DE102004027708B4

DE102004027708B4 - Verfahren zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung, Computertomografiegerät, Arbeitsstation und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102004027708B4
Application number: DE102004027708A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Gündel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: US20050281481A1; DE102004027708A1; JP2005349199A; CN1707523A

Abstract

Verfahren zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung aufweisend die Verfahrensschritte:
– Bereitstellen eines 3D-Datenvolumens (1) für ein Auswertevolumen,
– Vorgeben einer Betrachterposition (3), eines Suchstrahls (5) und eines Bildpunktwertes (W) für eine Oberfläche (9) des Auswertevolumens,
– Bestimmen eines ersten Bildpunktes (7) auf dem Suchstrahl (5) auf Grundlage des Bildpunktwertes (W),
gekennzeichnet durch
– Ausdehnen des Suchstrahls (5) in einen erweiterten Suchbereich (11) jenseits des ersten Bildpunktes (7), und
– Bestimmen eines zweiten Bildpunktes (13) auf dem Suchstrahl (5) in dem erweiterten Suchbereich (11) als ein zum ersten Bildpunkt (7) alternativer oder zusätzlicher Bildpunkt (13) auf Grundlage eines erweiterten Bildpunktwertebereichs mit einem oder mit mehreren erweiterten Bildpunktwerten (X),
– Darstellen des ersten Bildpunktes (7) und/oder des zweiten Bildpunktes (13).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung, aufweisend die Verfahrensschritte: Bereitstellen eines 3D-Datenvolumens, Vorgeben einer Betrachterposition, eines Suchstrahls und eines Bildpunktwertes für das 3D-Datenvolumen. Die Erfindung betrifft weiter ein Computertomografiegerät, eine Arbeitsstation und ein Computerprogrammprodukt.
Moderne bildgebende medizinische Verfahren liefern in der Regel Bilder in digitaler Form. Dazu erfolgt zunächst im Rahmen so genannter Primärapplikationen eine Datenaufnahme und das Bereistellen der digitalen Daten im Rahmen einer Datenkonstruktion. Insbesondere Computertomografiebilder liegen in digitaler Form vor und können somit direkt in einem Rechner oder einer Arbeitsstation weiterverarbeitet werden. Aus den Originalbildern können Bilder in neuer Orientierung mit zwei- oder dreidimensionaler Darstellung (2D-Darstellung, 3D-Darstellung) gewonnen werden, um eine geeignete Übersicht für den Untersucher zur Verfügung zu stellen. Solche Darstellungen sollen insbesondere die Grundlage einer anschließenden Diagnostik im Rahmen einer Monitorbefundung bilden. Die Vorteile der Computertomografie ergeben sich insbesondere daraus, dass keine Überlagerungsprobleme wie bei der konventionellen Radiografie gegeben sind und die Computertomografie bietet den Vorteil einer verzerrungsfreien Darstellung unabhängig von in der Radiografie mit der Aufnahmegeometrie verbundenen unterschiedlichen Vergrößerungsfaktoren.
Mittlerweile haben sich eine Reihe unterschiedlicher Vorgehensweisen bei der 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung etabliert. Für diese Vorgehensweisen sind bei einem Computerto mografiegerät geeignete Bedienelemente, z.B. eine Computermaus oder andere Kontrollmedien, vorgesehen. Eine Arbeitsstation zur Bilddarstellung und -verarbeitung von Computertomografiebildern weist eine entsprechende Softwareausstattung in Form eines Computerprogrammprodukts und eine Bedienoberfläche auf einem Bildschirm mit entsprechenden mit Funktionen belegten Bedienelementen auf.
Die Computertomografie (CT) stellt in der Regel zunächst zweidimensionale Schnittbilder der Transversalebene eines zu untersuchenden Körpers als direkte Aufnahmeebene zur Verfügung. Die Transversalebene eines Körpers ist dabei im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse eines Körpers angeordnet. Zweidimensionale Schnittbilder in einer Ebene mit einem im Vergleich zur Transversalebene geänderten Winkel und/oder solche, die mit einer zur ursprünglichen Schichtdicke unterschiedlichen, insbesondere breiteren Schichtdicke, berechnet werden, werden in der Regel als multiplanare Reformatierungen (MPR – Multiplanar Reformations) bezeichnet. Ein derartiges Verfahren zur multiplanaren Reformatierung ist beispielsweise aus US 6,037,771 zu entnehmen. Eine für die Diagnostik wesentliche Möglichkeit besteht in der interaktiven Durchsicht und Auswertung des Bildvolumens, meist kontrolliert durch ein entsprechendes Bedienelement. Der Untersucher kann sich mit Hilfe solcher Bedienelemente – ähnlich wie im Ultraschall durch Führen eines Schallkopfes – an anatomisierte Strukturen und pathologische Details herantasten und durch Vor- und Zurückfahren dasjenige Bild auswählen, in dem sich ein interessierendes Detail, am klarsten präsentiert ist, also z.B. mit dem höchsten Kontrast und dem größten Durchmesser dargestellt ist. Eine erweiterte Form der zweidimensionalen Darstellung besteht darin, beliebig dicke Schichten (Slabs) aus dünnen Schichten zusammenzufassen. Hierfür hat sich der Begriff "Sliding Thin Slab" (STS) etabliert. Alle 2D-Darstellungen haben den Vorteil, dass die Computertomografiewerte direkt und unverfälscht zur Darstellung kommen.
Eventuelle Interpolationen oder Mittelwertbildungen über mehrere Schichten sind dabei vernachlässigbar. Damit ist immer eine einfache Orientierung im Auswertevolumen, das auch als Volume of Interest (VOI) bezeichnet wird, und dem zugeordneten 3D-Datenvolumen sowie eine eindeutige Interpretierbarkeit der Bildwerte gegeben. Diese Art der Monitorbefundung ist jedoch arbeitsintensiv und zeitaufwändig.
Eine möglichst realistische Präsentation des Auswertevolumens lässt sich dagegen durch eine dreidimensionale Darstellung des Auswertevolumens erreichen. Eine 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung ist in der Regel zwar die Voraussetzung für ein gezieltes Herausarbeiten diagnostisch relevanter Details. Letztere Befundung erfolgt aber in der Regel in einer 2D-Darstellung.
Bei 3D-Bilddarstellungen und -verarbeitungen wird in der Regel ein 3D-Datenvolumen zur Verfügung gestellt auf dessen Grundlage eine Darstellung des Auswertevolumens erfolgt. Der Untersucher gibt vorzugsweise eine Betrachterposition vor, aus der er das Auswertevolumen betrachten will. Insbesondere steht dem Untersucher in der Regel ein Suchstrahl zur Verfügung. Bei diesem Beispiel wird ein zweidimensionales Bild errechnet, das senkrecht zum Suchstrahl steht und einen räumlichen Eindruck vermitteln soll. Um solch eine Darstellung Bildpunkt für Bildpunkt (auch: Voxel-Akronym für Volumenelement) in der Bildebene aufzubauen, müssen für jeden Strahl vom Betrachter zum jeweiligen Bildpunkt alle CT-Werte entlang des Suchstrahls durch das 3D-Datenvolumen berücksichtigt und bewertet werden. Der Untersucher gibt in der Regel einen Bildpunktwert, z. B. einen Kontrastwert, vor, den er zur Darstellung eines Bildpunktes geeignet wählt. Durch die verfahrensinhärente Wiederholung dieses Vorgangs wird dem Untersucher auf Grundlage der vorgegebenen Bildpunktwerte im Rahmen eines CT-Wertprofils für den Suchstrahl eine diesem entsprechende Ansammlung von Bildpunkten gezeigt, also eine 3D-Darstellung des interessierenden Körperbereichs/Auswertevolumens (VOI).
Alle 3D-Darstellungen können, also im Rahmen einer Sekundärapplikation, entweder als Zentralprojektion oder als Parallelprojektion aufgebaut werden. Für eine Parallelprojektion eignet sich insbesondere eine "Maximum Intensity Projection" (MIP) oder allgemein das "Volume Rendering" (VR). Bei einer MIP wird in Projektionsrichtung entlang des Suchstrahls der Bildpunkt mit dem höchsten CT-Wert bestimmt. In dem Fall entspricht der Bildpunktwert also dem maximalen CT-Wert auf dem Suchstrahl. Beim VR wird für jeden einzelnen, vom Auge des Betrachters ausgehenden Suchstrahl nicht nur ein einziger Bildpunkt gewählt, sondern es können alle CT-Werte entlang des Suchstrahls mit geeigneter Gewichtung einen Bildpunkt als Beitrag zum Ergebnisbild liefern. Über frei wählbare und interaktiv veränderbare Transferfunktionen werden jedem Bildpunktwert Opazität und Farbe zugeordnet. So kann z.B. normales Weichteilgewebe als weitgehend transparent gewählt werden, kontrastierte Gefäße leicht opak und Knochen stark opak. Zu bevorzugende Zentralprojektionen können beispielsweise durch ein "Surface Shaded Display" (SSD) oder durch ein "perspective Volume Rendering" (pVR) (oder auch "virtuelle Endoskopie") erzielt werden. Dementsprechend gibt es das SSD oder auch das in der virtuellen Endoskopie benutzte pSSD.

Bei der SSD handelt es sich um eine schwellenbasierte Oberflächendarstellung, bei der ein Bildpunkt durch Vorgabe eines Bildpunktwertes in Form einer Schwelle, vorgegeben wird. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der US 2003/0234781 zu entnehmen. Für jeden Suchstrahl durch das vorliegende 3D-Datenvolumen wird derjenige Bildpunkt bestimmt, an dem der vorgegebene Bildpunktwert in Form eines Schwellenwerts vom Betrachter aus gesehen zum ersten Mal erreicht oder überschritten wird. Ein prinzipieller Unterschied zwischen SSD und VR besteht darin, dass beim SSD nur eine Schwelle definiert wird, aber die Oberfläche undurchsichtig dargestellt wird. Beim VR werden hingegen mehrere Schwellenbereiche definiert und diesen Farben und Durchlässigkeiten zugewiesen. Die "virtuelle Endoskopie" soll eine perspektivische Ansicht der Nahumgebung des virtuellen "Endoskopkopfes" möglich machen. Strukturen können anders als beim tatsächlichen Endoskop aus unterschiedlichen Richtungen und bewegt betrachtet werden. So genannte "Fly-Throughs", die den Eindruck eines virtuellen Flugs durch das VOI ergeben sollen, sind möglich. Dies ist nicht nur ästhetisch und instruktiv, sondern kann auch diagnostisch wertvoll sein. Insbesondere kann mit einer so genannten "Vessel-View"-Methode das Innere eines Auswertevolumens sichtbar gemacht werden.

Alle genannten Verfahren zur 3D-Bilddarstellung und Verarbeitung bestimmen einen endgültigen Bildpunkt auf dem Suchstrahl auf Grundlage eines in geeigneter Weise vorgegebenen Bildpunktwertes. Dies führt letztendlich zur Darstellung einer interessierenden Oberfläche für das zu untersuchende Objekt im Auswertevolumen. In vielen Fällen interessiert jedoch, zusätzlich zur Oberfläche des zu untersuchenden Objektes, das Gewebe wenige Zentimeter hinter der Oberfläche. Hierzu muss z.Zt. auf zusätzliche 2D-Darstellungen, z. B. im Rahmen des MPR oder STS, parallel zur 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung zurückgegriffen werden. Dies erweist sich in der Bedienung als sehr zeitaufwändig und umständlich, da zum Teil mehrfach ein Wechsel aus der 3D-Darstellung in die 2D-Darstellung vollzogen werden muss. Damit muss die vorteilhaft realistische Präsentation im Rahmen der 3D-Bilddarstellung aufgegeben werden, um diagnostisch relevante Details lediglich im Rahmen der 2D-Darstellung herauszuarbeiten.

Wünschenswert wäre aber eine gezielte Herausarbeitung relevanter Details im Rahmen der 3D-Darstellung. Damit würde eine für die diagnostische Befundung vollkommen ausreichende 3D-Darstellung erreicht.

Aus der US 2003/0223627 ist ein Verfahren zur Bildverarbeitung zu entnehmen, bei dem ein Zielorgan unter Zuhilfenahme charakteristischer Schwellenwerte dargestellt wird. Hierbei wird jedoch lediglich ein zwischen einer inneren Oberfläche und einer äußeren Oberfläche liegendes Gewebe dargestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung anzugeben, wobei die Diagnostik im Rahmen der 3D-Darstellung von medizinischen Bildern vereinfacht und hinsichtlich der diagnostischen Befundung verbessert ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass es im Rahmen der 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung eine Möglichkeit geben sollte, hinter dargestellte Flächen/Oberflächen zu schauen. Der Blick des Untersuchers reicht im Rahmen der eingangs beschriebenen Verfahren nämlich lediglich bis zu den genannten Flächen/Oberflächen, da aufgrund eines vorgegebenen Bildpunktwertes ein bereits endgültiger Bildpunkt bestimmt wird. Mit dem hier vorgestellten Verfahren werden auch Bildpunkte dargestellt, die hinter solchen Flächen/Oberflächen liegen.

Hierzu sieht das vorliegende Verfahren die Bestimmung eines lediglich vorläufigen Bildpunktes vor. Der vorläufige Bildpunkt wird dann als Startpunkt für ein Ausdehnen des Suchstrahls in einen erweiterten Suchbereich jenseits des vorläufigen Bildpunktes verwendet. Anschließend wird ein zweiter Bildpunkt in dem erweiterten Suchbereich bestimmt. Dem Untersucher ist es also möglich, einen Blick hinter eine gemäß dem Stand der Technik endgültige und gemäß dem neuen Konzept zunächst vorläufig bestimmte Oberfläche zu werfen.

Der zweite Bildpunkt wird im Folgenden auch als optionaler Bildpunkt bezeichnet, wird in dem erweiterten Suchbereich auf Grundlage eines erweiterten Wertebereichs für einen Bildpunktwert bestimmt, d. h. eines erweiterten Bildpunktwertebereichs. Der zweite Bildpunkt wird also ggf. auf Grundlage eines neuen Bildpunktwertes, der nicht mit dem ursprünglichen Bildpunktwert übereinstimmen muss, bestimmt. Auf diese Weise kann im erweiterten Suchbereich die gezielte Diagnose relevanter Details verfeinert oder verbessert werden. Dazu kann der erweiterte Bildpunktwertebereich je nach Anwendung beispielsweise einen einzigen, mehrere oder eine Gewichtung von erweiterten Bildpunktwerten enthalten. So kann ein Bildpunktwert beispielsweise in Form eines Schwellwertes angegeben sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Anzahl von mehreren Bildpunktwerten in Form von gestaffelten Schwellwerten anzugeben. Schließlich kann ein Bildpunktwertebereich in Form einer Gewichtung einer Vielzahl von Bildpunktwerten vorliegen. Dadurch können, insbesondere im erweiterten Suchbereich, unterschiedlichste Details gleichzeitig als Bildpunkte zu einer Bilddarstellung beitragen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine gezielte Diagnostik im Rahmen der 3D-Darstellung möglich wird, indem ein gemeinsamer Zugang für die Darstellung von Oberflächen und Tiefeninformation im Rahmen medizinischer 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung gegeben wird. Die gemeinsame Darstellung von Oberfläche und Tiefeninformation in einem 3D-Darstellungsmodus stellt eine grundlegende Erneuerung dar, die eine Vielzahl diagnostischer Ansätze ermöglicht. Insbesondere wird es möglich, diagnostisch relevante Details gezielt bereits im Rahmen einer 3D Darstellung herauszuarbeiten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das Verfahren im Rahmen des erläuterten Konzepts zu realisieren.

Vorzugsweise ist ein interaktives oder automatisches Vorgeben des erweiterten Suchbereichs vorgesehen. Der Untersucher kann den erweiterten Suchbereich selbst bestimmen. Es kann auch wünschenswert sein, dass der Untersucher lediglich eine gewisse Diagnostiksituation angibt und sich aufgrund von gewissen Erfahrungswerten ein automatisch vorgegebener Suchbereich einstellt. Gegebenenfalls können dem Untersucher auch eine Anzahl zu bevorzugender, ggf. automatisch bestimmter, Suchbereiche im Rahmen einer Menüauswahl angeboten werden. Dadurch wird vermieden, dass ein erweiterter Suchbereich zu klein gewählt wird, wodurch dann zu wenig Tiefeninformation zur Verfügung stünde. Andererseits wird vermieden, dass ein erweiterter Suchbereich zu groß ausfällt, so dass eine Nähe zu einem Bereich mit hohem Kontrast, z. B. einem Skelettteile oder Knochenbereich, vermieden wird. Skelett- oder kontrastmittelgefüllte Gefäße stellen nämlich in der Regel Strukturen dar, die sich im Vergleich zu ihrer Umgebung durch besonders hohe Kontraste auszeichnen und deshalb die eigentlich zu untersuchenden Details überblenden könnten. Je nach Diagnosesituation kann also die Vorgabe eines speziell für die Diagnosesituation abgestimmten und quantifizierten erweiterten Suchbereichs vorteilhaft sein.

Vorzugsweise wird der Suchstrahl im erweiterten Suchbereich parametrisiert. Eine Parametrisierung des Suchstrahls ist vorteilhaft für die rechnerische Verarbeitung und eine Quantifizierung des erweiterten Suchbereichs.

Vorzugsweise ist ein interaktives oder automatisches Vorgeben des erweiterten Bildpunktwertebereichs vorgesehen. Ein erweiterter Bildpunktwertebereich sollte derart ausgewogen gewählt sein, dass eine Tiefeninformation in geeigneter Weise zur Verfügung gestellt wird. Ein Bildpunktwertebereich, also eine Auswahl an Bildpunktwerten, sollte in seinen Werten (z. B. Kontrastwerte) nicht zu niedrig sein, um einen Mangel an Tiefeninformation zu vermeiden und andererseits nicht zu hoch sein, um eine Nähe zu einem zu hohen Kontrastbereich, beispielsweise in Form eines Knochens oder eines kontrastmittelgefüllten Gefäßes, zu vermeiden.

Als eine besonders bevorzugte Weiterbildung kann eine interaktive oder automatische Auswahl des optionalen Bildpunktes als alternativer oder zusätzlicher Bildpunkt zur Verfügung gestellt werden. So kann beispielsweise eine automatische Suche nach einer Läsion im Verfahren implementiert werden. Unter einer Läsion ist im Allgemeinen jede abnorme Struktur oder Strukturänderung, beispielsweise eines Organs, insbesondere aufgrund einer Verletzung oder einer Krankheit zu verstehen. Eine Läsion kann oftmals recht genau in ihrer Form und Größe umschrieben und charakterisiert werden. Die automatische Suche von Läsionen sieht eine computerautomatisierte Suchfunktion nach einer bestimmten geometrischen, für die Läsion charakteristischen, Struktur vor. Hiermit wäre beispielsweise eine schnelle Differenzierung zwischen diagnostisch wichtigen Befunden und den so genannten "Falsch-Positiven" Ergebnissen möglich.

Vorzugsweise ist das Darstellen des vorläufigen Bildpunktes mit dem Bildpunktwert vorgesehen. Der optionale Bildpunkt mit dem optionalen Bildpunktwert kann vorzugsweise zusätzlich im selben Bild oder parallel dazu in einem weiteren Bild dargestellt werden. Bei dieser Weiterbildung trägt also nur der vorläufige Bildpunkt oder nur der optionale Bildpunkt oder beide zur 3D-Bilddarstellung bei. Hier bietet sich beispielsweise eine MIP-Darstellung an.

Im Rahmen einer anderen besonders bevorzugten Weiterbildung ist das Vorhalten und Darstellen des optionalen Bildpunktes mit dem optionalen Bildpunktwert in einer Bildpunktlinse vorgesehen. Eine Bildpunktlinse wird auch als eine Voxel-Linse bezeichnet. Der optionale Bildpunkt wird also erzeugt, sobald er in den Bereich einer Voxel-Linse gerät, die vom Untersucher geführt werden kann.

Des Weiteren hat sich gezeigt, dass das oben erläuterte Verfahren vorteilhaft mit zusätzlichen Funktionen ergänzt werden kann, welche die Diagnostik erleichtern. So sieht eine beson ders bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens eine Ausgabe von Maximal und/oder Minimal- und/oder Mittelwerten unter Berücksichtigung des erweiterten Suchbereichs vor. Dabei sind insbesondere tatsächlich gemessene CT-Werte des erweiterten Suchbereichs zu berücksichtigen.

Des Weiteren ist vorteilhaft eine Ausgabe einer Verteilung von Bildpunktwerten unter Berücksichtigung des erweiterten Suchbereichs vorgesehen. Dabei sind insbesondere tatsächlich gemessene CT-Werte im erweiterten Suchbereich zu berücksichtigen. Eine Verteilung kann beispielsweise in Form eines Histogramms gegeben sein.

Es hat sich gezeigt, dass sich das oben erläuterte Konzept hinsichtlich der 3D-Bilddarstellung besonders effektiv im Rahmen einer virtuellen Endoskopie umsetzen lässt. Bei solchen virtuellen endoskopischen Ansichten, die auch als endoluminale Ansichten bezeichnet werden, handelt es sich praktisch um ein perpektivisches VR oder perspektivisches SSD. Vorrangiges Einsatzgebiet dieser Technik sind anatomische Strukturen, die auch Endoskopen zugänglich sind. Dazu gehört beispielsweise der Bronchialbaum, größere Gefäße, das Kolon und das Nasennebenhöhlensystem. Darüber hinaus wird sie auch in Bereichen wie den Nierenzisternen und im Gastrointestinalbereich, die Endoskopen nicht direkt zugänglich sind, eingesetzt.

Das oben erläuterte Konzept sieht eine Weiterbildung des Verfahrens insbesondere im Rahmen der Koloskopie, der Bronchoskopie oder der Zisternoskopie vor.

Dazu erfolgt eine medizinische Bilddarstellung und -verarbeitung Bildern, insbesondere Computertomografie- oder Magnetresonanztomografie-Bildern, eines Kolons bzw. eines Bronchialbaums bzw. einer Zisterne im Rahmen des erläuterten Verfahrens.

Das oben erläuterte Konzept erweist sich im Rahmen einer Weiterbildung als besonders nützlich für ein Verfahren, das ausgeht von einem unter Verwendung eines Kontrastmittels gewonnenen 3D-Datenvolumens. Vorzugsweise werden insbesondere die oben genannten Strukturen mit Kontrastmittel versetzt. Als Kontrastmittel kann Luft, CO₂, N₂, O₂, Wasser oder ein anderes geeignetes Kontrastmittel Verwendung finden.

Das Verfahren zur medizinischen Bilddarstellung und -verteilung ist besonders vorteilhaft in Form eines bildgebenden Verfahrens in der Computertomografie realisiert. Gleichermaßen ist jedoch auch eine Realisierung für unter anderen Modalitäten gewonnenen Datenvolumina möglich, z. B. im Rahmen der Magnetresonanztomografie (MRT) oder der Positronen-Emissions-Tomografie (PET).

Das 3D-Datenvolumen kann beispielsweise auch im Rahmen einer dreidimensionalen Ultraschalluntersuchung gewonnen sein.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die Erfindung mittels einem Computertomografiegerät oder einem Magnetresonanztomografiegerät gelöst, welches wenigstens ein Bedienelement für einen Verfahrensschritt des Verfahrens zur Durchführung des Verfahrens aufweist.

Hinsichtlich der Vorrichtung führt die Erfindung auch auf eine Arbeitsstation zur Bilddarstellung und -verarbeitung von Computertomografie- oder Magnetresonanztomografie-Bilder, welche wenigstens ein Bedienelement für einen Verfahrensschritt zur Durchführung des oben erläuterten Verfahrens aufweist. Die Arbeitsstation kann insbesondere für Nicht-Biopsie-Anwendungen vorteilhaft sein. Sie dient vorzugsweise zur Monitorbefundung.

Unter einem Bedienelement ist insbesondere ein Softwaremittel und/oder ein Hardwaremittel einzeln oder in Kombination zu verstehen, mit dem einer der oben genannten Verfahrensschritte ausgeführt oder kontrolliert werden kann.

Die Erfindung führt auch auf ein Computerprogrammprodukt zur Bilddarstellung und -verarbeitung von Computertomografie- oder Magnetresonanztomografie-Bildern, welches wenigstens ein Programmmodul für einen Verfahrensschritt zur Durchführung des oben erläuterten Verfahrens aufweist.

1 eine skizzierte Vorgehensweise im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zur 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung in der Computertomografie, wobei eine 3D-Datenvolumen schematisch dargestellt ist;
2 einen Ablaufplan der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung.
1 verdeutlicht schematisch eine Vorgehensweise im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung in der Computertomografie am Beispiel der virtuellen Endoskopie. Die virtuelle Endoskopie soll eine perspektivische Ansicht der Nahumgebung eines virtuellen Endoskopkopfes abbilden und wird erfolgreich z. B. für die Befundung eines Kolons, eines Bronchialbaums oder von Gefäßen eingesetzt. Die eingesetzten Algorithmen für VR oder SSD erlauben eine Betrachtung der Kolon- bzw. Bronchialwand mit hoher Qualität. Zur Berechnung wird hierbei der hohe Kontrastunterschied zwischen einem luftgefüllten Innenraum und dem umgebenden Gewebe ausgenützt. Die VR-Opazitäts- und Farbfunktionen werden meist so eingestellt, dass der Übergang von Darm-, Bronchien-, Gefäßinnenräumen zum umliegenden Gewebe – also der Darmwand, der Bronchialwand oder der Gefäßwand – opak dargestellt wird. Besonders aufschlussreich und diagnostisch oft sehr wichtig ist es, die Strukturen bewegt und aus unterschiedlichen Richtungen zu betrachten, wie es mit dem Endoskop oder dem Operationsmikroskop in der Regel nicht realisierbar ist. Dabei handelt es sich praktisch um Flüge durch das Volumen – auch als so genannte "Fly-Throughs" bezeichnet –, die den Eindruck eines virtuellen Flugs durch den Gewebekörperbereich vermitteln.
1 zeigt schematisch ein bereitgestelltes 3D-Datenvolumen 1. Das Datenvolumen 1 weist insbesondere eine Vielzahl von Bildpunkten (Voxel) auf, denen jeweils ein Bildpunktwert zugeordnet ist. Ein Beispiel eines ausgezeichneten Bildpunktes ist beispielsweise die Betrachterposition 3. Die Betrachterposition 3 wird im Rahmen des Verfahrens vorgegeben. Des Weiteren wird ein von der Betrachterposition 3 ausgehender Suchstrahl 5 vorgegeben. Im Rahmen üblicher Verfahren wird der Suchstrahl bis zu einem solchen Bildpunkt 7 fortgesetzt, welcher einen vorgegebenen Bildpunktwert W aufweist. Ein solcher Bildpunktwert W kann beispielsweise in Form einer Schwelle angegeben sein, die z. B. einem hier schematisch dargestellten Kontrastwert eines Kolons in Form einer Darmwand 9 entsprechen kann. Die Darmwand 9 wird dadurch gefunden, dass der Suchstrahl 5 in der in 1 eingezeichneten Richtung an der Stelle des Bildpunktes 7 seinen vorgegebenen Bildpunktwert W annimmt. Dem ging eine Abtastung des 3D-Datenvolumens 1 mit anderen Suchstrahlen 5' und 5'' unter Variation eines Raumwinkels α', α'' voraus. Bei dem Vorgang sucht der Untersucher unter Nutzung einer Arbeitsstation oder eines Computertomografiegerätes also nach einer durch den Bildpunktwert W, W' bzw. W'' charakterisierten Darmwand 9.
Das vorliegende Konzept ermöglicht es nunmehr im Unterschied zur bisherigen Vorgehensweise ein Gewebe hinter einer Oberfläche/Fläche, vorliegend hinter der Darmwand 9, darzustellen. Dazu wird der Bildpunkt 7 im Unterschied zu bisherigen Vorgehensweisen lediglich als vorläufiger Bildpunkt 7 auf dem Suchstrahl 5 auf Grundlage des Bildpunktwertes W bestimmt. Danach wird der Suchstrahl 5 in einen erweiterten Suchbereich 11 jenseits des vorläufigen Bildpunktes 7 ausgedehnt. Danach wird ein optionaler Bildpunkt 13 in dem erweiterten Suchbe reich 11 bestimmt. Bei der in 1 dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsform ist dem optionalen Bildpunkt 13 ein erweiterter Bildpunktwert X im Rahmen eines nicht näher dargestellten erweiterten Bildpunktwertebereichs zugeordnet. Der Untersucher hat bei diesem Ausführungsbeispiel als einen erweiterten Bildpunktwert X angegeben, um hinter der Darmwand 9 nach einer Läsion zu suchen. Dabei wurde der erweiterte Bildpunktwert X in einer für die zu suchende Läsion charakteristischen Weise gewählt.
Im Beispiel der CT-Kolonografie interessiert z. B., ob im virtuellen Endoskop eine polypartige Struktur im Inneren mit Luft oder mit Kontrastmittel oder Luftpartikeln gefüllt ist und somit ohne Umweg über eine MPR-Darstellung als Stuhlrest erkannt und damit bei der Diagnose ignoriert werden kann. Darüber hinaus kann bei positiven Befunden, z. B. durch die Erkennung von enthaltenen Fettanteilen oder bei Anreicherung mit gegebenem Kontrastmittel eine differenziertere Diagnose der polypartigen Struktur erfolgen. Bei der Untersuchung eines Bronchialbaumes würde z. B. die Ausdehnung und Struktur eines Karzinoms interessieren, das jenseits der Bronchialwand liegen könnte. In dem Fall wäre das Bezugszeichen 9 einer Bronchialwand zuzuordnen. Gemäß dem hier erläuterten richtungsweisenden Konzept wird also ein Voxel in Form des Bildpunkts 13 hinter der Oberfläche in Form einer Darmwand 9 oder einer anderen Wand als zusätzliche Information ausgewertet.
Eine gleichzeitige 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung zusammen mit einer Tiefeninformation erweist sich vor allem dann als wertvoll, wenn es sich bei dem durch das 3D-Datenvolumen dargestellten Körperteil um ein bewegtes Körperteil handelt. So kann beispielsweise die Punktierung eines Lungentumores sehr schwierig sein, da einerseits eine Bronchienwand sehr dünn ist und andererseits die Lage derselben durch die Atembewegung ständig verändert wird. Ein hinter der Bronchienwand liegender Lungentumor kann aber mit dem vorliegenden Konzept sehr wohl und besonders zuverlässig punktiert werden, selbst wenn er weniger nah an der Bronchienwand liegt. Das vorliegende Konzept liefert nämlich eine Tiefeninformation, bei der vorliegenden Ausführungsform im Rahmen des erweiterten Suchbereichs 11.
Ein erweiterter Suchbereich 11 ist bei der vorliegenden Ausführungsform geeignet parametrisiert. So sollte ein geeignet erweiteter Suchbereich 11 bei der Koloskopie im Bereich zwischen 1 und 2 cm liegen. Ein solches Abstandsmaß ist ein im Darmbereich zu bevorzugendes Abstandsmaß. Bei einer Verwendung des erläuterten Konzepts im Rahmen der Bronchioskopie kann sich das anders verhalten. Dort kann es vorteilhaft sein, den erweiterten Suchbereich 11 bis tief in die Lunge hinein zu definieren. Vorteilhaft ist auch, einen erweiterten Suchbereich als prozentualen Anteil des vorläufigen Suchbereichs 15 zu definieren. Bei der Zisternoskopie können wieder andere Kriterien relevant sein. In jedem Fall sollte der erweiterte Suchbereich 11 derart parametriert sein, dass sich der erweiterte Suchbereich 11 in einer für die jeweilige Anwendung vorteilhaften Weise quantifizieren lässt. Die Darstellung des vorläufigen Bildpunktes 13 als Teil einer CT-Bilddarstellung kann vorzugsweise im Rahmen einer MIP erfolgen, die getrennt von der ursprünglichen endoluminalen Darstellung oder auch gemeinsam als Überlagerung angezeigt werden kann. Mit einer wählbaren Schwelle kann z. B. Kontrastmittel detektiert werden. Ein Überschreiten der Schwelle, d. h. im Bereich der Koloskopie z. B. eine Detektion von kontrastmittelgefülltem Stuhl, kann dann durch Einfärben der in der virtuellen Endoskopie dargestellten Oberfläche erfolgen. Eine weitere Ausgestaltung sieht mehrere Schwellwerte und eine Darstellung in unterschiedlichen Farben vor. In noch einer weiteren Ausgestaltung kann eine Auswertung der tatsächlichen CT-Werte zwischen einer unteren bzw. einer oberen Schwelle und deren farbkodierter Darstellung erfolgen. Je nach Zweckmäßigkeit kann dabei eine Gewichtung von erweiterten Bildpunktwerten im erweiterten Suchbereich 11 erfolgen. Auf diese Weise könnten alle Bildpunkte im erweiterten Such bereich 11 mit unterschiedlicher Gewichtung dargestellt werden. Bei der in 1 erläuterten Ausführungsform wird lediglich der vorläufige Bildpunkt 7 mit seinem Bildpunktwert W und der optionale Bildpunkt 13 mit seinem erweiterten Bildpunktwert Xfestgehalten. Bei der Monitorbefundung bringt der Untersucher die Darmwand 9 zur Darstellung. Bei Bedarf kann er durch Anwendung einer Bildpunktlinse – einer so genannten Voxel-Linse – den optionalen Bildpunkt 13 mit dem optionalen Bildpunktwert X als Teil eines hinter der Darmwand liegenden Bereichs 17 zur Darstellung bringen. Als besonders vorteilhaft bei dieser Art der Anwendung des erläuterten Konzepts hat es sich erwiesen, dass ein Raum jenseits der Darmwand 9 automatisch nach Läsionen 19 abgesucht wird. So kann beispielsweise nach einer wie ein Polyp aussehenden Struktur gesucht werden, indem der Raum jenseits der Darmwand 9 nach geometrisch kugelförmigen bzw. kreisförmigen Gebilden abgesucht wird. Ein solches kreisförmiges Gebilde als Beispiel einer Läsion 19 ist bei der in 1 gezeigten Ausführungsform als Teil des Bereichs 17 dargestellt.
Die 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung. Nach dem Start 21 des Verfahrens wird ein 3D-Datenvolumen im Verfahrensschritt 23 zur Verfügung gestellt. Dies kann ein in 1 dargestelltes Datenvolumen 1 sein. Danach wird im Verfahrensschritt 25 eine Betrachterposition, ein Suchstrahl und ein Bildpunktwert vorgegeben. Dies kann eine in 1 dargestellte Betrachterposition 3, ein in 1 dargestellter Suchstrahl 5 und ein in 1 dargestellter Bildpunktwert W sein. Im Verfahrensschritt 27 wird anschließend ein vorläufiger Bildpunkt auf dem Suchstrahl auf Grundlage des Bildpunktwertes bestimmt. Dies kann ein in 1 erläuterter vorläufiger Bildpunkt 7 sein. Im Verfahrensschritt 29 wird der Suchstrahl in einen erweiterten Suchbereich jenseits des vorläufigen Bildpunktes ausgedehnt. Dies kann ein in 1 erläuterter Suchbereich 11 sein. Im Verfahrensschritt 31 wird der optionale Bildpunkt in dem erweitern Suchbereich bestimmt. Dies kann beispielsweise ein optionaler Bildpunkt 13 der 1 sein. Vor dem Ende 35 des Verfahrens erfolgt eine Auswertung des erweiterten Suchbereichs als zusätzliche Tiefeninformation, vorzugsweise neben oder parallel zu der 3D-Darstellung, im Verfahrensschritt 33. Geeignete Schritte des Verfahrens können in einer Stufe 37 so lange wiederholt werden, bis die weiteren Bildpunkte abgearbeitet sind.
Ein medizinisches bildgebendes Diagnostikverfahren lässt sich im Rahmen einer medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung gleichzeitig vereinfachen und verbessern. Dazu geht das vorliegende Konzept von einem Verfahren zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und Verarbeitung aus, das folgende Verfahrensschritte aufweist: Bereitstellen eines 3D-Datenvolumens 1, Vorgeben einer Betrachterposition 3, eines Suchstrahls 5 und eines Bildpunktwertes W für das 3D-Datenvolumen 1. Das Konzept sieht zur Vereinfachung und Verbesserung vor: Bestimmen eines vorläufigen Bildpunktes 7 auf dem Suchstrahl 5 auf Grundlage des Bildpunktwertes W, Ausdehnen des Suchstrahls 5 in einen erweiterten Suchbereich 11 jenseits des vorläufigen Bildpunktes 7 und Bestimmen eines optionalen Bildpunktes 13 in dem erweiterten Suchbereich 11.

Claims

Verfahren zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung aufweisend die Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines 3D-Datenvolumens (1) für ein Auswertevolumen, – Vorgeben einer Betrachterposition (3), eines Suchstrahls (5) und eines Bildpunktwertes (W) für eine Oberfläche (9) des Auswertevolumens, – Bestimmen eines ersten Bildpunktes (7) auf dem Suchstrahl (5) auf Grundlage des Bildpunktwertes (W), gekennzeichnet durch – Ausdehnen des Suchstrahls (5) in einen erweiterten Suchbereich (11) jenseits des ersten Bildpunktes (7), und – Bestimmen eines zweiten Bildpunktes (13) auf dem Suchstrahl (5) in dem erweiterten Suchbereich (11) als ein zum ersten Bildpunkt (7) alternativer oder zusätzlicher Bildpunkt (13) auf Grundlage eines erweiterten Bildpunktwertebereichs mit einem oder mit mehreren erweiterten Bildpunktwerten (X), – Darstellen des ersten Bildpunktes (7) und/oder des zweiten Bildpunktes (13).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein interaktives oder automatisches Vorgeben des erweiterten Suchbereichs (11).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Parameterisierung des Suchstrahls (5) im erweiterten Suchbereich (11).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erweiterte Bildpunktwertebereich einen, mehrere oder eine Gewichtung von erweiterten Bildpunktwerten (X) enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein interaktives oder automatisches Vorgeben des erweiterten Bildpunktwertebereichs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine interaktive oder automatische Auswahl des zweiten Bildpunktes (13) als alternativer oder zusätzlicher Bildpunkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Darstellen des ersten Bildpunktes (7) mit dem Bildpunktwert (W) und/oder des zweiten Bildpunktes (13) mit dem einen oder den mehreren erweiterten Bildpunktwerten (X).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Vorhalten und Darstellen des zweiten Bildpunktes (13) mit dem einem oder mehreren erweiterten Bildpunktwerten (X) in einer Bildpunktlinse.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Ausgabe von Maximal- und/oder Minimal- und/oder Mittelwerten unter Berücksichtigung des erweiterten Suchbereichs (11).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Ausgabe einer Verteilung von Bildpunktwerten unter Berücksichtigung des erweiterten Suchbereichs (11).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Verfahren zur medizinischen Bilddarstellung und -verarbeitung ein bildgebendes Verfahren in der Computertomografie oder Magnetresonanztomografie ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die 3D-Bilddarstellung in Form einer virtuellen Endoskopie erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur medizinischen Bilddarstellung und -verarbeitung von Bildern eines Kolons.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur medizinischen Bilddarstellung und -verarbeitung von Bildern eines Bronchialbaums.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur medizinischen Bilddarstellung und -verarbeitung von Bildern einer Zisterne.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, ausgehend von einem unter Verwendung eines Kontrastmittels gewonnenen 3D-Datenvolumen (1).
Computertomografie- oder Magnetresonanztomografie-Gerät, welches Bedienelemente für die Verfahrensschritte (21 bis 35) des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweist.
Arbeitsstation zur Bilddarstellung und -verarbeitung von Computertomografie- oder Magnetresonanztomografie-Bildern, welche Bedienelemente für die Verfahrensschritte (21 bis 35) des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweist.
Computerprogrammprodukt zur Bilddarstellung und -verarbeitung von Computertomografie- oder Magnetresonanz-Bildern, welches Programmmodule für die Verfahrensschritte (21 bis 35) des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweist.