Bewertungen bei der Sorenson Video 2-Bilddatenkompression
Median Minimum Maximum 5.
25.
75.
95.
Perzentile
Perzentile
Perzentile
Perzentile
1:1 1 29 1 1 15 19
Tab. 11: Verteilungscharakteristik beim Sorenson Video 2-Verfahren
Bei Unterscheidung der in 3.2.1 definierten Subgruppen lässt sich die Verteilung
mittels Box-Whisker-Plot wie folgt beschreiben:

66 Ergebnisse
Abb. 40: Verteilung der SorensonVideo 2-Bewertungen in den beiden unterschiedlich
erfahrenen Subgruppen (Median = schwarzer Doppelpfeil, Box = Bereich zwischen 25.
und 75. Perzentile, Whisker = 5. und 95. Perzentile)
In der Nachbetrachtung wurden zum Sorenson Video 2-Verfahren von einzelnen
Untersuchern folgendes angemerkt:
- „klötzchenartige“ Artefakte bis in die niedrigste Kompressionsstufe
- Verspringen und teilweise Verschwinden einzelner Gefäße auch in niedriger
Kompression
Die Bildausschnitte in der nächsten Abbildung entsprechen folgenden Kompressionsstufen:
Original (links oben), Median (rechts oben), höchste von einem Begutachter
als diagnostisch ausreichend gewählte Kompression (links unten) und höchste
präsentierte Kompression (rechts unten).

Ergebnisse 67
Abb. 41: Bildausschnitte ausgewählter Kompressionsstufen im Sorenson Video-
Verfahren (oben links Original, oben rechts 1:1 = Median, unten links 29:1 = höchste von
einem Untersucher gewählte Kompressionsstufe, unten rechts 112:1 = höchste
angebotenen Kompression)
3.3 Vergleich der verschiedenen Kompressionsverfahren
3.3.1 Vergleich der verschiedenen Kompressionsverfahren anhand eines
deskriptiven Verfahrens
Durch die zum Teil divergierenden Kompressionsstufen, die mit den einzelnen Videokompressionsverfahren
erzeugt wurden, verbieten sich statistische Vergleichstests,
die Unterschiede zwischen allen 8 getesteten Verfahren belegen sollen.
Allerdings kann zur deskriptiven Bewertung eine grafische Darstellung mittels eines
„Box-and-Whisker-Plots“ herangezogen werden, in dem die Bewertungen der ein-

68 Ergebnisse
zelnen Verfahren, die den beiden mittleren Quartilen angehören, als Kasten bzw.
„Box“ und die Bewertungen, die zwischen der 5. und 95. Perzentile liegen, als ausgezogenen
Striche bzw. „Whisker“ markiert werden.
Für die durchgeführte Untersuchung gibt sich dann folgendes Bild:
Abb. 42: Verteilung der Codec-Bewertungen im Vergleich
3.3.2 Vergleich der Verfahren JPEG und JPEG 2000
Aufgrund der im niedrigen Kompressionsbereich nahezu identischen Kompressionsfaktoren
in der vorliegenden Untersuchung ist ein statistischer Vergleich unter Vornahme
einer Klassifikation möglich. Hierbei wurden für beide Kompressionsverfahren
insgesamt 4 Klassen gebildet:

Ergebnisse 69
Klasse JPEG JPEG 2000
Unkomprimiert 1:1 1:1
Kompression < 15:1 9:1 10:1
Kompression 15:1 – 25:1 19:1 21:1
Kompression < 25:1
Übrige
Kompressionsstufen
Übrige
Kompressionsstufen
Tab. 12: Einheitliche Klassifikation der Kompressionsstufen der Verfahren JPEG und
JPEG 2000
Nach dieser Klassifikation der Daten wurde U-Test nach Mann,Whitney und
Wilcoxon mit dem Kompressionsverfahren als gruppierender Variable durchgeführt.
Ein signifikanter Unterschied zwischen beiden Verfahren im Hinblick auf die
höchstmögliche Kompression mit diagnostisch ausreichender Bildqualität konnte
nicht belegt werden (p = 0,148).

70 Ergebnisse

Diskussion 71
4 Diskussion
Die vorliegende Untersuchung ging der Fragestellung nach, inwieweit sich die während
der invasiven kardiologischen Diagnostik anfallende Datenmenge im Hinblick
auf zugriffsfreundliche digitale Archivierung und mögliche telemedizinische Anwendungen
durch moderne frei verfügbare Videokompressionsverfahren reduzieren
lässt.
4.1 Versuchszeiten und Unterschiede zwischen verschiedenen
Untersuchergruppen
Auffällig ist die kurze Bearbeitungszeit von durchschnittlich 43,3 Minuten, die die
10 Untersucher für die Beurteilung der insgesamt 490 Filmsequenzen benötigten.
Eine Erklärung liefert das Versuchsdesign. Zum einen wurden jeweils Serien von 7
Angiographiesequenzen gleichen Inhaltes in unterschiedlichen, geordneten Kompressionsstufen
präsentiert, so dass die einzelnen Untersucher Ihre Bewertung aufgrund
der redundanten Motive auf die relevanten Bildinhalte fokussieren konnten.
Zum anderen dürften hoch komprimierte Sequenzen aufgrund der zum Teil deutlichen
Artefakte in diesen Kompressionsstufen, wie Sie in den freien Äußerungen im
Rahmen der Nachbetrachtungen zum Ausdruck kamen, sehr schnell als diagnostisch
ungeeignet bewertet worden sein. Hinsichtlich der Bearbeitungszeiten finden sich in
der vorliegenden Literatur keine Daten, mit denen die vorliegende Untersuchung
verglichen werden könnte.
Ein statistisch hoch signifikanter Unterschied bestand zwischen der Erfahrung des
Begutachters und der Beurteilung der Kompressionsstufen mit diagnostisch ausreichender
Bildqualität. Die invasiv erfahreneren Kardiologen wählten höhere Kompressionsstufen
als die weniger erfahreneren Untersucher. Da in den bisher durchgeführten
Versuchen zur Bildqualität koronarangiographischen Untersuchungen keine
entsprechenden Subgruppenanalysen durchgeführt wurden liegen keine Daten zum
Vergleich vor. Anscheinend benötigen die erfahrenen Untersucher eine geringere
Bildqualität, um eine Diagnose mit hinreichender Sicherheit stellen zu können.
4.2 Eignung der einzelnen Verfahren zur Bilddatenkompression
Zur Eignung des Kompressionsverfahrens JPEG, das ursprünglich als Algorithmus

72 Diskussion
zur alleinigen Standbildkomprimierung entwickelte wurde, für die Datenreduktion in
der invasiven kardiologischen Bildgebung liegen die meisten Untersuchungen vor.
In unserem Versuch wurden von den Begutachtern in über 50% der Bewertungen
Kompressionen von 9:1 bis 19:1 (Median 19:1) als von ausreichender diagnostischer
Bildqualität bewertet. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit den Untersuchungen
anderer Arbeitsgruppen, wobei sich deren Versuchsdesigns allerdings häufig von
dem der vorliegenden Arbeit unterschieden. Den in der Literatur erwähnten Untersuchungen
lag in mehr oder weniger komplexen Strategien ein unmittelbarer Vergleich
zwischen komprimierten und unkomprimierten Bild zugrunde. Die akzeptierte Kompressionsrate
lag dabei in den einzelnen Arbeiten zwischen 6:1 [42, 48] und 15:1
[39].
Dass in vielen Filmsequenzen der vorliegenden Untersuchung Kompressionsstufen
bis 19:1 als noch von ausreichender Bildqualität bewertet wurden und damit tendenziell
über den Ergebnissen anderer Arbeiten lagen, dürfte auch mit der vorgenommenen
Anpassung des Kompressionsalgorithmus an die angiographiegerechte Graustufen-Farbpalette
zusammenhängen. In einigen anderen Untersuchungen lag der JPEG-
Kompression im Gegensatz dazu eine 24 Bit-Farbpalette zugrunde, die eine geringere
Effektivität der Kompression nach sich zieht. Nach persönlichen Betrachtungen
bestehen je nach Wahl der Farbpalette in der Kompression angiographischer Sequenzen
erhebliche qualitative Unterschiede.
Mit der Einführung des auf der Wavelet-Transformation beruhenden Standards JPEG
2000 waren Hoffnungen verbunden, auch in der angiographischen Bildgebung für
Archivierung und Transfer höhere Datenkompressionen als mit den etablierten Einzelbildalgorithmen
wie JPEG bei gleichbleibender Bildqualität realisieren zu können
[8].
Unsere Untersuchungsergebnisse können einen Vorteil dieses Verfahren gegenüber
dem konventionellen JPEG-Standard für bewegte Bilder zumindest in dieser ersten
Umsetzung nicht belegen. Zwar liegen die Kompressionsbereiche, in denen der
überwiegende Anteil der Begutachter diesem Verfahren eine ausreichende diagnostische
Bildqualität attestieren, zwischen 10:1 und 21:1; dieses stellt allerdings keinen

Diskussion 73
statistisch signifikanten Unterschied gegenüber dem konventionellem JPEG-Verfahren
dar.
Auffällig ist zudem ein mit 18 % hoher Anteil von Bewertungen, die keine der Kompressionsstufen
dieses Verfahrens für qualitativ ausreichend hielten, so dass die
dieser Untersuchung zugrundeliegende Umsetzung des JPEG 2000-Standards selbst
für weniger anspruchsvolle Anwendungen wie Aufbau einer Filmdatenbank zu Ausbildungszwecken
wenig geeignet erscheint. Legt man die im Rahmen der Nachbetrachtungen
abgegebenen Kommentare einzelner Probanden zugrunde, dürften hierfür
vor allen die in den Ventrikulographien bis in die niedrigsten Kompressionsstufen
nachvollziehbaren Artefakte verantwortlich sein, die teilweise zu Verfälschungen des
Bildinhaltes führten.
Inwieweit fortgeschrittenere Versionen der JPEG 2000-Kompression diesen Mangel
beheben, bleibt abzuwarten. In der Anwendung für Standbilder konnten Brennecke et
al. [8] einen Vorteil eines anderen Wavelet-basierenden Verfahrens gegenüber dem
konventionellen JPEG nachweisen.
Da der Filmstandard MPEG-2 die Möglichkeit zur Kompression redundanter Inhalte
aufeinanderfolgender Bilder in einer Filmsequenz erlaubt, wäre prinzipiell eine weit
über das Maß der Standbildkompressionsverfahren JPEG und JPEG 2000 hinausgehende
Datenreduktion bei gleichbleibender Bildqualität zu erwarten.
In der vorliegenden Untersuchung lagen die mittleren 50% der Bewertungen allerdings
in den Kompressionsstufen 12:1 bis 20:1 und somit auf einem vergleichbaren
Niveau wie die beiden oben genannten Verfahren. Außerdem lag der Anteil der nur
mit dem Original zufriedenen Bewertungen mit 16% relativ hoch.
In den Kommentaren der Nachbeobachtungen werden für diesen Codec deutliche
Blockartefakte vor allem zu Beginn der Filmschleifen bis in niedrige Kompressionsstufen
angeführt. Zudem mag auch eine Verringerung des Kontrastes gegenüber dem
Original eine bessere Bewertung verhindert haben.
Auch eine frühere Untersuchung von Breeuwers et al. [7] hatte zwischen den im
Hinblick Bildqualität auf akzeptablen Kompressionsfaktoren für das JPEG- und
MPEG–2-Verfahren keinen wesentlichen Unterschied feststellen können. Diese
Einschätzung wird durch die vorliegende Arbeit bestätigt. Bei bildgebenden kardio-

74 Diskussion
logischen Verfahren, die eine niedrigere Detailauflösung besitzen, wie z. B. die
Echokardiographie ist die Anwendung dieses Verfahrens zur Datenreduktion belegt
[45].
Im Gegensatz zum MPEG-2-Verfahren lagen bei den auf dem neueren MPEG-4-
Verfahren basierenden Codecs die meisten Bewertungen in einem höheren Kompressionsbereich.
Die beiden mittleren Quartile fanden sich zwischen 35:1 und 46:1
(DivX) sowie 22:1 und 38:1 (OpenDivX). Dieses Ergebnis deckt sich mit den von
Kronberg et al. angeführten Ergebnissen [27].
Auch wenn sich aufgrund der divergierenden Kompressionsstufen ein statistischer
Vergleich mit den anderen Verfahren in dieser Untersuchung verbietet, wird doch
das Potential dieser modernen Videokompressionsverfahren im Hinblick auf eine
gute Bildqualität bei hoher Kompression deutlich. Die im Vergleich zu MPEG-2
höheren Kompressionsstufen mit diagnostisch ausreichender Qualität sind wahrscheinlich
durch die zusätzlichen objektorientierten Methoden der zeitlichen Datenreduktion
bedingt.
Durch das auf einer Aufteilung der Bildfläche in verschiedene Blöcke beruhende
Prinzip sind auch bei diesen Verfahren in höheren Kompressionsstufen blockartige
Artefakte zu bemerken, die den Einsatz ab einer gewissen Datenreduktion limitieren.
Zudem läßt der DivX-Codec in seiner jetzigen Form unter einen Faktor von ungefähr
30:1 hinausgehende Kompressionen nicht zu. Es ist anzunehmen, dass bei der Möglichkeit,
eine noch geringere Kompressionsstufe zu wählen, auch der in der vorliegenden
Arbeit Anteil von 14 % Anteil an Bewertungen, die nur mit der Qualität des
Originals zufrieden waren, niedriger läge.
Der OpenDivX-Codec befindet sich noch in einem Entwicklungsstadium, was insbesondere
durch einen leichten Farbfehler in der Codierung zum Ausdruck kommt.
Davon abgesehen liefert er ähnliche Resultate wie der DivX-Codec. Deskriptiv liegt
das mögliche Kompressionsniveau etwas unter dem des DivX-Codecs. Da beide
Codecs auf einer Kodierung und Decodierung im Farbraum beruhen, wäre eine
Anpassung durch Wahl einer 8-Bit-Graustufenskala für medizinische Zwecke wünschenswert.
Diese ist in den jetzigen Versionen jedoch nicht verfügbar. Untersu-

Diskussion 75
chungen zur Eignung dieser MPEG-4-basierten Kompressionsverfahren für angiographische
Untersuchungen lagen bisher nicht vor.
Das von der Firma Real Networks Inc. entwickelte RealVideo 8 bietet die Möglichkeit
hoher Kompressionsstufen. So wurde mit einem Kompressionsfaktor von
126:1 für dieses Verfahren die Einzelbewertung mit der höchsten Komprimierung
bei diagnostisch ausreichender Bildqualität abgegeben.
Allerdings waren 31% der Bewertungen nur mit dem unkomprimierte Original zufrieden,
so dass sich der Einsatz für Archivierungs- oder telemedizinische Zwecke
nicht anbietet. Auch in niedrigen Kompressionsstufen finden sich Artefakte in Form
von Verschwimmen anatomischer Strukturen und Darstellung artifizieller Doppelkonturen.
Außerdem bietet das Verfahren nur 7 unterschiedliche Kompressionsvarianten
an, so dass eine geringgradigere Kompression als 32:1 nicht zu realisieren ist.
Ein mögliches Einsatzgebiet besteht aufgrund der potentiell niedrigen Datenrate in
Internetpräsentationen, bei denen keine detailgetreue Wiedergabe gefordert ist. In der
Literatur finden sich bisher keine weiteren Untersuchungen zur Eignung dieses Verfahrens.
Das Verfahren Windows Media Video 8 ermöglicht ebenfalls eine recht hohe
Datenkompression. Die beiden mittleren Quartile der Bewertungen wurden mit
Kompressionen zwischen 21:1 und 32:1 belegt. Die Beschränkung des Codecs zeigt
eine mit 20% relativ hohe Anzahl an Bewertungen, die keiner der Kompressionsstufen
eine ausreichende diagnostische Qualität zubilligten.
Ebenfalls als reiner Videokompressionsalgorithmus ist der Sorenson-Codec in
seiner Version 2 konzipiert. Dieser fällt in seiner Bildqualität jedoch selbst bei Kompressionsstufen,
in denen auch die Standbildkompressionsalgorithmen eine gute
Darstellungsqualität liefern, deutlich zurück. In 55 % der Bewertungen attestierten
die Begutachter selbst bei niedrigster Kompressionsstufe keine diagnostisch ausreichende
Bildqualität. Den freien Kommentaren der Nachbetrachtung nach zu urteilen,
liegt diese Bewertung an bis in die niedrigen Kompressionsstufe hinein deutlich
sichtbaren Blockartefakten, die die Abgrenzung anatomischer Grenzstrukturen erschweren,
sowie artifiziellen Verschwinden von vorhandenen Gefäßverläufen. Die
Untersuchungsergebnisse sprechen somit gegen eine Verwendung dieses Kompressi-

76 Diskussion
onsverfahrens im angiographischen Bereich.
4.3 Vergleich der Verfahren
In der vorliegenden Untersuchung sind erstmalig moderne Videokompressionsalgorithmen
auf Ihre Eignung zur Bilddatenreduktion kardioangiographischer Filmsequenzen
getestet und mit dem etablierten Einzelbildkompressionsverfahren der Joint
Photographic Experts Group (JPEG) verglichen worden. Außerdem wurde eine erste
Umsetzung des neueren JPEG-Standards JPEG 2000 untersucht.
Wie im vorangehenden Abschnitt erwähnt ließ sich hinsichtlich der bei diagnostisch
ausreichender Bildqualität möglichen Kompressionsrate keine signifikante Steigerung
der Datenreduktion durch das JPEG 2000-Verfahren gegenüber dem konventionellen
JPEG-Standard nachweisen. Es konnten im Gegenteil sogar bei vereinzelten
angiographischen Szenarien störende Artefakte bis in niedrige Kompressionstufen
beobachtet werden, die vermutlich auf durch den Algorithmus induzierten Interferenzen
der Wavelet-Transformation bei Bildserien beruhen. Vorhergehende Untersuchungen
von Standbildern hatten einen Trend zu niedrigeren Speicherbedarf bei
gleichbleibender Bildqualität gezeigt [8]. Nach den Ergebnissen der hier beschriebenen
Begutachtung scheint bei Kompressionsfaktoren zwischen 9:1 und 19:1 mit dem
JPEG-Verfahren eine hinreichende diagnostische Bildqualität für Herzkathetersequenzen
gewährleistet.
Aufgrund der unterschiedlichen Skalierbarkeit der getesteten Videokompressionsverfahren
konnte ein Vergleich genau gleicher Kompressionsstufen bei den anderen
Codecs nicht stattfinden. Die Auswertung der vorliegenden Testergebnisse zeigt
jedoch, dass alle auf dem MPEG-4-Standard beruhenden Verfahren eine über die
durch Einzelbildkompression mögliche Datenreduktion bis in den Bereich von 35:1
gewährleisten können. Von den untersuchten Codecs schien der DivX-Codec am
geeignetsten. Allerdings limitieren die im vorigen Abschnitt beschriebenen
Einschränkungen einen Einsatz als einziges Archivierungsformat.
Die anderen hier getesteten Videokompressionsalgorithmen ließen zu große Abstriche
in der Bildqualität erkennen, so dass ihr Einsatz außerhalb von Präsentationen
oder Studienzwecken nicht gerechtfertigt sein dürfte.

Diskussion 77
4.4 Ausblick zur weiteren Anwendung von
Videokompressionsverfahren in der invasiven kardiologischen
Diagnostik
Die MPEG-4-basierenden Videokompressionsverfahren zeigten in dieser Untersuchung
in der Anwendung auf koronarangiographische Filmsequenzen die vielversprechendsten
Möglichkeiten. Unter Beibehaltung einer diagnostisch ausreichenden
Bildqualität erzielten sie deutlich über die konventionellen Einzelbildverfahren hinausgehenden
Datenkompressionen.
Die noch bestehenden qualitativen Beschränkungen, die einem Einsatz als primäres
Archivierungsformat entgegenstehen, dürften mit der zunehmenden Verfeinerung
und Skalierbarkeit der Verfahren kleiner werden (z. B. Anpassung des kodierten
Farbraumes an die Grauwertskala radiographischer Darstellungen, Weiterentwicklung
der objektbasierten Kompressionsmethoden).
Ein Vorteil des MPEG-4-basierten Videocodecs liegt in seiner Unabhängigkeit von
einzelnen proprietären Multimedia-Architekturen. So ist auf jedem marktgängigen
Personal Computer mit ausreichender Rechenleistung, der unter modernen Windows-Betriebsystemen
betrieben wird, nach Installation des Codecs ein Abspielen
der Filme mit dem in Windows integrierten Medienplayer möglich. Dieses eröffnet
ein weites Spektrum von Anwendungen, wie die schnelle Verfügbarkeit der Bilddaten
auf Stationsrechnern eines Kliniknetzwerks [28] zur Ergänzung der klinischen
Visite.
Außerdem können zeitnahe Befundpräsentationen über weiträumige Netzwerke wie
das Internet durchgeführt werden. Die Übermittlung eines Herzkatheterfilmes bei
einer Datenkompression von 35:1 benötigt über einen ADSL-Internetanschluß bei
optimalen Bedingungen weniger als eine Minute. Gerade im Hinblick auf zukünftige
qualitätssichernde und telemedizinische Applikationen eröffnen sich hier vielfältige
Anwendungsmöglichkeiten.
Zur Ermittlung geeigneter Kompressionsraten ist ein weiterer quantifizierbarer,
statistisch aussagekräftiger Vergleich zwischen dem JPEG-Verfahren und der
MPEG-4-Videokompression notwendig.

78 Diskussion

Zusammenfassung 79
5 Zusammenfassung
In den Herzkatheterlaboren hat die digitale Aufzeichnung die Befundarchivierung
auf analogen Filmbändern weitestgehend verdrängt. Die Vorteile der digitalen Archivierung
liegen in einer einfacheren Handhabung und der Möglichkeit, die gewonnenen
Informationen verlustfrei zu vervielfältigen.
Allerdings fallen bei der digitalen Speicherung sehr große Datenmengen an, die
bisher einer weiträumigen Nutzung weiterer Vorteile der Digitalisierung wie datenbankgestützter
Filmzugriffe in einem Kliniknetzwerk oder telemedizinischen Applikationen
entgegenstehen.
Durch den für medizinische Bilddaten geschaffenen Standard DICOM werden bisher
nur verlustlose Kompressionsmethoden unterstützt, die allenfalls eine Reduktion der
Datenmenge um den Faktor 2,5:1 realisieren können. Der zunehmende Bedarf, die in
Herzkatheteruntersuchungen gewonnenen Informationen auch in lokalen oder weiträumigen
Netzwerken zugänglich zu machen, wirft die Frage nach Möglichkeiten
einer noch weitergehenderen Datenkompression unter Wahrung der erforderlichen
Bildqualität auf. Erste Untersuchungen weisen darauf hin, dass mit Verfahren der
Einzelbildkompression eine Reduktion der Datenmenge um den Faktor 10 bis 15
ohne relevanten Bildqualitätsverlust möglich ist.
Die vorliegende Untersuchung ging der Frage nach, inwieweit mit den im Zuge der
Internettechnologie entwickelten Videokompressionsverfahren, die im Gegensatz zu
den Einzelbildverfahren auch zeitlich redundante Bildinformationen zur Datenkompression
nutzen, höhere Kompressionsraten bei diagnostisch ausreichender Bildqualität
realisiert werden können. Zudem wurden die Kompressionseigenschaften eines
neuen Einzelbildverfahrens (JPEG 2000) getestet, das auf der Wavelet-Transformation
statt der herkömmlichen Kosinus-Transformation beruht.
Das Versuchsdesign ermöglichte 10 invasiv erfahrenen Kardiologen, eine qualitative
Bewertung der in 8 verschiedenen Kompressionsverfahren bearbeiteten koronarangio-
und ventrikulographischen Sequenzen vorzunehmen. Durch Programmierung
einer HTML-Oberfläche und Schnittstelle zu einem Datenbankserver standen die
Ergebnisse der einzelnen Untersucher unmittelbar zur weiteren Aufbereitung zur
Verfügung.

80 Zusammenfassung
Ein statistisch signifikanter Unterschied bestand in der noch als diagnostisch ausreichend
bewerteten Kompression aller Verfahren zwischen den Subgruppen der erfahreneren
(> 2500 Herzkatheterprozeduren) und weniger erfahreneren (< 2500
Prozeduren) Begutachter. Die erfahreneren Gutachter bewerteten über alle Verfahren
hinweg höher komprimierte Filmschleifen als von diagnostisch ausreichender Bildqualität
als die weniger erfahreneren Untersucher (p < 0,001).
Es konnte kein statistisch signifikanter Unterschied zwischen dem JPEG- und dem
neueren JPEG 2000-Verfahren anhand der vorliegenden Daten nachgewiesen werden.
Hinsichtlich der mit den Einzelbildverfahren (JPEG, JPEG 2000) unter der Wahrung
einer ausreichenden Bildqualität möglichen Bilddatenreduktion bestätigte die vorliegende
Untersuchung die bisherige Datenlage. Die Grenzen der möglichen Kompression
lagen nach den Bewertungen zwischen 9:1 und 19:1.
Mit den neueren auf dem Moving Picture Experts Group(MPEG)-4-Standard beruhenden
Videokompressionsalgorithmen erscheint nach den Bewertungen der Untersucher
eine noch weitergehende Datenreduktion bei vergleichbarer Bildqualität
möglich. Die am häufigsten als geeignet bewertete Kompressionsstufe in diesem
Verfahren (DivX-Codec) lag bei 35:1. Zur weiteren Evaluierung dieses Verfahrens
sind jedoch differenziertere Untersuchungen notwendig.
Die proprietären Videokompressionsverfahren einzelner Hersteller (Real Video 8,
Sorenson Video 8, Windows Media Video 8) sowie der ältere MPEG-2-Standard
konnten aufgrund einer hohen Anzahl von mit der Bildqualität selbst niedriger Kompressionsstufen
nicht zufriedenen Bewertungen in unserer Untersuchung keinen
Vorteil gegenüber etablierten Verfahren zeigen.

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Anhang A
Anhang A
Einführungstext Begutachtungsoberfläche
Untersuchung zur telemedizinischen Eignung verschiedener
Kompressionsalgorithmen im Bereich der invasiven kardiologischen
Diagnostik
Neben dem gültigen Standard DICOM zur verlustlosen Darstellung und
Archivierung digitaler Bilddaten im Bereich der invasiven kardiologischen
Diagnostik, der durch das nur geringe Ausmaß der erlaubten Datenkompression und
der damit verbundenen hohen Datenmenge für viele Bereiche digitaler
Bildübermittlung (schmalbandige lokale Netzwerke, drahtlose Übertragungswege,
Internet) nur eingeschränkt geeignet ist, existieren verschiedene offene und
kommerzielle Videokompressionsstandards, die diese Datenmenge zum Teil
erheblich reduzieren können.
Ziel der folgenden Untersuchung ist es, die Eignung dieser Verfahren für die
Datenkompression von Herzkatheterfilmen zu testen. Hierbei geht es nicht darum,
die komprimierten Bilddaten zur endgültigen Befunderstellung im Herzkatheterlabor
zu verwenden. Dieses bleibt dem gängigem verlustfreiem Standard vorbehalten.
Vielmehr soll festgestellt werden, mit welcher Kompressionsstufe eine sinnvolle
diagnostische Begutachtung im Rahmen der Möglichkeiten eines Kliniknetzwerkes
(z. B. Reevaluierung therapeutischer Entscheidungen am Krankenbett) oder
telemedizinischer Anwendungen möglich ist.
Es werden Ihnen im folgenden randomisiert 10 verschiedene Herzkathetersequenzen
präsentiert, die mittels 8 gängiger Videokompressionsverfahren bearbeitet wurden.
Mit jedem der Algorithmen wurden 6 unterschiedliche Kompressionsstufen (für die
jeweils 10 Filmsequenzen) erzeugt. Diese können Sie nacheinander durch Mausklick
auf eine entsprechenden Kommandotasten, „Vor“ und „Zurück“, aufrufen. Am Ende
der Kompressionsstufenreihe finden Sie die unkomprimierte Originalfilmsequenz.
Bitte bestimmen Sie durch Mausklick auf die Taste „Geeignet“ in jeder
Versuchsreihe (1 Filmsequenz in 6 Kompressionsstufen und 1 unkomprimiertes
Original), die Kompressionsstufe, die nach Ihrer Ansicht die im Original enthaltenen

Anhang A
diagnostischen Informationen noch in zu Diagnose- und Therapiefindung
ausreichender Qualität enthält. Bietet nach Ihrer Meinung nur das Original eine
hinreichende Qualität können Sie auch dieses als geeignet wählen. Sie können sich
die Kompressionsstufen beliebig oft durch Betätigen der „Vor“- und „Zurücktasten“
anschauen. Eine unterhalb des laufenden Filmes befindliche Steuerleiste ermöglicht
es, den Film an jeder beliebigen Stelle anzuhalten und ein Standbild zu betrachten.
Nachdem Sie sich einmal auf eine Kompressionstufe festgelegt haben, wird die
Untersuchungsumgebung die nächste Filmsequenz bzw. das nächste
Kompressionsverfahren präsentieren.
Insgesamt stehen Ihnen 80 Filmreihen mit je 7 verschieden komprimierten
Sequenzen zur Verfügung.

Anhang B
Anhang B
Quellcode der Begutachtungsoberfläche
Programmiert von Timo Warns (Offis, Oldenburg):
Codec-Studie - Ratingumgebung
var schleifen_kuerzel="01";
var codec_kuerzel="cjepg";
var dateiendung="avi";
var kompressionsstufe_kuerzel = new Array("10","20","30","40","50","60","1");
var kid = new Array("7","6","5","4","3","2","1");
var kzeiger;
var aktionen = new Array();
var datum;
function starteNeueErhebung() {
MediaPlayer.DisplayMode = 1;
kzeiger = 0;
datum = new Date();
zeigeFilmAn();
}
function zeigeFilmAn() {
fuegeAktionHinzu("START");
if (kzeiger == kid.length-1) {
MediaPlayer.FileName="file://E:/MPEG/MPEG-Studie/run"+schleifen_kuerzel+"_none.avi";
}
else {
MediaPlayer.FileName="file://E:/MPEG/MPEG-
Studie/run"+schleifen_kuerzel+"_"+codec_kuerzel+"_"+kompressionsstufe_kuerzel[kzei
ger]+"."+dateiendung;
}
}

Anhang B
function besser() {
if (kzeiger < kompressionsstufe_kuerzel.length-1) {
fuegeAktionHinzu("BESSER");
kzeiger++;
zeigeFilmAn();
}
else {
this.alert("Sie befinden sich bereits auf der letzten Stufe.");
}
}
function schlechter() {
if (kzeiger > 0) {
fuegeAktionHinzu("SCHLECHTER");
kzeiger--;
zeigeFilmAn();
}
else {
this.alert("Sie befinden sich bereits auf der letzten Stufe.");
}
}
function beendeErhebung() {
fuegeAktionHinzu("BEWERTET");
var formular = this.document.forms("daten");
formular.AktionenStr.value = "";
for (var i = 0; i < aktionen.length; i++) {
formular.AktionenStr.value = formular.AktionenStr.value + "|" +
aktionen[i].kid;
formular.AktionenStr.value = formular.AktionenStr.value + "^" +
aktionen[i].art;
formular.AktionenStr.value = formular.AktionenStr.value + "^" +
aktionen[i].vollbild;
formular.AktionenStr.value = formular.AktionenStr.value + "^" +

Anhang B
aktionen[i].frame;
formular.AktionenStr.value = formular.AktionenStr.value + "^" +
aktionen[i].datum;
}
formular.submit();
}
function fuegeAktionHinzu(aktion) {
var temp = new Object();
var dtemp = new Date();
temp.datum = Math.abs(dtemp.getTime() / 1000);
temp.kid = kid[kzeiger];
temp.art = aktion;
if (MediaPlayer.DisplaySize == 0) {
temp.vollbild = 'N';
}
else if (MediaPlayer.DisplaySize == 3) {
temp.vollbild = 'J';
}
temp.frame = MediaPlayer.CurrentPosition;
if (aktion == "LOOP NEUSTART") {
aktionen.length = aktionen.length-3;
}
aktionen[aktionen.length] = temp;
}

Anhang B
on=6,4,5,715"
standby="Loading Microsoft® Windows® Media Player components..."
type="application/x-oleobject">
onClick="schlechter()">

Anhang B
method=post>
fuegeAktionHinzu(iKeyAscii);
if (MediaPlayer.PlayState == 1) {
fuegeAktionHinzu("EINZELBILD");
}
else if (MediaPlayer.PlayState == 0) {
fuegeAktionHinzu("EINZELBILD");
}
fuegeAktionHinzu("LOOP NEUSTART");
if (lNewState == 0) {

Anhang B
fuegeAktionHinzu("STOP");
}
else if (lNewState == 1) {
fuegeAktionHinzu("PAUSE");
}
else if (lNewState == 2) {
fuegeAktionHinzu("PLAY");
}

Anhang C
Anhang C
Alter und Untersuchungszahlen der Begutachter
Rater
UntersuchungenAlter
1 3362 38
2 802 37
3 7086 40
4 7468 41
5 2964 38
6 1990 40
7 6270 42
8 2335 39
9 6277 58
10 987 37
Mittelwert 3954,1 41
Standardabweichung 2570,5 6,2

Anhang D
Anhang D
Dauer und Dateigröße der verwendeten angiographischen
Sequenzen

Danksagung
Danksagung
Mein besonderer Dank gilt Herrn Oberarzt Dr. med. Kay Kronberg für die
Anregung zum Thema dieser Arbeit, die unermüdliche Betreuung und Motivation,
ohne die diese Dissertation in dieser Form nicht zustande gekommen wäre.
Weiterhin danke ich Herrn Prof. Dr. med. G.-H. Reil für die Überlassung des
Themas, die Mitbetreuung und fachlichen Gespräche sowie sein stetes Interesse
am Zustandekommen dieser Arbeit.
Undenkbar wäre das Projekt ohne die Mithilfe meiner Kollegen aus dem
Herzkatheterlabor, die außerhalb ihrer Arbeitszeit als Begutachter der
Filmsequenzen zur Verfügung standen.
Ein besonderer Dank gilt auch Herrn Timo Warns, ohne dessen Ideen und
Programmierverständnis viele „Informatik“-Probleme dieses Projektes bis heute
ungelöst wären, sowie Herrn Dennis Heinen für die Mithilfe bei der Organisation
der Versuche.
Außerdem danke ich Herrn Marcel S. Claus, Herrn J. Riesmeier und Herrn M.
Eichelberg vom „OFFIS“ für die zahlreichen fruchtbaren Diskussionen und
Anregungen zum Thema „Bilddatenkompression und DICOM“.

Erklärung
Eidesstattliche Erklärung
Ich erkläre, dass ich die der Medizinischen Hochschule Hannover zur Promotion
eingereichte Dissertation mit dem Titel
Anwendung von Videokompressionsalgorithmen zur
Datenreduktion koronarangiographischer Untersuchungen
in der Klinik für Kardiologie des Klinikums Oldenburg unter Betreuung von
Prof. Dr. med. Gert-Hinrich Reil
mit der Unterstützung durch
Dr. med. Kay Kronberg
ohne sonstige Hilfe durchgeführt und bei der Abfassung der Dissertation keine
anderen als die dort aufgeführten Hilfsmittel benutzt habe. Ich habe diese
Dissertation bisher an keiner in- oder ausländischen Hochschule zur Promotion
eingereicht.
Weiterhin versichere ich, dass ich den beantragten Titel bisher noch nicht
erworben habe.
Ergebnisse der Dissertation wurden auf dem 18. Jahreskongress der European
Society of Cardiology und auf der 26. Herbsttagung der Deutschen Gesellschaft
für Kardiologie – Herz- und Kreislaufforschung - veröffentlicht:
Kronberg, K., Vocke, W., Warns, T., Hofmann, W., Müller-Eichelberg, A.,
Kussebi, R., Brucksch, A., Reil, G.H.: Angiographic data compression: a
comparison of different methods. Eur Heart J 2002, 23 Abstr. Suppl.: 607
Vocke, W., Warns, T., Kronberg, K., Riesmeier, J., Eichelberg, M., Claus, M.S.,
Reil, G.H.: Comparison of different video compression algorithms for
angiographic data: a web based approach. Eur Heart J 2002, 23 Abstr. Suppl.: 275
Vocke, W., Warns, T., Kronberg, K., Claus, M.S., Reil, G.H.: Darstellungsqualität
von Herzkatheterfilmen: Vergleich des konventionellen Standards der Joint
Photographic Experts Group (JPEG) mit JPEG 2000. Z Kardiol 2002, 91 Suppl. 5:
77
Oldenburg, den 19.09.2002