Seminar: Informationstechnik in der Medizin
Universität Dortmund
Bildverarbeitung in derAugendiagnostik
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Lehrstuhl für KommunikationstechnikProf. Dr.-Ing. Rüdiger Kays
cand. ing. Markus [email protected]
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Folie 2LS KommunikationstechnikProf. Dr.-Ing. Rüdiger Kays
Markus WentkerThemengebiete
Untersuchungmöglichkeiten der Augendiagnostik:
• Eye-Tracking• Gefäßanalyse (Netzhautanalyse)• Hornhaut-Topographie• Ultraschall-Untersuchung• Phoropter• Gesichtsfeldmessung• Spaltlampe• Augendruckmessung
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Markus WentkerEye-Tracking: Einsatzgebiete
Eye-TrackingEinsatzgebiete
• Gesichtsfeldmessung (ohne Mitarbeit des Patienten)• Regeneration des Gesichtsfeldes (z.B. nach Schlaganfall)
• Untersuchung / Warnung vor Sekundenschlaf (z.B. im Auto)
aber auch:• Wirksamkeit von Werbeeinblendungen (z.B. auf Webseiten)
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Markus WentkerEye-Tracker: Formen
Eye-TrackingRealisierungsmöglichkeiten
OnDesk Head-Mounted
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Markus Wentker
Komponenten von Eye-Trackern
Eye-Trackingprinzipieller Aufbau
• Ein oder mehrere Infrarot-LEDs (Strahlungsleistung beachten!)
• 1-2 CCD-Kameras mit IR-Filter (Nah- & Fernfeld)
oder:
• 2 CMOS-Kameras (3D-Ortung)
• Ansteuerungselektronik (Synchronisation LEDs - Shutter)
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Algorithmus:Position der Augen
Eye-TrackingAlgorithmus
1. Erkennung der Position der Augen• Zu Beginn oder bei plötzlichen, großen Kopfbewegungen• Nutzung der Fernfeldkamera
s/w-Kamera
Kanten-detektion
Verarbeitung &Auswahl
AnthrophometrischeDaten
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Markus Wentker
Algorithmus:Position des Pupillenmittelpunktes
Eye-TrackingAlgorithmus
2. Bestimmen des Pupillenmittelpunktes• Selektion eines Pixels, falls kleiner Grauwertschwelle• Bei Bedarf dynamische Änderung der Schwelle
Selektion
BerechnungMassezentrum
Ergebnisgleich?
Ja
Nein
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Algorithmus:Überprüfung Pupillenmittelpunkt
Eye-TrackingAlgorithmus
3. Überprüfung des Pupillenmittelpunktes • Ist die Kontour näherungsweise rund?
GeradenMittelpunkt – Kante
legen
Alle Geradenäquidistant?
Ja
Nein
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Markus Wentker
Algorithmus:Bestimmung der Blickrichtung
Eye-TrackingAlgorithmus
4. Bestimmung der Blickrichtung
• Bestrahlung des Auges mit LEDs ergibt charakeristische Reflexionen, die sog. Glints
• Aus dem Vektor Pupille – Glints Blickrichtung berechnen
oder anderes Verfahren:
• Pupille nicht als rund, sondern als elliptisch angenommen • Aus Hauptachsenlängen, Mittelpunkt und Neigung numerisch /
mathematisch Blickrichtung bestimmen
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Eye-TrackerSystembeispiele
Eye-TrackingTechnische Daten
OnDesk:• Gesamte Hardware im Sockel eines 17“ TFT• Auswertung mit Standard-PC (P4, 256MB Ram, WinXP)• Genauigkeit: 0,5°• Kamerablickfeld: 20x15cm• Max. Abstand: 60cm• Frame-Rate: 50Hz , Delay: 35ms
Head-Mounted (am Beispiel Chronos EyeTracker):• Frame-Rate: 400Hz (CMOS, FPGA/DSP-Architektur)• Weiterverarbeitung nur der relevanten Informationen• Messung von Mikrosakkaden möglich (>500°/s)
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Gefäßanalyse:Erkennung von Krankheiten
GefäßanalyseEinsatzgebiete
• Analyse des Augenhintergrunds (Netzhaut, Sehnerv)• Feine Haargefäße wie auf der Netzhaut kommen überall im Körper
vor• Untersuchung ohne operativen Eingriff
Erkennung nicht nur von Augenkrankheiten:• Schlaganfall• Herzinfarkt• Hörsturz• Diabetes(-schäden)• Durchblutungsstörungen• Rauchschäden• Genetische Risiken• Kopfschmerzen
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Markus Wentker
Gefäßanalyse:Diagnosekriterien
GefäßanalyseKriterien für eine Diagnose
• Größe und Beschaffenheit der Venen & Arterien
• Regulierungsverhalten (z.B. bei Medikamenten- gabe)
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Markus WentkerRetinal Vessel Analyser
GefäßanalyseSystembeispiel: Retinal Vessel Analyser
• Entwickelt an den Augenkliniken Jena und Ulm• Aufzeichnung der Gefäßdurchmesser abhängig von Ort und Zeit• Reaktion auf Provokationen (Medikamentengabe, O2)
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Retinal Vessel AnalyserGerätekonfiguration
Retinal Vessel AnalyserGerätekonfiguration
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Markus Wentker
Retinal Vessel Analyser:Funktionsweise
Retinal Vessel AnalyserFunktionsweise
• Kantendetektion• Absorption des roten Blutfarbstoffes hebt die Gefäße vom Hintergrund ab• Gleichzeitige Vermessung aller Gefäße auf der Netzhaut
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Markus Wentker
Retinal Vessel Analyser:Beispiel Sauerstoffatmung
Retinal Vessel AnalyserBeispiel
• Provokation durch 100% Sauerstoff über Maske
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Markus Wentker
Retinal Vessel Analyser:Technische Daten
Retinal Vessel AnalyserTechnische Daten
• Analysebereich: 100-300 μm• Analysezeit: bis zu 11 min• Längenbereich: 0,18...1,8 mm• Ortsauflösung: 18 μm
Preis:je nach Art und Spezifikation
30.000 bis 130.000 €
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Markus Wentker
Hornhaut-Topographie:Einsatzgebiete
Hornhaut-TopographieEinsatzgebiete
• Hornhautvermessung für exakte Sehschärfenkorrektur mittels
Excimer-Laser
• Kontaktlinsenanpassung
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Markus Wentker
Hornhaut-Topographie:Funktionsweise
Hornhaut-TopographieFunktionsweise
• Projektion von 25 oder 31 konzentrischen Ringen auf Hornhaut• ca. 8000 Messpunkte• Positionierung / Fokussierung manuell über Joystick• Blendungsfreie, eigene Lichtquelle• Aufnahme über CCD-Kamera• Darstellung auf 5,5“ TFT• Aufnahmezeit: 0,033sek• Genauigkeit: +-0,02mm
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Markus Wentker
Hornhaut-Topographie:Darstellungsformen
Hornhaut-TopographieDarstellungsformen
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Markus WentkerZusammenfassung
Zusammenfassung
• Vielfältige Einsatz- & Untersuchungsmöglichkeiten
• Nicht auf medizinische Aspekte beschränkt
• Erkennung nicht nur von Augenkrankheiten
• Zustand des Auges gibt Aufschluß über mögliche Krankheiten im ganzen Körper (Gefäßanalyse)