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Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik



Computergestützte Diagnose von Leukämie anhand von mikroskopischen Blut- und Knochenmarkausstrichsbildern mittels Methoden der digitalen Bildverarbeitung

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Übersicht

Zur Diagnose von Leukämie ist die mikroskopische Untersuchung von Blut- und Knochenmarkausstrichen unverzichtbar. Dabei erfordert die Vielfältigkeit und Verschiedenheit der auftretenden Zellen eine hohe fachliche Kompetenz seitens des analysierenden Arztes. Die Analyse liefert Ergebnisse, welche vom Pathologen verbal beschrieben werden. Aufgrund dieser nicht standardisierten verbalen Beschreibung ist die Reproduktion der gefundenen Ergebnisse stellenweise nur schwer möglich. Zur Erhöhung der Verlässlichkeit der Analyse ist die computergestützte Diagnose basierend auf Methoden der digitalen Bildverarbeitung ein nützliches Werkzeug. 
Die Universität Kaiserslautern und das Westpfalz-Klinikum Kaiserslautern haben im Rahmen eines interdisziplinären Projektes mit der Entwicklung eines Systems zur Diagnose von Leukämie anhand von mikroskopischen Blut- und Knochenmarkausstrichen mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung begonnen.


Projektbeschreibung

Das Ziel des hier beschriebenen Projektes ist es, ein System zur automatischen Klassifikation von panoptisch (May/Grünwald/Giemsa) gefärbten Blut- und Knochenmarkausstrichen zu entwickeln. Die Analyse der Ausstriche beinhaltet die Erkennung und Auszählung der weißen Blutzellen der verschiedenen Abstammungen und verschiedenen Reifegrade. Je nach Art der Leukämie kommen verschiedene Zelltypen in verschiedenen Reifestadien in unterschiedlichen Verteilungen im peripheren Blut des Patienten vor. 
In einigen Fällen können nur sehr wenige Zellen eines bestimmten Typus im peripheren Blut gefunden werden, in andern Fällen sind typische Deformationen, z. B. haarige Auswüchse, erkennbar. Die Analyse dieser Blut- und Knochenmarkausstriche ist für den Befunder ein anstrengendes und zeitaufwendiges Unterfangen, da jede einzelne Zelle korrekt klassifiziert werden muß. Ein automatisiertes System kann hier Abhilfe schaffen und den Befunder entlasten.

Nach der Aufnahme der mikroskopischen Blut- und Knochenmarkbilder muß zunächst mit der Segmentierung, das heißt der Trennung der Zellen vom Hintergrund und dem Auflösen der Zellen in Zellkern und Zytoplasma begonnen werden. Hängen mehrere Zellen in einem "Cluster" zusammen, so müssen diese mittels einem geeigneten Algorithmus getrennt werden, da sonst eine automatische Analyse der Zellen nicht möglich ist. Solche Zellcluster finden sich hauptsächlich in Knochenmarkausstrichen, bei Blutausstrichen liegen die Zellen meist einzeln oder in kleinen Gruppen von wenigen Zellen vor. Das Bild links zeigt einen typischen Blutausstrich, das Bild rechts einen typischen Knochemarkausstrich. 


 
Blutausstrich

Blutausstrich      

Knochenmarkausstrich   

Knochenmarkausstrich

Liegen die Zellen einzeln vor, kann mit der Merkmalsextraktion begonnen werden. Die Merkmale sind der verbalen Beschreibung der Ärzte in Algorithmen umgesetzt - so kann zum Beispiel die verbale Beschreibung "feinmaschig" mittels Texturanalyse in ein quantifizierbares Merkmal umgesetzt werden, das dann als Teil eines Merkamlsvektors zur Klassifikation der Zelle herangezogen werden kann. Untersucht werden unter anderm geometrische Merkmale, formbasierte Merkmale, farbbasierte Merkmale, Texturmerkmale und kombinierte Merkmale. 

Als essentiellen Schritte des Projektes sind zu nennen:


Zukünftige und aktuelle Arbeitsbereiche

Hier einige der Gebiete, die näher zu betrachten sind (Interessenten (DA, SA, HiWi...) melden sich bitte bei: Thomas Heger


Kooperationspartner

Herr Prof. Dr. Link und Herr Dr. Hagmann vom Westpfalzklinikum unterstützen das Projekt in medizinischen Belangen, außerdem wird zur Zeit eine Kooperation mit der Firma Zeiss ausgearbeitet. Es besteht ein Austauschprogramm mit dem Indian Institute of Science das von der DLR unterstützt wird. 


Veröffentlichungen

H. Hengen, M. Pandit, Declustering Algorithms for the Analysis of Blood and Bone Marrow Smears, IEEE SPCOM, Bangalore, 2001
M. Pandit, H. Hengen, Image Analysis of Blood and Bone Marrow Smears, IEEE/BMESI, BIOVISION, Bangalore, 2001
M. Pandit, H. Hengen, H. Link, F.-G. Hagmann, Computergestützte Diagnose von Leukämien unter Anwendung von Verfahren der digitalen Bildverarbeitung, DGHO Mannheim, 2001
T. Heger, H. Hengen, M. Pandit, Bildverarbeitung für Klassifikationsaufgaben in der Medizin und Qualitätssicherung, Automatisierungstechnik (at), Oldenbourg Verlag, 2002
H. Hengen, S. Spoor, M. Pandit, Analysis of Blood and Bone Marrow Smears using Digital Image Processing Techniques, SPIE Medical Imaging, San Diego, Feb. 2002


Bisherige Studien-, Master-, Projekt- und Diplomarbeiten

H. Hengen:
Objektorientierte Systemanalyse und -synthese in der digitalen Bildverarbeitung
Studienarbeit, Universität Kaiserslautern, 1997

O. Gabel:
Segmentation of Blood Cells
(Segmentierung von Blutzellen)
Projektarbeit, Indian Institute of Science, Bangalore, 1999

A. Hajra:
Segmentation and Feature Analysis of Blood Cells
(Segmentierung und Merkmalsanalyse bei Blutzellen)
Master Thesis, Universität Kaiserslautern, 2000

T. Paulus:
Entwurf und Realisierung einer Plattform zur Akquisition, Analyse und Segmentierung von mikroskopischen Aufnahmen für die midizinische Bildverarbeitung
Diplomarbeit, Universität Kaiserslautern, 2000

M. Ross:
Methoden der digitalen Bildverarbeitung für die Leukämiediagnostik
Diplomarbeit, Universität Kaiserslautern, 2001

S. Spoor:
Normalisierung, Declustering und Merkmalsextraktion in der medizinischen Bildverarbeitung
Diplomarbeit, Universität Kaiserslautern, 2002
 

Download

Die Veröffentlichung "Analysis of Blood and Bone Marrow Smears using Digital Image Processing Techniques" enthält eine nähere Beschreibung des Projektes und der einzelnen Verfahren. Sie kann hier heruntergeladen werden. 


Kontakt: Thomas Heger
Raum: 12/326
Telefon: 0631 / 205-3552
e-mail: