Digital and analog hologram tomography for medical applications [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Sven Hirsch

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• Publié par: heinrich-heine-universitat_dusseldorf
• Publié le: 01 janvier 2007
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Digital and Analog Hologram Tomography
for Medical Applications
Inaugural-Dissertation
zur
Erlangung des Doktorgrades der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
vorgelegt von
Sven Hirsch
aus Idar-Oberstein
Dezember 2006Referent: Prof. Dr. P. Hering
Koreferent: Prof. Dr. K. Schierbaum
Tag der mündlichen Prüfung: 29.1.2007
Gedruckt mit Genehmigung der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der
Heinrich-Heine-Universität DüsseldorfZusammenfassung
Holographische Topometrie birgt das einzigartige Potential der Aufnahme von Oberflächen selbst von
bewegten Objekten und liefert dabei eine präzise passende Textur. Beide Anforderungen werden von
keiner anderen 3D Vermessungsmethode erfüllt. In der vorliegenden Arbeit werden Verbesserungen an
der analogen Methode vorgestellt und eine digitale Methode neu entwickelt.
DerErfassungs-undderAuswerteprozesssindentkoppelt. EinPortraithologrammwirdmiteinerkurzen
Aufnahmezeit (20 ns) erstellt, womit keine Bewegungartefakte entstehen. Das Hologramm trägt die
gesamte räumliche Information des Objektes, Phase und Amplitude sind gespeichert. Nach der nass-
chemischen Entwicklung wird das Hologramm mit einem Dauerstrich-Laser optisch rekonstruiert und
zeigt das reele Bild. Ein Scanner geht schrittweise durch das reele Bild und nimmt es Schicht für Schicht
auf. Durch digitale Bildverarbeitung werden Oberfläche und die entsprechende Textur des Objektes
extrahiert. Höhe und Textur werden zu einem digitalen 3D Modell zusammengeführt.
Eine holographische Kamera zur mobilen Aufnahme von analogen Hologrammen wird vorgestellt, mit
der erstmalig Hologrammaufnahmen bei Tageslicht möglich sind. Das System ist bedienungfreundlich
und wird von medizinischem Personal verwendet. Eine optische Rekonstruktionseinheit wird für dieses
Systemaufgebaut,diedenhohenAnsprücheneinerartefaktfreienDigitalisierungdesreelenBildesgenügt.
Durch diese Arbeit werden bedeutende Innovationen in die analoge Methode eingebracht. Ein Flächen-
detektor ersetzt einen kommerziellen Flachbettscanner und eliminiert die Schwächen in Geschwindigkeit,
Dynamikumfang, mechanischer Instabilität und von Bildartefakten. Dieser vollkommen neuartige High-
Performance Scanner verwendet einen Röntgen-Flatpaneldetektor (FPD) zur flächenhaften Aufnahme
jedes Bildes. Der FPD wird für die optische Erfassung angepasst, fabrikationsbedingte Bildfehler des
Detektors werden ausgeräumt. Damit gehen viele Verbesserungen einher. Das reele Bild kann nun online
betrachtet werden, die Bildrate von 10 Hz reduziert den Scanprozess drastisch von 2 Stunden auf 30
Sekunden. Der Dynamikumfang von 12 bit ermöglicht eine Aufnahme mit hoher Empfindlichkeit. Durch
die Beseitigung von Bildartefakten und von mechanischen Unzulänglichkeiten wird eine Rekonstruktion
mitdeutlicherhöhterQualitäterreicht. DiePositionierungdesSensorsistgenausenkrechtzurScanachse,
womit geometrische Abberationen systematisch entfallen.
DiezweiteErrungenschaftdieserArbeitistdieEinführungdervolldigitalenholographischenTopometrie,
beidereinCCD-SensorzurHologrammaufnahmedient. VerglichenmitderanalogenMethodeerreichtdie
digitaleHolographie,bedingtdurchBeschränkungderSensorauflösung,nureingeringesSichtfeld. Diezur
numerischenRekonstruktionnotwendigenAlgorithmenwerdenimplementiert, Filtertechnikenverbessern
die Rekonstruktionsqualität. Eine Skalierung führt zu Bildstapeln mit konstanter lateraler Skalierung
und geometrisch korrekter Positionierung. Ein Algorithmus wird implementiert, der die Rekonstruktion
echtzeitfähig auf der Grafikkarte berechnet, dabei wird eine Beschleunigung um den Faktor 100 bei
großen Bilder erzielt. Eine neue Eichmethode zur Festlegung des Ursprungs des Referenzstrahles wird
entwickelt, bei der lediglich ein Objekt bekannter Größe vermessen wird. Mit optimaler Beleuchtung
kann aus digitalen Hologrammen bereits Haut dargestellt werden, was einen bedeutenden Schritt zur
Gesichtsvermessung darstellt. Mit strukturierter Beleuchtung wird die Sichtbarkeit der Oberfläche eines
Objektes verbessert.
Es wird gezeigt, dass Höhenkarten aus numerisch rekonstruierten Bildstapeln erstellt werden können.
Zur Vermeidung von Artifakten durch die Specklemuster wird die Skalierung erst nach der Oberflächen-
findung durchgeführt. Textur und Höhenprofil werden zur gleichen Zeit aus dem Bild extrahiert. Es
werdenAnstrengungenunternommen,AufnahmenverschiedenerPerspektivenzusynthetisierenunderste
vielversprechende Ergebnisse hierzu werden präsentiert. Dazu werden Eichobjekte aus den verschiedenen
Perspektiven aufgenommen und die Transformationsmatrix im Objektraum bestimmt.
Zwei medizinische Anwendungen der analogen Hologrammtopometrie werden präsentiert, die beide nur
durch die hier vorgestellten instrumentellen Verbesserungen möglich sind. Im ersten Beispiel werden
Möglichkeiten der Planung und Dokumentation von Spaltkorrekturen gezeigt. Selbst geringe Kontraste
der kindlichen Hautporen werden vom neuen Sensor detektiert und führen zu exzellenten Gesichtsmod-
ellen. Diese 3D Information wird zur Dokumentation und Bewertung von Operationstechniken der
Spaltkorrektur bei Säuglingen verwendet. Die zweite Anwendung beschreibt die Quantifizierung des
Einflusses der Schwerkraft auf Weichgewebe. Eine Zahnspange wird zur Registrierung der beiden
Gesichtsmodelle des aufrechten und des liegenden Gesichtes verwendet. Durch manuelles Verfolgen von
Merkmalen in der Textur konnten erste Verschiebungsvektorfelder extrahiert werden. Eine maximale
Hautbewegung von 6 mm wird in der oberen Wangenregion festgestellt, verglichen mit einer volumetrisch
ermittelten Verschiebung von nur 1 - 2.3 mm.Synopsis
Holographic topometry has the unique potential to capture the surface of a living subject even in
motion and with an accurately fitting texture. Both tasks cannot be accomplished by any other 3D
imaging method. In this thesis the analog method was improved and a digital method newly developed.
The capture and the evaluation processes are decoupled. A pulsed hologram is captured with a short
exposure time (20 ns), avoiding any motion artifacts. The hologram contains the complete spatial in-
formation of the object; phase and amplitude are recorded. After a wet-chemical processing the analog
hologram is optically reconstructed with a continuous wave laser to reveal the real image. The scanner
physicallytravelsthroughtherealimagetocaptureitslice-by-slice. Digitalimageprocessingextractsthe
object surface and the appropriate texture. Height and texture information are combined into a digital
3D model.
A holographic camera system for the mobile capture of analog holograms is presented, which, for the
first time, allows to capture holograms in daylight. It is easy to operate and enables the use of the
system by medical personnel. An optical reconstruction unit was designed for this system to meet the
high demands for a scanning of the real image without artifacts.
In the analog method major innovations are introduced with this thesis. Most prominently, a full-sized
area detector replaced the commercial flatbed scanner to eliminate the shortcomings of speed, dynamic
range, mechanical instability and image artifacts. This novel high performance scanner uses a X-ray
flat-panel detector (FPD) as an area sensor to capture each image at once. The FPD was modified to
fulfill the the optical sensing needs, artifacts of the FPD were eliminated. The improvements introduced
by this new instrument are manifold. The real image may now be monitored on-line, the scan rate of 10
Hz drastically reduces the scan process from 2 hours to 30 seconds. The 12 bit dynamic range allows to
record the slice with higher sensitivity. By eliminating image artifacts and mechanical issues, the device
led to a vastly improved reconstruction performance in all respects. The positioning of the sensor is
exactly perpendicular to the scan axis, which resolves the geometric aberrations systematically.
The second absolute novelty is the introduction of digital holographic topometry, where a CCD sensor
is used to record the hologram. Compared to the analog method, the field-of-view is restricted for
digital holography due to limitations of the sensor resolution. The algorithms necessary for the numerical
reconstruction of digital holograms were implemented. Filter techniques improve the quality of thetruction. Ascalingprocedureleadstoimagestackswithconstantlateralscalingandageometrically
correct positioning. An algorithm was implemented that performs the reconstruction calculation on the
graphicshardware, whichresultsinanearly100foldspeedincreaseforthereconstructionoflargeimages.
A unique gauging method was developed to adjust the reference beam origin, merely by measuring a
target of known extent. With an optimal illumination, human skin can already be visualized in digital
holograms, which is a major advance towards facial topometry. With structured illumination the surface
visibility may be additionally enhanced for any given object.
It was demonstrated that surface maps can be established from numerically reconstructed image stacks.
Due to the speckle pattern progression it is necessary to perform the scaling corrections after the surf