Ein Bewegungsartefakt ist eine fehlerhafte Aufnahme von Messdaten, die dadurch entsteht, dass sich das Messobjekt, der Sensor, der Messpfad oder deren räumliche Beziehung während der Datenerfassung verändert.
Ein Bewegungsartefakt entsteht, weil jedes Messverfahren seine Daten über ein endliches Zeitintervall erhebt und dabei stillschweigend voraussetzt, dass sich die geometrischen, optischen oder elektrischen Randbedingungen während dieses Intervalls nicht ändern. Eine Bewegung verletzt diese Voraussetzung. Damit ist ein Bewegungsartefakt in der Regel kein Defekt des Messgerätes oder eines Sensors. Ein durch eine Bewegung gestörtes Ergebnis kann daher auch dann auftreten, wenn das Gerät fehlerfrei arbeitet und auch wenn eine ordnungsgemäße Kalibrierung vorhanden ist.
Verschiedene Verfahren können das Phänomen Bewegungsartefakt zeigen. Sie treten in der medizinischen Vitaldatenerhebung und Bildgebung ebenso auf wie in der Messtechnik, in der Fernerkundung, in der Mikroskopie und in der Astronomie.
Von Rauschen unterscheidet sich das Bewegungsartefakt dadurch, dass es strukturiert wiederholend oder punktuell auftritt: Es erzeugt Muster im Signal und verschwindet nicht durch Mittelung über Wiederholungsmessungen. Bewegungsunschärfe beschreibt den fotografischen Sonderfall der Verwischung während der Belichtungszeit und ist damit ein Mechanismus, der unter dem Oberbegriff Bewegungsartefakt zusammengefasst werden kann.
Grundlagen
Die Entstehung eines Bewegungsartefakts lässt sich unabhängig vom konkreten Messverfahren auf wenige grundlegende Mechanismen zurückführen. Unterschiede zwischen einzelnen Verfahren bestehen hauptsächlich darin, welche Bewegungen relevant sind und wie sich die dadurch verursachten Messfehler äußern.
Klassifikation bewegungsbedingter Änderungen Im Zusammenhang mit Bewegungsartefakten bezeichnet Bewegung jede Änderung der räumlichen Lage oder der geometrischen Eigenschaften des Messobjekts, des Sensors oder ihrer gegenseitigen Beziehung während der Datenerfassung.
Bewegungen können nach verschiedenen Gesichtspunkten klassifiziert werden.
Nach der Art der Bewegung Translation Rotation Deformation Schwingung Vibration thermisch bedingte Ausdehnung oder Schrumpfung
Nach dem zeitlichen Verlauf einmalige Bewegung (z. B. Stoß) periodische Bewegung monotone Bewegung (führt häufig zu einer Drift des Messsignals) zufällige oder unregelmäßige Bewegung gedämpfte Schwingung nach einer Anregung
Nach ihrer Ursache (Quelle: )
äußere Einwirkungen (z. B. Patientenbewegung, Transport, Erschütterungen) physiologische Vorgänge (z. B. Herzschlag, Atmung, Muskelaktivität oder Blutfluss) gerätebedingte Bewegungen (z. B. Scanner, Motoren, Erwärmung, Strahlung oder bewegte Sensoren) Umwelteinflüsse (z. B. Temperatur, Materialausdehnung oder Strahlung)
Nach dem bewegten Bestandteil (Quelle: )
Bewegung des Messobjekts Bewegung des Sensors Relativbewegung zwischen Sensor und Messobjekt Deformation des Messobjekts Bewegung oder Veränderung des Übertragungsmediums (z. B. Luft, Wasser, Gewebe oder Blut) Bewegung optischer, akustischer oder elektrischer Übertragungspfade Bewegung von Kabeln oder anderen Signalübertragungseinrichtungen
Ursache fehlerhafter Messergebnisse Eine jede Messung benötigt Zeit zur Erfassung der Messgröße. In diesem Zeitraums werden einzelne Messwerte aufgenommen, integriert oder nacheinander erfasst und anschließend zu einem Messergebnis zusammengeführt.
Für diesen Zeitraum wird angenommen, dass sich die für die Messung relevanten Eigenschaften des Messobjekts während der Datenerfassung nicht oder nur in bekannter Weise verändern.
Eine Bewegung kann zu einer nicht vorhersagbaren Veränderung dieser Eigenschaften führen. Dadurch ändern sich die Messbedingungen während der Datenerfassung. Die weitere Datenverarbeitung verarbeitet die Messdaten weiterhin unter den ursprünglichen Annahmen und berechnet daraus ein Messergebnis, das von der tatsächlichen physikalischen Größe abweichen kann.
Die konkrete Ausprägung des Artefakts hängt vom verwendeten Messprinzip ab.
Mechanismen der Artefaktentstehung Zeitliche Integration Sensoren mit endlicher Integrationszeit mitteln das Eingangssignal über einen bestimmten Zeitraum. Bewegt sich das Messobjekt während dieser Integrationszeit, werden Informationen unterschiedlicher Positionen überlagert. Dies führt beispielsweise bei Kameras zu Bewegungsunschärfe oder in der Astronomie zu einer Verringerung der erreichbaren Winkelauflösung.
Sukzessive Datenerfassung Andere Messverfahren erfassen Daten nicht gleichzeitig, sondern nacheinander. Verändert sich das Messobjekt während dieses Vorgangs, beziehen sich einzelne Messpunkte auf unterschiedliche Zustände des Objekts.
Typische Beispiele sind Zeilenkameras, Computertomographie und Magnetresonanztomographie.
Veränderung der Kopplung Bei zahlreichen Sensoren hängt das Messergebnis von einer konstanten mechanischen, elektrischen oder optischen Kopplung zwischen Sensor und Messobjekt ab. Bewegung kann diese Kopplung verändern und dadurch den Weg des Messsignal verändern und damit auch das empfangene Signal.
Typische Beispiele sind Elektroden (EKG, Elektroenzephalografie), Pulsoxymetern oder photoplethysmographischen Sensoren.
Veränderung des Messpfades Bewegungen können den Übertragungsweg des Signals verändern. Dadurch ändern sich beispielsweise optische Weglängen, Schalllaufzeiten oder elektromagnetische Feldverteilungen.
Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei optischen und akustischen Messverfahren eine Rolle.
Veränderung der Referenz Differenz- und Referenzmessverfahren bestimmen eine Messgröße aus dem Vergleich mehrerer Signale. Führt eine Bewegung dazu, dass sich Referenz- und Messsignal unterschiedlich verändern, entstehen systematische Fehler.
Typische Beispiele sind die Pulslaufzeitmessung (PWV/PTT) oder interferometrische Verfahren.
Bewegung als Nutzsignal Nicht jede durch Bewegung verursachte Änderung eines Messsignals stellt ein Bewegungsartefakt dar. Ist die Bewegung selbst Gegenstand der Messung, wird die dadurch hervorgerufene Signaländerung als Nutzsignal ausgewertet. Ob eine bewegungsbedingte Signaländerung als Artefakt oder als gewünschte Information betrachtet wird, hängt daher vom Messziel des jeweiligen Verfahrens ab.
Beispiele:
Dopplerverfahren zur Bestimmung von Strömungs- oder Bewegungsgeschwindigkeiten (z. B. Doppler-Sonographie, Radar) Phasenkontrast-MRT zur Messung von Blutströmungen Diffusionsgewichtete Magnetresonanztomographie zur Darstellung der Diffusion von Wasser im Gewebe Optischer Fluss und Bildregistrierung zur Bewegungsanalyse in Bildfolgen Speckle-Interferometrie zur Untersuchung von Vibrationen Astronomische Verfahren zur Bestimmung von Eigenbewegungen oder der Rotverschiebung von Himmelskörpern Messung von Schwingungen, Verformungen oder Materialbewegungen, beispielsweise mittels Laser-Doppler-Vibrometrie oder Motion Capture
Auswirkungen Bewegungsartefakte können sowohl die Qualität des unmittelbar gemessenen Signals als auch die Aussagekraft daraus abgeleiteter Ergebnisse beeinträchtigen. Darüber hinaus können sie organisatorische und wirtschaftliche Folgen haben, etwa durch Wiederholungsmessungen, Fehlalarme oder verlängerte Untersuchungszeiten.
Auswirkungen auf das Messergebnis Bewegungsartefakte können unter anderem zu Verringerung der Messgenauigkeit Verringerung der Präzision Informationsverlust durch Überlagerung oder Verwischung von Details Fehlinterpretation, indem Strukturen vorgetäuscht oder verdeckt werden Verzerrung nachgelagerter quantitativer Auswertungen Verringerertem Signal-Rausch-Verhältnis Verlust der Vergleichbarkeit mehrerer Messungen führen.
Im Gegensatz zu zufälligem Rauschen lassen sich Bewegungsartefakte in der Regel nicht durch Mittelung mehrerer Wiederholungsmessungen vollständig unterdrücken, da sie strukturierte und häufig systematische Signalveränderungen verursachen.
Auswirkungen auf Diagnostik und Arbeitsabläufe Neben der unmittelbaren Beeinträchtigung der Messdaten können Bewegungsartefakte den Aufwand einer Untersuchung erhöhen oder nachgelagerte Prozesse beeinflussen.
Mögliche Folgen sind Wiederholung von Messungen Verlängerung der Untersuchungsdauer erhöhte Strahlenbelastung bei wiederholten Röntgen- oder CT-Aufnahmen Fehlalarme bei Überwachungssystemen erhöhter Personalaufwand zusätzliche Kosten
Beispiele für über die Messung hinausgehende Auswirkungen im Medizinwesen Mehrere Studien beschreiben, dass Bewegungsartefakte nicht nur die Qualität einzelner Messungen beeinträchtigen, sondern auch organisatorische und wirtschaftliche Folgen haben können.
In einer Beobachtungsstudie auf Intensivstationen wurde gezeigt, dass Bewegungsartefakte während der Patientenversorgung einen erheblichen Anteil der Arrhythmie-Fehlalarme verursachen und damit zur Alarmmüdigkeit des medizinischen Personals beitragen.
Eine Untersuchung klinischer MRT-Aufnahmen quantifizierte den Anteil bewegungsbedingt beeinträchtigter Untersuchungen sowie die dadurch verursachten zusätzlichen Untersuchungszeiten und Kosten.
Vermeidung und Korrektur Zur Verringerung von Bewegungsartefakten werden Maßnahmen in unterschiedlichen Phasen des Messvorgangs eingesetzt. Sie reichen von der Planung der Messung (z. B.) über konstruktive Maßnahmen (z. B.) und geeignete Messstrategien (z. B. ) bis hin zur rechnerischen Nachbearbeitung (z. B.) der Messdaten. Welche Verfahren geeignet sind, hängt vom Messprinzip, der Art der Bewegung sowie den Anforderungen an die Messung ab.
Trotz zahlreicher Verfahren lassen sich Bewegungsartefakte nicht vollständig vermeiden oder korrigieren. Die Wirksamkeit der einzelnen Maßnahmen wird unter anderem durch das Messprinzip, die Art und Stärke der Bewegung sowie die verfügbaren Zusatzinformationen begrenzt. In vielen Fällen können Bewegungsartefakte daher lediglich reduziert oder erkannt, jedoch nicht vollständig entfernt werden.
Siehe auch Artefakt (Technik) Artefakt (Diagnostik) Artefakt (Computergrafik) Signal-Rausch-Verhältnis Messabweichung
Einzelnachweise
Kategorie:Messtechnik Kategorie:Signalverarbeitung Kategorie:Bildverarbeitung