Dokument: Digital and Analog Hologram Tomography for Medical Applications

Titel:	Digital and Analog Hologram Tomography for Medical Applications
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=6607
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20071221-102857-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Hirsch, Sven [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 6,83 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.01.2008 / geändert 09.01.2008
Beitragende:	Prof. Dr. Hering, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Schierbaum, Klaus [Gutachter]
Stichwörter:	gepulste Holografie, Gesichtsvermessung, Textur, Fokusdetektion, Digitalisierung, holography, facial measurement, texture, focus detection, digital holography, real image digitization
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	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. Der Erfassungs- und der Auswerteprozess sind entkoppelt. Ein Portraithologramm wird mit einer kurzen Aufnahmezeit (20 ns) erstellt, womit keine Bewegungartefakte entstehen. Das Hologramm trägt die gesamte räumliche Information des Objektes, Phase und Amplitude sind gespeichert. Nach der nasschemischen 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 System aufgebaut, die den hohen Ansprüchen einer artefaktfreien Digitalisierung des reelen Bildes genügt. Durch diese Arbeit werden bedeutende Innovationen in die analoge Methode eingebracht. Ein Flächendetektor ersetzt einen kommerziellen Flachbildscanner 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 mit deutlich erhöhter Qualität erreicht. Die Positionierung des Sensors ist genau senkrecht zur Scanachse, womit geometrische Abberationen systematisch entfallen. Die zweite Errungenschaft dieser Arbeit ist die Einführung der volldigitalen holographischen Topometrie, bei der ein CCD-Sensor zur Hologrammaufnahme dient. Verglichen mit der analogen Methode erreicht die digitale Holographie, bedingt durch Beschränkung der Sensorauflösung, nur ein geringes Sichtfeld. Die zur numerischen Rekonstruktion notwendigen Algorithmen werden implementiert, Filtertechniken verbessern 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 Oberflächenfindung durchgeführt. Textur und Höhenprofil werden zur gleichen Zeit aus dem Bild extrahiert. Es werden Anstrengungen unternommen, Aufnahmen verschiedener Perspektiven zu synthetisieren und erste 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 Gesichtsmodellen. 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. 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 information 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 physically travels through the real image to capture it slice-by-slice. Digital image processing extracts the 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 the reconstruction. A scaling procedure leads to image stacks with constant lateral scaling and a geometrically correct positioning. An algorithm was implemented that performs the reconstruction calculation on the graphics hardware, which results in a nearly 100 fold speed increase for the reconstruction of large images. 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 surface finding. The texture and the height profile were extracted at the same time. Efforts to synthesize different perspectives are presented and show first promising results. It is the strategy to gauge the perspectives by known targets and determine the transformation matrix in the object space. Two medical applications of analog hologram topometry are presented, both are only feasible due to the instrumental improvements presented in this thesis. The first example shows the planning possibilities and documentation for a cleft lip correction. The subtle image contrasts introduced by the infantile skin pores are detectable with the new device and lead to an excellent 3D surface model. This 3D information is used for the documentation and evaluation of cleft correction techniques. The second application shows the quantification of gravitational effects on soft tissue. A jig fixed to the teeth was used to register the two facial models of an upright and a reclined face. By manually tracking features in the texture map, a first sparse displacement map was extracted. The skin shifted maximally in the upper cheek region by a distance of 6 mm, compared to a volumetrically determined difference of only 1 - 2.3 mm.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	09.01.2008
Dateien geändert am:	09.01.2008
Promotionsantrag am:	29.01.2007
Datum der Promotion:	29.01.2007