Formanalyse in Verbindung mit Rekonstruktionstechniken

Daten aus Kooperationen mit Formanalyse und Rekonstruktion Daten aus Kooperationen mit Alex Sawatzky, Christoph Brune, Thomas Kösters, Frank Wübbeling, Martin Benning (WWU Münster) Klaus Schäfers, Carsten Wolters (UKM Münster) Klaus Frick, Otmar Scherzer (Innsbruck) Stan Osher (UCLA) 23.5.2008

Formanalyse und Rekonstruktion Bildrekonstruktion mit verschiedenen Verfahren (PET, CT, MR, Ultraschall, …) basiert auf indirekter Information Klassische Aufzeichung und Analyse in Schichten Moderne Verfahren direkt 3D (4D) 23.5.2008

Formanalyse und Rekonstruktion Bildrekonstruktion Klassische Rekonstruktion liefert Bilder aus denen die Form gefunden werden muss. Direkte Formanalyse aus den Rohdaten selten möglich (nur MR und Sono) Erster Ansatz: Bildrekonstruktion, danach Formanalyse In manchen Fällen müssen beide gekoppelt werden 23.5.2008

Aufgaben der Formanalyse Formanalyse und Rekonstruktion Aufgaben der Formanalyse Segmentierung: Automatisches Auffinden der Form des Körpers / Form von Organen Glättung: Verbesserung der Oberflächen (Entfernung von Rauschen) Klassifizierung: Automatische Einteilung der Oberflächen in Gebiete mit ähnlichen Eigenschaften (Normalenrichtungen, Krümmungen, ..) 23.5.2008

Nutzen der Formanalyse Formanalyse und Rekonstruktion Nutzen der Formanalyse Direktes Interesse an rekonstruierter Form und Grösse: Bsp. Tumordetektion Input für weitere Analyse und Simulation: Bsp. Form von Schädel, weisser und grauer Masse für Simulation elektrischer Hirnaktivität, Form von Arterien für Blutfluss-Simulation Input für weitere Diagnostik / Auflösungsverbesserung: Bsp. Anatomische Information (aus CT oder MR) in funktioneller Bildgebung (PET) 23.5.2008

Segmentierung aus MR-Daten (analog CT) Formanalyse und Rekonstruktion Segmentierung aus MR-Daten (analog CT) Gute Bildqualität, Rekonstruktion sehr direkt Segmentierungsalgorithmen können direkt angewendet werden Gewichtung des MR-Bildes muss berücksichtigt werden 23.5.2008

Schädel-Segmentierung aus MR-PD Formanalyse und Rekonstruktion Schädel-Segmentierung aus MR-PD 23.5.2008

Formanalyse und Rekonstruktion 3d MR Segmentierung 23.5.2008

Segmentierungsalgorithmen Formanalyse und Rekonstruktion Segmentierungsalgorithmen Moderne Segmentierungsalgorithmen basieren auf Suche nach Oberflächen (Kurven), die Energie minimieren Energie besteht aus zwei Summanden Bild-basierter Term (Daten-fit) mit hoher Gewichtung. Entspricht Volumsmaß innerhalb der Oberfläche Glättungsterm, typischerweise Fläche / Länge: vermeidet, dass verrauschte Punkte mitsegmentiert werden, liefert automatisch glatte Oberflächen 23.5.2008

Segmentierungsalgorithmen Formanalyse und Rekonstruktion Segmentierungsalgorithmen Funktioniert perfekt für glatte Strukturen Probleme bei dünnen oder nichtglatten Strukturen Bsp. Sulci in T1-MR Bildern 23.5.2008

Formanalyse und Rekonstruktion MR Resultate 23.5.2008

Segmentierungsalgorithmen Formanalyse und Rekonstruktion Segmentierungsalgorithmen Lösung durch angepasste Regularisierungsmethoden Zweiter Term in der Energie angepasst an a-priori Wissen über Strukturen – z.B. anisotropes Maß der Oberfläche / Länge (relativ klein für dünne Strukturen) Maß muss lokal adaptiv angepasst werden, z.B. an Normalenrichtungen der Oberfläche – iterativer Algorithmus 23.5.2008

Formanalyse und Rekonstruktion Adaptive Anisotropie 23.5.2008

Formanalyse und Rekonstruktion Adaptive Anisotropie 23.5.2008

MR-Angiographie Analoges Problem bei Angiographie: Passende anisotrope Formanalyse und Rekonstruktion MR-Angiographie Analoges Problem bei Angiographie: Passende anisotrope Regularisierung verhindert Löcher in segmentierten Arterien (die nur durch Rauschen erscheinen) Nemitz et al 06 23.5.2008

Oberflächenklassifizierung Formanalyse und Rekonstruktion Oberflächenklassifizierung Adaptive Anpassung der Normalenrichtung (analog für Krümmungen) liefert auch Klassifizierungen der Oberfläche Aufteilung der Oberfläche nach typischen Normalenrichtungen: Wichtig in der Neurologie für weitere EEG/MEG Auswertungen (Quellaktivität in Sulci passiert durch Dipole in Normalenrichtung) 23.5.2008

Molekulare Bildgebung: PET Formanalyse und Rekonstruktion Molekulare Bildgebung: PET Bildgebung auf molekularer Ebene, funktional und quantitativ Beispiel Positron-Emission-Tomography Externe Messung basierend auf radioaktiven Zerfallsdaten Zerfallsevents zufällig, aber Rate proportional zur Dichte 23.5.2008

Formanalyse und Rekonstruktion Bildrekonstruktion Modell der Datenentstehung aus Bild ähnlich wie bei CT, aber starke zufällige Komponente (abhängig von zufälligen radio-aktiven Zerfällen) Wesentlich schlechtere Auflösung und grösseres Rauschen Dafür quantitative und funktionelle Information, molecular targeting 23.5.2008

PET Rekonstruktion Rekonstruktion bei guter Statistik (Kleintier PET) Formanalyse und Rekonstruktion PET Rekonstruktion Rekonstruktion bei guter Statistik (Kleintier PET) Thomas Kösters Frank Wübbeling 23.5.2008

PET-Rekonstruktion an der Grenze Formanalyse und Rekonstruktion PET-Rekonstruktion an der Grenze Schlechtere Statistik = weniger Radioaktivität / schneller zerfallende Isotope Für Patienten verträglich/ für gewisse Untersuchungen besser Alex Sawatzky Thomas Kösters ~10.000 Events ~600 Events 23.5.2008

Formanalyse und Rekonstruktion Vom Bild zum Cartoon Wie können wir auch im Fall schlechter Daten vernünftige Rekonstruktionen bzw. scharfe Formen erhalten ? Rekonstruktionsverfahren müssen adaptiert werden Suche Methode, die nicht alle detaillierten Muster zu rekonstruieren versucht, sondern sich auf die wesentliche Struktur konzentriert: Cartoon-Rekonstruktion Erreicht durch geeignete Regularisierung 23.5.2008

~600 Events EM EM-TV Alex Sawatzky Thomas Kösters Formanalyse und Rekonstruktion ~600 Events Alex Sawatzky Thomas Kösters EM EM-TV 23.5.2008

Formanalyse und Rekonstruktion Oberflächenglättung Wie 23.5.2008

Oberflächenglättung 3D Ultraschalldaten, GE Medical Formanalyse und Rekonstruktion Oberflächenglättung 3D Ultraschalldaten, GE Medical 23.5.2008

Formanalyse und Rekonstruktion Mehrskalenglättung Iteratives Verfahren, dass schrittweise kleinere Strukturen hinzufügt Rauschen kommt spät, entspricht sehr kleinen Strukturen Interaktiver Abbruch möglich 23.5.2008