German Title: Die geometrische Genauigkeit medizinischer Bilder und der elastischen Bildregistrierung in der Strahlentherapie

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Abstract

Radiotherapy relies on the accuracy of radiological images and image processing procedures. Here, the geometric uncertainty of magnetic resonance imaging (MRI) and elastic image registration are investigated. A new type of phantom to measure MRI distortions and a corresponding evaluation software were developed. As a result of phantom measurement, a tree-dimensional displacement vector field is obtained to correct the images. In tests, the distortions were reduced from 3.0 ± 3.6 mm to less than 1 mm in average. In addition, methods to estimate the uncertainty of the displacement vector field (DVF) were developed for a b-spline and a demons registration algorithm . In case of the b-spline algorithm, this was done by random variations of the coefficients resulting from the registration. A quantity was introduced to characterize the local sensitivity of the similarity measure to these variations. The significant statistical dependence between this quantity and the local image registration error was demonstrated. For the demons algorithm, the reproducibility under multiple registrations was regarded as a measure of uncertainty. The algorithms were tested with artificially deformed lung images. Both methods have the potential to divide an image in sub-regions which differ in the magnitude of their average registration error.

Translation of abstract (English)

Die Genauigkeit radiologischer Bilder, sowie deren Verarbeitung, sind Voraussetzung für eine erfolgreiche Strahlentherapie. Diese Arbeit befasst sich mit der geometrischen Unsicherheit der Magnetresonanztomographie (MRT) sowie der elastischen Bildregistrierung. Es wurde ein neuartiges Phantom mit zugehöriger Auswertesoftware zur Erkennung von Verzeichnungen in MRT Bildern entwickelt. Die Phantommessungen resultieren in einem dreidimensionalen Verschiebungs-Vektorfeld, das zur Korrektur der Bilder herangezogen werden kann. Tests ergaben eine Reduktion der mittleren geometrischen Fehler von 3.0 ± 3.6 mm auf weniger als 1 mm im Durchschnitt. Zusätzlich wurden Verfahren zur Abschätzung der Unsicherheit von Verschiebungs-Vektorfeldern, resultierend aus B-Spine- sowie Demons-Registrierung, entwickelt. Im Fall der B-Spline-Registrierung wurde dies durch zufällige Variationen der resultierenden B-Spline-Koeffizienten realisiert. Eine Größe zur Erfassung der lokalen Empfindlichkeit der Metrik auf diese Variationen wurde eingeführt. Die signifikante statistische Abhängigkeit zwischen dieser Größe und dem lokalen Registrierungs-Fehler wurde demonstriert. Für den Demons-Algorithmus wurde die lokale Reproduzierbarkeit des Verschiebungs-Vektorfeldes als Unsicherheitsmaß betrachtet. Beide Verfahren wurden anhand künstlich verformter Lungenbilder getestet. Die Verfahren erlauben die Einteilung der Bilder in Sub-Regionen, die sich im Betrag ihres durchschnittlichen Registrierungsfehlers unterscheiden.