DE102004027709A1

DE102004027709A1 - Verfahren der virtuellen Endoskopie zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung, Computertomografiegerät, Arbeitsstation und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102004027709A1
Application number: DE102004027709A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Gündel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: US20050272999A1; NL1029186A1; US7796131B2; CN1707524A; DE102004027709B4; NL1029186C2; CA2509134A1

Abstract

Es wird ein Verfahren der virtuellen Endoskopie zur medizinischen 3-D-Bilddarstellung und Verarbeitung in der Computertomografie angegeben, das folgende Verfahrensschritte aufweist: DOLLAR A - Bereitstellen eines ersten Auswertevolumens (51) auf Grundlage eines 3-D-Datenvolumens (10), DOLLAR A - Bereitstellen eines Betrachterpfades (51) durch das erste Auswertevolumen (3). DOLLAR A Um eine automatische Berechnung des Betrachterpfades zu ermöglichen - selbst für den Fall, dass kein durchgängiger Pfad durch das Auswertevolumen gefunden werden kann - sieht das vorliegende Konzept ein automatisches Ermitteln wenigstens eines weiteren Auswertevolumens (5, 7, 9) auf Grundlage des 3-D-Datenvolumens (10) nach vorbestimmten Kriterien vor.

Description

Verfahren der virtuellen Endoskopie zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung, Computertomografiegerät, Arbeitsstation und Computerprogrammprodukt
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der virtuellen Endoskopie zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung, aufweisend die Verfahrensschritte: Bereitstellen eines ersten Auswertevolumens auf Grundlage eines 3D-Datenvolumens, Bereitstellen eines Betrachterpfades durch das erste Auswertevolumen. 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 eta bliert. Für diese Vorgehensweisen sind bei einem Computertomografiegerät 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. 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. 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.
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.
Voraussetzung für die Bilddarstellung in der virtuellen Endoskopie ist in der Regel eine Angabe zu einem Betrachterpfad. Ein solcher Betrachterpfad wird auch als Flugpfad oder als Centerline bezeichnet. Der Betrachterpfad entspricht praktisch dem Weg, der von einem virtuellen Endoskopkopf verfolgt wird und entlang dem eine perspektivische Ansicht der Nahumgebung wiedergegeben wird. Dabei taucht häufig das Problem auf, dass ein zu untersuchendes Körperteil im VOI in mehrere Auswertevolumina aufgeteilt ist. In dem Fall ist kein durchgängiger Betrachterpfad durch das VOI vorhanden. Vielmehr muss ein Betrachterpfad im ersten Auswertevolumen bereitgestellt werden und dann zu einem zweiten Auswertevolumen ge wechselt werden, wobei dort erneut ein Betrachterpfad bereitgestellt werden muss. Eine solche Situation kann beispielsweise entstehen, wenn eine tubusartige Formation des VOI, beispielsweise ein Kolon, eine Zisterne oder eine Bronchie, eine Verengung oder einen Verschluss aufweist oder anderweitig unterbrochen ist, beispielsweise nicht mit Kontrastmittel gefüllt ist oder sonstige Umstände dazu führen, dass das tubusartige und zu endoskopierende Körperteil nicht als ein einziges vollständiges Auswertevolumen vorliegt. Ein einen Patienten untersuchender Nutzer des üblichen Verfahrens muss dazu in der Regel jeweils das erste und zweite Auswertevolumen auffinden und von neuem die Bedingungen, z. B. einem Startpunkt, für einen Betrachterpfad festlegen. Der Untersucher muss in dem Fall einen Großteil seiner Zeit dafür aufwenden, alle Auswertevolumina aufzufinden, um das ganze VOI zu untersuchen. Es muss in jedem einzelnen Auswertevolumen ein neuer Betrachterpfad bereitgestellt werden. Dies kostet Zeit und führt dazu, dass der so genannte "Fly-Through" unterbrochen werden muss oder sogar Teile des VOI nicht befundet werden.
Wünschenswert wäre es, dass bei einer virtuellen Endoskopie ein VOI möglichst zuverlässig und vollständig untersucht wird.

An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren der virtuellen Endoskopie und eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, mit der eine virtuelle Endoskopie besonders einfach und zuverlässig durchführbar ist. Insbesondere sollte ein Betrachterpfad auf besonders zweckmäßige Weise bestimmt werden, selbst für den Fall, dass eine Anzahl von Auswertevolumina das VOI ausmachen.

Die Aufgabe betreffend das Verfahren wird durch ein eingangs genanntes Verfahren der virtuellen Endoskopie zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung gelöst, das außerdem den Verfahrensschritt aufweist:

– Automatisches Ermitteln wenigstens eines weiteren Auswertevolumens auf Grundlage des 3D-Datenvolumens nach vorbestimmten Kriterien

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass bei Bereitstellen eines ersten Auswertevolumens im VOI bereits die charakteristischen Merkmale des Auswertevolumens definiert, jedenfalls hinreichend bekannt, sind. Dies können geometrische als auch medizinische Merkmale sein. Solche Merkmale können nach der Erkenntnis der Erfindung als vorbestimmte Kriterien für ein automatisches Ermitteln wenigstens eines weiteren Auswertevolumens auf Grundlage des 3D-Datenvolumens dienen. Der Untersucher braucht also nicht selbst nach allen Auswertevolumina zu suchen, um ein vollständiges Bild des VOI vorzubereiten. Insbesondere hat das hier vorgeschlagene Konzept den Vorteil, dass auf dieser Grundlage eine weitgehend automatische Berechnung des Betrachterpfades durch das vollständige VOI möglich ist, selbst wenn dieses in Form einer Anzahl von separaten Auswertevolumina vorliegt. Das Gleiche gilt für ein einziges Auswertevolumen, welches zwar als Ganzes vorliegt, aber in seiner Geometrie derart gekrümmt oder geknickt oder mit anderweitig drastischen Richtungsänderungen versehen ist, dass in der Regel kein stetiger Betrachterpfad durch das VOI unmittelbar angebbar ist.

Unter einem ersten und einem weiteren Auswertevolumen wird also auch ein erster Bereich und ein weiterer Bereich eines zusammenhängenden VOI verstanden, bei dem der erste Bereich und der weitere Bereich, z. B. durch eine drastische Verengung oder Einschnürung insoweit voneinander getrennt sind, dass ein Untersucher in der Praxis bei einer Bildschirmbefundung praktisch ein erstes Auswertevolumen und ein weiteres Auswertevolumen vorliegen hat.

Ein Auswertevolumen liegt in der Regel als eine tubusartige oder röhrenartige Formation vor, wie sie oft bei einem Kolon, einer Hirnzisterne oder einer Bronchie zu finden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das Verfahren gemäß dem erläuterten Konzept vorteilhaft zu realisieren.

Vorzugsweise ist das Bereitstellen eines weiteren Betrachterpfades durch das wenigstens eine weitere Auswertevolumen vorgesehen. Auf diese Weise ist praktisch eine vollständige automatische Berechnung eines Betrachterpfades durch eine Anzahl von jeweils separat vorliegenden Auswertevolumina möglich, also auch für den Fall, dass kein durchgängiger Betrachterpfad zwischen allen Auswertevolumina gefunden werden kann oder nur unter schwierigen Umständen gefunden werden kann. Eine Weiterbildung sieht also insbesondere ein automatisches Ermitteln für den Fall vor, dass entlang des Betrachterpfades der Betrachterpfad eine Grenze des Auswertevolumens erkennen lässt.

Eine Berechnung des Betrachterpfades gemäß dem vorgeschlagenen Konzept kann vorzugsweise in einer ersten Variante durch ein automatisches Ermitteln vor der eigentlichen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung entlang des Betrachterpfades erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann in einer zweiten Variante eine automatische Ermittlung des Betrachterpfades auch während der eigentlichen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung entlang des Betrachterpfades erfolgen.

Bei der ersten Variante erfolgt die Bestimmung des Betrachterpfades durch die so genannte Centerline im Rahmen einer Vorausberechnung. Bei der zweiten Variante erfolgt die Berechnung des Betrachterpfades als so genannte Centerline während des "Fly-Throughs", beispielsweise unter der Annahme, dass die "maximale Sichtweite" der gewünschten Flugrichtung entspricht. In dem Fall handelt es sich also um eine On-Line Berechnung des Betrachterpfades.

In beiden Fällen ist ein automatisches Ermitteln wenigstens eines weiteren Auswertevolumens für den Fall vorgesehen, dass während oder bei der eigentlichen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung entlang des Betrachterpfades des ersten Auswertevolumens der Betrachterpfad eine Grenze des ersten Auswertevolumens erkennen lässt.

Vorzugsweise erfolgt ein automatisches Ermitteln des wenigstens einen weiteren Auswertevolumens ausgehend von einer Orientierungsstelle oder Grenze des Betrachtracherpfades im ersten Auswertevolumen. Unter einer Orientierungsstelle ist dabei insbesondere eine Stelle zu verstehen, von der aus eine Grenze des ersten Auswertevolumens erkennbar ist. Gemäß dieser Weiterbildung erfolgt also ein automatisches Ermitteln von einer Position im ersten Auswertevolumen aus, an der der Betrachterpfad im ersten Auswertevolumen praktisch endet.

Es hat sich gezeigt, dass die Festlegung eines Betrachterpfades nur dann besonders gut erfolgt, wenn das VOI, also in der Regel eine tubusartige Struktur, vollständig mit Kontrastmittel, beispielsweise in Form eines Inertgases wie Raumluft oder CO₂ oder mit Wasser gefüllt ist. Eine unvorhergesehene Verengung oder Unterbrechung des VOI in einzelne Auswertevolumina ist bei einem zu untersuchenden und in der Regel bewegten Körper (Atembewegung, Muskelbewegung, Durchblutung, operative Eingriffe) häufig der Fall, so dass eine Berechnung eines Betrachterpfades nicht mehr ohne Weiteres möglich ist.

Demnach erfolgt im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung zunächst ein insbesondere automatisches Aufsuchen des gesamten VOI mit allen, insbesondere kontrastmittelgefüllten, Anteilen. Danach erfolgt vorzugsweise eine Segmentierung des gesamten VOI in seine Anteile. Durch eine geeignete Auswahl eines Anteils lässt sich besonders zweckmäßig ein erstes Auswertevolumen bestimmen. Ein automatisches Ermitteln wenigstens eines weiteren Auswertevolumens ist vorzugsweise unter stützt durch eine interaktive Anwahl bzw. Abwahl von Auswertevolumina, die nicht bzw. fälschlicherweise erfasst wurden.

Weitere Weiterbildungen der Erfindung sehen weitere Unterstützungshilfen des Untersuchers im Rahmen des Konzepts vor.

Vorzugsweise ist ein Erstellen einer Bewertung des wenigstens einen weiteren Auswertevolumens und einer Bewertung von Optionen dazu nach den vorbestimmten Kriterien vorgesehen. Das nach geometrischen und/oder medizinischen Kriterien aufgefundene weitere Auswertevolumen entspricht solchen Kriterien naturgemäß mehr oder weniger gut. Eine solche Entsprechung lässt sich im Rahmen einer Bewertung quantifizieren. So lässt sich beispielsweise angeben, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass das weitere Auswertevolumen genauso wie das erste Auswertevolumen zum gleichen VOI, d. h. zum gleichen zu untersuchenden Körperteil, z. B. einem Dickdarm, gehört.

Vorzugsweise wird dem Untersucher eine Anzahl von weiteren Auswertevolumina und von Optionen dazu zur Auswahl gestellt. Dies hat den Vorteil, dass der Untersucher in der Lage ist, z. B. im Rahmen einer Menuauswahl eine zuverlässige Entscheidung über die Art der weiteren Auswahlmöglichkeiten zu treffen.

Vorzugsweise ist die Anzahl von weiteren Auswertevolumina und von Optionen dazu anhand der vorbestimmten Kriterien sortiert. Beispielsweise lässt sich die Anzahl von weiteren Auswertevolumina anhand abnehmender Wahrscheinlichkeit sortieren.

Zu bevorzugende vorbestimmte Kriterien sind beispielsweise geometrische Kriterien, insbesondere betreffend die Größe, die Ausrichtung, die Form des Auswertevolumens. Soweit ein weiteres Auswertevolumen hinsichtlich dieser Kriterien mehr oder weniger die gleichen Eigenschaften hat, wie ein erstes Auswertevolumen, ist eine Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass es sich um das gleiche VOI, also das gleiche zu untersuchende Körperteil handelt.

Des Weiteren lassen sich medizinische Kriterien zur Erstellung der Bewertung angeben, insbesondere betreffend die Art und die Oberflächenbeschaffenheit des Auswertevolumens. Eine Darmwand hat beispielsweise hinsichtlich ihrer Oberflächenbeschaffenheit eine im Vergleich zu anderen Körperteilen charakteristische Ausbildung.

Vorzugsweise wird der Betrachterpfad auf Grundlage einer Betrachterposition und einer Pfadrichtung bereitgestellt. Ausgehend von einer Betrachterposition kann die virtuelle Endoskopie entlang einer Pfadrichtung solange erfolgen, bis ein auf diese Weise entstehender geradliniger Betrachterpfad an die Grenze eines Auswertevolumens führt. Sollte eine Grenze in "Sichtweite" sein, kann entweder ein automatisches Ermitteln wenigstens eines weiteren Auswertevolumens oder eine Richtungsänderung erfolgen.

Als besonders zweckmäßig hat sich das Verfahren zur Anwendung bei der medizinischen Bilddarstellung und -verarbeitung von Bildern, insbesondere von Computertomografie- bzw. Magnetresonanzbildern, eines Kolons, also der Kolonoskopie, erwiesen. Ebenso vorteilhaft hat sich das Konzept zur medizinischen Bilddarstellung und -verarbeitung von Bildern, insbesondere von Computertomografie- bzw. Magnetresonanzbildern eines Bronchialbaums, also bei der Bronchioskopie, erwiesen. Ebenso vorteilhaft ist das beanspruchte Verfahren zur Bilddarstellung und -verarbeitung von Bildern, insbesondere von Computertomografie- bzw. Magnetresonanzbildern, einer Hirnzisterne, also bei der Zisternoskopie.

Hinsichtlich der Vorrichtung führt die Erfindung auf ein Computertomografiegerät oder ein Magnetresonanztomografiegerät, welches wenigstens ein Bedienelement zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem oben erläuterten Konzept aufweist.

Des Weiteren führt die Erfindung auf eine Arbeitsstation zur Bilddarstellung und -verarbeitung von Computertomografie- oder Magnetresonanzbildern, welche wenigstens ein Bedienelement zur Durchführung des Verfahrens nach dem oben erläuterten Konzept aufweist.

Entsprechend weist ein Computerprogrammprodukt zur Bilddarstellung und -verarbeitung von Computertomografie- oder Magnetresonanzbildern wenigstens ein Programmmodul zur Durchführung des Verfahrens nach dem oben erläuterten Konzept auf.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand er Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschreiben. Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:

1 eine beispielhaft dargestellte übliche Vorgehensweise einer Bestimmung eines Betrachterpfades durch ein VOI mit einer Anzahl von Auswertevolumina;

2 eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorgehensweise einer Bestimmung eines Betrachterpfads durch ein VOI mit einer Anzahl von Auswertevolumina;

3 ein schematisch dargestellter Ablaufplan einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens.

In 1 ist eine übliche Vorgehensweise der Vorgabe eines Betrachterpfades im Rahmen eines Verfahrens der virtuellen Endoskopie skizziert. Die Erläuterung erfolgt vorliegend am Beispiel einer Bilddarstellung und -verarbeitung von Computertomografiebildern eins Kolons, also am Beispiel einer virtuellen endoluminalen Kolonoskopie.

1 zeigt ein Volume of Interest (VOI) 1 mit einem ersten Auswertevolumen 3 und weiteren Auswertevolumina 5, 7, 9. Die Auswertevolumina 3, 5, 7, 9 stellen Teile eines Kolons auf Grundlage eines in Form eines Koordinatenkreuzes angedeuteten 3D-Datenvolumens 10 dar. Das VOI 1 stellt zwar ein insgesamt zu untersuchendes tubusartiges Körperteil, nämlich vorliegend den Dickdarm als einen Teil des Kolons dar. Dennoch stellt sich das VOI 1 dem Untersucher bei der Bildschirmbefundung derart verschlungen dar, dass kein durchgängiger Betrachterpfad gefunden werden kann. Das erste Auswertevolumen 3 ist von dem zweiten Auswertevolumen 5 beispielsweise durch einen Knick 11 getrennt. Die Krümmung im Bereich des Knicks 11 ist so stark, dass kein durchgängiger Pfad zwischen dem ersten Auswertevolumen 3 und dem zweiten Auswertevolumen 5 gefunden werden kann. Ein im Rahmen einer Vorausberechnung festgelegter Betrachterpfad 13 stößt an der Endstelle 15 an die Grenze des ersten Auswertevolumens 3. Der Untersucher ist daher gezwungen, einen neuen Betrachterpfad 17 in Form einer neuen Betrachterposition 19 und einer neuen Pfadrichtung 21 im zweiten Auswertevolumen 5 anzugeben. Dazu muss er zunächst das zweite Auswertevolumen 5 auffinden. Die Endstelle 15 markiert praktisch das Ende des Betrachterpfades 13 im ersten Auswertevolumen 3.

Das zweite Auswertevolumen 5 ist im Bereich einer Läsion 23 zu einem Verschluss 25 zusammengedrückt. Auch der weitere Betrachterpfad 17 stößt deshalb an der Endstelle 27 an die Grenze des zweiten Auswertevolumens 5. Wiederum hat der Untersucher ein drittes Auswertevolumen 7 aufzufinden und einen neuen Betrachterpfad 29 in Form einer Betrachterposition 31 und einer Pfadrichtung 33 anzugeben. Nachteiligerweise bleibt dabei ein Bereich 35 des dritten Auswertevolumens 7 ununtersucht. Der neue Betrachterpfad 29 wird während des Fluges bei der virtuellen Endoskopie jeweils an den Stellen 37 um eine maximale Sichtweite in der gleichen Flugrichtung 33 fortgesetzt. Vorliegend erfolgt die endoluminale Ansicht des dritten Auswertevolumens 7 also im Rahmen einer On-Line-Berechnung des Betrachterpfades 29.

Der Betrachterpfad 29 stößt wiederum bei einer Endstelle 39 an die Grenze des dritten Auswertevolumens 7. Dies ist vorliegend bedingt durch eine Verengung 41 des VOI 1 durch einen Muskel 43. Ebenso könnte eine Verengung durch zu wenig Kontrasmittel bedingt sein. Deshalb ist wiederum im vierten Auswertevolumen 9 ein neuer Betrachterpfad 45 in Form einer Betrachterposition 47 und einer Pfadrichtung 49 anzugeben.

Die geschilderte Vorgehensweise erweist sich als schwierig, zeitaufwändig und gleichzeitig unzuverlässig bei der virtuellen Endoskopie, da z. B. Bereiche 35 der Befundung entgehen können. Dies gilt gleichermaßen für eine hier dargestellte Kolonoskopie aber auch in analoger Weise für die virtuelle Endoskopie im Bereich der Bronchioskopie und Zisternoskopie oder anderen Bereichen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des hier vorgeschlagenen Konzepts für ein Verfahren der virtuellen Endoskopie ist am gleichen Beispiel eines Dickdarms als Teil eines Kolons und als VOI in der 2 skizziert. Gleiche Teile der FIG sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein erstes Auswertevolumen 3 des Dickdarms auf Grundlage eines 3D-Datenvolumens 10 bereitgestellt und ein Betrachterpfad 51 durch das erste Auswertevolumen 3 vorgegeben. Die Vorgabe erfolgt vorzugsweise automatisch und computerunterstützt. Gegebenenfalls basiert die automatische Vorgabe auf Grundlage einer Angabe des Untersuchers, z. B. betreffend einen Startpunkt 50 und eine Richtung 54 für den Betrachterpfad 51. Insofern wird dem Untersucher ein Betrachterpfad 51 bereitgestellt. An einer Orientierungsstelle 53 lässt der Betrachterpfad 51 eine Grenze 55 des Auswertevolumens 3 erkennen. Üblicherweise würde eine solche Orientierungsstelle praktisch das Ende eines Betrachterpfades 51 sein. Eine analoge Situation liegt beim zweiten Auswertevolumen 5, beim dritten Auswertevolumen 7 und beim vierten Auswertevolumen 9 vor, wes halb die entsprechenden Orientierungsstellen 53 und Grenzen 55 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

In den durch Rahmen symbolisch gekennzeichneten Bereichen 57, 57' und 57" des VOI 1 erfolgt deshalb ein automatisches Ermitteln wenigstens eines weiteren Auswertevolumens auf Grundlage des 3D-Datenvolumens 10 nach vorbestimmten Kriterien. Im Bereich 57 des ersten Auswertevolumens 3 wird das zweite Auswertevolumen 5 automatisch ermittelt. Dabei sind die vorbestimmten Kriterien vor allem medizinische Kriterien, da sich das zweite Auswertevolumen 5 betreffend Art und Oberflächenbeschaffenheit als gleichwertig zum ersten Auswertevolumen 3 erweist. Der Untersucher kann interaktiv einen weiteren Betrachterpfad 59 vorgeben oder einen weiteren Betrachterpfad automatisch durch das zweite Auswertevolumen 5 vorgeben lassen. Dabei kann z. B. eine grafische Auswahl des Auswertevolumens 5 aus einer Liste von Möglichkeiten durch den Untersucher vorgenommen werden.

Im Bereich 57' des zweiten Auswertevolumens 5 wird ein drittes Auswertevolumen 7 automatisch ermittelt, obwohl aufgrund des Verschlusses 25 kein durchgängiger Pfad gefunden werden kann. Aufgrund geometrischer Kriterien betreffend Größe, Ausrichtung und Form des Auswertevolumens 7 wird dieses als zum gleichen VOI 1 gehörig wie das zweite Auswertevolumen 5 erkannt. In diesem Fall kann der Untersucher beispielsweise einen neuen Betrachterpfad A wählen, der praktisch die gleiche Richtung 61 im zweiten Auswertevolumen 5, im dritten Auswertevolumen 7 und im vierten Auswertevolumen 9 beibehält. Dem Untersucher ist es darüber hinaus auch möglich, sich einen dem Verschluss 25 besser angepassten neuen Betrachterpfad B im dritten Auswertevolumen 7 computerunterstützt angeben zu lassen.

Sowohl der Betrachterpfad A als auch der Betrachterpfad B kann dabei im Rahmen einer oben beschriebenen Vorausberech nung oder im Rahmen einer oben beschriebenen On-Line-Berechnung bereitgestellt werden.

Die erläuterte Situation wiederholt sich auf ähnliche Weise im Bereich 57" zwischen dem dritten Auswertevolumen 7 und dem vierten Auswertevolumen 9. Im Bereich 57" wird das vierte Auswertevolumen 9 automatisch aufgrund vorbestimmter geometrischer und/oder medizinischer Kriterien ermittelt. Der Untersucher ist in der Lage, einen weiteren neuen Betrachterpfad 63 für das vierte Auswertevolumen 9 vorzugeben oder sich angeben zu lassen.

Für den Fall, dass dem Untersucher fälschlicherweise beispielsweise der Muskel 43 als Option für ein Auswertevolumen zur Auswahl gestellt werden sollte, so würde der Muskel 43 dennoch aufgrund seiner vom dritten Auswertevolumen 7 und vom vierten Auswertevolumen 9 stark abweichenden geometrischen und medizinischen Eigenschaft im Rahmen des Verfahrens automatisch mit einer weitaus geringeren Wahrscheinlichkeit bewertet werden. Weiters könnte einem Untersucher ein Teil 52 eines Dünndarms als Option für ein weiteres Auswertevolumen angeboten werden. Der Teil 52 des Dünndarms wird gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren aufgrund seiner geometrischen Lage (da nicht in der gleichen Achsenlage wie das Auswertevolumen 7, 9) sowie der Tatsache, dass kein Ende des Teils 52 auf einen Verschluss hindeutet mit einer niedrigeren Wahrscheinlichkeit bewertet. Darüber hinaus hat das Teil 52 als Teil des Dünndarms keinen Anfang und einen anderen Durchmesser als die Auswertevolumen 7, 9, die Teil des interessierenden Dickdarms (VOI) sind. Einem Untersucher würde in dem Fall also mit höchster Priorität das vierte Auswertevolumen 9 und, wenn überhaupt, mit einem vernachlässigbar geringen Wahrscheinlichkeitsgrad der Muskel 43 und das Teil 52 des Dünndarms zur Auswahl gestellt werden. Dem Untersucher ist es also aufgrund einer geeigneten auf Grundlage der Bewertung durchgeführten Sortierung möglich, das vierte Auswertevolumen 9 in korrekter Weise als Teil des VOI 1 zuverlässig und schnell auszuwählen.

3 zeigt schematisch einen Ablaufplan einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der virtuellen Endoskopie. Nach dem Verfahrensstart 71 wird ein 3D-Datenvolumen im Verfahrensschritt 73 zur Verfügung gestellt und auf Grundlage des 3D-Datenvolumens wird im Verfahrensschritt 75 ein erstes Auswertevolumen bereitgestellt. Das virtuelle Endoskop wird in dem Auswertevolumen automatisch positioniert. Dazu kann beispielsweise ein in 2 dargestelltes 3D-Datenvolumen 10 und ein erstes Auswertevolumen 3 dienen. Die Software, ggf. auf Grundlage der Angaben eines Untersuchers, z. B. betreffend Betrachterposition und Pfadrichtung, gibt danach im Verfahrensschritt 77 einen Betrachterpfad durch das erste Auswertevolumen vor. Dies kann beispielsweise ein in 2 dargestellter erster Betrachterpfad 51 sein.

Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform wird im Verfahrensschritt 79 abgefragt, ob eine Grenze des Auswertevolumens zu erkennen ist. Dies kann beispielsweise eine in 2 dargestellte Grenze 55 sein, die an einer Orientierungsstelle 53 erkannt wird. Für den Fall, dass keine Grenze erkannt wird, wird im Zweig N dem ursprünglichen Betrachterpfad weiter im Rahmen des "Fly-Through" gefolgt. Für den Fall, dass eine Grenze erkannt wird, wird dem Zweig J gefolgt. Dies führt dazu, dass automatisch wenigstens ein weiteres Auswertevolumen auf Grundlage des 3D-Datenvolumens nach vorbestimmten Kriterien ermittelt wird. Dieser Schritt wird beispielsweise in den in 2 dargestellten Bereichen 57, 57' und 57" durch ein automatisches Ermitteln der weiteren Auswertevolumina 5, 7, 9 durchgeführt. Im Verfahrensablauf 70 ist dieses Vorgehen durch den Verfahrensschritt 81 dargestellt. Für den Fall, dass eine Anzahl von mehreren Auswertevolumina ermittelt wird, werden diese in einem Verfahrensschritt 83 bewertet und in einem Verfahrensschritt 85 anhand einer abfallenden Bewertung sortiert. Bei der in 3 dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrensablaufs 70 erfolgt eine Sortierung derart, dass die mit hoher Wahrscheinlichkeit bewerteten Auswertevolumina vor den mit geringerer Wahrscheinlichkeit bewerteten Auswertevolumina aufgeführt werden. Ein Untersucher erhält somit in einem Verfahrensschritt 87 bereits eine sequentiell abfallende, vorsortierte Auswahl von Auswertevolumina, bei der das Auswertevolumen mit höchster Wahrscheinlichkeit an erster Stelle aufgeführt ist. Die Auswahl kann z. B. entweder in Listenform oder als grafische Darstellung der optionalen Auswertevolumina (z. B. 7, 9, 52, 43) bzw. von Orientierungsstellen 53 oder Grenze 55 erfolgen. Der Untersucher kann im Verfahrensschritt 89 das Verfahren abbrechen, wenn er dies für zweckdienlich hält. Ansonsten kann er das Verfahren mit dem Verfahrensschritt 91 durch eine interaktive oder automatische Auswahl eines weiteren Betrachterpfades in dem weiteren Auswertevolumen fortsetzen. Als weiterer Betrachterpfad kann beispielsweise ein Betrachterpfad 59, A, B, 63 der 2 dienen.

Das Verfahren setzt sich in einer Schleife fort, bei der wiederum für einen neuen Betrachterpfad eine Abfrage nach einer Grenze des Auswertevolumens durchgeführt wird.

Es wird ein Verfahren der virtuellen Endoskopie zur 3D-Bilddarstellung und Verarbeitung in der Computertomografie angegeben, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

– Bereitstellen eines ersten Auswertevolumens 51 auf Grundlage eins 3D-Datenvolumens 10,
– Bereitstellen eines Betrachterpfades 51 durch das erste Auswertevolumen 3.

Um eine automatische Berechnung des Betrachterpfades zu ermöglichen – selbst für den Fall, dass kein durchgängiger Pfad durch das VOI gefunden werden kann – sieht das vorliegende Konzept ein automatisches Ermitteln wenigstens eines weiteren Auswertevolumens 5, 7, 9 auf Grundlage des 3D-Datenvolumens 10 nach vorbestimmten Kriterien vor.

Claims

Verfahren der virtuellen Endoskopie zur medizinischen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung aufweisend die Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines ersten Auswertevolumens (3) auf Grundlage eines 3D-Datenvolumens (10) – Bereitstellen eines Betrachterpfades (51) durch das erste Auswertevolumen (3), gekennzeichnet durch – ein automatisches Ermitteln wenigstens eines weiteren Auswertevolumens (5, 7, 9) auf Grundlage des 3D-Datenvolumens (10) nach vorbestimmten Kriterien.
Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch Bereitstellen eines weiteren Betrachterpfades (59, A, B, 63) durch das wenigstens eine weitere Auswertevolumen (5, 7, 9).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein automatisches Ermitteln für den Fall, dass entlang des Betrachterpfades (51, 59, A, B, 63) der Betrachterpfad eine Grenze (55) des Auswertevolumens (3, 5, 7, 9) erkennen lässt.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein automatisches Ermitteln des wenigstens einen weiteren Auswertevolumens (5, 7, 9) ausgehend von einer Orientierungsstelle (53) oder Grenze (55) des Betrachterpfades (51) im ersten Auswertevolumen (3).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein automatisches Ermitteln vor der eigentlichen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung entlang des Betrachterpfades (51, 59, A, B, 63).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein automatisches Ermitteln während der eigentlichen 3D-Bilddarstellung und -verarbeitung entlang des Betrachterpfades (51, 59, A, B, 63).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Erstellen einer Bewertung des wenigstens einen weiteren Auswertevolumens (5, 7, 9) und einer Bewertung von Optionen dazu nach den vorbestimmten Kriterien.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein zur Auswahl stellen des wenigstens einen weiteren Auswertevolumens (5, 7, 9) und von Optionen dazu.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Sortieren einer Anzahl von weiteren Auswertevolumina (5, 7, 9) und von Optionen dazu anhand der vorbestimmten Kriterien.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Kriterien geometrische Kriterien, insbesondere betreffend Größe, Ausrichtung, Form des Auswertevolumens, sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Kriterien medizinische Kriterien, insbesondere betreffend Art und Oberflächenbeschaffenheit des Auswertevolumens, sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrachterpfad (51, 59, A, B, 63) auf Grundlage einer Betrachterposition (53) und einer Pfadrichtung (61) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, 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 13 zur medizinischen Bilddarstellung und -verarbeitung von Bildern eines Kolons.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur medizinischen Bilddarstellung und -verarbeitung von Bildern eines Bronchialbaums.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur medizinischen Bilddarstellung und -verarbeitung von Bildern einer Hirnzisterne.
Computertomografie- oder Magnetresonanztomografie-Gerät welches wenigstens ein Bedienelement für einen Verfahrensschritt (71 bis 89) des Verfahrens zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche aufweist.
Arbeitsstation zur Bilddarstellung und -verarbeitung von Computertomografie- oder Magnetresonanz-Bildern, welche wenigstens ein Bedienelement für einen Verfahrensschritt (71 bis 89) des Verfahrens zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche aufweist.
Computerprogrammprodukt zur Bilddarstellung und -verarbeitung von Computertomografie- oder Magnetresonanz-Bildern, welches wenigstens ein Programmmodul für einen Verfahrensschritt (71 bis 89) des Verfahrens zur Durchführung des Ver fahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche aufweist.