[Seite 16↓]

3.  Material und Methoden

Dieses Kapitel stellt neben den verwendeten Geräten und der eingesetzten Software, die Auswahl des Fallmaterials und der Bilder vor. Es folgen Erläuterungen zum Aufbau der Studien und zu den einzelnen Arbeitsschritten.

3.1. Arbeitsplatz und Arbeitsablauf in der Fetalpathologie

3.1.1. Technische Ausstattung des Fetalpathologie-Arbeitsplatzes

Bei der Sektion von Feten wird nicht mit den gleichen Instrumenten wie bei der Erwachsenensektion gearbeitet. Der Fetalpathologe verwendet kleinere Instrumente (kleine Skalpelle, Minisonden, Minischeren, etc.). Zur Durchführung einer Sektion eines Fetus reicht ein kleiner Sektionsplatz anstelle eines konventionellen Sektionsstisches. (Abb. 18)

Abb. 18: Fetalpathologie - Arbeitsplatz im Institut für Pathologie der Charité
A) Platz zur stereomikroskopischen Dokumentation (Stereomikroskop)
B) Eigentlicher Sektionsplatz
C) Platz zur makroskopischen Dokumentation (Makroskop)

Zur Unterstützung der Fetalsektion stehen ein Stereomikroskop von Olympus (SZH 10), ein Makroskop (Wolfvision Visualizer VZ 15b von WolfVision GmbH, Goetzis/ Österreich) und eine elektronische Waage (ISO 9001 von Sartorius AG Göttingen) zur Verfügung.

Makroskop Wolfvision Visualizer VZ 15b

Mit Hilfe des Makroskops ist der Obduzent in der Lage, Übersichtsaufnahmen des Feten oder des Totgeborenen anzufertigen (Abb. 19.a). Der Aufnahmebereich beträgt dabei 360 x 270 mm. Detailaufnahmen sind ebenso möglich. Die Größe des Aufnahmebereiches ist dann 42 x 32 mm (Abb. 19.b).

Abb. 19a Makroskop Wolfvision Visualizer VZ 15b

Abb. 19b Fetus, ventral, 22. SSW, Übersichtsauf-nahme mit Makroskop

Abb. 19c Rechte Hand des Fetus, Detailansicht

Bei der Übersichtsaufnahme beträgt der Tiefenschärfebereich 250 mm, und bei maximalem Zoom (= Detailansicht) 70 mm. Durch die parallele Anordnung von Kamera und [Seite 17↓]Beleuchtungssystem ermöglicht das Makroskop von Wolfvision eine nahezu schattenfreie Ausleuchtung selbst hohler Objekte. Gleichzeitig gewährleistet es eine reflektionsfreie Arbeitsfläche, d. h. Objekte mit glänzenden Oberflächen können reflektionsarm präsentiert werden. Der Benutzer muss keine manuellen Beleuchtungseinstellungen vornehmen. Über eine Infrarot-Fernbedienung sind Zoom und Helligkeit des Makroskops steuerbar.

Stereomikroskop Olympus SZH 10 (Olympus Opt. Corp.)

Mit Hilfe des Stereomikroskops kann der Fetalpathologe Übersichtsaufnahmen von kleinen Organen (Herz, Lunge, Leber etc.) aufnehmen oder Detailbefunde darstellen. Ermöglicht wird dies durch eine stufenlose Objektvergrößerung innerhalb der Zoomstufen 1-7 (Abb. 20). Dabei entspricht die Zoomstufe 1 einem Übersichtsbild (1,5-fache Vergrößerung) und die Zoomstufe 7 einem Detailbild (3,5-fache Vergrößerung).

Abb. 20: Herz-Lungen-Paket eines Fetus, 22. SSW

Das Stereomikroskop ist mit 4 flexiblen Lichtquellen ausgestattet, die variabel angeordnet werden können. Dies erlaubt eine Beleuchtung, welche an die jeweiligen Organe angepasst werden kann, sowie die Ausleuchtung von hohlen Präparaten (siehe Abb. 21).

Abb. 21: Stereomikroskop Olympus SZH 10

Das Stereomikroskop ist mit einem Fotoapparat (Olympus Teleconverter 2X-A) und einer Farb-TV-Kamera (Sony 3 CCD DX 930p) mit seriellem Rechneranschluss, ausgestattet. Das RGB - Signal der Kamera wird mit einer Matrox Meteor (Matrox Electronic Systems Ltd. Dorval/Canada) gegrabbt. Dieses Equipment erlaubt die Darstellung der Bilder des Stereomikroskops auf einem angeschlossenen Monitor oder die Belichtung eines Filmes (z. B. Kodak Select Elite Chrom 400 ASA).

Weiterhin werden eine Waage von Sartorius AG Göttingen, ISO 9001 zum Messen der Organgewichte und ein Millimetermessband zum Messen von Organgrößen oder [Seite 18↓]Körpermaßen eingesetzt.

Personal Computer und Software

Für die Befunddokumentation und die Fallarchivierung ist am Fetalpathologie-Arbeitsplatz ein Computersystem aufgebaut. Die Konfiguration des PC ist in Tabelle 3 angegeben.

Tab. 3: Technische Daten der Geräte am Fetalpathologie-Arbeitsplatz

Gerät

Komponenten

Spezifikation

Makroskop

Typ

Wolfvision VZ 15b

Kamera

1-CCD Videokamera, 470 Linien

Zoom

12 fach Zoom

Videoausgänge

Composite Y/C und RGB - Ausgang und BNC Kabel

Anschluss an PC

S-VHS

Stereomikroskop

Typ

Olympus SZH 10 (Research Stereo)

Kamera

Sony 3 CCD DX 930p

Zoom

Zoom Stufe 1 bis 7 (stufenlos)

Verbindung mit PC

seriell

PC

Betriebssystem

Windows NT 4.0 und Win 95

Prozessor

x86 Family 6 Model 5 Steppin 3

AT/AT Compatible

Arbeitsspeicher

64 MB

Festplatte / Speicher

6 GB

Framegrabber

Meteor PCI Frame Grabber von Matrox

Videokarte

Winnov Videum

Netzkarte

Ethernet

Monitor

Belinea 17“; 16 Mio. Farben, 800x600 Pixel; 85 Hz Bildwiederholfrequenz

Drucker

Hewlett Packard Deskjet 840c

Für die Koordination und Bedienung der einzelnen Komponenten sind verschiedene Programme notwendig. Von wesentlicher Bedeutung für die Fallarchivierung und für die Dokumentation ist die interdisziplinäre Datenbank PIA (PIA= Professional Image Archiving, Viewpoint Bildverarbeitung GmbH, Gilching bei München) und das kommerzielle System TPS (Leica Microsystems Wetzlar und Charité), deren Aufgaben in der folgenden Tabelle 4 zusammengefasst sind.

Tab. 4: Vergleich der wichtigsten Programme des Ftealautopsie-Arbeitsplatzes

 

PIA

TPS

Aufgabe

Befunddokumentation

Telepathologische Konsultation

Steuerung von

- Makroskop

- Stereomikroskop

- Makroskop

- Stereomikroskop

- Mikroskop

Datenbank

Befunde, Bilder, behandelnde Ärzte, Einsender, Diagnosen

Falldaten, Übersichtsbilder, Bilder, Konsultationspartner und Transaktionsdaten, Diagnosen

Hauptinhalte

Autopsieprotokolle

Telepathologische Fälle

Identifikation

Passwortgeschütztes Login

Passwortgeschütztes Login

Architektur

Client - Server

Client - Server


[Seite 19↓]

3.1.2. Arbeitsablauf in der Fetalpathologie

Die Befundung in der Fetalpathologie umfasst die Begutachtung des Feten und der zugehörigen Plazenta. In Einzelfällen werden histologische oder zytologische Befunde von intrauterin entnommenem Material erhoben.

Nachfolgend werden die einzelnen Arbeitsschritte bei der Autopsie eines Feten beschrieben.

Fallaufnahme:

Die Fallaufnahme steht am Anfang der Kette der Arbeitsschritte. Dabei werden alle für die Autopsie relevanten Befunde der Patientin und des Feten erfasst, zum Beispiel Anamnesedaten der Patientin und ihrer Familie, Fetogramme, humangenetische und zytogenetische Befunde etc. Diese Daten spielen für die Sektionsplanung eine wichtige Rolle und können durch den Einsatz spezieller interdisziplinärer Datenbanken (z.B. PIA-Datenbank) schnell und problemlos abgerufen werden.

Sektion und Falldokumentation:

In der Fetalpathologie handelt es sich bei der Sektion um eine sogenannte „Minisektion“, wobei sich die Vorgehensweise an den Sektionsschritten der Erwachsenensektion orientiert. Zunächst erfolgen die äußere Besichtigung des Feten, die Bestimmung der Körpermaße und die bildliche Dokumentation.

Danach erfolgen die innere Besichtigung mit Beurteilung der inneren Organsysteme und die Gewebeentnahme für mikroskopische Untersuchungen. Pathologisch auffällige Befunde werden bildlich dokumentiert.

Parallel zur Autopsie werden die Befunde zur Anfertigung des Autopsieprotokolls schriftlich dokumentiert.

Histologische Aufarbeitung des Gewebes:

Die entnommenen Gewebeproben werden für die mikroskopische Diagnostik formalinfixiert, zu einem späteren Zeitpunkt zugeschnitten und im Labor standardisiert aufgearbeitet. Danach erhält der Sekant die histologischen Schnittpräparate mit den entsprechenden Färbungen zur Beurteilung der Organbefunde.

Befundeinordnung:

Die Einordnung der autoptisch erhobenen Befunde muss im Zusammenhang mit den klinischen Befunden und Anamnesedaten erfolgen. Eine wichtige Rolle spielen dabei auch die zytogenetischen Befunde. Je nach Entwicklungsalter und Zustand des Feten, sowie assoziierten Fehlbildungen wird das vorliegende Fehlbildungsmuster entsprechend klassifiziert.

Fallabschluss:

Nach der Befundeinordnung folgt die Festlegung der abschließenden Diagnose. In dem endgültigen Autopsiebericht werden neben den postmortal erhobenen Befunden, die entscheidenden interdisziplinären Befunden einbezogen.

Die relevanten Autopsiebefunde werden regelmäßig in einem interdisziplinären Konzil mit den Pränatalmedizinern, Genetikern und Radiologen im Rahmen des Perinatalzentrums besprochen.

3.2. Das Telepathologiesystem TPS

3.2.1. Technischer Aufbau der eingesetzten Systeme

Am Institut für Pathologie der Charité werden seit mehreren Jahren telepathologische Lösungen entwickelt und in der Routine eingesetzt. Das Ergebnis einer Zusammenarbeit des Institutes für Pathologie, der Universitätsfrauenklinik („Funktionsbereich pränatale [Seite 20↓]Diagnostik und Therapie“) und Leica Microsystems Wetzlar GmbH ist die Entwicklung des kommerziellen Systems TPS (Hufnagl et al. 2000b).

Diese Software ermöglicht die direkte Kommunikation zwischen örtlich getrennt arbeitenden Pathologen an unterschiedlichen Arbeitsplätzen über LAN, ISDN und Internet.

Im Rahmen der vorliegenden Analyse telepathologischer Techniken wurden folgende Telepathologie-Arbeitsplätze genutzt (siehe Abb. 22):

Grundvoraussetzung für die Arbeit mit dem TPS und die Verknüpfung der einzelnen Arbeitsplätze ist das Vorhandensein bestimmter Komponenten (Tab. 3). In der Abb. 22 sind die verwendeten Arbeitsplätze mit den wesentlichen Komponenten und ihrer Verknüpfung über das Charité-Netz dargestellt.

Abb. 22: Telepathologie-Arbeitsplätze, die im Rahmen der Studien Verwendung fanden

Die drei Arbeitsplätze sind unterschiedlich ausgestattet, da sie für verschiedene Aufgaben verwendet werden.

Autopsie

Am Fetalpathologie-Arbeitsplatz erfolgt die Autopsie von Feten sowie deren makroskopische und stereomikroskopische Beurteilung. Die technische Ausrüstung wurde bereits ausführlich in 3.1.2 beschrieben (Tab. 3). Von diesem Arbeitsplatz (Server) wurden telepathologische Anfragen gestellt: 1. Konsultation (Online zum Telepathologie-Arbeitsplatz in der AMBA) und 2. Zweite Meinung (Online zum Telepathologie-Arbeitsplatz in der Abteilung Paidopathologie und Placentologie, Campus Virchow-Klinikum)

Beratung

Am Telepathologie-Arbeitsplatz AMBA erfolgte die mikroskopische Begutachtung histologischer Präparate. Weiterhin wurden hier die Anfragen aus dem Fetallabor entgegengenommen (Client) und außerdem wurden telepathologische Anfragen an einen Experten am Telepathologie-Arbeitsplatz Paidopathologie gestellt (Server). Der [Seite 21↓]Arbeitsplatz B in der AMBA war folgendermaßen ausgestattet:

Tab. 5: Technische Ausstattung des Telepathologie-Arbeitsplatzes AMBA

Komponente

Teil

Bezeichnung

PC

Betriebssystem

Windows 95 B

Prozessor

Pentium II

Arbeitsspeicher

128 MB RAM

Festplatte / Speicher

C: 2GB; D: 3GB

Grafikkarte

Elsa Victory Erazor LT

Framegrabber

Meteor PCI Frame Grabber von Matrox

Videokarte

Winnov Videum Board PCI AV; Hardwaretyp 6.4; Software Version 2.7.2 Release

Netzkarte

3Com fast EtherLink XL 10/100 Mb Ethernet

Monitor

Belinea 17“; 32 Bit Truecolor, 1152x864 Pixel; 75 Hz Bildwiederholfrequenz

Videokonferenzsystem

Winnov-Videum

Netzverbindung

Typ

WAN/ISDN, LAN

Geschwindigkeit

LAN (10Mbps)

Mikroskop

Typ

Leica DM RXA

Mikroskopkamera

Hitachi HV-C20M 3CCD-Farbkamera, ½“Chip, RGB, effektive Pixelzahl 762x508x3, 24 bit-Farbauflösung

Autofokus

I-Sight Autofokus mit serieller Schnittstelle

Makroskop

Typ

Wolfvision VZ 15b

Kamera

1-CCD Videokamera, 470 Linien

Zoom

12 fach Zoom

Verbindung mit PC

Composite Y/C und RGB - Ausgang, S-VHS und BNC Kabel

Konsultation

Der Telepathologie-Arbeitsplatz in der Abteilung Paidopathologie diente ausschließlich der Beantwortung der Anfragen der beiden anderen Arbeitsplätze (Client). Die technische Ausstattung dieses Arbeitsplatzes beschränkte sich auf den PC mit Netzverbindung (Tab. 6).

Tab. 6: Technische Ausstattung des Telepathologie-Arbeitsplatzes Paidopathologie

Komponente

Teil

Bezeichnung

PC

Betriebssystem

Windows 95 B

Prozessor

Pentium II

Arbeitsspeicher

128 MB RAM

Festplatte / Speicher

C: 2GB

Grafikkarte

Elsa Victory Erazor LT

Videokarte

Winnov Videum Board PCI AV; Hardwaretyp 6.4; Software Version 2.7.2 Release

Netzkarte

3Com fast EtherLink XL 10/100 Mb Ethernet

Monitor

Belinea 17“; 32 Bit Truecolor, 1152x864 Pixel; 75 Hz Bildwiederholfrequenz

Videokonferenzsystem

Winnov-Videum

Netzverbindung

Typ

WAN/ISDN, LAN

Geschwindigkeit

LAN (10Mbps)

3.2.2. Prinzipien der Kommunikation

Die Kommunikation zwischen den TPS-Partnern kann theoretisch online und offline erfolgen. Der Offline-Modus ist jedoch bei der hier verwendeten TPS Version nicht möglich. Für die Offline-Konsultation wurden daher PowerPoint Präsentationen mit allen Fallinformationen (Anamnesedaten, klinische Befunde, Autopsiebefunde, Bilder etc.) sowie der Anfrage erstellt und per E-Mail (Netscape Mail oder Outlook Mail) versendet.
In der Abbildung 23 wird die Benutzeroberfläche des TPS vorgestellt.

Mit dem TPS können im Online-Modus bereits aufgenommene Übersichtsbilder (C) als Grundlage für die Live-Diskussion verwendet werden. Im Hauptfenster (G) ist das makroskopische Bild des angeschlossenen Stereomikroskops abgebildet. In diesem Bild ist ein Bereich markiert und mit einem Pfeil versehen. Dies illustriert den Annotationsmodus [Seite 22↓]des TPS. Im das Annotationsmenü (F) können die TPS-Partner das aktuelle Bild im Hauptfenster besprechen. Über das Fernsteuerungsmenü (D) kann ein angeschlossenes Mikroskop bedient werden. Gleichzeitig können sich die beteiligten TPS-Partner sehen (E).

Abb. 23: Screenshot der TPS-Oberfläche während einer Online Video-Konferenz:

A: Menüleiste zur Bedienung des TPS
B: Bildgalerie makroskopischer Bilder des aktuellen Falles
C: Übersichtsbild des aktuellen Präparates auf dem Objekttisch des Stereomikroskops
D: Fernsteuerungsmenü
E: TPS-Konsultationspartner (Videobild der Personenkamera)
F: Annotationsmenü
G: Hauptfenster mit aktuellem makroskopischen Bild

Das TPS ermöglicht im Online-Modus folgende Vorgänge:


[Seite 23↓]

3.2.3.  Aktuelle Einsatzgebiete des TPS

In der Einleitung wurde schon auf die gegenwärtigen Einsatzgebiete von telepathologischen Systemen eingegangen. Das hier verwendete Telepathologie-System TPS wird bereits für verschiedene Zwecke eingesetzt:

Tabelle 7 veranschaulicht die Häufigkeit des Einsatzes am Institut für Pathologie der Charité:

Tab. 7: Routineeinsatz des TPS

Formen der Telepathologie

Einsatzszenario

Häufigkeit

Primäre Schnellschnitt-diagnostik

- Schnellschnittdiagnostik Klinikum Buch (ATM)*

3-6 mal täglich

Zweite Meinung im Schnellschnitt

- Zweite Meinung (Schnellschnitt-Labor mit Institut für Pathologie Campus Charité Mitte)

1-5 mal je Woche**

Primäre Schnellschnitt-diagnostik

- Schnellschnittdiagnostik Havelland Klinikum Nauen

1-2 mal je Woche

Zweite Meinung Histologie

- Expertenkonsultation Institut für Pathologie Campus Virchow Klinikum

1-2 mal je Woche

*ATM (Glasfasernetz), kein Softwareinterface, Übertragung reiner Bilddaten, Audiokonferenz
** Je nach Erfahrung des Pathologen im Schnellschnitt-Labor und der Problematik des Untersuchungsgutes

3.2.4. Integration des TPS in den Arbeitsablauf der Fetalautopsie

Wichtig für die Integration des TPS ist, dass bisherige Arbeitsschritte nicht erschwert werden. Im besten Fall sollte der gesamte Arbeitsablauf quantitativ und qualitativ verbessert werden.

Entsprechend dem unter 3.1.2 beschriebenen Arbeitsablauf der Autopsie eines Feten wird ein erweitertes Ablaufschema vorgestellt, welches die Integration telepathologischer Techniken in die einzelnen Arbeitsschritte zeigt. Dieses Schema bezieht sich auf die routinemäßige Autopsie eines Feten. Es werden Fehlbildungen oder pathologische Befunde diagnostiziert, die das Hinzuziehen eines Kollegen (erfahrener Fetalpathologe oder Experte) mit Hilfe telepathologischer Techniken erforderlich machen.

Fallannahme:

Die Fallinformationen (Arztbriefe, Anamnesedaten, klinische Vorbefunde etc.) werden aus einer zentralen interdisziplinären Falldatenbank abgerufen.

Sektionsplanung und -vorbereitung:

Anhand der vorliegenden Falldaten wird die Sektion geplant und entsprechend vorbereitet. Bei der Feststellung von pränatal nicht diagnostizierten oder multiplen Fehlbildungen mit unklarem Muster können mögliche Unsicherheiten durch Konsultation eines Kollegen geklärt werden.

Die Falldaten und die bisher ermittelten pathologischen Befunde werden mit Hilfe der Videokonferenz präsentiert und können diskutiert werden. Ebenso wird der weitere Ablauf der Sektion festgelegt. Durch Zugriff auf eine Referenzfalldatenbank können Vergleiche mit ähnlichen Fällen vorgenommen werden.


[Seite 24↓]

Sektion - Makroskopie:

Im weiteren Verlauf der Sektion unter Anleitung des konsultierten Kollegen werden wichtige Befunde aufgenommen, dokumentiert und in der Falldatenbank abgelegt.

Das Stereomikroskop kommt zum Einsatz, wenn es beispielsweise um die Darstellung und Aufnahme wichtiger Befunde bei Embryonen und Feten aus frühen Schwangerschaftswochen oder bestimmter Organbereiche geht. Da das Stereomikroskop über einen speziellen Präparattisch mit 4 flexiblen Lichtquellen und besonderer Zoomvorrichtung verfügt, kann man sehr kleine Organe (z.B. fetale Herzen von 1cm Größe) detailliert betrachten und Detailbefunde darstellen.

Mit Hilfe einer Videokonferenz kann sich der konsultierte Pathologe einen Überblick über den Sektionsablauf verschaffen und entscheidende Situationen kommentieren.

Histologische Aufarbeitung – Mikroskopie:

Die Begutachtung der histologischen Präparate erfolgt in der Regel konservativ. Bei Unklarheiten kann ein Kollege online oder offline um eine zweite Meinung gebeten werden. Hierbei (online) empfiehlt sich die Benutzung eines fernsteuerbaren Mikroskops, mit angeschlossener Digitalkamera. Der konsultierte Kollege kann das Präparat unter dem Mikroskop ferngesteuert bewegen, die Objektive wechseln, durch das Präparat fokussieren, sowie die Lampenspannung (= Helligkeit) regulieren. Dabei ist eine Videokonferenz nicht notwendig. Lediglich eine Audioverbindung sollte bestehen, um eventuelle Probleme besprechen zu können.

Befundeinordnung und Fallabschluss

Die Einordnung der diagnostizierten Befunde kann in der direkten Diskussion mit dem konsultierten Kollegen erfolgen. Unter Benutzung des Videomodus können die vorliegenden Fehlbildungsmuster im Gespräch bewertet und durch Einbeziehung interdisziplinärer Vorbefunde entsprechend klassifiziert und eingeordnet werden. Dabei kann ein Vergleich mit ähnlichen Fällen aus der Referenzdatenbank sehr nützlich sein.

Nach Diagnosestellung werden alle Befunde, Dokumente und Bilder in die Falldatenbank eingetragen und der Fall wird als abgeschlossen definiert (erhält den Status „Abgeschlossen“).

Paralleler Schritt (Falldokumentation):

Parallel zu den Schritten dieser Arbeitskette erfolgen die makroskopische Dokumentation des äußeren und inneren Situs, sowie der Organpakete. Kleine Organe und wichtige Befunde werden mit dem Stereomikroskop detailliert aufgenommen. Dynamische Aufnahmen, d.h. das Anfertigen einer Videosequenz (z.B. Darstellung einer Herzfehlbildung entsprechend des Blutflusses) sind möglich, werden aber selten notwenig sein.

Die folgende Tabelle veranschaulicht den Arbeitsablauf bei einer Fetalsektion und die dafür benutzen technischen Möglichkeiten des TPS:


[Seite 26↓]

3.3.  Studie zur Bildqualität makroskopischer Bilder

Das Versenden von Falldaten (insbesondere Dokumente, klinische Befunde und Bilder), sowie die Übertragung von Audio- und Videodaten, Steuerungsbefehle etc. über moderne Kommunikationsnetze, setzt eine hinreichend große Übertragungsgeschwindigkeit voraus, um im Routineeinsatz praktikabel zu sein (Kayser 1995, Bittorf 1997, Della Mea 1998b u.v.a.).

Für eine optimale Übertragungsgeschwindigkeit ist ein schnelles Netz mit hoher Bandbreite notwendig. Netze mit großer Bandbreite sind jedoch noch nicht flächendeckend verfügbar, weshalb gegenwärtig die Reduktion des Datenumfanges im Vordergrund steht.

In der Telepathologie wird mit digitalen Bildern gearbeitet. Sie bilden den größten Anteil des zu versendenden Datenmaterials. Da die Qualität dieser Bilder entscheidend für eine exakte und sichere Diagnostik ist, kann eine verlustbehaftete Kompression der Bilder nicht ohne weiteres vorgenommen werden.

Digitale Bilder sind spezielle Datenstrukturen, bei denen man verschiedene Formen unterscheidet (Binärbilder, Grauwertbilder, Farbbilder, ein-, zwei- und dreidimensionale Bilder, etc.). In der Telepathologie werden z. Zt. ausschließlich zweidimensionale Farbbilder genutzt.

Ein digitales Bild besteht aus einzelnen Bildpunkten, die man mathematisch am besten mit einer Matrix beschreiben kann, Bildmatrix genannt.

Die Bildpunkte werden als Pixel (Kunstwort abgeleitet von „picture element“) bezeichnet.

Um eine Vorstellung von einer Bildmatrix zu bekommen, zeigt die Abbildung 24 das Modell einer zweidimensionalen Bildmatrix, dabei ist M die Spaltenzahl und N die Zeilenzahl der Matrix.

Abb. 24: Darstellung einer Bildmatrix

Ein Pixel kann also folgende Positionswerte annehmen:

m = 0, 1, ... , M-1 (Spaltenindex)

n = 0, 1, … , N-1 (Zeilenindex)

Bildpunkte besitzen verschiedene Eigenschaften. Bei Grauwertbildern ist jedem Punkt ein bestimmter Grauwert zugeordnet. Bei Farbbildern werden ein Rot-, ein Grün- und ein Blauwert zugeordnet (im RGB-Mode). Bei einem 24-bit Farbbild kommen zu den RGB-Werten noch 8 Helligkeitsabstufungen hinzu, also liegen die drei Farbkanäle in 28 Stufen vor.

Die Größe eines Bildes gibt dessen Bildpunkte pro Zeile und die Zeilen pro Bild wieder. Ein normiertes Maß für die Auflösung ist die Anzahl der Punkte pro Längeneinheit (dots per Inch = dpi), z.B. 800 x 600 dpi bedeutet 800 dpi in x-Richtung und 600 dpi in y-Richtung.


[Seite 27↓]

3.3.1.  Einflussfaktoren auf die Bildqualität

Im folgenden sollen die möglichen Störfaktoren auf dem Weg von der Entstehung eines Bildes bis zu seiner Präsentation dargestellt werden (Tab. 9). Dabei liegt der Schwerpunkt auf makroskopischen Bildern von fixierten und unfixierten Organen. Unter Berücksichtigung der Vielfalt der Organe in unterschiedlichen Krankheits- und Erhaltungszuständen, sowie in Auswertung der Untersuchung eines konkreten Präparates (fixiertes fetales Herz mit hypoplastischem Linksherzkomplex), werden die einzelnen Einflussfaktoren betrachtet.

Tab. 9: Einflussfaktoren auf die Bildqualität von der Entstehung bis zur Präsentation makroskopischer Bilder

Bildkette

Aufnahme

Datenreduktion

Übertragung

Darstellung

Einfluss-faktoren

- Präparateigenschaften

- Beleuchtung

- Makroskop- u. Mikroskopeinstellung

- Stereomikroskop-einstellung

- Kameraeigenschaften

- Inhalt

- Auflösungsänderung

- Kompressions-verfahren

- Kompressionsrate

- Übertragungsart

- Übertragungsweg

- Übertragungsge-schwindigkeit

- übertragungseigene Kompression

- Monitoreigenschaften

- Monitoreinstellung

- Monitorgröße

- Umgebungs-verhältnisse

Aufnahme

Die Qualität mikroskopischer Präparate wird beeinflusst durch: Gewebefixierung, Gewebezuschnitt, Schnittdicke, Färbungen etc. Für die histologische Diagnostik gibt es verschiedene Verfahren: Gefrierschnittechnik, Aufarbeitung formalinfixierten Materials, u. a.

Die Betrachtung der Bildqualität mikroskopischer Präparate soll aber nicht Schwerpunkt dieser Arbeit sein. Zu näheren Informationen wird deshalb auf die Dissertationsarbeit von J. Schlesner HU Berlin 2002 verwiesen, die sich ausschließlich mit der Bildqualität mikroskopischer Bilder beschäftigt.

Bei makroskopischen Präparaten beginnt die Einflusskette bereits bei der Entstehung bzw. Aufnahme eines Bildes. Die Qualität und Auflösung der verwendeten Kamera spielt dabei eine sehr wichtige Rolle. Ebenso die Beleuchtungsverhältnisse oder Raum- und Präparatbeleuchtung bei makroskopischen Objekten oder Lichtverhältnisse des Stereomikroskops (z.B. Lampenspannung, Anordnung der Strahler etc.). Schließlich beeinflusst der Zustand des Objektes/Präparates selbst die Qualität des entstehenden Bildes. Damit ist nicht nur der Erhaltungszustand (z.B. Autolyse oder artifizielle mechanische Alterationen) oder der Fixierungszustand eines Organs gemeint, sondern auch der Zustand der Organoberfläche oder die Spezifität der Organsstruktur.

Bei der Bildaufnahme werden gegenwärtig vornehmlich 3-Chip-CCD-Kameras (CCD = charge coupled device) eingesetzt, dabei handelt es sich um Halbleitersensoren, die im sichtbaren Licht die Bildinformationen in elektrische Signale umwandeln. Die wesentlichen Vorteile dieser Kamerasysteme sind die gute Lichtempfindlichkeit und ihre langfristige geometrische Stabilität (Jähne 1991). Die in die Kamera integrierten Chips (zweidimensionale Felder aus Photodioden) wandeln das kontinuierliche drei-dimensionale Bild des Organs in ein diskretes Raster aus Bildpunkten um. Dieses Raster entspricht der zweidimensionalen Bildmatrix des digitalen Bildes, wobei jeder Rasterpunkt dieser Matrix von einer Photodiode gebildet wird.

Historisch bedingt (wegen der Verbreitung des Standards) geben die eigentlich digitalen CCD-Kameras ein analoges Videosignal (z.B. PAL) nach außen ab. Dieses wird z.B. über eine Digitalisiereinheit (Framegrabber) in ein digitales Bild zurückgewandelt. Bei der zweiten Wandlung können erhebliche Verluste auftreten.

Die Tiefenschärfe ist für die Makroskopie ein wichtiger Parameter bezüglich Bildqualität und diagnostischer Sicherheit. Sie ist der Bereich des fotografierten Raumes, der mit eindeutigen Kanten abgebildet wird.
[Seite 28↓]Eine große Tiefenschärfe zeichnet sich durch einen weiten Bereich innerhalb des Raumes aus, der scharf abgebildet wird, d.h. das Objekt wird in mehreren Ebenen mit eindeutigen Kanten abgebildet.
Bei der Bildaufnahme wird allerdings immer nur auf eine Ebene scharfgestellt, diese kann man sich als Glasscheibe im Raum vorstellen. Die Tiefenschärfe, also die Anzahl der Ebenen vor und hinter der Glasscheibe, die scharf abgebildet werden, wird beeinflusst durch die Blende und das Objektiv. Je kleiner die Blendenöffnung, desto größer ist die Tiefenschärfe. Ein Weitwinkel-Objektiv (21 mm, 28 mm, 35 mm etc.) bildet eine größere Raumtiefe (Anzahl an parallelen Raumebenen) scharf ab, als ein Tele-Objektiv (100 mm, 135 mm, 200 mm, 500 mm etc.). Bei Tele-Objektiven beträgt die Tiefenschärfe nur wenige Millimeter vor und hinter der fokussierten Ebene. Eine etwas größere Tiefenschärfe kann durch höhere Helligkeit erzielt werden.

Einen wesentlichen Einfluss auf die Bildqualität hat die Beleuchtung. Je nach Art der Lichtquelle können unterschiedliche Artefakte auf dem Bild entstehen. Durch Reflexion, Brechung und Streuung des einfallenden Lichtes, abhängig von der Objektoberfläche, entstehen Glanzlichter (spiegelnde Lichtreflexe, diese werden möglicherweise durch die Kamera verstärkt => Blooming) und Schatten, diese machen den räumlichen Eindruck eines makroskopischen Bildes aus. Zum anderen können diese Spiegelungen einen veränderten Bildeindruck herbeiführen, beispielsweise Details vortäuschen, die nicht vorhanden sind, oder kleinere Organbefunde im Bild unsichtbar erscheinen lassen.

Es ist wichtig, bereits bei der Aufnahme der Bilder auf optimale Beleuchtungsverhältnisse zu achten. Dabei kann die Beleuchtungsstärke der Lichtquelle verändert werden: die ausgestrahlten Lichtwellen treffen auf das Zielobjekt und werden je nach Oberflächenbeschaffenheit reflektiert, gebeugt, gebrochen oder absorbiert. Nur ein Bruchteil der ursprünglichen Lichtwellen gelangt durch das Objektivsystem der Kamera auf den Chip. D. h. die Intensität der Lichtquelle und die Oberfläche des Objektes (Reflexionsverhalten) bestimmen die Helligkeit mit der das Objekt aufgenommen wird.

Datenreduktion

Wie bereits in vorangehenden Abschnitten angedeutet, muss vor der Datenübertragung eine entsprechende Datenreduktion vorgenommen werden, damit ein praktikabler Routineeinsatz möglich ist.

Für die Reduktion des Datenumfanges von Bildern kommen zwei Verfahren zur Anwendung.

Die Untersuchung des Einflusses der Auflösungsänderung auf die subjektiv eingeschätzte Bildqualität erfolgt in Studie Ia (Auflösungsstudie), während die Auswirkung der Kompression in Studie Ib (Kompressionsstudie) untersucht wird.

Übertragung

Die Übertragung von Informationen unterliegt bestimmten Anforderungen. Einerseits sollten Nachrichten fehlerfrei in zumutbarer Zeit den Empfänger erreichen, und andererseits muss ein unberechtigter Zugriff durch Dritte verhindert werden. Letzteres ist ein generelles Problem bei Datennetzen, denn eine absolute Sicherheit vor fremden Zugriffen gibt es nicht.

Die Geschwindigkeit, mit der Daten übertragen und empfangen werden, ist abhängig von der zugrundeliegenden Netzstruktur.

Tab. 10: Geschwindigkeit der Versendung einer 1 Mb großen Bilddatei (500 x 700 dpi)

Bezeichnung

Bandbreite

Dauer der Übertragung

Telefonleitung (Modem)

33,6 – 56 KBps

14-46 min*

ISDN

64 KBps

2-18 min*

n-gebündelte ISDN-Kanäle

n x 64 KBps

n x (2-18) min*

Ethernet

= LAN

10 MBps

0,01 min (=0,6 s)

FDDI

100 MBps

0,001 min (=0,06 s)

ATM

144 MBps

0,0001 min (=0,006 s)

* Die Schwankungen entstehen je nach Netzauslastung (Modemübertragungen schwanken zwischen 3-10 Kb; ISDN-Übertragungen liegen zwischen 8-30 Kb)

Grundsätzlich sind Fehler bei der Datenübermittlung nicht auszuschließen. Diese werden größtenteils durch Netzstörungen (z.B. Spannungsschwankungen) hervorgerufen. Stromunterbrechungen oder Einflüsse der Netzauslastung („traffic“) können die Datenübertragung ebenfalls beeinträchtigen. Mit Hilfe entsprechender Software kann dies durch Prüfroutinen berücksichtigt und ausgeschlossen werden.

Darstellung

Die Darstellung des Bildes auf der Empfängerseite ist von mehreren Faktoren abhängig:

Für die Untersuchungen wurde ein 21“ Monitor (ViewSonic) mit einer Pixelanzahl von 1600 mal 1200, einer Farbtiefe von 24 bpp (16,7 Millionen Farben) und einer Bildwiederholfrequenz von 85 Hz verwendet. Helligkeit und Kontrast wurden vor der ersten Untersuchung kalibriert und im Verlauf der Studien konstant gehalten.

3.3.2. Auflösungsstudie - Studie Ia

Um die Datenmenge der Bilder zu reduzieren, wurde die Anzahl der Bildpunkte der einzelnen Bilder reduziert, also zum Beispiel von 2400 dpi auf 1200 dpi. Dies führt zu einer Abnahme der Anzahl der Bildpunkte in vertikaler und horizontaler Richtung und damit zu einer Verringerung des Datenvolumens. Der Einfluss dieser Datenreduktion auf die Qualität der Bilder wird in der Studie Ia untersucht.

Die Auflösung der Bilder wurde mit Adobe Photoshop 5.0 (Adobe Systems, San Jose, California) verändert. Abbildung 25 zeigt schematisch die Veränderung der Auflösung eines Bildes von 6 x 6 pixel auf 3 x 3 pixel.

Abb. 25: Schema Auflösungsänderung: Fetales Herz, hypoplastischer Linksherzkomplex, 22. SSW, Ansicht von ventral


[Seite 30↓]

Versuchsaufbau

Zur Durchführung der einzelnen Versuchsreihen wurde ein Präparat ausgewählt, welches stellvertretend für makroskopische Organe typische Merkmale aufweist (3D-Objekt, Oberflächenreflexion, typisches Oberflächenrelief etc.). Bei dem gewählten Präparat handelte es sich um ein formalinfixiertes fetales Herz mit hypoplastischem Linksherzkomplex eines altersentsprechend entwickeltem Feten aus der 22. Schwangerschaftswoche.

Die folgenden Abbildungen illustrieren schematisch den Versuchsablauf von der Bildaufnahme bis hin zur Präsentation der Bildpaare.

Abb. 26: Versuchsablauf Teil 1:

1. Präparatauswahl und Präparation
2. Bildaufnahme (Übersichtsbild bis Detailaufnahme)
3. Fotographie des stereomikroskopischen Bildes

Die Diabelichtung wurde mit einem Olympus Teleconverter 2X-A vorgenommen. Es erfolgten Aufnahmen bei unterschiedlichen Vergrößerungen, wobei das Übersichtsbild einer 1,5-fachen Vergrößerung entspricht und mit einer 3,5-fachen Vergrößerung ist die höchst mögliche Vergrößerung (Detailbild) erreicht .

Abb. 27: Versuchsablauf Teil 2:

4. Einscannen der Dias mit 2400 dpi (Mikrotek ScanMaker 35t)
5. Veränderung der Auflösung mit Photoshop 5.0 (2100 bis 150 dpi)
6. Dia-Belichtung

Es entstanden folgende Bilder (24 bit Bilder):

Tab. 11: Übersicht der durch Auflösungsänderung entstandenen Bilder

Zoomstufe

Auflösungsstufen (dpi)

1,5-fache Vergrößerung (Übersichtsbild)

2400 (Original)

2100

1800

1500

1200

900

600

300

150

2,5-fache Vergrößerung

2400

2100

1800

1500

1200

900

600

300

150

3,5-fache Vergrößerung (Detailbild)

2400

2100

1800

1500

1200

900

600

300

150

Tabelle 12 stellt die Auflösung der einzelnen Bilder den Bildgrößen (in Pixel und MB) gegenüber.

Tab. 12: Darstellung von Auflösung und Bildgröße

Auflösung(dpi)

Bildgröße

in Pixel

in MB

2400 (Original)

3072 x 2048

14,7

2100

2687 x 1794

13,3

1800

2303 x 1538

10

1500

1919 x 1281

7

1200

1535 x 1025

4,6

900

1152 x 769

2,6

800

1024 x 683

2

700

896 x 598

1,6

600

768 x 512

1,1

300

384 x 256

295 Kb

150

192 x 128

79 Kb

Diese Bilder wurden im Hörsaal des Institutes für Pathologie den Teilnehmern der Studie präsentiert. Das Originalbild (2400 dpi) und ein Testbild (reduzierte Auflösung) wurden jeweils gleichzeitig projiziert (sogenannte Dia-Doppelpräsentation). Die Bilder der 1,5-fachen Vergrößerung wurden als erstes präsentiert, begonnen wurde dabei mit der Auflösungsstufe 2100 dpi, gefolgt von 1800, 1500 etc. bis hin zu 150 dpi. Danach folgten in gleicher Weise weitere Vergrößerungen (2,5- und 3,5-fach). Die Anordnung von Originalbild und Testbild wurde vor der Präsentation durch Randomisierung festgelegt.


[Seite 32↓]

Abb. 28: Versuchsablauf Teil 3:

7. Dia-Doppelpräsentation im Hörsaal und Ausfüllen des Fragebogens
8. Auswertung der Fragebögen

Die Dia-Doppelprojektion erfolgte vor insgesamt 20 Teilnehmern (10 Teilnehmer pro Vergrößerung). Diese waren erfahrene Pathologen sowie Personen ohne pathologisches Hintergrundwissen. Das Alter der Teilnehmer lag zwischen 20 und 60 Jahren. Für alle Teilnehmer wurden gleiche Bedingungen geschaffen: der Abstand von der Projektionswand lag bei ca. 4 Metern, der Raum war abgedunkelt, Störgeräusche oder Ähnliches wurden vermieden. Diese Parameter wurden während der Versuche weitgehend konstant gehalten.

Die Versuchsteilnehmer sollten die gleichzeitig präsentierten Bilder bewerten und die Ergebnisse in einen Fragebogen eintragen. Die Auswertung der Fragebögen erfolgte nach Beendigung der Präsentation. Dabei wurden die Ergebnisse in Tabellen eingetragen und waren Grundlage für weitere Analysen.

Die subjektive Schwelle (50-Prozent-Schwelle), die sich aus der Auflösungsstudie ergibt, wird für die anschließende Kompressionsstudie (Studie Ib) verwendet. Diese Schwelle wird wie folgt definiert:

Im Kapitel 4.1.2 wird nochmals auf die Definition der 50% Schwelle eingegangen.

Bei der Auflösungsstudie im Hörsaal ergaben sich mehrere Probleme (z.B. durch Schwierigkeiten bei der identischen Kalibrierung der Dia-Projektoren und dem unterschiedlichen Blickwinkel der Teilnehmer in der Studie, Interaktion der Teilnehmer während der Untersuchung etc.). Um diese Probleme zu umgehen, wurde eine zweite Auflösungsstudie, diesmal am Monitor unter Verwendung von PowerPoint-Präsentationen durchgeführt. Der methodische Ablauf orientierte sich dabei an der Kompressionsstudie (siehe nächstes Kapitel). Die Untersuchung wurde um zwei Auflösungsstufen erweitert (700 und 800 dpi).

3.3.3. Kompressionsstudie - Studie Ib

Für die Kompression der Bilddaten wurden zwei verschiedene Algorithmen untersucht: das JPEG- und das WAVELET - Verfahren. Beide können verlustarm komprimieren. Sie besitzen jedoch gegenüber verlustfreien Kompressionsmethoden einen entscheidenden [Seite 33↓]Vorteil: Sie erreichen sehr hohe Kompressionsraten. Dabei kann allerdings die Qualität des komprimierten Bildes durch Bildung von Artefakten entscheidend beeinträchtigt werden. Der Einfluss der Kompression auf die Bildqualität beruht bei allen Kompressionsverfahren bei gleicher Kompressionsrate auf der Bildgröße, dem Bildinhalt, und den einzelnen Frequenzanteilen im vorliegenden Bild (Persons et al. 1997).

Die Kompressionsrate wird als Quotient aus der Dateigröße des Originalbildes und der Dateigröße des komprimierten Bildes definiert:

Sie wird mit 1:x angegeben wobei x als Kompressionsfaktor bezeichnet wird.

Für die Versuche wurden die spezifischen Algorithmen der Firma LuraTech Gesellschaft für Luft- und Raumfahrttechnologie & Multimedia mbH Berlin verwendet. Diese Algorithmen sind in die Bildbearbeitungssoftware LuraWave-SmartCompress Version 2.2 integriert. Ein kostenloses Shareware-Program kann über die Webseite von Lurawave bezogen werden, ebenso wie ein Plugin für die Darstellung im Netscape-Navigator (Internet-Browser). Mit dieser Software wurden alle Kompressionen, sowohl für JPEG als auch für WAVELET durchgeführt.

Die JPEG-Komprimierung ist eine der bekanntesten und verbreitetsten Methoden, bei der mit Hilfe einer diskreten Kosinustransformation relativ hohe Kompressionsraten in akzeptabler Qualität erreicht werden (Steinwandt 1994). JPEG bezeichnet eine ganze Familie von Algorithmen zur Kompression digitalisierter Standbilder in Echtfarbqualität und ist seit 1993 unter der Bezeichnung ISO 10918 als Standard festgeschrieben. Mit den JPEG-Verfahren stehen schnell arbeitende Algorithmen zur Verfügung. Diese beruhen auf der diskreten Kosinustransformation, die -kurz gesagt- das Bild in kleine Blöcke unterteilt, dadurch jedoch schon bei niedrigen Kompressionsraten die typischen, deutlich sichtbaren Blockartefakte im Bildmaterial hervorruft (siehe Abb. 29.b) (Persons et al. 1997, Eikelboom et al. 2001).

Abb. 29a: Originalbild

Abb. 29b JPEG-Bild mit typischen Blockartefakten

Mit der WAVELET - Kompression lassen sich sehr hohe Kompressionsraten erzielen (bis zu 1:5000); die benötigten Rechenzeiten sind dabei abhängig von der Leistung des verwendeten Computers (Eikelboom et al. 2001). Momentan existiert noch kein international festgelegter WAVELET - Standard, daher sind zur Zeit sehr viele WAVELET - Algorithmen vorhanden, die allerdings eine individuelle Anpassung an anwenderspezifische Aufgabenstellungen ermöglichen. Jedoch soll die diskrete WAVELET-Transformation (DWT) im JPEG-2000 Standard die aktuelle auf DCT-basierende JPEG-Kompression ablösen (Wang et al. 1999).

Der hier untersuchte Kompressionsalgorithmus verwendet sogenannte Bitplane-Codings, welche die Arbeitsgänge der Bildanalyse per Diskrete WAVELET -Transformation (DWT) [Seite 34↓]mit der Quantisierung und Codierung der Information vereinen (siehe Abb. 31). DWT hat gegenüber der bei der JPEG-Kompression verwendeten DCT den Vorteil, dass das Bild nicht in kleine Blöcke unterteilt wird, wodurch die JPEG-typischen Blockartefakte vermieden werden (Luratech 2000).

Bei der WAVELET - Kompression wird das Bild sukzessiv in Anteile mit unterschiedlicher Auflösung der einzelnen Bildstrukturen in Hochpass- (feine Details) und Tiefpassanteile (grobe Strukturen) zerlegt. Nach der Transformation werden die einzelnen Bildanteile effektiv codiert, so dass zuerst die Grobdaten des Bildes übertragen werden, gefolgt von weiteren Detailinformationen. Dadurch ist ein schneller Ladevorgang möglich. Bei der WAVELET - Transformation wird der gesamte Bildinhalt analysiert, es besteht aber auch die Möglichkeit, bestimmte Bildbereiche zu definieren und diese gesondert zu analysieren oder in einen anderen Modus zu transformieren (selektive Kompression einzelner Bildbereiche). Die Abbildung 30 zeigt komprimierte Bilder mit für WAVELET typischen Artefakten. (Eikelboom et al. 2001)

Abb. 30a Originalbild

Abb. 30b WAVELET mittlerer Qualität

Abb. 30c WAVELET geringster Qualität

In der folgenden Abbildung wird schematisch der Vorgang bei JPEG- und WAVELET- Kompression dargestellt.


[Seite 35↓]

Abb. 31: Ablaufschema JPEG- und WAVELET-Kompression im Vergleich (aus: Bruckmann et al. 2000)

Versuchsaufbau

Die Ergebnisse der Studie Ia zeigten eine konkrete subjektive Schwelle (die 50-Prozent-Schwelle), ab welcher der Einfluss der Auflösungsreduktion sichtbar wurde. Diese Auflösungsstufe wurde als Startwert für die Kompressionsstudie verwendet.

Zur weiteren Verarbeitung wurden die Bilder mit Photoshop 5.0 in das TIFF - Format umgewandelt. Anschließend erfolgte mit LuraWave SmartCompress Version 2.2. die Kompression.

JPEG-Kompression

SmartCompress erlaubt JPEG-Kompressionen in Qualitätsstufen (Q) von 1 bis 100. Q 100 bedeutet sehr gute Qualität des komprimierten Bildes und Q 1 bedeutet höchste Kompression bei sehr schlechter Qualität (SmartCompress 2.2, Professional Edition, 2000).

Für die Untersuchungen wurde das Ausgangsbild auf Grundlage der Qualitätsstufen in Zehnerschritten von Q 1 bis 100 (1, 10, 20, ... , 100) komprimiert, dabei entstanden Bilder mit folgenden Dateigrößen:

Tab. 13: JPEG komprimierte Bilder

Qualitätsstufe (JPEG)

1

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Dateigröße (Kb)

27

32

42

46

57

66

77

92

115

250

860

Kompressionsrate

1:170

1:140

1:110

1:100

1:80

1:70

1:60

1:50

1:40

1:20

1:5

WAVELET-Kompression

SmartCompress erlaubt WAVELET – Kompressionen für unterschiedliche Anforderungen. So kann sowohl nach Qualitätsstufen (1 bis 100), nach Kompressionsraten (1:1 bis 1:1000) als auch nach der zu erzielenden Dateigröße komprimiert werden.

Für den Vergleich der Kompressionsmethoden (JPEG vs. WAVELET) wurden die WAVELET-Bilder mit zwei verschiedenen Zielstellungen erzeugt:

  1. Nach der Qualitätsstufe: Ziel war der Vergleich der Qualitätsstufen von JPEG und WAVELET

  1. Nach Dateigröße: Ziel der Kompression war das Erstellen von Bildern gleicher Dateigröße (und damit gleicher Kompressionsrate) wie bei der JPEG-Kompression, d.h. die Dateigröße der WAVELET-Bilder sollte der Grösse der JPEG-Bilder entsprechen, um einen direkten Vergleich zu ermöglichen.

Tab. 14: WAVELET komprimierte Bilder

Qualitätsstufe (WAVELET)*

1

10

20

30

40

50

60

70

80

*

*

*

*

*

*

*

*

90

*

*

100

Dateigröße (Kb)

0,8

1

1,2

1,5

2

3

4

8

24

27

32

42

46

57

66

77

92

115

250

860

900

Kompressionsrate

1:5750

1:4600

1:3833

1:3066

1:2300

1:1533

1:1150

1:580

1:190

1:170

1:140

1:110

1:100

1:80

1:70

1:60

1:50

1:40

1:20

1:5

1:5

* wenn kein Eintrag in der Spalte Qualitätsstufe vorliegt, wurde nach der Dateigröße komprimiert

Die so entstandenen Kompressionsbilder (insgesamt 11 JPEG- und 21 WAVELET – Bilder pro Vergrößerung) wurden in PowerPoint-Präsentationen eingearbeitet und ähnlich angeordnet, wie die Dias bei der Präsentation im Hörsaal. Die Bildreihe der 1,5-fachen Vergrößerung wurde zuerst gezeigt und begonnen wurde mit dem Bild mit der niedrigsten Kompression. Die Anordnung von Originalbild und Testbild wurde wiederum ad libitum festgelegt.


[Seite 37↓]

Abb. 32: PowerPoint Präsentation der Kompressionsreihen

Die Darstellung der PowerPoint-Präsentationen erfolgte an einem 21“ Monitor mit einer Auflösung von 1600 x 1200 dpi und einer Bildwiederholfrequenz von 85 Hz. Die beiden präsentierten Bilder (Original und Testbild) wurden mit einer Größe von 13 cm (Höhe) x 20 cm (Breite) dargestellt.

Es beteiligten sich insgesamt 30 Teilnehmer (20 Teilnehmer pro Kompressionsreihe). Dies waren 7 Pathologen, von denen zwei älter als 40 Jahre waren, und Personen ohne pathologisches Hintergrundwissen. Das Alter der Teilnehmer lag zwischen 20 und 60 Jahren.

Für alle Teilnehmer wurden gleiche Bedingungen geschaffen: gleicher Monitor ohne Veränderung der Einstellungen und gleichbleibende Umfeldbedingungen. Der Abstand zum Monitor variierte individuell zwischen 30 und 50 cm.

Die Versuchsteilnehmer sollten wieder die gleichzeitig präsentierten Bilder bewerten und die Ergebnisse in einen Fragebogen eintragen (siehe Abb. 32). Die Auswertung der Fragebögen erfolgte nach der Präsentation. Die Ergebnisse wurden in Tabellen eingetragen und waren Grundlage für weitere Berechnungen.


[Seite 38↓]

3.3.4. Objektive Kriterien für die Bildqualität

Für die exakte Analyse der Einflüsse auf die Qualität der Bilder (Änderung der Auflösung, Kompression), ist es notwendig objektive Kriterien heranzuziehen (Brennecke et al. 2000). Der anschließende Vergleich soll eine mögliche Korrelation zwischen objektiven und subjektiven Ergebnissen anzeigen.

Für die objektive Beurteilung des Qualitätsunterschiedes zwischen Original und komprimiertem Bild wird das Spitzenwert-Signal-Rausch-Verhältnis (Peak signal to noise ratio = PSNR) herangezogen. Dieser Wert beschreibt -einfach ausgedrückt- die Differenz der Bildmatrix von Originalbild und reduziertem Referenzbild. Dabei ist es wichtig, dass beide Bilder die gleiche Auflösung (identische Breite und Höhe) besitzen. Das ergibt sich aus den folgenden Termen:

Maximaler absoluter Fehler

(MAE)

(1)

Mittlerer quadratischer Fehler

(MSE)

(2)

Wurzel des mittleren quadratischen Fehlers

(RMS)

(3)

Signal-Rausch Verhältnis

(SNR)

(4)

Spitzenwert-Signal-Rausch-Verhältnis

(PSNR)

(5)

Die Bildmatrizen der zu vergleichenden Bilder werden Pixel für Pixel untersucht. Ein Pixel der Matrix des Originalbildes wird mit dem adäquaten Pixel des Referenzbildes verglichen.

Die Einheit des PSNR-Wertes ist Dezibel (dB). Der PSNR-Wert dient der objektiven Messung der Qualitätsverluste bei verlustbehafteten Kompressionen. Hohe Werte stehen für einen geringen Unterschied zwischen Original und komprimiertem Bild, also für eine Kompression mit geringem Qualitätsverlust.

Für die objektive Analyse des Einflusses der Auflösungsreduktion gibt es keinen Qualitätsparameter. Die PSNR eignet sich nicht für die Beurteilung der Bilder bei der Auflösungsstudie, da Originalbild und Referenzbild in der Anzahl der Pixel verschieden sind, wodurch die Berechnung der PSNR nicht möglich ist.

3.4. Fallstudien zum praktischen Einsatz der Telepathologie

Die vorliegende Untersuchung des Einsatzes telemedizinischer Techniken in der Routine der Fetalpathologie beschränkt sich auf zwei Gebiete:


[Seite 39↓]

3.4.1. Autopsiestudie zur Evaluation der Telepathologie (online) - Studie II

Für diese Untersuchung wurden 10 Routinefälle des Institutes für Pathologie der Charité benutzt(Tab. 15).

Tab. 15: Autopsiefälle eines Monats (sequentiell der Routine entnommen)

Fall-Nr.

Diagnose

SSW

1

Schwere Wachstumsretardierung

26.

2

Trisomie 18

34.

3

Trisomie 21

23.

4

Spontanabort, Zustand nach vorzeitigem Blasensprung

23.

5

Makrozephalie, Ventrikelseptumdefekt, Pulmonalklappenstenose

23.

6

Trisomie 18

15.

7

Reno-hepato-pankreatische Dysplasie/ Ivemark-Syndrom

21.

8

Truncus arteriosus communis (Typ I), Hygroma colli

19.

9

Omphalozele, Zwerchfelldefekt, Lungenhypoplasie links, Ventrikelseptumdefekt

21.

10

Triploidie

15.

Abkürzungen: SSW - Schwangerschaftswoche

Bei dieser Studie ging es primär um die Analyse der Routinetauglichkeit telepathologischer Methoden.

Die Fetalsektionen wurden von einem wenig erfahrenen Assistenzarzt und einem technischen Assistenten durchgeführt. Ein erfahrener Kinderpathologe war per Telekonferenz zugeschaltet. Alle Arbeitsschritte (Fallannahme, Fallpräsentation, Sektion etc.) wurden mit dem konsultierten Kollegen besprochen. Dieser konnte somit die gesamte Sektion telepathologisch verfolgen.

Im Zentrum der Studie stand die Analyse der Routinetauglichkeit dieser Form der telepathologischen Qualitätssicherung bei der Sektion eines Feten.

3.4.2. Herzstudie zur Evaluation der Telepathologie (offline) - Studie III

Für die Offline-Konsultation wurden 10 Fälle aus den Jahren 1996-2000 mit komplexen Herzfehlbildungen herausgesucht. Die Auswahl unterstützte ein Experte für Herzfehlbildungen und ein erfahrener Kinderpathologe. Die Befunde der einzelnen Fälle sind in Tabelle 16 zusammengestellt.

Tab. 16: Fälle mit komplizierten Herzfehlbildungen

Fall-Nr.

Herzfehlbildung

Extrakardiale Fehl-

bildung/ Stigmata

Chromosomale Anomalie

SSW/ Alter

1

Unterbrochener Aortenbogen („Typ B“),

perimembranöser Ventrikelseptumdefekt

Dysmorphiezeichen, Thymusaplasie

Mikrodeletion 22q11.2

22

2

Atrioventrikularseptumdefekt (Rastelli Typ a), Atriumseptumdefekt vom Ostium-secundum-Typ (II)

Dysmorphiezeichen

47, XY,+21

23

3

Double outlet right ventricle, perimembranöser Ventrikelseptumdefekt, muskulärer Ventrikelseptumdefekt

Keine

Keine

22

4

Double outlet right ventricle, perimembranöser Ventrikelseptumdefekt

Dysmorphiezeichen

47, XY,+18

24

5

Komplette Transposition der großen Arterien,

perimembranöser Ventrikelseptumdefekt

Keine

Keine

22

6

Fallotsche Tetralogie,

Agenesie des Ductus arteriosus,

rechts verlaufender Aortenbogen,

perimembranöser Ventrikelseptumdefekt

Dysmorphiezeichen, Thymusaplasie

Mikrodeletion 22q11.2

21

7

Komplette Transposition der großen Arterien, Pulmonalatresie,

perimembranöser Ventrikelseptumdefekt

Dysmorphiezeichen,

Lungenhypoplasie,

Lippen-Kiefer-Spalte

47, XY, +13

22

8

Hypoplastischer Linksherzkomplex,

Aortenatresie, Mitralstenose mit Klappendysplasie

Keine

Keine

22

9

Hypoplastischer Linksherzkomplex,

Aortenatresie, Mitralstenose,

linksventrikuläre Endokardfibroelastose

Keine

Keine

Lebend-geboren

3 Tage alt

10

Aortenklappenstenose,

dilatierter linker Ventrikel,

linksventrikuläre Endokardfibroelastose

Keine

Keine

22

Abkürzungen: SSW – Schwangerschaftswoche

Die Herzen lagen bereits präpariert und fixiert vor. Die jeweiligen Fehlbildungen wurden mit dem Stereomikroskop und der angeschlossenen CCD-Kamera digitalisiert und abgespeichert. Anschließend erfolgte die Aufbereitung der Falldaten und Bilder in Form von PowerPoint-Präsentationen (siehe Abb. 33-36). Alle Dateien (eine Datei entspricht einem Fall) wiesen eine einheitliche Struktur auf:

  1. Deckblatt: mit Absender, Empfänger, Fallnummer und Fallanfrage (Abb. 33)

  1. Übersicht: mit Falldaten im Detail, klinische Angaben, Autopsiebefunde, Arbeits-diagnose, Herzprotokoll und Bildübersicht (Abb. 34)
  2. Bildbefunde: mit Falldaten, Einzelbild mit Beschriftung und zusätzlichen Angaben (Maße, Befunde etc.), bildspezifische Fragestellungen, Antwortmöglichkeit für den Experten (Abb. 35)
  3. Zweite Meinung: mit Falldaten, Formularfelder für den Experten mit Bereich für Zweite Meinung, Differentialdiagnose und eventuelle Rückfragen
  4. Abkürzungsverzeichnis der verwendeten Abkürzungen (Abb. 36)
  5. Tabelle mit Normmaßen für Körpergewicht, Schwangerschaftswoche, Herzgewicht entsprechend der Schwangerschaftswoche


[Seite 41↓]

Abb. 33: Screenshot Fall 5: Startseite

Abb. 34: Screenshot Fall 5: Übersicht (2. Seite)


[Seite 42↓]

Abb. 35: Screenshot Fall 5: Bildbefund mit Falldaten

Abb. 36: Screenshot: Abkürzungsverzeichnis


[Seite 43↓]

Die so aufbereiteten Fälle wurden zusammen mit einer Anleitung zur Bearbeitung der Dateien und einem Fragebogen als E-Mail versandt.

Die Anleitung (etwa 2-3 Seiten) enthielt eine kurze Erläuterung des Zieles der Studie und eine knappe sowie eine ausführliche Anleitung zur Bearbeitung der Dateien. Der beigefügte Fragebogen diente der Erfassung von Problemen. So wurde z.B. erfragt, ob die übertragenen Informationen ausreichend waren.

Pro E-Mail wurden jeweils 2 Fälle versandt. Insgesamt wurden jeweils 5 E-Mails an 5 Kinderpathologen in Europa verschickt (Deutschland, Österreich, Niederlande und England).


© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.
DiML DTD Version 3.0Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML-Version erstellt am:
02.02.2004