Bildverarbeitung für die Medizin - Matrox Software und Hardware im Einsatz

Über die Entdeckung von Röntgenstrahlen wurde erstmals im Jahre 1895 berichtet, als Wilhelm Conrad Röntgen mit elektrostatischen Ladungen und Kathodenstrahlröhren experimentierte. Im Jahr 2008 verwenden wir medizinische Bildverarbeitungstechnologien wie die Computertomographie (CT), die Kernspintomographie oder die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Es hat den Anschein, dass Röntgenstrahlen veraltet sind, dem ist aber nicht so.

Die Angiographie ist ein röntgenbasiertes, medizinisches Bildgebungsverfahren für die Untersuchung von weichem Gewebe, wie Arterien, Venen und Organen. Während der Angiographie wird dem Patient ein Kontrastmittel injiziert, das unter Einwirkung von Röntgenstrahlen die Gefäßstrukturen sichtbar macht. Das entstehende Bild, das Angiogramm, zeigt aber auch Strukturen wie Knochen und Organe. Dadurch kann der Arzt unter Umständen die Blutgefäße nur unzureichend erkennen.

Mit Hilfe der Digitalen Subtraktionsangiographie können die unerwünschten Strukturen beseitigt werden. Dabei erfasst der Techniker zuerst ein Bild ohne Kontrastmittel in den Blutbahnen des Patienten und zieht es dann vom Bild mit Kontrastmittel ab. Übrig bleiben dann nur noch die mit Kontrastmittel gefüllten Gefäße sowie andere Strukturen im Hintergrund mit geringem Kontrast. Die Digitale Subtraktionsangiographie wird bei der Untersuchung von Arterien- und Venenverengungen und Aneurysmata angewendet.

Ein argentinischer Hersteller von medizinischen Geräten wollte seine röntgenbasierten Angiographiesysteme aufwerten und setzte sich mit Dr. Guillermo Sentoni (gsentoni@uade.edu.ar ) von der UADE, Universidad Argentina de la Empresa, in Verbindung. “Der Hersteller wollte digitale Module für Erfassung und Verarbeitung in die Geräte einbauen lassen” erläutert er. “Da wir handelsübliche Komponenten verwendet haben, konnten wir innerhalb von zwei Jahren ein kostengünstiges Produkt auf den Markt bringen.”

Das System
Der PimaxScan ist ein kombiniertes Analog-Digital-System. Das analoge Radiologie-Modul erzeugt das Röntgenbild, das dann mit einem Verstärker sichtbar gemacht wird. Das sichtbare "Röntgen"-Bild wird dann mit einer hochauflösenden digitalen Kamera erfasst und zum Bildverarbeitungsmodul übertragen, wo es mit Hilfe von Software verarbeitet wird. Schließlich gibt es auch noch ein Modul für die Steuerung des Bildausdruckes und die Speicherung der Bilder. “Durch den Einsatz des Verstärkers können wir ein analoges System in ein digitales umwandeln” sagt Sentoni. “Wir haben die bestehende analoge Schaltung verwendet, um die neuen digitalen Komponenten anzuschließen.” Er führt weiter aus, dass die Kosten des Hybridsystems mit denen des originalen analogen Systems gleich sind, was die digitalen medizinischen Geräte auch für Entwicklungsländer erschwinglich macht. “Wenn bestehende medizinische Geräte mit neuen Komponenten verbessert werden, sind diese Länder auch in der Lage, die neusten Technologien für ihre Patienten einzusetzen.”

Die digitalen Komponenten des PimaxScan umfassen eine Camera-Link-Kamera Uniqvision UP930, einen Framegrabber Matrox Helios XCL und einen embedded PC mit Intel-915-basiertem Motherboard und einem Intel Pentium 4 Prozessor. Das System läuft unter Windows XP Embedded. Die gesamte Software wurde in C++ mit der Matrox Imaging Library (MIL) programmiert. Die Software steuert nicht nur die Erfassung, Anzeige und Archivierung der Bilder, sondern auch die Bildverarbeitung. “In MIL sind alle Algorithmen und Funktionen für die Bildverarbeitung enthalten. Wir verwenden das Kantenerkennungsmodul für die Erfassung der Ränder sowie Tiefpass-Filter, Rekursivfilter, Rotation und digitale Subtraktion” erläutert Sentoni. “Außerdem setzen wir einige Look-Up-Tables für die Beschleunigung der Bildanzeige auf Terminals mit zwei Bildschirmen ein.”

Schwierigkeiten bei der Kompression der Daten
Die größte Herausforderung war es für Sentoni, günstige Komponenten zu finden, die die Bandbreite ohne Datenkompression unterstützen können. In Argentinien und anderen Ländern untersagen die Gesundheitsbehörden die Bildkompression, weil dadurch wichtige Bilddaten verloren gehen könnten. “Der Systemkern erfasst, verarbeitet, speichert und zeigt Bilder mit einer Auflösung von 1024 x 1024 und mit 30 fps. Das führt zu Datenraten von 300 MByte/s, die einen Großteil der verfügbaren PCI-Bandbreite belegen” sagt er. “Unsere Absicht war es, ein kostengünstiges medizinisches Gerät zu entwickeln, und das konnten wir nur mit handelsüblicher Hardware.” Aber nicht alle Hardwarekombinationen waren gleich. Schließlich hat Dr. Sentoni festgestellt, dass die Visualisierung, ein wesentliches Leistungsmerkmal der medizinischen Bildverarbeitungssysteme, nur mit dem 915-basierten Motherboard und dem Pentium 4 Chipset möglich war.

Endlich erfolgreich!
Dr. Sentoni verdankt einen Großteil des Erfolges einem seiner ehemaligen Studenten, der unter Dr. Sentonis Leitung das Design implementiert hat. Leonardo Seminara übernahm das Projekt als Student und gründete seine eigene Firma, Xineus Technology (www.xineus.com), nach seinem Studienabschluß. Heute ist Xineus für das Produkt PimaxScan verantwortlich und die fünfzehn Systeme, die in argentinischen Krankenhäusern, Gesundheitszentren und Diagnosekliniken verwendet werden. Man plant aber bereits, das System auch in andere lateinamerikanische Länder zu exportieren, sobald deren Gesundheitsbehörden bestätigt haben, dass PimaxScan den Vorschriften entspricht. Das Team von Sentoni entwickelt zurzeit zusätzliche Funktionen für die Diagnose und arbeitet an der Anpassung der Technologie für den Echographiemarkt.

Im Vergleich zu den Mitbewerbern ist PimaxScan aufgrund des embedded PC und der handelsüblichen Hardware ein qualitativ hochwertiges und kostengünstiges Diagnosewerkzeug. “Auch die Wartung und Erweiterung des Systems ist dadurch einfacher” bemerkt Sentoni.

Dr. Sentoni ist davon überzeugt, dass die Hardware- und Softwareprodukte von Matrox Imaging eine wesentliche Rolle beim Erfolg des Projektes gespielt haben. “Mit Hilfe der praktischen API von MIL und der großartigen Software/Hardware-Integration der Matrox Helios konnten andere Komponenten einfach integriert werden. Das waren die primären Gründe für die Anwendung der Produkte von Matrox.” Im Verlauf der Entwicklung hat Sentoni festgestellt, dass er aufgrund der nützlichen API, der leichten Einbindung der Hardwarekomponenten und des “hervorragenden Kundensupport” die richtige Entscheidung getroffen hatte.