Erweiterung eines Gefäßmodells zur Validierung von Gefäßmessalgorithmen in der Retina sowie theoretische und experimentelle Untersuchungen zu Messfehlerquellen der Gefäßanalyse

AbstractAs a „diagnostic window“ the retinal vessel system provides an insight into the human body; it not only delivers diagnostic evidence for vascular eye diseases, but it also allows conclusions reg. systemic vascular diseases. Thereby retinal vessel analysis records vascular changes esp. by measuring retinal vessel diameters and their dynamic response to different measurement and stimulation conditions. Diverse measurement methods are implemented for retinal vessel diameter measurements.In the application of those measurement methods a multitude of measurement parameters (e. g. the optical properties of the measurement chain, illumination parameters…) as well as biological influencing variables (spatiotemporal biological variability, head and eye movements) are determining the measurement conditions and for this reason are sources of measurement errors.Objective criteria for the verification of measurement results as well as for comparing different measurement methods can be developed by means of vessel imaging models.Since physical models – esp. with respect to their complexity and variability – are not reasonably realisable with sufficient accuracy and adequate practicability, in this research work a numerical model has been developed. By use of this model the impact of a multitude of technical and biological influencing variables on the measurement results can be simulated with high flexibility.In the context of this work an existing numerical basic model has been comprehensively restructured, upgraded, considerably expanded and implemented. Thereby the mapping procedure of the retinal vessels up to the recorded pixel image is simulated close to reality. The model expansion allows for the consideration of additional influencing parameters. Interference in the vessel representation as well as the optical properties of blood (venous, arterial) are taken into consideration in the process. Furthermore additional parameters for specifying the parameters of imaging sensors are implemented. Subsequently an output alternative for the simulated vessel images into an image file has been provided. This opens up the opportunity to apply any measurement methods to these (simulated) images and thus to compare the results of vessel diameter measurements.By applying this model now an evaluation of measurement algorithms for vessel diameter investigation becomes possible. Thereby now also exists the chance for separately acquiring the influence of different model parameters on the linearity of the measurement relationship. For this purpose different model parameters in real fundus images are analysed for experimentally determining their range of values. Further domains are drawn from the literature. Within these domains the differences between measured values and reference values are recorded and with it the methodical error and a correction function for the in the model integrated automatic measurement method is determined. Additionally, the influence of variations of selected model parameters (e. g. contrast, brightness, optical resolution) on the vessel diameter is demonstrated. The influence of stochastic variations of model parameters can be quantified and systematically simulated by the model. Furthermore, by freely adjustable parameters the model makes the determination of an operational range possible in which the measurement method operates reliably. Thus quality standards for eye fundus imaging can be derived which for a measurement method to be tested should be necessarily met to guarantee the required accuracy and reliability of the measured data.Das retinale Gefäßsystem ermöglicht als „diagnostisches Fenster“ in den menschlichen Körper nicht nur diagnostische Aussagen über vaskuläre Augenerkrankungen, sondern ggf. auch Schlussfolgerungen auf systemische Gefäßerkrankungen. Dabei analysiert die retinale Gefäßanalyse vaskuläre Veränderungen insbesondere über die Messung retinaler Gefäßdurchmesser und ihres dynamischen Verhaltens unter unterschiedlichen Mess- und Stimulationsbedingungen. Für retinale Gefäßdurchmessermessungen werden unterschiedliche Messverfahren eingesetzt. Bei Anwendung dieser Messverfahren bestimmen eine Vielzahl von messtechnischen Parametern (optische Eigenschaften der Messkette, Beleuchtungsparameter…) sowie von biologischen Einflußgrößen (zeitliche und örtliche biologische Variabilität, Kopf- und Augenbewegungen) die Aufnahmebedingungen und sind damit Quellen von Messfehlern. Objektive Kriterien zur Überprüfung der Messergebnisse bzw. zum Vergleich von Messmethoden können mit Gefäßabbildungsmodellen erarbeitet werden. Da körperliche Abbildungsmodelle bezüglich ihrer Komplexität und Variabilität nicht sinnvoll mit ausreichender Genauigkeit und hinreichender Praktikabilität realisierbar sind, wird dafür in dieser Arbeit ein numerisches Modell entwickelt. Mit diesem Modell können die Auswirkungen einer Vielzahl von technischen sowie biologischen Einflußgrößen auf die Messergebnisse mit hoher Flexibilität simuliert werden. Ein vorhandenes numerisches Basismodell wird im Rahmen dieser Arbeit umfassend neu strukturiert, aktualisiert, wesentlich erweitert und implementiert. Dabei wird der Abbildungsvorgang der retinalen Gefäße bis auf das aufgenommene Pixelbild realitätsnah simuliert. Die Modellerweiterung ermöglicht die Betrachtung zusätzlicher Einflussgrößen. Störungen bei der Gefäßdarstellung sowie die optischen Eigenschaften des Blutes (Vene-Arterie) werden dabei berücksichtigt. Außerdem sind weitere Parameter zur Beschreibung der Eigenschaften von Bildsensoren implementiert. Anschließend wurde eine Ausgabemöglichkeit der modellierten Gefäßbilder als Bilddatei geschaffen. Dadurch besteht die Möglichkeit, beliebige Messverfahren auf diese Bilder anzuwenden und die Ergebnisse der Gefäßdurchmessermessungen zu vergleichen. Mit diesem Modell ist nun eine Evaluierung von Messalgorithmen zur Gefäßdurchmesserbestimmung möglich. Dadurch besteht auch die Möglichkeit, den Einfluss verschiedener Modellparameter auf die Linearität der Messbeziehung isoliert zu erfassen. Dafür werden verschiedene Modellparameter in realen Fundusbildern zur experimentellen Bestimmung ihrer Wertebereiche untersucht. Andere Parameterbereiche werden aus der Literatur entnommen. Innerhalb dieser Wertbereiche werden die Abweichungen der gemessenen Werte von den Sollwerten erfasst und damit der systematische Fehler bzw. eine Korrekturkurve der im Modell integrierten automatischen Messmethode ermittelt. Zusätzlich wird der Einfluss von Änderungen ausgewählter Modellparameter (z. B. Kontrast, Helligkeit, optische Auflösung) auf den Gefäßdurchmesser gezeigt. Der Einfluss der zufälligen Änderungen der Modellparameter wird durch das Modell quantifiziert und systematisch simuliert. Außerdem ermöglicht das Modell durch frei einstellbare Parameter die Bestimmung eines Arbeitsbereiches, in dem das Messverfahren zuverlässig arbeitet. Dadurch können Qualitätsanforderungen an die Fundusabbildung abgeleitet werden, die für ein zu testendes Messverfahren unbedingt erfüllt werden müssen, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messwerte zu gewährleisten