DE10004898C2 - Darstellungseinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Darstellungseinrich­ tung zum Darstellen eines Volumendatensatzes mit einer Viel­ zahl von Volumendatenelementen als um eine Grundrotationsach­ se rotierbares perspektivisches zweidimensionales Bild, mit zumindest einem Datenspeicher zum Speichern des Volumendaten­ satzes, einer Recheneinheit zur Ermittlung des Bildes aus den Volumendatenelementen des Volumendatensatzes, einer Anzeige­ einheit, z. B. einem Monitor, zumindest zum Darstellen des Bildes und mindestens einer Eingabeeinrichtung, z. B. einer Tastatur und/oder einer Maussteuerung,

• - wobei jedem Volumendatenelement eine Position im Volumen und ein Datenwert zugeordnet sind,
• - wobei der Recheneinheit über die Eingabeeinrichtung mindes­ tens eine Grenzfläche vorgebbar ist, aufgrund derer der Vo­ lumendatensatz in einen Auswahldatensatz und einen bezüg­ lich des Volumendatensatzes komplementären Restdatensatz aufgeteilt wird,
• - wobei zur Ermittlung des zweidimensionalen Bildes nur Volu­ mendatenelemente herangezogen werden, die im Auswahldaten­ satz enthalten sind.

Derartige Darstellungseinrichtungen sind allgemein bekannt. Sie werden vor allem in medizinischen Bereichen zur Darstel­ lung von Tomogrammen oder sonstigen dreidimensionalen Rekon­ struktionen von Patientenbildern, z. B. bei der Röntgenangi­ ographie, verwendet. Dabei läßt sich durch entsprechende Vor­ gabe der Grenzfläche, ggf. auch weiterer Grenzflächen, auf einfache Weise ein besonders relevanter Bereich des Volumen­ datensatzes selektieren. Durch die Rotation des Bildes kann der relevante Bereich aus verschiedenen Blickwinkeln betrach­ tet werden.

Die Grundrotationsachse verläuft im Stand der Technik meist durch den Schwerpunkt des Volumendatensatzes, also durch die Mitte des durch den Volumendatensatz definierten Volumens. Dies ist für manche Darstellungen nachteilig. Die Nachteilig­ keit macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn nur ein Teil des Volumendatensatzes auf der Anzeigeeinheit darge­ stellt wird und die Rotationsachse außerhalb des dargestell­ ten Volumenbereichs liegt.

In der US 5,891,030 ist eine Vorrichtung beschrieben, die röhrenförmige Strukturen eines menschlichen Körpers, bei­ spielsweise des Verdauungstraktes, mit Hilfe eines CT-Scan­ ners mit einer Workstation wiedergibt. Dabei wird die Mittel­ linie des Dickdarms bestimmt. Die Workstation setzt CT-Daten derart zusammen, daß axiale Schnittbilder, transluminale Querschnittsbilder und intraluminale Volume-Rendering Bilder wiedergegeben werden.

Aus der US 5,463,722 ist eine Vorrichtung zur automatischen Ausrichtung von manipulierten Objekten im zweidimensionalen und dreidimensionalen Grafikraum bekannt.

In der US 5,644,689 ist ein Verfahren zur dreidimensionalen Darstellung aus einem beliebigen Blickpunkt beschrieben, das komprimierte Voxeldaten verwendet, die durch eine direkte Su­ che nach ein Bild eines Objektes repräsentierenden Voxeldaten erstellt wurden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Darstellungseinrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die einmal getroffenen Einstellungen bei je­ der Rotation nicht wie beim Stand der Technik erneut durchge­ führt werden müssen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Grundrotationsachse in Abhängigkeit von den Positionen der Volumendatenelemente des Auswahldatensatzes wählbar ist, insbesondere von der Recheneinheit in Abhängigkeit von den Positionen der Volumen­ datenelemente des Auswahldatensatzes selbsttätig bestimmt wird, daß das Auswahlvolumen einen Auswahlvolumenschwerpunkt aufweist und daß die Grundrotationsachse durch den Auswahlvo­ lumenschwerpunkt geht.

Die Darstellung ist besonders flexibel, wenn das Bild um min­ destens eine Zusatzrotationsachse rotierbar ist, die Zusatz­ rotationsachse die Grundrotationsachse in einem Schnittpunkt schneidet und auch die Zusatzrotationsachse in Abhängigkeit von den Positionen der Volumendatenelemente des Auswahldaten­ satzes wählbar ist, insbesondere von der Recheneinheit in Ab­ hängigkeit von den Positionen der Volumendatenelemente des Auswahldatensatzes selbsttätig bestimmt wird. Bezüglich der Positionierung der Zusatzrotationsachse gelten die obigen Aussagen für die Grundrotationsachse analog.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung kommen besonders dann zum Tragen, wenn das Bild skalierbar und/oder verschiebbar ist.

Die Grenzfläche kann prinzipiell eine beliebige, auch eine gekrümmte, Fläche sein. In der Regel aber ist sie eine Ebene.

Die Ebenen können prinzipiell beliebig im Raum orientiert sein. Wenn die Position der Volumendatenelemente drei Koordi­ naten eines kartesischen Koordinatensystems mit drei Koordi­ natenachsen umfaßt, verlaufen sie aber vorzugsweise senkrecht zu einer der Koordinatenachsen.

Wenn die Grenzflächen von der Anzeigeeinheit zusammen mit dem dargestellten Bild anzeigbar sind, ist sofort ersichtlich, welcher Bereich selektiert wurde.

Die Darstellung ist besonders flexibel, wenn die Grenzfläche interaktiv verlagerbar ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zei­ gen in Prinzipdarstellung

Fig. 1 eine Darstellungseinrichtung,

Fig. 2 ein perspektivisches zweidimensionales Bild eines Volumendatensatzes,

Fig. 3 in stark vereinfachter Form ein Ablaufdiagramm,

Fig. 4 ein Bild mit einem Teilbereich und

Fig. 5 eine Modifikation von Fig. 4.

Gemäß Fig. 1 weist eine Darstellungseinrichtung einen Daten­ speicher 1 und einen Arbeitsspeicher 2 auf, die mit einer Re­ cheneinheit 3 verbunden sind. Mit der Recheneinheit 3 sind ferner eine Anzeigeeinheit 4, ein Massenspeicher 5 sowie Ein­ gabeeinrichtungen 6, 7 verbunden.

Im Datenspeicher 1 ist ein Volumendatensatz abgespeichert. Dieser weist eine Vielzahl von Volumendatenelementen 8 auf. Jedem Volumendatenelement 8 sind drei Koordinaten x, y, z ei­ nes kartesischen Koordinatensystems und ein Datenwert d zuge­ ordnet. Durch die Koordinaten x, y und z ist jedem Volumenda­ tenelement 8 somit eine Position (x, y, z) im Volumen zuge­ ordnet. Der besseren Anschaulichkeit halber sind einige der Volumendatenelemente 8 auch in Fig. 2 dargestellt.

Im Arbeitsspeicher 2 sind ein Betriebssystem für die Rechen­ einheit 3, Anwendungsprogramme für die Recheneinheit 3 und weitere Daten gespeichert, z. B. auch Bilddaten für die An­ zeigeeinheit 4.

Die Anzeigeeinheit 4 ist in der Regel ein Monitor. Über die Anzeigeeinheit 4 ist ein zweidimensionales Bild darstellbar. Der Massenspeicher 5 ist üblicherweise als Festplatte ausge­ bildet. Die Eingabeeinrichtungen 6, 7 umfassen in der Regel eine Tastatur 6 und eine Maussteuerung 7. Über die Eingabe­ einrichtungen 6, 7 eingegebene Steuerbefehle werden von der Recheneinheit 3 abgefragt und entsprechend dem momentan lau­ fenden Anwendungsprogramm abgearbeitet.

Mittels des Anwendungsprogramms ist der Volumendatensatz als zweidimensionales Bild auf der Anzeigeeinheit 4 darstellbar. Die hiermit korrespondierenden Bilddaten werden von der Re­ cheneinheit 3 aus den Volumendatenelementen 8 des Volumenda­ tensatzes ermittelt. Die ermittelten Bilddaten, die in ihrer Gesamtheit das zweidimensionale Bild ergeben, werden dann auf der Anzeigeeinheit 4 dargestellt.

Gemäß Fig. 1 weist die Anzeigeeinheit 4 einen Bildbereich 9 auf, der wiederum in drei Teilbereiche 10-12 untergliedert ist. Der Teilbereich 10 dient der eigentlichen Darstellung des zweidimensionalen Bildes. Im Teilbereich 11 wird eine Häufigkeitsverteilung der vorkommenden Datenwerte d ange­ zeigt. Der Teilbereich 12 dient als Bedienfeld.

Das im Teilbereich 10 dargestellte zweidimensionale Bild ist eine perspektivische Darstellung der Volumendatenelemente 8, d. h. eine parallele oder perspektivische Projektion. Eine derartige Darstellung ist beispielhaft in Fig. 2 gezeigt. In der Praxis sind die Volumendatensätze oftmals selbstdokumen­ tierend. Sie stellen beispielsweise ein Körperteil eines Men­ schen oder eines Tieres dar. Die in Fig. 2 dargestellten Koor­ dinatenachsen des kartesischen Koordinatensystems sind daher in der Praxis zumeist nicht mit dargestellt.

Über die Eingabeeinrichtungen 6, 7 sind der Recheneinheit 3 eine Grundgrenzfläche 13 und Zusatzgrenzflächen 14, 15 vor­ gebbar. Gemäß Fig. 2 sind die Grenzflächen 13-15 Ebenen, die senkrecht zu je einer der Koordinatenachsen verlaufen. Prin­ zipiell wären aber auch andere Orientierungen, z. B. senk­ recht zu Flächendiagonalen oder senkrecht zu Raumdiagonalen möglich. Die Grenzflächen 13-15 werden, wie aus Fig. 2 er­ sichtlich ist, von der Anzeigeeinheit 4 zusammen mit dem dar­ gestellten zweidimensionalen Bild mit angezeigt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird der Volumendatensatz aufgrund der Grundgrenzfläche 13 in einen Grundauswahldatensatz 16 und einen Grundrestdatensatz 17 aufgeteilt. Der Grundauswahlda­ tensatz 16 umfaßt dabei alle Volumendatenelemente 8 des Volu­ mendatensatzes, die in der Grundgrenzfläche 13 oder rechts davon liegen. Die Grundrestdatensatz 17 umfaßt alle anderen Volumendatenelemente 8 des Volumendatensatzes.

Durch die Zusatzgrenzflächen 14, 15 wird der Grundauswahlda­ tensatz 16 noch weiter herunter geteilt. Zur Ermittlung des zweidimensionalen Bildes, das im Teilbereich 10 dargestellt wird, werden nur Volumendatenelemente 8 herangezogen, die in der Grundgrenzfläche 13 und rechts davon, in der ersten Zu­ satzgrenzfläche 14 und dahinter sowie in der zweiten Zusatz­ grenzfläche 15 und darüber liegen. Im Ergebnis wird also nur ein Quader 18 herausgegriffen und dargestellt. Die Volumenda­ tenelemente 8 des Quaders 18 bilden in ihrer Gesamtheit den Auswahldatensatz, das durch sie definierte Volumen das Aus­ wahlvolumen. Die Begriffe Auswahldatensatz, Auswahlvolumen und Quader werden daher nachfolgend synomym verwendet.

Der Quader 18 kann erheblich kleiner als das Gesamtvolumen sein. Gemäß Fig. 2 liegt der Quader 18 deutlich außerhalb ei­ nes durch die Gesamtheit der Volumendatenelemente 8 des Volu­ mendatensatzes definierten Volumenschwerpunktes 19.

Aufgrund ihrer Wirkung, nämlich dem Abschneiden nicht inte­ ressierender Teile des Volumendatensatzes, werden die Grenz­ flächen 13-15 oftmals auch als clip planes bezeichnet. Die Vorgabe der clip planes und ihre - meist interaktive - Verla­ gerung ist allgemein üblich und bekannt. Es ist sogar be­ kannt, pro Koordinatenachse zwei clip planes vorzugeben.

Die Grenzflächen 13-15 sind, wie durch Doppelpfeile A-C angedeutet ist, interaktiv verlagerbar. In der Regel ist die Verlagerung eine Verschiebung parallel zu einer der Koordina­ tenachsen. Andere Verschiebungen können ggf. durch eine Line­ arkombination von drei Verschiebungen parallel zu je einer der Koordinatenachsen erzeugt werden. Die Verlagerung kann aber auch eine Rotation sein, z. B. um den Mittelpunkt der je­ weiligen Grenzfläche 13-15.

Der Quader 18 ist um eine Grundrotationsachse 20 und zwei Zu­ satzrotationsachsen 21, 22 rotierbar. Die Rotationsachsen 20-­ 22 verlaufen parallel zu je einer der Koordinatenachsen. Sie schneiden sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt 23, der dadurch unabhängig von der momentanen Rotation einen Fixpunkt bildet. Durch geeignete Überlagerung ist somit jede beliebige Rotation erzeugbar. Der Schnittpunkt 23 ist durch den Schwer­ punkt des Auswahlvolumens 18 definiert. Die Rotationsachsen 20-22 schneiden also das Auswahlvolumen 18.

Falls die Rotationsachsen 20-22 nicht durch den Schwerpunkt des Auswahlvolumens 18 gehen sollten, sollten sie das Aus­ wahlvolumen 18 zumindest berühren, vorzugsweise schneiden. Gegebenenfalls könnten sie aber auch außerhalb des Auswahlvo­ lumens 18 angeordnet sein, solange sie in dessen Nähe verlau­ fen.

Aus den oben stehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß die Rotationsachsen 20-22 in Abhängigkeit von den Positionen (x, y, z) der Volumendatenelemente 8 des Auswahldatensatzes 18 gewählt werden. Die Wahl der Rotationsachsen 20-22 kann dabei interaktiv durch den Anwender erfolgen. Vorzugsweise aber werden die Rotationsachsen 20-22 von der Recheneinheit 3 in Abhängigkeit von den Positionen (x, y, z) der Volumenda­ tenelemente 8 des Auswahldatensatzes 18 selbsttätig bestimmt.

Das Verfahren zur Bestimmung der Lage der Rotationsachsen 20-­ 22 erfolgt im Prinzip wie nachfolgend in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben.

Gemäß Fig. 3 wird zunächst in einem Schritt 24 aus den Volu­ mendatenelementen 8 des Volumendatensatzes ein zweidimensio­ nales Bild ermittelt und über die Anzeigeeinheit 4 angezeigt. Dann werden in einem Schritt 25 die Lagen der Grenzflächen 13-­ 15 abgefragt. Sodann wird in einem Schritt 26 der Schnitt­ punkt 23 der Rotationsachsen 20-22 ermittelt. Er ist durch den Schwerpunkt des Auswahlvolumens 18 definiert.

Sodann werden in Schritten 27-29 die Lagen der Rotations­ achsen 20-22 bestimmt. Die Grundrotationsachse 20 verläuft parallel zur x-Achse, die Zusatzrotationsachsen 21, 22 ver­ laufen parallel zur y- und zur z-Achse. Alle drei Rotations­ achsen 20-22 schneiden sich im Schnittpunkt 23.

Schließlich wird in einem Schritt 30 das Auswahlvolumen 18 um die Rotationsachsen 20-22 rotiert.

Wie aus den Fig. 4 und Fig. 5 ersichtlich ist, ist das Bild in dem Teilbereich 10 des Bildbereichs 9 mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben darstellbar. Das Bild ist also skalier­ bar.

Gemäß Fig. 5 kann der Abbildungsmaßstab sogar so groß gewählt werden, daß im Teilbereich 10 nur ein Ausschnitt des Bildes darstellbar ist. Zumindest in diesem Fall ist das Bild rela­ tiv zum Teilbereich 10 auf der Anzeigeeinheit 4 verschiebbar. Dies ist in Fig. 5 durch Doppelpfeile D, E angedeutet.

In einem derartigen Fall kann der dargestellte Ausschnitt des Bildes den Volumenschwerpunkt 19 unter Umständen nicht ent­ halten. Der Schwerpunkt des Auswahlvolumens 18 hingegen wird in aller Regel im Teilbereich 10 dargestellt sein. Insbeson­ dere in einem derartigen Fall ist eine Rotation des Auswahl­ volumens 18 um die erfindungsgemäß gewählten Rotationsachsen 20-22 von Vorteil.

Wie obenstehend ausgeführt, können die Grenzflächen 13-15 verschoben oder rotiert werden. Dabei können sowohl einzelne Grenzflächen 13-15 als auch die Grenzflächen 13-15 ge­ meinsam verschoben bzw. rotiert werden. Die Grenzflächen 13-­ 15 verlaufen daher nicht zwangsläufig parallel oder senkrecht zueinander und auch nicht zwangsläufig senkrecht zu den Koor­ dinatenachsen. Vielmehr sind beliebige Orientierungen der Grenzflächen 13-15 relativ zueinander und relativ zu den zueinander möglich. Das Auswahlvolumen 18 kann daher ggf. auch eine andere geometrische Form als die eines Quaders auf­ weisen. Der obenstehend beschriebene Fall ist aber der häu­ figste. Für eine Reihe von Anwendungsfällen kann es daher so­ gar ausreichen, die Grenzflächen 13-15 starr senkrecht zu­ einander und zu den Koordinatenachsen zu orientieren.

Durch die erfindungsgemäße Darstellungseinrichtung wird eine Rotation um das Zentrum des durch die clip planes (Grenzflä­ chen 13 bis 15) gebildeten Auswahlvolumens 18 als Drehpunkt ermöglicht. Dieser Rotationsdrehpunkt ist also von den einge­ stellten clip planes abhängig.

Claims (11)

1. Darstellungseinrichtung zum Darstellen eines Volumenda­ tensatzes mit einer Vielzahl von Volumendatenelementen (8) als um eine Grundrotationsachse (20) rotierbares perspektivi­ sches zweidimensionales Bild, mit zumindest einem Datenspei­ cher (1) zum Speichern des Volumendatensatzes, einer Rechen­ einheit (3) zur Ermittlung des Bildes aus den Volumendaten­ elementen (8) des Volumendatensatzes, einer Anzeigeeinheit (4), z. B. einem Monitor (4), zumindest zum Darstellen des Bildes und mindestens einer Eingabeeinrichtung (6, 7), z. B. einer Tastatur (6) und/oder einer Maussteuerung (7),
wobei jedem Volumendatenelement (8) eine Position (x, y, z) im Volumen und ein Datenwert (d) zugeordnet sind,
wobei der Recheneinheit (3) über die Eingabeeinrichtung (6, 7) mindestens eine Grenzfläche (13) vorgebbar ist, aufgrund derer der Volumendatensatz in einen Auswahldaten­ satz (18) und einen bezüglich des Volumendatensatzes kom­ plementären Restdatensatz aufgeteilt wird,
wobei zur Ermittlung des Bildes nur Volumendatenelemente (8) herangezogen werden, die im Auswahldatensatz (18) ent­ halten sind,
wobei die Grundrotationsachse (20) in Abhängigkeit von den Positionen (x, y, z) der Volumendatenelemente (8) des Aus­ wahldatensatzes (18) wählbar ist, insbesondere von der Re­ cheneinheit (3) in Abhängigkeit von den Positionen (x, y, z) der Volumendatenelemente (8) des Auswahldatensatzes (18) selbsttätig bestimmt wird,
wobei das Auswahlvolumen (18) einen Auswahlvolumenschwer­ punkt (23) aufweist, und
wobei die Grundrotationsachse (20) durch den Auswahlvolu­ menschwerpunkt (23) geht.

2. Darstellungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild um mindestens eine Zusatzrotationsachse (21, 22) rotierbar ist, daß die Zusatzrotationsachse (21, 22) die Grundrotationsachse (20) in einem Schnittpunkt (23) schneidet und daß auch die Zusatzrotationsachse (21, 22) in Abhängigkeit von den Positionen (x, y, z) der Volumen­ datenelemente (8) des Auswahldatensatzes (18) wählbar ist, insbesondere von der Recheneinheit (3) in Abhängig­ keit von den Positionen (x, y, z) der Volumendatenelemen­ te (8) des Auswahldatensatzes (18) selbsttätig bestimmt wird.

3. Darstellungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswahldatensatz (18) ein Auswahlvolumen (18) de­ finiert und daß die Zusatzrotationsachse (21, 22) das Auswahlvolumen (18) zumindest berührt.

4. Darstellungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzrotationsachse (21, 22) das Auswahlvolumen (18) schneidet.

5. Darstellungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswahlvolumen (18) einen Auswahlvolumenschwer­ punkt (23) aufweist und daß die Zusatzrotationsachse (21, 22) durch den Auswahlvolumenschwerpunkt (23) geht.

6. Darstellungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild skalierbar ist.

7. Darstellungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild auf der Anzeigeeinheit (4) verschiebbar ist.

8. Darstellungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche (13) eine Ebene ist.

9. Darstellungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Position (x, y, z) der Volumendatenelemente (8) drei Koordinaten (x, y, z) eines kartesischen Koordina­ tensystems mit drei Koordinatenachsen umfaßt und daß die Ebene (13) senkrecht zu einer der Koordinatenachsen ver­ läuft.

10. Darstellungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche (13) von der Anzeigeeinheit (4) zu­ sammen mit dem dargestellten zweidimensionalen Bild an­ zeigbar ist.

11. Darstellungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche (13) interaktiv verlagerbar ist.