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Segmentierung von 3D-MRI-Volumendatensätzen

 
: Seitel, M.
: Gläser, H.; Dold, C.

Furtwangen, 2003, 103 S.
Furtwangen, FH, Dipl.-Arb., 2003
Deutsch
Diplomarbeit
Fraunhofer IGD ()
medical imaging; segmentation; visualization; object-oriented design

Abstract
Hintergrund
Diese Arbeit befasst sich mit der Konzeption und Implementierung einer Anwendung zur Segmentierung medizinischer Volumendatensätze. Die zu entwickelnde Software (MIP - Medical Imaging Platform) wird als Test- und Entwicklungsplattform für allgemeine Problemstellungen der medizinischen Bildverarbeitung entworfen. Zur Ermittlung elementarer Produktanforderungen wird ein typischer Anwendungsfall genauer untersucht: Zeitaufgelöste Serien dreidimensionaler Kernspintomographie-Aufnahmen des menschlichen Herzens sollen segmentiert und im Hinblick auf verschiedene kardiologisch interessante Merkmale analysiert werden.
Methoden und Tools
Planung und Entwurf der Anwendung orientieren sich an den üblichen Richtlinien des Software-Engineering. Auf Basis der Anforderungsanalyse wird ein objektorientiertes Analysemodell entwickelt. In der Entwurfsphase wird dieses verfeinert und schließlich in der Programmiersprache C++ umgesetzt.
Dabei kommen verschiedene Software-Bibliotheken zum Einsatz: Das Toolkit ITK (Insight Segmentation & Registration Toolkit) bildet die Basis für die zu implementierende Bildverarbeitungsfunktionalität. Die Visualisierung der Bilddatensätze erfolgt mittels des Toolkits VTK (Visualization Toolkit). Zur Realisierung der graphischen Benutzerschnittstelle wird das Framework wxWindows verwendet.
Ergebnisse
Um eine einfache Erweiterbarkeit um neue Anwendungsbereiche sicherzustellen, werden verschiedene Ansätze zur effektiven Organisation und Handhabung von Bilddaten untersucht. Da in der medizinischen Bildverarbeitung eine Vielzahl von Bildtypen existiert, wird dabei dem Kriterium Typflexibilität eine besondere Rolle beigemessen. Der daraus resultierende Ansatz spiegelt sich im Konzept der gesamten Anwendung wieder, welche vollständig über typunabhängige Schnittstellen gesteuert werden kann. Dies betrifft nicht nur die Verwaltung beliebiger Bildtypen, sondern auch die Steuerung von Bildverarbeitungsverfahren. Als hilfreich erweist sich dabei der Einsatz objektorientierter Entwurfsmuster.
Bildverarbeitung umfasst im Allgemeinen die sukzessive Filterung von Bilddaten. Zu diesem Zweck werden Filterketten gebildet, wobei die Ausgabe eines Filters als Eingabe seines Nachfolgers dient. Diese in ITK bereits integrierte Grundfunktionalität wird erweitert, um eine konsistente Verarbeitung von Bildserien zu ermöglichen. Filter werden in Klassen gekapselt und können über eine einheitliche, typunabhängige Schnittstelle parametriert werden. Zwei Segmentierungsverfahren, Region Growing Connected Threshold und Geodesic Active Contours, werden implementiert und auf die vorliegenden Datensätze angewendet.
Der Entwurf der graphischen Benutzerschnittstelle orientiert sich an den Bedürfnissen des Software-Entwicklers. So bietet sie größtmögliche Kontrolle über die integrierten Bildverarbeitungsalgorithmen. Dialoge zur Konfiguration von Filtern und zur Steuerung des Datenflusses werden automatisch erzeugt. Die dazu benötigten Informationen lassen sich über einheitliche Schnittstellen der jeweiligen Klassenhierarchien ermitteln.
Schlussfolgerung
Die entwickelte Software ist als Grundlage für die Implementierung und Untersuchung verschiedenster Anwendungen der medizinischen Bildverarbeitung vorgesehen. Dazu wurde insbesondere auf eine konsistente Handhabung des Datenflusses sowie größtmögliche Typflexibilität geachtet. Grundfunktionen wie das Laden und Visualisieren von Bilddaten sowie die graphische Benutzerschnittstelle wurden im Hinblick auf einfache Erweiterbarkeit realisiert.

 

Purpose
This work addresses design and implementation of an application for segmenting medical volume data. The software to be implemented (MIP-Medical Imaging Platform) is designed as a platform for developing and testing general medical image processing applications. To segment and analyze time series of three-dimensional nuclear magnetic resonance images of the human heart, with regard to various cardiological characteristics, is considered as a typical use case. Based on the observations gained from examining this specific application, primary product requirements are determined.
Methods and Tools
Planning and design of the application are carried out according to common principles of Software Engineering. After specifying the product requirements, an object-oriented analysis model is developed. This model is refined to form the system design which is finally implemented in C++.
Several software libraries are employed: The toolkit ITK (Insight Segmentation & Registration Toolkit) provides a wide range of image processing functionality. Visualization is addressed using VTK (Visualization Toolkit). The framework wxWindows is used to implement the graphical user interface.
Results
In order to ensure easy extensibility for new areas of application, various approaches of how to efficiently organize and manage image data are examined. Since a multitude of image types is commonly used in medical image processing, these alternatives are particularly tested for the type flexibility they provide. The approach which emerges from this process is reflected in the whole application, which can be controlled entirely by means of type-independent interfaces. Not only does this apply to the management of arbitrary image types, but also to the handling of different image processing procedures. The use of object-oriented design patterns helps to realize this approach in a convenient way.
Image processing usually comprises consecutive filtering of image data. For this purpose, filter chains are established, where the output of one filter serves as the input of its successor. While ITK already basically provides this functionality, it is extended in order to enable consistent processing of series of images. Filters are encapsulated in classes and can be parameterized via a common, type-independent interface. Two segmentation methods-Region Growing Connected Threshold and Geodesic Active Contours-are implemented and applied to authentic medical data.
The graphical user interface is designed to satisfy the developer's rather than the physician's needs and thus provides full control over image processing activities. Dialogs for configuring filters and controlling the data flow are generated automatically, as all information required for this can be retrieved by querying consistent interfaces of the respective class hierarchy.
Conclusion
The designed software is intended to serve as a foundation for developing and examining a wide range of applications in medical image processing. This purpose is promoted by consistent data flow handling and the provided image type flexibility. Commonly used features like visualization and file handling, as well as the graphical user interface, have been implemented with regard to possible future extensions.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-18732.html