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Authors: Weinheimer, Oliver
Title: Über das Vermessen tubulärer Strukturen in der Computertomographie
Online publication date: 8-Jan-2008
Language: german
Abstract: Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (engl. chronic obstructive pulmonary disease, COPD) ist ein Überbegriff für Erkrankungen, die zu Husten, Auswurf und Dyspnoe (Atemnot) in Ruhe oder Belastung führen - zu diesen werden die chronische Bronchitis und das Lungenemphysem gezählt. Das Fortschreiten der COPD ist eng verknüpft mit der Zunahme des Volumens der Wände kleiner Luftwege (Bronchien). Die hochauflösende Computertomographie (CT) gilt bei der Untersuchung der Morphologie der Lunge als Goldstandard (beste und zuverlässigste Methode in der Diagnostik). Möchte man Bronchien, eine in Annäherung tubuläre Struktur, in CT-Bildern vermessen, so stellt die geringe Größe der Bronchien im Vergleich zum Auflösungsvermögen eines klinischen Computertomographen ein großes Problem dar. In dieser Arbeit wird gezeigt wie aus konventionellen Röntgenaufnahmen CT-Bilder berechnet werden, wo die mathematischen und physikalischen Fehlerquellen im Bildentstehungsprozess liegen und wie man ein CT-System mittels Interpretation als lineares verschiebungsinvariantes System (engl. linear shift invariant systems, LSI System) mathematisch greifbar macht. Basierend auf der linearen Systemtheorie werden Möglichkeiten zur Beschreibung des Auflösungsvermögens bildgebender Verfahren hergeleitet. Es wird gezeigt wie man den Tracheobronchialbaum aus einem CT-Datensatz stabil segmentiert und mittels eines topologieerhaltenden 3-dimensionalen Skelettierungsalgorithmus in eine Skelettdarstellung und anschließend in einen kreisfreien Graphen überführt. Basierend auf der linearen System Theorie wird eine neue, vielversprechende, integral-basierte Methodik (IBM) zum Vermessen kleiner Strukturen in CT-Bildern vorgestellt. Zum Validieren der IBM-Resultate wurden verschiedene Messungen an einem Phantom, bestehend aus 10 unterschiedlichen Silikon Schläuchen, durchgeführt. Mit Hilfe der Skelett- und Graphendarstellung ist ein Vermessen des kompletten segmentierten Tracheobronchialbaums im 3-dimensionalen Raum möglich. Für 8 zweifach gescannte Schweine konnte eine gute Reproduzierbarkeit der IBM-Resultate nachgewiesen werden. In einer weiteren, mit IBM durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass die durchschnittliche prozentuale Bronchialwandstärke in CT-Datensätzen von 16 Rauchern signifikant höher ist, als in Datensätzen von 15 Nichtrauchern. IBM läßt sich möglicherweise auch für Wanddickenbestimmungen bei Problemstellungen aus anderen Arbeitsgebieten benutzen - kann zumindest als Ideengeber dienen. Ein Artikel mit der Beschreibung der entwickelten Methodik und der damit erzielten Studienergebnisse wurde zur Publikation im Journal IEEE Transactions on Medical Imaging angenommen.
Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is an umbrella term for diseases leading to coughing, phlegm and dyspnoea (shortness of breath) whilst at rest or under pressure - COPD includes chronic bronchitis and lung emphysema. The progression of COPD is strongly associated with an increase in the volume of tissue in the wall of the small airways (bronchi). The high-resolution CT is the imaging gold standard (best and most reliable practice) for the morphological evaluation of lung tissue. When measuring bronchi, an almost tubular structure, the limited spatial resolution of clinical CT scanners in comparison to thin structures like airway walls causes difficulties in measurement. In this thesis it will be shown how to reconstruct CT images from conventional x-ray images, where different mathematical and physical sources of errors lie and how CT systems can be modelled as linear shift invariant systems (LSI systems). Based on the linear system theory, ways to characterize the spatial resolution of an imaging system are derived. It will be shown how to do a stable segmentation of the tracheobronchial tree from a CT dataset. The voxel-based result (object) of the segmentation is skeletonized by a sequential topology-preserving 3D thinning algorithm and then transformed to an acyclic graph. Based on the linear system theory, a new integral based method (IBM) for measuring small structures in CT images is introduced. By the use of the skeleton and graph representation it is possible to measure the whole segmented tracheobronchial tree in the 3- dimensional space. The method was evaluated with a phantom containing 10 silicone tubes and the repeatability was proved in datasets of 8 pigs scanned twice. Furthermore, a comparison of CT datasets of 16 smokers and 15 non-smokers was done. The average percentage airway wall thickness was significantly higher for the smokers. Potentially IBM can be used for wall thickness measurements in other fields of activity. An article with the description of the developed method and the results obtained in the different studies was accepted for publication in the journal IEEE Transactions on Medical Imaging.
DDC: 004 Informatik
004 Data processing
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3994
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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