Abstract
n dieser Dissertation werden drei diffeomorphe Bildregistrierungsmethoden vorgestellt.Diese sind „Large Deformation Diffeomorphic Metric Mapping“-(LDDMM)-Methoden,die mittels der Theorie der optimalen Steuerung hergeleitet wurden. Für die Umsetzungwurde ein „Discretize-then-Optimize“-Ansatz genutzt. Zunächst wird in der vorliegen-den Arbeit ein Überblick über die theoretischen Grundlagen von LDDMM gegeben.Hierbei werden die zwei großen Klassen von Algorithmen vorgestellt: Relaxations-und Shooting-Verfahren. Anschließend wird die Verbindung zum Forschungsfeld deroptimalen Steuerung analysiert und die Relaxations- und Shooting-Methoden, die indieser Arbeit zur Registrierung genutzt werden, werden entwickelt. Ein besondererFokus der Arbeit liegt auf der Diskretisierung der Methoden und der Lösung desrestringierten numerischen Optimierungsproblems. Dies umfasst auch die konsistenteLösung der auftretenden partiellen Differenzialgleichungen (wie z. B. Transport- undKontinuitätsgleichungen), die die Nebenbedingungen des Optimierungsproblems sind.Da hochdimensionale Probleme gelöst werden sollen, werden Runge-Kutta-Verfahrenvierter Ordnung verwendet, die einen guten Kompromiss zwischen einer schnellenBerechnung und kleinen Approximationsfehlern darstellen.Zentrale Bestandteile der entwickelten Methoden sind ein frei wählbares differenzier-bares Distanzmaß, die Speicherplatz-effiziente Diskretisierung von Geschwindigkeitsfel-dern und Transformationen sowie die Erzeugung von diffeomorphen Transformationenauch im Diskreten. Registrierungen von Computertomografie-(CT-)Daten der Lunge,die häufig durch große Deformationen und Pathologien gekennzeichnet sind, demons-trieren, dass die präsentierten Algorithmen so präzise wie aktuell publizierte Verfahrensind: Mit einem durchschnittlichen Landmarkenfehler von 0.96 mm wird das zweit-beste aller veröffentlichten Ergebnisse für die DIR-Lab-COPD-Datensätze erreicht.Die Effektivität der speziell entwickelten Diskretisierung wird durch eine Reduktionder benötigten Arbeitsspeichermenge um 95 % bestätigt. Während andere LDDMM-Algorithmen Laufzeiten von mehr als einer Stunde auf schnellen Computer-Clustern fürdie Registrierung von zwei Lungen-CT-Aufnahmen benötigen, dauert die in dieser Ar-beit vorgestellte Regisrierung ca. 20 Minuten auf einem Standard-Desktop-Computer.Die in dieser Dissertation vorgestellten Algorithmen sind für eine große Bandbreite vonklinischen Anwendungen für diffeomorphe Lungen-CT-Registrierung anwendbar, wiez. B. bildbasierte Lungenfunktionstests, Registrierung von Follow-up-Daten, Strahlen-therapie und Stadieneinteilung von COPD. Durch die flexible Wahl des Distanzmaßeskönnen die Methoden an viele weitere Datentypen und Anwendungen angepasst werden.
Originalsprache | Englisch |
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Qualifikation | Doctorate |
Gradverleihende Hochschule | |
Betreuer/-in / Berater/-in |
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Publikationsstatus | Veröffentlicht - 07.06.2018 |
Extern publiziert | Ja |