Bildverarbeitung für die Medizin: Grundlagen, Modelle, Methoden, Anwendungen

470 Pages·1997·16.3 MB·German

by  Dipl.-Ing. Thomas Lehmann

Bildverarbeitung für die Medizin
Springer
Berlin
Heidelberg
NewYork
Barcelona
Budapest
Hongkong
London
Mailand
Paris
Santa Clara
Singapur
Tokio
Thomas Lehmann • Walter Oberschelp
Erich Pelikan • Rudolf Repges
Bildverarbeitung
für die Medizin
Grundlagen, Modelle, Methoden,
Anwendungen
Mit 277 Abbildungen
, Springer
Dipl.-Ing. Thomas Lehmann
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen
Institut für Medizinische Informatik
D-52057 Aachen
E-mail: [email protected]
Univ.-Prof. Dr. rer. nato Walter Oberschelp
RWTHAachen
Lehrstuhl für angewandte Mathematik, insbesondere Informatik
D-52056 Aachen
Dr.-Ing. Erich Pelikan
Philips Medizin Systeme
Wissenschaftlich -technische Abteilung
Röntgenstraße 24, D-22335 Hamburg
Univ.-Prof. em. Dr. med. Rudolf Repges
RWTHAachen
Medizinische Fakultät
D-52057 Aachen
ISBN-13:978-3-540-61458-6
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Bildverarbeitung für die Medizin: Grundlagen, Modelle, Methoden, Anwendungen /
von Thomas Lehmann ... - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest;
Hongkong; London; Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokio: Springer. 1997
ISBN-13:978-3-540-61458-6 e-ISBN-13:978-3-642-60487-4
DOI: 10.1007/978-3-642-60487-4
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Vorwort
Seit vielen Jahren wird an der RWTH Aachen für die Studierenden der Infor
matik ein Hauptseminar zur medizinischen Bildverarbeitung angeboten. Die
Themen dieses Seminars werden ausschließlich der aktuellen wissenschaft
lichen Fachliteratur entnommen. Die Studierenden sollen lernen, die dort
vorgestellten neuen Konzepte zu durchdringen und kritisch zu hinterfragen.
Als Vorbereitung dazu wurde im Wintersemester 1993/94 von den Autoren
erstmals eine Ringvorlesung als prüfungsrelevante Lehrveranstaltung angebo
ten. Diese Ringvorlesung wird seither regelmäßig im Sommersemester an der
RWTH Aachen wiederholt und wurde 1995 und 1996 auch an der FU Berlin
gehalten.
Die Veranstaltung wendet sich insbesondere an die Studierenden der Infor
matik mit dem Nebenfach Medizin. Darüber hinaus sollen vor allem Studie
rende der Elektrotechnik und der Mathematik mit Interesse an medizinischen
Fragen sowie Mediziner mit Interesse an den Verfahren der Informatik, der
Mathematik und der Meßtechnik angesprochen werden. Ziel der Vorlesung ist
es, einen möglichst vollständigen Überblick über die Bildverarbeitung in der
Medizin für die in diesem Bereich Tätigen und Interessierten zu geben.
Das interdisziplinäre Feld der medizinischen Bildverarbeitung fordert von
den dort Arbeitenden ein hohes Maß an gegenseitigem Verständnis. Wir Au
toren haben deshalb im ersten Teil Grundlagen mit einem Kapitel über
die medizinischen Fragestellungen an die digitale Bildverarbeitung begonnen.
Jeder Nichtmediziner, der sich mit medizinischer Bildverarbeitung ausein
andersetzt, sollte mit den prinzipiellen Fragestellungen vertraut sein, nach
denen der Arzt oder Radiologe ein Bild befundet. Der Weg geht dann weiter
zu den technischen Grundlagen der Bilderzeugung. Erst aus dem Verständnis
der physikalischen Bildentstehung können effiziente Algorithmen zur Bildin
terpretation erarbeitet werden. Ebenso ist die Bildwahrnehmung durch das
visuelle System des Menschen sowohl Grundlage aller Konzepte zur optimier
ten Bilddarstellung als auch Vorlage für das Design komplexer Mustererken
nungslösungen.
Der zweite Teil dieses Textes behandelt verschiedene Modelle für medi
zinische Bilder. Unsere Ausgangssituation war die Erkenntnis, daß es (noch)
keine wissenschaftlich einheitliche und systematische Darstellung der Bildver
arbeitung für die Medizin gibt. So liegen Welten zwischen den rein mathe-
Vorwort
VI
matischen und den signal theoretischen oder den stochastischen Arbeiten zur
Bildanalyse. Dies äußert sich z.B. in der Sichtweise der Diracschen Deltafunk
tion.
Der dritte Teil Methoden behandelt Transformationsverfahren, die für
die medizinische Bildverarbeitung von besonderer Wichtigkeit sind. Dieser
Teil hat keinen Anspruch auf Vollständigkeit, vielmehr sollen die prinzipiellen
Möglichkeiten solcher "Hilfsmittel" der medizinischen Bildverarbeitung ex
emplarisch dargestellt werden. Wir haben dafür im wesentlichen die Fourier-,
Wavelet-, Radon-, Hauptachsen- und Hough-Transformation ausgewählt, es
werden aber auch andere Transformationen in diesem Buch behandelt.
Im letzten Teil werden Verfahren zur Bildkorrektur, -verbesserung und
-interpretation vorgestellt und anhand zahlreicher Bildbeispiele aus aktuellen
Projekten veranschaulicht. Dabei stehen die Anwendungen in der Medizin
im Vordergrund, die von der Speicherung und Übermittlung medizinischer
Bilder über deren Verbesserung bei fehlerhafter, gestörter und unvollständi
ger Aufnahmetechnik bis zu den letztlich für die Diagnostik entscheidenden
Fragen der Segmentierung, Mustererkennung und Klassifikation des Bildma
terials reichen.
Wir haben versucht, zwischen den von uns jeweils allein zu verantworten
den Kapiteln intensiv zu kommunizieren und die Aspekte anderer Lehrmei
nungen sorgfältig zur Sprache zu bringen. Dieser fruchtbare Dialog basierte
auf einer langjährigen Zusammenarbeit, die sich in gemeinsam durchgeführ
ten Seminaren, Diplomarbeiten und Dissertationen festigte. Ein Höhepunkt
unserer Zusammenarbeit war das Kompaktseminar Medizinische Bildverar
beitung in der Jugendherberge Monschau im Sommersemester 1993, in dem
von uns gemeinsam betreute Studierende in einer Art Probelauf die Einzel
vorlesungen zu halten versucht haben.
Selbstverständlich haben wir seither in vielen Stunden weiterer Diskus
sionen die Vorlesung Bildverarbeitung für die Medizin homogenisiert und von
Widersprüchen und Überschneidungen bereinigt. Basis dafür war das im Som
mer 1995 herausgegebene Vorlesungsskript, das in den vergangenen zwei Jah
ren wesentlich überarbeitet worden ist. Wir meinen, daß unser Text nunmehr
in einer Version vorliegt, die man als einheitlich, widerspruchsfrei, vollständig
und nichtredundant bezeichnen kann. Insbesondere glauben wir, daß die Glie
derung dieses Buches, über die am Beginn unseres Projektes erst nach langer
Diskussion Einigung erzielt werden konnte, in weiteren Überarbeitungen er
halten bleiben wird, denn sie bietet für die Gesamtthematik ein generisches
Konzept. Wir hoffen, daß der Leser aus der Lektüre des vorliegenden Buches
genau so viel Gewinn ziehen wird wie wir Autoren aus der Abfassung des
Werkes.
Vorwort Vll
Danksagung
Unser Dank gilt allen, die unsere Arbeit an diesem Buch unterstützt ha
ben. Vielen Kollegen, insbesondere Herrn Univ.-Prof. Dr. Dr. Klaus Spitzer,
RWTH Aachen und Herrn Univ.-Prof. Dr. Thomas Tolxdorff, FU Berlin,
danken wir für ihre Hilfe und für das auch in hektischen Situationen gute
Institutsklima, das dieses Werk erst ermöglicht hat.
Weiterhin bedanken wir uns bei allen, die sich in den letzen Jahren - sei
es während ihres Studiums, durch ihren Beruf oder in der Freizeit - mit dem
Text auseinandergesetzt und durch ihre Kommentare und Anmerkungen zur
Verbesserung beigetragen haben. Stellvertretend möchten wir die Teilnehmer
des Seminars Medizinische Bildvemrbeitung im Sommersemester 1993 nen
nen: Oliver Bunsen, Christof Forbrig, Uwe Gühl, Karl-Heinz Groß, Frank
Huch, Oliver Joncker, Andrea Junk, Marcus Kretzschmar, Volker Metzler,
Michael Portz, Thomas Raffelsieper, Michael Schmitz, Guido Schrörs und
Abhijit Sovakar.
Wir danken den Herren Dr. Achim Stargardt und Dr. Hans-Jürgen Kaiser,
RWTH Aachen, für die kritische Durchsicht der Kapitel 1 und 2, Frau Dipl.
Inform. Ingrid Scholl, RWTH Aachen, für ihre maßgebliche Unterstützung
bei der Konzeption und Erstellung des Kapitels 9 sowie Herrn Dipl.-Inform.
Frank Hakenstein, RWTH Aachen, für die gründliche Durchsicht dieses Ka
pitels, Herrn Dipl.-Ing. Burkhard Peters, RWTH Aachen, für die Bereit
stellung seiner Forschungsergebnisse für das Kapitel 13, Frau Dipl.-Inform.
Susan Wegner, DHZ Berlin, für das Bildmaterial, das in Kapitel 14 einge
flossen ist, und Herrn Dr. Michael Egmont-Petersen, Universität Maastricht,
für das Bildmaterial zu Kapitel 14 und das Abfassen des Abschnitts über
Qualitätsmaße in Kapitel 15. Wir danken Herrn Dipl.-Inform. Volker Metzler
- 1993 selbst noch Teilnehmer des Seminars Medizinische Bildvemrbeitung,
inzwischen wissenschaftlicher Mitarbeiter an der RWTH Aachen - für das
konsequente Korrekturlesen der Überarbeitungen.
Ganz besonders danken wir Herrn Andre Filler, Frau Ingrid Scholl und
Frau Barbi Schulz, die uns 1995 beim ersten 1:HEX-Satz des Vorlesungsskrip
tes unterstützt haben, sowie Herrn Christian Thies, der sich als studentische
Hilfskraft im letzten halben Jahr ausschließlich der Fertigstellung dieses Wer
kes gewidmet und viele Graphiken gestaltet hat.
Herrn Dr. Hans Wössner, Springer-Verlag Heidelberg, danken wir für die
Betreuung und Unterstützung vom Vorlesungsskript 1995 bis hin zu diesem
Buch. Frau Ruth Abraham, Springer-Verlag Heidelberg, danken wir für die
sprachliche Prüfung des Manuskripts.
Der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG danken wir für die Un
terstützung der Projekte Wissensbasierte Bildanalyse (To 108/3), Schielwin
kelmessung (Ef 6/3), Digitale Freihand-Subtmktionsmdiogmphie (Re 427/5,
Sp 538/1, Schm 1268/1 und Le 1108/1) und Digitale Quantitative Laryngo
skopie (Sp 538/2 und We 2147/1), aus denen zahlreiche Ergebnisse in diesen
Text eingeflossen sind.
viii Vorwort
Besonderer Dank gilt schließlich unseren Lebenspartnerinnen, die viel
Verständnis hatten, wenn es "wieder einmal später" wurde.
Aachen, im August 1997 Thomas Lehmann
Walter Oberschelp
Erich Pelikan
Rudolf Repges
Inhalts ü hersieht
Grundlagen
1. Medizinische Fragestellungen (Erich Pelikan) ........................ 5
2. Technik der Bilderzeugung (Thomas Lehmann) ..................... 21
3. Bildwahrnehmung (Erich Pelikan) ................................. 65
Modelle
4. Das Bild als diskrete Ortsbereichsfunktion (Walter Oberschelp) ..... 97
5. Das Bild als gestörtes Signal (Thomas Lehmann) ................. 123
6. Das Bild als stochastischer Prozeß (Rudolf Repges) ................ 157
Methoden
7. Selbstransformationen des Ortsraumes (Walter Oberschelp) ........ 193
Morphologische Bildverarbeitung (Thomas Lehmann) ............. 218
8. Die diskrete Fourier-Transformation (Walter Oberschelp) .......... 233
9. Die Wavelet-Transformation (Erich Pelikan und Ingrid Scholl) .... 253
10. Die Radon-Transformation (Rudolf Repges) ....................... 283
11. Die Karhunen-Loeve-Transformation (Rudolf Repges) .............. 295
12. Die Hough-Transformation (Thomas Lehmann) ................... 309
Anwendungen
13. Bildkorrektur und Bildverbesserung (Thomas Lehmann) .......... 321
14. Segmentierung (Erich Pelikan) .................................... 359
15. Klassifikation und Mustererkennung (Erich Pelikan) .............. 395
Inhaltsverzeichnis
Schreibweisen und Notationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. Medizinische Fragestellungen für den Einsatz
bildgebender Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1 Grundlagen statistischer Bewertungsverfahren in der Medizin. 6
1.2 Einsatzgebiete bildgebender Diagnostik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Radiologische Skelettdiagnostik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
1.2.2 Thorax-Untersuchung............................. 15
1.2.3 Untersuchung des Abdomen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16
1.3 Abschlußbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18
2. Technik der Bilderzeugung in der medizinischen Diagnostik 21
2.1 Physikalische Grundlagen der bildgebenden Verfahren. . . . . .. 21
2.1.1 Das Bohrsche Atommodell.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
2.1.2 Strahlung....................................... 24
2.1.3 Elektromagnetische Wellen ........................ 26
2.1.4 Röntgenstrahlung ................................ 27
2.1.5 Lumineszenz..................................... 31
2.1.6 Kernspin........................................ 32
2.1.7 Schallwellen..................................... 36
2.2 Technische Realisierungen der bildgebenden Verfahren. . . . . .. 40
2.2.1 Röntgenaufnahme................................ 40
2.2.2 Durchleuchtung.................................. 45
2.2.3 Mammographie.................................. 45
2.2.4 Angiographie.................................... 46
2.2.5 Röntgentomographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47
2.2.6 Computertomographie............................ 49
2.2.7 Szintigraphie..................................... 52
2.2.8 Kernspintomographie (MR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
2.2.9 Sonographie..................................... 59
3. Physiologische und psychologische Grundlagen
der Bildwahrnehmung .................................... 65
3.1 Aufbau und Funktion des Sehapparates . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65