Farb- und Formanalyse von Stimmlippen in digitalen laryngoskopischen Bildern

Diplomarbeit von Christoph Palm

Einleitung:

Farbe und Form spielen in der medizinischen Diagnostik schon seit jeher eine zentrale Rolle. Sie sind zwei von vielen Parametern, die in die Befundung eines Patienten eingehen. Der Arzt erhält einen Eindruck von Farbe und Form eines Gewebes durch Augenschein und/oder Betasten. Die Beschränkung auf von Außen zugängliche Bereiche konnte durch die fortschreitende technische Entwicklung weitgehend aufgehoben werden. Heute stehen bildgebende Verfahren wie die Röntgen-- und die Ultraschalltechnik zur Beobachtung der Form von inneren Strukturen und die Endoskopie für schwer zugängliche Bereiche wie Darm und Kehlkopf zur Verfügung. Die Endoskopie bietet meist die Möglichkeit, auch die Farbe des untersuchten Gewebes zu beobachten. Die Evaluierung der medizinisch relevanten Parameter aus dem Bildmaterial erfolgt durch den Arzt. Sie ist damit abhängig von dessen Beobachtungsgabe und Erfahrung und kann nur zu einer recht groben Klassifizierung des Krankheitsbildes führen.

Die technischen bildgebenden Verfahren erlauben nicht nur eine Erweiterung der Diagnosemöglichkeiten des Arztes, sondern auch die Digitalisierung und rechnergestützte Weiterverarbeitung des Bildmaterials. In dem DFG-Forschungsprojekt „Quantitative Digitale Laryngoskopie“ werden aus endoskopischen Bildern des Larynx mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitung neue quantitative Befundparameter extrahiert, die dem Arzt zur Verfügung gestellt werden. So manifestiert sich eine organische Erkrankung meist in der Veränderung der Stimmlippenoberfläche, erkennbar durch Farbe, Form und Textur. Die in dieser Arbeit extrahierten Parameter zur Farberscheinung und Form tragen zu einer Objektivierung der Befundung bei.

Ziel dieser Arbeit ist die Ermittlung beleuchtungsunabhängiger Farbwerte aus laryngoskopischen Bildern. Diese sog. farbkonstanten Farbwerte sollen die Vergleichbarkeit von Untersuchungen eines Patienten zu verschiedenen Zeitpunkten zur Therapiekontrolle und von verschiedenen Patienten (nach entsprechender Kalibrierung) zur Klassifizierung verschiedener Krankheitsbilder gewährleisten. Die Helligkeiten der farbkonstanten Farbwerte sind von der Aufnahmegeometrie und insbesondere von der Oberflächenform der Objekte im Laynx abhängig. In einem weiteren Schritt werden deshalb diese Helligkeiten als Grundlage für eine Formrekonstruktion der Stimmlippen verwendet.

Die Arbeit behandelt drei Schwerpunkte:

Systematische Einführung in die Bildverarbeitung von Farbbildern.

Dabei werden Bildentstehung, Farbräume und insbesondere das dichromatische Reflexionsmodell erläutert, das die Basis der folgenden Algorithmen bildet.

Beschreibung von bekannten und neuen Verfahren zur Farbkonstanz.

Ziel dieser Verfahren ist die Bestimmung der Lichtquellenfarbe aus dem Bild, um sie anschließend vollständig eliminieren zu können.

Analyse der Oberflächenform durch Shape-from-Shading.

Die Formanalyse wird erst durch die vorangestellte Elimination von Lichtreflexen möglich und erlaubt die Darstellung eines 3D-Modells der Stimmlippen.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
2.	Medizinische Grundlagen	3
2.1	Anatomie des Kehlkopfes	3
2.2	Organische Veränderungen des Kehlkopfes	4
2.3	Bildmaterial	5
2.3.1	Bildaufnahme	5
2.3.2	Bildinhalt	7
3.	Grundlagen der Farbbildverarbeitung	9
3.1	Was ist Farbe?	9
3.2	Farbentstehung	11
3.2.1	Modelle zur Lichtreflexion	11
3.2.2	Dichromatisches Reflexionsmodell	13
3.3	Farbe in digitalen Bildern	15
3.3.1	Diskretes Dichromatisches Reflexionsmodell	16
3.3.2	Farbräume	17
3.3.3	Farbbilder vs. Grauwertbilder	21
3.3.4	3D-Objekte in Farbdiagramm und -histogramm	25
3.3.5	Farbfehler	31
4.	Farbkonstanz	33
4.1	Motivation	33
4.2	Methodik	34
4.2.1	Strukturierung bekannter Verfahren	34
4.2.2	Konzept der eingesetzten Verfahren	39
4.3	Beleuchtungsfarbe	40
4.3.1	Methode der lokalen Pfadsuche	42
4.3.2	Methode der Farbsegmentierung	48
4.3.3	Kombination der Verfahren	65
4.3.4	Versuche und Ergebnisse	70
4.4	Objektfarbe	85
4.4.1	Viertelkreis-Analyse	86
4.5	Trennung von Oberflächen- und Körperreflexion	92
4.5.1	Versuche und Ergebnisse	94
4.6	Zusammenfassung	100
5.	Formanalyse	103
5.1	Formulierung des Problems	103
5.1.1	Bildprojektion	104
5.1.2	Strahlungsgleichung	106
5.2	Shape-from-Shading-Lösungsansätze	109
5.2.1	Shape-from-Shading und Farbe	111
5.3	Shape-from-Shading-Algorithmus	113
5.3.1	Triangulierung des Bildes	113
5.3.2	Reflexionsfunktion eines Oberflächendreiecks	115
5.3.3	Berechnung des Höhenprofils	119
5.3.4	Versuche und Ergebnisse	123
6.	Zusammenfassung und Ausblick	131
7.	Farbtafel	134
A.	Erstellte Software	137
B.	Farbraumtransformationen	139
C.	Mathematische Grundlagen	141