Optische Verfolgung von Kopfbewegungen während der Magnetresonanztomographie durch ein modellbasiertes Verfahren

Bewegt ein Patient während einer Aufnahme des Schädels im Magnetresonanztomographen (MRT) den Kopf, so kann dies zu Artefakten führen. In diesem Fall bietet es sich an, die Magnetfelder automatisch den Bewegungen des Kopfes nachzuführen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird deshalb ein Verfahren entwickelt, um mit einem Stereokamerasystem die Lage des Schädels markerlos in Echtzeit zu verfolgen. Wegen der geringen Bildqualität und der Positionierung der Kameras scheiden Standardverfahren aus. Deshalb wird ein modellbasiertes Verfahren entwickelt, um das jeweils sichtbare Nasenloch in den Kamerabildern zu tracken. Beide Phasen nutzen aktive Konturen, den Gradient-Vector-Flow und beziehen die Linsenverzerrung analytisch mit ein. In einer ersten Phase wird außerhalb des MRT eine Stereoaufnahme der Nasenlöcher gemacht, welche segmentiert und zu einem 3-D-Modell rekonstruiert wird. Für das Stereomatching wird das Verfahren für die minimale Editierdistanz angepasst und eine randomisierte Variante davon entwickelt. Da sich Fehler in der Segmentierung auf das Matching auswirken, werden beide Schritte durch eine Kopplung über die Epipolargeometrie kombiniert. Wegen dem wesentlichen Einfluss der Kalibrierung wird versucht, die Kameraparameter mit anzupassen. Zudem wird mit einer Planaritätsbedingung versucht, die Schlangen über eine Homographie zu koppeln. Beide Ansätze konvergieren jedoch nicht. In einer zweiten Phase wird zu jedem Zeitpunkt die Lage des 3-D-Modells bestimmt, damit Projektion und Kamerabild übereinstimmen. Ein Ansatz besteht darin, die Werte der sechs Freiheitsgrade so zu bestimmen, dass auf der Projektion des transformierten Modells ein maximaler Gradient auftritt. Der zugehörige Metrikraum erlaubt jedoch nur eine zeitintensive erschöpfende Suche. Ein Iterative-Closest-Point Verfahren aus einer verwandten Arbeit scheitert daran, dass das Modell ungenau ist und eine gute Initialisierung vorausgesetzt wird. Deshalb wird die Lage über eine Minimierung des Hausdorffabstands des projizierten Modells zur Segmentierung bestimmt. Neben einer synthetischen Evaluierung wird das Verfahren experimentell mit einem magnetischen Trackingsystem verglichen. Um beide Messreihen in Übereinstimmung zu bringen, werden Methoden des Hand-Eye-Problems angewendet. Die Standardlösung scheitert aufgrund der Ungenauigkeit der Rotationsangaben. Deshalb wird ein weiterführender iterativer Lösungsansatz, welcher Translation und Rotation gleichzeitig bestimmt und eine statistische Fehlerverteilung zugrunde legt, angepasst. Die erreichte Genauigkeit ist 5; 65mm Standardabweichung für den Translationsanteil und 3,76° für den Rotationsanteil. Ein unbekannter Anteil ist auf den magnetische Tracker und das Evaluierungsverfahren zurückzuführen. Evaluiert man auf gleiche Art den markerbasierten Tracker aus [Hoß10], erhält man zum Vergleich 3,57 mm und 2,46°