Potenziale und Grenzen digitaler Wundfotografie in der ... · Ruhr-Universität Bochum PD Dr. med....

Ruhr-Universität Bochum

PD Dr. med. B. Clasbrummel

Dienstort: Ev. Krankenhaus Witten

Abt. Chirurgie

__________________________

Potenziale und Grenzen digitaler Wundfotografie

in der Klinik und telematischen Nachsorge

von Patienten mit Wunden

Inaugural-Dissertation

zur

Erlangung des Doktorgrades der Medizin

einer Hohen Medizinischen Fakultät

der Ruhr-Universität Bochum

vorgelegt von

Dirk Ulrich Lange

aus Kamen

2008

2

Dekan: Prof. Dr. med. G. Muhr

Referent: PD Dr. med. B. Clasbrummel

Koreferent: Prof. Dr. med. R. B. Tröbs

Tag der Mündlichen Prüfung: 04.11.2008

3

Inhaltsverzeichnis

1 Abkürzungs- und Begriffsverzeichnis _____________________________ 7

2 Einleitung __________________________________________________ 11

2.1 Zielsetzung und Eingrenzung des Themas ________________________ 11

3 Digitale Fotografie aus Sicht des Chirurgen_______________________ 12

3.1 Geschichte der Fototechnik ____________________________________ 13

3.2 Historische Entwicklung der digitalen Fototechnik in der Medizin ____ 14 3.2.1 Televisite ________________________________________________________ 15 3.2.2 Medizinische Dokumentation ________________________________________ 15

3.3 Dermis______________________________________________________ 15 3.3.1 Anatomie der Haut_________________________________________________ 15 3.3.2 Einteilung unterschiedlicher Hauttypen_________________________________ 17

3.4 Wunde______________________________________________________ 19 3.4.1 Physiologie der Wundheilung ________________________________________ 19 3.4.2 Wundheilungsstörungen_____________________________________________ 20 3.4.3 Wundverschluss und Verband ________________________________________ 21 3.4.4 Kriterien der visuellen Wundbeurteilung________________________________ 22

3.5 Indikationen der digitalen chirurgischen Wundfotografie ___________ 23

4 Theorie_____________________________________________________ 24

4.1 Optische Abbildung___________________________________________ 24 4.1.1 Geometrische Optik ________________________________________________ 24

4.1.1.1 Gegenstand, Bildgrösse, Abbildungsmaßtab ________________________ 24 4.1.1.2 Brennweite und Sensorgröße ____________________________________ 25 4.1.1.3 Numerische Apertur ___________________________________________ 26

4.2 Sehphysiologie, Fotografie _____________________________________ 26 4.2.1 Linsenfehler ______________________________________________________ 26 4.2.2 Technische Effekte_________________________________________________ 27 4.2.3 Kamera__________________________________________________________ 28

4.2.3.1 Digitalkamera ________________________________________________ 28 4.2.3.2 Objektive ___________________________________________________ 29 4.2.3.3 Blendenzahl und Reihe_________________________________________ 29 4.2.3.4 Verschlusszeit________________________________________________ 30 4.2.3.5 Chromatische Adaption und automatischer Weißabgleich______________ 30 4.2.3.6 Sensor ______________________________________________________ 31

4.3 Schärfentiefe_________________________________________________ 32 4.3.1 Bildschärfe beim Sehen _____________________________________________ 32 4.3.2 Bildschärfe in der dokumentarischen Fotografie __________________________ 33 4.3.3 Blende __________________________________________________________ 33 4.3.4 Zerstreuungskreis__________________________________________________ 33 4.3.5 Ausdehnung des Schärfentiefebereiches ________________________________ 35 4.3.6 Rayleighsche Schärfentiefe __________________________________________ 35 4.3.7 Einflussfaktoren der Schärfentiefe_____________________________________ 36 4.3.8 Vergleich der Schärfentiefe von Kameramodellen ________________________ 37

4.3.8.1 Profikamera _________________________________________________ 37 4.3.8.2 Kompaktkamera ______________________________________________ 38 4.3.8.3 Mobiltelefonkameras und PDA’s _________________________________ 38

4.4 Wundvermessung ____________________________________________ 39 4.4.1 Parallaxe_________________________________________________________ 39

4.5 Leuchtquellen________________________________________________ 39 4.5.1 Glühlampe _______________________________________________________ 40 4.5.2 Leuchtstofflampen _________________________________________________ 41 4.5.3 Tageslicht________________________________________________________ 42

4

4.5.4 Blitz ____________________________________________________________ 43 4.5.5 Reflexion und Streuung von Lichtstrahlen an Haut und Hintergrund __________ 44

4.6 Farbtemperatur ______________________________________________ 45 4.6.1 Normlichtarten ____________________________________________________ 48 4.6.2 Farbkontrast und subjektive Wahrnehmung der Farben ____________________ 49 4.6.3 Sehstörungen _____________________________________________________ 50

4.7 Farbraum ___________________________________________________ 51 4.7.1 CIE-Farbraum ____________________________________________________ 54 4.7.2 RGB-Farbraum ___________________________________________________ 55 4.7.3 CIE-Lab-Farbraum_________________________________________________ 56 4.7.4 Farbraumtransformationen___________________________________________ 58 4.7.5 Farbabstand ______________________________________________________ 59 4.7.6 Farbprofile und ICC-Farbmanagement _________________________________ 60

4.8 Kompressionsverfahren _______________________________________ 61 4.8.1 Motivation _______________________________________________________ 61 4.8.2 Stand der Technik _________________________________________________ 61 4.8.3 Fast-Fourier-Transformation (FFT) ____________________________________ 62 4.8.4 JPEG ___________________________________________________________ 62 4.8.5 Wavelet-Transformation ____________________________________________ 62 4.8.6 JP2 _____________________________________________________________ 63 4.8.7 Zusammenhang mit der natürlichen Wahrnehmung _______________________ 63 4.8.8 Kompressionsartefakte bei JPEG und JP2 _______________________________ 63

5 Material und Methode ________________________________________ 64

5.1 Literaturbeschaffung__________________________________________ 64

5.2 Verwendete Kameramodelle – Systeme___________________________ 65 5.2.1 Sony Ericsson P910i _______________________________________________ 65 5.2.2 Vodafone PDA____________________________________________________ 66 5.2.3 Canon G Serie (G6, G5, G3, G1)______________________________________ 66

5.2.3.1 Canon PowerShot G1 __________________________________________ 66 5.2.3.2 Canon PowerShot G3 __________________________________________ 67 5.2.3.3 Canon PowerShot G5 __________________________________________ 67 5.2.3.4 Canon PowerShot G6 __________________________________________ 67

5.2.4 Nikon ___________________________________________________________ 67 5.2.4.1 Nikon Coolpix 995 ____________________________________________ 67 5.2.4.2 Nikon D1X mit AF-S-Objektiv und Zusatzblitz______________________ 68

5.2.5 Übersichtstafel technische Details Kameras _____________________________ 69 5.2.6 Testen der Kamera _________________________________________________ 69

5.2.6.1 Auflösung ___________________________________________________ 70 5.2.6.2 Farbe_______________________________________________________ 71

5.3 Bildverarbeitungssoftware PC __________________________________ 72 5.3.1 Thumbs Plus 6.0___________________________________________________ 72 5.3.2 The Gimp ________________________________________________________ 72 5.3.3 Lurawave ________________________________________________________ 73

5.4 Voraussetzungen für Versuche und Bildserien_____________________ 74

5.5 Schärfentiefe_________________________________________________ 75 5.5.1 Versuchsaufbau technisch ___________________________________________ 75 5.5.2 Versuchsaufbau klinisch ____________________________________________ 76

5.5.2.1 Einfluss der Blendenzahl auf die Schärfentiefe ______________________ 76 5.5.2.2 Auswirkung der Objektiv-Motiv Distanz auf die Schärfentiefe __________ 78 5.5.2.3 Kameragrenzen der Schärfentiefe ________________________________ 78

5.6 Lineale zur Wundvermessung __________________________________ 79

5.7 Farbe_______________________________________________________ 80 5.7.1 Messung von Farben _______________________________________________ 80

5.7.1.1 Minolta Chromameter _________________________________________ 80 5.7.1.2 Gretac Spektrometer___________________________________________ 81 5.7.1.3 Software Profile Maker 5 _______________________________________ 81

5

5.7.2 Einfluss der Leuchtquelle____________________________________________ 82 5.7.3 Automatischer Weißabgleich_________________________________________ 84 5.7.4 Einfluss der Hintergrundwahl ________________________________________ 84

5.8 Kompressionsverfahren _______________________________________ 85 5.8.1 JPEG ___________________________________________________________ 85 5.8.2 JP2 _____________________________________________________________ 86 5.8.3 Kompressionsartefakte______________________________________________ 86 5.8.4 Fotoserie Kompression _____________________________________________ 86

5.9 Studien _____________________________________________________ 87 5.9.1 Probandenauswahl für die Studien Patientenfotos Televisite, Farbverschiebung und Kompression ____________________________________________________________ 87 5.9.2 Fachärzte und Bildbewertung ________________________________________ 88 5.9.3 Studie Patientenfotos Televisite_______________________________________ 88 5.9.4 Programm in Java zur Studiendurchführung _____________________________ 89 5.9.5 Technische Begutachtung am LCD-Monitor _____________________________ 89 5.9.6 Studie Farbverschiebung ____________________________________________ 90 5.9.7 Studie Fotoserie Kompression ________________________________________ 91 5.9.8 Auswerteverfahren_________________________________________________ 92

6 Untersuchungen _____________________________________________ 93

6.1 Versuchsreihen_______________________________________________ 93 6.1.1 Versuchsreihen Schärfentiefe_________________________________________ 93

6.1.1.1 Einfluss der Blendenzahl auf die Schärfentiefe ______________________ 95 6.1.1.2 Auswirkung der Objektiv-Motiv Distanz auf die Schärfentiefe __________ 95 6.1.1.3 Kameragrenzen der Schärfentiefe ________________________________ 96

6.1.2 Lineale zur Wundvermessung ________________________________________ 96 6.1.3 Fotoserie Farbverschiebung __________________________________________ 97 6.1.4 Einfluss der Leuchtquelle____________________________________________ 97 6.1.5 Automatischer Weißabgleich_________________________________________ 98 6.1.6 Einfluss der Hintergrundwahl ________________________________________ 99

6.2 Kompression_________________________________________________ 99 6.2.1 Kompressionsartefakte______________________________________________ 99 6.2.2 Fotoserie Kompression ____________________________________________ 100

6.3 Studien ____________________________________________________ 100 6.3.1 Studie Patientenfotos Televisite______________________________________ 100 6.3.2 Studie Farbverschiebung ___________________________________________ 103 6.3.3 Studie Fotoserie Kompression _______________________________________ 103

7 Ergebnisse _________________________________________________ 104

7.1 Patienten___________________________________________________ 104 7.1.1 Patientenfotos Televisite ___________________________________________ 104

7.2 Schärfentiefe________________________________________________ 105 7.2.1 Einfluss der Blendenzahl auf die Schärfentiefe __________________________ 105 7.2.2 Auswirkung der Objektiv-Motiv Distanz auf die Schärfentiefe______________ 108 7.2.3 Kameragrenzen der Schärfentiefe ____________________________________ 110 7.2.4 Zusammenfassung Schärfentiefe _____________________________________ 111

7.3 Lineale zur Wundvermessung _________________________________ 111

7.4 Farbe______________________________________________________ 113 7.4.1 Farbverschiebung_________________________________________________ 113 7.4.2 Einfluss der Leuchtquelle___________________________________________ 115 7.4.3 Automatischer Weißabgleich________________________________________ 120 7.4.4 Einfluss der Hintergrundwahl _______________________________________ 122

7.5 Kompression________________________________________________ 125 7.5.1 Kompressionsartefakte_____________________________________________ 125 7.5.2 Fotoserie Kompression ____________________________________________ 133

8 Diskussion _________________________________________________ 136

6

8.1 Zusammenhänge ____________________________________________ 137 8.1.1 Zusammenhang zwischen Wundformen und –typen ______________________ 137 8.1.2 Aspekte der Schärfentiefe __________________________________________ 138 8.1.3 Einfluss von Linealen______________________________________________ 140 8.1.4 Aspekte der Farbtoleranz ___________________________________________ 140 8.1.5 Einfluss der Leuchtquelle___________________________________________ 141 8.1.6 Aspekte zum Weißabgleich _________________________________________ 142 8.1.7 Aspekte zum Hintergrund __________________________________________ 143 8.1.8 Aspekte zu Kompressionsartefakten und Kompression____________________ 144

8.2 Fazit_______________________________________________________ 147

9 Zusammenfassung __________________________________________ 148

10 Ausblick_________________________________________________ 150

10.1 Akzeptanz__________________________________________________ 150

10.2 Rehabilitation_______________________________________________ 150

10.3 Technologie und Fortschritte __________________________________ 150

10.4 Zukünftige Entwicklungen ____________________________________ 151

11 Literaturverzeichnis _______________________________________ 152

7

1 Abkürzungs- und Begriffsverzeichnis

A/D-Wandler Analog-Digital-Umsetzer, wandelt analoge Eingangssignale in digitale Daten um

AWB Automatic White Balance

Bayer-Filter = Bayer-Matrix

Bayer-Matrix Farbfilteranordnung ähnlich einem Schachbrettmuster

Bayer- Sensor Fotosensor, mit Farbfilter überzogen, zu 50% aus Grün, und je 25% aus Rot und Blau bestehend

Blocking artifacts Blockartefakte

Blurring artifacts Auswaschungsartefakte

Byte Wertebereich 0 bis 255 Farben

CCD Charged-Coupled-Devices, Fotosensor

circle of confusion Unschärfe- oder Zerstreuungskreis

CIE Internationes Examen der University of Cambridge Chinese Institute of Electronics CIE-Normvalenzsystem

Chromatische Adaption

automatischer Weißabgleich des Auges

CIPA Camera and imaging products association, Organisation für Kamera Testrichtlinien und einheitliche Angaben

CMM Color Management Modul, digitaler Farbrechner

CMOS Komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter

CMYK Cyan, Magenta, Yellow, Key

Color distortion Farbverfälschungen

Color Sync-Profile Farbprofile angewandt innerhalb der Verwaltung und Transformation von Farbinformationen bei Macintosh

Color temperature Farbtemperatur

D Durchmesser

DCT Diskrete Cosinus-Transformation Tiefpassfilterung zur Redundanzreduktion von Bildsignalen

dh hyperfokale Entfernung

DIN Deutsches Institut für Normung

DLR Digitale Lumineszenz-Radiographie

DRG Diagnosis Related Groups, Diagnosebezogene Fallgruppen

D65 Normlichtart D (Daylight) mit 6500 Kelvin, entsprechend der Oberflächentemperatur der Sonne

EMS Enhanced Message Service, Dienst für die Kommunikation zwischen Mobiltelefonen

EXIF Exchangeable Image File Format

8

Eye-One-Pro Spektrometerkopf zur Messung von Farbwerten

F Brennpunkt

f Brennweite

Farbstich Farbnuance, Verschiebung einer Farbe zu einem anderen Farbwert

g Gegenstandsweite

Gamut Menge aller Farben die ein Gerät aufzeichnen oder wiedergeben kann

GPRS General Packet Radio Service, Paketorientierter Übertragungsdienst

GSM Global System for Mobile Communication, Standard für volldigitale Mobilfunknetze

H Wasserstoff

He Helium

Halbleiterarray Anordnung von Halbleitern als Bildsensor

HSCSD High Speed Circuit Switched Data, Erweiterung des GSM

HTML Hypertext Markup Language

ICC-Profile International Color Consortium, genormter Datensatz der den Farbraum eines Gerätes beschreibt

IEC International Electrotechnical Commission

IPTC Speicherung von Textinformationen zu Bildinhalten in Bilddateien

IR Infrarot

ISO International Standardization Organisation

ITU International Telecommunication Union, Internationale Fernmeldeunion

JAVA objektorientierte Programmiersprache der Firma SUN

JPEG Joint Photographic Experts Group, Standard für die verlustbehaftete Bildkompression

JPEG2000 Standard zur Bildkomprimierung, der auf der diskreten Wavelet-Transformation beruht und sowohl verlustfreie als auch verlustbehaftete Komprimierung ermöglicht

JP2 = JPEG2000

k Blendenzahl

K Kelvin

Kr Krypton

KB Kleinbildformat

kB Kilobyte

Lab L*a*b*-Farbsystem 1976 von der CIE-Kommission aus dem CIE-XYZ-Modell entwickelt. Es ist standardisiert, geräteunabhängig und baut auf der menschlichen Wahrnehmung auf.

LCD Liquid Crystal Diaplay

LED Leuchtdiode, elektronisches Halbleiter-Bauelement

9

LUT Look up table, Tabellen zur Umrechnung der gerätespezifischen Farbräume

Lx Lux

MgF2 Magnesiumfluorid

MB Megabyte

MMS Mensch-Maschine-Schnittstelle

MOS Medical Outcome Study

Ne Neon

PDA Personal Digital Assistant

PDF Portable Document Format, übertragbares Dokumentenformat

Pixel Digitaler Bildpunkt

Profile Maker 5 Programm zur Erstellung von ICC-Profilen für Ein- und Ausgabegeräte

RAW Rohdatenbildformat ohne Optimierung und Komprimierung

RGB- Farbraum Rot-Grün-Blau-Farbraum, additives Farbmodell, bei dem sich die Grundfarben RGB zu Weiß addieren

Ringing artifacts Krümmungsartefakte

T Farbtemperatur

Tablet-PC Ein PC bei der Eingaben über Stift oder Finger erfolgen

Telemetrie Fermessung

Televisite Produktname für die mobile telematische Wundbetreuung

TFT Dünnschichttransistor, Anwendung in Flüssigkristall-Flachbildschirmen

The Gimp GNU Image Manipulation Programm, professionelles Bildbearbeitungsprogramm

Thumbs Plus Software zur Bearbeitung von Bildern/Fotos

Thyristoren Elektronisches Bauteil als Mehrschichthalbleiter

TIFF Tagged Image File Format, Dateiformat zur Speicherung von Bilddaten

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

USB Universal Serial Bus

UV Ultraviolett

VGA Video Graphics Array, Computergrafik-Standard, definiert bestimmte Kombinationen von Bildauflösung, Farbanzahl, sowie Wiederholfrequenz

WB White Balance, Weißabgleich

Weißabgleich dient dazu die Kamera auf die Farbtemperatur des Lichtes am Aufnahmeort zu sensibilisieren

YCbCr Das Farbmodell mit der Grundhelligkeit Y; Cb als Maß für die Abweichung von Grau in Richtung Blau, bzw. wenn der Wert kleiner ist in Richtung Gelb (Komplementärfarbe von Blau); Cr ist die entsprechende Maßzahl für die Abweichung in Richtung Rot bzw.

10

Türkis (Komplementärfarbe zu Rot).

Z Zerstreuungskreisdurchmesser

xyY Das xyY-Achsensystem bildet den Farbraum der Normfarbtafel des CIE-Farbsystems. x steht für die Rot-/Purpurachse, y für die Grünachse.Die nur in einer dreidimensionalen Ansicht darstellbare Y-Achse enthält die Angaben zur Helligkeit des jeweiligen Farbtons.

β Abbildungsmaßstab

δ Bildwinkel

∆d Schärfentiefebereich

∆E Farbabstand

11

2 Einleitung

Jährlich erleiden über 5 Millionen Menschen in der Bundesrepublik Deutschland

einen Verkehrs-, Haus- oder Arbeitsunfall. Die entstehenden Behandlungskosten

und Krankengelder betragen in etwa 25 Milliarden Euro.

Im Rahmen der Umsetzung der ökonomischen Zielsetzung des heutigen

Gesundheitssystems bietet sich die Televisite als eine zukünftige kostengünstige

Alternative an, um sowohl die stationäre Liegezeit von Patienten zu verkürzen, als

auch die ambulante Wiedervorstellung zur Routine-Wundkontrolle zu

vereinfachen. Eine optimale Farbtreue und Detailerkennbarkeit der digitalen

Wundaufnahme mit möglichst geringer Differenz zwischen Original und

Wiedergabe ist dabei unerlässlich für eine sichere und effiziente

Diagnosestellung.

Das JPEG–Bildkompressionsverfahren bietet dabei die Möglichkeit, digitale

Bilddateien in akzeptabler Informationsgröße zu speichern als auch zu versenden

und stellt somit ein Bindeglied zwischen digital gespeicherten Bilddaten und

Wiedergabemedien dar. Dabei versucht das Farbmanagement, die

Farbabweichungen zwischen verschiedenen Geräten (Digitalkamera, Monitor,

Drucker, etc.) auszugleichen. Im Vorfeld entscheidet die Auswahl des digitalen

Kamera-Modells bezüglich der Harmonie der einzelnen Teilkomponenten, wie

etwa des Objektivs und des Sensorchips, über die Qualität der Aufnahme,

insbesondere über die Grenzen der Schärfentiefenausdehnung.

2.1 Zielsetzung und Eingrenzung des Themas

Die vorliegende Arbeit setzt sich aus drei experimentellen Teilbereichen

zusammen. Sie soll zeigen, welche Möglichkeiten bestehen, die

Konstellationskette der digitalen Wundfotografie in der Televisite so zu gestalten,

dass die ärztliche Diagnose ein effizientes und sicheres Ergebnis zum Ertrag

erhält.

Folgende Fragen sollten möglichst weitgehend beantwortet werden können:

1) Im ersten Teil sollte erarbeitet werden, welchen Einfluss die Blendenvorwahl

und der Kameratyp auf die Ausdehnung der Schärfentiefe des interessierenden

12

Wundareals haben und ein Aufschluss über die Mindestanforderungen an das

Kameramodell für den Praxiseinsatz in der Televisite separiert werden. Eine

angrenzende Fragestellung soll bearbeitet und diskutiert werden, welchen

Einfluss auf die Schärfentiefe Fotoaufnahmen unter Abweichung aus der

Totalen haben.

2) Der zweite Teilbereich soll in einer Vergleichsserie zeigen, inwieweit ein

Grenzbereich der JPEG und JP2 Komprimierungsrate für die digitale

Wunddiagnose festgelegt werden kann und einen Vergleich herstellen

zwischen JPEG und dem aktuellerem JP 2.

3) Des Weiteren wird versucht, mit Hilfe von RGB-Farbraum Verschiebung

einen Toleranzbereich für die Modifikation innerhalb des Farbraumes für die

Wundbefundung zu ermitteln.

4) In weiteren kleineren Versuchsanordnungen soll die Fragestellung bearbeitet

werden, welche Maßnahmen eine Optimierung der Qualität digitaler

Wundfotos bewirken können. Auch in wieweit diese in dem medizinischen

und telemedizinischen Alltag praktikabel und sinnvoll anwendbar sind:

• Hierunter fallen die Anwendung von Hilfsmitteln wie Linealen zur

Nachhaltung der Größenverhältnisse des Motivs mit Darstellung

eines Vergleiches unterschiedlicher Linealtypen.

• Die Wahl des Hintergrundes: Differenzierung zwischen

kliniküblichen, auch ubiquitär einsetzbaren Unterlagen.

• Die Eignung von Kompresse und Pflaster für den automatischen

Weißabgleich.

• Die Auswirkung des Farbverteilungsspektrums unterschiedlicher

Leuchtquellen auf die Farbwiedergabe des Motivs.

3 Digitale Fotografie aus Sicht des Chirurgen

Von Interesse sind neben der Detailerkennbarkeit von Wundnähten,

Narbenbildung, Knoten, Fäden und evtl. Fremdkörpern auch kontrastreiche

Übergangsbereiche von z.B. Wundrändern, Schrauben bzw. Drähten zum

13

umliegenden Hautmantel und Schärfentiefenausdehnung und genauer

Tiefenausdehnung der Wundverhältnisse. Hier bietet sich fotografisch besonders

anspruchsvoll die Kombination aus Fixateur extern mit zugehöriger

Wundoberfläche aufgrund des zu überbrückenden Tiefenbereiches dar. Die

Farbtreue des fotografischen Abbildes, bedingt durch die Leuchtquellen im

Vorfeld sowie Sensorchip und Verwaltungssoftware, sollte dem Betrachter eine

sichere Diagnosestellung ermöglichen. Dies gilt besonders der Früherkennung

auftretender Wundkomplikationen, wie etwa Wund- und angrenzender

Weichteilentzündungen: Seröse, putride, phlegmonöse, hämorrhagische,

gangränöse Morphologien, auch Nekrosen des Gewebes. Folglich sind die

Zuordnung der Größenverhältnisse des abgebildeten Wundausschnittes von

Interesse.

3.1 Geschichte der Fototechnik

Das Phänomen der Camera obscura wurde als Lochkamera bereits durch Petrus

von Alexandria 1342 beschrieben, sowie von Leonardo da Vinci im späteren

Zeitraum (1452 bis 1519). Eine genauere Dokumentation der technischen

Anwendung der Lochkamera erfolgte durch Giovanni Baptista della Porta in

seinem Werk "Magia Naturalis". Erstmals 1550 und 1568 ist durch G. Cardano

und D. Barbaro der Einsatz von einer Blende und Linse beschrieben [40].

Danach nahm die Entwicklung der Fototechnik ihren weiteren Verlauf: Das erste

Objektiv mit veränderlicher Brennweite wurde erwähnt von Ignazio Porro 1851.

Im Jahre 1935 führte Carl Zeiss (Jena) MgF2 bedampfte Linsen ein, deren

verringerte Oberflächenreflexion die Transmissionsrate des Lichtes auf 97%

steigern konnte (Linsenvergütungsprinzip). Die Weiterentwicklung als

Zoomobjektiv wurde von R. Geißler 1952 veröffentlicht.

Die erste Kamera mit Blendenautomatik und eingebautem Belichtungsmesser

wurde 1938 von Kodak (Super Six 20) vertrieben.

Die früheste elektronische Verschlusssteuerung fand ihren Einsatz 1966 in der so

genannten "Praktika". Erst 1976 entstand eine Kamera (Canon AE-1), die eine

Steuerung durch einen zentralen Mikroprozessor erhielt. Ein Jahr später führte

Konica in das Modell C35 AF einen passiven Autofocus nach dem von 1976 von

14

Honeywell, USA, patentierten Visitronic-Verfahren ein. Die früheste marktreife

Digitalkamera mit lichtempfindlichem CCD-Chip (1969/70 von Bell Laboratories

erfunden) war die Canon RC-701.

Auch seitens der Farb- und Filmentwicklung ist ein historischer Werdegang

nachzu vollziehen: Im Jahre 1861 wurde seitens des Physikers J.C. Maxwell das

Prinzip des additiven Grundfarbenmodells (Rot, Grün, Blau) erforscht, das bis

heute Anwendung in den 3-Schicht-Farbfilmen (1932 als AGFA Color Farbfilm

eingeführt) findet. Das Polaroid-Sofortbild-Verfahren wurde 1947 von E.H. Land

vorgestellt, ab 1963 konnte der farbige Polaroid-Film erworben werden [20, 56,

64, 167].

3.2 Historische Entwicklung der digitalen Fototechnik in der

Medizin

1981 wurde von Fuji die digitale Lumineszenz-Radiographie (DLR) vorgestellt

als Verfahren zur Digitalisierung von Röntgenbildern. Statt Film und Folie wird

eine spezielle Kassette mit einer "Imaging Plate" (IP) in den Strahlengang

eingebracht. Das Einlesen in den Rechner erfolgt über einen Scanner oder eine

CCD-Kamera [110].

2001 publiziert Yamaguchi den Report über das Multispectrale-Kamerasystem für

den Einsatz in der Medizin und Telemedizin zur möglichst originalgetreuen

Farbwiedergabe der Hautoberfläche durch Messung des reflektierenden

Lichtspektrums [166].

Im Zeitraum von August 2001 bis September 2002 wurde eine Studie über

digitale Diagnostik von akuten und chronischen Wundheilungsstörungen an der

Universitätsklinik für Chirurgie am AKH Wien durchgeführt [159]. Ab September

2002 wurde innerhalb einer Studie im Rahmen der Televisite der

Forschungsgruppe TELTRA in Bochum die Kombination der Digitalkamera

Canon Power Shot G1 mit 3,3 Mega-Pixel-Sensor und ein mobiler PC (Monec

Voyager) mit Touch Screen sowie integriertem HSCSD Card Phone getestet

[128].

Das Department of Dermatology des University Hospital Geneva in der Schweiz

führte 2005 eine experimentelle Studie in der telemedizinischen

15

Wundkonsultation durch mit einem modernen Mobiltelefon mit integrierter

Digitalkamera [27].

3.2.1 Televisite

Die Televisite ist eine Methode der Visitation und Kommunikation zwischen Arzt

und Patient per moderner Digitalkamera, PC und Internetzugang [34]. Man

versteht hierunter eine zeitlich und räumlich entkoppelte Kommunikation

zwischen Arzt und Patient [19]. Hierbei erfolgt die weiterführende

Verlaufskontrolle der chirurgischen Wundheilung poststationär in Form von

„Heim-Konsultation“. Der Patient liefert anhand des mitgelieferten Equiqments

(Digitalkamera der Canon G Serie, mobilem PC mit integriertem multi-channel

HCSCD-Mobiltelefon, seit 2006 UMTS) Eigenaufnahmen seines

Wundausschnittes, welche via Internet durch den Behandler an anderer Stelle

abgerufen und begutachtet werden. Die bedienerfreundliche Benutzeroberfläche

lässt neben dem Datenaustausch von Bildern und Texten auch das Verschicken

von Sprach- und Videoaufzeichnungen zu. Somit erfüllt die Televisite die

Bedingungen, Routinechecks per Telekommunikation durchzuführen. Vorteile

liegen, aus gesundheitsökonomischer Sicht, in der Zeitersparnis und dem

geringeren Behandlungs- und Kostenaufwand [8, 50].

3.2.2 Medizinische Dokumentation

Die medizinische Wunddokumentation in Form von Bildern findet schon seit

längerem im stationären und operativen sowie pflegerischen Bereich Anwendung:

Bei akuten sowie chronischen Wunden, zur aktuellen Dokumentation als auch zur

Verlaufskontrolle, seit neuerem in digitaler Form [65].

3.3 Dermis

3.3.1 Anatomie der Haut

Das Integumentum commune bedeckt die gesamte Körperoberfläche. Es besteht

aus der Epidermis, dem Korium und der Subkutis. Die Epidermis ist die gefäßlose

äußere Begrenzung der Cutis. Sie ist ektodermaler Herkunft, bestehend aus

mehrschichtigem verhorntem Plattenepithel, deren Schichtdicke je nach

Körperregion variieren kann zwischen 30 µm bei geringen und 4 mm im Bereich

mechanisch besonders beanspruchter Körperstellen wie Hand- und Fußballen. Die

16

Haut imponiert neben der Oberflächengröße als Organ mit bis zu 1,8 qm

Ausdehnung beim Erwachsenen auch durch seine Stoffwechselaktivität. Die

Epidermis ist ein sehr regenerationslebhaftes Organ, ausgehend vom Stratum

germinativum. Dieses umfasst die Schichten des Stratum basale und des Stratum

spinosum.

Abb.: 1. Das Schaubild zeigt den Aufbau der Dermis [105].

Die unterste Grenze der Epidermis bildet das Stratum basale, bestehend aus den

Hauptschichten Lamina lucida und Lamina densa. Neben den prismatischen

Zellen enthalten diese Melanozyten, deren Melaninpigment die Hautfarbe

ausprägt. Eine restitutio ad integrum ist nur möglich bei Intaktheit der

Basalmembran unter Umgehung der Reparation. In einem Zyklus durchwandern

die Zellen die äußeren Schichten unter Verlust des Zellkerns und Veränderung

ihrer Morphologie, bis sie an der Epidermisoberfläche, dem Stratum corneum

abgeschilfert werden. Das vier- bis achtlagige polygonale Zellen enthaltende

17

Stratum spinosum sowie das ein- bis fünflagige Stratum granulosum bilden eine

Übergangszone, bevor die Keratinozyten unter Verlust ihrer Zellkerne in das

Stratum lucidum übergehen. Dieses ist nur an besonders breiten Stellen der

Epidermis ausgebildet.

Als gefäßloses Gewebe erfolgt die Ernährung der Epidermis über Kapillaren der

Gefäßplexen des Stratum papillare, das seinen Zufluss aus Arterien der Subkutis

bekommt, die sich im Stratum retikulare aufzweigen. Die Subkutis enthält als

Unterhautzellgewebe neben von Bindegewebe formierten Septen darin als

traubenförmige Zellhaufen eingelagert ein Großmaß des Körperfettanteiles.

3.3.2 Einteilung unterschiedlicher Hauttypen

Die humane Dermis wird je nach historischer Abstammung und geographischem

Herkunftstyp innereuropäisch in unterschiedliche Hauttypen [3, 4] eingeteilt (Tab.

1, Abb. 2).

Tab. 1 gibt drei Hauttypen eingeteilt nach Fitzpatrick wieder.

1. der germanische Typ: bräunt schlecht, immer Sonnenbrand, blonde,

blauäugige, hellhäutige Menschen

2. nicht näher

bezeichneter Typ:

bräunt gut, selten Sonnenbrand, dunkelblonde oder

braune Haare, braunäugig, mittelstark pigmentiert.

3. der mediterrane Typ: bräunt sehr gut, sehr selten Sonnenbrand,

dunkelhaarige, dunkeläugige, dunkelhäutige

Personen.

18

Abb.: 2. Darstellung unterschiedlicher Hauttypen nach Fitzpatrick: A: germanischer Hauttyp; B: nicht näher bezeichneter Hauttyp; C: mediterraner Hauttyp.

A

B

C

19

3.4 Wunde

3.4.1 Physiologie der Wundheilung

Der Prozess der Wundheilung nach chirurgischem Hautschnitt erfolgt in drei

Phasen: Der Inflammationsphase mit ihrer mehr oder minder ausgeprägten

Entzündungsreaktion innerhalb eines Zeitraumes von etwa fünf Tagen. Der sich

anschließenden fibroblastischen Phase bis zum 14. Tag mit erfolgender

Gewebeneubildung. Zuletzt der längsten Phase der Maturation, Wochen bis

Monate andauernd, in der die Gewebereifung stattfindet [108].

Zunächst infiltrieren Leukozyten, Plasmaproteine, Immunglobuline und Fibrin

den Ort der Hautschädigung. Aus Fibrin und Kollagen vernetzten

Fibronektinmolekülen bildet sich eine provisorische Matrix. Durch Einwanderung

von Leukozyten wird eine lokale Entzündungsreaktion in Gang gesetzt, deren

Folge die Umwandlung von Monozyten zu Makrophagen ist. Diese phagozytieren

Zell- und Gewebetrümmer. Im weiteren Verlauf bildet sich an der

Wundoberfläche ein so genannter Wundschorf als Schutzgrenze und Barriere zur

äußeren Umgebung. Dieser besitzt vorerst nur geringe Belastbarkeit.

Anschließend erfolgt die Phase der Granulationsgewebebildung, bei der aus den

umgebenden vitalen Gewebsbereichen der Wunde die Einwanderung von

Fibroblasten und Endothelzellen beginnt. Im Zuge deren Syntheseleistung entsteht

ein Granulationsgewebe an der Oberfläche der Wunde. Die Fibroblasten

übernehmen die Aufgabe der Kollagensynthese, mit deren Einlagerung die

Strapazierfähigkeit des Wundzusammenhaltes zunimmt. Ebenso erfolgt die

Bildung von Proteinen der extrazellulären Matrix. Die Endothelzellen

synthetisieren Bestandteile der Basalmembranen und sind, von den Kapillaren

ausgehend, an der Neoangiogenese beteiligt. Im weiteren Verlauf führen die

Myofibroblasten zu einer Kontraktion des Granulationsgewebes mit

Verkleinerung des Wundgebietes.

Innerhalb von Wochen wandelt sich das Granulationsgewebe zu einer

bindegewebigen Narbe um (aus Kollagenfasern Typ III) mit Untergang der

ansässigen Fibroblasten und Endothelzellen. Dieser Prozess dauert ein bis zwei

Jahre, wobei die Reißfestigkeit im Vergleich zum Ursprungsgewebe um 10 bis

30% reduziert ist [69, 109].

20

3.4.2 Wundheilungsstörungen

Die Primärheilung (lat. per primam intentionem) erfolgt durch Aneinanderfügen

bzw. Vernähen der Wundränder unter minimaler Narbenbildung (Abb. 3). Um

den Kriterien der primären Wundheilung nachzukommen, sollte der Eintritt des

Wundgeschehens jedoch nicht älter als 6 bis 8 Stunden sein. Vorraussetzungen

sind außerdem glatte Wundränder, Fremdpartikel- und Keimfreiheit. Die

Heilungsdauer beträgt je Lokalisation und Beschaffenheit der Wunde mehrere

Tage.

Abb.: 3. Darstellung des primären Heilungsverlaufes mit Wundnaht [155].

Seitens einer ungenügenden Adaptation der Wundränder verbleibt ein

ausgedehnter Weichteildefekt. Diese Sekundärheilung (lat. per secundam

intentionem) erfolgt langsamer als bei der Primärheilung vom Wundgrund her mit

Ausbildung von zunächst Granulationsgewebe. Aufgrund von bakterieller

Kontamination offen gelassene Wunden verheilen verzögert primär, bzw.

sekundär.

Typische Wundheilungsstörungen post operativ nach Wundnaht sind: Serome und

Hämatome, Nekrosen, Wunddehiszenzen und hypertrophe Narbenbildungen,

sowie Keloiden und Infektionen mit nachfolgender Entzündungsreaktion [16].

Hierbei ist den zuletzt genannten eine für die digitale Wundfotografie in der

Televisite besondere Beachtung zu schenken.

Pus besteht aus sich stark vermehrenden sowie bereits neutralisierten Bakterien,

weißen Blutkörperchen und abgestorbenen Zellen. Mit ihm sollen fremde Partikel

aus der Wunde gespült werden. Das Aussehen und die Menge des Pus können auf

das Vorkommen einer bestimmten Gruppe eines Erregers hindeuten. Am

häufigsten pyogene Wundinfektionen auslösend sind Abzeß bildende

21

Staphylokokken (gelblich, rahmiger Pus), die Gruppe der Streptokokken

(dünnflüssig, phlegmonös) und das Darmbakterium Escherichia coli. Bei

Infektionen mit Staphylokokken handelt es sich nicht selten um nosokomial

übertragene Keime. Hinzu kommt Pseudomonas aeruginosa (blau-grüner Eiter,

häufig bei Brandwunden). Ein weiterer pyogener Keim aus der Gruppe der

Fäulniserreger stellt Proteus vulgaris dar. Das Bakterium findet sich bevorzugt im

Erdreich oder auch dem menschlichen Stuhl. Bei Wundkontamination zersetzt es

Körperzellen. Das Körpergewebe erscheint schmierig und jauchig [134].

Als Gangrän [41] bezeichnet man chronische Wunden, die aufgrund von

arteriellen Durchblutungsstörungen entstanden sind. Wegen der

Durchblutungsstörung wird das Gewebe nicht mehr ausreichend mit Nährstoffen

versorgt und stirbt schließlich ab. Gangräne finden sich häufig bei arteriellen

Verschlusskrankheiten, auch als Folge des Diabetes mellitus.

3.4.3 Wundverschluss und Verband

Der Wundverschluss endet in der chirurgischen Wundoperation in der Regel mit

der Primärnaht. Da diese während der katabolen Wundheilungsphase erfolgt, in

der das Wundgewebe noch unter mangelnder Infektabwehr leidet, können hier

ganz besonders die in dem vorigen Abschnitt angesprochenen

Wundkomplikationen auftreten. Für die Primärnaht gilt: Die glatten, gut

durchbluteten Wundränder werden möglichst spannungsfrei adaptiert. Zuvor wird

die Wunde sorgfältig gespült, blutende Gefäße kauterisiert. Eine Redon-

Saugdrainage unterstützt den Heilungsprozeß durch Abführen von Wundsekret.

Den eigentlichen Zusammenhalt der Wundränder bedingt das Nahtmaterial bis

zum Erreichen der ausreichenden Eigenfestigkeit [42, 76].

Die in der chirurgischen Wundnaht bei den Versuchsreihen angewendeten

Polypropylenefäden sind je nach Reißfestigkeit in verschiedenen Fadenstärken

einsetzbar. Sie bieten den Vorteil der atraumatischen Nadel-Faden-Verbindung

und werden vom Organismus am Ende der Wundheilung resorbiert, durch

Hydrolyse der Polyglykolsäure zu Glykolsäure. Daneben müssen für die

biologische Anwendbarkeit weitere Kriterien erfüllt sein, wie die Sterilität und

Verträglichkeit mit dem Zielgewebe. Ersteres wird erreicht mit Äthylenoxid oder

Gammastrahlen. Das Zweite durch eine ausdrückliche Reizlosigkeit im Gewebe.

Zu den physikalisch vorteilhaften Eigenschaften von Kunststoffäden zählen das

22

Fehlen der Quellbarkeit, die ausgeprägte Reißfestigkeit und ihre Konstanz über

längere Zeiträume von bis zu mehreren Tagen und Wochen [59].

Nach erfolgter Hautnaht wird die Wunde mit einem sterilen Verband geschützt.

Hier in diesem Fall durch Fixomull befestigte sterile Mullkompressen, die sich

durch hohe Saugfähigkeit, geringe Tendenz zum Verkleben mit der Wunde und

geringe Hautsensibilisierung auszeichnen. Daneben fördert der Wundverband

durch die Regulierung des Gasaustausches, der Aufrechterhaltung von

Feuchtigkeitsstufen, der Wärmeisolierung und dem Zurückhalten von

Mikroorganismen den Heilungsprozess. Ein moderner Wundverband sollte in

seiner Anwendung einfach sein und keinesfalls toxisch wirken. Außerdem sollte

er keine Substanzen enthalten, die in die Wunde bzw. das Gewebe eindringen

könnten. Der Verband darf nicht mit dem Wundgrund verkleben und muss sich

leicht entfernen lassen. Er muss bakterienundurchlässig sein und ein feuchtes

Wundklima schaffen [77].

3.4.4 Kriterien der visuellen Wundbeurteilung

Die Beurteilung einer Wunde erfolgt nach den Kriterien der Ätiologie und

Lokalisation, dem Wundumfang und der Wundtiefe sowie der Einschätzung der

Wundränder und eventueller Unterminierung. Auch die Beurteilung des

Wundbettes und Exsudates geben Auskunft über Beschaffenheit der Läsion.

Tab. 2 Einteilungsstadien der Wundausdehnung [138].

Stadium I: Nicht verschwindendes Erythem der intakten Haut.

Stadium II: Partieller Verlust der Hautdicke unter Beteiligung der

Epidermis und/oder Corium und Subcutis.

Stadium III: Beteiligung der gesamten Hautdicke mit Schädigung oder

Nekrose des subcutanen Gewebes, mit Ausdehnung bis

höchstens zur Faszie.

Stadium IV:

Erfassung der gesamten Hautdicke mit ausgedehnter

Zerstörung, Gewebsnekrose oder Schädigung von Muskeln,

Knochen oder Stützstrukturen.

23

Daneben gilt es, den die Wunde umgebenden Haut- und Weichteilmantel nach

Zeichen von Farbverschiebungen (Rötung bei Entzündung, bläulicher Verfärbung

bei Hämatom) und ödematösen Veränderungen zu inspizieren. Um den Fortschritt

und die Qualität der Abheilung zu beurteilen, bieten sich Umfang und Tiefe der

Wunde an (Tab. 2). Dies gilt insbesondere für die Beurteilung der sekundären

Wundheilung [135].

Die Morphologie der Cutis im Bereich der Wundränder kann auf Störungen des

Heilungsprozesses hinweisen. Farblich sichtbare unphysiologische

Abweichungen, wie beispielsweise flächenhafte Rötungen, können auf eine

Wundinfektion mit Ausbildung eines Erythems hindeuten. Neben geröteten

Wundrändern kann wiederum ein blasser oder blaugrauer Randbereich auf einen

unterminierten Bereich hinweisend sein. Hingegen weißliche Wundränder lassen

an Mazerationen denken. In Arealen fehlender Haftung des Wundrandes am

Wundgrund können sich so genannte Wundhöhlen ausbilden, Unterminierungen,

die sich durch purpur oder graue Farbgebung von der Umgebung abgrenzen

lassen.

Der Wundgrund ist hinsichtlich Art und Qualität des vorhandenen Gewebes zu

begutachten. Nicht sehr tief reichende Hautdefekte bei Erhalt der Basallamina

regenerieren durch Epithelialisierung (physiologische, perlig-rosige Eigenfarbe).

Tiefere Gewebsdefekte über die Basalzellschicht hinaus finden natürlichen Ersatz

durch glänzendes, fleischiges, rotes Granulationsgewebe. Graue und purpurne

Verfärbungen des sich in der Granulation befindlichen Wundbettes gelten als

Anzeichen für eine die komplikationsfreie Regeneration störende mangelnde

Blutversorgung. Auch auf nekrotische Gewebsbestandteile ist zu achten.

Weißliche Fibrinbeläge deuten auf eine Gewebsneubildung hin. Eine eventuell

abgesonderte Menge an Wundsekret (Exsudat) kann schwach, mittelstark oder

auch stark, der Zustand der Absonderung purulent (auf bakterielle Infektion

hinweisend), blutig serös oder klar sein. Ebenso ist auf eine Wundkontamination

durch Fremdkörper zu achten [148].

3.5 Indikationen der digitalen chirurgischen Wundfotografie

Für die begleitende Dokumentation prä-, intra-, als auch postoperativ und als

Verlaufsdokumentation kann die digitale Wundfotografie als Einsatzbereich aus

24

Sicht des Chirurgen angesehen werden. Verwiesen sei hier auf den Einsatz

digitaler Fotografie schon seit längerem in der Dokumentation von chronischen

Wundverläufen. Zukünftig ist eine verstärkte Beachtung im Sinne der

forensischen Interessensvertretung zu erwarten. Nicht zuletzt stellt sie einen

Grundbaustein in der Telemedizin mit Zukunftsaussicht dar.

4 Theorie

4.1 Optische Abbildung

Für das weitere Verständnis der Versuchsreihe und Studie der Schärfentiefe sind

Kenntnisse aus der Optik, der Sehphysiologie und Fotografie sowie technischen

Effekten Vorraussetzung. Die wichtigsten in Zusammenhang mit den Versuchs-

reihen und Studien stehenden theoretischen Grundlagen sind im Folgenden näher

erläutert:

4.1.1 Geometrische Optik

Die Funktionsweise des Fotoapparates ist grob vergleichbar mit der des humanen

Auges: Das Bild eines Gegenstandes wird mittels Objektiv mit der Brennweite f

auf der Filmebene entworfen (Abb. 4). Die Lichtstärke ist proportional dem

Durchmesser D der Blendenöffnung, bzw. antiproportional zur Brennweite f [60].

Abb.: 4. Schematische Darstellung des Strahlenganges durch die Linse zur Filmebene [79].

4.1.1.1 Gegenstand, Bildgrösse, Abbildungsmaßtab

Gegenstand und Bildgröße in der geometrischen Optik stehen in einem direkten

Verhältnis (Abb. 5). Die Bildgröße wird angegeben in Bildpunkten (Pixel),

25

unabhängig von der Auflösung. Der Abbildungsmaßstab ist beschrieben als das

Verhältnis der Abbildungsgröße eines Objektes auf dem Sensor zur Größe des

Originalobjektes. Er ist mit kleiner werdendem Abstand zum Objekt und mit

Verlängerung der Objektbrennweite zunehmend (Abb. 5). Herleitung und

Berechnung siehe Schärfentieferechner von Baumann und Krause [12, 78].

Abb.: 5. Verhältnis von Gegenstandsgröße G zur Bildgröße B; g: Gegenstandweite; b: Bildweite; f: Brennweite; F: Brennpunkt; 1: Verlauf des Parallelstrahls zum Brennpunktstrahl; 2: Geradlinige Ausbreitung des Mittelpunktstrahls; 3: Verlauf des Brennpunktstrahls zum Mittelpunktstrahl [97].

4.1.1.2 Brennweite und Sensorgröße

Korrekt entspricht f (Kap. 3.1.1.1, Abb. 5) dem Abstand zwischen der

Aufnahmeebene (Sensor) und der Objektiv-Hauptebene (Abb. 6).

Normalobjektiven entspricht 50 mm, Weitwinkel kleiner als 50 mm,

Teleobjektiven größer als 50 mm Brennweite. Die Angaben sind bezogen auf das

Kleinbildformat (24 mm x 36 mm), da in der Digitalfotografie die Sensorgröße

sich mit der Entwicklung neuer Elemente ändert [17].

Abb.: 6. Das Schaubild veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Sensorgröße und Brennweite und damit resultierendem Bildwinkel der Kamera [98].

26

Aus oben gezeigtem resultiert die nachfolgende Formel:

4.1.1.3 Numerische Apertur

Die Trennschärfe des Objektives hängt aufgrund der Beugung des Lichtes von der

Apertur ab, als Maß für die Lichtstärke des Objektives. Statt der numerischen

Apertur wird in der Fotografie auch die Blendenzahl angegeben. Gleichgerichtet

ändern sich die Auflösung, die Lichtstärke, der Öffnungswinkel und Z-Kontrast,

bei gegensinniger Schärfentiefen Ausdehnung [92]:

AN: numerische Apertur n: Brechungsindex des Mediums zwischen Objektivfrontlinse und Objekt α: Öffnungswinkel (auch Akzeptanzwinkel genannt).

4.2 Sehphysiologie, Fotografie

4.2.1 Linsenfehler

Die Linsenfehler spielen sowohl in der Optik als auch in der Funktionsweise des

menschlichen Auges bzgl. daraus resultierender Abbildungsfehler eine

bedeutende Rolle. Erwähnt werden sollen die sphärische und chromatische

Aberration, Koma und der Astigmatismus (Abb. 7). Die sphärische Aberration

(Öffnungsfehler) tritt durch unterschiedliche Beugung der Lichtstrahlen am Rand

(in etwa 5 Grad um die optische Achse) und mittig der Optik mit daraus

unterschiedlich resultierendem Brennpunkt auf. Die Folge ist ein

verschwommenes Abbild. Die chromatische Aberration bezeichnet Farbfehler,

bedingt durch die Abhängigkeit der Brechzahl von der Wellenlänge (Dispersion)

des Lichtes. Da das humane Auge seine Linsenbrennweite lediglich an eine

Wellenlänge des Spektrums des einfallenden Lichtes anpassen kann, werden

Farben mit stark divergierenden Wellenlängen als unangenehm empfunden.

Schräg zur optischen Achse einer Linse einfallende parallele Strahlen bedingen

eine asymmetrische Bündelung mit daraus resultierender Unschärfe, dem

sogenannten Koma. Der Astigmatismus bezeichnet unterschiedliche

27

Krümmungen der Linsenoberfläche mit daraus resultierender

Brennpunktlosigkeit. Am menschlichen Auge entsteht dieser durch die nicht

rotationssymmetriche Brechkraft der Hornhaut mit folgender Stabsichtigkeit.

Abb.: 7. Die Abbildung zeigt schematisch die Auswirkung von Linsenfehlern bei einer Linse [80].

4.2.2 Technische Effekte

In diesem Kapitel sollen nachfolgende in der digitalen Fotografie relevante

Begriffe näher erläutert werden:

Abb.: 8. Darstellung des Moiré-Effekt am Beispiel von Liniengittern, die sich um 5% unterscheiden [153].

28

1. Moiré Effekt

2. Kantenübergänge (Machsche Streifung oder Mach-Band-Effekt)

3. Auflösungsgrenze

1. Zu verstehen als mathematisch berechenbar auftretende Helligkeitsmodulation

bei Überlagerung von Rastern und Linien mit Entstehung neuer Linien,

insbesondere bei Bildern mit periodischen Strukturen (Abb. 8).

2. Die Wahrnehmung dieser Kantenübergänge erfolgt an Kontrastgrenzen

einheitlich gefärbter Flächen aufgrund der Verschaltung der Rezeptoren in der

Netzhaut (Abb. 9): Das Verhältnis rezeptiver Felder zu Rezeptoren beträgt in etwa

1:100. Das Resultat ergibt eine Verstärkung, bzw. in Abhängigkeit vom Ort der

Entstehung eine laterale Hemmung [94].

Abb.: 9. Darstellung des Mach-Band-Effektes [46].

3. Das Maß der Kamera für die Feinheit noch erkennbarer Strukturen kann mittels

Testzeichen bestimmt werden: Balkentest, Siemensstern, Foucault-Mire, ISO-

Testzeichen, DIN-Testfeld und andere. Ein möglichst hoher Kontrast spricht für

die jeweilige Optik. Untersuchungen des erstgenannten Testes ergaben, dass bei

einem Betrachtungsabstand von 25 cm, entsprechend der sogenannten deutlichen

Sehweite einer DIN-A4 Vorlage, die Auflösungsgrenze des humanen Auges bei

maximal 6 Linienpaaren pro mm (6 Lp/mm) liegt [9, 10].

4.2.3 Kamera

4.2.3.1 Digitalkamera

Die Funktionsweise der digitalen Kamera lässt sich in einen analogen und einen

darauf folgenden digitalen Arbeitsprozess gliedern: Gleich der analogen Kamera

werden Lichtstrahlen durch Linsen des Objektives gesammelt und auf die

„Filmebene“ fokussiert. Diese ist durch einen Sensor ersetzt, an dem proportional

zur Lichtintensität durch Photonen Elektronen freigesetzt werden. Die Spannung

29

entspricht der Helligkeitserscheinung des einzelnen Bildpunktes. Zuvor durchläuft

das Lichtstrahlenbündel einen Infrarot- und RGB-Filter. Der Digitalisierungschritt

erfolgt innerhalb des A/D-Wandler mit Diskretisierung, Quantisierung und

Farbinterpolation. Die anschließende Kompression erfolgt im TIFF- oder JPEG-,

neuerdings JP2-Format. Jedoch ist auch unkomprimiert im RAW-Format eine

Speicherung möglich.

4.2.3.2 Objektive

Die in der Fotografie verwendeten aus einer Kombination von Linsen und

spiegelnden Flächen bestehenden Objektive stellen ein sammelndes optisches

System dar: Eine reelle Abbildung, als dreidimensionales Bild eines Objektes,

erzeugend und in der Bildebene ablichtend. Zu unterscheiden sind aufgrund der

Brennweite die Supertele-, Tele-, Standard-, Weitwinkel-, Superweitwinkel- und

Fish-eye-Objektive. Je nach Konstruktion gibt es die Spiegeltele-, Tilt- and Shift-,

Autofokus- und Infrarotobjektive. Die Aufzählung beschränkt sich auf die in der

digitalen Fotografie gebräuchlichen. Eine Brennweite von 50 mm entspricht

einem Blickwinkel des menschlichen Auges von 46 Grad.

Nachfolgend sind die in den Versuchsanordungen genutzten Objektive kurz

erörtert: Teleobjektive haben eine Brennweite, die größer ist als die

Normalbrennweite (entspricht bei Kleinbildformat einem Objektiv mit einer

Brennweite von 50 bis 60 mm). Objektive mit kürzerer Brennweite dagegen

werden als Weitwinkelobjektive bezeichnet. Beide sind als Wechselobjektive

erhältlich. Zoomobjektive bewirken durch Verstellen von Linsensegmenten eine

stufenlose Veränderung der Brennweite der Optik und decken damit die Bereiche

von Weitwinkel- und Teleobjektiv ab. Der Makrozoom stellt eine Sonderform für

Nahaufnahmen dar. Die Zoomobjektive sind in der Regel fest in der Kamera

integriert.

4.2.3.3 Blendenzahl und Reihe

Die Blendenzahl k ist definiert durch:

k = Blendenzahl f = Brennweite D = Durchmesser der Blende

30

Darstellung der gebräuchlichsten Blendenzahlen siehe Tab. 3. Der Blendenwert

wird als das Verhältnis von Brennweite zu Öffnungsweite des Objektivs

(Bruchteil der Brennweite f), z.B. "f/2" angegeben. Die benachbarten Werte einer

Blendenreihe stehen in dem Verhältnis 1:1,4 (Also Wurzel aus 2). Somit steht der

Durchmesser der Blendenöffnung im entgegengesetzten Verhältnis zur

Blendenzahl. Damit ergibt sich, dass beim Wechsel von einer Blendenzahl zur

nächsten die Lichtmenge entweder halbiert oder verdoppelt wird, da die

Öffnungsfläche sich quadratisch ändert. Dementsprechend bleibt die Belichtung

gleich bei Verstellung der Blende um einen Wert und bei Änderung der

Verschlusszeit um einen entgegengesetzten Wert. Bei Zunahme um eine

Blendenstufe wird die Belichtungszeit zwecks Kompensation verdoppelt. Tabelle

3 zeigt im Normogramm die gebräuchlichsten Blendenzahlen.

Tab. 3 Darstellung der gebräuchlichsten Blendenzahlen (entsprechend dem international normierten Standard) mit zugehörigen Verschlusszeiten dar, bezogen auf das Kleinbildformat.

Blende 1,0 1,4 2,0 2,8 4 5,6

Verschlußzeit

1/4000 1/2000 1/1000 1/500 1/250 1/125

Blende 8 11 16 22 32 45

Verschlußzeit

1/60 1/30 1/15 1/8 1/4 1/2

4.2.3.4 Verschlusszeit

Sie ist die Belichtungszeit des Sensors in 1 pro Sekunde angegeben, analog zur

Blendenreihe (Kap. 3.2.3.3, Tab. 3).

4.2.3.5 Chromatische Adaption und automatischer Weißabgleich

Ein effizientes Werkzeug für das Farbmanagement stellt der Weißabgleich dar: Zu

unterscheiden sind vollautomatischer (englisch AWB, Automatic White Balance)

und manueller Weißabgleich. Ziel ist die Anpassung der Kamera an die

vorherrschenden Lichtverhältnisse (Kunst oder Tageslicht). Kernpunkt bildet die

Farbtemperatur der Leuchtquellen von Glühlampe und Neonlicht, oder dem

Sonnenlicht. Das Arbeitsprinzip besteht in der Streckung des Farbraumes des

Bildes in Richtung Weiß und damit der einzelnen Grundfarben (Rot, Grün und

31

Blau), bis das hellste Farbspektrum erreicht ist. Der Weißabgleich muss der

Situation entsprechend neu angeglichen werden. Hingewiesen sei auf Mischlicht-

Beleuchtung, z.B. Kunst- und Tageslicht. Zur Vermeidung eines „Farbstiches“

wird die Verwendung von Filterfolien empfohlen. Insbesondere hier ist ein

manueller Weißabgleich dem automatischen vorzuziehen. Weiterer Vorteil: Das

Motiv muss beim manuellen Weißabgleich keine weißen Elemente enthalten. Für

den korrekten Vorgang werden in der Digitalfotografie metameriefreie Graukarten

aus Papier oder Kunststoff empfohlen. Letztere können gereinigt werden und sind

aufgrund des durchgefärbten Materials oberflächenrobuster [152].

4.2.3.6 Sensor

Zu unterscheiden sind folgende Sensortypen, die Einsatz in der digitalen

Fotografie finden: Flächensensoren als Typ CCD-Sensor (Konica, Minolta,

Nikon, Olympus, Sony, Pentax, etc.), dem Sondertyp Super-CCD-Sensor

(Fujifilm) und dem CMOS-Sensor [55]. Die Registrierung erfolgt im One-shot-

Kamera- (alle 3 Grundfarben gleichzeitig), oder als Three-shot-Kamera-System

nacheinander.

Der CCD-Sensor (Charge-coupled Device) ist ein lichtempfindliches,

elektronisches Bauteil zur ortsauflösenden Messung der Lichtstärke (Abb. 10).

Dieser wurde in den 60er Jahren von Forschern der Bell Laboratorien in den USA

entwickelt. Die Technologie basiert auf dem photoelektrischen Effekt, wobei das

ladungskoppelnde Bauteil aus einer Matrix mit lichtempfindlichen Zellen

(Fotodioden) besteht. Die Anzahl der Dioden (300.000 bis zu 10 Millionen)

entspricht den Pixeln des aufgenommenen Bildes. Ihre Größe von 5 bis 20 µm

Kantenlänge bietet einen Kompromiss zwischen hoher Lichtempfindlichkeit und

zu geringer Auflösung. Nach Auskoppelung die der Lichtmenge proportionalen

Ladung einer jeden Fotodiode kann diese für weiterverarbeitende Prozesse

abgespeichert werden. Das Ausgangssignal ist hierbei seriell, bei zuvor

gleichzeitiger Belichtung aller Dioden. Für die Farbwiedergabe im RGB-

Farbraum sind die Zellen abwechselnd in unterschiedlicher Gewichtung mit Rot-,

Grün- und Blaufiltern versehen.

32

Abb.: 10. Schematische Darstellung der Struktur des CCD-Sensor-Elementes der Größe 1/1.8″ [95].

Mehrere different farbempfindliche Zellen ergeben somit den Farbpunkt, unter

Verlust der Farbauflösung auf ein Viertel der Graustufenauflösung. Diese wird

mittels mathematischer Interpolation der dazwischen liegenden Bildelementfarben

angehoben. Die Farb- und Helligkeitsinformationen werden mittels (Bayer-Filter-)

Algorithmus aus den einzelnen Pixeln entnommen. Die Weiterverarbeitung

mittels Frequenzanalyse im JPEG-Format reduziert die Datenmenge.

4.3 Schärfentiefe

4.3.1 Bildschärfe beim Sehen

Aufgrund der normalen Sehgewohnheiten empfindet ein Betrachter ein Bild als

scharf, wenn Linien und Kanten des Bildinhaltes klare Grenzen haben bzw.

bekannte Strukturen wieder zu erkennen sind. Der Begriff der so genannten

absoluten Schärfe aus der Optik würde voraussetzen, dass beispielsweise ein

Abstand von 1µm tatsächlich durch einen Punkt von der Größe eines µm

wiedergegeben werden würde. Allerdings besteht eine beträchtliche

Schärfentoleranz des menschlichen Auges beruhend auf dem Aufbau der Netzhaut

und Verteilung der unterschiedlichen Sehzellen, welche eine mangelnde

Trennschärfe mit sich bringt [131]. Die Abbildungsoptik lehrt uns, dass immer

nur eine Ebene ohne Tiefe scharf sein kann. Der Bereich vor und hinter der

Gegenstandsebene liegend, der noch als scharf wahrgenommen wird, entspricht

der Schärfentiefe (engl. depth of field).

Bei einer mittleren Betrachtungsdistanz von 30 cm und normalen

Lichtverhältnissen betrachtet unser Auge jede Fläche, die nicht größer als 1/10

mm ist, als scharfen Punkt. Der Schärfebereich, in der Fotografie als Schärfentiefe

bezeichnet, entsteht, weil ein Teil der Unschärfe vom Auge noch als scharf

33

wahrgenommen wird. Innerhalb der Schärfentiefe verliert sich die

Scharfzeichnung im Bereich der vorderen und hinteren Begrenzung mit

allmählichem und kontinuierlichem Übergang in die Unschärfe. Elemente, die auf

dem Bild das Ausmaß von 1/10 mm nicht überschreiten, werden als scharf, über

diesen Bereich hinausgehende als unscharf angesehen und führen zu einer

Verfremdung des Bildes.

4.3.2 Bildschärfe in der dokumentarischen Fotografie

In der medizinischen, wissenschaftlichen und dokumentarischen Fotografie wird

versucht, den Schärfebereich möglichst um die Ebene der zentralen Bildelemente

herum auszudehnen, da die Objekte häufig eine erhebliche Ausdehnung in der

Tiefe, bezogen auf den geringen Aufnahmeabstand haben. Der Hintergrund kann

dabei durchaus unscharf dargestellt werden. Um den Schärfebereich angeben zu

können, werden die Objektiv-Brennweite f in mm, die dimensionslose

Blendenzahl κ der verwendeten Arbeitsblende sowie der

Zerstreuungskreisdurchmesser Z in mm für die verwendete Kamera benötigt.

Wenn die Entfernung so eingestellt wird, dass entfernte Gegenstände scharf

abgebildet werden, kann die Entfernung zwischen Linse und Wiedergabeebene in

etwa als Brennweite der Linse bezeichnet werden [72].

4.3.3 Blende

Die Blende (engl. Aperture) regelt auf Grund der Variabilität des Durchmessers

den Lichteinfall durch das Objektiv und beeinflusst damit zum einen die

Bildhelligkeit, sowie in Abhängigkeit der Öffnung die Schärfentiefe.

4.3.4 Zerstreuungskreis

Der Bereich der Scharfzeichnung innerhalb der Schärfentiefe geht an seiner

vorderen und hinteren Begrenzung kontinuierlich und allmählich in die Unschärfe

über. Ein Lichtpunkt des jeweiligen Gegenstandes wird erst dann auf dem

Sensorchip als exakter Lichtpunkt wiedergegeben, wenn das Objektiv zuvor

genau darauf fokussiert worden ist. Ein wirklich scharfes Bild wird nur von einer

einzigen Gegenstandsebene erzeugt, von der alle Bildpunkte als absolut gleich

große Punkte auf dem Sensorchip widergespiegelt werden.

34

Abb.: 11. Darstellung der Bildpunkte eines Sensorchips. Der Zerstreuungskreis (grau) betrifft in der Regel mehr als einen Sensorpixel.

Demnach trifft die Spitze des vom Objektiv ausgehenden Lichtkegels im Idealfall

der Schärfe direkt den Sensor innerhalb eines einzelnen Pixels. Bei allen anderen

Punkten, die sich vor oder hinter der Gegenstandsebene befinden, wird die Spitze

des durch das Objektiv einfallenden Lichtkegels abgeschnitten oder über die

Oberfläche des Chips hinaus projiziert (Abb. 12). Es entsteht ein Unschärfe- oder

Zerstreuungskreis (circle of confusion), in der Optik auch Kaustik genannt (Abb.

11).

Der maximal erlaubte Durchmesser Z des Zerstreuungskreises beruht auf dem

Auflösungsvermögen des idealisierten, menschlichen Auges. Der Unschärfekreis

wird dann noch als Punkt vom menschlichen Auge realisiert, wenn diese

Kreisfläche unter einer Winkelausdehnung von ca. 2 Bogenminuten oder weniger

erscheint. Ab einem bestimmten Kreisdurchmesser auf dem betrachteten Bild

unter Berücksichtigung von Sensorabmessungen, Betrachtungsabstand und

Vergrößerungsfaktor wird dies daher als Unschärfe definiert. Der Wertebereich

für den Zerstreuungskreis Z eines Kleinbildfilmes (KB) liegt zwischen 0,025 und

0,035 mm. Für die Berechnungen von Z für andere Sensorformate ist es üblich Z

= 0,030 mm als Referenzzerstreuungskreis bei 35 mm Filmformat und Brennweite

f = 50 mm anzusetzen (Leica Standard ist 0,025 mm). Möchte man diese Größe

für eine beliebige Digitalkamera berechnen, erhält man in guter Näherung den

Zerstreuungskreisdurchmesser Z, indem der Wert 0,030 mm durch den vom

Hersteller angegebenen Objektivfaktor dividiert wird [101, 102, 132].

35

4.3.5 Ausdehnung des Schärfentiefebereiches

Abb.: 12. Das Schaubild stellt den Schärfentiefenbereich dar: Es zeigt anschaulich den Einfluss der Blendenöffnung (numerische Apertur) auf die Schärfentiefe [84].

Ein auf hyperfokale Entfernung eingestelltes Objektiv bildet alle Gegenstände, die

zwischen der hyperfokalen Entfernung und unendlich liegen, in guter Näherung

scharf ab. Die Schärfentiefe erstreckt sich dabei von der halben hyperfokalen

Entfernung bis „unendlich“. Die hyperfokale Entfernung dh entspricht der

Fokussierung auf den Punkt „unendlich". Um den Schärfentiefebereich angeben

zu können, muss zunächst diese hyperfokale Entfernung dh in mm vom

Linsenmittelpunkt aus den Kamerawerten berechnet werden:

Die Ausdehnung des Schärfentiefebereiches ∆d erstreckt sich vom Nahpunkt dn

(Entfernung ab vorderer Hauptebene des Objektives) bis zum Fernpunkt df. Ist der

Nahpunkt jenseits der hyperfokalen Nahdistanz, ist der Schärfebereich unendlich

groß [103].

4.3.6 Rayleighsche Schärfentiefe

Jede optische Abbildung ist zusätzlich auch durch die Beugung des Lichtes

begrenzt. Ein einzelner Punkt kann daher nur auf ein Beugungsscheibchen

(Airyscheibchen) abgebildet werden. Der maximale Zerstreuungskreis durch

Beugung an der Blendenöffnung ist durch den Abstand zweier benachbarter

36

Beugungsscheibchen definiert. Diese benachbarten Bildpunkte gelten nach dem

Rayleigh-Kriterium noch als separierbar, wenn die Intensität um 20% abfällt. Der

Durchmesser der Beugungsscheibchen ist abhängig von der Wellenlänge λ des

Lichtes, dem Brechungsindex n und dem Aperturwinkel u des abbildenden

Objektives. Die Rayleighsche Schärfentiefe lässt sich herleiten zu:

4.3.7 Einflussfaktoren der Schärfentiefe

Mehrere Faktoren beeinflussen den nutzbaren Schärfebereich. Das Schließen der

Blende dehnt die Schärfentiefe aus. Bei Abblendung verringert sich der Winkel

beider Strahlenbündel in Richtung Filmebene und führt zur Abnahme des

Durchmessers des Zerstreuungskreises (Z). Aufblenden bewirkt eine kürzere

Belichtungszeit bei geringerer Schärfentiefe. Bis an die durch die Wellennatur des

Lichtes gegebene Beugungsgrenze gilt: Je kleiner die Blendenvorwahl ist, desto

ausgedehnter erstreckt sich der Schärfentiefebereich.

Die Brennweite der Optik beeinflusst die Schärfentiefe folgendermaßen: Kurze

Brennweiten der Objektive ergeben einen Zuwachs der Schärfentiefe durch

Abnahme von Z. Weitwinkelobjektive mit Brennweiten kleiner als 50 mm

bezogen auf das KB Format erzeugen in der Regel eine größere Schärfentiefe als

ein Teleobjektiv. Wenn beispielhaft bei Wundaufnahmen nah fokussiert werden

soll (weniger als hyperfokale Entfernung plus Brennweite), ist der

Schärfentiefebereich auf wenige Zentimeter begrenzt.

Die Distanz des Motivs und der Zerstreuungskreis für die betreffende Sensorgröße

der Digitalkamera wirken sich ebenfalls auf die Schärfentiefe aus. Je größer die

Distanz zum Motiv (Dingweite), desto kleiner Z und zunehmender die

Schärfentiefe. Der Schärfebereich beginnt umso näher, je weiter weg fokussiert

wird. Je näher fokussiert wird, umso kleiner wird dieser.

Zusammenfassend ergibt sich aus geringer Brennweite, längerer Distanz zum

Motiv und kleiner Blendenöffnung ein ausgedehnter Schärfentiefebereich, mit

zulässiger Größe Z vom menschlichen Auge toleriert und unterem Grenzbereich

bei eintretender Beugung [87].

37

4.3.8 Vergleich der Schärfentiefe von Kameramodellen

In erster Näherung wird angenommen, dass sich die Flächeninhalte der

Unschärfekreise addieren. Nachfolgend wurden die Schärfentiefen einer aktuellen

Kompaktkamera, einer etablierten Profikamera und typischer VGA-Mobiltelefon-

Kameras exemplarisch berechnet. Es wurde eine Bildvergrößerung auf 24 cm

Kantenlänge (längere Kante) und der übliche 30 cm Betrachtungsabstand

angenommen. Diese Bildgröße entspricht in etwa auch der Darstellungsgröße auf

einem PC-Monitor, welcher Pixelgrößen zwischen 0,22 bis 0,26 mm aufweist. Die

Umrechnungsfaktoren der Objektive wurden auf die normale Brennweite von 50

mm KB bezogen. Optimale Schärfentiefebereiche von mehr als 5 cm für die

Wundfotografie sind in den Tabellen farbig hervorgehoben. Berechnung mit

Schärfetiefenrechner in Version 0.8.8 von Erik Krause (Kap. 3.1.1.1).

4.3.8.1 Profikamera

Tab. 4 Schärfentiefe und Abbildungsmaßstab einer Profikamera (Nikon D1X), hier mit KB äquivalenter Brennweite f = 50 mm und Umrechnungsfaktor 1,5, Seitenverhältnis des Sensorchip: 2:3, Betrachtungsabstand 30 cm, Zerstreuungskreisdurchmesser: 0,02 mm, eingerechneter Beugung und einer angenommenen Gegenstandsweite von 50 cm. Oberhalb von Blende f/26 tritt merklich eine Beugungsbegrenzung auf. Berechnet mit Schärfetiefenrechner in Version 0.8.8 von Erik Krause. Schärfentiefebereiche von mehr als 5 cm sind farbig hervorgehoben.

eingest. Weite.

f/1.4 f/2.0 f/2.8 f/4.0 f/5.6 f/8 f/11 f/16 f/22 Abb. Maßstab

25 cm 3,73 mm

3,88 mm

5,43 mm

7,71 mm

1,07 cm

1,49 cm

1.97 cm

2,5 cm

2,26 cm

1:6,5

50 cm 1,17 cm

1,68 cm

2,34 cm

3,33 cm

4,62 cm

6,44 cm

8,53 cm

11,37 cm

11,23 cm

1:14

75 cm 2,71 cm

3,87 cm

5,4 cm

7,67 cm

10,67 cm

14,91 cm

19,84 cm

26,65 cm

29,19 cm

1:21,5

1,0 m 4,87 cm

6,96 cm

9,72 cm

13,83 cm

19,27 cm

27,03 cm

36,2 cm

49,16 cm

54,11 cm

1:29

1,25 m 7,66 cm

10,96 cm

15,31 cm

21,82 cm

30,48 cm

43,67 cm

58,03 cm

80,01 cm

88,68 cm

1:36,5

1,5 m 15,86 22,18 cm

31,67 cm

44,39 cm

64,03 cm

85,93 cm

95,93 cm

1,21 m

1,35 m

1:44

38

4.3.8.2 Kompaktkamera

Tab. 5 Schärfentiefe und Abbildungsmaßstab für eine aktuelle Kompaktkamera hier Modell Canon PowerShot G Serie, bei Brennweite f = 16mm (entspricht f = 50 mm KB) und Umrechnungsfaktor 4.86. Seitenverhältnis des Sensorchip: 4:3, Betrachtungsabstand 30 cm, Zerstreuungskreisdurchmesser: 0,006 mm und eingerechneter Beugung sowie einer angenommenen Gegenstandsweite von 50 cm. Schärfentiefebereiche von mehr als 5 cm sind farbig hervorgehoben.

eingest. Weite

f/1.4 f/2.0 f/2.8 f/4.0 f/5.6 f/8 Abb. Maßstab

25 cm 3,78 cm 5,4 cm 7,24 cm 9,5 cm 1,15 cm Beugung 1:15

50 cm 1, 57cm 2,24 cm 3,0cm 3,94cm 4,75 cm Beugung 1:30

75 cm 3,56 cm 5,09 cm 6,83 cm 8,97 cm 10,83 cm 11,48 cm 1:45

1,0 m 6,37 cm 9,11 cm 12,22 cm 16,08 cm 19,43 cm 20,61 cm 1:62

1,25 m 10,0 cm 14,3 cm 19,2 cm 25,3 cm 30,6 cm 32,5 cm 1:77

1,5 m 14,4 cm 20,6 cm 27,8 cm 36,7 cm 44,5 cm 47,26 cm 1:93

4.3.8.3 Mobiltelefonkameras und PDA’s

Heutige Mobiltelefonkameras und PDA’s haben werkseitig noch ein Fixobjektiv

mit Brennweiten um f = 3,8 mm bis 4 mm, selten bis 6 mm. Bei einer

vorgegebenen Objektiveinstellung auf die hyperfokale Distanz von 1,9 m ist, bei

optimaler Blende von f/2,4 und dem für diese Abbildung berechneten

geometrischen Zerstreuungskreisdurchmesser von 0,002 mm, alles von 95 cm bis

unendlich scharf. Der Beugungskreisdurchmesser hat dann eine Ausdehnung von

0,0028 mm, ist dabei kleiner als die Größe eines Einzelpixels des 640 x 490

Punkte CMOS-Bildsensors. Lässt man daher einen maximalen geometrischen

Zerstreuungskreisdurchmesser von 0,0066 mm zu, so dass mindestens je ein

Bildsensor pro Farbe angesprochen wird, kann ein Schärfebereich für eine

Objektivapertur f/2,4 von 0,5 m beginnend bis unendlich erreicht werden.

Berechnungen zur Schärfentiefe und Abbildungsmaßstab ausgewählter VGA-

Mobiltelefonkameras siehe Tab. 6.

39

Tab. 6 Schärfentiefe und Abbildungsmaßstab typischer VGA-Mobiltelefonkameras, hier Modell Sony Ericsson P900 bzw. Vodafone PDA, bei kB äquivalenter Brennweite f = 50 mm und Umrechnungsfaktor 1,5. Das Seitenverhältnis des Sensorchips beträgt 3:2, der Betrachtungsabstand 30 cm, der Zerstreuungskreisdurchmesser 0,020 mm, sowie eingerechneter Beugung und einer angenommenen Gegenstandsweite von 50 cm. Oberhalb von Blende f/22 tritt merklich eine Beugungsbegrenzung auf. Berechnet mit Schärfentiefenrechner in Version 0.8.8 von Erik Krause. Schärfentiefebereiche von mehr als 5 cm sind farbig hervorgehoben.

Fest eingest. Weite

f/1.4 f/2.0 Abb. Maßstab

25 cm 2,02 cm 3,13 cm 1:15

50 cm 8,19 cm 11,78 cm 1:30

75 cm 18,63 cm 27,03 cm 1:194

1,0 m 33,55 cm 49,34 cm 1:259

1,25 m 53,29 cm 79,74 cm 1:324

1,5 m 178,28 cm 120 cm 1:389

4.4 Wundvermessung

Bei der Wundvermessung mit Linealen können unter bestimmten Vorraussetz-

ungen entsprechende Längenfehler bei der Ablesung auftreten, insbesondere gilt

dies für die Parallaxe.

4.4.1 Parallaxe

Unter der Parallaxe wird die scheinbare Änderung der Position eines beobachteten

Objektes durch eine Verschiebung der Position des Beobachters verstanden.

Erklärung: Die Parallaxe ist gleich dem Winkel, unter dem die Basislinie

zwischen den beiden Betrachtungsorten vom beobachteten Objekt aus erscheint.

Bei festem Winkel zwischen Basislinie und der Richtung zum Objekt ist die

Parallaxe umso größer, je näher das beobachtete Objekt und je länger die

Basislinie ist. Da der cos (60o) gleich 0,5 ist, beträgt der Messfehler bei einer

Schräglage des Maßstabes von 60 Grad zur Bildebene den Faktor 2. Das heißt, die

Strecke wird um die Hälfte verkürzt. Da der cos (25o) gleich 0,9 ist, beträgt der

Messfehler bei einer Schräglage des Maßstabes von 25 Grad zur Bildebene nur

10%. Bei kleinerer Winkelabweichung von bis zu 12 - 14 Grad liegt der

Längenfehler bei nur 3% [18].

4.5 Leuchtquellen

Jede technische Leuchtquelle besitzt eine endliche geometrische Ausdehnung. Im

Gegensatz zur technischen Optik, in der bevorzugt Punktstrahler (Glühfaden und

40

Lochblende) eingesetzt werden, wie etwa Scheinwerfer, Spektrometer, usw.,

kommen in der Fototechnik linienförmige Strahler (Leuchtstoffröhre, Blitzröhre)

und Flächenstrahler für eine gleichförmige Ausleuchtung des Motivs zum Einsatz.

An Flächenstrahlern finden Kombinationen von Reflektoren, Difusoren und

Linienquellen Gebrauch (z.B. Hintergrundbeleuchtung von TFT´s). Neuerdings

werden elektrodenlose Flächenstrahler mit Mikrowellenanregung (Philips) und

Halbleiterarrays (Osram) angewendet.

Als Leuchtquellen wurden bewusst solche gewählt, die in der täglichen Praxis und

Klinik sowie in Haushalten üblich eingesetzt werden. Dazu gehören die Lumilux

Leuchtstoffröhren von Osram: 830, 840 und 865 mit den Farbtemperaturspektren

von 3000 K, 4000 K und 6000 K. Zum Vergleich dienen handelsübliche

Glühlampen mit den Leistungen 60 Watt und 100 Watt jeweils mattiert, ebenfalls

der Marke Osram. Hierbei wurde berücksichtigt, dass solche Lampentypen in der

Praxis der Televisite sowie dem Einsatz der Fotodokumentation von Wunden im

operativen Bereich und Stationsalltag erwartungsgemäß überwiegend angewendet

werden. Es wurden außerdem die Empfehlungen des Lampenherstellers mit

einbezogen.

4.5.1 Glühlampe

Die Glühlampe besteht aus einem gasgefüllten Glas- oder Quarzkolben mit einem

Glühwendel oder Glühdraht, heute Wolframdraht (aufgrund höherer thermischer

Stabilität und Lichtausbeute), der zwischen zwei Stromzuführungselektroden

gehalten wird. Dieser wird durch Widerstandserwärmung, jeder Körper strahlt

oberhalb von 525˚ C Licht ab, mit elektrischem Strom zum Glühen gebracht

(2000 bis 3000 Grad Celsius). Lediglich 5 bis 10% der Energie wird in sichtbares

Licht (Warmweiß) umgewandelt (Abb. 13). Die Lichtausbeute beträgt 5 bis 15

Lumen/Watt.

41

Abb.: 13. Darstellung des Farbverteilungsspektrum der Osram Glühlampentypen [21].

4.5.2 Leuchtstofflampen

Bei Leuchtstofflampen handelt es sich um Niederdruck Gasentladungslampen, bei

denen die im Entladungsraum erzeugte, für das humane Auge unsichtbare UV-

Strahlung mit Hilfe von Leuchtstoffen (Phosphorbeschichtung der Innenseite der

Glasröhre, Abb. 14) in sichtbare Strahlung umgewandelt wird.

Abb.: 14. Schematischer Aufbau einer Leuchtstoffröhre [29].

Die Lebensdauer der Kathode begrenzt die Anwendungsdauer der

Leuchtstofflampe (10.000 h bis 15.000 h). Die Lichtausbeute beträgt 65 bis 95

Lumen/Watt. Die Lichtfarbwiedergabe ist verschieden (warmweiß, kühlweiß,

tageslichtweiß) [32].

42

Abb.: 15. Darstellung des Farbverteilungsspektrums der Leuchtstoffröhre Osram Lumilux 830 Warmwhite [22].

Abb.: 16. Darstellung der Verteilung des Farbspektrums der Leuchtstoffröhre Osram Lumilux 840 Coolwhite [23].

Abb.: 17. Darstellung des Farbverteilungsspektrums der Osram Lumilux 865 Daylight Leuchtstoffröhre [24].

4.5.3 Tageslicht

Das in unserer Umwelt vorkommende Licht besteht aus einer Mischung von

unterschiedlichen Wellenlängen des Lichtes der Sonne. Die Normlichtart D65

43

besitzt eine Strahlungsverteilung bei einer Farbtemperatur von 6500 K (D:

Daylight; Oberflächentemperatur der Sonne: T = 6504 K).

4.5.4 Blitz

Viele Kompaktkameras sind heutzutage mit einem eingebauten Computerblitz

ausgestattet. Die Entwicklung der ersten geregelten Elektronenblitzgeräte wurde

fast gleichzeitig in den 60er Jahren von den Firmen Honeywell und Rollei

vorgestellt. Computerblitze messen im Zusammenspiel mit der Kamera

zonenweise das vom Motiv reflektierte Licht durch das Objektiv, schalten den

Entladungsstrom beim Erreichen einer eingestellten Schwelle ab und steuern so

die Leuchtdauer des Blitzes. Die Belichtungsautomatik versucht die Belichtung so

einzustellen, dass die Aufnahme korrekt belichtet ist.

Während die Blitzzeiten bei ungeregelten Elektronenblitzgeräten um 1 ms liegen,

kann mit heutigen Thyristoren eine Abschaltung des Blitzes unter 20 µs erreicht

werden. Erst dies ermöglicht eine genauere Steuerung der Lichtmenge während

des Blitzvorganges. Die Maßzahl für die Lichtleistung eines

Elektronenblitzgerätes ist die Leitzahl. Sie ist das Produkt aus dem Abstand

zwischen Blitz und Motiv in Metern und der Blendenzahl des Objektivs.

Außerdem bezieht sie sich häufig auf die Filmempfindlichkeit ISO 100/21 und

Blendenzahl 1:1. Dieser Bezug ist jedoch nicht standardisiert. Die Helligkeit des

Blitzlichtes nimmt mit dem Quadrat des Motivabstandes ab.

Neben dem Einsatz als Hauptlichtquelle eignen sich Blitze als zusätzliche

Lichtquelle zum Aufhellen starker Kontraste und Schatten. Werden schattige

Teile des Motivs nur etwas erhellt, bleibt der Bildeindruck weiterhin plastisch.

Viele moderne Digitalkameras erkennen solche Situationen bereits im Automatik-

Modus und blitzen abhängig von den umgebenden Lichtverhältnissen. Die

Farbtemperatur von Elektronenblitzlicht ist der des Tageslichtes angepasst und

liegt um 6000 K. Extrem kurze Blitzzeiten führen zu einer Farbverschiebung ins

Bläuliche.

Sowohl beim Einsatz von Blitzlicht im Nahbereich (ca. 0,2 m bis 1 m) wie auch

bei Weitwinkelaufnahmen liefern Blitzdifusoren (Streuscheibe, Reflexschirm,

Softbox, etc.) homogeneres Licht. Zusätzlich reduzieren sie auch die abgegebene

Lichtleistung und ermöglichen eine bessere Regelung durch die

44

Belichtungsautomatik der Kamera. Im Makrobereich ist man fast immer auf

spezielle Kaltlichtquellen (Faseroptik) oder Ringblitzgeräte angewiesen.

Gegenüber dem Objektiv erzeugen asymmetrisch integrierte Computerblitze in

Kompaktkameras bei 3-D Motiven Schatten, welche erst einen plastischen

Eindruck vermitteln [44].

4.5.5 Reflexion und Streuung von Lichtstrahlen an Haut und

Hintergrund

In der optischen Wahrnehmung ist bei der Wechselwirkung von Licht mit nicht

idealisierten Oberflächen die Remission, Reflexion und Transmission des

Strahlenganges von Bedeutung. Erst durch die Streuung des Lichtes wird die

Betrachtung des Objektes aus unterschiedlichen Blickwinkeln möglich. Die

Dermis (Abb. 18) weist die Besonderheit der reflektierenden Schicht durch

Transparenz der obersten Hautanteile für bestimmte Wellenlängenbereiche (etwa

die Anwendung von Infrarotspektren in der Pulsoxymetrie) auf.

Material und Farbe des Hintergrundes, wie auch die Position und Abstrahlung der

Lichtquelle haben Einfluss auf die Farbwiedergabe des Objektes im Bild (Abb.

19). Es zeigte sich, dass stark absorbierende Hintergrundflächen (z.B. Schwarz)

den wenigsten Einfluss auf die Farbwiedergabe des Objektes haben. Da diese,

durch Beeinflussung der Kantenübergänge vom Objekt zum Hintergrund, die

Messkriterien der Autofokusfunktion übervorteilen, sind farbneutrale

Hintergründe vorteilhafter. Anforderungen an einen solchen Hintergrund sind eine

in allen Raumrichtungen homogen streuende, nicht periodische Oberfläche und

eine Reflektivität von unter 20% (z.B. Graukarten).

45

Abb.: 18. Schematische Darstellung eines Querschnittes durch die Dermis des Menschen. Von Interesse ist die inhomogene Oberfläche. Das Lot (Blau) zeigt an jeder Stelle eine unterschiedliche Neigung. Daraus folgt: Unter Beachtung des Reflexionsgesetzes werden alle einfallenden Strahlen des Lichtes (Rot) in alle möglichen Richtungen gestreut, z.T. erst nach mehreren Reflexionen.

Abb.: 19. Reflexion an der Oberfläche: Es ist zu beachten, dass neben dem Objekt der Hintergrund Reflexion bietet. Durch das Optische System bildet sich ein Teil der diffus zurückgestreuten Lichtstrahlung auf den gleichen Bildpunkt ab [156].

4.6 Farbtemperatur

Die Temperaturstrahlung eines Stoffes hängt ausschließlich von seiner

Temperatur ab, wenn dieser alle auf ihn fallende Strahlung absorbiert. Ein Licht,

das von einem „ideal schwarzen” Körper bei Erhitzen auf eine bestimmte

Temperatur durch ihn selbst ausgestrahlt wird, bezeichnet die Farbtemperatur.

46

Diese wird angegeben in K (Kelvin), bezogen auf den physikalisch absoluten

Nullpunkt (-273°C). Die Beschreibung der Lichtquelle erfolgt anhand des

Planck´schen Strahlers (Abb. 20).

Abb.: 20. Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau eines Planck´schen Strahlers [114].

Der schwarze Körper stellt einen idealen Körper dar, der im technischen Sinne

aus einem von innen geschwärzten Hohlkörper mit einer kleinen Öffnung besteht.

Bei dessen Erhitzen tritt aus der Öffnung eine Strahlung in Form von Licht mit

einem bestimmten Farbanteil aus, sich ändernd mit der Temperatur des Körpers.

Von allen Temperaturstrahlern besitzt dieser das höchste Emissionsvermögen, mit

einem von Temperatur und Wellenlänge unabhängigen spektralen

Emissionskoeffizienten gleich 1. In der Realität hingegen wird von dem

sogenannten grauen Körper Gebrauch gemacht: Das ist ein aus Titan bestehender

Körper, der die auf seine Oberfläche auftreffende Strahlung nicht vollständig

absorbiert und dementsprechend auch nicht die maximale Strahlung bei einer

gegebenen Temperatur emittieren kann. Er stellt eine Näherung dar, dessen

Absorptionskoeffizient ε zwischen 0 und der für den „idealen Körper“ geforderten

1 liegt und damit je nach Glühtemperatur eine Grauwertstufe annimmt. Das

Plancksche Strahlungsgesetz definiert die Strahlung des idealen schwarzen

Körpers mit:

Mit zunehmender Temperatur des schwarzen Körpers nimmt bei kürzeren

Wellenlängen die relative Intensität zu. Strahlung im Infrarotbereich wird von

einem niedrig temperierten Medium (kalten Körper) emittiert. Mit höherer

Temperatur fällt ein zunehmender Anteil der Strahlung in den UV-Bereich des

sichtbaren Lichtes (Abb. 21). Die Farbtemperatur von 3000 Kelvin steht für eine

warme rötliche Lichtfarbe, die Farbtemperatur von 6000 K für eine kalte,

tageslichtähnliche Farbe (Abb. 22).

47

Abb.: 21. Die Abbildung zeigt die Beziehung zwischen Farbtemperatur und Wellenlänge mit Verschiebung in den sichtbaren und UV-Anteil bei Zunahme der Farbtemperatur [25].

Ebenso unterliegen thermische Strahler (z.B. Glühlampen als graue Strahler) dem

Planckschen Strahlungsgesetz. Linienstrahler sind Lichtquellen, die nur Licht

bestimmter Wellenlängenbereiche emittieren. Spektrallampen (Gasentladungen)

strahlen ein charakteristisches Spektrum ihres Entladungsgases (H, D, He, Ne, Kr,

Ar, etc.) aus. Am bekanntesten ist die Natriumdampflampe der

Straßenbeleuchtung, die ihr monochromatisches, gelbes Licht aus einer darin

stattfindenden Gasentladung gewinnt. Die Wellenlänge dieses ausgestrahlten

Lichtes beträgt 589,0 nm bis 589,6 nm. Auch LED´s und Laserdioden sind

Linienstrahler mit einem engen Frequenzbereich. Zur Erzeugung weiß leuchtender

LED´s können mehrere solcher Dioden in einem bestimmten Mischungsverhältnis

gekoppelt werden, oder blau leuchtende LED´s mit einer internen Leuchtschicht

versehen werden, die einen Teil des blauen Lichtes in gelbes Licht umwandeln,

um so alle Spektralanteile zu erzeugen, die für weißes Licht erforderlich sind.

48

Abb.: 22. Einordnung einzelner Farbtemperaturen (Kelvin) innerhalb des CIE Lab.

4.6.1 Normlichtarten

Künstliche Lichtquellen (Glühlampe, Leuchtstoffröhren, Blitzlicht) zeigen als

Wärmestrahler eine ähnliche Strahlungsverteilung wie der Plancksche Strahler.

Der Normlichtart A ordnet man die Temperatur T = 2856 K zu (künstliche

Glühlampenbeleuchtung). Dem mittleren Tageslicht unter Ausschluss des UV-

Bereiches entspricht die Normlichtart C mit einer Farbtemperatur von T = 6774

K. Diese Art von Licht wird empfohlen für die Beurteilung von Objekten unter

modifizierten Bedingungen des Tageslichtes, etwa hinter Glasscheiben. Die

Normlichtart D65 bezeichnet die Strahlungsverteilung bei einer Farbtemperatur

von 6500 K (D: Daylight; Oberflächentemperatur der Sonne: T = 6504 K), als

internationale Norm, der das mittlere Tageslicht zugrunde liegt (Abb. 23). Diese

Variante des Tageslichtes beinhaltet die UV-Anteile und ist daher empfehlenswert

zur Objektbeurteilung unter reinen Tageslichtbedingungen. Die Beurteilung von

Bildverarbeitungsresultaten und von Farbvorlagen ist bei dem mittleren Tageslicht

entsprechender Beleuchtung als günstig einzustufen. Andere Strahler können eine

Farbe erzielen, die der des Planckschen Strahlers bei einer bestimmten

Temperatur gleicht. Damit kann man die Farbe dieses technischen Strahlers durch

die Temperatur des Planckschen Strahlers beschreiben, bei der dieser farbgleich

zu dem technischen Strahler erscheint: Die Angabe der Farbtemperatur bei

Leuchtstoffröhren entspricht nicht der eigentlichen Temperatur, sondern entsteht

durch Überlagerung des kontinuierlichen Spektrums und des Linienspektrums von

Quecksilber. Verwiesen sei auf diejenigen Lichtarten, die sogenanntes Kaltweiß

ausstrahlen, da diese wichtig für Farb- und Lichtmessungen sind. Hierbei handelt

es sich um Lichtquellen mit hohem spektralem Blauanteil, etwa natürliche

49

(Sterne, Sonne, etc.) mit Farbtemperaturen von > 5600 Kelvin, oder künstliche

(Entladungslampen, Bogenlampen z.B. Leuchtstoffröhre, Energiesparlampe, etc.)

[137].

(Sl)

(λ)

Abb.: 23. Darstellung der relativen spektralen Strahlungsverteilung (Sl), Strahlungsleistung (Watt) in Abhängigkeit von der Wellenlänge (λ). Die gelbe (kontinuierlich steigende) Kurve in obiger Grafik entspricht der Normlichtart A, die weiße (zackige) Kurve der Normlichtart D65 [120].

4.6.2 Farbkontrast und subjektive Wahrnehmung der Farben

Für die Farbgestaltung kann nur auf Erfahrungen zurückgegriffen werden. Diese

zeigen, dass zwischen bestimmten Farben große Kontraste bestehen. Die

menschliche Wahrnehmung orientiert sich vorzugsweise an einer kreisförmigen

Anordnung der Farben. Sehr bekannt sind der auf Beobachtungen beruhende

Farbkreis nach Isaak Newton (1643-1727) sowie die vier Graßmannschen Gesetze

[54] (Herrmann Günther Graßmann 1809-1877) zur Beschreibung von

Farbmischungen (Abb. 24). Bei der Additiven Farbmischung stehen sich die

Komplementärfarben im Farbkreis stets genau gegenüber. Nahe nebeneinander

angeordnete Farben weisen einen geringen Farbkontrast auf. Auch werden Farben

unterschiedlich hell wahrgenommen (Gelb wirkt heller als Blau). Manche Farben

50

erscheinen den meisten Menschen besonders harmonisch, andere wiederum

disharmonieren.

Abb.: 24. A: Newton’s Farbkreis (1704) mit den „künstlichen“ Farben magenta (M) und red-violet (rv). B: Farbkreis der Additiven Farbmischung mit Komplementärfarben, z.B. Gelb und Blau. Grundfarben bilden die Eckpunkte eines Dreiecks; Dreifarben Theorie erstmals 1801 von Thomas Young. Die warm-kalt Zuordnung erstmals von Charles Hayter 1813 [106].

Die bekannten Wirkungen von Farbe, Helligkeit und Kontrast als gestalterisches

Mittel der Malerei finden heutzutage auch in den digitalen Bereichen unter ergo-

nomischen Aspekten Verwendung, in denen gezielt die Verwendung bestimmter

Symbole oder Abläufe hervorgehoben werden soll. Der wohlüberlegte und ge-

zielte Einsatz von Helligkeitsunterschieden (Kontrast, von lateinisch contra "ge-

gen" und stare "stehen") wie Hell-Dunkel-, Kalt-Warm-, Komplementärkontrast

könnte die Erfassung von Bedieneroberflächen erheblich erleichtern. Die kulturell

unterschiedlichen psychologischen Farbwirkungen sollten hierbei Berücksichti-

gung finden [75, 113, 115].

4.6.3 Sehstörungen

Farbblindheit: Bei Farbenblinden sind eine oder mehrere Funktionen der

Photorezeptoren des Auges in ihrer Funktionsweise gestört (Tab. 7). Die

Häufigkeitsverteilung beläuft sich auf etwa 8% aller Männer bei sehr viel

seltenerem Frauenanteil. Das Vermögen der Farbunterscheidung ist bei diesem

Personenkreis geringer, insbesondere bzgl. der Farben Rot und Grün [61].

kalt

warm B A

51

Tab. 7 Häufigkeitsverteilung der Farbsehschwächen in der Bevölkerung [28, 86]:

Männer Frauen

Deuteromalie 5% 0,25%

Protanomalie 1% 0,01%

Deuteranopie 1% 0,01%

Protanopie 1% 0,01%

Weitere Sehstörungen sollen außer Acht gelassen werden, da keiner der

Probanden eine Farbsehschwäche sowie Fehlsichtigkeit aufgewiesen hat.

4.7 Farbraum

Die Retina des menschlichen Auges enthält sowohl Stäbchen (ca. 120 Mio.) für

die Farbwahrnehmung im roten, grünen und blauen Spektralbereich (419 nm: rot,

531 nm: grün, 558 nm: blau), als auch Zapfen (ca. 6 Mio.) für die

Helligkeitswahrnehmung mit einer maximalen Empfindlichkeit bei 550 nm (gelb-

grün). In diesem Spektralbereich bewegt sich die Tagessicht (Abb. 25). Die

Kombination der spektralen RGB-Verteilung ist eine Variante, Farben

auszudrücken. Für das Nachtsehen reagieren Rezeptoren des menschlichen Auges

mit höchster Empfindlichkeit im blauen Bereich. Es sei erwähnt, dass das

menschliche Auge nur etwa 40 Graustufen unterscheiden kann, wobei Übergänge,

die weit unter 1/40 dieses Wertebereiches liegen, über Kantendetektion in der

Retina erkannt werden können. Bis etwa 1100 nm im infraroten Bereich (IR) ist

der Mensch in der Lage, bei sehr starken Lichtquellen zu sehen. Das helladaptierte

menschliche Auge ist mit seiner spektralen Empfindlichkeit in DIN 5031 für

einen „Normalbetrachter“ tabelliert. Nach der Theorie von Young-Helmholtz ist

der Farbraum dreidimensional eindeutig beschrieben (trichromatisches System).

52

Abb.: 25. Darstellung der spektralen Farbverteilungskurven der Grundfarben nach CIE1931 Standard, mit den spektralen Bändern: Blau als „Violettblau“ (380 bis 490 nm), Grün als „Laubgrün“ (490 bis 590 nm), Rot als „Orangerot“ (590 bis 720 nm). Die Elementarfarben, als subjektiv „reine Farben“ empfunden, sind “Elementargelb” (ca. 574 nm), “Elementargrün” (ca. 503 nm) und “Elementarblau” (ca. 475 nm), sowie “Elementarrot” als eine Mischung aus der Wellenlänge 400 nm und 700 nm [119].

In einer Digitalkamera geschieht die ortsaufgelöste Messung der Lichtstärke mit

einem CCD- oder CMOS-Chip, bestehend aus einer Matrix lichtempfindlicher

Einzelpixel mit einer Kantenlänge von 5 bis 20 µm. Für Farbaufnahmen werden

benachbarte Pixel alternierend mit Farbfiltern Rot, Grün und Blau versehen

(Bayer-Matrix). Da das menschliche Auge für Grüntöne empfindlicher ist, werden

50% grüne Sensorpixel prozessiert. Hierdurch verringert sich allerdings die

effektive Auflösung [139].

Abb.: 26. Additiver Farbenkreis [36].

Da innerhalb einer Computergrafik die gesamten Farbnuancen durch Mischen von

Grundfarben entstehen, wird unterschieden zwischen additiver und subtraktiver

Farbmischung [118]. Bei ersterer werden beleuchtete Lichtquellen verschiedener

Farben überlagert (Abb. 26). Mit einem VGA-Chip mit 640 x 480 Pixeln erhält

53

man maximal 380 x 260 Bildpunkte mit Farbinformationen (RGB-Farbmodell).

Für digitale Bilddaten eignet sich daher das Additive-RGB-Farbraumsystem. In

diesem 3-achsigen RGB-Koordinatensystem wird jede Farbe durch den jeweiligen

Rot-, Grün- und Blauanteil beschrieben. Weit verbreitet ist die sogenannte 24-Bit-

True-Color Darstellung, bei der je 256 diskrete Abstufungen zugeordnet werden

(0 für die geringste, 255 für die höchste Intensität).

Die ersten reinen Mischfarben der Primärfarben des additiven Modells (im

Verhältnis 1:1) werden Sekundärfarben (Komplementärfarben) genannt: Cyan

(Cyanblau), Magenta (Magentarot) und Yellow (Optimalgelb). Hinzu kommen

Schwarz und Weiß. Alle folgenden Mischfarben werden als Tertiärfarben

bezeichnet. Das menschliche Auge ist in der Lage, über die Mischung der

Farbreize ca. 5 Millionen Farbnuancen zu unterscheiden. Dies ist damit zwar

weitaus höher im Vergleich zu der reduzierten 256 Farbpalettendarstellung,

allerdings doch verhältnismäßig geringer zu dem theoretischen Wert von 16,7

Millionen Farben im Truecolor-Bild. Um einen Farbraum zu erhalten, in dem

gleiche geometrische Abstände gleichen empfindungsgemäßen Abständen

entsprechen, wurde der CIE-Lab eingeführt, welcher in RGB transformiert

werden kann. In diesem Farbraum sind die MacAdam-Ellipsen annähernd

gleichgroße Kugeln. Als Farbabstand wird der empfindungsgemäße Abstand

zwischen zwei Farborten bezeichnet. Die DIN 53230 gibt eine relative

Bewertungsskala an: Für 1 < ∆E < 2 treten nur sehr geringe, in der Regel nur von

einem geschulten Auge erkennbare Abweichungen auf. Angewandt auf den RGB-

Raum benötigt man somit maximal 160.000 Einzelfarben pro Wundbild.

Abb.: 27. Prinzip der subtraktiven Farbmischung [15].

Die Bestimmung der Farbe als dreidimensionale Größe ist durch das 1.

Graßmannsche Gesetz berechenbar, die Beziehung der Farbvalenz (Vektoren des

Farbraumes) zum Farbempfinden durch das zweite dieser Gesetze beschrieben.

Der Bereich, alle durch Farbmischung der Primärvalenzen darstellbaren Farben

54

einschließend, ist der sogenannte Farb-Gamut. Bei dem Modell der subtraktiven

Farbmischung spielen Absorption und Reflexion von Licht eine Rolle.

Körperfarben senden selber kein Licht aus. Allerdings reflektieren sie, ausgehend

von weißem Licht durch Entziehen von Farben, Licht von einer Lichtquelle (Abb.

27). Farbe ist für den betrachtenden Menschen nach dem ersten Graßmannschen

Gesetz eine dreidimensionale Größe. Hiernach ist es möglich, mit lediglich drei

unabhängigen Farbtönen durch innere oder äußere Farbmischung jede beliebige

andere Farbe darzustellen. Folglich sind Farbtöne dann voneinander unabhängig,

wenn keine Mischung von jeweils zwei dieser Valenzen die dritte ergibt.

4.7.1 CIE-Farbraum

Abb.: 28. Darstellung des xyY-Systems [82, 161]. Das farbige Feld steht symbolisch für alle für das menschliche Auge sichtbaren Farben. (CIE-Normvalenzsystem nach Rösch). Ausschnitt A: Die graue Linie kennzeichnet symbolisch den CMYK-Farbraum, die schwarze den RGB-Farbraum, welche sich innerhalb des parabelförmigen xyY-Farbraumes befinden.

A

55

Eine Farbe wird eindeutig definiert anhand dreier Normfarbwerte (XYZ)

zusammen mit dem Beobachterwinkel. Die CIE (Commission Internationale de

L'Eclairage) führte hierzu im Jahre 1931 eine Testreihe zur Definition des

sogenannten "2-Grad-Normalbeobachters" durch. Als Vorlage diente eine

Farbfläche, die mit einem Blickwinkel von 2 Grad gesehen wurde. Durch einen

weiteren Test im Jahre 1964, mit geändertem Blickwinkel von 10 Grad und einer

entsprechend größeren Farbfläche, entstand die Definition des "10-Grad-

Normalbeobachters". Somit entstand aus dem durchschnittlichen Farbempfinden

vieler Testpersonen ein "Normalbeobachter" als Grundlage für die Farbmetrik und

letztlich das geräteunabhängige CIE-XYZ-Farbmodell mit dem 2°- und 10°-

Normalbeobachter. Es wurde eine Norm festgelegt anhand der

Normspektralwertfunktionen, die wiederum besagt, wie die Zäpfchen eines

durchschnittlichen Menschen auf (RGB-) Farbreize reagieren (Abb. 28) [49, 136,

164].

4.7.2 RGB-Farbraum

Die Bezeichnung RGB steht für ein additives Farbmodell, bei dem die

Grundfarben Rot, Grün und Blau (englisch Red, Green, Blue) zu Weiß addiert

werden (Lichtmischung). Demnach wird eine Farbe durch drei Werte des Rot-,

Grün- und Blauanteils beschrieben. Hierbei können die Farbanteile zwischen 0%

und 100% variieren. Die Form des RGB-Farbraumes ist die eines Würfels, an

dessen Ecken die genannten Primärvalenzen Rot, Grün und Blau festgelegt sind,

bezeichnend virtuelle Primärvalenzen mit den Angaben X, Y, und Z (Abb. 29).

Abb.: 29. Dreidimensionale RGB-Farbraumwürfel als lineare Abbildung [83].

56

Die Umrechnung der RGB-Werte in die XYZ-Werte findet dabei nach folgenden

Gleichungen statt:

X = + 2,36460 R - 0,51515 G + 0,00520 B

Y = - 0,89653 R + 1,42640 G - 0,01441 B

Z = - 0,46807 R + 0,08875 G + 1,00921 B

Mit:

X: virtuelles Rot,

Y: virtuelles Grün

Z: virtuelles Blau

Die True Color Darstellung der Grafikkarten (seit Mitte der 90er Jahre) erfolgt mit

einem Farbanteil (jeweils ein Byte = Wertebereich jeder 0 bis 255 Farben) mit

256 * 256 * 256 = 16.777.216 unterschiedlichen Farben. Zu beachten sei, dass der

Nutzungsbereich des RGB-Farbraumes von digitalen Bilddaten sich lediglich auf

die Darstellung am Bildschirm beschränkt. Für den professionellen Druck (z. B.

Offsetdruck, Siebdruck, Digitaldruck) hingegen müssen die Bilddaten im CMYK-

Farbmodell dargestellt werden [143].

4.7.3 CIE-Lab-Farbraum

Eine Weiterentwicklung des CIE-Farbraumes stellt das CIE-Lab-Farbsystem

(Abb. 30) von 1976 dar. Es basiert auf dem Lab-Farbraum mit Berücksichtigung

der drei Farbwerte L* (Helligkeit: 0 = Schwarz, 100 = Weiß), a* (Rot-Grün-

Achse), b* (Gelb-Blau-Achse).

Abb.: 30. Schematische Darstellung des CIE-Lab-Farbraummodells [140].

57

Es ist das bedeutendste, näherungsweise visuell gleichabständige Farbsystem, mit

zahlenmäßig annähernd gleich großen visuellen Farbabständen in den einzelnen

Farbnuancen. Hier werden gleiche Differenzen bei verschiedenen Farbtönen als

empfindungsgemäß in etwa gleich beurteilt. Die CIE-Normfarbtafel wurde

verzerrt, um zu einem Farbraum zu gelangen, innerhalb dessen gleiche

geometrische Abstände den gleichen empfindungsgemäßen Abständen

entsprechen.

Aus der mathematischen Transformation wurden die Farbräume CIE-Luv

(Anwendung bei der Lichtfarbenbewertung von Scannern und Monitoren) und

CIE-Lab (Nutzung zur Bewertung von Körperfarben) abgeleitet und die

unterschiedlich großen MacAdam-Ellipsen in annähernd gleichgroße Kugeln

umgewandelt. Schließlich entsprechen die geometrischen Abstände annähernd

den empfindungsgemäßen Abständen. Der Vorteil gegenüber dem reinen XYZ-

Farbmaßsystem liegt in der Anlehnung an die physiologischen Eigenschaften der

menschlichen Wahrnehmung ohne schwerpunkthafte Orientierung an den

physikalischen Messgrößen. Innerhalb des XYZ-Systems werden die Abstände

mit zunehmender Buntheit geometrisch größer als der vom Auge

wahrgenommene Unterschied. Im Gegensatz hierzu entsprechen den visuell

wahrgenommenen Abständen die geometrisch berechenbaren Abstände zweier

Farborte im Lab-System.

Neben der visuellen Gleichabständigkeit liegen weitere Vorteile in der Buntheit

(statt der Sättigung) und der Helligkeit (statt der Remission). Die Bestimmung

eines Farbpunktes kann anhand der Farbachsen vorgenommen werden:

• -a* - +a* = Grün - Rot

• -b* - +b* = Blau - Gelb

• L* = Helligkeit (0 = Schwarz, 100 = Weiß)

Zur eindeutigen Zuordnung des Farbortes dienen die drei Kenngrößen:

• Farbton H* (Hue), als Richtung vom Unbuntpunkt (Winkel),

• Sättigung C* (Chroma), als Entfernung vom Unbuntpunkt,

• Helligkeit L* (Luminanz), als Ebene im Farbkörper.

58

Der Farbabstand (∆E) zweier Farborte im CIE-L*a*b*-System berechnet sich

nach DIN 6174 wie folgt:

Der Farbabstand (Maßeinheit E) definiert sich als empfindungsgemäßer Abstand

zwischen zwei Farborten. Die DIN 53230 gibt eine relative Bewertungsskala

(Tab. 8) für visuelle Abmusterung an.

Tab. 8 Farbunterschied ∆E, Beurteilung nach DIN 53230.

∆ELab zw. 0 und 1 Normalerweise nicht sichtbare Abweichung.

∆ELab zw. 1 und 2 Sehr geringe, in der Regel nur von einem geschulten Auge erkennbare Abweichung.

∆ELab zw. 2 und 3,5 Mittlere Abweichung. Auch bereits von einem ungeschulten Auge erkennbar.

∆ELab zw. 3,5 und 5 Deutliche Abweichung.

∆ELab über 5 Starke Abweichung.

4.7.4 Farbraumtransformationen

Die Umrechnung vom CIE-Lab- in den RGB-Farbraum, bezogen auf heutige

Monitore, lautet wie folgt: In Abhängigkeit von L, a und b findet man Werte von

den Primärvalenzen X, Y und Z:

Für Xn, Yn und Zn setzt man folgende Werte ein (D65-Norm):

59

Die RGB-Werte erhält man schließlich durch Lösen der folgenden Matrizen-

Gleichung:

Von dem Ergebnis muss noch eine Potenz berechnet werden, wobei man für den

Exponenten eine Gamma-Helligkeitskorrektur einsetzt. Für die meisten Monitore

gilt: Gamma = 0.5. Zum Schluss müssen die Werte mit 255 multipliziert werden,

um die RGB-Werte zu erhalten.

4.7.5 Farbabstand

Der Amerikaner MacAdam untersuchte in zahlreichen Tests das Phänomen, das

bei CIE-Normfarbtafeln auftritt, dass zahlenmäßig gleich große Farbabstände

(∆E) bei unterschiedlichen Farbtönen (Bunttönen) vom Menschen nicht als gleich

groß empfunden werden. Nach ihm sind die so genannten MacAdam-Ellipsen

benannt, die Farbbereiche definieren, bei denen visuell kein Farbunterschied zu

erkennen ist (Abb. 31).

Abb.: 31. Darstellung der MacAdam-Ellipsen innerhalb der CIE-Normfarbtafel [99].

60

Der Farbabstand ∆E errechnet sich aus den Koordinaten von zwei Farborten.

4.7.6 Farbprofile und ICC-Farbmanagement

Die Farbwiedergabeeigenschaften eines Scanners, Druckers oder Monitors

werden durch das Farbprofil beschrieben. Somit sind darin alle Farben enthalten,

die ein Drucker oder Monitor wiederzugeben in der Lage ist. Die Gesamtheit der

Farben des jeweiligen Gerätes wird als Farbraum oder Gamut bezeichnet. Das

International Color Consortium (ICC) [30] ist eine Vereinigung, die Mitte der

neunziger Jahre einen ICC-Standard für Farbprofile festgelegt hat, der bis heute

im Farbmanagement etabliert ist. Ein Vorteil besteht in der

plattformübergreifenden Einsetzbarkeit sowohl auf dem Mac (ColorSync-Profile)

wie auch auf dem PC (ICM 2.0). Die Farbprofile und der Farbrechner (CMM), die

Farbtransformationen übernehmen, sind feste Bestandteile dieses Systems (Abb.

32). In den erstgenannten sind Matrizen oder Tabellen (Look-Up-Table, LUT) zur

Umrechnung der gerätespezifischen Farbräume (RGB bei Monitoren und

Scannern oder CMYK bei Druckern) in einem geräteunabhängigen Farbraum

vereint. Angemerkt sei, dass die meisten Anwendungen aus DTP und

Bildbearbeitung mittlerweile das Farbmanagement mit ICC-Profilen unterstützen.

Wie eigene Tests mit einem Toshiba Notebook (16 Bit shared memory

Grafikkarte) eröffneten, liegt die Mindestanforderung an die Grafikkarte bzgl. der

Farbprofilierung höher als 16 Bit. Somit ergaben unsere Tests, dass

Voraussetzungen für die Einbindung des ICC-Farbprofiles an die Grafikkarte

mindestens 24 Bit True Color und ein Grafikship mit look up table darstellen. ICC

wird sowohl von Windows ab 2000 und Linux ab Suse 9.0 unterstützt [154].

61

Abb.: 32. Die Darstellung skizziert den Einbindungsprozeß des ICC-Farbmanagements von der Eingabe bis zur Ausgabe. In der Grafikkarte sollte das Ablegen von ICC-Farbprofilen möglich sein [68].

4.8 Kompressionsverfahren

4.8.1 Motivation

Den weitaus größten Anteil an der gesamten Datenmenge einer Televisitesitzung

belegen die Bildübertragungen, gefolgt von den Audioaufzeichnungen. Um die

Übertragungszeit und Übertragungskosten über mobile Telefonnetzwerke (GSM,

GPRS, UMTS, etc.) in akzeptablen Grenzen zu halten, ist man auf

Kompressionsverfahren angewiesen.

4.8.2 Stand der Technik

Fast alle Digitalkameras liefern bereits ihre Bilddaten im JPEG-Format, manche

unterstützen zudem auch ein herstellerspezifisches verlustloses RAW-Format. Die

Kunst in der Parameterwahl verlustbehafteter Kompressionsverfahren besteht nun

darin, den Informationsverlust unmerklich oder aufgrund der physiologischen

Wahrnehmung erträglich zu halten, so dass kleine Änderungen im Bild nicht

wahrgenommen werden. In welchem Maß und ab welchem Kompressionsfaktor

Artefakte, Bildänderungen und Farbraumtransformationen die medizinische

62

Interpretation von Wundbildern beeinflussen, kann letztendlich nur die tägliche

Praxis beantworten [126, 129].

4.8.3 Fast-Fourier-Transformation (FFT)

Im Falle der Fourier-Analyse wird eine Funktion in Teile von Sinus-Wellen

zerlegt, die mit dem Fourier-Koeffizienten multipliziert und aufsummiert wieder

das originale Signal erzeugen. Bei diesem Vorgang werden die Informationen aus

dem Zeit- in den Frequenzbereich umgewandelt. Die so erzeugten Daten bilden

eine äquivalente Darstellung des Originalsignals [144].

4.8.4 JPEG

Das in Webapplikationen weit verbreitete Bildformat JPEG wurde 1992 durch die

Joint Photographic Experts Group, ein Gremium der ITU, sowohl zur

verlustbehafteten wie verlustlosen Kompression von digitalen Bildern

standardisiert, [ITU T.81] und [ISO 10918-1] [89, 90]. Die Bildkompression

selbst erfolgt durch die Hintereinanderschaltung mehrerer einzelner optimierter

Prozessschritte wie Transformation des Farbraumes (z.B. RGB in YUV), [IEC

601], Tiefpassfilterung, Unterabtastung, 8 x 8 Blockbildung, orthonormale

diskrete zweidimensionale Kosinustransformation, Quantisierung, Umsortierung

(große Koeffizienten zuerst) und schließlich Huffman-Kodierung. Das

mathematische Verfahren der diskreten Cosinus-Transformation (engl.

Abkürzung: DCT), einer Tiefpassfilterung zur Redundanzreduktion von

Bildsignalen, wurde 1974 erstmals erwähnt [2]. Die verlustbehaftete

Datenreduktion findet nur in den Verarbeitungsschritten Tiefpassfilterung,

Unterabtastung und Quantisierung statt. Die Speicherung der Bildinformation

erfolgt im JPEG Interchange Dateiformat. Der Dateiheader ermöglicht, zusätzlich

EXIF und IPTC-NAA-Informationen (z.B. von Kameradaten) unterzubringen [11,

88, 91].

4.8.5 Wavelet-Transformation

Eine weitere geeignete Methode zur Untersuchung von Zeitreihen mit

zeitabhängigen Amplituden und/oder Frequenzen ist die Wavelet-Analyse. Der

Nutzen der klassischen Fourier-Transformation ist bei vielen Anwendungen

beschränkt durch ihr mangelndes Lokalisierungsverhalten: D.h. kleine lokale

Änderungen des Signals führen stets zu globalen Änderungen in dessen Fourier-

Transformierungen. Dieses Problem kann umgangen werden, indem man die

63

trigonometrischen Funktionen bei der Fourier-Transformation durch

Wellenfunktionen mit kompaktem Träger (sog. Wavelets) ersetzt.

4.8.6 JP2

Der neuere leistungsfähigere JP2 Standard zur verlustfreien und verlustbehafteten

Bildkomprimierung beruht auf folgenden Prozess-Schritten [33]: Aufteilung des

Bildes in Teilbilder, Farbraumtransformation, diskrete Wavelet-Transformation

der Teilbilder, Quantisierung und Entropiekodierung. Nach der diskreten

Wavelet-Transformation findet zunächst eine Separation in detailreiche und

detailarme Bildelemente mit Filtern statt. Je nach vorgegebenem

Kompressionsgrad können dann informationsarme Bereiche entfallen. Auch

dieses Bildformat kann Metainformationen zum Bild enthalten; Dateien erhalten

die Endung „.jp2“. Gegenüber JPEG erlaubt JP2 eine erheblich bessere

Komprimierungsrate bei gegebener Qualität und erlaubt, ausgewählte

Bildregionen in höherer Qualität zu komprimieren.

4.8.7 Zusammenhang mit der natürlichen Wahrnehmung

Über die Auswirkung der Bildkompression, die Ausbildung von Artefakten und

Einfluss auf die Farbtreue wird verschiedentlich berichtet.

Da das menschliche Auge Helligkeitsunterschiede besser als Farbunterschiede

wahrnimmt, werden Farbwerte bei beiden Kompressionsverfahren nach der

Transformation von RGB in YUV mit geringerer Tiefe als die Helligkeitswerte

gespeichert (Color distortion). Die Vielfalt der Farbschattierungen (z.B. Haut)

verringert sich [130].

4.8.8 Kompressionsartefakte bei JPEG und JP2

Sowohl JPEG als auch JP2 arbeiten mit orthogonalen Funktionen und nähern in

der Spektraldarstellung die einzelnen Bildelemente durch eine geeignete Summe

von Wellenfunktionen an [158]. Um jedoch starke Form- und Farbänderungen

oder gar Kanten beschreiben zu können, müssen diese Strukturen durch sehr viele

dieser Funktionen bzw. ihre Koeffizienten repräsentiert werden, was einen

Widerspruch zur geforderten hohen Kompressionsrate darstellt.

Bei stark komprimierten Bildern im JPEG Format zeichnen sich Signalstörungen

ab, sogenannte Kompressionsartefakte, und zwar in der Form von

64

Blockartefakten: Dabei handelt es sich um Kästchenmusterbildungen als 8 x 8

Pixel große Quadrate. Auch treten Unschärfe mit verwaschenen Strukturen,

Farbkonturen und „Farbverfälschungen“ (engl. Color distortion) und

„Kreisartefakte“ (engl. Ringing artifacts), bei denen sich um einen Gegenstand

mit hohem Kontrast eine kleine Fläche bildet, auf. JPEG ist aufgrund der

Tiefpaßfilterung und der diskreten Kosinusfunktion nicht geeignet für

Strichzeichnungen, Buchstaben, Texte, Schwarz-Weiß-Bilder, oder gerasterte

Bilder bzw. Fotos, die diese Elemente enthalten. Ferner ist JPEG begrenzt auf

Bilder mit 64 K x 64 K Pixel. Die Bildqualität von JPEG leidet aufgrund des

Dateiaufbaus stark bei Bitfehlern und ist für Funknetze nicht optimal geeignet.

JP2 verbindet als erster Standard verlustfreie und verlustbehaftete Kompression in

einem einzelnen Codestream und eliminiert zudem Blocking artifacts. Es

ermöglicht zudem die unterschiedliche Komprimierung verschiedener

Bildregionen, sowie die optimierte schrittweise Annäherung an eine vorgegebene

Qualitätsstufe oder Dateigröße. Bei JP2 treten in ähnlicher Weise Artefakte bei

höherer Kompression auf: Unschärfe, Ringing, unscharfe Kanten,

Farbverfälschungen. Blockartefakte werden erst bei sehr dimensen Bildgrößen

erkennbar, da JP2 mit Wavelet arbeitet und daher nicht an ein starres

Blockschema gebunden ist.

JPEG und JP2 Bilder wirken bei hoher Kompression unscharf bzw. verwaschen.

Die Tiefpaßfilterung und Unterabtastung sowie die diskrete Wavelet-

Transformation bei kleiner Wavelet-Zahl glätten global die Bildinformation und

führen zu „Blurring artifacts“. Bei sehr hoher Kompression tritt dies bei JP2

wesentlich stärker auf als bei JPEG.

5 Material und Methode

5.1 Literaturbeschaffung

Hinsichtlich der Auswahl der analysierten Literatur wird anhand der

Themenstellung eine Begriffsliste erstellt, die sich aus für das Thema relevanten

Wörtern und ähnlichen Begriffen zusammensetzen. Die Abfrage dieser Liste

stützt sich auf Recherchen medizinischer Datenbanken (Medline, PubMed)

anhand der Suchbegriffe „digital color“, „digital wound“, „digital wound image“,

65

„digital wound pictures“, „digital wound visit“, „digital x-ray“, „digital x-ray

image“, „nikon d1“, „telecare“, „telecare wound“, „telemedicine colour

management“, „telemedicine wound management“, „televisite“. So entstehen eine

Literaturdatenbank mit einer Literaturliste, worin außerdem Primärliteratur von

Übersichtsartikeln eingefügt werden.

Zur Eingrenzung der Literaturliste werden Fallberichte nicht berücksichtigt und

die Literaturtitel und ihre entsprechenden Abstracts auf einen Zusammenhang von

Telemedizin, Televisite, bzw. digitaler Wundfotografie untersucht. Hierbei

werden die Techniken des „Skimming“, „Scanning“ und „Parsing“ angewendet

[38].

Beim überfliegenden, orientierenden Lesen (Skimming) werden vornehmlich

Überschriften und Kernsätze gelesen, um erste Leseeindrücke zu sammeln. So

können Annahmen über den Textinhalt vorgenommen werden, die an Indizien im

Text geprüft werden, wie z.B. das gehäufte Auftreten von Schlüsselbegriffen im

Text. Bei der Erfassung ganz bestimmter Informationen (Scanning) wird der Text

nur nach einem bestimmten Wort oder Zusammenhang abgesucht. Durch das

„Parsing“ letztlich können durch eine lexikalische Analyse Texte eliminiert

werden, deren enthaltene Konzepte nicht in den in der Anfrage spezifizierten

semantischen Relationen stehen. Anhand der bereinigten Literaturliste werden die

zugehörigen Volltexte ermittelt. Diese können anhand von Autor, Titel, Erschein-

ungsjahr und Journal indiziert werden.

5.2 Verwendete Kameramodelle – Systeme

Nachfolgend sind die Kameratypen (Kap. 4.2.1 bis 4.2.4) dargelegt, geordnet nach

ihrer zunehmenden Fotoqualität, die in den Versuchen benutzt werden, sowie

deren technische Details (Kap. 4.2.5). Erläutert wird das Testen der Kamera bzgl.

der Auflösung und der Farbe (Kap. 4.2.6). Die im weiteren Schritt verwendeten

Bildverarbeitungsprogramme werden in Kapitel 4.3 aufgeführt:

5.2.1 Sony Ericsson P910i

Das Gerät verfügt über PDA-Funktion mit W@P, EMS, MMS, Video-MMS

Unterstützung und integrierter Videokamera. Es besitzt ein Farbdisplay mit 65536

Farben (208 x 320 Pixel). Die Datenspeicherung ist sowohl via 32 MB Sony

Memory-Stick möglich als auch per Datentransfer mit Bluetooth und Infrarot-

66

Schnittstelle. Es enthält einen VGA-Chip mit 640 x 480 Pixel, RGB Truecolor 8

Bit. Weitere technische Details zur Apertur, Farbtiefe, Brennweite (f bezogen auf

das Kleinbildformat), Zerstreuungskreisdurchmesser, etc. siehe Kap. 4.2.5., Tab.

9. Dieses Gerät ist bei beliebigen Lieferanten beziehbar [81].

5.2.2 Vodafone PDA

Das PDA (Bezug über Vodafone) entspricht seitens der technischen Daten in etwa

dem Sony Ericson P900 bzgl. VGA-Chip und Schnittstellen. Es verfügt über ein

größeres Display und ermöglicht ebenso den mobilen Mailversand und –empfang.

Weitere technische Daten sind Kap. 4.2.5, Tab. 9 zu entnehmen [7].

5.2.3 Canon G Serie (G6, G5, G3, G1)

Die G-Serie von Canon stellt ein Sortiment von digitalen Kompaktkameras im

mittleren Preisniveau dar, mit eingebautem Zoomobjektiv, geeigneter Bildqualität,

anwenderfreundlicher Programmautomatik und einem nahezu 360o schwenkbaren

Display.

5.2.3.1 Canon PowerShot G1

Dieses Modell wurde November 2000 markteingeführt. Es war im Handel bis ca.

Sommer 2001 verfügbar. Es enthält einen 1/1,8" CCD-Chip mit 3.340.000

Bildpunkten. Die Auflösung beträgt max. 2.048 x 1.536 Bildpunkte. Das

Dateiformat ist wahlweise JPEG (.jpg) oder RAW (Canon eigenes

Rohdatenformat), mit der Speicheroption Compact Flash Typ I und II Karten,

oder Microdrive als Form von Wechselspeichermedien. Alternativ steht eine

direkte Verbindung zum Computer via USB-Schnittstelle zur Verfügung.

Die Objektivgestaltung bietet einen Schärfebereich von 70 cm bis unendlich. Für

Nahaufnahmen stehen 6 cm bis 70 cm mit Weitwinkel- und 20 cm bis 70 cm mit

Teleobjektiv zur Verfügung. Die Lichtempfindlichkeit ist wahlweise ISO

50/100/200/400. Die Blendenvorwahl beträgt F 2,0 bis F 8 (Weitwinkel), sowie F

2,5 bis F 8 (Tele) mit Belichtungszeiten von 8 s bis 1/1.000 s, bei einem

mechanisch und elektronisch kombiniertem Verschluss. Die Belichtungssteuerung

erfolgt mit Programmautomatik, Zeitautomatik, Blendenautomatik oder alternativ

manueller Belichtung. Weitere technische Einzelheiten sind Kapitel 4.2.5, Tab. 9

zu entnehmen [122].

67


Dieser Modelltyp war von November 2002 bis ca. Oktober 2003 im Handel

verfügbar. Er wurde vermarktet mit einem 1/1,8" RGB-CCD-Chip mit 4 Mill.

Bildpunkten, bei einer Auflösung von max. 2.272 x 1.704 Bildpunkten. Angaben

zum Dateiformat, ebenso die Wechselspeicher-Kompatibilität, Schnittstelle und

Lichtempfindlichkeit, wie die Belichtungssteuerung und Verschlussart erfolgen

analog dem Kap. 4.2.3.1. Die Belichtungszeiten betragen 15 s bis 1/2.000 s. Für

einzelne technische Details sei auf Kap. 4.2.5, Tab. 9 verwiesen [123].


Dieses Modell war von Juni 2003 bis Ende 2004 im Handel verfügbar. Er wurde

vermarktet mit einem 1/1,8" RGB-CCD-Chip mit 5 Mill. Bildpunkten, bei einer

Auflösung von max. 2.592 x 1.944 Bildpunkten. Angaben zum Dateiformat,

ebenso die Wechselspeicher-Kompatibilität, Schnittstelle und Lichtempfind-

lichkeit, wie die Belichtungssteuerung und Verschlussart erfolgen analog dem

Kap. 4.2.3.1. Die Belichtungszeiten betragen 15 s bis 1/2.000 s. Für einzelne

technische Details sei auf Kap. 4.2.5, Tab. 9 verwiesen [124].


Das Nachfolgermodell ist seit September 2004 erhältlich, mit einem 1/1,8" RGB-

CCD-Chip mit 7,1 Mill. Bildpunkten und einer Auflösung mit max. 3.072 x 2.304

Bildpunkten. Angaben zum Dateiformat, der Wechselspeicher-Kompatibilität,

Schnittstelle, Lichtempfindlichkeit, Belichtungszeiten, Belichtungssteuerung und

Verschlussart siehe Kap. 4.2.3.2. Sowohl die G1, G3, G5 sind mit Li-Ion-Akku

ausgestattet. Dieses Modell besitzt einen Lithiumionen-Akku mit höherer

Kapazität von 1.390 mAh für ausdauerndere Beanspruchungszeiten. Weitere

technische Einzelheiten siehe Kap. 4.2.5, Tab. 9 [45].

5.2.4 Nikon

5.2.4.1 Nikon Coolpix 995

Dieser Typ war von Juni 2001 bis Juli 2002 im Handel verfügbar. Er wurde

vermarktet mit einem 1/1,8" RGB-CCD-Chip mit 3,34 Mill. Bildpunkten, bei

einer Auflösung von max. 2.048 x 1.536 Bildpunkten. Die Farbtiefe beträgt 24 Bit

(16,7 Millionen Farben). Das Dateiformat ist JPEG, TIFF oder AVI-Video. Die

Wechselspeicher-Kompatibilität besteht aus Compact Flash Typ I und Compact

68

Flash Typ II Karten. Es verfügt über eine USB-Schnittstelle. Die Lichtempfind-

lichkeit ist ISO 100/200/400/800 (automatisch, manuell). Die Belichtungssteu-

erung besteht aus einer Programmautomatik, Zeitautomatik, Blendenautomatik

und manuellen Belichtung. Die Belichtungszeiten sind wahlweise 8 s bis 1/2.300 s

sowie 60 s (Langzeitbelichtung). Die Blendenvorwahl ist zwischen 2,6 und 10,3

variierbar. Für einzelne technische Details sei auf Kap. 4.2.5, Tab. 9 verwiesen

[125].

5.2.4.2 Nikon D1X mit AF-S-Objektiv und Zusatzblitz

Diese digitale Spiegelreflexkamera, seit Juni 2001 erhältlich, ist mit einem Sensor

ausgestattet, der eine Auflösung von 5,47 Mill. Pixel, 5,32 Mill. Pixel effektiv

(Matrix aus 4.024 x 1.324 Pixel) bietet und damit Aufnahmen mit einer Größe

von 3.008 x 1.960 Pixeln erzeugt, bei einer Farbtiefe von 12 Bit pro Farbkanal.

Die digitalen Datenformate sind JPEG-Baseline (Kompressionsraten ca. 1/4, 1/8

und 1/16) und unkomprimiert (12-Bit-Raw als Nikon eigenes Rohdatenformat, 8-

Bit-YCbCr-TIFF, 8-Bit-RGB-TIFF), die neben der wechselbaren CF-Karten

Methode eine schnelle Übertragung per IEEE-1394-/Firewire Schnittstelle zulässt.

Einen Vorteil bietet die neu entwickelte digitale 3D-Matrixmessung (3D-

Farbmatrixmessung, TTL-Weißabgleich und Tonwertkorrektur). Die

Lichtempfindlichkeit nach ISO-Norm hat eine Breite von 125 bis 800

(automatisch, manuell). Der Verschluss wird mechanisch und elektronisch

kombiniert gesteuert, bei 30 s bis 1/6.000 s Belichtungszeit. Der Weißabgleich

kann wahlweise mit Automatik (TTL-Steuerung mit 1.005-Pixel-CCD-Sensor),

manuell (6 Einstellungen mit Feinjustierung), oder über 3 diverse

Voreinstellungen erfolgen. Nähere technische Einzelheiten sind Kap. 4.2.5, Tab. 9

zu entnehmen. Optional wurde in Kombination zur Nikon D1X das

Wechselobjektiv AF-S genutzt, ein Superweitwinkel-Zoomobjektiv mit runder

Blendenöffnung, asphärischen und ED-Glas-Linsen und den Eigenschaften einer

hohen Lichtstärke [43, 121, 149].

69

5.2.5 Übersichtstafel technische Details Kameras

Tab. 9 Pixelzahl, Chip-Abmessungen und Zerstreuungskreisdurchmesser einzelner Kameratypen. Ungefähre Rauschfreiheitsgrenze ab einer Einzelsensorabmessung größer als 6,0 µm. Das typische Aufnahmeformat (Bildformat) bei Kleinbildfilm ist 24 × 36 mm.

Hersteller Kameratyp Mega

Pixel

Chipgröße

(diagonal)

Abmessung

in mm Ratio

Einzel-

sensor

Farb-

tiefe

f (35mm

KB)

Objektiv-

faktor

Objektiv-

apertur ISO Z

Agfa EPhoto

CL-20 0,8

1/7”

(2,62 mm)

2,055 x

1,624 2:3 2,0 µm 24 Bit 45 mm 6,34 F3,5 200 0.005

Vodafone PDA 0,3 1/7”

(2,62 mm)

2,055 x

1,624 2:3 3,3 µm 16 Bit

ca. 45

mm ca. 13 F2,4 ca. 200 0,002

Sony

Ericson 910i 0,3

1/7”

(2,62 mm)

2,055 x

1,624 2:3 3,5 µm 24 Bit

ca. 45

mm ca. 13 F2,4 ca. 200 0,002

Typhon HTC 0,3 1/7”

(2,62 mm)

2,055 x

1,624 2:3 3,5 µm 24 Bit

ca. 45

mm

4fach

Zoom

ca. 13 F/2,4 ca. 200 0,002

Canon PowerShot

G1 3,14

1/1,8"

(9,0 mm) 7,2 x 5,3 4:3 3,5 µm

24 Bit

(30 Bit)

34 – 102

mm 4,86

F2.0 -

F3,0 / F8

Auto,

50, 100,

200, 400

0,006

Canon PowerShot

G3 3,87

1/1,8"

(9,0 mm) 7,2 x 5,3 4:3 3,1 µm 24 Bit

35 - 140

mm 4,86

F2,0 -

F3,0 / F8

Auto,

50, 100,

200, 400

0,006

Canon PowerShot

G5 5

1/1,8"

(9,0 mm) 7,2 x 5,3 4:3 2,8 µm 24 Bit

35 - 140

mm 4,86

F2,0 -

F3,0 / F8

Auto,

50, 100,

200, 400

0,006

Canon PowerShot

G6 7,1

1/1,8"

(9,0 mm) 7,2 x 5,3 4:3 2,3 µm 24 Bit

35 - 140

mm 4,86

F2,0 -

F3,0/F8

Auto,

50, 100,

200, 400

0,006

Nikon Coolpix

995 3,34

1/1,8"

(9,0 mm) 7,2 x 5,3 4:3 3,3 µm 24 Bit

38 - 115

mm 4,75

F2,6 -

F10

Auto,

100,

200,

400, 800

0,006

Nikon D1X 5,47 Nikon DX 23,7 x 15,5 3:2 8,2 µm 36 Bit

AF Obj.

35 – 300

mm

ca. 1,5 F2 –

F28

125 -

800 0,020

5.2.6 Testen der Kamera

Vor der Verwendung von Kameras im gesundheitlichen Umfeld ist sowohl ihr

medizinischer Verwendungszweck (z.B. bei Wundheilung) festzulegen, als auch

die Einhaltung der vom Hersteller angegebenen technischen Spezifikation zu

überprüfen (MPG).

Der Nutzwert von Tests ist nur gegeben, wenn eine ausreichende Praxisnähe

zwischen den Prüfverfahren, der Bewertung und den realen

70

Anwenderbedürfnissen angestrebt wird. Deshalb ist der Einsatz von Fachleuten

für die subjektive visuelle Beurteilung ebenso notwendig wie eine automatische

Auswertung ohne visuelle Einflussnahme. Im medizinischen Bereich ist die

visuelle Bewertung von Bildern, z.B. bezüglich Auflösung, Farbe oder

Scharfzeichnung in vielen Fällen ein ausreichendes Vorgehen.

5.2.6.1 Auflösung

Die meisten Hersteller von Digitalkameras sind in der "Camera and Imaging

Products Association" (kurz: CIPA) organisiert, in welcher einheitliche Angaben

bzw. Testrichtlinien festgelegt sind. Um das Auflösungsvermögen einer

Digitalkamera zu ermitteln, wird von der CIPA die Verwendung der

standardisierten Testtafel nach ISO 12233 „Resolution Measurement“ empfohlen.

Hier sind auch die Beleuchtung des Testaufbaus und der Bildausschnitt festgelegt.

Die Testtafel nach ISO 12233 (Abb. 33) mit den Siemenssternen zur Bestimmung

der Auflösung ist inzwischen von Stephen H. Vestin nachgebildet und somit frei

verfügbar. Man wird so in die Lage versetzt, mit einem Reprostand und mehreren

6000 K Leuchten Testfotos aufzunehmen, um die Güte der Digitalkamera

einschließlich der integrierten Bildverarbeitung zu ermitteln [57].

Abb.: 33. Testtafel nach ISO 12233 [151].

Die aktuelle Grenzfrequenz heutiger Kompaktkameras mit 7 Mega Pixel Chip

liegt bei höchstens 70 Linienpaaren pro Millimeter bei 50% SW-Kontrast. Für

Zoomobjektive und Wide-Range-Zooms sind solche erzielbaren Werte kaum zu

erreichen. Makro-Objektive gelten als vorbildlich, wenn höchstmögliche

Bildqualität auch in den Randbereichen erforderlich ist. Negative Erfahrungen

z.B. mit Kantenverwaschung bei bestehenden fourierbasierten Analysen wie der

71

ISO 12233 haben bereits zu Initiativen geführt, den bestehenden internationalen

Standard zu ergänzen und z.B. DCTau® zu entwickeln.

5.2.6.2 Farbe

Zur Bestimmung der Farbqualität wird eine bekannte Farbtafel fotografiert und

anschließend die Ist- mit den Soll-Werten verglichen. In der Anwendung ergibt

der Gretag Farbkeil recht exakt messbare Werte in Bezug auf Farbdichte und

Tonwertzunahme. Die kameraspezifischen Farbabweichungen lassen sich als ICD

Farbprofil ablegen.

Abb.: 34. Darstellung der Farbtafel „Color Checker“ der Fa. Gretag-Mcbeth. Die wahren Farbwerte werden zusammen mit der Tafel als ICC lesbares Farbprofil mitgeliefert. Mit geeigneten Spektralmessköpfen (z.B. Eye-One-Touch) und entsprechender Farbprofilierungssoftware können neben Digitalkameras auch Scanner, Drucker und Monitorsysteme mit Grafikkarten abgeglichen werden [141].

Die Farbgenauigkeit, gemessen anhand der Gretag-Macbeth-Farbtafel (Abb. 34),

lässt insbesondere bei PDA- und Mobiltelefon-Kameras zu wünschen übrig. Ein

Vergleich mit den Referenzwerten der Gretag-Macbeth-Farbtafel bei

höherwertigen Kompaktkameras zeigt sehr gute Farbtreue. Jedoch sind

gravierende Farbunterschiede reproduzierbar bei zusätzlicher Verwendung des

integrierten Blitzes. Gleiches gilt auch für Makroaufnahmen.

72

5.3 Bildverarbeitungssoftware PC

5.3.1 Thumbs Plus 6.0

Mittels der Farbverwaltungssoftware wird über die Option des Farbkorrektur-

Ausgleichs eine Variation innerhalb der einzelnen Bereiche des RGB-Farbraumes

erzielt (Abb. 35). Ausgehend jeweils von dem Original der Bilddatei wird der

rote, grüne, sowie blaue Farbanteil separiert hervorgehoben oder vernachlässigt.

Dies geschieht in 5er Schritten von +/- 6 Intensitätsstufen, bis maximal +/- 30.

Somit ergeben sich für den Rot-, den Grün- und den Blau-Farbbereich pro Bild

jeweils eine Serie von 10 Bildern mit abgestufter Intensität des jeweiligen

Farbanteils.

Abb.: 35. Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt der Benutzeroberfläche der Bildbearbeitungs-Software Thumbs Plus 6.0 zur Farbkorrektur des RGB-Raumes.

5.3.2 The Gimp

Die Speicherung der Bilddaten erfolgt aus den JPEG-„Rohbilddaten“, mittels des

Softwareprogrammes The Gimp (Abb. 36), deren Größen jeweils zwischen 3 und

4 MB betragen, über die Zwischenschrittwahl 2x1, 1x1, 1x1, (4:2:2). Durch

Veränderung der Qualitätsstufen in etwa 10 kB Abständen, in einem Bereich von

160 kB bis zur mittels der Software maximal erlaubten Kompression, ergeben sich

pro Bilddatei eine Serie von 10 ausgewählten Bildern aufsteigender

Kompressionsrate.

73

Abb.: 36. Darstellung der Benutzeroberfläche des Bildbearbeitungsprogrammes The Gimp.

5.3.3 Lurawave

Analog zu der Vorgehensweise mit „The Gimp“ erfolgt die Bearbeitung der

„Rohbilddaten“ bei JP2. Die Speicherung wird im „jp2“-Format vorgenommen

unter Berücksichtigung der Speicheroptionen Kompression und Dateigröße (Abb.

37). Geringere Kompressionsraten von 1:50 bis 1:1000 geraten über erstere

Speicheroption. Höhere von 9 kB bis zu maximaler Dateigrößenreduzierung auf 1

kB, werden mit Eingabe der Option Dateigröße (in kB) vorgenommen. Auch hier

ergibt sich eine Serie von 10 Bilddateien aufsteigender Kompressionsrate.

74

Abb.: 37. Darstellung der Benutzeroberfläche des Softwareprogrammes Lurawave.

5.4 Voraussetzungen für Versuche und Bildserien

Sämtliche Aufnahmen der Versuchsreihen werden im Fotolaborraum der

Universitätsklinik Bergmannsheil Bochum durchgeführt, da hier die

fototechnischen Voraussetzungen gegeben sind, unter vollständigem Ausschluss

von Tageslicht zu arbeiten. Diese Voraussetzung bietet auch die

Reproduzierbarkeit der Fotos unter Studiobedingungen. Es erfolgt zunächst eine

Normierung, das heißt Norm 1. Die Speicherung der Bilddaten geschieht in der

höchstmöglichen Auflösung.

Die Bilderserie der Versuchsreihe Kompression und Farbverschiebung werden

gestaffelt von der geringsten Kompression bzw. Farbverschiebung zur höchsten.

Sie zeigen unterschiedliche Wundmotive: Drei Motive mit sekundär heilender

Wundnaht post operativ im Bereich der proximalen lateralen Oberschenkelseite.

Fünf Motive mit postoperativ versorgter Wundnaht in der Region des

Kniegelenkes sowie der proximalen Tibia. Ein Wundmotiv mit Hautnaht in Höhe

des dorsalen mittleren Drittels des M. gastrocnemius nach vorheriger

Muskelprobebiopsie. Zwei weitere Aufnahmen mit Wundnaht im Bereich des

Sprunggelenkes außenseitig sowie fünf Abbildungen mit Wundnaht wie auch

sekundärer Wundheilung in Höhe der Sprunggelenksinnenseite und des

Calcaneus. Vier weitere Wundaufnahmen zeigen eine sekundäre Wundheilung

75

sowie Wundnaht in der Region der Schulter. Ellenbogen streckseitig werden drei

Wundmotive mit Darstellung von Wundnähten verwendet. Ein weiteres

Wundmotiv stellt eine Wundnaht palmarseitig im Gebiet des Handgelenkes dar.

5.5 Schärfentiefe

5.5.1 Versuchsaufbau technisch

Für die experimentelle Bestimmung der Schärfentiefe werden 3D-Strukturen vor

einem planen strukturierten Hintergrund benötigt. Als Treppen eignen sich z.B. 1

mm Stufen aus Spannwerkzeugsätzen des Maschinenbaus (Abb. 38). Als nahezu

linienhafte Objekte werden Fäden, z.B. Nahtmaterial, wegen der diffus streuenden

Oberfläche verwendet. Diese eignen sich besser als blank gezogene Metalldrähte.

Um mehrere Fäden äquidistant anzuordnen, hilft ein aus der Kernphysik

stammender Trick zum Bau von Zählkammern: Hier werden als Führung schlicht

2 parallele Gewindestangen verwendet. Ein solcher photogrammetrischer

Messaufbau entspricht dem zur Stereoauswertung im Luftbildfall. Die so

gewonnenen Bilddaten lassen die näherungsweise Bestimmung der

Kameraeigenschaften zu, welche dann mit den zu berechnenden Schärfetiefen

verglichen werden.

Abb.: 38. Darstellung des Testaufbaues zur Bestimmung der Schärfentiefe mittels Treppen und feinen Fäden bzw. Drähten. Bei bekannter Gegenstandsweite zum Untergrund und Stufenhöhe bzw. Fadendurchmesser kann die Schärfentiefe durch Auswertung der Strukturbreiten in den digitalen Bilddaten annäherungsweise ermittelt werden.

76

5.5.2 Versuchsaufbau klinisch

5.5.2.1 Einfluss der Blendenzahl auf die Schärfentiefe

Bei dem Motiv handelt es sich um eine unfallchirurgische Versorgung der unteren

Extremität mit einem Fixateur externe der Fa. Synthes [142]. Die Verankerung im

Knochen geschieht durch Schanz Schrauben (∅ 4,5 mm). Diese werden mittels

Klemmbacken mit 2 Karbonfaserstangen (∅ 11,0 mm) verbunden. Der Einsatz

erfolgt zur temporären Fixation des Knochens unter anderem bei Infektionen. Der

Abstand des Fixateurs zur Wunde liegt im Bereich von 10 cm und ist abhängig

von der Perspektive bei der Aufnahme, wie die Abbildung 39 (S. 75) erläutert

[85].

Der interessierende Motivbereich beläuft sich auf eine trockene Wundnaht

sekundär abheilend, teils mit Schorf belegt mit nur stellenweise sichtbarem

Granulationsgewebe, lokalisiert an der medialen linken Unterschenkelseite (S.

103, Abb. 46). Die Darstellung des Wundbereiches bezieht sich auf den 9. Tag

post operativ. Der bei dem Patienten im Vorfeld mit Rückstichnaht nach Donati

und McMillen verschlossene kutane Bereich von etwa 20 cm Länge erfolgt mit

PROLENE® 2-0. Dies ist ein blau eingefärbtes, synthetisches, nicht

resorbierbares, monofiles Nahtmaterial aus Polypropylene. Neben der glatten

Oberfläche zeichnet es sich unter anderem durch fehlende Kapillarität und

Sägewirkung aus. Angaben der Metric in 2,5 bis 3,0 bei USP 2-0, mit einer

Durchmesserspanne von 0,250 - 0,299 bis 0,300 - 0,349 in mm.

Der Hauttyp lässt sich nach Fitzpatrick in Typ 2 klassifizieren. Das zu

fotografierende Bein des Patienten wird flach auf der Patientenliege in Neutral-0-

Position gelagert. Es wird zuvor mit einem herkömmlichen grauen OP-Tuch

(RENTEX Hagen) unterlagert, sowie der proximale und distale Anteil der unteren

Extremität, der dem Bildausschnitt unmittelbar anliegt, abgedeckt, um

unerwünschte Lichtreflexionen zu vermeiden. Als Leuchtquellen dienen

handelsübliche Leuchtstoffröhren (Osram L36 W/21 Lumilux Coolwhite,

paarweise in 3 Metern Raumdeckenhöhe vormontiert), wie sie unter alltäglichen

Bedingungen üblicherweise Verwendung finden, bei zuvor mindestens zwanzig

minütiger Betriebsdauer. Der interessierende Motivbereich wird senkrecht unter

der Leuchtquelle positioniert, um eine unter diesen Bedingungen bestmögliche

77

Ausleuchtung zu erreichen. Der Abstand zum Boden beträgt dabei einen Meter.

Es wird auf Fixation des Unterschenkels bei der Aufnahmeabfolge geachtet.

Die mittels Minolta Chromameter ermittelten Messwerte in Wundhöhe ergeben

sich wie folgt: Die Farbtemperatur beträgt 3882 Kelvin, die Werte für den

ermittelten CIE-RGB-Farbraum betragen für R 1512, G 1555 und B 779. Die

Beleuchtungsstärke beläuft sich auf 1569 lx. Zwecks Nachvollziehbarkeit der

Größenordnung wird ein Lineal mit weißer Beschriftung auf schwarzem

Hintergrund (TELTRA) im Abstand von 1,5 cm parallel zum Verlauf der

Wundnaht positioniert. Die Montage einer Weißabgleichtafel (Whitespot Pocket

0,08 84%, Fotowand Technic) im unteren Bildausschnitt ermöglicht nachträglich

den digitalen Weißabgleich. Die Position und Höhe des Fotostatives wird so

gewählt, dass die Distanz des Objektives des jeweiligen digitalen Kameratypes

zum Motiv (Wundoberfläche) 50 cm beträgt. Die Kontrolle erfolgt mittels

herkömmlichem 2 Meter Rollmaßband. Die Bildebene wird parallel zur

Wundebene eingestellt. Scharf zentriert wird als Bildmitte das schwarze Lineal

Höhe Wundmitte. Zur Auswahl der Kameratypen stehen die Nikon D1X mit

Weitwinkelzoomobjektiv AF-S 17-35 mm 1 : 2,8 D als Referenz, etabliert aus

dem professionellen Anwendungsbereich des medizinisch fotografischen

Alltages. Eingesetzt wird auch das Kameramodell PowerShot G6 der Marke

Canon mit Automatikzoom (Angewendet im Rahmen der Televisite der Teltra),

zum Vergleich das Mobiltelefon PDA von Vodafone mit integrierter Kamera. Zur

Zwischenspeicherung der Bilddaten werden Compact Flash Speicherkarten 256

MB verwendet, diese im Anschluss mittels Card-Reader auf dem PC zur

Ausarbeitung gespeichert. Die digitale Ausarbeitung geschieht mittels Software

Thumbs Plus 6.0.

Die Voreinstellungen der digitalen Kameratypen sind wie folgt: Auflösung Nikon

D1X und Canon G6: Pixelvoreinstellung „L“, Kompression „Superfein“. Die

Bilddatenmenge wird nicht nachträglich verändert. Die Verschlusszeit wird von

den Kameramodellen automatisch gewählt. Es werden Bilderserien von je 3

Aufnahmen durchgeführt, pro jeweiliger Blendeneinstellung: Blendenvorwahl

2,8; 4,0; 5,6; 8,0; 11; 21 bei der Nikon D1X und 2,5; 2,8; 4,0; 5,6; 8,0 bei der

Canon G6. Bei der D1X erfolgt ein manuelles Scharfstellen, bei der G6 durch

Automatikmodus. Das Modell Vodafone PDA besitzt eine Festblende mit

automatischer Verschlusszeit bei Festbrennweite.

78

5.5.2.2 Auswirkung der Objektiv-Motiv Distanz auf die Schärfentiefe

Das Motiv stellt eine sekundär heilende Wunde mit Status nach postoperativem

Knocheninfekt nach subtraktiv valgisierender Tibiakopfumstellungsosteotomie

mit Decortikation im Pseudarthrosenbereich, Titanplattenosteosynthese und

Spongiosaplastik dar. Der Eingriff erfolgte wegen einer nicht verheilten

bicondylären Tibiakopffraktur mit Fehlstellung. Die Hautnaht wurde durch

Einzelknopfhautnaht mittels Prolene 2.0 versorgt.

Der Versuchsaufbau erfolgt analog zu dem oben beschriebenen Versuch in Kap.

4.5.2.1 mit der Hintergrundwahl des grauen OP-Tuches (Rentex), den

Beleuchtungsbedingungen einzig Osram Lumilux 840 Leuchtstoffröhren

deckenseitig vormontiert, sowie im Wundausschnitt dem Einbringen eines

schwarzen Lineales mit weißer Skalierung in cm (TELTRA). Die Aufnahmen

werden mit der Canon G6 im Automatikmodus durchgeführt: Mit Blitzlicht-,

Verschlusszeit-, Blendenvorwahl- und Weißabgleich-Automatik. Zur späteren

Nachvollziehbarkeit werden eine Weißtafel (Fotowand) und eine Farbtafel

(AGFA GEVAERT) in den Bildausschnitt eingebracht.

Die Wundausdehnung erstreckt sich als Oval über 4 x 6 cm Fläche sowie 1 bis 1,5

cm Tiefenausdehnung. Scharf eingestellt ist der obere Rand der Wunde (S. 105,

Abb. 47). Der perspektivische Aufnahmewinkel beträgt zum Verlauf des

Unterschenkels in etwa 25 Grad (Abb. 39, S. 75). Fotografiert wird in den

Distanzen 20 und 40 cm Objektiv zum Motiv. Die Ausdehnung der Wunde ist

anhand des Lineals gut ermittelbar. Die Extremität samt Wundausschnitt wird

während der Aufnahmedurchführung fixiert. Es werden Bildserien in den

Distanzen 20 cm und 40 cm mit je 4 Aufnahmen durchgeführt. Die Bilddateien

werden unverfälscht, lediglich der Größe nach an die Norm zwecks

Bildbetrachtung angepasst und exemplarisch der besseren Nachvollziehbarkeit

wegen mit Markierungen versehen.

5.5.2.3 Kameragrenzen der Schärfentiefe

Als Motiv wurde der Wundausschnitt eines 78-jährigen männlichen Patienten mit

pertrochantärer Femurfraktur mit Dislokation des Trochanter minor, versorgt mit

DHS und primärem Hautverschluß mittels Prolene 2.0 Einzelknopfnaht. Der

Wundheilungsverlauf war komplikationslos. Dies ist exemplarisch ein sehr

typischer Fall in der traumatologischen Chirurgie.

79

Der Versuchsaufbau gestaltet sich unter vergleichbaren Bedingungen Kap.

4.5.2.1: Die Aufnahmeserie findet unter Ausschluß von Fremdlichteinwirkung

unter Fotolaborbedingungen statt. Als Lichtquelle stehen deckenseitig

vormontierte Osram Lumilux 840 Coolwhite Leuchtstoffröhren zur Verfügung.

Den Hintergrund schirmt ein klinikübliches grünes OP-Tuch (Rentex) aus

Baumwolle ab. Zwecks Größenzuordnung dient ein schwarzes Lineal (TELTRA).

Die Aufnahmeserie erfolgt mit dem PDA mit einer Festblendeneinstellung von

2,4 aus 50 cm Distanz (Objektiv-Wundnaht), wobei die Bildebene parallel zur

Wundebene eingestellt ist (Abb. 39). Es wird auf eine Fixation der Extremität

während der Aufnahmeserie geachtet. Es erfolgt eine Bildserie mit 4 Aufnahmen.

Abb.: 39. Die Darstellung skizziert die Methode zum Thema Schärfentiefe, mit den Kameraeinstellungen parallel und in einem flachen Winkel zur Wundebene.

5.6 Lineale zur Wundvermessung

Die Fotolaboraufnahmen werden mit der Canon G6 im Automatikmodus aus 50

cm Motiv-Objektiv Distanz ohne Blitzlicht bei Leuchtstoffröhren

Deckenbeleuchtung Osram Lumilux 840 Coolwhite mit mindestens 20 min.

Vorbetriebsdauer durchgeführt. Als Hintergrund dient ein graues OP-Tuch

(Rentex). Abgelichtet werden drei bedruckte Papierlineale [weiß = 1) und 2),

schwarz = 3)], sowie zwei Metallineale, blau emailliert [4)] und blank mit grauer

Beschriftung [5)], deren Skalierung in cm normiert ist:

80

1) Coloplast Wundversorgung,

2) Convatec,

3) Protek AG,

4) TELTRA,

5) Aesculap AG&Co KG.

5.7 Farbe

5.7.1 Messung von Farben

Ziel des Bereiches Farbmanagement im medizinischen Sinne ist es, ein qualitativ

hochwertiges und zuverlässiges Ergebnis in der Beurteilung des abgebildeten

medizinischen Gegenstandes zu erreichen: Insbesondere das Handling von

digitalem Bildmaterial (bzgl. der benutzerfreundlichen Anwendung), sowie die

reproduzierbare und quantitativ erfassbare Farbwiedergabe von Patientenbildern.

Auch die Unabhängigkeit der Darstellung medizinischer Bilder vom jeweiligen

Rechner und Browser des Arztes stellen je einen wichtigen Baustein dar.

Spezifische Profile für Kamera und Bildschirm berechnen hierbei von der

Dateninformation ein und desselben Bildes ein Abbild, welches ubiquitär am

Rechner mittels Browser fast identisch dargestellt werden kann. Für die

Kombination von Scannern, digitalen Kameras, Monitoren und Farbdruckern zu

präzisem Color Management gehört ein Farbmesssystem, das sowohl zur

Monitorkalibration als auch für Licht streuende Objekte geeignet ist, hier der

Spektrometerkopf Eye-One-Pro. Ebenso zu einem Farbprofilierungssystems

gehört eine Software, hier die Software ProfilMaker 5. Das Color Management

System ergibt nur dann Sinn, wenn die höchste Farbtreue von der Eingabe über

alle Prozeßschritte bis zum fertigen Produkt gesichert ist. Der Arbeitsprozess

gliedert sich kurzgefaßt in zwei Schritte: 1. Charakterisierung der Ein- und

Ausgabegeräte, und 2. die Integration der ICC-Profile. Es sei angemerkt, dass die

Weitergabe des Farbprofiles auch direkt mit den Bilddaten möglich ist.

5.7.1.1 Minolta Chromameter

Das kalibrierbare digitale Minolta Chromameter CL 200 misst die

Beleuchtungsstärke (in Lux mit einem Toleranzbereich von 0,1 lx bis 99.990 lx),

die Farbinformation des auftreffenden Lichtes als CIE standardisierte Werte des

RGB Farbraumes (in XYZ-Koordinaten) mit einer Präzision entsprechend xy: ±

81

0,002 (bei 800 lx und Lichtart A), sowie den Wert der Farbtemperatur T (in

Kelvin) mit einer Genauigkeit von ± 20 K (bei 800 lx und Lichtart A). Die

spektrale Empfindlichkeit passt sich an die CIE 2°-Normspektralwertkurven an.

Der Vλ-Abweichungsraum liegt nach CIE f1 innerhalb von 8%, bei

Wiederholgenauigkeit von xy: ± 0,0005 (Lichtart A) [51].

5.7.1.2 Gretac Spektrometer

Das Farbmessgerät (Eye-One-Pro) ist in der Lage, Farben aller Quellen zu

messen. Es besitzt ein Design, welches die Kalibrierung und Profilerstellung von

CRT- und LCD-Monitoren sowie RGB- und CMYK-Druckern im Easy-Modus zu

unterstützen vermag. Das Gerät erfüllt die Kriterien der Normlichtart A. Die

Messanalyse erfolgt mittels holografischem Beugungsgitter. Der Spektralbereich

beläuft sich auf 380 nm bis 730 nm, mit einem Emissionsspektrum von 0 bis 300

cd/m2 und einer Wiederholgenauigkeit von 0,1 DE*94 bei 10 Messungen auf

Weiß, bei einer Messzeit der Emission von 1 Sekunde. Die Messgeometrie stellt

eine 45°/0° Ringoptik (DIN 5033) dar. Die Stromversorgung erfolgt über USB.

Vorzüge ergeben sich aus dem reichhaltigen Zubehör, bestehend aus Eichplatte,

CRT-Monitorhalter, Positionierhilfe und Scanlineal. Es wird aufgrund dieser

Farbmanagementlösung eine durchgängige Farbreproduktion auf dem Display,

beim Proofing und in der Endausgabe gewährleistet [14].

5.7.1.3 Software Profile Maker 5

Das Softwarepaket enthält umfassende Tools zur Erstellung von ICC-Profilen für

Ein- und Ausgabegeräte. Unter anderem einen Profile Editor zum Editieren von

Profilen und Darstellung der Änderung im Bild sowie Darstellung von Profilen im

Farbraum. Desweiteren das PM Digital Camera Tool, als Modul zur Profilierung

von Aufnahmen digitaler Kameras. Es werden Mehrfarbenprozesse bis zu 10

Volltonfarben unterstützt. Es können hiermit unter anderem Messdateien

verglichen und gemittelt werden, ICC-Profile editiert, PANTONE-Farben in

Gerätefarben umgerechnet und CxF-Dateien geschrieben werden. Enthalten sind

Testcharts als Aufsichts- und Durchsichtsvorlagen für Scanner bzw. Color-

Checker SG für Digitalkameras, sowie das Modul Multicolor, das der Berechnung

von Profilen für Druckprozesse dient [13].

82

5.7.2 Einfluss der Leuchtquelle

Es werden für den Versuch folgende handelsübliche und allgemein weit

verbreitete Leuchtmittel benutzt: Leuchtstoffröhren der Marke Osram Lumilux

830 Warmwhite, 840 Coolwhite und 865 Daylight. Als Vergleich dienen die

Glühlampentypen Osram 60 Watt mattiert und 100 Watt mattiert. Als

Beleuchtungsquellen dienen lediglich die zuvor genannten, da der Test unter

Ausschluss von Tageslicht stattfindet. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 40

schematisch dargestellt. Die Leuchtquellen werden in einem Abstand von 70 cm

zum Motiv montiert. Als Hintergrund dient das graue OP-Tuch (Rentex). Zur

nachvollziehbaren Größenzuordnung wird ein schwarzes Lineal (Teltra) mit in

den Wundausschnitt eingelegt. Ebenso dient eine Weißtafel (Fotowand) im

Bildausschnitt dem Nachhalten des Weißabgleichs. Die Leuchtmittel sind mehrere

Stunden zuvor in Betrieb. Vor der eigentlichen Versuchreihe erfahren sie mind.

20 min. Vorbetriebsdauer. Die Aufnahmeserien werden mit der Canon G6 im

Automatikmodus bei höchstmöglicher Bildauflösung, (L) 3072 x 2304 Pixel,

ausgeführt. Lediglich die Wahl mit und ohne Zusatz von Automatikblitz variiert

die Grundeinstellung, die Bildserien entstehen mit und ohne Zusatzblitzlicht. Die

digitale Kamera wird zwischen die Leuchtquelle und dem Motiv im Abstand von

50 cm zu diesem positioniert, unter Wegfall eines eigenen Schattenwurfes der

Kamera.

Abb.: 40. Versuchsaufbau mit Stativen, grauem Op-Tuch und den in Kap. 4.7.2 genannten Leuchtmitteln.

Es erfolgen 2 Bildserien je Leuchtentyp á 2 Aufnahmen, mit und ohne

Zusatzautomatikblitzlicht der Kamera. Parallel wird mittels Minolta Spektrometer

CL200 die RGB Farbverteilung und Farbtemperatur registriert. Aus den

83

Bildserien wird exemplarisch eine Aufnahme je Leuchtentyp der Aufnahmeserie

ohne Zusatzblitzlicht gewählt. Die so entstandenen 5 Bilderdatensätze werden

anschließend mit dem Softwareprogramm The Gimp (Abb. 41) nachbearbeitet:

Nach Vergrößerung des geeigneten Bildausschnittes auf 67% werden drei Marken

gesetzt (Abb. 42): Exemplarisch reproduzierbar mit hohem Anteil der normalen

Haut des Probanden, bei geringem Störanteil der übrigen Hautanteile. Ebenso

wird mit der 2. und 3. Marke verfahren: Mit der zweiten Markierung Darstellung

eines erythematösen Hautanteiles und im 3. Fall ein Ausschnitt der Weißtafel als

Referenzmarke. Die The Gimp Farbpipetten Eigenschaft wird bei Messung der

Marke Haut und Weißtafel auf eine Abtastgröße mit dem Radius von 30 Pixel und

bei Messung der Marke Hauterythem von 10 Pixel festgelegt. Die Angabe der

RGB-Spektralverteilung ist bezogen auf 100% (255 Farbwerte).

Abb.: 41. Benutzeroberfläche von The Gimp Farbpipette.

Abb.: 42. Darstellung der drei exemplarisch gesetzten Markierungen (blaue Quadrate) an der Haut und der Weißtafel.

84

Es erfolgen je Marke 15 Messungen. Hierbei ergibt der Querschnitt der RGB-

Werte eine zulässige Toleranz von +/- 1% Abweichung.

5.7.3 Automatischer Weißabgleich

Es werden 10 sterile Mullkompressen der Größe 10 x 10 cm (Fuhrmann

Verbandstoffe GmbH) vor dem Hintergrund eines grauen OP-Tuches (Rentex)

mit der Canon G6 im Automatikbetrieb mit Makromodus in einer Distanz von 50

cm abgelichtet. Die Durchführung erfolgt einmal ohne Blitzlicht: Hierbei dienen

als Leuchtmittel Osram Lumilux Coolwhite 840 Leuchtstoffröhren, senkrecht

über dem Motiv positioniert. In einer weiteren Reihe erfolgt die Ablichtung bei

mittlerem Tageslicht in Kombination mit dem kameraeigenen Automatikblitzlicht.

Als Vergleich dient je Belichtungsverhältnis eine Ablichtung mit Weißkarte

(Fotowand). Die Wiederholung der beiden Versuchsreihen geschieht mit 10

sterilen Cosmopor Wundverband Klebepflastern (Hartmann) der Größe 15 x 8

cm. Diese werden sowohl von der Klebeseite als auch der Rückseite aus

fotografiert vor dem Hintergrund des grauen OP-Tuches. Als Vergleich dient auch

hier eine Aufnahme mit der Fotowand Weißplatte. Insgesamt erfolgt je

Versuchsaufbau eine Serie von 10 Aufnahmen. Die nachträgliche digitale

Bildbearbeitung erfolgt mit The Gimp Farbpipette unter Darstellung der

prozentualen Wertangabe im RGB-Farbraum. Die abschließende tabellarische

Auswertung wird mit Microsoft Excel vorgenommen.

5.7.4 Einfluss der Hintergrundwahl

Es werden für die Hintergrundwahl 7 verschiedene Tücher genutzt, wie sie im

operativen und stationären Alltag in der Klinik üblicherweise Anwendung finden:

1. Blaues Einmal OP-Papiertuch (Firma Stericlin),

2. Grünes Einmal OP-Papiertuch (Firma Stericlin),

3. Einmal Unterlage grün-glänzend (Hartmann),

4. Grünes OP-Baumwolltuch (Rentex Hagen),

5. Grünes OP-Tuch (Steriles Synthetik Abdecktuch, glänzend, der Firma

Rentex Hagen),

6. Graues OP-Baumwolltuch (Rentex Hagen),

7. Weißes Stecklaken aus Baumwolle (Rentex Hagen).

85

Als Motiv dient der Unterschenkel einer Probandin mit erythematösen

Hautveränderungen (S.119, Abb. 52). Dieser wird bei Versuchsdurchführung

fixiert. Auch hier dienen ein schwarzes Lineal (Teltra) und eine Weißtafel

(Fotowand) als Orientierungshilfe. Alle Aufnahmen finden unter Ausschluß von

Tageslicht statt. Einzige Leuchtquelle ist die mindestens 20 min. zuvor in Betrieb

genommene Deckenbeleuchtung, bestehend aus Leuchtstoffröhren Lumilux 840

Coolwhite, mit einer mittels Minolta Chromameter (CL 200) gemessenen

Farbtemperatur von T = 3921 K und einem Farbspektrum von R = 1679, G =

1721 und B = 904.

Die Aufnahmen erfolgen mit der Canon G6 aus 50 cm Objektiv-Motiv Distanz im

Automatikmodus mit Makromodus, ohne Blitzlicht und ohne Zoom, in der

höchsten Bildauflösung. Die Rohbilddaten im JPEG-Format werden nicht

verändert. Bei den unter Punkt 1. und 2. aufgeführten Tüchern handelt es sich um

blauen bzw. grünen Vlies aus einer Mischung von Zellstoff und Kunststofffasern,

mit den Eigenschaften wasserabweisend und alkoholbeständig, die eine Dichte

von 55 g/qm aufweisen (Stericlin; CE, EN 868). Bei der unter Punkt 3.

aufgeführten Einlage handelt es sich um eine Krankenunterlage mit einem

Saugkörper aus 12 Zellstofflagen, 60 x 90 cm Größe, der Marke Molinea

(Hartmann). Die unter den Punkten 4. und 6. genannten Tücher sind

Abdecktücher aus Baumwolle der Firma Rentex Hagen. Es wird eine Bildserie je

Hintergrund á 3 Fotoaufnahmen durchgeführt. Von diesen wird je 1 Bild pro Serie

exemplarisch ausgewählt. So entsteht eine Aufnahmereihe aus 7 Bildern. Der

digitale manuelle nachbearbeitete Weißabgleich findet mittels The Gimp statt.

5.8 Kompressionsverfahren

5.8.1 JPEG

Die Speicherung der Bilddaten erfolgt aus den „JPEG-Rohbilddaten“, deren

Größen jeweils zwischen 3 und 4 Megabyte betragen. Diese werden lediglich

innerhalb der nachfolgenden Schritte bearbeitet: Die Speicherung der

Bilddatenvorlage wird unter Dateityp nach Endung „JPEG-Bild“ durchgeführt.

Eine Änderung der Kompressionsqualität wird seitens The Gimp in

Prozentschritten manuell variiert. Die Veränderung der Qualitätsstufen besteht aus

etwa 10 kB Abständen über die zuvor gewählte Zwischenschrittwahl 2x1, 1x1,

1x1, (4:2:2). In dem für den Versuch interessierenden Bereich von 160 kB bis zur

86

mittels der Software maximalen erlaubten Kompression ergibt sich dann pro

Bilddatei eine Serie von 15 ausgewählten Bildern aufsteigender

Kompressionsrate.

5.8.2 JP2

Die Bearbeitung der „Rohbilddaten“ erfolgt durch Speicherung im „jp2“-Format,

unter Berücksichtigung der Speicheroptionen Kompression und Dateigröße. Die

Wahl des Dateitypes ist das „Lura Wave JP2 Format (*.jp2)“. Unter der

Einstellung Speicheroptionen wird manuell für geringere Verdichtungsraten eine

Kompression im Bereich von 1:50 bis 1:1000 ausgewählt. Höhere

Kompressionsraten, also 9 kB bis zu maximaler Dateigrößenreduzierung auf 1 kB,

werden mit Eingabe der Option Dateigröße (in kB) direkt vorgenommen. Auch

hier ergibt sich eine Serie von 15 Bilddateien aufsteigender Kompressionsrate.

5.8.3 Kompressionsartefakte

JPEG und JP2 sind besonders für Bilder mit milden Farbübergängen geeignet.

Insbesondere JP2 stellt komprimierte Bilder mit Texten, Diagrammen und

Linienzeichnungen und scharfen Übergängen „verwaschen“ dar. Hier können sich

sogar störende vertikale und horizontale Grate ausbilden. Da von humanen Augen

Helligkeitsunterschiede deutlicher wahrgenommen werden als Farbunterschiede,

wird bei der JPEG-Kompression die Chrominanz verringert, bei erhalten

bleibender Luminanz. Dieses geschieht mittels „Chroma subsampling“. Bei

diesem Verfahren wird das Farbbild in ein Helligkeitsbild und zwei Farbbilder

aufgesplittet. Die Datenreduktion erfolgt auf Kosten der Farbinformationen bei

Erhalt der Helligkeitsdateninformationen.

Bei niedrigen Bit Raten (2.0 bits/pixel) entfallen bei JP2 die Blockartefakte, je-

doch zugunsten der Kreisartefakte und „Verwaschungen“. Im Bereich von einer

Bit Rate um 2.5 Bits/pixel behält JP2 einige Vorteile gegenüber JPEG, da seine

„verschwommenen Artefakte“ geringer hervorstechend sind als die Kreis-

artefakte und Blockartefakte des JPEG. Bei höherer Bit-Rate (3.0 Bits/pixel)

finden sich keine signifikanten Unterschiede zwischen beiden [70].

5.8.4 Fotoserie Kompression

Der Versuchsaufbau gestaltet sich bei der Versuchsreihe wie folgt: Als

Hintergrund wird ein graues OP-Tuch (Rentex) gewählt, in den Bildausschnitt ein

87

schwarzes Lineal (Teltra) eingebracht, ebenso eine Weißtafel (Fotowand), wie

eine Farbtafel (AGFA GEVAERT), welche durch den eingeschränkten

Bildausschnitt teilweise zu vernachlässigen ist. Die Leuchtquellen stellen

deckenseitig vormontierte Leuchtstoffröhren Marke Osram Lumilux 840

Coolwhite dar. Ihre Vorbetriebsdauer beträgt wenigstens 20 min. Als digitale

Kameras dienen wahlweise die Canon G6 oder die Nikon D1X mit AF-Objektiv,

im Automatikmodus mit höchstmöglicher Bildauflösung. Einige Aufnahmen

werden unter Einsatz der Zusatzleuchtquelle Blitzlicht durchgeführt:

Automatikblitz (kameraintern) bei der Canon G6, Aufsteckblitz mit automatischer

Auslösung bei der Nikon D1X. Die Motiv-Objektiv Distanz gestaltet sich

zwischen 30 cm und 50 cm, die Aufnahmeebene liegt parallel zur Wundebene.

Je Wundmotiv wird eine Aufnahmeserie von 5 Fotos mit Zusatzblitzlicht und

dergleichen ohne Zusatzblitzlicht durchgeführt. Aus der Menge an Bilddaten

werden insgesamt 18 verschiedene Wundmotivfotos der Patienten ausgewählt und

für die Kompressionsverschiebung weitergenutzt. Diese Rohdaten dienen als

Vorlage für die JPEG- und JP2-Bildverarbeitung. Zu den

Probandenauswahlkriterien siehe Kap. 4.9.1.

5.9 Studien

5.9.1 Probandenauswahl für die Studien Patientenfotos Televisite, Farbverschiebung und Kompression

Sämtliche Probanden werden aus stationären Patienten aus der chirurgischen

Klinik und Poliklinik der BG-Klinik Bergmannsheil Bochum ausgewählt.

Beschränkt wird die Probandenauswahl letztlich auf klinisch alltägliche Fälle, wie

sie in der Praxis der Televisite vorkommen mögen. Mit eingeschlossen werden

ebenso Fälle mit postoperativen Störungen im Wundheilungsprozess,

exemplarisch chirurgisch interessante Fälle des stationären, operativen als auch

intensivmedizinischen Bereiches. Die Geschlechterverteilung ist in beiden

Kategorien in etwa gleich gehäuft vertreten. Die Altersstruktur liegt zwischen 12

und 87 Jahren. Die Struktur der Probanden setzt sich aus allen Teilnehmern der

Teltra Studie Televisite des Zeitraumes 2002 bis Ende April 2005 zusammen.

Insgesamt werden 50 Patienten in die Studie Patientenfotos Televisite

eingeschlossen.

88

5.9.2 Fachärzte und Bildbewertung

An der Studie nehmen 15 Probanden teil, die entsprechenden Kriterien erfüllend,

für den Vorlauftest und 10 Fachärzte der Chirurgie und Unfallchirurgie bei dem

Studienversuch. Die Auswahl der Probanden erfolgt nach folgenden Kriterien:

Alle Probanden besitzen Erfahrungen mit Wunden, haben ausreichende klinische

Kenntnisse und besitzen Grundkenntnisse in der Fotografie. Bei keinem der Pro-

banden sind Sehfehler oder eine Beeinträchtigung des Farbsehens bekannt.

5.9.3 Studie Patientenfotos Televisite

Sämtliche Bilder (mehr als 2500) von Wunden, welche 50 Televisitepatienten

eigenständig in den letzten Jahren bei sich zu Hause aufgenommen hatten, werden

nachträglich hinsichtlich ihrer Bildqualität und medizinischen Eignung für

Diagnoseaussagen untersucht (Abb. 43). Es findet bewusst keine Vorauswahl zur

Reduktion des Umfangs des Bildmaterials statt, um systematische Fehlerquellen

auszuschließen.

89

5.9.4 Programm in Java zur Studiendurchführung

Start

Ende

Eingabeaufforderungfür Name, Geb. Dat.

Eingabe: VornameName, Geb. Dat., Pfad

setze schwarzenHintergrund

Lade nächstes Bild aus Verzeichnis

stelle Bild und Bewertungsskala dar

Bild

Bilder

Eingabe der Bewertung (0-10)

Hole Datum + Zeit

Datei Name.log

Name, Bild, Bewertung, Zeit

Bildbewertung

Bildname

Datum+Zeit

o.k. nein ja

Bewertung ? nein ja

erfolgreich? nein ja

Vorname, Name Geb. Dat., Pfad

Abb.: 43. Pfad des Java-Programmes zur Studiendurchführung (Kap. 5.3).

5.9.5 Technische Begutachtung am LCD-Monitor

Die technische Begutachtung erfolgt unter den Bedingungen: LCD-Monitor mit

einem Kontrastverhältnis von 500:1. Das Umgebungslicht entspricht ungefähr den

Empfehlungen der Röntgen-Arbeitsverordnung [133]. Erkennt man auf der

Konstanzaufnahme des Prüfkörpers für die digitale Radiographie alle geforderten

Strukturen gleichzeitig, so ist der Monitor bei den vorhandenen Bedingungen für

die Befundung geeignet. Die Faustregel lautet: Die Hintergrundhelligkeit soll im

Mittel etwa 200 Lux betragen. Der Umgebungshintergrund soll ungefähr gleich

hell mit dem Bildhintergrund sein. Der Monitor ist farbkalibriert. Der

90

Betrachtungsabstand beträgt 60 cm bei einer Bildschirmdiagonale von 19 Zoll.

Die Betrachtungsdauer beträgt > 15 s/Bild [157]. Tabelle 10 gibt Hinweise für

Mindestanforderungen für eine medizinische Bildbetrachtung.

Tab. 10 Check-Liste bei der Anschaffung und dem Betrieb eines Monitors.

Kriterium Angabe Bildschirmgröße 19‘ Auflösung 1024 x 768 Lochmaske ≤0,26mm Bildwiederholrate > 80 Hz Reflexionsgrad < 8% Farbstufen 24 bit (true color) Helligkeit im weißen Bereich > 300 lx Raumhelligkeit < 100 lx

5.9.6 Studie Farbverschiebung

Für den Versuch der RGB-Farbraumverschiebung werden digitale

Wundfotografien mit der Canon G6 angefertigt: Den Hintergrund gestaltet ein

graues OP-Tuch (RENTEX HAGEN). Als Motiv dienen

Wundbereichsausschnitte von Patienten nach post-operativer Versorgung mit

chirurgischer Primärnaht, Rückstichnaht nach Donati und Mc Millen. Diese

erfolgt mittels nicht resorbierbarer PROLENE® Fäden der Stärken 2-0 bis 3-0. Es

handelt sich um ein blau eingefärbtes, synthetisches, monofiles Nahtmaterial

aus®Polypropylene. Eine weitere Art des chirurgischen Wundverschlusses mittels

Primärnaht erfolgt in einigen Fällen durch eine fortlaufende Intrakutannaht mit

resorbierbarem MONOCRYL® Faden der Stärke 3-0 bis 4-0. Dabei handelt es

sich um einen ungefärbten synthetischen Faden mit monofiler Fadenstruktur. Die

Materialresorption ist hierbei nach ca. 90 bis 120 Tagen abgeschlossen.

In den Wundbereich wird zum Nachhalten der Größenverhältnisse ein schwarzes

Lineal mit weißer Schrift im Zentimetermaßstab (TELTRA) eingelegt. Zur

nachträglichen digitalen Bearbeitung des Weißabgleichs dient eine Weißtafel

(Fotowand), ebenso eine Farbtafel (AGFA GEVEART) zum nachträglichen

digitalen Farbabgleich. Die Bildebene wird parallel zur Motivebene (Wundebene)

gelegt. Der Motiv-Objektiv Abstand beträgt 50 cm. Der Bildmotivausschnitt wird

so gewählt, dass die Größenverhältnisse der Darbietung auf dem Monitor, bzw.

TFT-Bildschirm in etwa dem Betrachter ein der Realität entsprechendes Bild

wiedergeben. Die Aufnahme erfolgt im Automatikmodus der digitalen Kamera,

bzgl. der Einstellung des Blitzlichtes, der Blende, der Verschlusszeit und der ISO-

91

Empfindlichkeit sowie der Einstellung Makromodus. Die Aufnahmen erfolgen

unter den Lichtverhältnissen des Ausschlusses von Tageslicht. Als Leuchtquelle

dienen an der Raumdecke vormontierte Leuchtstoffröhren der Marke Osram

Lumilux Coolwhite 840 (mit 4000 Kelvin Farbtemperatur laut Herstellerangabe).

Diese werden zuvor 20 min. in Betrieb genommen. Der Einstrahlwinkel der

Leuchtquelle ist senkrecht über dem Motiv. Zusätzlich wird das

Farbverteilungsspektrum der in Betrieb genommenen Leuchtstoffröhren in Höhe

des Motivs mittels Minolta Chromameter CL 200 gemessen: Helligkeit 1980 lx;

Farbraum RGB: R (X) 1920, G (Y) 1980, B (Z) 1060; Farbtemperatur (T) 3995 K.

Vor Anfertigung der Versuchsreihe erfolgt ein manueller digitaler Weißabgleich

der 15 ausgewählten Bilddaten, nach klinischen, für eine Wundbeurteilung

geeigneten Gesichtspunkten. Mittels The Gimp Software Farbpipette (Abb. 44)

erfolgt eine möglichst naturgetreue Bildauswahl.

Abb.: 44. Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus der Werkzeugpalette des Weißabgleiches mittels Farbpipette von The Gimp.

5.9.7 Studie Fotoserie Kompression

Der Versuchsaufbau gestaltet sich analog der Anwendung siehe Kap. 4.9.6. Die

chirurgischen Wunden sind mit Prolene- oder Monocryl-Fäden verschiedener

Stärke verschlossen. Es werden neben Motiven mit komplikativem Verlauf auch

unkomplizierte Wundheilungsverläufe ausgewählt. Als häufigste Komplikationen

dienen Motive wie Serome, nässende Wunden, teils mit Pus, entzündete

Wundumgebungsbezirke, teils wundnekrotische Randbezirke sowie auch

Hämatome in unterschiedlichen Regenerationsstadien. Die 15 ausgewählten

92

Bilddaten werden unterschiedlichen Kompressionsstufen nach JPEG und JP2

mittels der Softwareprogramme The Gimp und Lurawave unterzogen.

5.9.8 Auswerteverfahren

Die Methode der Datengewinnung erfolgt in Form von Arten der Teilerhebung

durch nichtzufällige Auswahl, die so genannte repräsentative Quotenauswahl

(Ärzte/Probanden) als bewusste (typische) Auswahl. Die Technik der

Primärerhebung, der Befragung, gestaltet sich in Fragebögen, vermittelt durch

entsprechende Software. Die Maßzahlen geben den Querschnitt als

eindimensionale Häufigkeitsverteilung (bewertete Patientenbilder) wieder, sowie

zwei- und mehrdimensionale Häufigkeitsverteilungen (Farbräume). Die

Normierung der Maßzahlen wird wie folgt definiert: Aus der Maßzahl M mit dem

minimalen Wert Mu und dem maximalen Wert Mo erhält man durch

Lineartransformation auf einen bestimmten Wertebereich die normierte Maßzahl

M*:

Formale Kriterien gliedern sich in die Anzahl 0 (sehr gut) bis 10 (sehr schlecht).

Hier sei die Maßzahl nicht normiert. Diese Klassifizierung ist dann gut möglich,

wenn diese linear und äquidistant ist und eine genügend hohe Anzahl an

Ereignissen pro Merkmal, ähnlich den Schmerzskalen, enthält. Die Spannweite R

ist definiert als die Differenz zwischen dem größten und kleinsten

Beobachtungswert. Die Summenhäufigkeit ist eindimensional und gilt als

absolute kumulierte Häufigkeit:

Die Häufigkeit, die erforderlich ist, entspricht der Anzahl der einzelnen

Maßzahlen dividiert durch die Gesamtheit der Maßzahlen in Prozent. Das

arithmetische Mittel ergibt sich aus der unabhängigen Regel:

Tabelle 11 stellt das angewandte Schema der zweidimensionalen

Häufigkeitsverteilung dar, bezogen auf die prozentuale Auszählung der

M* = Mu*+(M-Mu)·(Mo*-Mu*)/(M

o-Mu)

Hi = i∑ j=1 hj = Ni/n

Mittelwert von x = 1/n·n∑v=1·xv

93

Farbbeurteilung (Farbabweichung Delta = 0% = Original, 6%, 12%, 18%, 24%,

30% zu den Bewertungsklassen 0-10).

Tab. 11 Eine zweidimensionale Häufigkeitsverteilung ist eine Zuordnung der gemeinsamen relativen (hij = Anzahl der Bewertungen pro Merkmal dividiert durch die Gesamtbewertung) Häufigkeiten zu den Ausprägungen xi des Merkmals nach Art hier gezeigter Matrix (X-Achse = Farbweichung; Y-Achse = Verhältnis gute zu schlechten Bildern).

Merkmale Y Merk-male X y1 y2 … yj … yk

x1 h11 h12 … h1j … h1k x2 h21 h22 … h2j … h2k : : : : : : : : : : xi hi1 hi2 …. hij …. hik : : : : : : : : : :

xm hm1 hm2 …. him …. hmk

Bezogen auf die drei reservierten Farbräume RGB, impliziert die Unabhängigkeit

hier die nicht umkehrbare Unkorreliertheit.

6 Untersuchungen

6.1 Versuchsreihen

6.1.1 Versuchsreihen Schärfentiefe

Mit der Durchführung der Versuchsreihen der Schärfentiefe soll gezeigt werden,

wie sich unter fotografischen Gesichtspunkten die Ausdehnung der Schärfentiefe

auf die Detailerkennbarkeit des medizinischen Wundbereiches auswirkt. Dies ist

umso bedeutsamer, je ausgeprägter die räumliche Ausdehnung des Motivs ist.

Von Interesse für den fachkundigen Betrachter sind hierbei insbesondere

Nahtmaterial (Knoten und Faden), Wundrand (Wulst), Wundgrund (wenn

vorhanden, mit Granulationsgewebe, Osteosynthesematerialien wie z.B. Platten,

Schrauben, Nägel, etc.), Flüssigkeiten (z.B. Serom, Pus, etc.), sowie außerhalb des

Wundbereiches angrenzende Verbandmaterialien und chirurgische

Osteosynthesematerialien (Pins, Drähte, Schrauben, Fixateure, etc.), evtl. hiermit

in Zusammenhang stehende Verlaufskomplikationen. Insbesondere sollen diese

möglichst frühzeitig zu erkennen sein.

Weiterhin soll auf die Unterschiede der Schärfentiefe ausgewählter digitaler

Kameramodelle Bezug genommen werden. Dies dient einer Eingrenzung der

94

Wahl des Kameramodells für die Praxis, für den Einsatz im operativen Bereich,

auf der Station, als auch in der Ambulanz.

Nach physikalischen Gesichtspunkten stellen Wunden und Verbände

dreidimensionale Flächen mit Wundausdehnungen (Wundtiefe, Wundlänge, etc.)

dar. Bestreben des Mediziners ist es, alle diese Strukturen des Bildausschnittes in

der Tiefe scharf dargestellt beurteilen zu können. Das menschliche Auge sieht

etwa unter einem Sehwinkel von 10 Grad scharf und weist an sich eine geringere

Leistungsfähigkeit als moderne Kameras auf. Durch zentral nachgeschaltete

verarbeitende Prozesse übersteigt aber letztlich das humane dreidimensionale

Sehvermögen das der Kamera. Die Schärfentiefe ist der Teil, den es zu

untersuchen gilt: Diese ist abhängig seitens der Optik, Blendenöffnung,

Brennweite, Entfernungseinstellung und Sensor als zentrales Thema. Die

technische experimentelle Durchführbarkeit gestaltet sich mit Pyramidenkeil unter

reproduzierbaren Bedingungen (Kap. 4.5.1). Hinsichtlich der klinisch

experimentellen Untersuchung gilt: Die gesamte Oberfläche des Probanden steht

zur Verfügung. Diese stellt sich als großdimensional dar, mit einer

Schärfentiefenausdehnung von 10 cm und mehr. Es handelt sich hierbei um

dreidimensionale Freiformflächen. Bei der klinischen Versuchsvorbereitung

wurde die Probandenwahl auf drei exemplarische Fälle chirurgischer Wunden

reduziert:

1) Chirurgische Wundnaht mit Fixateur extern an einem Unterschenkel (Nikon

D1X mit AF-Objektiv),

2) Tiefenausdehnung bei Wundheilungsstörung im Bereich der ventralen Tibia

(Canon G6 mit Zoomobjektiv),

3) Chirurgische Wundnaht lateral am Oberschenkel (PDA mit Festblende 2,4).

Da der Anschaffung ein schneller Modellwechsel der Kamera gegenübersteht

stellt sich zusammengefasst mit den Versuchsreihen der Schärfentiefe die Frage:

Ist vor dem Kauf der digitalen Kamera Zwecks Einsatzes im medizinischen

Bereich des Klinikalltages und der Televisite die Schärfentiefe zuverlässig bei

Formulierung des Anwendungsfalles (Einsatzbereich der Digitalkamera)

berechenbar.

95

6.1.1.1 Einfluss der Blendenzahl auf die Schärfentiefe

Zu Versuch 1: Bei dem Erkrankungsbild handelt es sich um eine

Wundheilungsstörung, sekundär abheilend, mit Plattenlagerinfektion

(Keimnachweis Pseudomonas aeruginosa) nach Tibiakopftrümmerfraktur mit

erheblicher Weichteilkontusion bei einem 70 Jahre alten männlichen Patienten.

Durchgeführt wird eine Serie von je 3 Fotos pro Blendeneinstellung. Die

Bildreihen werden nach folgendem Kriterium ausgewertet: Der Abstand (10 cm)

zwischen Fixateur externe und Wundfaden sollte scharf zu erkennen sein. Es

erfolgt ein Vergleich mit der Berechnung der Schärfentiefe (Kapitel 3.3.8.1, Tab.

4).

Der Fixateur externe kann bei Patienten mit schweren Weichteilschäden oder

komplizierten Verläufen angewendet werden. Daher bietet es sich an, diesen für

den Versuch der Schärfentiefe zu demonstrieren. Die Wahl des Wundmotivs mit

Fixateur externe eignet sich insbesondere durch die sich ergebende Distanz

zwischen Wundbereich und den Karbonfaserstangen, die hier in etwa bis zu 10

cm beträgt.

In dem durchgeführten Versuch entschied ich mich für das Motiv mit Wundnaht

plus Fixateur externe, da hier besonders hohe Ansprüche im Hinblick auf die

Schärfentiefe an das Zusammenspiel von Kameraobjektiv, Blende und Sensor

gestellt wurden.

6.1.1.2 Auswirkung der Objektiv-Motiv Distanz auf die Schärfentiefe

Zu Versuch 2: Bei dem Motiv handelt es sich um eine sekundär heilende Wunde

nach subtraktiver valgisierender Tibiakopfumstellungsosteotomie mit

Decortikation im Pseudarthrosenbereich.

In dieser Versuchsserie soll anhand der Beurteilung der Aufnahme mit einer

digitalen Mittelklassekompaktkamera und Vergleich mit der Berechnung geprüft

werden, inwieweit eine Variation der Distanz zwischen Objektiv und Motiv einen

Einfluß auf die Schärfentiefenausdehnung hat. Diese wird deutlich hervorgehoben

durch die erschwerte Bedingung des perspektivischen Aufnahmewinkels von in

etwa 25 Grad zur Motivebene.

Die Auswertung der Bildserien geschieht anhand der Beurteilung der

Detailerkennbarkeit der Wundränder, des Wundgrundes und des umliegenden

96

Hautmantels. Dieses Ergebnis wird mit der Rechnung Tab. 5 in Kap. 3.3.8.2

verglichen.

6.1.1.3 Kameragrenzen der Schärfentiefe

Zu Versuch 3: Es handelt sich bei dem Erkrankungsbild um eine Hüftgelenksnahe

Wunde nach operativ versorgter Fraktur (DHS). In dieser Versuchsserie sollen die

Grenzen der Schärfentiefe der aktuellen eingesetzten Mobiltelefondigitalkameras

im Vergleich zu den Mittelklasse AF-Kompaktkameras als Referenz untersucht

werden.

Die Auswertung wird durchgeführt mit Vergleich der Aufnahmen in Kap. 6.2.3,

Abb. 48, sowie den Ergebnissen in Kap. 3.3.8.3, Tab. 6 und Gegenüberstellung

der Rechnung.

6.1.2 Lineale zur Wundvermessung

In dieser Versuchsserie sollen die ausgewählten in der medizinischen Fotografie

erprobten Lineale hinsichtlich der Praxistauglichkeit anhand visueller

Aufnahmebeurteilung aus 50 cm Objektiv Motiv Distanz verglichen werden.

Die Lineale sind in der Versuchsreihe in einer Motivebene angeordnet (Kap. 4.6).

Die Positionierung des Lineals im oder als Hintergrund erweist sich als

ungeeignet, da der Maßstab vorwiegend erkennbar nur scharf in der Bildebene,

sprich Wundebene, bei einer Distanz Hautoberfläche zu Hintergrund von bis zu

10 cm oder mehr abgebildet wird. Lineale sind nur zur Abschätzung der

Größenverhältnisse geeignet, unter der Annahme das Motiv entspricht der

Oberfläche eines Körperteiles. Systematische Messfehler treten durch Tiefe des

Objektes und nicht längentreue Projektion auf. Hierunter fällt u.a. der

Parallaxenfehler (griech. Vertauschung) siehe Kap. 3.4.1. Maßstäbe sind demnach

nur geeignet bei Frontalaufnahmen (Kamera ist parallel zur Bildebene). Die

Aufnahme der Lineale erfolgt in der Versuchsserie aus der Totalen.

Es gilt zu beachten, dass zu hohe Lichtmengen benachbarte Sensorpixel

beeinflussen (Ladungsträger wandern in die Nachbarpixel), und daher geben

Maßstäbe mit dunklem Hintergrund (schwarz, blau) und hellen Markierungen,

bzw. Strichen kontrastreichere Linien im Bild ab. Dies soll in der Versuchsreihe

visuell anhand der Aufnahme dargestellt werden.

97

6.1.3 Fotoserie Farbverschiebung

Anhand der Fotoserie soll ein zulässiger Toleranzbereich für die Verschiebung in

den einzelnen RGB-Farbräumen zur Beurteilung von den ausgewählten

chirurgischen Wundmotiven erarbeitet werden. Die Versuchsdurchführung erfolgt

wie in Kap. 4.9.6 und 5.3.1 beschrieben. Es wird vornehmlich auf reproduzierbare

Lichtverhältnisse bei den Serien geachtet. Die Aufnahmen erfolgen unter

klinikalltäglichen Beleuchtungsverhältnissen. Es wird pro Wundmotiv eine

Aufnahmeserie mit jeweils 15 Fotos mit und ohne Zusatzblitzlicht durchgeführt.

Hiervon wird exemplarisch je eine repräsentative Bilddatei ausgewählt und in die

Studie eingearbeitet. Die Auswahl der Probanden und die Durchführung der

Betrachtungsstudie erfolgen analog der in den Kap. 4.9.1 und 4.9.5

durchgeführten Vorgehensweise. Weiterführende Angaben bzgl. der Studie

Farbverschiebung siehe Kap. 5.3.2.


Das Interesse dieser Versuchsreihe galt der Fragestellung, in wiefern möglichst

eine hohe Farbtreue der digitalen Fotografie unter Arbeitsbedingungen als

Mediziner erreichbar ist. Hierzu werden zunächst die Beleuchtungsverhältnisse

unter Alltagsbedingungen für den Fotografen auf klinischen Stationen, dem

operativen Bereich und Televisite erfasst. Gemessen werden in Teil 1 mit dem

Minolta Chroma CL 200 Spektrometer die RGB-Verteilung und die

Farbtemperatur in den in Kap. 6.4.2, Tab. 19 genannten Einrichtungen. Zur

Relevanz der Leuchtquelle in der digitalen Wundfotografie sei bemerkt, dass

ebenso die Auflösung von der Beleuchtung abhängig ist.

Bei der Durchführung des Experimentes sei auf die Auswahl der Leuchtquellen

hingewiesen: Handelsübliche Leuchtstoffröhren der Marke Osram L36W/21

Lumilux 840 Coolwhite, mit einem farbräumlichen Verteilungsspektrum von

siehe Kap. 3.5.2, Abb. 16 und somit einem prominenten Gelb- und Grün-Anteil,

bei akzeptablem Blauwert-Anteil. Diese sind unter den klinisch vorgeschriebenen

Gesichtspunkten im OP-Bereich, den Behandlungsräumen der Notfallaufnahme,

auch als Flurbeleuchtung auf den Stationen und den Patientenzimmern der

Stationen vorinstalliert und in Betrieb genommen. Ebenso ist ein Vorkommen

dieses Leuchtentypes unter alltäglichen Bedingungen im Rahmen der Telelvisite

durchaus anzunehmen. Die Farbtemperatur des genannten Leuchtstoffröhrentypes

98

beläuft sich laut Hersteller Angaben auf 4000 Kelvin. Es werden darüber hinaus

Bedingungen mit Tageslicht und Mischlicht (Kap. 6.4.2, Tab. 19) berücksichtigt.

Teil 2 der Versuchsreihe beschäftigt sich mit dem in Kap. 6.4.2

herausgearbeiteten quantifizierbaren Faktor Farbtemperatur bei Belassung aller

anderen Parameter: Motivauswahl, Hintergrundwahl, Lagerung des

Patientenarmes, Markierung, Bildausschnitt, Aufnahmewinkel und Ebene,

Scharfstellung, Motiv-Objektiv Distanz, Motiv-Leuchtmittel Abstand,

Einstrahlwinkel des Leuchtmittels zur Kamera, flächenhafte gleichförmige

Ausleuchtung (diffuser Strahler mit nahezu 180 Grad Abstrahlwinkel) und des

reproduzierbaren Zustandes (Fotostudio unter Ausschluß von Fremdlicht). Der

Variable Parameter (T) gestaltet sich durch die in Kap. 4.7.2 genannten

Leuchtmittel. Die Motivwahl beschränkt sich auf einen Unterarm des Patienten,

versorgt mit chirurgischer Wundnaht und Mini-Fixateur-extern. Frakturen in

diesem Extremitätenausschnitt stellen ein hohes Klientel an Patienten dar,

insbesondere für die poststationäre telemedizinische Nachsorge. Zudem erleichtert

das Motiv durch seine anatomische Begrenzung die Schärfentiefenabbildung. Es

werden 5 Bilderserien à 4 Fotos unter den in Kap. 4.7.2 genannten Bedingungen

durchgeführt. Parallel werden mittels Minolta CL200 Spektrometer der RGB-

Wert und die Farbtemperatur gemessen.

Viele Parameter haben Einfluss auf die Beleuchtungsverhältnisse im Klinikbe-

reich: Die Farbtemperatur, helles bzw. dunkles Licht, Mischlicht und die Lichtin-

tensität. Das erstgenannte erweist sich als quantifizierbar. Angemerkt sei die

Normlichtart D65, als Weißpunkt innerhalb des CIE, die als Referenzpunkt für die

Untersuchung am Patienten dient, dargelegt durch Osram Lumilux 865 Daylight

mit 6000 K Farbtemperatur. Alle anderen Variablen werden darauf bezogen.


Innerhalb der Versuchsreihe soll die Tauglichkeit von kliniküblichen

Mullkompressen und Cosmopor Klebepflastern als Weißtafel für den

automatischen Weißabgleich in der digitalen Wundfotografie untersucht werden.

Die Testreihen erfolgen unter Fotostudiobedingungen. Getestet werden je 10

Mullkompressen (Fuhrmann), 10 Cosmopor-Pflaster (Hartmann) und als Referenz

die Weißplatte (Fotowand) unter den Beleuchtungsbedingungen Lumilux

Coolwhite 840 und Tageslicht mit Kamerablitzlicht.

99

Abb.: 45. Die Abbildung A zeigt die manuelle Auswahl mit der Farbpipette von The Gimp, hier am Beispiel einer Cosmopor Wundpflaster Rückseite. Teil B zeigt die prozentuale RGB-Farbraum-Auswertung mit Thumbs Plus. Die ermittelten Werte werden mittels Excel anhand von Tabellen zusammengefasst (Kap. 6.5).


Mit dieser Versuchsreihe soll der Einfluß der Hintergrundwahl experimentell

verifiziert werden, da aus eigenen Erfahrungen in der digitalen Fotografie dieser

eine besondere Auswirkung auf die Abbildung des jeweiligen Motives hat. Die

verwendeten Materialien werden üblicherweise in der Klinik, insbesondere im

chirurgischen Umfeld, alltäglich benutzt. Die Untersuchungen finden unter

gleichbleibenden Bedingungen statt. Zu den konstanten Parametern gehören Art,

Abstand und Einstrahlwinkel der Lichtquelle, Kamera und deren

Einstellparameter (Automatikmodus, Objektiv-Motiv Distanz, Aufnahmewinkel

in der Frontalebene). Hierzu finden Vergleiche, insbesondere des Farbverlaufes,

der einzelnen Aufnahmen der jeweiligen Bildserien statt. Der einzige variable und

zu untersuchende Parameter besteht aus der Hintergrundauswahl.

6.2 Kompression


Bei der Befundung medizinischer digitaler Bilddatensätze kann es bei höheren

Kompressionsraten zum auftreten von Kompressionsartefakten kommen, wodurch

erheblich die Diagnosestellung beeinträchtigt werden kann.

Innerhalb ausgewählter digitaler Bilddatensätze von medizinischen Wundauf-

nahmen soll das Auftreten folgender typischer Kompressionsartefakte bei JPEG

und JP2 in Abhängigkeit der Kompressionsrate im Vergleich zum unkomprimier-

ten Bilddatensatz dargestellt werden: Bei JPEG Kompression Blockartefakte und

Ringing-artifacts. Bei JP2 Kompression Blurring-artifacts.

A B

100


Durch den Vorgang der Komprimierung wird die ursprüngliche Bilddatenmenge

auf ein speicher- und verarbeitungsfähiges handliches Maß reduziert. Gezeigt

werden sollen die Einflüsse und Grenzen der digitalen JPEG-Kompression in der

Wundfotografie für die Betrachtung am Bildschirmarbeitsplatz, exemplarisch an

15 repräsentativen digitalen Wundaufnahmen. Die Aufnahmeserien finden unter

Fotolaborbedingungen statt, unter Ausschluss des Tageslichtes. Die Wundmotive

wurden nach den in Kap. 4.9.1 genannten Kriterien ausgewählt.

6.3 Studien

6.3.1 Studie Patientenfotos Televisite

Zur Beurteilung wird jedes einzelne Bild in der gleichen Auflösung von 800 x 600

Pixel über ein Java Programm bildschirmfüllend dargestellt. Die Probanden

können per Maussteuerung jedem Bild eine Bewertung von 1 (sehr gut

beurteilbar) bis 10 (nicht beurteilbar) zuweisen. Zusätzlich wird der Name,

Vorname, Geburtsdatum, sowie die fachliche Qualifikation des jeweiligen

Probanden aufgezeichnet. Die Beobachtungszeit für die Beurteilung eines

Einzelbildes kann frei gewählt werden.

Tab. 12 Anteil der Patienten-Bilder je Bewertungsstufe durch die Probanden.

Laien 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Summe Anzahl Bilder 992 902 1570 1569 1297 1000 729 585 407 261 9312 Anteil in % 10,65% 9,69% 16,86% 16,85% 13,93% 10,74% 7,83% 6,28% 4,37% 2,80% 100,00% Pearson- Fit % 9,24% 12,03% 15,60% 17,25% 14,01% 10,42% 7,81% 5,91% 4,45% 3,28% 100,00%

Ärzte 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Summe Anzahl Bilder 104 1105 2590 2118 1488 1105 1351 760 620 399 11640 Anteil in % 0,89% 9,49% 22,25% 18,20% 12,78% 9,49% 11,61% 6,53% 5,33% 3,43% 100,00% Pearson- Fit % 0,65% 9,49% 22,19% 18,02% 13,62% 10,48% 8,30% 6,76% 5,64% 4,80% 99,96%

Die Anteile pro Bewertungsstufe werden als Histogramm getrennt nach Laien und

Ärzten dargestellt (Tab. 13).

101

Tab. 13 In dieser Graphik wird die deutliche Diskrepanz zwischen Ärzten und Laien bei den Bewertungsstufen 1 bis 3 veranschaulicht.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Laien

Ärzte

Fit-Laien

Fit-Ärzte

gut schlecht

Pearson

Verteilung

Mit einem geeigneten Statistikprogramm (Table Curve 2D, Vers. 5.01) wird

zunächst für beide Personengruppen aus einer Vielzahl möglicher

Verteilungsfunktionen diejenige angepasst, welche am besten die Asymmetrie im

Histogramm mit den wenigsten Freiheitsgraden beschreibt. Interessanterweise ist

aus der Gruppe der asymmetrischen Verteilungen die Pearson-Verteilung-IV für

beide Gruppen (Laien und Ärzte) die geeignetste.

Pearson-Verteilung-IV (a,b,c,d,e,f) mit den Größen Amplitude a, Mitte b, FWHM

c und den Nebenbedingungen: c > 0, d > 0.

Die Anwendung dieser Klasse von Verteilungen auf leicht asymetrische

Histogramme ist im Nachhinein jedoch nahe liegend. Die Grundlage und

Anwendung der Pearson Kurven (Karl Pearson, 1857 - 1936) erscheint in mehr

als 300 seiner mathematischen Beiträge in der Statistik: Zum Beispiel Koeffizient

von Eventualität, Produktmomentkorrelation, Chi Platz, Kurtosis, normale Kurve

und andere Verteilungen, mehrfache Korrelation, Koeffizient von Variations- und

Standardabweichung und mehrfachen Regressionsgleichungen. Bekannt sind auch

die Beiträge zur Theorie von Evolution: III. Zurückentwicklung, Vererbung und

Panmixia [111, 112].

102

Das diskrete Bewertungsspektrum von 1 bis 10 aller Probanden wird in eine gute

und eine schlechte Bildqualität klassifiziert. Es wird eine Grenze für akzeptable

Bilder in Übereinstimmung der behandelnden Ärzte bei der Bewertungsstufe 6

festgelegt: D.h. alle Bilder mit einer Bewertung kleiner gleich 6 gelten als

medizinisch auswertbares Material. Aus dieser Aufteilung wird nun der

Maximum-Likelihood-Schätzer für den Parameter einer Binomialverteilung

bestimmt. Mit diesem zugrunde liegenden Parameter werden dann die Anzahl

nötiger Bilder errechnet, um eine vorgegebene Konfidenz für mindestens ein gut

bewertbares Bild zu erhalten.

Nun definiert man

P = “gute Bilder“ / „Gesamtzahl Bilder“

für jede Person bzw. Klassifikation. Mit diesem Quotient errechnet sich sodann

die nötige Mindestanzahl an Bildern, um mindestens ein „gutes Bild“ mit einer

vorgegebenen Konfidenz zu erhalten. Dies geschieht über die Binomialverteilung

(„Ziehen ohne Zurücklegen“):

( ) ( )in n Zügen r gute Bilder 1n rr

nP p p

r

− = −

Die Konfidenzbereiche werden explizit mit Mathematica v5.0 errechnet:

Bin[n_, r_, p_]:= Binomial[n, r]*p^r*(1-p)^(n-r);

mit dem Ansatz

1-Bin[n, 0, p] = Konfidenz

Dieser Ansatz bestimmt die Wahrscheinlichkeit „nach n Zügen mindestens ein

gutes Bild“ vom Patienten zu erhalten.

Aus der obigen Tabelle ist offensichtlich, dass generell 3 Bilder ausreichen, um

mit mindestens 95% Sicherheit ein gutes Bild zu erhalten. Dabei ist es

unerheblich, ob Laien oder Ärzte die Bilder bewerten. Die

103

Einzelpersonenschwankung ist zwar bei den individuellen p-Werten relativ groß,

bewegt sich jedoch noch im tolerierbaren Akzeptanzbereich.

Die bisherige Vorgabe an Televisitenpatienten mindestens 4 Fotos von ihrer

Wunde unter möglichst verschiedenen Bedingungen (Blitz, ohne Blitz, 2

Ansichten) pro Tag zuzusenden, ist eine vernünftige Wahl. Statistisch liegt die

Wahrscheinlichkeit, ein medizinisch bewertbares Patientenbild von insgesamt 4

Bildern zu erhalten, bei mehr als 98%.

6.3.2 Studie Farbverschiebung

Der manuelle digitale Nachbearbeitungsschritt wird mit Thumbs Plus 6.0

durchgeführt: Eine Verschiebung separiert den R-, G- und B- Raum in 5er

Schritten, von +30 bis -30 (Kap. 4.3.1): +6, +12, +18, +24, +30; -6, -12, -18, -24, -

30 und 0 ergeben 11 Abstufungen. Gezeigt werden soll mit dieser Versuchsserie,

welchen Einfluss die Veränderung der einzelnen Farbräume für die Befundung

der Wundabbildung bei Betrachtung am Monitor bzw. TFT-Bildschirm hat und

damit letztlich Auswirkung auf die medizinische Diagnosestellung. Neben der

Einflussnahme hinsichtlich der Beurteilbarkeit ist der noch tolerierbare Bereich

der +/- Farbabweichung des entsprechenden Raumes von Interesse, der hier als

vertretbar empfohlen werden kann. Zur Probandenauswahl und deren Kriterien

siehe Kap. 4.9.1.

6.3.3 Studie Fotoserie Kompression

Es sollen mit dieser Versuchsserie die Einflüsse und Grenzen der digitalen JPEG-

Kompression in der Wundfotografie für die Betrachtung am

Bildschirmarbeitsplatz dargestellt werden, exemplarisch an 15 repräsentativen

digitalen Wundaufnahmen. Des Weiteren erfolgt ein Vergleich zwischen dem

etablierten JPEG und dem neueren JP2. Die manuelle Nachbearbeitung wird mit

der Software The Gimp und dem Luratech durchgeführt. Es wird eine Abstufung

in 5% Schritten vorgenommen (100%, 95%, etc. bis 18%, 12%, 8%, 5%, 2%).

Somit ergeben sich unter optimierter Bearbeitung und bestmöglichen

Bedingungen 24 Stufen. 100% entsprechen etwa 2,6 bis 2,8 MB, 2% in etwa 30

bis 60 kB. Die Kompression erfolgt in einem Schritt. Die Ausgangsbilddateigröße

wird auf die Hälfte reduziert, weiter in 100 Kilobyte Schritten bis auf 100

Kilobyte Dateigröße. Unter 100 Kilobyte erfolgt die Reduzierung in 10 Kilobyte

104

Schritten bis auf eine Dateigröße von 20 Kilobyte. Zuletzt wird auf 18, 16, 12 und

6 Kilobyte reduziert.

7 Ergebnisse

7.1 Patienten

Die Größe der Untersuchungsgruppe (Kap. 4.9.3), eine nach SF 12 Evaluations-

Standard konzipierte Studie zur Befragung von Televisite-Patienten, ergab eine

hohe Akzeptanz und Zufriedenheit in Bezug auf das Televisite-Verfahren.

Anhand der Größe der Untersuchungsgruppe kann hinsichtlich der Anwendbarkeit

dieses Konzeptes der Televisite eine gesicherte Aussage getroffen werden: Es

zeigte sich, dass alle Altersgruppen für den Bereich von unter 20 Jahren bis über

70 Jahren in den Prozess eingebunden werden konnten (Kap. 6.1.1, Tab. 14).

Insbesondere konnte eine verkürzte stationäre Verweildauer, bei gleich bleibender

Versorgungsqualität nachgewiesen werden.

7.1.1 Patientenfotos Televisite

Tab. 14 Darstellung der Auswertung der Studie Patientenfotos Televisite. Die Vorstudie beinhaltet Patienten, die nicht randomisiert erfasst worden sind. A-Pat.: Patienten mit Televisite. B-Pat.: Patienten ohne Televisite.

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

35,0%

Vorstudie 6,5% 6,5% 19,4% 29,0% 19,4% 16,1% 3,2% 0,0%

A-Pat. 7,0% 8,8% 21,1% 24,6% 21,9% 11,4% 4,4% 0,9%

B-Pat. 3,1% 9,4% 21,9% 15,6% 31,3% 12,5% 6,3% 0,0%

bis 20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80über

80

105

Diese Studie zeigt auf pragmatische Weise, dass die Digitalfotografie mit

hochwertigen Kompaktkameras (hier Canon G3 und G5) einen Stand erreicht, wo

Patienten eigenständig oder mit Hilfe des Lebenspartners die Fortschritte der

individuellen Wundheilung für den behandelnden Arzt medizinisch bewertbar

dokumentieren können. Tabelle 14 stellt die Altersverteilung der Studienpatienten

dar.

7.2 Schärfentiefe

Vorab der Präsentation der Ergebnisse aus den einzelnen Versuchsreihen zum Thema

Schärfentiefe (Kap. 6.2.1 bis 6.2.4) werden nachfolgend Resultate dargeboten, die

der Optimierung der Schärfentiefe bei Wundaufnahmen dienen:

Vor dem Kauf der digitalen Kamera sollte vorzugshalber eine Berechnung mit einem

Schärfentiefekalkulator durchlaufen werden, beispielsweise mit dem

Schärfentieferechner von Erik Krause (Kap. 3.3.8). Den Fotokameras, insbesondere

Kompaktkameras, sind aufgrund der durch die Konstruktionsweise bedingten

physikalischen Eigenschaften sowie der nachfolgenden Darstellungsweise (Druck,

Monitor, etc.), enge Grenzen in der perspektivischen Darstellung gesetzt. Bei der

Wahl der Lichtverhältnisse ist zu beachten, dass ein entsprechender Schattenwurf für

den besseren perspektivischen Eindruck gewählt wird. Leistungsfähige digitale

Kameras (z.B. Nikon D-Serie) mit entsprechendem kompatiblem Wechselobjektiv

erreichen eine numerische Apertur-Breite von 2,0 bis zu 22, bzw. 28. Eine akzeptable

Schärfentiefebereichsausdehnung, wie sie in der digitalen Wiedergabe von

chirurgisch versorgten Wunden zu fordern ist, benötigt eine Blendenzahl von 5,6 und

mehr. Digitale Kompaktkameras (wie etwa die Canon G-Serie mit eingebautem

Zoomobjektiv) besitzen einen engeren Arbeitsbereich wie z.B. die in der

Televisitepraxis angewendete Canon G6 mit einem Blendenvorwahlbereich von 2,8

bis maximal 8,0. Hier ist die untere Grenze des Blendenschlusses erreicht. Die

Einstellung einer kleineren Blende erfordert mehr Licht bei Verschlusszeiten unter

1/60 Sekunden. Empfehlenswert ist bei einer Einstellung mit der Blende 5,6 sowie

größer zur Unterstützung als Zusatzlichtquelle den Automatikblitz zu wählen.

7.2.1 Einfluss der Blendenzahl auf die Schärfentiefe

Die Blendenvorwahl von 2,8 ergab eine geringe, ab Blende 5,6 und größer eine

optimale Ausdehnung der Schärfentiefe bei den Aufnahmen mit der Nikon D1X.

106

Exemplarisch lässt sich hier der Effekt der Schärfentiefenausdehnung an der weißen

Skalierung des schwarzen Lineals darstellen. Auch anhand der

Karbonfaserstangenmaserung sowie der Backen-Muttern ist dies nachvollziehbar.

Insbesondere ist das Ergebnis an der Beschriftung der Backen und der Wundnaht zu

sehen (Abb. 46, A-D, A`, C`, D`).

Abb. 46a: Blende 2,8

Abb. 46b: Blende 5,6

A

B

A`

107

Abb.: 46. Darstellung der Aufnahmen des Versuches Einfluss der Blendenzahl auf die Schärfentiefe, mit je unterschiedlicher manueller Blendenvorwahl (Nikon D1X). Anschaulich wird die Auswirkung auf die Schärfentiefe beispielhaft anhand der Ausschnittsvergrößerung gezeigt. Abb. A bis D und dazugehörend A`, C` und D`: Ausschnittsvergrößerungen jeweils der zugehörigen Abb. 46 a bis d, hier angeführt als weiterführendes Beispiel der Blendenvorwahl auf die Schärfentiefe des interessierenden Wundbereiches.

Abb. 46c: Blende 8,0

Abb. 46d: Blende 22

C

D

C`

D`

108

Der Vergleich dieses Ergebnisses mit der Rechnung in Kap. 3.3.8.1, Tab. 4, ergab

eine Teilübereinstimmung: Bei 50 cm Distanz Objektiv zum Motiv ergab die

Schärfentiefeberechung mit dem Schärfentieferechner von Erik Krause eine

solche von 6,44 cm bei der Blendenvorwahl 8,0. Unsere klinische Versuchsserie

ergab, dass ab der Blendezahl 8,0 eine Schärfentiefe von 10 cm erreicht ist. Somit

konnte bei der Anwendung der Nikon D1X mit Objektiv unter den genannten

Voraussetzungen gezeigt werden, dass die genannte Blendenvorwahl für den

medizinischen Einsatzbereich an dem besagten Beispiel erfüllt war und sich somit

als empfehlenswert erwies.

7.2.2 Auswirkung der Objektiv-Motiv Distanz auf die Schärfentiefe

Als Exemplar zur Darstellung der Auswirkung der Motiv-Objektiv Distanz auf die

Schärfentiefe wurde das Motiv mit einer Wundtiefenausdehnung von 1 bis 1,5 cm

und einer Länge von etwa 7 cm und Breite von etwa 4 cm gewählt (Canon G6, Abb.

47). Die Auswertung der Bildserien dieses Versuches ergab, dass ab einer

Blendenvorwahl von f > 5,6 der Wundrand, die Wundtiefe und der umgebende

Hautmantel (zu beachten sei die Rundung des Unterschenkels mit variierender

Schärfentiefe) als scharf im Bild anzusehen sind. Hierbei ist die obere Wundkante als

Bezugspunkt scharf gestellt worden. Die Ausdehnung war anhand des sich den

Rundungen des Unterschenkels anpassenden Lineales verfolgbar. Schlussfolgernd

ergibt sich ein begrenzter Schärfentiefenbereich vor und hinter der fixierten

Bildebene bei der Aufnahmedistanz von 50 cm. Die gemessene Schärfe umfasst

innerhalb der Bildebene einen Umfang von etwa 10 cm, bei einer Tiefenausdehnung

von etwa 4 cm.

Bei der Wahl der Distanz von 25 cm verringerte sich der Schärfebereich innerhalb

der Bildebene auf 5 cm Breite und etwa 1 bis 1,5 cm Tiefenausdehnung. Die

Berechnung mit dem Schärfentieferechner von Erik Krause ergab bei 25 cm Distanz

eine Schärfentiefe von 1,15 cm und bei 50 cm von 4,75 cm der Canon G-Serie bei

Blende 5,6. Diese Aussagen decken sich teilweise mit den Ergebnissen aus unserer

klinischen Versuchsreihe. Exemplarisch wird die Auswirkung der Variation der

Aufnahmedistanz auf den Schärfentiefebereich nachvollziehbar an den in Abb. 47

dargestellten Teilen A und B mit den blauen Pfeilen markierten Positionen gezeigt.

Hier ist eine deutliche Diskrepanz der Schärfe insbesondere des Nahtmaterials und

den umgebenden Wundbereich zwischen beiden Aufnahmen zu erkennen.

109

Abb.: 47. Darstellung der Auswirkung der Motiv-Objektiv Distanz auf die Schärfentiefe. Aufnahmen mit der Canon G6 im Automatikmodus: A aus 25 cm und B aus 50 cm Distanz. Scharfstellung auf den proximalen Wundrand. Den interessierenden Wundschärfebereich markieren je die blauen Pfeile in A und B, genauer den Faden mit umliegendem Wundbereich. Der Vergleich zeigt exemplarisch die Schärfentiefenausdehnung. Diese variiert durch die unterschiedliche Nahdistanz des Objektives zum Motiv.

A

B

110

7.2.3 Kameragrenzen der Schärfentiefe

Abb.: 48. Angewandte Kameramodelle: A Sony Ericsson P910i, B Vodafone PDA, C Nikon Coolpix 995, D Canon G6.

A B

C D

D

B

111

In dieser Versuchsreihe kamen folgende Mobiltelefone mit digitalen Kameras zum

Einsatz: Das Sony Ericsson P910i und die Vodafone PDA. Als Referenzkameras

wurde die Canon G6 und die Nikon Coolpix 995 eingesetzt. Deutlich

nachvollziehbar erläutern die in der Abb. 48 unter A bis D gezeigten Ausschnitte die

Grenzen der Schärfentiefe der aktuellen hier eingesetzten

Mobiltelefondigitalkameras im Vergleich zu den beiden Mittelklasse AF-

Kompaktkameras. Dargestellt sind Aufnahmen ein und derselben Wundnaht unter

gleichen Umgebungsbedingungen ohne Blitz im direkten Vergleich.

7.2.4 Zusammenfassung Schärfentiefe

Das Gesamtergebnis der Versuchsreihen der Schärfentiefe lässt sich wie folgt

zusammenfassen: Der Versuch Einfluss der Blendenzahl auf die Schärfentiefe,

mit Einstellung der Bildebene in der Totalen, ergab hinsichtlich der Schärfentiefe

ein empfehlenswertes Ergebnis ab einer Blendenzahl von 5,6 bei 50 cm Distanz

Objektiv zum Motiv. Unsere weitere klinische Versuchsserie ergab, dass ab einer

Blendezahl von 8,0 eine Schärfentiefe von 10 cm erreicht ist. Der Vergleich mit

der Schärfentiefeberechung mit dem Schärfentieferechner von Erik Krause ergibt

bei einer Blendenvorwahl 8,0 eine solche von 6,44 cm.

Der zweite Versuch Auswirkung der Objektiv-Motiv Distanz auf die

Schärfentiefe wurde mit Variierung der Distanz mit 25 cm und 50 cm bei der

Aufnahme und bei Positionierung der Bildebene unter einem Winkel von 25 Grad

durchgeführt. Bei beiden Einstellungen konnte ein akzeptables

Abbildungsergebnis des scharf fixierten Bereiches ab Blendenzahl 5,6 verzeichnet

werden. Hier wurde exemplarisch der Einfluss der Distanzverkürzung auf 25 cm

auf die Schärfentiefenausdehnung mit deutlicher Zunahme des

Unschärfebereiches dargestellt. Generell ist vor dem Kauf der digitalen Kamera

die Berechnung mit einem Schärfentiefekalkulator angeraten. Hier wurde der

Schärfentieferechner von Erik Krause eingesetzt. Der Versuch Mobiltelefone mit

integrierter Digitalkamera zeigte Grenzen der Schärfentiefe der beiden hier

eingesetzten modernen Modelle (Abb. 48).

7.3 Lineale zur Wundvermessung

Die Anwendung eines Lineales, mit dem Größenmaßstab in Zentimeter und

Millimeter, positioniert im Abstand von einem bis anderthalb cm parallel zum

112

Wundverlauf, erleichtert dem Betrachter die Zuordnung der Motivdetails in den

realistischen Maßstab. Die nachfolgende Darstellung verdeutlicht die

Skalierungserkennbarkeit bei der Fotolaboraufnahme aus der Totalen mit der Canon

G6. Abgelichtet sind drei Papierbedruckte Lineale (zweimal weiß, einmal schwarz),

sowie zwei Metall-Lineale, blau emailliert und blank mit grauer Beschriftung (Abb.

49).

Abb.: 49. Ausschnitt mit 110% Vergrößerung. Die Fotolaboraufnahme zeigt den Vergleich der in der medizinischen Fotodokumentation angewendeten Lineale (Maßstab in cm). Von links: a) Coloplast Wundversorgung, b) Convatec, c) Protek AG, d) TELTRA, e) Aesculap AG&CoKG. Die Größenverhältnisse der Abbildungen zu den Originalen betragen in etwa 1:1.

Als Fazit ergibt sich eine vorteilhafte Anwendbarkeit des schwarzen Papierlineals

(d) bei besonders guter Ablesbarkeit der Skalierung (TELTRA). Die Wahl des

Lineales mit weißer Schrift auf schwarzem Hintergrund reduziert die Reflexion

und lässt bei höherer Vergrößerung die Erkennbarkeit des Größenmaßstabes zu.

Ebenso gilt dies für das blau emaillierte Metall-Lineal (Protek AG).

a) b)

c)

d) e)

113

7.4 Farbe

7.4.1 Farbverschiebung

Aus den Ergebnissen der in den Kap. 4.9.6 und 5.3.2 erläuterten

Studienversuchsdurchführung erfolgte die Ausarbeitung zweier

Bewertungsklassen hinsichtlich der Bildgüte: 0 bis 5 und 6 bis 10 jeweils pro

Farbabweichung. Daraus resultierten 2 Qualitätsklassen (chirurgisch bewertbare

und medizinisch nicht bewertbare Bilder) zu den Farbabweichungen von -30% bis

+30% der kalibrierten unverfälschten Ausgangsbilder. Anschließend wurde die

Anzahl der Bildbewertungen pro Klasse und Farbabweichung gezählt. Die

Normierung auf die gesamte Zahl aller bewerteten Bilder ergab zusammen 1 (=

100%). Der weitere Schritt bestand in der Zusammenfassung der positiven und

negativen Farbabweichungsstufen von +/- 6%. Der Null-Bereich, der dem

Ausgangsbild entsprach, wurde in die Zählung nicht mit einbezogen, da dieser als

optimal im Vorfeld klassifiziert wurde. Die Tabellen 15 bis 17 geben die

Darstellung der Studienergebnisse (Kap. 5.3.2) in Form von dreidimensionalen

Säulendiagrammen mittels Excel, mit den Parametern X: Güteklassen 1 bis 10, Y:

Anteil der Bilder in 0 bis 5% Schritten, Z: Farbabweichung + 30% bis - 30%, je

für die Farbverschiebungsbeurteilungen für Rot, Grün und Blau wieder. In Tabelle

18 sind die Teilklassen summiert.

114

Tab. 15 Auswertung der Farbverschiebungsbeurteilung für Rot.

-30-24

-18-12

-60

612

1824

30

1

3

5

7

9

0%

1%

2%

3%

4%

5%

Anteil

Bilder

Farbabweichung in %Güteklasse 1 bis 10

Rot

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tab. 16 Auswertung der Farbverschiebungsbeurteilung für Grün.

-30-24

-18-12

-60

612

1824

30

1

3

5

7

9

0%

1%

2%

3%

4%

5%

Anteil

Bilder


Grün

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

115

Tab. 17 Auswertung der Farbverschiebungsbeurteilung für Blau.

-30-24

-18-12

-60

612

1824

30

1

3

5

7

9

0%

1%

2%

3%

4%

5%

Anteil

Bilder


Blau

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Schlussfolgernd lässt sich hieraus die folgende Regel ableiten: Eine

Farbabweichung von ± 6% im RGB-Farbraum bedeutet: Diese liegt in einem

tolerierbaren Rahmen. Die gesamte Farbabweichung, transformiert aus dem RGB-

Farbraum in den Luv-Raum, beträgt unter 10%.

Tab.18 Ergebnis durch summieren der Teilklassen.

6% Farbabweichung 12% Farbabweichung Farbraum akzeptabel unakzeptabel akzeptabel unakzeptabel

R 95% 0,4% 63% 7,0% G 94% 0,4% 60% 8,5% B 96% 0,6% 70% 8,0%


Es konnte festgestellt werden, dass im Klinikalltag größtenteils

Beleuchtungsverhältnisse unter Mischlicht, wie Tageslicht plus

Leuchtstoffröhrenlicht, sowie Räume mit Leuchtstoffröhren verschiedenen

Farbtemperaturspektrums vorhanden sind (Tab. 19). Die Farbtemperatur des

untersuchten Leuchtstoffröhrentypes Osram Lumilux 840 Coolwhite beläuft sich

116

auf 4000 Kelvin laut Herstellerangaben. Der Einsatz dieses

Leuchtstoffröhrentypes in der digitalen Wundfotografie ist somit als vertretbar

anzusehen. Die Tabellen 21 bis 23 zeigen die RGB-Spektren der verschiedenen

Lampentypen gemessen mittels The Gimp Farbpipette, exemplarisch an den dafür

geeigneten zwei Hautstellen (normale Haut und Erythem) und Weißtafel.

Tab. 19 Messergebnisse der Versuchsreihe Farbspektren von Leuchtstoffröhren in typischen Einsatzbereichen digitaler Wundfotografie der Universitätsklinik-Bergmannsheil-Bochum. Tageslicht 10:30 Uhr (MESZ), bei mäßigem Sonnenschein. Messhöhe 170 cm (Kopfbereich).

117

A

B

D

C

118

Abb.: 50. Ausschnitte A bis E zeigen bei einer Aufnahmedistanz von 70 cm, durchgeführt mit der Canon G6 im Automatikmodus, ohne Blitzlicht, die Fotoaufnahmen bei unterschiedlichen Leuchtquellen: A: Lumilux 830 Warmwhite, B: Lumilux 840 Coolwhite, C: Lumilux 865 Daylight. Graues OP-Tuch wird blau abgebildet, D: Glühbirne mattiert 60 Watt, F: Glühbirne mattiert 100 Watt. Alle Leuchtmittel der Marke Osram waren mit mindestens 20 min. vorab betrieben worden.

E

A´

B´

C´

D´

119

Abb.: 51. Die Histogramme A´ bis E´ korrelieren mit den in Abb. 50 gezeigten Ausschnitten A bis E. Darstellung der RGB-Kurvenverläufe mit der variablen Leuchtquelle. Die digitale Auswertung erfolgte mit Thumbs Plus 6.0, die Bilder zeigen relative Verschiebungen der Farbspektren.

Tab. 20 Wiedergabe des gemessenen Farbverteilungsspektrums der einzelnen Leuchtstoffröhren und Glühlampentypen. Die Ermittelung der RGB-Verteilung und der Farbtemperaturen erfolgten parallel mittels Minolta CL-200.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

R

G

B

T

R 1141 1069 973 652 1028

G 1050 1074 1033 592 938

B 402 673 1063 190 313

T 2956 3960 6290 2799 2839

Warmwhite Coolwhite Daylight GL 60 W GL 100 W

Tab. 21 Die RGB-Spektren exemplarisch für die normale Haut des Probanden.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Reihe1

Reihe2

Reihe3

Reihe1 87 88 76 92 91

Reihe2 64 65 70 65 64

Reihe3 37 45 64 44 44


E´

120

Tab. 22 Die RGB-Spektren exemplarisch für das Hauterythem.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

R

G

B

R 76 76 64 85 85

G 31 31 34 36 35

B 17 22 34 24 23


Tab. 23 Die RGB-Spektren exemplarisch für die Weißtafel als Referenz.

0

20

40

60

80

100

120R

G

B

R 98 96 88 97 96

G 91 91 94 88 87

B 79 85 97 76 77


Somit stellt sich folgendes Ergebnis ein: Es können für die digitale

Wundfotografie bestimmte Leuchtquellen eingesetzt werden. Dies gilt für solche

mit einer Farbtemperatur von 4000 Kelvin und mehr. Bei der Anwendung von

anderen ist die Kombination mit Zusatzblitzlicht empfehlenswert.


Die Ergebnisse der Testung der Mullkompressen (Hartmann), der Cosmopor

Klebepflaster-Rückseite als auch Klebefläche unter den beiden o.g.

121

Beleuchtungsverhältnissen wurden in den Excel-Einzeltabellen (Tab. 24, A bis F)

zusammengefasst.

Die Messserie Mullkompressen ergab eine mittlere Abweichung innerhalb des

RGB-Farbraumes von bis zu 20% im Blauanteil, 10% im Grünbereich und etwa

5% im Rotbereich. Zu den Bedingungen der Versuchsdurchführung siehe Kap.

4.7.3 und 5.1.5. Die Abweichungen für die Verhältnisse Tageslicht und

Zusatzblitzlicht betrugen im Mittel in etwa halb so viel. Die Testauswertung für

die Cosmopor-Pflaster ergaben bessere Werte: Hier betrug die Abweichung etwa

10% für den Blauanteil, 5% für den Grünanteil und nur in etwa 1% für den

Rotanteil, geltend für die Klebeseite und auch Oberseite des Wundpflasters. Unter

Tageslichtbedingungen mit Zusatzblitzlicht betrug bei beiden die Abweichung im

Maximum annähernd 2% (Blauanteil). Vergleichbar hierzu waren die

prozentualen Farbabweichungen der Fotowand-Weißplatte größtenteils als

schlechter einzuordnen.

Anhand dieser Ergebnisse eignet sich das Cosmopor-Pflaster für den Gebrauch in

der digitalen Wundfotografie zur Farbkalibrierung durch den automatischen

Weißabgleich mit einer digitalen Mittelklasse AF-Kamera.

122

Tab. 24 Tabellarische Darstellung der Versuchsserie zum automatischen Weißabgleich mit Cosmopor-Pflaster und Mullkompressen.

80

85

90

95

100

105

Rot

Grün

Blau

Rot 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

Grün 95 95 95 95 94 96 94 94 94 95 93

Blau 91 91 91 92 90 92 91 91 91 91 88

860 861 862 863 864 865 866 867 868 869 880

A: Cosmopor Oberseite Osram

80

85

90

95

100

105

Rot

Grün

Blau

Rot 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

Grün 95 95 95 95 94 96 94 94 94 95 93

Blau 91 91 91 92 90 92 91 91 91 91 88

860 861 862 863 864 865 866 867 868 869 880

B: Cosmopor Klebeseite Osram

80

85

90

95

100

105

Rot

Grün

Blau

Rot 100 100 99 100 99 100 100 100 99 100 100

Grün 100 99 99 100 99 100 99 100 99 100 99

Blau 100 98 99 100 99 100 98 100 99 100 98

881 882 883 884 885 886 887 888 889 890 901

C: Cosmopor Oberseite Blitz- u. Tageslicht

80

85

90

95

100

105

Rot

Grün

Blau

Rot 100 99 100 100 100 100 100 100 100 100 100

Grün 100 99 100 100 100 100 98 100 99 100 99

Blau 100 99 99 100 99 100 98 100 98 100 98

891892

893

894

895896

897898

899

900

901

D: Cosmopor Klebeseite Blitz- u. Tageslicht

80

90

100 Rot

Grün

Blau

Rot 97 96 99 97 91 96 96 98 93 97 100

Grün 90 91 94 90 84 89 89 91 87 90 94

Blau 84 84 88 86 78 84 82 86 81 82 90

78 78 79 79 79 79 79 80 80 80 83

E: Mullkompressen Osram

80

85

90

95

100

105

Rot

Grün

Blau

Rot 98 100 98 100 100 100 100 100 100 98 99

Grün 95 95 93 96 94 94 94 95 94 93 99

Blau 92 93 90 93 91 91 93 92 91 89 99

838 840 842 844 846 848 850 852 854 856 836

F: Mullkompressen Blitz- u. Tageslicht


Die Wahl des Hintergrundes begrenzt sich auf eine möglichst reflexionsfreie,

homogene, faltenfreie, farblich gleichmäßige Ebene. Diese Vorraussetzungen erfüllt

ein Klinik übliches OP-Tuch. Zur Versuchsdurchführung siehe Kap. 4.7.4 und 5.1.6.

123

Abb.: 52. Darstellung unterschiedlicher Hintergründe in den Abbildungen A bis G: A) + B) blauer, bzw. grüner Vlies aus Zellstoff und Kunststofffasern der Firma Stericlin, C) Moltex einmal Unterlage,

F E

D C

B A

G

124

D) + E) grünes und graues Abdecktuch aus Baumwolle, der Firma Rentex Hagen, F) Grünes Basistuch Synthetik, der Firma Rentex Hagen. G) weißes Stecklaken aus 100% Baumwolle. Gemessenes Farbverteilungsspektrum siehe Kap. 4.7.4.

Abb.: 53. Darstellung der Histogramme A´, E´, G´, mit den RGB-Kurvenwertverläufen, korrespondierend zu A, E und G in Abb. 52. Sie verdeutlichen exemplarisch die Auswirkung der Hintergrundwahl auf den RGB-Farbspektrum-Anteil. Die Bilder zeigen relative Verschiebungen der Farbspektren.

A´

E´

G´

125

Tab. 25 gibt den prozentualen Anteil der RGB-Farbräume in Abhängigkeit des jeweiligen Hintergrundes wieder.

0

20

40

60

80

100

120

%

R

G

B

R 87 64 53 94 87 63 97

G 55 50 40 67 73 50 75

B 35 38 34 58 66 40 67

Blau Papier Grün Papier Weiß Laken OP-Tuch Grau OP-Tuch Grün MoltexOP-Tuch Grün

Synthethik

Der Eigenfarbe des Hintergrundmaterials sollte Bedeutung beigemessen werden.

Klinikübliche OP-Tücher finden in den Farben Grün, Blau und Grau Anwendung. In

der Versuchsdurchführung erwies sich das graue OP-Tuch als besonders vorteilhaft,

da es im direkten Vergleich zur Oberfläche der Haut des Patienten einen für die

Fotografie neutralen Hintergrund abgibt.

7.5 Kompression


Die Abb. 54 zeigt exemplarisch Block- und Farbartefakte, wie sie bei JPEG-

Kompression auftreten können.

126

A

B

127

Abb.: 54. Abbildungen A bis D: Darstellung von Artefakten bei JPEG- und JP2-Kompression. A: "Original" Ausgangsbild mit einer Dateigröße von 2,56 MB. B: JPEG komprimiertes Bild vom "Original", mit Blockartefakten bei einer Dateigrößenreduzierung auf 127,8 kB. C: Auftreten von Farbverschiebung, bei Reduktion der Datengröße auf 76,0 kB. D: zum Vergleich: Auftreten von Farbverschiebung bei JP2-Kompression auf 2,56 kB.

C

D

128

Abb.: 55. Die Histogramme A´ bis D´ geben die RGB-Kurvenverläufe der Abb. 54 A bis D wieder, in Abhängigkeit der Kompression. Die Bilder zeigen relative Verschiebungen der Farbspektren.

A´

B´

C´

D´

129

Abb.: 56. Abbildungen E und F: Exemplarische Darstellung von „Ringing-Artifacts“ bei JPEG-Kompression; E: "Original" Ausgangsbild mit einer Dateigröße von 2,56 MB. Ausschnitte in E bis G mit 800% Vergrößerung stellen je den mit Pfeil markierten Faden dar; F: Dateigrößenreduktion auf 48,2 kB. Auftreten von "Ringing-Artifacts" mit hellem Saum.

E

F

130

Abb.: 57. Darstellung von „Ringing-Artifacts“ bei JPEG-Kompression; G: Hier bei 42,2 kB Auftreten von "Ringing-artifacts" mit dunklem Saum.

Abb.: 58. Die Histogramme E´ bis G´ geben den RGB-Kurvenverlauf der Abb. 56 E und F, sowie der Abb. 57 G, in Abhängigkeit der Kompressionsrate, wieder. Die Bilder zeigen relative Verschiebungen der Farbspektren.

G

E´

F´

G´

131

Abb.: 59. Abbildungen H und I: Darstellung von „verschwommenen-Artefakten“ bei JP2-Bildkompression; H: "Original" Ausgangsbild mit einer Dateigröße von 2,3 MB; I: Mit JP2 komprimiertes Bild auf 2,3 kB. Hier Auftreten von "Blurring-artifacts". Der Lupenausschnitt (Vergrößerung um 800%) zeigt den mit dem blauen Pfeil markierten Hautfaden.

H

I

132

Abb.: 60. Abbildungen J und K: Darstellung der Vergrößerung (Lupe 100%) des Wundausschnittes aus der Abb. 59 H; Das Schaubild J zeigt die Vergrößerung vom unkomprimierten Ausgangsbild. Der interessierende Fadenbereich ist je mit den blauen Pfeilen markiert. Rechts Schaubild K zeigt den gleichen Bildausschnitt bei JP2-Kompression (Lurawave an Datenreduktion 1:600 vom Ausgangsbild). Hier exemplarische Darstellung von „Ringing-Artifacts“ bei der JP2-Bildkompression.

Abb.: 61. Die Histogramme H´ bis K´ korrelieren mit den Abb. 59 H und I, sowie den Abb. 60 J und K. Sie geben den RGB-Kurvenverlauf, in Abhängigkeit der Kompression, wieder. Die Bilder zeigen relative Verschiebungen der Farbspektren.

J K

H´, J´

I´

K´

133


Tab. 26 Darstellung der Bewertung der Fotoserie Kompression JPEG mit den Bewertungsstufen 1 bis 10 und log (kB) mit log (100 kB) = 2. Die x-Achse gibt eine subjektive Bewertungsskala von gute bis schlechte Bilder wieder. Auf der y-Achse wurde die Bildkompression logarithmisch dargestellt (2 entspricht 100 kB).

Bildkompression JPG

y = -0,0941x + 2,7831

0

1

2

3

4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Bewertung

log

(kB

)

Tab. 27 Darbietung der Bewertung der Fotoserie Kompression JP2 mit den Bewertungsstufen 1 bis 10 und log (kB) mit log (100 kB) = 2. Die x-Achse gibt eine subjektive Bewertungsskala von gute bis schlechte Bilder wieder. Auf der y-Achse wurde die Bildkompression logarithmisch dargestellt (2 entspricht 100 kB).

Kompression JPG2000

y = -0,1844x + 2,7098

0

1

2

3

4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Bewertung

log

(kB

)

134

Tab. 28 Übersicht der Versuchsgruppenauswertung der Fotoserie Kompression. Gegenüberstellung der Einzelergebnisse für JPEG und JP2.

JPEG JP2

Gruppe 1-5 Gruppe 6-10 Gruppe 1-5 Gruppe 6-10

Anzahl N 1745 3889 3722 1908

Mittelwert 1,937 2,578 2,304 1,049 Varianz 0,075 0,14 0,371 0,21

Standard Abweichung 0,274 0,374 0,609 0,459

Schiefe 2,174 0,495 0,53 0,931

Kurtiosis 8,125 -0,246 0 5,059

Median 1,875 2,524 2,176 1

Tab. 29 Übersicht der Versuchsgruppenauswertung der Fotoserie Kompression. Gegenüberstellung der Einzelergebnisse für JPEG und JP2. Hier sind je der obere und untere interessierende Quantilengrenzwert farblich hervorgehoben [62].

JPEG JP2

Gruppe 1-5 Gruppe 6-10 Gruppe 1-5 Gruppe 6-10

Quantile % Erwartungswert Erwartungswert Erwartungswert Erwartungswert

100 3,475 3,475 3,822 3,845 99 3,213 3,433 3,724 1,954 95 2,401 3,362 3,724 1,778 90 2,240 3,172 3,0 1,602 75 2,021 2,793 2,698 1,301 50 1,875 2,523 2,176 1,0

25 1,845

Für JPEG ergibt sich bei den als schlecht (6-10) bewerteten Bildern bei 95% der

Befragten eine obere Kompressionsgrenze von 102,401=251 kB. Bei den als

medizinisch beurteilbar bewerteten Bildern (1-5) liegt für 95% der Befragten die

Bildgrösse unterhalb von 103,362=2,3 MByte. Somit muss ein qualitativ

hochwertiges Bild mehr als 250 kByte haben. Mehr als 2,3 MByte scheint keine

weiteren Qualitätsvorteile in der medizinischen Auswertung zu bergen. Ein

grosser Unterschied zeigt sich für beide Kompressionsverfahren JPEG versus JP2

bei der unteren Grenze der als gut (1-5) eingestuften Bilder. Während bei JPEG

bei 250 kByte die Akzeptanzgrenze liegt, ist diese bei JP2 erst bei 120 kByte

erreicht.

Bei den zu 99% der als schlecht beurteilten Bilder liegt die obere

Kompressionsgrenze für JP2 bei 101,954, also 89 kByte. Bei den als gut beurteilten

135

bewerteten Bildern (1-5) liegt für 95% der Befragten die Bildgrösse unterhalb von

103,724=5,3 MByte, also nahe der Originalqualität.

Im Mittel wird bei JPEG ein Bild mit 250 kByte und bei JP2 bereits im Mittel bei

120 kByte als medizinisch beurteilbar bewertet. Wie in Tab. 26 und 27 im

Vergleich zu erkennen ist, erlaubt JP2 eine 1/3 reduzierte Dateigrösse bei der

Speicherung eines medizinischen Digitalbildes.

136

8 Diskussion

In dieser Arbeit werden Fragen zum Einfluss von Kameramodellen, zur

Komprimierbarkeit von Bildern, zur Toleranz von Farbräumen, sowie Vor- und

Nachteile von Hilfsmitteln in der digitalen Wundfotografie in Hinblick auf ihre

medizinische Verwertbarkeit beantwortet.

Als Vorteile einer telemedizinischen Wundkonsultation sind aus ökonomischer

Sichtweise zu nennen: „Verringerte Behandlungskosten“ und eine „Verkürzung

der Liegedauer“, sowie die „Produktivitätssteigerung“ durch „Entlastung (des

Arztes) von Routinetätigkeiten“. Auch die „Genesung im heimischen Umfeld“

und „weniger Arztbesuche“, aus der Sichtweise des Patienten, sprechen für den

Einsatz der Televisite [35]. Roth [116, 117] hat gezeigt, dass die

Wundfernkonsultation anhand von digitalen Aufnahmen, die mit Verbraucher-

Kameras getätigt wurden, möglich ist. Tachakra hat die Wundkonsultation mittels

der Telemedizin und der Patientenvisite anhand bestimmter Kriterien verglichen

mit Zuspruch für die Anwendung der telemedizinischen Konsultation [145].

Murphy [104] hat die direkte Wundkonsultation mit der telemedizinischen anhand

von digitalen Wundaufnahmen mit einer 3,3 Megapixel Kamera in einer Studie

verglichen. Probanden waren Chirurgen und Gefäßchirurgen, die die Wunden

hinsichtlich Pus, Ödeme, Granulation, Wundtiefe und Knochengewebe beurteilt

haben. Die klinische Beurteilung digitaler Fotos wurde der klinischen Evaluation

am Patientenbett mit Ausnahme der Tiefenbeurteilung von Wunden als ebenbürtig

beurteilt. Hofmann-Wellenhof [66] hat die Durchführbarkeit und Akzeptanz von

telemedizinischer Wundsorge bei 14 Patienten mit 41 chronischen Beinulzera an

verschiedenen Stellen untersucht. 89 % von 492 Telekonsultationen waren

hinsichtlich klinischer Beurteilbarkeit der Wundbilder akzeptabel, sodass

Experten einen Rat in der Wundbehandlung geben konnten (was in 1/3 der Fälle

erfolgte).

Unser Anliegen bestand darin, zum Folgenden einen wesentlichen Beitrag zu

leisten: Aus Sicht des visitierenden Arztes die eindeutige Befundung digitaler

Wundaufnahmen zu optimieren und damit eine Verankerung für eine gezielte und

sichere Diagnostik zu ermöglichen. Hier insbesondere die Hilfestellung zur

Optimierung des Aufnahmeergebnisses im Anwendungsfall bei Handhabung der

digitalen Kamera, der Begleitmaterialien und Rahmenbedingungen, sowie

137

Grenzen der anschließenden Datenreduktion und Farbverschiebung für den

Einsatz in der ärztlichen Televisite.

Eine Dokumentation in Form von digitalen Bilddaten, wie prä-, intra- und

postoperative Aufnahmen, als auch in dem Bereich der forensischen Medizin wird

für die Zukunft eine zunehmende Bedeutung erlangen, wie es beispielsweise

schon heute im Bereich der digitalen Wunddokumentation bei akuten und

chronischen Wunden mittels eigens dazu entwickelter Software in der stationären

Pflege mit Erfolg angewendet wird [160], als auch in der chirurgischen

Fachdisziplin genutzt wird [73]. Allgemein gewinnt die Digitalisierung und

digitale Archivierung von Bilddaten an Bedeutung. Ein Beispiel ist die

Digitalisierung von Röntgenbildern, wie es in diversen Kliniken schon heute der

Fall ist [74, 100]. Auch der Einsatz der digitalen Wundfotografie in der Televisite

gewinnt an Zuwachs [58]. Die Archivierung sowie Betrachtung von Datenbanken

sollte verschlüsselt werden bei Web-Nutzung. Somit erhalten Fragen nach

Abbildungsechtheit der klinischen Bilder, einschließlich Fragen nach

Komprimierbarkeit von Bildern, unter Beibehaltung möglichst vieler

Detailinformationen eine hohe Bedeutung.

Aktuell sind preiswerte, web-basierend einbindungsfähige

Bildbetrachtungssoftwares, wie Thumbs, Google, etc. vorhanden. Bezüglich der

Bildarchivierung ist z.B. PACS als ein derzeitiges Online-Archiv nutzbar: Alle

Daten befinden sich im direkten Zugriff innerhalb des Netzwerkes, die

Speicherung erfolgt über das standardisierte und offene Dicom-Format. Die Bilder

sind innerhalb weniger Sekunden verfügbar und ältere Bilder können im

Direktzugriff gehalten werden [63].

8.1 Zusammenhänge

8.1.1 Zusammenhang zwischen Wundformen und –typen

Aufgrund der technisch-physikalischen Grenzen der Kamera sind

Beschränkungen der Einsetzbarkeit der digitalen Wundfotografie zu medizinisch

diagnostischen und dokumentarischen Zwecken gegeben. Einschränkungen in der

Beurteilung können bei Wundformen mit ausgeprägter Tiefe bei geringer

Oberflächenausdehnung wie Stich- und Schussverletzungen bestehen. Ebenso der

138

sehr dunkle Hauttyp kann ursächlich sein, beispielsweise der afrikanische

Hauttypus (Hauttyp VI nach Fitzpatrick).

Nachfolgend sollen die einzelnen Ergebnisse der Teilgebiete der Versuchsserien

gesondert unter kritischen Gesichtspunkten diskutiert werden:

8.1.2 Aspekte der Schärfentiefe

Insbesondere für die Beurteilung chirurgischer Wunden als dreidimensionale

Freiformflächen ist eine genügende Schärfentiefenausdehnung für die Qualität der

Abbildung entscheidend. Unsere Versuchsserien zur Schärfentiefe ergaben als

Empfehlungen für die Optimierung der Bildqualität von Aufnahmen chirurgischer

Wunden: Die Wahl der Blendenzahl von 5,6 und mehr, ab der Blendenzahl von

8,0 bereits eine Schärfentiefe von 10 cm, sowie die Empfehlung der Einhaltung

von einem Abstand zwischen Motiv und Objektiv von mindestens 50 cm. Die

Aufnahme aus der Totalen ist wenn möglich zu bevorzugen. Vor dem Kauf der

digitalen Kamera ist die Berechnung mit einem Schärfentiefekalkulator anzuraten.

Hierzu finden sich keine vergleichbaren Publikationen bis zum aktuellen Datum

in den Weltliteraturdatenbanken Medline und Pub Med.

Die in unseren Versuchsserien verwandten aktuell verfügbaren Kameramodelle

und Systeme geben exemplarisch nur einen kleinen Querschnitt wieder.

Digitalkameras werden ubiquitär (OP, Ambulanz, Station, Arztzimmer, etc.) zur

Wunddokumentation eingesetzt. Die Digitalkamera Nikon D1X wird professionell

seit 2001 in der fotografischen Abteilung der BG Klinik Bergmannsheil Bochum

angewandt. Schärfentieferechner sind unproblematisch über das Internet

erhältlich. Beispielhaft ist der telemedizinische Einsatz erfolgreich bei 90

Patienten angewandt worden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass bei Einhaltung von

Rahmenbedingungen wie Abstand und Beleuchtung akzeptable Bilder für die

medizinische Wunddokumentation erstellt werden können.

Chandhanayingyong [31] untersuchte die telemedizinische Konsultation an

digitalen radiologischen Aufnahmen von 59 Frakturen orthopädischer Patienten.

Diese wurden von einem digitalem Bildschirm mit einer in einem Mobiltelefon

integrierten 1,3 Megapixel Kamera aufgenommen und via MMS (Multimedia

Messaging Service) zur Befundung an 4 weitere Mobiltelefone transferiert. Zum

Vergleich standen 34 radiologische Aufnahmen von orthopädischen Patienten

139

ohne eine Fraktur. Chandhanayingyong stellte eine hohe technologische

Zuverlässigkeit der telemedizinischen Konsultation via MMS heraus, betonte

jedoch die hohe Fehlerquote in der Diagnosestellung in der durch ihn

angewandten Methodik. Die Notwendigkeit detailierterer Studien hinsichtlich des

Einsatzes von modernen Mobiltelefonkameras in der Telemedizin wird hier

deutlich.

Yamada [165] hat den Einsatz eines Mobiltelefones zur Befundung von

magnetresonanz- und craniellen computertomographischen Aufnahmen, sowie

Angiogrammen in der Notfallmedizin getestet. Die Anwendung dieses

Bildtransfersystems zur schnellen Befundung wurde als nützlich eingestuft. Mit

unserer Studie haben wir den direkten Vergleich der Schärfentiefe aktuellerer

Mobiltelefondigitalkameras anhand der Aufnahme des chirurgischen

Wundmotives herausgearbeitet.

Hsieh [67] hat an dem Mobiltelefontyp Panasonic GD88 gezeigt, dass der

interaktive Einsatz dieses Modells mit integrierter digitaler Kamera in der

Telemedizin zur Frühdiagnostik von Weichteilverletzungen anwendbar ist. Unsere

Versuchsserie Kameragrenzen der Schärfentiefe hingegen bietet eine

Gegenüberstellung zwischen den aktuelleren, zukunftsweisenden Mobiltelefonen

mit integrierter Digitalkamera und den gegenwärtig gebräuchlichen

Mittelklasseformat-Kameras: Sony Ericsson P910i, Vodafone PDA, Nikon

Coolpix 995, Canon PowerShot G6. Daraus folgt, dass durchaus Mobiltelefone

mit integrierter digitaler Kamera einsetzbar sind für medizinisch diagnostisches

und dokumentarisches Arbeiten, in etwa für Kontrollaufnahmen im Rahmen der

Telemedizin [52]. Unsere Studie hat auch gezeigt, dass dies mit den eingesetzten

Mobiltelefonen für einfache Wundverläufe möglich ist.

Um mit Mobiltelefonen die Fotografie kleiner Gegenstände (Makroaufnahme) zu

ermöglichen, werden Klebe-Linsen (Fa. Brando, Hongkong) und Linsenhalter, die

sich auf die Handy-Kameras setzen lassen, angeboten, z.B. die Makro-Linse CC-49

für das Nokia 3650. Voraussichtlich in Kürze werden 5 Megapixel Module mit

Autofokus-Funktion und Lichtstärke f/2,8 (u.a. Nikon) erhältlich sein. Ein Vorteil

von aktuelleren digitalen Kameras liegt in der Menü-Führbarkeit: Diese erlauben das

Hinterlegen von Benutzerprogrammen und erleichtern somit die individuelle

Handhabung.

140

8.1.3 Einfluss von Linealen

Ein Hilfsmittel zur Optimierung der Befundung in der digitalen Wundfotografie

stellt das Lineal mit der Skala in Zentimeter und Teilung in Millimeterschritten

dar. Zur Abschätzung der Größenzuordnung der Wundverhältnisse ist das

Einbringen eines Maßstabes in den Bildausschnitt geeignet. Dem Chirurgen wird

ermöglicht, relativ präzise in zeitlicher Verlaufsfolge Deckung oder Ausdehnung

der Wunde zu differenzieren. Grundsätzlich sollten an Lineale für den

Einsatzbereich in der digitalen Wundfotografie Mindestanforderungen gestellt

werden: Das verwendete Material sollte hygienisch einwandfrei sein (z.B. als

Einmalprodukt) und Flexibilität (an Oberflächen anpassbar) aufweisen. Aus

ökonomischer Sicht sollte es preiswert sein, zumal gerade in der Telemedizin

Verlust einkalkuliert werden kann.

In unserer Versuchsreihe Lineale zur Wundvermessung (Kap. 6.3) wird eine

Gegenüberstellung von für die Wundfotografie speziell konzipierter Lineale

vorgestellt. Folgende Vorteile gegenüber herkömmlichen Linealen in der

medizinisch fotografischen Wunddokumentation konnten in unseren

Versuchsreihen herausgearbeitet werden: Das hier verwendete Lineal, schwarzer

Hintergrund und weiße Skalierung, ist reflexionsfrei und kontrastreich. Da es sich

um ein Produkt auf Papierbasis im Druckverfahren hergestellt handelt, sind die

Anschaffungskosten gering. Als Einmalprodukt erfüllt es Hygienenormen und ist

flexibel an Oberflächen anpassungsfähig. Das spezielle Papier weist zudem bei

Feuchtigkeitseinwirkung keine Längenänderung auf. Auch sind hier

perspektivische Verzerrungen, sogenannte Parallaxenfehler, erkennbar, da die

Längenverhältnisse des Lineales bekannt sind [39].

8.1.4 Aspekte der Farbtoleranz

Es wurden an videoskopischen digitalen Aufnahmen von gastrointestinalen

Läsionen dargestellt, dass eine Wiedergabe von 256 Farben mit 8 Bit ein

vergleichbares Ergebnis liefert wie 16 Millionen Farben bei einer höheren Rate an

Informationen [150]. In unserer Studie wurde eine obere und untere Grenze der

Farbverschiebung für den RGB-Farbraum digitaler Aufnahmen chirurgischer

Wunden herausgearbeitet.

Mit unserer Studie zur Farbtoleranz konnten wir demonstrieren, dass für die

digitalfotografische Wundbeurteilung in der Chirurgie eine Farbabweichung von

141

bis zu 6% im RGB-Raum und bis zu 10% im Luv-Raum als ausreichend

einzustufen sind.

Abweichungen der physiologischen Farbgebung der Epidermis, bedingt durch das

Hauterythem infolge UV-Bestrahlung sowie erhöhte Bilirubinkonzentrationen,

Carotine oder aber Hauttätowierungen stellen ein limitierendes Problem der

Befundung anhand digitaler Aufnahmen dar [107].

Takahashi [147] deutet die Problematik der akkuraten Farbreproduktion in der

Telemedizin an und stellt die Vorzüge seiner Software zur automatischen

Farbwertkorrektur anhand der Farbtafel innerhalb des Bildausschnittes dar. In

unserer Studie Farbverschiebung (Kap. 5.3.2 und 6.4.1) hingegen zeigen wir einen

klinisch akzeptablen Toleranzbereich in der digitalen Farbverschiebung im RGB-

Raum für die chirurgische Wundbeurteilung.


In unserer Versuchsreihe Einfluss der Leuchtquelle (Kap. 5.1.4 und 6.4.2) wird

eine Gegenüberstellung von ausgewählten in der Klinik und Televisite

vorkommenden Leuchtquellen dargestellt. Für digitale Wundaufnahmen hat

unsere Versuchsreihe gezeigt: Empfehlenswert ist das Vorhandensein einer

mindestens 4000 Kelvin Leuchtquelle, um eine den diagnostischen

Anforderungen entsprechende ausreichende Schärfentiefe und realistische

Farbtiefe zu gewährleisten. Ist keine Leuchtquelle mit mindestens 4000 Kelvin

verfügbar, wird der Einsatz eines Zusatzblitzes empfohlen.

Dies deckt sich teils mit den Empfehlungen des Leuchtenherstellers Osram, laut

dessen Angaben der Einsatz von 6000 Kelvin Leuchtstoffröhren für die „Diagnose

und Behandlung“ in der „Klinik und Praxis“ empfehlenswert ist [26]: Für die

Anwendung in Diagnose- und Behandlungsräumen von Kliniken und Arztpraxen

sind die drei Röhrentypen Biolux 965 (6500 Kelvin), Daylight 860 und Daylight

De Luxe 950 (über 5000 Kelvin) angegeben.

Es sei zusätzlich auf das Vorhandensein von Normen in der Medizintechnik

hingewiesen, z.B. die ISO/DIN 60601 als Integration der Systemnorm für

medizinische elektrische Systeme (IEC 60601-1-1). Die DIN-5035 Teil 3 befasst

sich mit Empfehlungen der Beleuchtung in Krankenhäusern. Im Einzelnen

behandelt Teil 3.1.3 die Hinweise für die Beleuchtung für Untersuchung oder

142

Behandlung am Krankenbett, während sich Teil 3.2 den Untersuchungs- und

Behandlungsräumen widmet [53].

Zur Anhebung der Qualitätsausschöpfung, insbesondere der von

Televisitepatienten getätigten Eigenaufnahmen, empfiehlt sich die Anleitung von

mehreren Aufnahmen (mind. 3) pro Serie. Unsere Messserien in den

Einsatzbereichen von Digitalkameras für Wundaufnahmen (Stationen,

Stationsfluren, OP, Notfallambulanz) haben gezeigt, dass in der Praxis die

verfügbare Farbtemperatur teils deutlich unter 4000 Kelvin (Stationsflur) liegt.

Ein hierfür ursächlicher Aspekt liegt in der überschrittenen mittleren

Halbwertszeit des verwendeten Leuchtmittels. Hier ist der Einsatz des

Zusatzblitzlichtes erforderlich. Auch verdeutlichen die Messserien die

Problematik der farbgetreuen Abbildungen bei so genanntem Mischlicht, wie

Tageslicht plus Kunstlicht. Der zusätzliche Einsatz einer Weißabgleich-Tafel

(z.B. Whitespot Pocket 0,08, 84%, Fotowand Technic) als auch der Einsatz einer

Foto-Farbtafel (z.B. AGFA GEVAERT) zur nachträglichen manuellen digitalen

Farbverwaltung sind empfehlenswert.

8.1.6 Aspekte zum Weißabgleich

Das Einbringen einer Weißabgleichfläche in den Bildausschnitt ist unerlässlich

für die Reproduzierbarkeit der digitalen Wundfotografien. Angemerkt sei das

Verfahren in der medizinischen Endoskopie: Hier erfolgt der Vorgang des

Weißabgleiches vor jedem Untersuchungsgang [5].

Die Überlegung bezüglich der Versuchsserie automatischer Weißabgleich war

eine Gegenüberstellung von professionellen Arbeitsmaterialien zu einfachen

alternativen Hilfsmitteln. Wie unsere Versuchsreihe Einfluss der Hintergrundwahl

(Kap. 6.4.4) gezeigt hat, ist eine rein weiße Fläche als Hintergrund zu vermeiden.

Des Weiteren konnten wir in unserer Studie automatischer Weißabgleich (Kap.

5.1.5 und 6.4.3) hervorheben, dass als einfache und ökonomisch anwendbare

Methode der Einsatz der Cosmopor Klebe- oder Rückseite zum automatischen

Weißabgleich sinnvoll und hilfreicher ist als aufwendige und teurere

Weißabgleichplatten aus der Fototechnik.

143

8.1.7 Aspekte zum Hintergrund

In unserer Versuchsserie Einfluss der Hintergrundwahl (Kap. 5.1.6 und 6.4.4)

wurde ein Vergleich von den in der Klinik für den Fotografen zugänglichen und

am Patienten eingesetzten Hintergrundmaterialien vorgestellt. Folgende

Erkenntnisse ergaben sich bzgl. des Einflusses der Hintergrundwahl: Unsere

Versuchsreihe konnte zeigen, dass ein grauer oder auch grüner Hintergrund für

die digitale Wundfotografie geeignet ist. Dieser sollte einen matten Farbton sowie

eine leicht strukturierte Oberfläche (Kap 3.5.5) besitzen und damit geringere

Reflexion als eine glänzende Oberfläche aufweisen. Des Weiteren ist es

empfehlenswert, den zu fotografierenden Wundbereich zuvor von Rückständen,

wie Salben, Fettgaze, etc. zu reinigen, um die Reflexion an der Oberfläche zu

minimieren.

Die Rahmenbedingungen bei der Motivaufnahme sind von enormer Wichtigkeit,

da ein Misserfolg der Aufnahme bei fehlerhafter Grundeinstellung im späteren

Verlauf meist unwiederbringlich und nicht korrigierbar ist. Takahashi weist in der

telemedizinischen Anwendung zur computergestützten Farbkorrektur darauf hin,

jedem Patienten lediglich eine Farbtafel auszuhändigen [146]. Unserer Ansicht

nach wären optimalere Voraussetzungen durch ein Hintergrundmaterial als

Einmalartikel (Hygienestandard) gegeben, das neben den o.g. Eigenschaften

zusätzlich ein Lineal zur Maßstabszuordnung, eine Weißabgleichsfläche, sowie

das Klebeetikett mit den Patientendaten enthalten würde, um optimale

Rahmenbedingungen zu schaffen.

Einen weiteren zu diskutierenden Aspekt stellt die Ergonomie dar: Es sollte dem

Fotografen eine Zugangsmöglichkeit zu den Arbeitsmaterialien gegeben sein.

Alternativ sollte das Hintergrundmaterial mit der Kamera oder mit dem Patienten

geführt werden.

Galdino [47] empfiehlt den Einsatz eines farbigen Hintergrundes in mittlerem

Blauton oder 18 prozentigem Grauton für digitale Aufnahmen von Hautmotiven

in der plastischen Chirurgie. Dies deckt sich teilweise mit unseren Aussagen über

Wundaufnahmen traumatologischer Patienten, indem wir als Hintergrund den

Einsatz eines grünen oder grauen OP-Tuches in der chirurgischen Wundfotografie

empfehlen (Kap. 6.4.4). Ein blauer Hintergrund ist unsererseits wenig

144

empfehlenswert, da durch einen blauen Hintergrund eine deutliche

Farbverschiebung in den Rotbereich hervortritt.

8.1.8 Aspekte zu Kompressionsartefakten und Kompression

JPEG und das aktuellere JP2 sind effektive Algorithmen zur Bilddatenreduktion,

neben weiteren wie JBIG, DjVu oder FAX, welche jedoch für die

Bildkompression weniger gebräuchlich sind. Die Einhaltung einer bestimmten

Bilddatenmindestgröße ist speziell für die medizinische Wundbilddiagnostik

unerlässlich. Das Erscheinen von Kompressionsartefakten ist auch bei JP2 mit

zunehmender Datenreduktion unvermeidbar. Jakulin [71] hebt

Kompressionsartefakte hervor: Typisch für JPEG die Blockartefakte, sowie

charakteristisch für JP2 die „verschwommenen Artefakte“ und „Kreisartefakte“.

Wir konnten diese im Einzelnen anhand medizinischer Wundaufnahmen

exemplarisch zeigen (Kap. 6.5.1). Angemerkt sei, dass bei den 2500

Wundaufnahmen unserer Televisite-Patienten diese nur sehr selten (unter 1%)

auftraten.

Die Artefakte lassen sich bei JPEG Kompression gering halten durch die

Anwendung von Bildern mit fließenden Übergängen, da hier geringere

Helligkeits- und Farbunterschiede bestehen. Unvorteilhaft erscheint JPEG bei der

Kompression von schwarzweißen und farbigen Bildern mit harten Übergängen

und starken Kontrasten. JP2 komprimierte Bilder behalten mehr die Farbtreue

gegenüber solche mit JPEG Kompression.

In den Kap. 3.8.3 bis 3.8.6 wurden die beiden Datenkompressionsverfahren JPEG

und JP2 vorgestellt und in einer Vergleichsstudie (Kap. 5.3.3 und 6.5.2) bewertet.

Im Vergleich zu JPEG stellt das modernere JP2 ein weiteres Verfahren zur noch

deutlicheren Reduktion der zu verarbeitenden Datenmenge dar. Hieraus ergibt

sich ein ergonomischer Bonus durch kürzere Ladezeiten und der Transferdauer

via herkömmlicher langsamerer Internetverbindungen. Jedoch erfordert JP2 Bilder

mit möglichst wenig Bildrauschen. Auch erlaubt es keine sehr hohen

Farbgradienten. Anders als JPEG bietet JP2 insgesamt 256 Informationskanäle, so

z.B. um ICC-Farbprofile zu berücksichtigen. Unsere Empfehlung: Unsere Studien

belegen, dass Wundbilder bei JPEG bis 250 Kilobyte und bei JP2 bis 120

Kilobyte ohne relevanten Qualitätsverlust reduziert werden können.

145

Debray [37] führte eine Gegenüberstellung an einer kleinen Zahl von Probanden

(insgesamt 3 ältere Patienten) zwischen der konventionellen ärztlichen

Wundvisite am Patienten und der Wunddiagnose mittels telemedizinischem

Verfahren durch. Befundet wurden insgesamt 23 Wundaufnahmen von

Druckgeschwüren und Beinulzera der o.g. Probanden. Kriterien waren die Größe,

die Klassifikation und das Bett der Wunde sowie der Infektionsstatus. Unsere

Untersuchungsgruppe der Studie Patientenfotos Televisite (Kap. 6.1.1) umfasst

2500 chirurgische Wundaufnahmen von Probanden von unter 20 Jahren bis über

70 Jahren der Telemedizin. Der Schwerpunkt unserer Studie Fotoserie

Kompression (Kap. 5.3.3 und 6.5.2) bestand in der Aufdeckung der Grenzen der

JPEG und JP2 Bilddatenkompression innerhalb der Befundung medizinischer

digitaler Wundaufnahmen. Während die Arbeit von Debray aufgrund der geringen

Fallzahl nur pauschal Qualität empfiehlt, können durch unsere Arbeit gezielte

Empfehlungen zur Datenkompression abgegeben werden (s.o.).

Galdino [48] verweist auf die Notwendigkeit einer Standardisierung in der

medizinischen Fotografie, führt aber lediglich an, dass digitale Aufnahmen von

Hautmotiven eine JPEG-Kompressionsrate mittlerer bis hoher Qualität aufweisen

sollten. Unsere Studie Fotoserie Kompression ergab wesentlich genauere Werte

hinsichtlich Kompressionsverfahren und Bilddateigröße (s.o.).

Weitere umfangreichere Studien sollten zur Vertiefung der Thematik erfolgen.

Die Praktikabilität der Kompressionsverfahren aus medizinischer Sicht zeigt der

Einsatz in der Bildarchivierung z.B. die Software der Firma Pegasus Imaging

Corporation [127]. Noch eindrucksvoller zeigt JP2 welche hohen

Kompressionsmöglichkeiten sich bei medizinischen 3-D Bildern erreichen lassen

[1].

Lim [93] stellt ein telemedizinisches Bildverarbeitungssystem, basierend auf dem

neueren JP2-Standard und PTP (protocol for image capture) zum Transfer von

digitalen Wundaufnahmen über das Internet an einen PC mit

Bildverarbeitungssoftware für Wunden, vor und befürwortet die Anwendbarkeit

dessen. Getestet wurde hinsichtlich der Funktionalität und Anwendbarkeit des

Systems im Bereich des privaten Haushaltes und des häuslichen Pflegedienstes.

Unsere Studien jedoch liefern exakte Ergebnisse hinsichtlich der anwendbaren

Bildkompressionsrate bei Anwendung von JP2 (s.o.).

146

Zu den nachstehend genannten Kapiteln finden sich derzeit keine für eine

Diskussion zur Verfügung stehenden vergleichbaren Publikationen in den

Weltliteraturdatenbanken Medline und Pub Med:

1. Kap. 7.1.6: Arbeitsmaterialien zum Automatischen Weißabgleich in

der Chirurgischen-Fotografie.

2. Kap. 7.1.3: Gegenüberstellung von für die Wundfotografie speziell

konzipierter Lineale oder Massstäbe.

Unsere Empfehlungen sind ein Cosmopor Pflaster für den Weißabgleich und ein

flexibles, schwarzes Papierlineal mit weißer Skalierung als Messhilfe.

147

8.2 Fazit

Zwischen der direkten Beurteilung einer Wunde und der Einschätzung mit den

Mitteln digitaler Aufnahmetechniken bestehen wichtige Unterschiede. Viele

Parameter wie der Abstand, die Brennweite, die Blendenzahl, der Sensor, das

Blitzlicht, etc. beeinflussen schon vor der Erstellung der Bilddaten in der Kamera

die Bildqualität. In unseren Versuchsreihen wurden unterschiedliche Aufnahmen

chirurgischer Wunden in ihrer Qualität (Farbwert und Kompressionsgrad) variiert.

Diese wurden Fachärzten zur Beurteilung vorgelegt. Als Resultat ergab sich so

eine Abschätzung für den Parameterumfang und die Mindestanforderungen an

Digitalkameras für den Einsatz in der Televisite. Zu empfehlen sind ein Abstand

zwischen dem Objektiv und dem Motiv von mindestens 50 cm, die

Blendenvorwahl von 5,6 oder mehr, eine ausreichende Lichtstärke der

Leuchtquellen, evtl. der Einsatz von Zusatzblitzlicht und eine Aufnahmeposition

aus der Totalen. Der Einsatz von digitalen Mittelklassekompaktkameras ist

empfehlenswert. Hier sollte vor dem Kauf einer Kamera eine numerische

Abschätzung für den erwarteten Schärfentiefenbereich erfolgen. Als hilfreich

erwiesen sich weiterhin einfache Mittel, wie ein strukturierter neutraler

Hintergrund mit der Farbtafel, der Weißabgleichfläche und dem Lineal zum

nachträglichen Abgleich des Farbraumes, der Optimierung des Weißabgleiches

und der Kontrolle des Kontrastes, der Auflösung, sowie der Zuordnung der

Größenverhältnisse. Die Entwicklung von modernen Mobiltelefonen mit

integrierter Digitalkamera und die zukünftige Einsetzbarkeit in der

Wundfotografie und Televisite ist abzuwarten. Hingewiesen sei auf die

Integration von AF-Kameras in Mobiltelefonen, beispielsweise das Nokia N93

[162].

148

9 Zusammenfassung

Zielsetzung der Arbeit war ein Erkenntnisgewinn in mehreren Teilgebieten der

digitalen Wundfotografie, deren Kausalkette schließlich eine Einleitung,

Optimierung und Hilfestellung bezüglich der Praxis schaffen wird. Im Einzelnen

sollte eingegangen werden auf:

• Die Schärfentiefe in der digitalen Wundfotografie hinsichtlich des

Einflusses der Blendenvorwahl

• Die Schärfentiefenausdehnung

• Den Toleranzbereich für Kompressions- und RGB-Farbraum-

Verschiebungen

• Einzelne Faktoren (Lineale, Hintergrundwahl, automatischer

Weißabgleich, Leuchtquellen), die einen fördernden Einfluss hinsichtlich

der Optimierung der digitalen Aufnahmen von Wunden bewirken

Angemerkt sei, dass die in unseren Versuchsreihen verwendeten Wundfotos unter

reproduzierbaren Fotostudiobedingungen entstanden.

Folgende Ergebnisse der Versuchsserien zur Schärfentiefe werden präsentiert:

1. Die Ausdehnung der Schärfentiefe ist abhängig vom jeweiligen

Kameramodell (Kap. 3.3.8, Tabellen 4, 5 und 6), insbesondere von dem

Objektiv und dem CCD-Sensortyp. Vor dem Kauf einer Kamera sollte

daher eine numerische Abschätzung für den erwarteten

Schärfentiefenbereich erfolgen.

2. Der Abstand zwischen dem Objektiv und dem Motiv sollte, um eine

ausreichende Schärfentiefe zu gewährleisten, mindestens 50 cm betragen

(Kap. 3.3.8, Tabellen 4 und 5). Da der Einsatz ab der Blendenzahl 5,6 und

größer empfohlen werden kann, ist auf eine entsprechend ausreichende

Lichtstärke der Leuchtquellen zu achten: Eine große Lichtmenge bei

kleiner Blendenöffnung bedeutet eine Ausdehnung des

Schärfentiefebereiches.

149

3. Die Versuchsserie Distanzwahl deckt die Problematik heutiger digitaler

Mittelklassekompaktkameras auf: Einerseits bei Aufnahmen mit einem

Winkel bis 25 Grad zur Motivebene und andererseits die des

Schärfentiefebereiches, der zur Befundung in der chirurgischen

Wundfotografie bei ausgedehnten Wunden notwendig ist. Hier empfiehlt

sich, wenn möglich, die Aufnahmeposition aus der Totalen mit

Zusatzblitz.

4. Der Einsatz von den hier aktuell getesteten Mobiltelefonen mit integrierter

Digitalkamera in der Wundfotografie und Televisite ist nur bedingt zu

empfehlen, da sowohl die Auflösung als auch die Leistungsfähigkeit und

fehlende Variabilität des Objektives noch zu wünschen übrig lassen.

Anhand der fortschrittlichen Entwicklung in diesem Marktbereich sind

weitere Ergebnisse abzuwarten (Hinweis Nokia-Modell N95 [163]).

Mit unserer Studie Farbverschiebung können wir folgenden Akzeptanzbereich der

Farbabweichung im RGB-Raum für die Befundung digitaler chirurgischer

Wundbilder für eine maßgebende Diagnostik, hier exemplarisch demonstriert an

10 ausgewählten Wundmotiven, präsentieren:

Das Endergebnis der Versuchsserie Farbverschiebung zeigt einen

Toleranzwertebereich von +/- 6% Farbabweichung im RGB-Farbraum und

umgerechnet etwa 10% innerhalb des Luv-Raumes.

Die Versuchsserie Kompression ergab einen Akzeptanzbereich mit einer oberen

Grenze von 2,3 MB und einer unteren Grenze von 1,63 MB. Im Mittel ist bei

JPEG ein Bild mit 250 kByte und bei JP2 bereits im Mittel bei 120 kByte als

medizinisch beurteilbar zu bewerten.

Unsere einzelnen Versuchsdurchführungen haben für den praktischen Einsatz in

der Televisite und im Klinikalltag durch die Anwendung folgender Materialien

eine Optimierung der Aufnahme und Verbesserung der Diagnosestellung durch

den Betrachter gezeigt:

1. Die Nutzung einer Autofokuskamera.

2. Das Einbringen eines Lineales in den Wundbereich.

3. Die Nutzung eines grauen OP-Tuches als Hintergrund.

150

4. Die Einlage eines Cosmopor Klebepflasters, mit der Rückseite oder

Klebeseite, zur Optimierung des automatischen Weißabgleiches.

5. Der Einsatz von Leuchtquellen mit mindestens 4000 K, oder

Zusatzblitzlicht (Angelehnt an das mitteleuropäische mittlere

durchschnittliche Tageslicht bei leicht bewölktem Himmel).

10 Ausblick

10.1 Akzeptanz

Sowohl Mobilfunktelefone mit integrierter Digitalkamera wie auch digitale

Kameras finden heutzutage bei den Konsumenten zunehmende Akzeptanz.

Verwiesen sei hier auf unsere Ergebnisse der Studie Patientenfotos Televisite.

10.2 Rehabilitation

Der Einsatz der Televisite ist unterstützend in rehabilitativen Bereichen, wie

Studien zeigen, in absehbarer Zukunft denkbar. Selbst die Wiedergabe von

Videosequenzen und Animationen ist möglich geworden. Hier kann die häusliche

Rehabilitation durch gezielte mediale Anleitungen unterstützt werden. Über

diesen multimedialen Weg kann gegebenenfalls auch eine höhere Motivation der

Patienten erreicht werden, um die Übungen nachhaltig durchzuführen. Die

Vorteile für den chirurgischen Patienten liegen in der unkomplizierten und

intensivierten Betreuung, sowie umfangreicheren und optimierten Dokumentation

des Heilungsprozesses. Hierdurch können auch Wundheilungsstörungen früher

erkannt und Maßnahmen schneller gegengeleitet werden. Ein geringerer Aufwand

im Vergleich zu persönlichen Arztbesuchen ist selbsterklärend.

10.3 Technologie und Fortschritte

Die aktuell auf den Markt kommenden Mobilfunkgeräte vereinen zunehmend und

bezahlbar die bestehende Tastatureingabe eines herkömmlichen Telefons mit

multimedialen Funktionalitäten wie Digitalkamera, Organizer und Sprachnotiz.

PDA´s und Mobiltelefone der heutigen Generation haben genügend

Rechenleistung, Datenspeicher und Ausstattungen (Kamera, Sprachaufzeichnung,

Bluetooth, etc.) und lange Akkulaufzeit, um an den Bedürfnissen von Patienten

orientierte Softwareapplikationen entwickeln zu können. Gerade die

151

aufkommende Kombination der Funktionalitäten in einem handlichen Gerät und

die zunehmende Akzeptanz in der Bevölkerung ermuntern dazu, Patienten

orientierte Software für eine telematische Betreuung von chirurgischen Patienten

zu entwickeln und zu verbessern. Hingewiesen sei auf die neue Generation von

Mobilfunktelefonen mit integrierter 5-Megapixel-Kamera und Autofokus wie z.B.

das Nokia N95. Die Forschung und Weiterentwicklung weisen auf die

dreidimensionale Wundvermessung mittels Laser als Zusatzmodul zu bestehenden

digitalen Kameras hin [96].

10.4 Zukünftige Entwicklungen

Zukünftig zu diskutierende Fragestellungen sind nachfolgend aufgezählt: Sie

betreffen die Sterilisierbarkeit des Gehäuses von Digitalkameras, bzw.

Mobiltelefonen mit integrierter Digitalkamera und damit verbundene

Vorschriften. Der CCD-Sensor als sensible Baukomponente darf weder erhöhten

Temperaturen noch aggressiven chemischen Substanzen ausgesetzt werden.

Erwähnt seien diesbezüglich die Hygienevorschriften der Firma Olympus [6]

bzgl. der Desinfektion bzw. Sterilisation der Endoskop-Kamera (Modell SC16-

10).

Darüber hinaus wird der Aspekt der Spezifikation eines Referenzbereiches für

Kamerasysteme zu lösen sein. Offene Fragen gelten der normativen Vorgabe über

die Bildarchivierung: Die Problematik der Einbindung der Bildspeicherung und

Analyse in die bestehenden Praxis- sowie Krankenhaussysteme und deren

Patientenakten.

152

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[165] Yamada, M., Watarai, H., Andou, T., Sakai, N. (2003). Emergency image transfer system through a mobile telephone in Japan: technical note. Neurosurgery 52 (4), 986-990

165

[166] Yamaguchi, M. (2001). (Zugriff vom 25.11.2006). Medical application of a color reproduction system with a multispectral camera. Digital color imaging in biomedicine. http://biocolor.umin.ac.jp/book200102/din01022806.pdf. 33-38

[167] Yorath, D. (2001). Fotographie. Prestel Verlag München

166

Danksagung

Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. med. Muhr und Herrn PD Dr. med.

Clasbrummel für die Überlassung des Themas. Herrn PD Dr. med. Clasbrummel,

der mir besonders in klinischen Fragen zur Verfügung stand, danke ich außerdem

für die umfangreiche Betreuung dieser Arbeit.

Ganz besonderer Dank gebührt Herrn Dr. rer. nat. Jettkant, der mir jederzeit bei

allen Problemen mit optimalen Lösungen zur Seite stand und meine Motivation

immer wieder angeregt hat.

Nicht zuletzt bedanke ich mich vor allem bei meiner Ehefrau Johanna Lange, die

mich mein gesamtes Studium begleitet und mich selbstlos unterstützt hat. Ebenso

meinen Eltern, meiner Familie und zuletzt auch den guten Freunden, die mich

während meines ganzen Studiums begleitet und ermutigt haben, möchte ich

meinen Dank aussprechen.

167

Lebenslauf

Dirk Ulrich Lange

Gartenplatz 9

59174 Kamen

geboren am 07.02.1972 in Münster

Eltern: Wolfgang und Elisabeth Lange

Schulausbildung

1980 – 1984 Grundschule Friedrich-Ebert, Kamen

1984 – 1993 Städtisches Gymnasium, Kamen

Abschluss: Allgemeine Hochschulreife

Wehrdienst

1993 – 1994 Ableistung der Allgemeinen Wehrpflicht, Nienburg

Berufsausbildung

1995 – 1998 Physiotherapie Ausbildung, Westfalen-Akademie-

Dortmund

Abschluss: Staatlich examinierter Physiotherapeut

1998 - 1999 Berufsausübung, KG-Praxis Nitschke, Dortmund

Universitäre Ausbildung

1999 - 2005 Studium der Humanmedizin an der Ruhr-Universität-

Bochum. Ableistung der Ärztlichen Prüfung und

Erteilung der Approbation am 25.11.2005.

Potenziale und Grenzen digitaler Wundfotografie in der ... · Ruhr-Universität Bochum PD Dr. med....

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