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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Darstellung von Projektions- oder Schnittbildern aus 3D-Volumendaten
eines Untersuchungsvolumens, insbesondere aus MR- oder CT-
Volumendaten, bei dem aus den 3D-Volumendaten ein aus
einzelnen Pixeln zusammengesetztes Grauwertbild einer vorgebbaren
Projektion oder eines vorgebbaren Schnittes berechnet wird.
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Die Darstellung von Projektions- oder Schnittbildern aus 3D-
Volumendaten spielt in vielen technischen Bereichen,
insbesondere im Bereich der bildgebenden Medizintechnik, eine
wesentliche Rolle. Bildgebende Verfahren wie Magnetresonanz
(MR)-Tomographie und Computertomographie (CT) erfassen
Informationen aus dem gesamten Untersuchungsvolumen des
untersuchten Körpers. Die Röntgen-Computertomographie ist ein
spezielles Röntgen-Schichtaufnahmeverfahren, bei dem
Transversalschnittbilder, d. h. Abbildungen von im Wesentlichen
senkrecht zur Körperachse orientierten Körperschichten, erhalten
werden. Hierfür wird das Untersuchungsvolumen unter einer
Vielzahl von Winkeln schichtweise durchleuchtet, so dass ein
dreidimensionaler Volumendatensatz erhalten wird. Aus diesen
3D-Volumendaten werden durch geeignete Projektionsverfahren
die darzustellenden Schnittbilder berechnet. Neben derartigen
Schnittbildern lassen sich mit Hilfe der Computertomographie
auch andere Bilddarstellungen, bspw. von
Oberflächenstrukturen von Objekten im Untersuchungsvolumen, aus den 3D-
Volumendaten berechnen.
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Bei der Magnetresonanz-Tomographie werden mit Hilfe von
speziell geschalteten dynamischen Magnetfeldern, den sog.
Gradientenfeldern, und Hochfrequenzimpulsen in einem statischen
Magnetfeld Magnetresonanzsignale eines Untersuchungsvolumens
ortsaufgelöst erfasst. Aus den aus unterschiedlichen kleinen
Körpervolumina, den sog. Voxeln, erhaltenen
Magnetresonanzsignalen, die als 3D-Volumendatensatz gespeichert werden,
wird das entsprechende Magnetresonanz-Schnittbild errechnet.
Die Position und Orientierung der darzustellenden Schichten
des Untersuchungsvolumens kann sowohl bei der Röntgen-
Computertomographie als auch bei der Magnetresonanz-
Tomographie in weiten Bereichen beliebig gewählt werden.
Neben der Erzeugung dieser Schicht- bzw. Schnittbilder lassen
sich auch bei der Magnetresonanz-Tomographie aus den
gemessenen 3D-Volumendaten unterschiedliche Projektionen berechnen
und darstellen. Ein gerade in der MR-Angiographie
eingesetztes Verfahren, die sog. MIP (Maximum Intensity Projection)-
Technik, führt zu einem Projektionsbild, das eine Darstellung
größerer Gefäßabschnitte des Körpers ermöglicht. Bei diesem
Verfahren wird durch den dreidimensionalen Volumendatensatz
eine Schar von parallelen Strahlen gelegt, wobei entlang
jedes einzelnen Strahls nur derjenige Punkt mit der höchsten
Signalintensität gesucht wird. Da Blutgefäße mit hoher
Signalintensität abgebildet werden, wird somit entlang jedem
Strahl jeweils ein Bildpunkt gewählt, der zu einem Gefäß
gehört. Dieser Punkt wird nun am Ende des jeweiligen Strahls in
die Projektionsebene, die senkrecht zu den Strahlen liegt,
eingetragen. Auf diese Weise entsteht ein plastisch wirkendes
Projektionsbild des Gefäßsystems. Die gleiche Technik kann
auch in der Computertomographie angewendet werden. Die mit
den genannten Verfahren erzeugten Schnitt- oder
Projektionsbilder werden in der Regel als Grauwertbilder berechnet und
dargestellt.
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Die Bilder der für die Bilddarstellung eingesetzten
Berechnungs- bzw. Projektionsverfahren enthalten meist keine
Tiefeninformation, so dass die räumliche Lage der im Bild
dargestellten anatomischen Details zueinander nicht eindeutig
erkennbar ist und für den Betrachter Verwechslungen möglich
sind. Zur Visualisierung der räumlichen Lage anatomischer
Details werden, bspw. beim Einsatz der MIP-Technik,
verschiedene Projektionsrichtungen in fortlaufender Abfolge als
bewegtes Bild gezeigt, um hierdurch dem Betrachter einen
räumlichen Eindruck zu vermitteln. Dies ist jedoch rechentechnisch
aufwendig und zudem nicht immer anwendbar. Die Darstellung
ist bei Bedeckungen nicht unmittelbar eindeutig, da eine
"vorne-hinten" Vertauschung einer Umkehr der Drehrichtung bei
gleichbleibenden Darstellungsparametern entspricht. Weiterhin
sind Spezialeinrichtungen wie 3D-Brillen bekannt, die jedem
Auge die entsprechend verschiedene Blickrichtung darbieten.
Diese Brillen setzen jedoch ein gutes räumliches Sehvermögen
voraus und haben sich bisher in der Praxis nicht durchsetzen
können. Durch die Intensitätskodierung der Entfernung werden
hintere Voxel abgeschwächt dargestellt, so dass sich ein
Kontrastverlust ergibt.
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Aus der DE 44 36 263 A1 sind ein Verfahren sowie ein System
zur Darstellung von 3D-Messdaten eines Volumens in
zweidimensionalen Schnittbildern bekannt, bei dem dem Schnittbild der
darzustellenden Schicht die Schnittbilder von benachbarten
Schichten überlagert werden. Die für den Betrachter
wesentliche Information, welche der Bilddetails vor oder hinter der
darzustellenden Schicht liegen, wird durch unterschiedliche
farbliche Darstellung dieser überlagerten Schnittbilder
erreicht. Das Verfahren dient dazu, dem Betrachter eines
Schnittbildes, die Richtung des weiteren Verlaufes der im
Schnittbild erkennbaren Objekte zu vermitteln. Mit diesem
Verfahren wird zwar den Betrachtern eines Schnittbildes der
dreidimensionale Zusammenhang zwischen der darzustellenden
Schicht und ihrer unmittelbaren Umgebung sichtbar gemacht,
das Verfahren liefert jedoch keine Tiefeninformation, die
insbesondere bei Projektionsbildern wichtig sein kann.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur
Darstellung von Projektionsbildern oder Schnittbildern aus 3D-
Volumendaten eines Untersuchungsvolumens anzugeben, das dem
Betrachter des Bildes eine zuverlässige Tiefeninformation
liefert. Unter 3D-Volumendaten ist dabei ein Messdatensatz zu
verstehen, der Messwerte aus unterschiedlichen Teilvolumina
eines dreidimensionalen Untersuchungsvolumens enthält.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind
Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich den
nachfolgenden Ausführungen sowie den Ausführungsbeispielen und
Zeichnungen entnehmen.
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Bei dem vorliegenden Verfahren, das sich insbesondere für MR-
oder CT-Volumendaten eignet, wird in bekannter Weise ein aus
einzelnen Pixeln zusammengesetztes Grauwertbild einer
vorgebbaren Projektion oder eines vorgebbaren Schnittes berechnet.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass für jedes Pixel
des Grauwertbildes eine Entfernung eines durch das Pixel
dargestellten Voxels bzw. Teilvolumens des Untersuchungsvolumens
zu einer vorgebbaren Referenzebene aus den 3D-Volumendaten
bestimmt und jedem Pixel des Grauwertbildes ein der
Entfernung entsprechender Farbwert zugeordnet wird. Der jeweilige
Farbwert wird durch Farbcodierung der Entfernung erhalten,
indem bspw. eine Entfernungsskala mit einer Farbskala
verknüpft wird. Das Projektions- bzw. Schnittbild wird
schließlich durch Überlagerung oder Einfärben des Grauwertbildes mit
den jedem Pixel zugeordneten Farbwerten dargestellt. Die
Überlagerung bzw. Einfärbung erfolgt selbstverständlich
derart, dass die Detailinformationen des Grauwertbildes durch
die überlagerten Farbinformationen nicht verdeckt werden.
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Vorzugsweise wird die Überlagerung dadurch realisiert, dass
aus den jedem Pixel des Grauwertbildes zugeordneten
Farbwerten ein farbcodiertes Entfernungsbild erstellt wird, das dem
Grauwertbild zur Darstellung des Projektions- bzw.
Schichtbildes überlagert wird. Diese Überlagerung erfolgt bevorzugt
durch ein parametrisierbares Verfahren, wie bspw. Alpha-
Blending, bei dem die relative Gewichtung der beiden
überlagerten Bilder frei gewählt werden kann. Der Nutzer kann somit
auch eine entsprechende Gewichtung vorgeben, bei der bspw.
das Entfernungsbild zur besseren Erkennbarkeit der Details
des Grauwertbildes weniger intensiv oder zur besseren
Erkennbarkeit der Tiefeninformation intensiver als das Grauwertbild
dargestellt wird.
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Durch das vorliegende Verfahren wird für den Betrachter des
Projektions- bzw. Schnittbildes die Tiefeninformation über
die einzelnen im Bild zu erkennenden Details unmittelbar
ersichtlich. Die farbliche Darstellung der Tiefeninformation,
die auf einer Farbcodierung beruht, ist eindeutig und
unmittelbar verständlich. Sie vermeidet Interpretationsfehler bei
der Auswertung von Zusatzinformationen wie bspw. Bild-
Etiketten oder anatomisches Vorwissen, die insbesondere im
Bereich der bildgebenden medizinischen Untersuchungsverfahren
eine große Rolle spielen. Die Parametrisierung des
Überlagerungsverfahrens (z. B. Alpha-Codierung) erlaubt eine
optimierte Darstellung der Strukturinformation des Grauwertbildes,
die vom Benutzer durch Vorgabe oder Veränderung der
entsprechenden Gewichtungsparameter an die jeweiligen Bedürfnisse
angepasst werden kann.
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Die Abbildung der Entfernungswerte auf die Farbskala kann
linear erfolgen und ist vorzugsweise skalierbar. Es können
jedoch auch parametrisierbar nichtlineare, bspw.
logarithmische, Abbildungen eingesetzt werden, um bestimmte
Entfernungsbereiche, wie bspw. den Nahbereich, hinsichtlich der
Tiefeninformation bevorzugt aufgelöst darzustellen. Durch
eine derartige Parametrisierbarkeit bzw. Skalierbarkeit der
Entfernungscodierung ist eine Anpassung der Farb-
Differenzierung an den interessierenden Volumenbereich (Rol)
innerhalb des Untersuchungsvolumens möglich.
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Die vorgebbare Referenzebene, gegenüber der die Entfernung
der einzelnen für das Bild relevanten Voxel aus den 3D-
Volumendaten ermittelt wird, kann unterschiedlich gewählt
werden. Bei der Darstellung von Projektionsbildern, wie bspw.
MIP-Bildern, wird diese Referenzebene entsprechend der
Projektions- bzw. Bildebene gewählt. Bei der Darstellung von
Schnittbildern, die in der Regel aufgrund der geringen Tiefe
der dargestellten Schichten keine Tiefeninformation
erfordern, wird das vorliegende Verfahren bei einfach oder doppelt
schräg liegenden Schichten angewendet. Hierbei wird die
Referenzebene senkrecht zu einer gewünschten Blickrichtung,
vorzugsweise entlang einer Körperachse (sagittal, coronar,
transversal), gewählt, so dass aus dem Farbverlauf der damit
erzeugten Schnittbilder die Kippung und Kippungsrichtung der
Schichten bzw. Schnitte relativ zu dieser Achse erkennbar
ist. Dies hilft insbesondere Fehler bei der Auswertung der
Bildetiketten während der Betrachtung der jeweiligen Bilder
zu vermeiden.
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Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals
kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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Fig. 1 ein Beispiel für einen prinzipiellen
Verfahrensablauf bei der Durchführung des vorliegenden
Verfahrens;
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Fig. 2 eine Veranschaulichung der Anwendung des
Verfahrens zur Erstellung eines Schnittbildes; und
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Fig. 3 eine weitere Veranschaulichung des Verfahrens zur
Erzeugung eines Projektionsbildes eines
ausgedehnten interessierenden Bereiches.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des vorliegenden
Verfahrens im Überblick. Nach der Gewinnung der 3D-
Volumendaten mit einer entsprechenden Messtechnik, wie bspw.
Magnetresonanz-Tomographie oder Computertomographie, wird aus
diesen Volumendaten durch ein geeignetes
Projektionsverfahren, das von der Datenaufnahmetechnik und dem gewünschten
Bildergebnis abhängig ist, ein vorläufiges Projektionsbild
mit einer Grauwertstruktur berechnet, im Folgenden als
Grauwertbild bezeichnet. Gleichzeitig oder anschließend wird die
in den 3D-Volumendaten enthaltene Information über die
Entfernung des jedem Pixel im Grauwertbild zugrundeliegenden
Voxels bzw. Punktes im Untersuchungsvolumen als
Tiefeninformation ermittelt. Jedem Pixel des Grauwertbildes wird durch
eine Farbcodierung unter Zugrundelegung einer Farbpalette ein
Farbwert zugeordnet, der der Entfernung des dargestellten
Punktes im Untersuchungsvolumen von der Bildebene entspricht.
Auf diese Weise wird ein Farbbild mit Tiefendarstellung
erstellt, im Folgenden als farbcodiertes Entfernungsbild
bezeichnet. Das farbcodierte Entfernungsbild wird mittels eines
parametrisierbaren Überlagerungsverfahrens dem ursprünglichen
Grauwertbild so überlagert, dass die dem Grauwertbild
unterliegende, bspw. anatomische, Struktur für den Betrachter
sichtbar bleibt.
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Die Abbildung der Entfernungswerte auf der Farbskala kann
sowohl linear als auch nichtlinear sein und ist vorzugsweise
skalierbar, um dem Betrachter die Möglichkeit einer Anpassung
an den interessierenden Bereich des Untersuchungsvolumens zu
geben. Die entsprechende Skalierung wird über geeignete
Parameter eingegeben. Durch vorgebbare Parameter für das
Überlagerungsverfahren kann die Gewichtung des farbcodierten
Entfernungsbildes zum Grauwertbild im Überlagerungs- bzw.
Projektionsbild verändert bzw. vorgegeben werden.
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Fig. 2 zeigt stark schematisiert ein Beispiel zur
Veranschaulichung des vorliegenden Verfahrens bei der Darstellung
der räumlichen Lage eines Schnittbildes. Die Figur zeigt
einen Patientenkörper 1, von dem über eine geeignete
bildgebende Technik dreidimensionale Volumendaten eines
Untersuchungsvolumens 2 gewonnen werden. Aus diesen dreidimensionalen
Volumendaten kann ein Schnittbild 6 einer Schicht 3 des
Patientenkörpers erhalten werden, deren Schichtebene senkrecht zur
Körperlängsachse liegt. In vielen Fällen werden jedoch
Schichtdarstellungen gewünscht, deren Orientierung nicht
senkrecht zur Körperachse liegt. Ein derart einfach- oder
doppelt-gekipptes Schnittbild (z. B. transversal > sagittal)
kann mit dem vorliegenden Verfahren in vorteilhafter Weise
dargestellt werden. Die vorliegende Figur zeigt ein Beispiel
bei dem ein Schnittbild einer Schicht 4 dargestellt werden
soll, die einfach gekippt ist. Das derart erhaltene
Schnittbild 7 ist stark schematisiert dargestellt. Dieses
Schnittbild enthält ein herkömmliches Grauwertbild, dem ein
farbcodiertes Entfernungsbild überlagert ist. Das farbcodierte
Entfernungsbild wird durch Farbcodierung der Entfernung der
einzelnen Punkte der Schicht 4 zu einer Referenzebene 5
erhalten, die senkrecht zur Längsachse des Patientenkörpers
gewählt ist. Die Entfernung ist in der Figur mit dem
Doppelpfeil angedeutet. In dem auf diese Weise erhaltenen
Schnittbild 7 ist für den Betrachter eine Veränderung der Farbe der
einzelnen Pixel von unten, bspw. rot, nach oben, bspw. blau,
ersichtlich, die der abnehmenden Entfernung der dargestellten
Schicht zur Referenzebene entspricht. Der Betrachter dieses
Schnittbildes kann somit sofort die Kippungsrichtung und bei
Kenntnis der Skalierung der Farbskala auch die Kippungsstärke
erkennen. Das Verfahren ermöglicht somit die direkte visuelle
Darstellung der räumlichen Lage jedes Pixels relativ zur
Hauptblickrichtung (hier sagittal), so dass eine
Interpretation von Bild-Etiketten entfällt, die die Orientierung der
dargestellten Schicht angeben.
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Fig. 3 zeigt schließlich ein weiteres Beispiel zur
Veranschaulichung der Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei
Projektionsbildern, die die Projektion eines
dreidimensionalen interessierenden Bereiches auf eine entsprechende
Bildebene darstellen. Ein Beispiel für eine derartige Projektion
ist die MIP-Darstellung von Gefäßen des menschlichen Körpers.
Fig. 3 zeigt hierbei einen Patienten 1, von dem
dreidimensionale Volumendaten aus einem Untersuchungsvolumen 2 gewonnen
werden, das gleichzeitig das interessierende Volumen (RoI)
darstellt. Aus diesen 3D-Volumendaten soll ein
Projektionsbild erstellt werden, das einer Projektion dieses Volumens 2
auf eine Bildebene 5 entspricht, die gleichzeitig die
Referenzebene für das vorliegende Verfahren darstellt. Nach der
Berechnung des Grauwertbildes durch ein entsprechendes
Projektionsverfahren, das diesen Volumenbereich auf die
Bildebene 5 projiziert, wird für jeden Bildpunkt des Grauwertbildes
die Entfernung des zugrundeliegenden Punktes bzw. Voxels des
Untersuchungsvolumens 2 zur Referenzebene 5 bestimmt. Die
Entfernung ist auch in dieser Darstellung mit dem Doppelpfeil
angedeutet. Aus dieser Tiefeninformation wird ein
farbcodiertes Entfernungsbild erstellt, das dem Grauwertbild zur
Darstellung des Projektionsbildes überlagert wird. Der
Betrachter kann nun die aufgrund des Grauwertbildes erkennbaren
Gefäße sowie deren Abstand relativ zur Referenzebene 5 bzw.
Bildebene anhand der Farbe direkt aus dem Bild erkennen. Dies
ermöglicht die unmittelbare Erkennbarkeit von Bedeckungen
bzw. Überdeckungen einzelner Gefäße und deren Reihenfolge.
Durch die Farbcodierung ist unmittelbar klar, welches Gefäß
vorne und welches hinten liegt.
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Für die Farbcodierung lassen sich selbstverständlich bekannte
standardisierte Farbskalen, wie bspw. die Glühskala, oder
auch neu zu schaffende Farbskalen einsetzen. Das Verfahren
eignet sich insbesondere für 3D-Volumendaten von bildgebenden
Verfahren der Medizintechnik, wie bspw. MR- oder CT-
Volumendaten. Selbstverständlich lässt sich das vorliegende
Verfahren jedoch auch in anderen Bereichen der Technik, bspw.
bei der Werkstoffprüfung, einsetzen, in denen
Projektionsbilder erstellt werden, die eine Tiefeninformation beinhalten
sollen.