Methodische Untersuchungen zur Bildbearbeitung von diaphanoskopischen Streulichtbildern und deren Fusion mit anderen Modalitäten der Bildgebung

Abstract

Diese Dissertation beschreibt Anwendungen der Transilluminationsverfahren zur Identifizierung der rheumatischen Entzündung an kleinen Gelenken und der Entzündung der Nasennebenhöhlen. Es handelt sich dabei um multispektrale, optische Verfahren, die auf den physikalisch bedingten Erkenntnissen basieren, dass das Licht in gesundem und pathologischem Gewebe anders gestreut wird. Das Resultat der Durchleuchtung der Gewebe sind sog. diffuse Streulichtbilder, die vollkommen neue Informationen für die medizinische Diagnostik liefern. Diese Informationen können nur durch Anwendung der Bildbearbeitung hervorgehoben werden. Mit speziell entwickelten Bildverfahren wird den Bildern ein Skalenwert und eine Farbe zugeordnet, die das Ausmaß der Entzündung widerspiegeln. Durch diese Klassifizierung und Farbkodierung wird eine Visualisierung realisiert, die den Sehgewohnheiten der Ärzte entspricht. Die diagnostische Relevanz dieses Transilluminationsverfahrens konnte mit den etablierten klinischen Verfahren verifiziert werden. Um das wellenlängenabhängige Streuverhalten der Gewebe in einem informativen Farbbild einzubetten und die bei den Aufnahmen der Bilder entstandenen Bewegungsartefakte zu eliminieren, müssen die Bilder aufeinander registriert werden. In dieser Arbeit werden zwei Registrierungsverfahren beschrieben (rigide und elastische Registrierung). Weiterhin wird eine methodische Vorgehensweise beschrieben, um die Streulichtaufnahmen mit den Röntgenbildern zu fusionieren. Durch die Kombination dieser Modalitäten wird es einerseits möglich, die funktionellen Informationen, die die optischen Verfahren liefern, und andererseits die strukturellen und ortsabhängigen Informationen, die durch X-ray gegeben sind, in einem Bild zu vereinen. Dazu werden zahlreiche Methoden beschrieben, um die für die Thin-Plate-Spline-basierte Registrierung benötigte extrinsische Landmarker, in Form von Kanten, Gelenkmittelpunkten, Gelenkspalten sowohl in den Streulichtaufnahmen als auch in den Röntgenbildern zu extrahieren. Hierzu werden zuerst die Algorithmen zur Extraktion, zum Ausschneiden und Ausrichten der Fingerausschnitte aus den Radiogrammen vorgeschlagen. Eine der Methoden beschreibt die Bearbeitung der Röntgenbilder zur Ermittlung der Landmarker in PIP Gelenken nach der Polar Transformation der Radiogramme. Für die Diaphanoskopie der NNH werden die Algorithmen beschrieben, um die Diagnoseempfehlung zur Sinusitis herzuleiten. Dabei werden die sog. Lichtsicheln, die durch eingestrahltes Licht über dem Gaumen entstehen und mit einer CCD Kamera frontal detektiert werden, qualitativ und quantitativ beschrieben. Es wird ebenso eine Falschkodierung mit einem Scoring Wert beschrieben, dessen diagnostische Aussagekraft mit den volumetrischen Ergebnissen der CT-Aufnahmen verglichen wird. Zusätzlich werden die morphologischen Deskriptoren vorgeschlagen, um den Verlauf der Entzündung anhand der Form und Größe der Sicheln zu beschreiben. Durch den Einsatz von geeigneten Auswerteverfahren (Bildbearbeitungsmethoden) können die vorgeschlagenen Transilluminationsverfahren wertvolle Ergänzungen zu etablierten diagnostischen Methoden vor allem bei Verlaufskontrollen liefern.

This dissertation describes applications of transillumination techniques to identify rheumatoid inflammation in small joints and inflammation of the paranasal sinuses. These are multispectral, optical methods based on the physically determined knowledge that light is scattered differently in healthy and pathological tissue. The result of the diaphanoscopy of the tissues are so-called diffuse scattered light images, which provide completely new information for medical diagnostics. This information can be highlighted only by using image processing methods. With specially developed processing methods, the images are assigned a scale value and a color that reflect the extent of the inflammation. By this classification and color-coding a visualization is realized, which corresponds to the visual habits of the physicians. The diagnostic relevance of these transillumination procedures could be verified with the established clinical procedures. In order to embed the wavelength-dependent scattering behaviour of the tissues in an informative color image and to eliminate the motion artifacts created when the images were taken, the images would have to be registered on each other. In this thesis, two registration procedures are described (rigid and elastic registration). Furthermore, a methodical procedure is described to fuse the scattered light images with the X-ray images. The combination of these modalities makes it possible to combine the functional information provided by the optical methods on the one hand, and the structural and location-dependent information provided by X-ray on the other hand, into one image. For this purpose, numerous methods are described to extract the extrinsic landmarks required for thin-plate-spline-based registration in the form of edges, joint vertexes, joint gaps in the scattered light images as well as in the X-ray images. For this purpose, first the algorithms for extraction, cutting and alignment of the finger sections from the radiographs are proposed. One of the methods describes the processing of the radiographs to determine the landmarks in PIP joints after the polar transformation of the radiographs. For the diaphanoscopy of the NNH, the algorithms are described to derive the diagnostic recommendation of sinusitis. So-called light sickles, which are created by illumination of light above the palate and detected by a CCD camera from outside, are described qualitatively and quantitatively. A color-coding is also presented with a scoring value whose diagnostic significance is compared with the volumetric results of the CT images. In addition, morphological descriptors are proposed to describe the extent of inflammation using shape and size of the sickle. By using the appropriate evaluation procedures (image processing methods), the proposed transillumination procedures can provide valuable additions to established diagnostic methods, especially in follow-up examinations.