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Kantenerhaltende Rauschreduktion in der CT auf Basis von Korrelationsanalysen

Die Computertomographie (CT) ist eines der wichtigsten bildgebenden Verfahren in der radiologischen Diagnostik. Allerdings wird die hohe Strahlungsdosis, der Patienten bei der Untersuchung ausgesetzt sind, meist als ein Hauptnachteil der CT angesehen. Zum Schutz des Patienten ist eine Verringerung der Dosis in jedem Fall erstrebenswert. Das Problem ist jedoch der direkte Zusammenhang zwischen Dosis und Bildqualität. Halbiert man die Dosis, so erhöht sich das Pixelrauschen in den rekonstruierten Schichtbildern um den Faktor Wurzel von zwei. Um eine verlässliche Diagnose zu garantieren, muss das Verhältnis zwischen relevanten Gewebekontrasten und der Rauschamplitude ausreichend groß sein. Demnach kann die Dosis nicht beliebig gesenkt werden. Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Verfahrens zur kantenerhaltenden Rauschreduktion auf Basis von Korrelationsanalysen, um das Rauschen in CT-Daten zu reduzieren. Ziel ist es, somit entweder verbesserte Bildqualität bei gleich bleibender Dosis, oder eine Einsparung an Dosis ohne Verlust an Bildqualität zu erzielen.

Bisher wurde die Anwendung von Wavelet-Transformation basierten Verfahren untersucht, um Rauschen in rekonstruierten Schichtbildern zu reduzieren. Anders als bei den meisten gängigen Verfahren zur Rauschreduktion wird dabei mit mehr als einem Eingangsdatensatz gearbeitet. Die Eingangsdaten sind räumlich identisch, jedoch zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen, wodurch das Rauschen in den Eingangsdaten unkorreliert ist. In der CT können solche Daten zum Beispiel mit Hilfe eines Dual-Source-CT Scanners aufgenommen warden, oder durch die getrennte Rekonstruktion mit nur jeweils jeder zweiten Projektion erzeugt werden. Mit Hilfe von Korrelationsanalysen zwischen den Eingangsdaten bzw. ihren Wavelet-Darstellungen kann anschließend zwischen Strukturen und Rauschen differenziert werden.

Unterschiedliche zweidimensionale Wavelet-Transformationen (dyadische, stationäre, à-trous und quin-cunx) und Wavelets (Haar, Db2, CDF9/7) wurden zur lokalen Frequenzanalyse verwendet und miteinander verglichen. Darüber hinaus wurden verschiedene Methoden zur Korrelationsanalyse untersucht. Ausgewertet wurden die Verfahren hinsichtlich der erzielten Rauschreduktionsrate, sowie der Kantenerhaltung.

Um eine anisotrope Rauschreduktion zu erzielen is es nötig, die einzelnen Richtungsbänder der Wavelettransformation getrennt zu behandeln. Dazu wurde eine Methode entwickelt, mit der aus den Differenzen der Waveletkoeffizienten der getrennt rekonstruierten Bilder lokal die Standardabweichung des Rauschens geschätzt werden kann. Somit können richtungsabhängige Gewichte berechnet warden, die eine anisotrope Filterung erlauben. Desweiteren wurde das Verfahren auf 3D erweitert, wodurch eine verbesserte Bildqualität, sowohl visuell, als auch quantitative erzielt werden konnte.

Dieses Projekt wird von Siemens Medical Solutions finanziert. Durch die enge Zusammenarbeit ist neben der Möglichkeit zur Abstimmung mit aktuellen Entwicklungen auch der Zugriff auf Geräte der neuesten Generation gewährleistet.

Projektleitung:
Prof. Dr.-Ing. Joachim Hornegger, Dr. rer. nat. Rainer Raupach (Siemens Med. Sol.)

Beteiligte:
Dr.-Ing. Anja Borsdorf

Stichwörter:
CT; Rauschreduktion; Korrelationsanalyse

Laufzeit: 1.1.2006 - 30.6.2009

Förderer:
Siemens Medical Solutions

Kontakt:
Borsdorf, Anja
E-Mail: borsdorf@informatik.uni-erlangen.de
Publikationen
Mayer, Markus ; Borsdorf, Anja ; Köstler, Harald ; Hornegger, Joachim ; Rüde, Ulrich: Nonlinear Diffusion Noise Reduction in CT Using Correlation Analysis. In: Hornegger, Joachim ; Mayr, Ernst W. ; Schookin, Sergey ; Feußner, Hubertus ; Navab, Nassir ; Gulyaev, Yuri V. ; Höller, Kurt ; Ganzha, Victor (Hrsg.) : 3rd Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering (3rd Russian-Bavarian Conference on Biomedical Engineering Erlangen 2.-3.07.2007). Bd. 1. Erlangen : Union aktuell, 2007, S. 155-159.
Borsdorf, Anja ; Raupach, R. ; Hornegger, Joachim: Separate CT-Reconstruction for Orientation and Position Adaptive Wavelet Denoising. In: Horsch, Alexander ; Deserno, Thomas M. ; Handels, Heinz ; Meinzer, Hans-Peter ; Tolxdoff, Thomas (Hrsg.) : Bildverarbeitung für die Medizin 2007 (BVM 2007 München 25.-27.03.2007). Berlin : Springer, 2007, S. 232-236. - ISBN 978-3-540-71090-5
Mayer, Markus ; Borsdorf, Anja ; Köstler, Harald ; Hornegger, Joachim ; Rüde, Ulrich: Nonlinear Diffusion vs. Wavelet Based Noise Reduction in CT Using Correlation Analysis. In: Lensch, H.P.A. ; Rosenhahn, B. ; Seidel, H.-P. ; Slusallek, P. ; Weickert, J. (Hrsg.) : Vision, Modelling, and Visualisation 2007 (Vision, Modelling, and Visualisation 2007 saarbrücken 7.-9.11.2007). 1. Aufl. Saarbrücken : Max-Planck-Institut fuer Informatik, 2007, S. 223-232.
Borsdorf, Anja ; Raupach, Rainer ; Hornegger, Joachim: Separate CT-Reconstruction for 3D Wavelet Based Noise Reduction Using Correlation Analysis. In: Yu, Bo (Hrsg.) : IEEE NSS/MIC Conference Record (IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference Honolulu, USA 27.10.-03.11.2007). 2007, S. 2633-2638.
Borsdorf, Anja ; Raupach, Rainer ; Hornegger, Joachim: Wavelet based Noise Reduction by Identification of Correlation. In: Franke, Katrin ; Müller, Klaus-Robert ; Nickolay, Bertram ; Schäfer, Ralf (Hrsg.) : Pattern Recognition (DAGM 2006), Lecture Notes in Computer Science (28th DAGM Symposium Berlin 12.-14.09.2006). Bd. 4174. Berlin : Springer, 2006, S. 21-30. - ISBN 3-540-44412-2
Borsdorf, Anja ; Raupach, Rainer ; Hornegger, Joachim: Multiple CT-reconstructions for locally adaptive anisotropic wavelet denoising. In: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery 2 (2008), Nr. 5, S. 255-264
Borsdorf, Anja ; Raupach, R. ; Flohr, T. ; Hornegger, Joachim: Wavelet based Noise Reduction in CT-Images Using Correlation Analysis. In: IEEE Transactions on Medical Imaging 27 (2008), Nr. 12, S. 1685-1703
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