4.  Ergebnisse

Der erste Teil dieses Abschnittes stellt die Ergebnisse der Bildqualitätstudien vor. Dabei werden die Resultate der Auflösungs- und Kompressionsstudie übersichtlich in Tabellenform präsentiert und näher erläutert. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse der Analyse beim Routineeinsatz der Telepathologie dargestellt.

Im Folgenden werden die Analyseergebnisse der einzelnen Einflussfaktoren im Verlauf des Bildverarbeitungsprozesses dargestellt. (Vergleiche mit Abschnitt 3.3)

Aufnahme

Die Einflussgrößen bei der Bildaufnahme kann man unterteilen in beeinflussbare und nicht beeinflussbare Größen. Diese können sich darüber hinaus gegenseitig beeinträchtigen. Beispielsweise sind die Einstellungsmöglichkeiten der einzelnen Geräte abhängig von deren Eigenschaften. Art und der Zustand eines Präparates beeinflussen die Oberflächenstruktur.

Tab. 17: Überblick über die Technik und das Material bei der Aufnahme makroskopischer Bilder

Wichtig für die Beleuchtung des Präparates ist neben der Raumbeleuchtung die direkte Beleuchtung des Präparates. Das verwendete Stereomikroskop erlaubt eine variable Anordnung der Leuchtstrahler, sowie eine Anpassung der Lichtintensität an die Größe und Form des Präparates. Dadurch wird eine individuelle Be- und insbesondere Ausleuchtung ermöglicht. Beim Makroskop kann nur die Lichtintensität reguliert werden.

Folgende Abbildungen zeigen einzelne Organe unter dem Stereomikroskop zum Vergleich bei verschiedenen Beleuchtungsverhältnissen. Das diffuse Licht wurde durch den Aufsatz von Speziallinsen auf die Leuchtstrahler erreicht. Der Einsatz eines Polfilters erlaubt in gewissen Grenzen die Reduktion von Glanzlichtern (Reflexionen), soll hier aber nur als Beispiel aufgeführt werden, da seine Verwendung relativ aufwendig und für den Routineeinsatz nicht geeignet ist.

	Abb. 37: Verschiedene Beleuchtungsverhältnisse (Fetale Lunge, 22. SSW)

Jedes Organ weist spezifische Oberflächeneigenschaften auf, z.B. Organe mit spiegelnder Serosa im Vergleich zur relativ stumpfen Haut. Die Oberflächeneigenschaften können sich [Seite 45↓]bei längerer nativer Lagerung durch Austrocknung oder im Rahmen der Fixation ändern. Die folgenden Abbildungen zeigen einzelne Organe im nativem, nicht-autolytischem Zustand.

	Abb. 38: Reflexionsverhalten nativer innerer Organe I

Es ist deutlich erkennbar, dass native innere Organe - durch ihre feuchte Oberfläche - grelle Spiegelartefakte verursachen, welche die Einschätzung des Organs und somit die Diagnostik erschweren.

Nach der Fixation zeigten sich die folgenden Veränderungen: das Präparat wurde dunkler, die Farbdarstellung veränderte sich (gräuliche Verfärbung) und das Reflexionsverhalten wurde geringer (stumpf erscheinende Oberfläche). In gleicher Weise änderte sich die Konsistenz der Organe durch veränderte Struktureigenschaften. Die einzelnen Organe ließen sich besser positionieren und fielen weniger in sich zusammen, bedingt durch eine erhöhte innere Stabilität.

	Abb. 39: Reflexionsverhalten fixierter Organe II

Aus diesen Abbildungen wird deutlich, wie der Zustand der Präparate die Bildqualität beeinflusst. Bilder von fixierten Organen weisen weniger Glanzlichter auf als Bilder von frischen, nativen Organen.

Datenreduktion

Die Reduktion des Datenumfanges der Bilder wurde einerseits durch eine Herabsetzung der Auflösung (Studie Ia) und andererseits durch Kompression (Studie Ib) erreicht. Die Ergebnisse werden in den Kapiteln 4.1.2. und 4.1.3 ausführlich dargestellt.

Bei der Übertragung der Bilder traten keine Komplikationen auf. Die Bildqualität hat sich durch den Übertragungsmodus nicht verändert. Jedoch wurde der Bildaufbau zu großen Teilen von der jeweiligen Bildgröße und der aktuellen Netzauslastung bestimmt. Bei Videosequenzen kam es oftmals zu Verzögerungen und bei statischen Bildern zu einem diskontinuierlichem Bildaufbau.

Darstellung

Bei der Einschätzung der Bildqualität am Monitor ergab sich, dass je nach Monitorgröße eine entsprechende Bildschirmeinstellung gewählt werden sollte, abhängig von der verwendeten Grafikkarte (Tab. 18).

Tab. 18: Monitorgröße und empfohlene Bildschirmeinstellung

*Diese Angaben sind Empfehlungen zur optimalen Einstellung des Monitors. Sie sind jedoch abhängig von der Leistung der verwendeten Grafikkarte. Ebenso die Wahl der Bildwiederholfrequenz. Eine hohe Bildwiederholfrequenz reduziert das Flimmern und senkt somit die Belastung der Augen. Die Farbtiefe sollte zwischen 16 bpp (65.000 Farben) und 24 bpp (16,7 Millionen Farben) liegen, damit eine optimale Darstellung der Bilder für eine exakte Diagnostik gewährleistet wird (aus Benutzerhandbuch Version 2.0 mach 64 ATI Technologies Inc. 1995).

Die Standardeinstellungen des Monitors, beispielsweise Farbmuster, geometrische Verzerrungen, Helligkeit und Kontrast etc. können ohne Veränderung beibehalten oder individuell angepasst werden. Inwieweit sich die Art der Bildröhre, Loch- oder Schlitzmaske auf die Bildqualität auswirkt wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht untersucht.

Der folgende Abschnitt zeigt den Einfluss der Auflösung auf die Bildqualität und die Dateigröße. Die Ergebnisse der Auflösungsstudie werden grafisch dargestellt. Dabei werden die subjektive Stufe und die individuelle Schwelle definiert. Die Dia-Doppelpräsentation im Hörsaal wird mit der PowerPoint-Präsentation am Monitor verglichen.

Änderung der Auflösung – Änderung der Dateigröße

Bei der Untersuchung des Einflusses der Auflösungsänderung auf die Bildqualität zeigte sich, dass die Verminderung der Pixelanzahl, das Datenvolumen reduziert (siehe Tab. 19). Bereits bei der Reduktion der Bildpunkte um die Hälfte, sinkt das Datenvolumen um zwei Drittel, also auf 30% der Ausgangsgröße. Das entspricht einer Reduktionsrate von 1:3.

Die Größe des Originalbildes (Auflösung = 2400 dpi) beträgt etwa 15 MB, für die Übertragung des unkomprimierten Bildes via ISDN würde man mit 4 gekoppelten Kanälen (256 KBps) etwa 30 Minuten benötigen. Bereits ab einer Auflösung von 1200 dpi (50% der Ausgangsauflösung) besitzt dieses Bild nur noch 30% der Ursprungsgröße und die Übertragungszeit würde dann etwa 8 Minuten betragen.

Auswertung der Fragebögen

Die Fragebögen wurden bewertet und die einzelnen Ergebnisse in Tabellen eingetragen. Dabei wurden die Ergebnisse der einzelnen Teilnehmer bewertet (Individuelle Schwelle) und die Antworten aller Teilnehmer summiert und das prozentuale Verhältnis berechnet [Seite 47↓](Summation). Daraus ergeben sich zwei Darstellungsarten: Individuelle Schwelle und Summationsgrafik.

In den folgenden Abbildungen werden alle präsentierten Auflösungsstufen dargestellt. Die Summationsgrafik (Abb. 40) zeigt das prozentuale Verhältnis der einzelnen Antworten bei jedem präsentierten Bildpaar: d. h. die Größe

• des grünen Balkens repräsentiert den Prozentsatz richtiger Antworten,
• des gelben Balkens zeigt prozentual an, wie oft das Original nicht vom Testbild unterschieden werden konnte
• des roten Balkens stellt den Prozentsatz falscher Antworten dar.

Zusätzlich ist in den Summationsgrafiken die 50-Prozent-Schwelle (Definition siehe Kapitel 3.3.2) dick eingezeichnet.

	Abb. 40: Auflösungsstudie im Hörsaal, Summationsgrafik

Bei der Auflösungsstudie im Hörsaal haben pro Versuchsreihe 10 Personen teilgenommen. Die Hörsaalstudie dauerte für 8 Dia-Paare ca. 15 min Die 50-Prozent-Schwelle wird laut Definition (siehe Kapitel 3.3.2.) bei 900 dpi in der 1,5- und der 2,5-fachen Vergrößerung, sowie bei 600 dpi bei der 3,5-fachen Vergrößerung festgelegt.

Bei der Auflösungsstudie im Hörsaal ergaben sich mehrere Probleme bei der Präsentation:

• Die automatische Fokussierung des Dia-Projektors erforderte eine manuelle Nach-korrektur.
• Der manuelle Wechsel der einzelnen Dias verzögerte den Versuchsablauf erheblich.
• Dadurch wurden pro Versuchsreihe mit je 8 Bildern 15 Minuten benötigt.
• Das führte wiederum zur Abnahme der Konzentration bei den Teilnehmern gegen Ende des Versuchszeitraumes.
• Innerhalb der Teilnehmer kam es während der Versuche zu einem sogenannten „Gruppendruck“, d.h. schnelle Teilnehmer signalisierten dies dem Versuchsleiter, wodurch langsamere Teilnehmer möglicherweise zu schnellerem Antworten gedrängt wurden.

Um diese Probleme zu vermeiden, wurde die Auflösungsstudie als PowerPoint-Präsentation am Monitor wiederholt. Dabei zeigten sich folgende Vorteile:

• Es gab keine negativen Einflüsse durch fehlerhaft kalibrierte Dia-Projektoren.
• Ein manueller Wechsel der Dias war nicht erforderlich, da eine einmalig vorbereitete PowerPoint-Präsentation als Datei genügte.
• Dadurch wurden pro Ebene mit 9 Bildpaaren nur 5 Minuten benötigt (individuelle Schwankung zwischen 2-10 min).
• Jeder Proband konnte das Tempo selbst bestimmen, es gab somit keinen Gruppendruck.
• Individuelle Fragen (z.B. bezogen auf das Präparat) konnten schnell geklärt werden.

	Abb. 41: Auflösungsstudie PowerPoint-Präsentation, Summationsgrafik

Bei der Auflösungsstudie am Monitor haben sich 20 Personen beteiligt. Die Auflösungsstudie am Monitor dauerte pro Reihe mit je 9 Bildpaaren ca. 5 Minuten (individuelle Schwankung zwischen 2 bis 10 min). Die 50-Prozent-Schwelle wird laut Defi-nition bei 1200 dpi bei der 1,5-fachen, bei 700 dpi bei der 2,5-fachen und bei 800 dpi bei der 3,5-fachen Vergrößerung festgelegt.

Die Grafik (Abb. 42) der Individuellen Schwelle (IS) zeigt das Verhältnis zwischen Dateigröße des reduzierten Bildes und der Auflösung als Qualitätskriterium. Die roten Balken stehen für die Anzahl der Teilnehmer, die ab dieser Stufe das Original bei allen folgenden Bildpaaren erkannt haben. Die blauen Sterne innerhalb der roten Balken stehen jeweils für einen Pathologen. So kann man sehr schnell erkennen, in welchem Bereich die individuellen Schwellen der Pathologen liegen.

	Abb. 42: Auflösungsstudie PowerPoint-Präsentation, Individuelle Schwellen

Unter den 20 Teilnehmern waren 5 Pathologen. Zwei von ihnen waren älter als 40 Jahre. Von den restlichen 15 Teilnehmern waren ebenfalls 2 Personen älter als 40 Jahre.

Im folgenden Abschnitt soll der Einfluss der Kompression auf die Bildqualität dargestellt werden. Dabei wurden Bilder mit einer Auflösung von 1200 dpi verwendet, das ist die Auflösung, welche in der Auflösungsstudie als sichere Schwelle verifiziert wurde. Die Dateigröße des Ausgangsbildes vor der Kompression beträgt 4,6 MB.

Ergebnisse der jeweiligen Kompressionsverfahren

Die Ergebnisse werden wie bei der Auflösungsstudie als Summationsgrafiken und als Individuelle Schwellen dargestellt.

JPEG- Kompression

	Abb. 43: Kompressionsstudie JPEG PowerPoint-Präsentation, Summationsgrafik

Die JPEG-Studie dauerte pro Reihe mit je 10 Bildpaaren etwa 7 Minuten (individuelle Schwankung 4-10 min). Die 50-Prozent-Schwelle wird laut Definition (siehe Kapitel 3.3.2.) bei 1:100 bei der 1,5- und 2,5-fachen und bei 1:110 bei der 3,5-fachen Vergrößerung festgelegt.

	Abb. 44: Kompressionsstudie JPEG PowerPoint-Präsentation, Individuelle Schwellen

Die individuellen Schwellen der Pathologen liegen größtenteils am unteren Ende der Kompressionsreihe. Die Ausnahmen werden von jüngeren Pathologen gebildet. Die Teilnehmer, die bei der 2,5- und 3,5-fachen Vergrößerung das Original zu einem sehr frühen Zeitpunkt erkennen, sind nicht identisch. Die individuellen Schwellen der älteren Teilnehmer sind am unteren Ende der Kompressionsreihe zu finden.

WAVELET-Kompression

	Abb. 45: Kompressionsstudie WAVELET PowerPoint-Präsentation, Summationsgrafik

Die WAVELET-Studie dauerte pro Versuchsreihe mit je 13 Bildpaaren etwa 10 Minuten (individuelle Schwankung 8-13 min). Die 50-Prozent-Schwelle wird laut Definition (siehe Kapitel 3.3.2.) bei 1:140 bei 1,5-facher, bei 1:110 bei 2,5-facher, sowie bei 1:100 bei 3,5-facher Vergrößerung festgelegt.

	Abb. 46: Kompressionsstudie WAVELET PowerPoint-Präsentation, Individuelle Schwellen

Die individuellen Schwellen sind verteilt über die gesamte Kompressionsreihe, jedoch sind es nicht immer die gleichen Teilnehmer, die das Original sehr früh erkennen. Bei der 3,5-fachen Vergrößerung gibt es zwei Teilnehmer, die bei jedem Bildpaar das Original erkannt haben, deshalb sind bei dieser Abbildung nur die individuellen Schwellen von 18 Teilnehmern enthalten. Die individuellen Schwellen der Pathologen sind größtenteils am unteren Ende der Kompressionsreihe lokalisiert. Dort finden sich auch die Schwellen der älteren Teilnehmer.

Vergleich der Kompressionsverfahren

Beim Vergleich liegt der Schwerpunkt auf der Analyse der möglichen Kompressionsraten und dem daraus resultierenden Qualitätsverlust.

Für die Untersuchung wurde ein Ausgangsbild mit einer Dateigröße von 4,6 MB verwendet. Das JPEG-Verfahren erlaubte hierbei eine maximale Kompressionsrate von 1:170 (die Dateigröße war nach der Kompression 27 Kb). Das WAVELET-Verfahren hingegen konnte das Ausgangsbild maximal mit einer Kompressionsrate von 1:5750 komprimieren (die Dateigröße betrug nach der Kompression 1 Kb). In der Abbildung 47 werden die Bilder, die mit JPEG und WAVELET maximal komprimiert wurden, gegenüber gestellt (rechtes und linkes Bild).
Die Abbildung 47.b. zeigt ein Bild, welches mit dem WAVELET-Verfahren mit einer Kompressionsrate von 1:170 komprimiert wurde (die Dateigröße war nach der Kompression 27 Kb). Das entspricht der maximalen Kompression bei der JPEG-Kompression.

	Abb. 47: 1,5-fache Vergrößerung

Es ist erkennbar, dass mit den maximal komprimierten Bildern (rechtes und linkes Bild) keine Diagnostik mehr möglich ist.

Für den objektiven Vergleich der beiden Kompressionsverfahren hinsichtlich der Bildqualität erfolgte die Bestimmung der PSNR-Werte (vergleiche mit Kapitel 3.3.4).

	Abb. 48a: Kompressionsfaktor vs. PSNR

	Abb. 48b: Qualitätsstufe vs. PSNR

	Abb. 48c: Qualitätsstufe vs. Kompressionsfaktor

Abbildung 48a verdeutlicht die Abnahme der Qualität (Parameter ist der PSNR-Wert) mit zunehmender Kompressionsrate bei beiden Verfahren. Jedoch fällt die Kurve bei der WAVELET-Kompression nicht so steil ab, wie bei der JPEG-Kompression. Deshalb werden bei WAVELET erst bei höheren Kompressionsfaktoren zur JPEG-Komprimierung vergleichbare PSNR-Werte erreicht (siehe Tab. 20).

Tab. 20: Vergleich der Kompressionen von JPEG und WAVELET

In der Abbildung 48b werden die Qualitätsstufen, nach denen man komprimieren konnte (siehe Kapitel 3.3.3), den PSNR-Werten gegenüber gestellt. Dies dient dem Vergleich der beiden Kompressionsmethoden hinsichtlich der vorgegebenen Komprimierungsstufen. [Seite 51↓]Dabei wird deutlich, dass die Qualitätsstufen des JPEG-Verfahrens deutlich besser ausfallen, als die Qualitätsstufen bei der WAVELET-Kompression.

In der Abbildung 48c und in der Tabelle 21 werden die erreichten Kompressionsraten der jeweiligen Qualitätsstufe wiedergegeben.

Tab. 21: Vergleich der Kompressionsraten der Qualitätsstufen von JPEG und WAVELET

Das erklärt, warum die einzelnen Qualitätsstufen bei JPEG höhere PSNR-Werte aufweisen als bei WAVELET, da bei dem WAVELET-Verfahren die Qualitätsstufen sehr viel höhere Kompressionsraten erreichen.

Die Tabelle 22 stellt die 50-Prozent-Schwellen für die einzelnen Ebenen für JPEG und WAVELET aus der Kompressionsstudie gegenüber, dabei wird zusätzlich das objektive Bildkriterium PSNR angegeben.

Tab. 22: Vergleich der 50-Prozent-Schwellen bei JPEG und WAVELET mit Angabe des PSNR-Wertes

Es zeigt sich, dass die Versuchsteilnehmer bei JPEG niedrigere PSNR-Werte akzeptieren, während bei WAVELET gleiche Kompressionsraten erreicht werden, die aber objektiv eine höhere Qualität aufweisen (d. h. einen höheren PSNR-Wert besitzen). Die menschliche Qualitätseinschätzung und der objektive Parameter PSNR beschreiben also nicht die gleichen Sachverhalte.

Die Integration des Telepathologiesystems TPS in die Arbeitsabläufe der Fetalpathologie erfolgte schnell und problemlos, da der Zugriff auf bereits vorhandene technische Geräte, wie PC mit angeschlossenem Makroskop und Stereomikroskop möglich war.

Es war bedingt durch den Einsatz dieser Geräte im Rahmen der Befunddokumentation mit dem System PIA nicht nötig, den Umgang mit diesen Geräten neu zu erlernen. Jedoch war eine Einarbeitung in die Software des TPS notwendig. Je nach Computervertrautheit und Vorwissen variierte die Einarbeitungszeit. Im Durchschnitt benötigten die Pathologen bis [Seite 52↓]zum relativ sicheren Umgang mit dem System bis zu einer Woche, bei täglichem Umgang mit dem System.

Mit Hilfe der Telepathologie konnten in der Autopsiestudie alle Sektionen problemlos durchgeführt werden, ohne dass ein erfahrener Fetalpathologe vor Ort anwesend sein musste. Im Durchschnitt dauerte die Autopsie mit Telepathologiesystem und technischem Assistenten etwa 60 min (25-110 min). Die Tabelle 23 zeigt alle Routinefälle im Überblick sowie die jeweils benötigte Zeit pro Fall. Die Anwesenheit eines technischen Assistenten für die Bedienung der Geräte war sehr hilfreich, aber nicht unbedingt notwendig.

Tab. 23: Diagnose und Autopsiedauer der 10 Routinefälle

Bei der Online-Konsultation während der Autopsie wurden hauptsächlich dynamische Bilder übertragen. Dies ermöglichte eine Live-Diskussion am Organ unter Vermittlung eines räumlichen Eindruckes.

Der Vergleich zwischen einer konventionell durchgeführten Sektion der Feten und einer Autopsie mit telepathologischer Konsultation, zeigt Unterschiede im Arbeitsablauf, sowie Differenzen in den Anforderungen an den Pathologen und die benötigte Zeit pro Fall. Tabelle 24 stellt die einzelnen Arbeitsschritte einer konventionellen Autopsie denen einer Telepathologie-Konsultation gegenüber.

Tab. 24: Vergleich der einzelnen Arbeitsschritte bei konventioneller und telepathologischer Konsultation während einer Autopsie

Bei dieser Untersuchung erwies sich die selbsterklärende Darstellung der pathologischen Befunde anhand der bereits präparierten und fixierten Herzen als nicht ganz einfach.

In der Tabelle 25 sind die Anzahlen der für die einzelnen Fälle notwendigen Bilder aufgelistet.

Tab. 25: Zusammenhang zwischen Diagnose, Rückfragen, Bildzahl und Antwortzeit

Abkürzungen: AOVS - Aortenklappenstenose, ASD - Atriumseptumdefekt, AVSD - Atrioventrikularseptumdefekt, DORV – Double outlet right ventricle, HLH- Hypoplastischer Linksherzkomplex, IAA – unterbrochener Aortenbogen, TGA – Transposition der großen Arterien, TOF – Fallotsche Tetralogie

Wir beschränkten uns auf die Aufnahme von statischen Bildern. Dies erschwerte die Darstellung der Befunde an überwiegend kleinen Herzen, da der räumliche Eindruck, den dynamische Bilder vermitteln können, in unbewegten Momentaufnahmen nur schwer vermittelt werden kann. Bei der Darstellung der Fehlbildungen beschränkten wir uns auf die Aufnahme pathologischer Details.

Die Einarbeitung der Falldaten und Bilder in die PowerPoint Datei war relativ einfach, jedoch sehr zeitaufwendig. Jedes Bild wurde an die Dateivorlage angepasst und komprimiert. Dies war nötig, da der Umfang der E-Mails mit unkomprimierten Bildern etwa 10 MB erreichte (siehe Tab. 26). Datenmengen, von diesem Ausmaß, konnten wir nicht versenden, da die E-Mail-Größe auf ca. 8 MB durch den Mail-Servers der Charité begrenzt ist. Mit [Seite 54↓]ähnlichen Einstellungen muss man derzeit überall rechnen.

Tab. 26: Anzahl der Bilder pro Fall, Dateigröße mit und ohne Kompression der Bilder

Jedes Bild wurde durch Annotationen und Anmerkungen ergänzt. Zu einigen Abbildungen wurden spezielle Fragestellungen eingegeben (siehe Abschnitt 3.4.2).

Die per E-Mail konsultierten Experten antworteten in unterschiedlicher Form und in verschiedenen Zeiträumen. Einige Antworten wurden bereits am selben Tag zurück gesandt. In 5 Fällen, gab es seitens der Experten Rückfragen. Diese bezogen sich auf weitere spezielle Herzbefunde, die in der ursprünglichen Anfrage nicht erfasst waren und auf zusätzliche bildliche Darstellungen von pathologischen Befunden, die auf den präsentierten Bildern nicht problemlos erkennbar waren. In diesen Fällen wurde eine um die angeforderten Bilder ergänzte PowerPoint Datei per E-Mail versandt. Danach konnten in allen Fällen abschließende Diagnosen gestellt werden.

Alle Präsentationen hatten den selben Aufbau (siehe auch Abschnitt 3.4.2.).

Tab. 27: Aufbau und Inhalt der PowerPoint Datei

Die Struktur und die Inhalte der PowerPoint Datei waren für alle konsultierten Experten verständlich. In etwa 1/3 der Fälle gab es seitens der Experten Rückfragen mit der Bitte weitere Erläuterungen und weitere Bilder zu liefern. Nach Beantwortung der Rückfragen der Experten konnten alle Fälle abgeschlossen werden.

Der Arbeitsablauf bei der telepathologischen Konsultation im Offline Modus unterscheidet sich sehr wenig von dem einer konventionellen Konsultation.

Hervorzuheben ist, dass die telepathologische Konsultation unter der Voraussetzung der Erreichbarkeit des Experten in einem kürzeren Zeitraum erfolgen kann, und die Fälle ohne weiteren Aufwand automatisch in einer Datenbank gespeichert werden können.