Seminar: Informationstechnik in der Medizin Universität Dortmund Bildverarbeitung in der Augendiagnostik Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik

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]


Folie 2LS KommunikationstechnikProf. Dr.-Ing. Rüdiger Kays

Markus WentkerThemengebiete

Untersuchungmöglichkeiten der Augendiagnostik:

• Eye-Tracking• Gefäßanalyse (Netzhautanalyse)• Hornhaut-Topographie• Ultraschall-Untersuchung• Phoropter• Gesichtsfeldmessung• Spaltlampe• Augendruckmessung



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)



Markus WentkerEye-Tracker: Formen

Eye-TrackingRealisierungsmöglichkeiten

OnDesk Head-Mounted



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)



Markus Wentker

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



Markus Wentker

Algorithmus:Position des Pupillenmittelpunktes


2. Bestimmen des Pupillenmittelpunktes• Selektion eines Pixels, falls kleiner Grauwertschwelle• Bei Bedarf dynamische Änderung der Schwelle

Selektion

BerechnungMassezentrum

Ergebnisgleich?

Ja

Nein



Markus Wentker

Algorithmus:Überprüfung Pupillenmittelpunkt


3. Überprüfung des Pupillenmittelpunktes • Ist die Kontour näherungsweise rund?

GeradenMittelpunkt – Kante

legen

Alle Geradenäquidistant?

Ja

Nein



Markus Wentker

Algorithmus:Bestimmung der Blickrichtung


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



Markus Wentker

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)



Markus Wentker

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



Markus Wentker

Gefäßanalyse:Diagnosekriterien

GefäßanalyseKriterien für eine Diagnose

• Größe und Beschaffenheit der Venen & Arterien

• Regulierungsverhalten (z.B. bei Medikamenten- gabe)



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)



Markus Wentker

Retinal Vessel AnalyserGerätekonfiguration

Retinal Vessel AnalyserGerätekonfiguration



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



Markus Wentker

Retinal Vessel Analyser:Beispiel Sauerstoffatmung

Retinal Vessel AnalyserBeispiel

• Provokation durch 100% Sauerstoff über Maske



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 €



Markus Wentker

Hornhaut-Topographie:Einsatzgebiete

Hornhaut-TopographieEinsatzgebiete

• Hornhautvermessung für exakte Sehschärfenkorrektur mittels

Excimer-Laser

• Kontaktlinsenanpassung



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



Markus Wentker

Hornhaut-Topographie:Darstellungsformen

Hornhaut-TopographieDarstellungsformen



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)

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