institut für biomedizinische technik universität karlsruhe institut für biomedizinische technik...

23
Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand topologisch angepaßter Flächen cand. el. XYZ

Upload: miriam-albrecht

Post on 06-Apr-2016

215 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Institut für Biomedizinische Technik

Seminarvortrag

Segmentierung medizinischer Bilderanhand topologisch angepaßter Flächen

cand. el. XYZ

Page 2: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Gliederung

• Einführung in die klassischen Modelle• Deformable Models basierend auf der Affinen Zellenzerlegung

• Ergebnisse

• Zusammenfassung

Page 3: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Deformable Models

Höheres Informationsniveau

Niedriges Informationsniveau

Pixelwerte

Fachkenntnis

Glattheit

Pixelwerte

+

1987 Kass, Witkin & Terzopoulos (Active Contour Models)

Etc.

Page 4: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Mathematische Formulierung I

TermTermEdgeEdgeLineLine EEEE ωωω ++=Image

Snakes]1,0[ )](),([)( ∈= smitsysxsVParameterdarstellung:

Innere Energie:

Äußere Energie:

( ) Dehnung :sα( ) Krümmung :sβ

( )yxIELine ,±= ( )2, yxIEEdge ∇−=R

Term dndE ϕ=

ConImage EEEExt +=

Eint =α s( )dvds

2+β s( )d2v

ds22

Page 5: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Mathematische Formulierung II

Gesamte Energiefunktion: ∫ +=1

0ds EE E ExtIntSnake

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, die Kontur (Snake) V(s) zu bestimmen für die ESnake ausgehend von der Intialkontur am kleinsten ist.

Lokale Energieminimierung!

Statische Mimimierung

Dynamische Mimimierung

!

Page 6: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Mathematische Formulierung III

Die Lagrange’sche Dynamik

( ) oeffizientDämpfungsks γ

Rayleigh Dämpfungsfunktion: D vt( )=12 γvt0

1∫

2ds

Kinetische Energie: μ vt0

1∫

2ds μ s( ) Trägheit

Dynamisches Modell: v s,t( )

Page 7: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Mathematische Formulierung IV

Die Lagrange’sche Bewegungsgleichung: (diskrete Form)

fKuuCuM =++ &&&iiiiiii fxx =+++ βagm &&& Bzw.

Vereinfachung: mi = 0

iiiiii fx ρβag +=++&Das System kommt zum

Ruhezustand sobald die Kräfte verschwinden oder im

Gleichgewicht sind.

Die Zeitableitungen der Bewegungsgleichung werden mit

der Methode der finiten Differenzen berechnet.

Page 8: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Nachteile der klassischen Deformable Models

Die geometrische Flexibilität wird durch die Einschränkungen der inneren Energie beschränkt.

Topologische Transformationen der Modelle lassen sich auf Grund der parametrischen Definition nicht ohne

weiteres durchführen.

Die Energie tradioneller Modellen hängt von der Parametrisierung ab und ist nicht direkt von der

Geometrie abhängig.

Die Initialkontur muß möglichst in der Nähe des Zielgebiets gesetzt werden.

Page 9: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Modellanforderungen und Voraussetzungen

AnforderungenBeibehalten der bekannten Stärken der traditionellen ModelleÜberwinden deren Einschränkungen

VoraussetzungenEine GebietsunterteilungstechnikReparametrisierung

Page 10: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Affine Zellenzerlegung (Affine Cell Decomposition)

Non-simplicial Cell Decomposition

Simplicial Cell Decomposition

Coexeter-Freudenthal Triangulation

Page 11: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Modellbeschreibung

Geschlossenes, gerichtetes Netz

Eckpunkte der Dreiecke

Die Knoten bilden ein dynamisches Teilchensystem, in dem die Teilchen durch diskrete Einheitfeder verknüpft sind.

System:

Bewegungs-gleichung:

T-Fläche:

Modellknoten:

γ ˙ x i +αi +βi = ˙ ρ i + fi 1( )

xi t( )= xi t( ) , yi t( ) , zi t( )[ ]

Page 12: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Tertraederklassifizierung

Jeder Simplex der Affinen Zellenzerlegung wird durch die Zeichen seiner Eckpunkte klassifiziert.

+

+

+

-

-

-

- -

Page 13: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Iterative Reparametrisierung

Page 14: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Topologische Transformationen

Konsequente Entscheidungen über die Verbindung bzw. Abtrennung von Modellknoten nach jedem Verformungschritt.

T-Flächen haben auf Grund der Zellenzerlegung und der Reparametrisierungstechnik den Vorteil einer automatischen Verbindung bzw. Abtrennung der Knoten.

A B

A

B

Page 15: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Algorithmus Übersicht

Für jede k Zeitschritte (Ein Verformungsschritt):

1. Für jeden Zeitschritt berechne alle Kräfte, iteriere die Bewegungsgleichung und berechne die Modellknoten neu.

2. Berechne die neue Schnittpunkte des verformten Modells mit den Tetraederkanten.

3. Für jedes Modelldreieck berechne die ‘gebrannten’ Gitterpunkte und bestimme die neuen Randtetraeder sowie die neuen Modelldreiecke.4. Unterscheide zwischen gültigen und ungültigen Modelldreiecken.

Page 16: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Ergebnisse I

Segmentierung eines Wirbelkörpers (T-Snakes)

Page 17: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Ergebnisse II

3D Rendering der segmentierten Daten

Page 18: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Ergebnisse III

Segmentierung eines Wirbelkörpers (T-Snakes)

Page 19: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Ergebnisse IV

Segmentierung von Blutgefäßen im retinalen Angiogramm

Page 20: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Ergebnisse V

Endergebnis des Segmentierungsprozesses

Page 21: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Ergebnisse VI

Segmentierung LV und Aorta von 3D CT Datensatz (T-Fläche)

Page 22: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Ergebnisse VII

Segmentierung zerebraler Blutgefäße (T-Fläche)

Page 23: Institut für Biomedizinische Technik Universität Karlsruhe Institut für Biomedizinische Technik Seminarvortrag Segmentierung medizinischer Bilder anhand

Institut für Biomedizinische TechnikUniversität Karlsruhe

Zusammenfassung & Ausblick

Der Automatisierungsgrad wird durch die Anpassung an die Topologie weitgehend erhöht.

Die Zellenzerlegungstechnik ist ein flexibles Werkzeug.

Der Betrieb auf parallelen Rechner verspricht bessere Leistung .

T-Flächen eignen sich für multi-scale Bildverarbeitung (multi-resolution models).