Rudolf Repges

A comparison of similarity measures for digital subtraction radiography

Subtraction is useful in detecting small changes in sequentially acquired radiographs. Even if the imaging geometry is constant, radiographs must be registered after their digitization. To compare different algorithms for image registration and to register digital X-rays themselves, various similarity measures have been proposed. This study compares eight mathematical similarity standards using 172 radiographs acquired in different, but exactly known projection. Whenever the computation time is a critical factor, e.g. registering images using methods similar to correlation techniques, the entropy of the subtraction images histogram function (EHDI) is found to be the best similarity standard. If not, e.g. comparative assessing different image registration techniques, the cross covariance coefficient (CCC) is appropriate.

Rotation-extended cepstrum technique optimized by systematic analysis of various sets of x-ray images

Spatial registration is a major problem arising whenever several images of similar contents are to be compared. Considering translations only, two-dimensional cepstral techniques have been proven to be exact and robust against noise or intensity variations. Furthermore, the cepstral filtering is numerically more efficient than most common approaches to image registration based on cross-correlation or template matching. In a previous paper, we proposed a two- dimensional cepstrum based matching technique accessing rotations and translations. The logarithmic polar mapping of the power spectra of both images to be registered is used for the decoupling of rotations and translations (similar to the Fourier-Mellin transform). Rotations are detected first matching the mapped spectra by two-dimensional cepstrum analysis. After rotating back one image, the relative shift is determined using the same cepstrum technique. In clinical practice, the rotation detection step was discovered as the weakness of this registration technique. Based on 855 pairs of dental radiographs acquired in known positions, three different approaches of matching the mapped spectra are compared: the cepstrum technique, the cross-correlation, and the entropy of the one-dimensional histogram distribution function of the substraction image of the mapped spectra. The combination of the log-polar mapped power spectra of both x rays with the entropy-measure allows the best detection of rotations. The union with common cepstrum methods correcting translations results in a robust rotation- extended cepstrum technique.

6-Thioguanine in DNA as CD-spectroscopic probe to study local structural changes upon protein binding.

A combination of experimental and theoretical circular dichroism (CD) spectroscopy was used to study local deformations of DNA caused by binding of the base flipping DNA methyltransferase M.TaqI. To selectively study the structural changes within the DNA, we replaced single guanine residues at six different positions in duplex DNA with 6-thioguanine (s(6)G), which absorbs at 342 nm where unmodified DNA and the enzyme are transparent. The shape and the transition wavelength of a CD signal around 340 nm in the spectra of the free DNA and the M.TaqI-bound DNA were found to depend on the position of the s(6)G probe. Theoretical rotational strengths were calculated employing the matrix method which is frequently used to model the CD of large biomolecules. The only chromophores in these calculations were the nucleic acid bases. Comparison of the measured and the calculated CD spectra showed that the applied computational method qualitatively reproduces the dominant band observed around 340 nm in all cases. From our results we conclude that the spectral changes observed upon binding of the enzyme to the DNA are indeed predominantly due to structural changes within the DNA and not to other effects caused by the presence of the enzyme.

Rotations- und Translationsbestimmung durch eine erweiterte Kepstrum-Technik

Die Bildregistrierung ist ein klassisches Problem der automatisierten Bildverarbeitung und Mustererkennung. Beschranken sich die zu erkennenden Bildunterschiede auf reine Verschiebungen, so kann deren Bestimmung sehr elegant und effizient durch die Kepstrum-Filterung erfolgen. Diese Methode versagt jedoch, wenn z.B. zusatzliche Rotationen vorhanden sind.

Texture-based feature extraction using the wavelet transform on x rays

Focal bone lesions and bone tumors are of special interest in radiology because of their rare appearance (only one percent of all tumor diseases). This motivates a computer-assisted diagnosis recognizing bone tumors. Our image analysis extracts the radiomorphologic features in x rays using a texture-based approach. Diagnosing x rays, the radiologist examines regions of different size in x rays to gain both local and global impressions of the morphologic structure. In order to analyze the x ray in different resolutions, a multiresolution approach based on the wavelet transform is applied to the radiographs. To measure the informational content of the wavelet coefficients for the individual morphologic structures, we calculated a normalized summation of the absolute wavelet coefficients within a local N by N window and called this feature the local energy. We proved in different tests this feature and the parameter for calculating the wavelet transform for a correct classification of the medical structures, applying a topologic map from Kohonen. It is shown that the wavelet transform is well suited for the feature extraction of textures.

RAMSES, ein Daten- und Methodenbanksystem zur Gewebecharakterisierenden Bilddarstellung in der Parameter-Selektiven Kernspintomographie

Schnittbilder durch den menschlichen Korper sind wichtige Hilfsmittel in der medizinischen Diagnostik. Sie werden durch NMR-, Rontgen-, Ultraschall- und andere Verfahren erzeugt. Eine Computerunterstutzung der bildgebenden Diagnostik basiert vor allem auf der Erkennung und Verwertung von interessierenden Regionen aufgrund von Konturen und kontrastierenden Strukturen. Bisher standen fur diesen Zweck Grauwertbilder mit anatomischer Korrelation zur Verfugung, deren strukturelle Bildinhalte bestmoglich darzustellen waren. Grundlage des Grauwertbildes ist bei Anwendung der klassischen bildgebenden Verfahren nur ein Parameter, z.B. in der Rontgenbildgebung die Absorption. Die parameter-selektive NMR-Tomographie [1,2] liefert hingegen eine mehrparametrige Information fur jedes Volumenelement der Schnittebene. Den funf NMR-Parametern (T1, T2 Spindichte, partielles Volumen, dynamischer Parameter) werden bis zu elf Zahlenwerte zugeordnet, da bestimmte Parameter eines Volumenelementes in maximal drei Komponenten aufgelost werden konnen. Aus der Vielzahl der vorliegenden NMR-Daten, die stoffspezifische Eigenschaften der in jedem Volumenelement vertretenen Substanzen beschreiben, soll die fur die Bildgebung und somit fur die Diagnoseunterstutzung relevante Information extrahiert werden.

Schreibweisen und Notationen

Obwohl dieser Text aus in sich abgeschlossenen Kapiteln aufgebaut ist, haben wir uns bemuht, Notationen und Schreibweisen weitestgehend einheitlich zu verwenden, um grostmogliche Konsistenz zu gewahrleisten. Die dazu getroffenen Absprachen sollen an dieser Stelle kurz zusammengestellt werden. Sie wurden aus den verschiedenen Disziplinen: Physik, Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, in denen dieselben Dinge oft ganz unterschiedlich benannt und geschrieben werden, synthetisiert.

Die Hough-Transformation

Neben der im letzten Abschnitt besprochenen Hauptachsen- oder Karhunen-Loeve-Transformation kann auch die Hough-Transformation als Transformation ins Niederdimensionale aufgefast werden. Wie die Karhunen-Loeve-Transformation ist auch die Hough-Transformation nicht umkehrbar.

Das Bild als stochastischer Prozeß

Man kann jedes Bild auffassen als ein Exemplar einer Serie moglicher Abbildungen eines Objektes, etwa eines Knochens oder einer Gehirnregion. Ein zweites Bild des gleichen Objektes wird sich vom ersten unterscheiden, weil es z.B. zu einem spateren Zeitpunkt aufgenommen wurde oder es sich um einen anderen Patienten handelt. Zur Charakterisierung des Objektes werden also Eigenschaften benotigt, die sich aus einer erwarteten Struktur plus einigen individuellen Abweichungen zusammensetzen. Abweichungen ergeben sich aber auch aus anderen Grunden. Zum Beispiel kann der physikalische Prozes, der zur Bilderzeugung fuhrt, bereits stochastisch sein. Dies trifft fur die Emission von Protonen bei PET und SPECT zu, ebenso in der Szintigraphie (vgl. Kap. 2). Auch die in Kapitel 5 genannten Storungen bei der Bildaufnahme bewirken eine Variation, die man als zufallige Uberlagerungen auffassen kann. Zur Modellierung solcher Strukturen als Voraussetzung fur eine spatere Segmentierung werden Verfahren benutzt, die in Analogie zur Signalverarbeitung als stochastische Prozesse oder im englischen Sprachgebrauch zutreffender als Random Fields bezeichnet werden. Diese Verfahren stammen zu einem grosen Teil aus der Physik, aber auch aus den Ingenieurwissenschaften, der Informatik und der Mathematik; das hat zu einer Vielfalt verschiedener Bezeichnungen fur den gleichen Sachverhalt gefuhrt. Nach Moglichkeit wird in den folgenden Definitionen auf den unterschiedlichen Sprachgebrauch verwiesen.

Selbsttransformationen des Ortsraumes durch lokale Operatoren

In den vorausgegangenen Kapiteln wurden verschiedene Bildmodelle ausfuhrlich vorgestellt: Neben der Deutung als eine deterministische Ortsbereichsfunktion haben wir die Interpretation als stochastischen Prozes und als gestorte Messung kennengelernt. Diese Modelle sind fur uns von groser Bedeutung im Hinblick auf eine adaquate Verarbeitung von Bildern.