Digitalbildverarbeitung

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6. Digitalbildverarbeitung

Autor: János Norbert Gyebnár und Csaba Korom

6.1. Lernziel des Kapitels

Die Wiederholung von den Kenntnissen, die die Studenten in der Biophysik darüber gelernt haben:
Der Raumvertrieb von einer der physischen Mengen wird bei den radiologischen Bildern in ein sichtbares Bild verwandelt. Diese physische Menge kann der in verschiedenen Stoffen verminderte Röntgenstrahl, die an den Gewebegrenzen reflektierte Ultraschall-Welle, oder der organische Vertrieb der radioaktiven Isotope sein. Um diese physischen Mengen, deren Raumvertrieb in der radiologischen Diagnostik nutzen zu können, muss man sie mit verschiedenen Transformationen als sichtbares Bild darstellen.

6.2. Bilderfassung

Im radiologischen Bildgeberverfahren gibt es zwei Möglichkeiten, im Laufe der Untersuchung die erzeugten Informationen analog oder digital aufzunehmen. Bei der analogen Technik wird das physikalische Datensignal (Absorption der Röntgenstrahlung, Reflektion des Ultraschalls, radioaktive Isotopenverteilung) auf chemischen Wegen befestigt (Röntgenaufnahme) oder zum sichtbaren Licht transformiert, so werden die Signale sichtbar gemacht. Wir benutzen analoge Aufnahmen nur bei dem klassischen Röntgenverfahren. Diese können Schnappschüsse an Röntgenfilm erfasst, oder dynamische Untersuchungen sein, z.B. bei der Durchleuchtung wird die Röntgenstrahlung mit Analogtechnik (Bildverstärker) an einem Monitor versinnlicht, so können wir die Prozesse in Echtzeit untersuchen (z.B. das durch die Speiseröhre gehende Kontrastmittel bei der Röntgenuntersuchung des Schluckens).
Die physischen Signale werden bei digitaler Bildgebung in elektrischen Impulsen konvertiert, dann werden diese Signale auf den Arbeitsspeicher des Computers als digitale Daten gespeichert.

6.3. Digitales Bild

Der Pixel oder Bildpunkt ist die elementare Einheit der digitalen Bilder. Diese befinden sich entlang eines zweidimensionalen Vierecks als Raster, und werden wegen ihrer Natur als Punkte angezeigt.

Jeder Pixel ist ein Spezimen aus dem Originalbild. Je mehr Proben nehmen wir, desto mehr und kleinere Bildpunkte werden wir haben, desto präziser wird das digitale Bild und höher die Auflösung.
Wir verwenden drei Angaben zur Charakterisierung der Pixel. Zwei sind für die Adresse, der Speicherort des Bildpunktes am Quadratgitter. Wenn das digitale Bild ein Koordinatensystem würde, wären x und y die Adresse des Pixels. Die dritte Angabe ist selbst der Informationsgehalt des Bildpunktes, die Farbe der Farbbilder und die Helligkeit des schwarz-weißen Bildes. Das Pixel kann nur eine Farbe haben. Die Bit-Auflösung oder Farbtiefe gibt die maximale Anzahl der Farben an. Die größere Farbtiefe erlaubt in dem ursprünglichen Bild genauere Farben, aber es erhöht auch der Größe der Bilddatei. Die Farbtiefe ist in der Regel in Bit gemessen. Das Bit steht in der Informatik als Bezeichnung für eine Binärziffer (üblicherweise null oder eins). (Die möglichen Kombinationen von zwei Bits: 00, 01, 10, 11, also 22 hat vier Kombinationsmöglichkeiten). Das Bild mit 1-Bit große Tiefe hat zwei Farben, schwarz und weiß. Die 8-Bit-Auflösung kann 256 (2⁸), und die 16-Bit-Auflösung 16384 (2¹⁶) verschiedene Farbe anzeigen. Wir benutzen in der radiologischen Diagnostik normalerweise Graustufenbilder, hier gibt die Farbtiefe die hinzufügende Anzahl der verschiedenen Schattierungen von grau an.

Die obigen Zahlen (die Koordinaten und die Farbtiefe) charakterisieren genau die Aufnahme. Die gefertigten Aufnahmen können auf den Computermonitor angezeigt werden, und man kann mit entsprechender Software einen Befund oder auch nachherige Bildmanipulationen (zu) machen.
In der heutigen Radiologie benutzen wir digitale Bilder praktisch in jeder Modalität. Die CT und MRT wäre ohne Digitaltechnik unvorstellbar, weil die Bilder dieser Modalitäten aus den Untersuchungsdaten mit einer großen Menge von mathematischer Berechnung entstanden sind, daher ist der Computer unerlässlich.
Die digitale Bildgebung hat zwei Formen, die direkte und indirekte digitale Aufnahme. Bei der direkten Methode sind die Bilder sofort digitalisiert, während bei der indirekten Methode zuerst analoge Aufnahmen gemacht werden, und danach wird die Aufnahme selbst digitalisiert, wie z.B.: bei Speicherfoliensystemen oder beim nachherigen Scannen von konventionellen Film-Folien.

6.4. Bildmanipulationen

Nachdem die digitalen radiologischen Bilder generiert wurden, ist es möglich, die Parameter des Bildes nachträglich zu ändern. Davon ist am grundlegendsten und wichtigsten, die Möglichkeit auf Änderung des Kontrasts und der Helligkeit. Der radiologische Kontrast ist die Farbintensität-Abweichung zwischen den Pixel nebeneinander, und je größer es wird, desto schärfer separieren sich die Strukturen im Bild voneinander.
Nachträglich kann man die Helligkeit eines Bildes ändern, also diejenigen Teile, die zu hell oder zu dunkel waren, kann man auch einfacher sichtbar und untersuchbar machen.
Die Fensterung bedeutet die gemeinsame Änderung von Helligkeit und Kontrast. Wenn man die beiden Parameter richtig verändert, kann man die verschiedenen Organe und Gewebe mit verschiedener Strahlenabsorption für die genauere Bewertung hervorheben. Beispielsweise ist bei CT mit geringer Helligkeit und Kontrast das Knochenstruktur gut sichtbar, während der Rest des Körpers ziemlich schwach in Erscheinung wird. Mit hohem Kontrast und Helligkeit wird die Lungenstruktur gut untersuchbar, und der Rest des Körpers ziemlich bleich.

Die digitalen Bilder können wir auf dem Monitor vergrößern oder auch drehen. Wir können problemlos Länge oder auch relative Dichte messen, und davon den Typ des Gewebes ableiten. Von der CT und MRT können wir leicht in fast jeder Plan (MPR) und auch dreidimensionale (3D) Rekonstruktionen machen. Mit diesen Rekonstruktionen können wir die Läsionen genauer beurteilen. Z.B.: durch die 3D-Rekonstruktion des Verdauungssystems können wir uns - ähnlich zur Endoskopie – die Wand des Darms von innen ansehen, ohne dass der Patient belastende, invasive Interventionen erleiden soll.

6.5. Die Vorteile der digitalen Bildgebung

Digitale Aufnahmen können sofort angesehen werden, Hervorrufung ist nicht notwendig. Die Sensoren arbeiten in einem größeren Expositionsintervall, als der konventionelle Röntgenfilm, das ermöglicht die Exposition nachträglich zu korrigieren, deshalb sollen die unter- oder überbelichteten Aufnahmen nicht wiederholt werden, und dadurch wird auch die Strahlenexposition des Patienten verringert. Bei der Ansehung der Aufnahmen können wir auf dem Computer mit der Befunder-Software verschiedene Bildmanipulationen (Zoom oder Fensterung zu ändern, 3D-Rekonstruktion, Messung, usw.) einfach verwenden.
Die fertigen Aufnahmen können wir digital speichern, die gleichzeitig von mehreren Arbeitsstationen angeschaut werden können, und über das Internet oder das Hospitalnetzwerk in elektronischer Form zur anderen Klinik oder Abteilung sendbar sind, so wird die Konsultation leichter. Eine unbegrenzte Anzahl von Kopien kann ohne Qualitätsverschlechterung gemacht werden. Die Bilderfassung und die Lagerung sind deutlich billiger und die archivierten Aufnahmen sind leicht befindlich, stehen jederzeit sofort zur Verfügung. Die Entwickler-Chemikalien und die Filme sind stark schädlich für die Umwelt, in der digitalen Radiologie können wir diese unterlassen.

6.6. Die Nachteile der digitalen Bildgebung

In der digitalen Radiologie verwendeten bildgebende Geräte, Arbeitsstationen, Monitoren für Befunden, Server, Netzwerkausbildung sind sehr teuer, so ist eine neue Laborausrüstung für eine große Investition, die nur auf lange Sicht profitabel wird.
Andere Fehlermöglichkeiten sollen in Rechnung kommen, als bei der analogen Technik. Die sind aus Informatik entstammende Fehlermöglichkeiten, z.B.: Virenschutz, Stromausfall, Netzwerk-Überlastung.
Die bildgebenden Verfahren erfordern großes Fachwissen, da die schlecht manipulierten Bilder auch pathologische Bedingungen imitieren können.

6.7. Digitale Bildübertragung, Hospitalnetzwerke

Das Ziel der digitalen Bildübertragung und Speicherung ist, dass die digitalen Bilder von jeder Modalität und die zum Bild gehörenden textlichen Informationen jederzeit auf den graphischen Arbeitsstationen in jedem Netzwerk zur Verfügung stehen, und aus der Archive abrufbar seien. Ein einheitliches Format ist notwendig, um die Aufnahmen der verschiedenen Geräte auf andere Geräte übertragbar seien, so dass die Bilder überall vergleichbar erscheinen. Daher haben die radiologische Fachgesellschaften und die Unternehmen der medizinischen Ausrüstung gemeinsam die DICOM (digitale Bildkommunikation in der Medizin, Digital Image Communication in Medicine) -Standards entwickelt, die die Aufnahmen aller Modalitäten einheitlich verwaltet. Zurzeit ist dieses radiologische Format in allen digitalen Laboratorien der Welt verwendet. Die zur Verwendung und Speicherung der digitalen Bilder nötigen technischen Kriterien sind im PACS (Picture Archives and Communication System) umgesetzt.
RIS (radiologische Informationssystem) ist ein Informationssystem, die die radiologischen Leistungen und Kapazitäten plant, organisiert, ansteuert und überprüft. Die radiologischen Patientendaten (z.B. Befund, Untersuchungsparameter, Kontrastmaterialtyp) werden zu den Bildern an der PACS, wo die Bilder gespeichert und verwendet sind, zugeordnet. So sind alle radiologisch relevante Daten von den Patienten in einem Ort (RIS) gelagert.
Das im Krankenhaus angewendete Informationssystem (HIS) behandelt die Patientendaten in einem einheitlichen System, sowohl die administrativen, wirtschaftlichen und finanziellen Dimensionen der klinischen Tätigkeit, dadurch erfüllt es alle Funktionen zum Workflowinformationen des Krankenhauses.
Mithilfe des HIS die in RIS gespeicherten Daten können wir zu anderen Daten des bestimmten Patienten zuordnen (z.B. Laborbefunde, fachärztliche Untersuchungen, Patientenkartei).
Um diese drei Informationssysteme (PACS-RIS-HIS) zu verbinden, ist eine Netzwerkverbindung mit ausreichender Kapazität unbedingt erfordert, so wie die einheitliche Kommunikation der nötigen und gleichwertigen Daten zwischen den verschiedenen Datenbanken.

6.8. Zusammenfassung

In der modernen Radiologie werden die traditionellen Verfahren von der digitalen Bildgebung immer mehr verdrängt. Bessere Verwaltbarkeit und Bildqualität der digitalen Bilder, und die breite Auswahl der Nachbearbeitung hilft dem Radiologen in der täglichen Arbeit. Die leichtere Verfügbarkeit der radiologischen Aufnahmen neben den Patientendaten, die Online-Netzwerke für Konsilium kann auch die Arbeit der Kliniker erleichtern, demzufolge wird die heilende Arbeit schließlich effektiver.

Deutsche Übersetzung: Csaba Korom und Emese Kristóf