Digitale Bildverarbeitung in der Medizin:
Gespeichert in:
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Aachen
Shaker
1999
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Berichte aus der medizinischen Informatik und Bioinformatik
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Literaturverz. S. 289 - 292 |
| Beschreibung: | 305 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 3826562127 |
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|---|---|
| adam_text | 1 Einleitung 1
Bilder in der Medizin
2 Bilder als Informationsquelle und Medium in der Medizin 2
2.1 Rolle der Bilder in der Medizin 2
2.1.1 Bilder als Informationsquelle: Bildgebende Verfahren 2
2.1.1.1 Das tomographische Abbildungsverfahren 3
2.1.1.1.1 Tomographisches Rekonstruktionsprinzip 3
2.1.1.1.2 Computertomographie 8
2.1.1.1.3 Kernspintomographie 9
2.1.1.1.3.1 Ausrichtung von Atomkernen in einem äußeren
Magnetfeld 10
2.1.1.1.3.2 Relaxation der Atomkerne 11
2.1.1.1.3.3 Bildgebung 13
2.1.1.1.4 Tomographie mit Radioisotopen 16
2.1.1.1.4.1 Meßprinzip 17
2.1.1.1.4.2 Single Photon Emission Computer Tomographie 17
2.1.1.1.4.3 Positron Emission Tomographie 18
2.1.1.1.5 Sonographie 19
2.1.1.1.5.1 Ausbreitung von Ultraschallwellen im Gewebe 19
2.1.1.1.5.2 Reflexion von Ultraschallwellen 20
2.1.1.1.5.3 Signalmessung und Bilddarstellung 21
2.1.1.2 Mikroskopische Abbildung 22
2.1.2 Bilder als Informationsmedium 23
2.1.2.1 Medium zur Interpretation 25
2.1.2.2 Medium zur Informationsübertragung 25
2.2 Bedeutung der Bildverarbeitung in der Medizin 27
2.3 Beispiele für Bildverarbeitung in der Medizin 28
2.4 Überblick über die Bildverarbeitungsoperationen in der Medizin 29
Mathematische Darstellung und Eigenschaften von Bildern
3 Mathematische Darstellung von Bildern 33
3.1 Bilder als kontinuierliche Funktionen 33
3.2 Bilder als diskrete Funktionen im Ortsraum 34
3.3 Darstellung der Bilder im Frequenzraum 36
3.3.1 Bilder im Frequenzraum 39
3.3.2 Fouriertransformation von Bildern 40
3.3.3 Eigenschaften der Fouriertransformation 42
3.3.3.1 Beziehungen zwischen Operationen im Ortsraum und Frequenzraum 42
3.3.3.2 Eigenschaften der Basisvektoren und Fourierkoeffizienten 43
3.3.3.3 Beziehung zwischen Mittelwert und Nullfrequenz 45
3.3.4 Zusammenhang zwischen Ortsbereich und Frequenzbereich 45
3.3.4.1 Faltung von Funktionen 45
3.3.4.2 Faltungssatz 46
3.3.4.3 Zusammenhang zwischen Orts und Frequenzraum 46
3.4 Eigenschaften der Bilder 47
3.4.1 Ortsauflösung 47
3.4.2 Graustufenauflösung 47
3.4.3 Beziehungen zwischen Pixel 48
3.4.3.1 Nachbarschaftsrelationen 48
3.4.3.2 Distanzen zwischen Pixel 49
3.4.4 Bildstrukturen 50
3.4.5 Bildobjekte und Hintergrund 51
3.4.6 Statistische Eigenschaften der Bilder 52
3.4.6.1 Mittelwert (mittlerer Grauwert) 52
3.4.6.2 Mittlere quadratische Abweichung (Streuung) 52
3.5 Einteilung der Bilder 53
3.5.1 Binärbilder 53
3.5.2 Graubilder 53
3.5.3 Farbbilder 53
3.5.4 Mehrkanalbilder 54
3.5.5 3 D Bilder 54
3.6 Bildfolgen 55
4 Erste Hilfsmittel für die Analyse von Bildern 56
4.1 Histogramm (Grauwerthäufigkeit) 57
4.1.1 Histogrammformen: Grauwertverteilungen 58
4.1.2 Histogrammschwerpunkt und mittlere quadratische Abweichung 60
4.2 Grauwertübergangsmatrix (Oberflächenstruktur) 62
4.3 Entropie (Informationsgehalt) 65
Bildverarbeitung
5 Einteilung der Bildverarbeitungsoperationen 68
5.1 Mathematische Operationen auf Bilder 68
5.2 Einteilung der Operationen 70
5.2.1 Operationen auf Grauwerte 71
5.2.1.1 Zahl der berücksichtigten Pixel 72
5.2.1.2 Einteilung nach Linearitat 72
5.2.1.3 Art der Operation 72
5.2.2 Geometrische Operationen 72
5.2.3 Operationen zwischen Bildern 73
5.3 Gliederung der Bildverarbeitungsoperationen in Anwendungsgebiete 74
Bildaufbereitung
6 Bildverbesserung 77
6.1 Physiologie des Sehens 77
6.1.1 Ortsauflösung 78
6.1.2 Kontrastauflösung 78
6.1.3 Farbempfindung 79
6.2 Bildgüte bei medizinischen Bildern 79
6.2.1 Diagnostische Tests . 79
6.2.2 ROC Kurven 80
6.3 Allgemeine Anmerkungen zur Bildverbesserung 81
7 Bildskalierung 82
7.1 Medizinische Motivation 82
7.2 Skalierungsfunktion 83
7.2.1 Stückweise lineare Skalierung 84
7.2.2 Spezielle Skalierungsfunktionen 87
7.2.3 Lineares Dehnen und Clipping 89
7.3 Histogrammeinebnung 90
8 Bildfilterung 94
8.1 Medizinische Motivation 94
8.2 Filterung im Ortsbereich 96
8.2.1 Filter als Faltungsoperation 96
8.2.1.1 Filter zur Bildglättung 101
8.2.1.2 Filter zur Kantenanhebung 102
8.2.1.2.1 Ableitungsfilter 1. Ordnung 102
8.2.1.2.2 Laplacefilter (Ableitung 2. Ordnung) 105
8.2.1.2.3 Unscharfe Maske 106
8.2.1.2.4 Marr Hildreth Operator 107
8.2.1.3 Inverse Filterung und Bildrestaurierung 109
8.2.2 Filter als Rangordnungsoperationen 110
8.2.2.1 Medianfilter 111
8.2.2.2 Morphologische Filter 111
8.2.2.2.1 Morphologische Grundoperationen 112
8.2.2.2.2 Zusammengesetzte morphologische Operationen 112
8.2.2.2.3 Morphologische Glättung 113
8.2.2.2.4 Morphologische Kantenextraktion 113
8.3 Filterung im Frequenzbereich 117
8.3.1 Zusammenhang zwischen den Filtern im Orts und Frequenzbereich 117
8.3.2 Ideale Filter 119
8.3.3 Butterworthfilter 120
9 Geometrische Bildtransformationen und Bildfiberlagerungen 123
9.1 Medizinische Motivation 123
9.2 Geometrische Bildtransformation 124
9.2.1 Affine Abbildungen 124
9.2.1.1 Paßpunktmethode 124
9.2.1.2 Normalgleichungen 125
9.2.1.3 Interpolation der Grauwerte 126
9.2.2 Spezielle geometrische Transformationen 127
9.2.2.1 Geometrische Skalierung 127
9.2.2.2 Translation (Verschiebung) 128
9.2.2.3 Rotation (Drehung) 128
9.3 Bildüberlagerung 128
9.3.1 Gleichzeitige Darstellung von Bildern verschiedener bildgebender Verfahren... 128
9.3.2 Überlagerung von Echobildern und parameterselektiven Bildern in der
Kernspintomographie 129
9.3.3 Funktionsbilder 130
9.3.4 Subtraktionsangiographie 131
10 Falschfarbendarstellung 134
10.1 Medizinische Motivation 134
10.2 Farbmodelle 135
10.2.1 Physikalisch technische Farbmodelle 135
10.2.1.1 RGB Farbmodell 135
10.2.1.2 CM Y Farbmodell 136
10.2.2 Wahrnehmungsorientiertes Modell 137
10.2.3 Zusammenhang zwischen physikalisch technischen Modellen und dem
wahrnehmungsorientierten Modell 138
10.3 Falschfarbenkodierung 140
10.3.1 Farbkodierung im Ortsraum 140
10.3.2 Farbkodierung im Frequenzraum 141
nSepmentierunf? .... 144
11.1 Medizinische Motivation 145
11.2 Punktorientierte Verfahren 146
11.2.1 Schwellwertverfahren 146
11.2.2 Region growing 148
11.3 Kantenorientierte Verfahren 149
11.3.1 Kantenextraktion 150
11.3.2 Konturverkettung 150
11.3.2.1 Lokale Verkettung 150
11.3.2.2 Globale Verkettung 151
Rekonstruktionen
12 Dreidimensionale Rekonstruktionen 156
12.1 Räumliches Sehen 156
12.2 Medizinische Motivation 156
12.3 Multiplanare Rekonstruktionen 158
12.4 Rekonstruktion und Darstellung des 3 D Objektes 159
12.4.1 Rekonstruktion des 3 D Objektes 160
12.4.2 Speicherung des Datenobjektes 162
12.4.3 Darstellung am Bildschirm 163
12.4.3.1 Projektion auf den Bildschirm 163
12.4.3.2 Räumliche Darstellung 165
12.5 Virtuelle Realität 167
12.5.1 Virtuelle Reisen durch den menschlichen Körper 169
12.5.2 Beispiele für den Einsatz von virtueller Realität in der Medizin 170
12.5.3 Anforderungen an ein Simulations und Trainingssystem für
medizinische Zwecke 170
13 Rekonstruktion von Bewegungen 172
13.1 Medizinische Motivation 172
13.2 Bewegungen in zeitlichen Bildfolgen 172
13.3 Bestimmung und Darstellung von Bewegungen 173
13.3.1 Bestimmung der Verschiebungsvektoren 174
13.3.2 Bestimmung des Verschiebungsvektorfeldes 175
13.3.3 Interpretation von Bewegungen 175
Automatische Bildauswertung
14 Merkmalsextraktion, Klassifikation und Interpretation 178
14.1 Optische Wahrnehmung und optisches Gedächnis 178
14.2 Überblick über die einzelnen Schritte bei der automatischen Bildauswertung 179
14.3 Automatische Bildauswertung am Beispiel des Blutbildes 180
14.3.1 Blutbild 180
14.3.2 Medizinische Fragestellungen 182
14.3.3 Automatische Blutbildanalyse 183
14.4 Bildvorverarbeitung und Segmentation 184
14.4.1 Bildvorverarbeitung 184
14.4.2 Segmentation von Zellkern und Zellplasma 185
14.4.3 Isolierung einzelner Zellkerne und Zellplasmen 186
14.5 Merkmalsextraktion 187
14.5.1 Form der Objekte 188
14.5.1.1 Kodierung der Kontur eines Objektes als Richtungskette 188
14.5.1.2 Grundmerkmale 190
14.5.1.3 Abgeleitete Formmerkmale 192
14.5.1.4 Formmerkmale bei Blutkörperchen 194
14.5.2 Textur der Objekte 195
14.5.2.1 Maskieren des Objektes im Bild 196
14.5.2.2 Hervorheben der Textur durch Kantenfilter 196
14.5.2.3 Statistische Texturmcrkmale 196
14.5.2.4 Analytische Texturmerkmale 200
14.5.2.5 Texturmerkmale bei Blutkörperchen 202
14.5.3 Invariante Merkmale 202
14.5.4 Merkmalsraum 202
14.6 Klassifikation 204
14.6.1 Auswahl der relevanten Merkmale 205
14.6.2 Relevante Merkmale von Leukozyten 206
14.6.3 Bestimmung der Populationen (Objektklassen) im Merkmalsraum 206
14.6.3.1 Klassenbildung durch Ermittelung von Stichproben 207
14.6.3.2 Automatische Klassenbildung durch Clusterbildung 207
14.6.4 Zuordnung der Objekte zu den Objektklassen 209
14.6.4.1 Minimum Distance Klassifikator 209
14.6.4.1.1 Aufbau des Algorithmus 210
14.6.4.1.2 Zurückweisungsklasse 210
14.6.4.2 Maximum Likelihood Klassifikator 211
14.7 Interpretation 212
14.7.1 Künstliche Intelligenz: Begriffsbestimmung 213
14.7.2 Mechanismen der künstlichen Intelligenz 214
14.7.3 Repräsentation der Objekte 217
14.7.3.1 Semantische Neue und Frames: Repräsentation von Fachwissen 218
14.7.3.2 Produktionssysteme: Repräsentation von
Schlußfolgerungsmechanismen 222
14.7.3.3 Logische Repräsentation und diagnostisches Schließen 225
14.7.4 Expertensysteme 226
Bildverarbeitung Infrastruktur
15 Bildarchivierung und Kommunikation in der Medizin 229
15.1 PACS Komponenten 229
15.1.1 Bildgebende Geräte 230
15.1.2 Bildbearbeitungskonsolen 230
15.1.3 Archiveinheiten 232
15.1.4 Netzwerke 233
15.1.4.1 Lokale Netze 233
15.1.4.2 Übertragungsprotokolle 234
15.1.4.3 Weitverkehrsnetze 237
15.2 PACS Funktionalität 238
15.3 Bildkompression 239
15.3.1 Motivation 239
15.3.2 Bildinformation und Datenaufwand 240
15.3.3 Redundanz 241
15.3.3.1 Kodierungsredundanz 241
15.3.3.2 Interpixelredundanz 242
15.3.4 Kompressionsmodell 242
15.3.5 Verlustfreie Kompression 243
15.3.5.1 Variable Längenkodierung 243
15.3.5.1.1 Prinzip 243
15.3.5.1.2 Huffman Kodierung 244
15.3.5.2 Lauflängenkodierung 245
15.3.5.3 Prädiktive Kodierung 246
15.3.6 Verlustbehaftete Kompression 247
15.3.6.1 Gütekriterien für komprimierte Bilder 247
15.3.6.1.1 Objektive Gütekriterien 247
15.3.6.1.2 Subjektive Gütekriterien 248
15.3.6.2 Verlustbehaftete prädiktive Kodierung 248
15.3.6.3 Transformationskodierung 249
15.3.6.4 Wavelets 249
15.3.6.4.1 Vorteile der Kompression mit Wavelets 249
15.3.6.4.2 Wavelet Transformation 250
15.3.6.4.3 Bildkompression 253
15.4 Bild und Kommunikationsstandard in der Medizin 255
15.4.1 DICOM Kommunikation 255
15.4.2 DICOM Informationsmodell 256
15.4.3 DICOM Datenstrukturen 258
15.4.4 DICOM Messages 260
15.4.5 Beispiel für eine DICOM Kommunikation 261
15.4.6 DICOM Conformance Statement 262
15.4.7 DICOM Implementierung 263
Anhang
A Analyse des Abtastvorganges 265
B Mathematische Morphologie 267
B.l Mengenoperationen auf Bilder 267
B.2 Bildobjekte und Objektränder 269
B.3 Morphologische Grundoperationen: Dilatation und Erosion des Binärbildes 270
B.3.1 Das strukturierende Element 270
B.3.2 Definition der Dilatation und der Erosion 270
B.3.3 Algebraische Eigenschaften der Dilatation und der Erosion 273
B.4 Opening und Closing von Bildern 274
B.5 Algorithmen der mathematischen Morphologie 275
B.5.1 Morphologische Kantenextraktion 276
B.5.2 Hit or miss Transformation und Objekterkennung 276
B.5.3 Grassfire Operation und Objekt Extraktion 278
B.5.4 Die Methode der letzten Erosion 279
B.5.5 Skelettierung und Formbeschreibung 281
C Bilder als Baumstrukturen 282
C.l Aufbau einer Baumstruktur 282
C.2 Repräsentation eines Bildes als Baumstruktur 282
C.2.1 Zerlegung des Bildes in eine Baumstruktur 282
C.2.2 Kodierung der Baumstruktur 283
D Neuronale Netze 284
D.l Schaltelemente 284
D.2 Feedforward Netze 284
D.2.1 Das Backpropagation Verfahren 286
D.2.2 Kohonen Netze 286
E Farbtafel 287
Literaturverzeichnis 289
Sachregister 293
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| author | Wiltgen, Marco |
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