Erstellung quantitativer Imaging-Biomarker zur Detektion von fibrosiertem Lungengewebe im HR-CT

Ziel dieser Arbeit war die Erstellung von Imaging-Biomarkern, die robust zwischen fibrosiertem und gesundem Lungengewebe im HR-CT unterscheiden können. Mit Hilfe morphologischer Bildverarbeitungsverfahren sollten die Charakteristika von fibrosiertem Lungengewebe verstärkt und numerisch ausgewertet werden. Hierfür wurden HR-CT-Bilddaten von 78 Patienten mit fibrosiertem Lungengewebe und 23 Patienten mit unauffälligem Lungenparenchym untersucht. Zu Beginn erfolgte eine semiautomatische Segmentierung der Schnittbilder, um anschließend die für fibrosiertes Lungengewebe typischen morphologischen Charakteristika hervorzuheben. Da diese Merkmale bei Lungengesungen nicht vorliegen, führt diese Bearbeitung zu einer Verstärkung der Unterschiede zwischen Patienten mit Lungenfibrose und Lungengesunden. Dazu erfolgte nach der Segmentierung im zweiten Schritt eine Binarisierung durch drei festgelegte Schwellenwertbereiche, um morphologische Charakteristika des Lungengewebes hervorzuheben. Im dritten Schritt wurden diese Merkmale durch vier verschiedene Kombinationen aus Closing- und Opening-Strukturelementen verstärkt. Die Ergebnisse zeigen für alle vier erstellten Parameter statistisch hoch signifikante Gruppenunterschiede. Zur Klassifizierung der insgesamt 39 Datenreihen wurden, auf einer logistischen Regressionsanalyse basierend, die AUC-Werte der ROC-Kurven bestimmt. Eine erste Auswertung erfolgte nach der Binarisierung und eine zweite Auswertung nach der Verstärkung der morphologischen Charakteristika durch Closing- und Opening-Operationen. Schon nach der Binarisierung zeigten sich AUC-Werte bis zu 0,976. Der analysierte Schwellenwertbereich S3-500; -200 HE brachte für die meisten Parameter die prädiktivsten Werte hervor. Der Parameter Cluster-Pixel/CT-Seg-Pixel im Schwellenwertbereich S3 mit einem 5×5 Pixel großem Closing- und einem 3×3 Pixel großem Opening-Strukturelement erreichte einen maximalen AUC-Wert von 0,989. Durch den ersten Arbeitsschritt der Binarisierung konnte im Schwellenwertbereich S3 robust zwischen den Gruppen mit fibrosiertem und gesundem Lungengewebe unterschieden werden. Die Verstärkung der morphologischen Charakteristika konnte eine zusätzliche Verbesserung der AUC-Werte erzielen. Eingebettet in ein Konzept, wie z. B. von Radiomics, stellt dieses Modell einen funktionierenden und robusten Imaging-Biomarker dar.The purpose of this study was the creation of imaging biomarkers to distinguish patients with pulmonary fibrosis and healthy subjects in high-resolution CTs. Intensification of characteristics of pulmonary fibrosis, based on morphological image processing, was performed and evaluated numerically. Datasets of 78 patients with the diagnosis of pulmonary fibrosis and 23 healthy subjects were studied and compared. At first semiautomatic lung parenchyma segmentation was performed. After that, the segmented images were used to isolate and to enhance specif- ic morphological fibrosis characteristics. Next, binary images were created for each of three different Hounsfield unit (HU) threshold ranges. To intensify the morphological fibrosis characteristics, basic image processing methods like morphological opening and closing were applied, leading to different, parameterized image variations of the normal and the fibrotic group. Statistical analysis shows significant differences, between both patient groups, for all parameter settings. In order to find the best parameter settings, a logistic regression analysis was implemented and the values of the area under the receiver operator charac- teristic (ROC) curve (AUC) were computed. A first group comparison was performed after the binarization of the images and a second comparison after the enhancement of the specific fibrosis characteristics by the closing and opening operations. Based on the analysis of binary image, AUC values of up to 0,976 could be found. The threshold range of -500 to -200 HU lead to the highest AUC values. Application of the morpho- logical image processing operations lead to a slight increase up to AUC values being 0,989. These findings suggest that the evaluated image processing operations can serve as a valuable numerical image marker for a reproducible, and observer independent differen- tiation between normal and fibrotic lung parenchyma. The concept fits well into the current radiomics philosophy

Address of the inner asphalt structure and influence on selected performance characteristics

Zu den grundlegenden Einflussfaktoren auf das Gebrauchsverhalten von Asphalt zählt die Mischgutzusammensetzung, also die Wahl der Gesteinsart, einer Korngrößenverteilung und die Festlegung der Bindemittelart/-sorte und -menge. Nach der Verdichtung bildet sich eine innere Asphaltstruktur aus, die durch die konventionellen volumetrischen Kenngrößen Hohlraumgehalt und Verdichtungsgrad kaum abgebildet wird. Da gleiche Asphalte mit vergleichbarem Hohlraumgehalt und Verdichtungsgrad jedoch ein sehr unterschiedliches Gebrauchsverhalten aufweisen können, ergibt sich die Notwendigkeit, die innere Asphaltstruktur mittels geeigneter Strukturindizes zu beschreiben, um den Einfluss auf das Gebrauchsverhalten prognostizieren zu können. Ziel der Arbeit war es, den Einfluss der inneren Asphaltstruktur und der Mörtelviskosität auf den Ermüdungs- und Verformungswiderstand zu untersuchen. Dazu wurden Asphalte unter Variation der Gesteinsart, der Asphaltgranulatzugabe und der Additivzugabe gemischt und Asphalt-Probekörper für Zug-Schwellversuche zur Ansprache des Ermüdungswiderstandes und für Triaxialprüfungen zur Ansprache des Verformungswiderstands hergestellt. An Probekörperquerschnitten wurden mittels Flachbettscanner Digitalbilder erfasst und daraus mittels digitaler Bildanalyse Strukturindizes gewonnen, die die innere Asphaltstruktur hinreichend genau abbilden. Dabei wurden kontaktbasierte (bspw. Anzahl Gesteinskontakte) sowie orientierungsbasierte Indizes (Kontaktorientierung) berücksichtigt. Die Strukturindizes wurden mit den Ergebnissen der unterschiedlichen Versagensmechanismen Ermüdung und Verformung auf Zusammenhänge untersucht. Zusätzlich wurde mittels dynamischem Scherrheometer die Asphaltmörtelviskosität bestimmt und deren Einfluss auf die resultierende innere Asphaltstruktur untersucht. Auf Basis der Ergebnisse kann die aufgestellte These, dass das Gebrauchsverhalten von Asphalt durch die „innere Struktur“ maßgeblich mitbestimmt wird für den Ermüdungswiderstand und mit Einschränkungen für den Verformungswiderstand bestätigt werden. Dagegen konnte kein systematischer Einfluss der Asphaltmörtelviskosität auf die resultierende innere Asphaltstruktur identifiziert werden.Among the major influencing factors on the asphalt performance is the mix composition, i. e. the aggregate type, the gradation and the choice of the binder type and binder content. After compaction, an inner asphalt structure is formed which is not represented by the conventional volumetric parameters void content and degree of compaction. However, as similar asphalts with comparable void content and degree of compaction can show very different performance characteristics, there is a need to describe the inner asphalt structure by means of suitable structural indices in order to be able to predict the influence on the asphalt performance. The aim of the study was to investigate the influence of the inner asphalt structure and the asphalt mortar viscosity on the fatigue and deformation resistance. For this purpose asphalt mixtures were produced under variation of the aggregate type, the addition of reclaimed asphalt and the addition of additives. Subsequently asphalt specimens for tensile swelling tests to address the fatigue resistance and for triaxial tests to address the deformation resistance were prepared. By means of a flat bed scanner, digital images of specimen cross-sections were acquired and, using digital image analysis, structural indices were obtained which represented the inner asphalt structure accurately and reliably. Contact-based structural indices (e.g. number of stone contacts) and orientation-based indices (contact orientation) were taken into account. The structural indices were compared to the results of the different failure mechanisms fatigue and deformation to identify potential correlations. In addition, the asphalt mortar viscosity was determined by means of dynamic shear rheometer and the influence on the resulting inner asphalt structure was investigated. On the basis of the results, the proposed thesis that the performance characteristics of asphalt are significantly influenced by its "inner structure" can be confirmed for the fatigue resistance and with restrictions for the deformation resistance. On the other hand, no systematic influence of the asphalt mortar viscosity on the resulting inner asphalt structure could be identified

Konzeption und Realisierung eines Datenmodells und Interaktionskomponenten für tubuläre Strukturen in MITK

Eine der zentralen Aufgaben der medizinischen Bildverarbeitung ist es, den Arzt durch neue oder verbesserte Methoden zur Diagnostik und Therapieplanung bei medizinischen Entscheidungs- und Behandlungsprozessen zu unterstützen. Für viele Fragestellungen in der Medizin sind Untersuchungen von Gefäÿsystemen oder anderen tubulären Strukturen erforderlich. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzipierung und der Realisierung eines generischen Datenmodells für tubuläre Strukturen. Für die Darstellung dieser Strukturen wurde eine neue Visualisierungsmethode implementiert. Zudem wurden allgemein verwendbare und benutzerfreundliche Interaktionskomponenten entwickelt, die die Exploration, die Modikation, die Attributierung sowie die Analyse der modellierten Systeme ermöglichen

Dreidimensionale Modelle zur Planung komplexer Eingriffe in der kardiovaskulären Chirurgie

Ziel dieser Arbeit war, mit Hilfe von dreidimensionalen, plastischen Modelle komplexe anatomische Situation zu veranschaulichen und die chirurgische Planung zu vereinfachen. Die durchgeführte Routinediagnostik ist im Allgemeinen ausreichend, um kardiale Pathologien exakt zu veranschaulichen, Diagnosen zu stellen und Behandlungsstrategien zu entwerfen. Bei sehr komplexen anatomischen Situationen mit vaskulären und kardialen Fehlbildungen und zusätzlicher Narbenbildung ist es jedoch mitunter schwierig die kardiale Anatomie vollständig zu verstehen und die relevanten Strukturen zu identifizieren. Unter diesen Umständen kann eine dreidimensionale Darstellung hilfreich sein. Zusätzlich zu virtuellen 3D-Rekonstruktionen, die lediglich am Computer betrachtet werden können, bieten plastische Modelle die Möglichkeit, Eingriffe zu simulieren, Devices zu testen und die Modelle zur intraoperativen Orientierung mit in den Operationssaal zu nehmen. Fortschritte in der medizinischen Bildgebung und der Bildbearbeitungssoftware haben die Anwendung von anatomischen Modellbau-Verfahren in der Herzchirurgie ermöglicht. Basierend auf routinemäßig erstellter Diagnostik, wie CT, MRT und MR-Angiographie gelang es für unterschiedliche Indikationen in der Herzchirurgie mittels spezieller Software und dem 3D-Printing Verfahren dreidimensionale Modelle zu erstellen. Die in dieser Arbeit realisierten Indikationen umfassen Pathologien aus den Bereichen der Kinderherzchirurgie, Transplantationschirurgie, Erwachsenenherzchirurgie und der interventionellen Kardiologie. Die Modelle wurden zur präoperativen Planung und intraoperativen Orientierung im Operationssaal eingesetzt. Anhand der Modelle konnten maßgeschneiderte Devices für die interventionelle Kardiologie entwickelt werden und deren Einbringen präoperativ getestet werden. Es hat sich gezeigt, dass die Anwendung von plastischen Modellen zusätzlich zur Routinediagnostik in komplexen Fällen gerechtfertigt ist und dem behandelnden Team die Operationsplanung und die Orientierung im Situs vereinfachen kann

WebTed : ein System für Webbasierte Telediagnostik

Es wird das WebTed-System für webbasierte Telediagnostik vorgestellt. Es unterstützt drei Aspekte der Telepathologie: statische, dynamische und quantitative Telepathologie. Statische Telepathologie wird für Expertenkonsultationen eingesetzt. Mit einem Webbrowser werden klinische Daten und Bilder zu einem Fall durch einen Referenten auf einem Server abgelegt. Ein auf dem Server abgelegter Fall wird entweder durch einen einzelnen Konsultanten befundet oder durch mehrere Experten gemeinsam in einer Konferenzsitzung. Nachteil dieser Telepathologie ist die feste Vorgabe der Ausschnitte eines Präparats. Diesen Nachteil behebt die dynamische Telepathologie. Der Konsultant bedient ein ferngesteuertes Mikroskop und hat selber die Kontrolle über die Bildselektion. Dabei lassen sich alle wesentlichen Funktionen des Mikroskops wie z.B. Fokus, Objektiv und Licht ferngesteuert bedienen. Zweck der quantitativen Telediagnostik ist die Bestimmung von Parametern zur Beschreibung von Gewebestrukturen wie z.B. der Zellmorphologie (Form, Struktur, Verteilung, Häufigkeit) oder molekularbiologischen Parametern (Aktivität des H19 Gens), die zu einer Objektivierung der Diagnose beitragen: Die Bestimmung dieser Parameter wird vollautomatisch vom Computer durchgeführt und ist deshalb nicht durch die Subjektivität eines Pathologen beeinflußbar. Als Client wird ein vom Webserver heruntergeladenes Java Applet verwendet, mit dem man Zugriff auf die statische, dynamische und quantitative Telepathologie hat. Auf dem Server wird eine SQL-Datenbank zur Speicherung von Daten zu Bildern und Fällen eingesetzt, ein Konferenzserver koordiniert den Datenaustausch zwischen den Clients während der Onlinekonsultationen, ein CORBA ORB stellt ein Modul zur Fernsteuerung eines Mikroskops für die dynamische Telepathologie bereit, und die Bildverarbeitungskomponente wird für die quantitative Analyse der Bilddaten im Rahmen der quantitativen Telepathologie eingesetzt

Ein miniaturisiertes Endoskop-Stereomesssystem zur Strömungsvisualisierung in Kiesbetten

Diese Arbeit stellt einen neuen Stereoaufbau zur Strömungsmessung in Kiesporen vor. Die eingesetzten Glasfaser-Endoskope sind direkt am Messvolumen positioniert und messen in einem bislang unzugänglichen Kiesbett. Die Verwendung eines Stereoaufbaus erlaubt die Rekonstruktion raum-zeitlicher Trajektorien, was die Bestimmung von Turbulenz ermöglicht. Durch Einbetten in eine künstliche Kiespore wird die Störung der Strömung bei der Messung gering gehalten. Es wird die Entwicklung, die Umsetzung und Erprobung des Messaufbaus beschrieben. Die dabei auftretenden Limitierungen der Signalstärke werden mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung kompensiert. Der Einfluss der Glasfaserabbildung wird quantifiziert und behoben. Wie gezeigt wird, ist nach dieser Vorverarbeitung der Daten der Einsatz von Particle Tracking Velocimetry möglich. Außerdem wird ein neues Verfahren verwendet, das die geometrische Kalibrierung bei einem derart kleinen Messvolumen stark vereinfacht

Rekonstruktion der Kortexoberfläche aus Magnetresonanztomogrammen unter besonderer Berücksichtigung tiefer Furchenstrukturen

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist das derzeit wohl führende Instrument zur in-vivo-Aufklärung der Morphologie des menschlichen Gehirns. Die von einem MRT-Scanner gelieferten Bilddaten sind aber nicht unmittelbar automatischen Auswertverfahren zugänglich, sondern müssen zunächst komplexen Bilderkennungsverfahren unterworfen werden. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Verfahren zur Rekonstruktion des Kortex vorgeschlagen. Obwohl gegenwärtig in diesem Bereich vor allem statistische Segmentierverfahren zum Einsatz kommen, wurde hier ein primär geometrischer Ansatz gewählt, der in der Lage ist, auch tiefe und enge Furchenstrukturen sicher aufzulösen, deren Grauwertverlauf, bedingt durch Partialvolumeneffekt und Bildstörungen, statistischen Klassifizierern kaum Möglichkeiten zur eindeutigen Abgrenzung zwischen grauer Hirnsubstanz und Liquorraum bietet

Computerbasierte Modellierung und Analyse der Gestalt und Verteilung von Partikeln zur Optimierung des Reinheitsgrades von Stahlwerkstoffen - Konzeption und Implementierung eines Rahmenwerks

Die statistische Analyse von Partikelsystemen spielt in vielen Anwendungskontexten der Materialwissenschaften eine wichtige Rolle. Dabei ist sowohl die statistische Analyse der Gestalt der individuellen Partikel als auch die Analyse der Verteilungseigenschaften des gesamten Partikelkollektivs von Bedeutung. Eine Vielzahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen der letzten Jahre fokussierte diese Themengebiete. Darin wurden diverse Verfahren zur Analyse von Partikelsystemen vorgestellt. Eine Integration dieser Techniken zu einem einheitlichen Analysesystem für dreidimensionale Partikelsysteme steht aber nach wie vor aus. Diese Lücke wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit durch das Bereitstellen eines theoretischen Rahmenwerks zur vollständigen statistischen Analyse von dreidimensionalen Partikelsystemen nebst protoypischer Implementierung geschlossen. Die Entwicklung dieses Rahmenwerks wurde dabei maßgeblich durch das von der Europäischen Union geförderte Ziel2-Projekt Silenos beeinflusst. Im Zuge dieses Projekts wurde an einer Methode zur schnellen Quantifizierung und Charakterisierung von Defekten, wie nichtmetallischen Einschlüssen und Poren, in Stahlproben geforscht. Die Detektion dieser Verunreinigungen erfolgt mittels Methoden der Bildverarbeitung in Bildern schichtweise abgefräster Werkstoffproben. Parallel zum Fräs- und Bildaufnahmeprozess werden die Bilder inkrementell segmentiert, die detektierten Defekte unter der Annahme einer dreidimensionalen Ausdehnung rekonstruiert, klassifiziert und schließlich statistisch ausgewertet. Dieser als Online-System bezeichnete Betriebsmodus erlaubt das Steuern des Fräsprozesses auf Basis der Ergebnisse der statistischen Auswertung nach jeder verarbeiteten Schicht und muss demnach von Rahmenwerk unterstützt werden. Die vorsegmentierten Schichtbilder des durch die Verunreinigungen geformten Partikelsystems bilden dabei die Grundlage für die im Rahmenwerk entwickelten Methoden. Ausgangspunkt ist die formale Definition des Partikelbegriffs, auf Basis derer Algorithmen zur effizienten Rekonstruktion der dreidimensionalen Morphologie der Partikel inkrementell aus den Schichtbildern abgleitet werden. Anhand der Rekonstruktion lässt sich dann die Gestalt der Partikel statistisch, durch geeignete Deskriptoren, quantifizieren und die Verteilung dieser untersuchen. Im Zentrum der Arbeit steht die Analyse der Größenverteilung und der räumlichen Verteilung mit dem Ziel, geeignete Modelle zu definieren, welche die Verteilungen adäquat beschreiben. Dazu werden zunächst explorative Datenanalysewerkzeuge zur Unterstützung des Modellbildungsprozesses eingeführt. Anschließend werden Schätzverfahren zur Parametrisierung der Modelle aus den beobachteten Daten besprochen und in einem letzten Schritt Modellvalidierungstechniken definiert, mit welchen die Übereinstimmung von Modell und beobachteten Daten überprüft werden kann. Zusammengenommen bilden diese, zunächst generisch eingeführten Methoden das Rahmenwerk. Dieses Rahmenwerk wird im weitern Verlauf der Arbeit verwendet, um die im Online-System definierten Operationen, nämlich Rekonstruktion, Klassifikation und statistische Auswertung umzusetzen. Des Weiteren werden die Methoden des Rahmenwerks eingesetzt, um ein Modell für die Verteilung von nichtmetallischen Einschlüssen in Stahlproben zu konstruieren. Dieses Modell liefert die Grundlage für eine Simulationssoftware, mit der künstliche Stahlproben generiert werden. Anhand dieser lassen sich schließlich die Laufzeitanforderungen der im Rahmenwerk definierten Methoden für das Online-System validieren