Non-invasive Imaging Methods for Digital Humanities, Medicine, and Quality Assessment

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2019-12-02
Issue Year
2019
Authors
Stromer, Daniel
Editor
Abstract

Non-invasive imaging methods are capable of revealing content that is not visible with the naked eye. In this thesis, we present solutions for three common areas of application: digitization of cultural heritage, medicine, and quality assessment.

The success story of those approaches is furthermore driven by applying image processing methods allowing a human to investigate the data by the naked eye. In our work, we refer to the combination of appropriate imaging techniques combined with data processing algorithms.

In case of cultural heritage digitization, we propose complete pipelines - from scanning to the final two-dimensional writing outputs. Such entire processing blocks are presented for historical books written with metallic inks used since the Roman Empire. The method is capable of processing X-ray computed tomography scans of closed books such that the pages are finally readable by the naked eye. The second example is a bamboo scroll as it was used in ancient China. A virtual cleaning followed by a virtual unwrapping step is used to reveal the hidden content of heavily soiled documents. Also this method is based on X-rays to generate the volumetric data.

Optical coherence tomography is a modality widely used by ophthalmologist to investigate retinal layers. Highly accurate segmentation as well as a common basis for researchers to evaluate methods is a major issue in this field. We developed a software framework in a collaboration between four institutions including clinical partners to tackle this problem. We integrated an automatic approach for initial segmentation of three relevant retinal layers. Inaccuracies can be eliminated by using the novel manual refinement algorithm producing highly accurate results with minimal amount of labor. In addition, visualization techniques can be used to illustrate the results immediately.

For quality assessment of photovoltaic cells, electroluminesence imaging can be utilized to reveal defects in multicrystalline solar cells. To automatically detect cracks in these cells, algorithmic approaches are used to segment such structures. We propose a segmentation technique with a run-time of less than a second for a single cell showing accurate results. As this field is mainly industry driven, we addressed the lack of open-source algorithms by making ours publicly available such that anyone can compare and evaluate novel techniques.

For all proposed methods, we show extensive quantitative and qualitative evaluations. We discuss challenges as well as improvements achieved with the novel techniques. We are confident that the presented work is a great contribution to the field of non-invasive imaging and furthermore highlights the need for harmonizing the used acquisition techniques with subsequent data processing.

Abstract

Nicht-invasive Bildgebungsverfahren sind in der Lage Inhalte sichtbar zu machen, die mit bloßem Auge nicht erkennbar sind. In dieser Arbeit präsentieren wir Anwendungen für drei gängige Anwendungsbereiche: Digitalisierung von kulturellem Erbe, Medizin, sowie Qualitätsbewertung.

Die Erfolgsgeschichte dieser Ansätze wird auch durch anschließende Bildverarbeitungsalgorithmen bestimmt. Diese ermöglichen es, nicht sichtbare innere Strukturen mit bloßem Auge zu untersuchen. Diese Arbeit behandelt die Kombination geeigneter bildgebender Verfahren in der Kombination mit Datenverarbeitungsalgorithmen.

Im Falle der Digitalisierung von Kulturerbe zeigen wir komplette Verarbeitungsketten, von der Aufnahme bis hin zur zweidimensionalen Ausgabe der Schriftzeichen. Solch einen kompletten Verarbeitungsblock stellen wir zuerst für historische Bücher, beschrieben mit metallischen Tinten, vor. Diese Tinten wurden seit dem Römischen Reich bis heute verwendet. Das Verfahren ist in der Lage die volumetrische Computertomografie-Aufnahme eines geschlossenen Buches so zu verarbeiten, dass die Seiten schließlich mit bloßem Auge lesbar gemacht werden können. Eine zweite Verarbeitungskette ermöglicht es, Bambusrollen, wie sie im alten China verwendet wurden, zu digitalisieren. Eine virtuelle Reinigung und anschließendes virtuelles Entrollen wird eingesetzt, um den verborgenen Inhalt der stark verschmutzten Dokumente zu enthüllen. Auch bei diesem Verfahren wird Röntgenstrahlung zur Erzeugung der volumetrischen Daten verwendet.

Optische Kohärenztomografie ist eine weit verbreitete Untersuchungsmodalität unter Augenärzten zur Untersuchung retinaler Schichten. Hochpräzise Segmentierung sowie eine gemeinsame Grundlage für die forschungsbezogene Bewertung von Methoden ist in diesem Bereich ein zu adressierendes Thema. In Zusammenarbeit mit vier Institutionen, darunter klinische Partner, wurde eine Software-Umgebung geschaffen, die dieses Problem zu lösen versucht. Zuerst wurde ein vollautomatischer Ansatz für die anfängliche Segmentierung von drei Netzhautschichten integriert. Ungenauigkeiten können durch den Einsatz des neuartigen manuellen Verfeinerungsalgorithmus beseitigt werden, der hochpräzise Ergebnisse bei minimalem Arbeitsaufwand liefert. Darüber hinaus können die Ergebnisse durch gängige Visualisierungstechniken sofort ersichtlich dargestellt werden.

Zur Qualitätsbewertung von Fotovoltaikzellen kann die Elektrolumineszenz-Bildgebung eingesetzt werden. Sie wird unter Anderem genutzt, um Defekte an multikristallinen Solarzellen zu erkennen. Um Risse in diesen Zellen automatisch zu detektieren können algorithmische Ansätze zur Segmentierung dieser Strukturen eingesetzt werden. Es wurde eine Segmentierungstechnik mit einer Laufzeit von weniger als einer Sekunde pro einzelner Zelle entwickelt, das gleichzeitig genaue Ergebnisse liefert. Da dieses Forschungsfeld hauptsächlich von der Industrie bestimmt wird, mangelt es derzeit an Open-Source-Algorithmen zur Evaluierung neuer Methoden. Daher haben wir unsere Algorithmen öffentlich zugänglich gemacht, sodass jede neue Technik damit verglichen werden kann.

Für alle vorgeschlagenen Methoden zeigen wir umfangreiche quantitative und qualitative Evaluationen und stellen die Verbesserungen, aber auch die Herausforderungen, gut ersichtlich dar. Wir sind zuversichtlich, dass die vorliegende Arbeit einen großen Beitrag zur Nutzung von nicht-invasiven Bildgebung leistet. Darüber hinaus unterstreichen wir die Notwendigkeit, die verwendete Aufnahmetechnik mit der nachfolgenden Datenverarbeitung zu harmonisieren.

DOI
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