DE10044844A1

DE10044844A1 - Verfahren ,Vorrichtung und Software zur Trennung der Einzelobjekte einer aus 3D-Datensätzen medizinischer Untersuchungsverfahren segmentierten anatomischen Struktur

Info

Publication number: DE10044844A1
Application number: DE10044844A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Seissler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2002-04-04
Also published as: US7292714B2; JP2004508118A; JP4901056B2; EP1325474A2; US20040022424A1; DE50105143D1; EP1325474B1; WO2002021452A3; WO2002021452A2

Abstract

Verfahren zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen dreidimensionalen Charakters, wobei, ausgehend von Daten in der Form von Volumenelementen, eine Trennung der Daten relevanter anatomischer Strukturen sowie anderer Strukturen vorgenommen wird und eine räumliche Darstellung mindestens einer interessierenden Struktur erfolgt und die DOLLAR A Teilobjekte der interessierenden Struktur dergestalt voneinander getrennt werden, dass sie in der räumlichen Darstellung neu positionierbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Softwareprodukt zur medizinischen Bildverarbeitung von aus medizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensät zen dreidimensionalen Charakters, wobei ausgehend von Daten in der Form von Volumenelementen eine Trennung der Daten re levanter anatomischer Strukturen sowie anderer Strukturen vorgenommen wird und eine räumliche Darstellung mindestens einer interessierenden Struktur erfolgt.

Bei der räumlichen Interpretation der Information aus Rönt genaufnahmen oder aus Schnittbildern, wie sie mit modernen tomographischen Methoden gewonnen werden, stößt das menschli che Vorstellungsvermögen sehr schnell an seine Grenzen. Mo derne Methoden der medizinischen Bildverarbeitung wandeln da her die bei medizinischen Untersuchungen gewonnenen Informa tionen dreidimensionalen Charakters in räumliche Eindrücke des Körperinneren um. Im allgemeinen reicht es aber nicht aus dem Mediziner nur einen räumlichen Eindruck der dargestellten Körperregion zu vermitteln. Vielmehr benötigt er zum Erstel len einer zuverlässigen Diagnose oder für das Planen einer therapeutischen Maßnahme aber auch eines chirurgischen Ein griffs, eine Reduktion der dargestellten Daten auf das für ihn Wesentliche. In anderen Worten muss sich der Gegenstand seines Interesses deutlich von der Umgebung mit nur sekundä rem Informationsgehalt abheben. Hierzu wurden eine Reihe von Verfahren entwickelt, die eine Zuordnung einzelner Messwerte zu relevanten anatomischen Strukturen, wie z. B. Nerven oder Fettgewebe, Knochen oder muskeläquivalentes Gewebe aber auch zu nicht anatomischen Strukturen wie z. B. Fremdkörper ermög lichen. Diese Verfahren werden als Segmentierung bezeichnet und bilden die Voraussetzung, dass ein Mediziner beispielsweise die Knochenstruktur eines Patienten isoliert von ande ren Geweben am Bildschirm betrachten kann.

Für die Planung eines chirurgischen Eingriffes, z. B. nach ei nem Unfall mit der Folge eines komplizierten Knochenbruchs, ist diese Form der Präsentation der Untersuchungsergebnisse jedoch oft nicht ausreichend, da sie zwar den Ist-Zustand der interessierenden Struktur festhält, eine Manipulation der Da ten in Hinblick auf zu ergreifenden Maßnahmen jedoch nicht zulässt; denn die einzelnen Objekte innerhalb einer jeden Struktur bleiben bei den bisher bekannten Segmentierungsver fahren in ihrer geometrischen Anordnung zueinander fixiert. Die Vorbereitung eines Eingriffs zur Behandlung eines kompli zierten Trümmerbruchs erfordert daher vom Orthopäden eine e norme mentale Leistung, da er die Zuordnung der diversen Bruchflächen und somit auch der Knochenfragmente zueinander nicht am Bildschirm verifizieren kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah ren und eine Vorrichtung zum Auftrennen einer anatomischen Struktur in ihre Einzelobjekte anzugeben, so dass diese unab hängig voneinander einzeln und/oder in Gruppen beliebig in der räumlichen Darstellung neu angeordnet werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, eine Vorrich tung und ein Softwareprodukt zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensät zen dreidimensionalen Charakters, wobei ausgehend von Daten in der Form von Volumenelementen eine Trennung der Daten re levanter anatomischer Strukturen sowie anderer Strukturen vorgenommen wird und eine räumliche Darstellung mindestens einer interessierenden Struktur erfolgt, dadurch gekennzeich net, dass Teilobjekte der interessierenden Struktur derge stalt voneinander getrennt werden, dass sie in der räumlichen Darstellung neu positionierbar sind.

Vorteilhaft lassen sich damit zeitaufwendige Prozeduren von der Operation in die Planungsphase vorverlegen, wobei die ge naue Planung eines Eingriffs im Vorfeld der Operation nicht nur die Dauer des Eingriffs reduziert und damit den Patienten weniger belastet, sondern dem Mediziner auch ein präziseres und sichereres Arbeiten während der Operation ermöglicht. Weiter vorteilhaft kann der Einsatz geeigneter Hilfsmittel, wie z. B. Schrauben, Nägel, etc. schon vor der Operation ge testet werden. Ebenso vorteilhaft lassen sich auf Basis der vorliegenden Erfindung Implantate nun gemäß den ermittelbaren Gegebenheiten vorformen und müssen nicht mehr im Verlauf der Operation intuitiv gestaltet werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfin dung erfolgt die weitere Segmentierung bzw. Trennung der Teilobjekte voneinander, indem in einem ersten Schritt das die anatomischen Struktur umfassende Gesamtvolumen in Teilvo lumina aufgeteilt wird, wobei ein Teilobjekt in dem ihm zuge ordneten Teilvolumen vollständig enthalten ist und in einem zweiten Schritt alle anderen diesem Teilobjekt nicht zuzu rechnenden Daten aus diesem Teilvolumen entfernt werden und schließlich in einem dritten Schritt die resultierenden Daten eines jeden so bearbeiteten Teilvolumens abgespeichert wer den.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wei sen die Teilvolumina die Form eines Quaders auf, wodurch sich die einzelnen Volumina leicht zusammensetzen lassen. Vorteil haft werden mit den Daten eines jeden Teilvolumens auch die zugehörigen Koordinateninformationen abgespeichert. Von Vor teil ist insbesondere die Aufbereitung von 3D-Computer- Tomographie-Datensätzen, wobei die Wahl einer Knochenstruktur als interessierende Struktur mit den einzelnen Knochen und/oder Knochenfragmenten als zu segmentierende Teilobjekte der Struktur besonders vorteilhaft ist.

Im Folgenden wird die Erfindung näher beschrieben, wobei auf folgende Figuren verwiesen wird:

Fig. 1 zeigt eine schematisierte 3D-Darstellung der knö chernen Struktur eines Handgelenks mit einer Frak tur und einer Dislozierung des 0 s Metacarpale V, wobei der dieser Darstellung zugrunde liegende 3D- CT-Datensatz die Ausgangsbasis für das beschriebene Beispiel des Verfahren bildet,

Fig. 2 zeigt ein verfahrensgemäß für das dislozierte Kno chenfragment aus Fig. 1 erzeugte Teilvolumen,

Fig. 3 zeigt das dislozierte Knochenfragment der vorherge henden Abbildungen so zum zweiten Fragment des Os Metacarpale V ausgerichtet, dass sich die Bruchflä chen parallel gegenüberliegen,

Fig. 4 zeigt die knöcherne Struktur aus der Fig. 1 mit den virtuell an den Bruchflächen zusammengefügten Knochenfragmenten, und

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Angabe der von der Verarbeitungs einrichtung vorgenommenen Verfahrensschritte.

Fig. 1 gibt mit zeichnerischen Mitteln eine Vorstellung der bildlichen Repräsentation eines computertomographischen 3D- Datensatzes, wie sie Chirurgen gegenwärtig zur Verfügung ste hen. In der Praxis werden die Daten unter Verwendung eines Volume-Rendering genannten Verfahrens visualisiert, worin die Oberfläche der ermittelten knöchernen Struktur mit Hilfe ei ner passend berechneten Verteilung von Licht und Schatten so dargestellt wird, dass sie dem Betrachter bzw. dem Chirurgen eine plastische Vorstellung der zugrundeliegenden räumlichen Struktur vermittelt.

In der linken Hälfte der Figur ist deutlich eine Knochenfrak tur mit einem dislozierten Fragment des Os Metacarpale V er kennbar. Die relative Lage dieses Knochenfragments zu den an deren Objekten der bildlich gemachten Struktur kann an dieser Ausgangsstufe (S0) des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht verändert werden, da die Struktur in dieser von den Standard verfahren der medizinischen Bildverarbeitung gegebenen Stufe ein einziges zusammenhängendes Objekt bildet. Durch Wahl ei nes geeigneten Blickwinkels erhält ein Betrachter zwar die Möglichkeit, Details wie z. B. die Bruchflächen näher zu un tersuchen, doch eine Prüfung beider Bruchflächen auf Form schlüssigkeit erfordert vom Betrachter ein nicht immer vor aussetzbares Vorstellungsvermögen.

Eine Überprüfung, ob sich beide Bruchflächen nahtlos aneinan derfügen lassen, setzt voraus, dass sich beide Fragmente des gebrochenen Knochens unabhängig voneinander ausrichten und positionieren lassen. Nach Segmentierung des Datensatzes in anatomische Strukturen erhält man jedoch die dargestellte Knochenstruktur als zusammenhängendes Objekt. Die vom Bet rachter unbewusst vollzogene Untergliederung in die Einzelob jekte der Struktur, im vorliegenden Beispiel in Knochen und Knochenfragmente, wird von den bisher üblichen Segmentie rungsverfahren nicht nachvollzogen.

Um eine weitere Segmentierung der Strukturen innerhalb einer anatomischen Struktur zu erreichen, wird gemäß dem Verfah rensschritt S1 in der Fig. 5, der vorliegende 3D-CT- Datensatz zunächst in getrennte Volumina zerlegt, wobei jedes dieser Volumina eine komplette Teilstruktur bzw. ein Einzel objekt vollständig enthält. Im oben angegebenen Beispiel um schließt ein solches Teilvolumen also einen einzelnen Knochen oder ein einzelnes Knochenfragment. Vorteilhaft wird dazu je des im 3D-CT-Datensatz identifizierte Einzelobjekt entspre chend seiner räumlichen Ausdehnung durch einen Quader um schrieben.

Viele Einzelobjekte befinden sich zueinander in unmittelbarer Nachbarschaft, weshalb im allgemeinen in den einzelnen Teil volumina neben dem erwünschten Einzelobjekt auch Bestandteile benachbarter Objekte enthalten sind. Im nächsten Schritt (S2) werden daher die Teilvolumina bereinigt, indem die Daten der Nachbarobjekte in jedem der Teilvolumina getilgt werden, bis schließlich das beschriebene Teilvolumen ausschließlich das ihm zugeordnete Einzelobjekt, im Beispiel der Fig. 2 das dislozierte Knochenfragment, enthält. Vorteilhaft werden die auf diese Weise erstellten Datenteilvolumina mit der ihnen zugeordneten Koordinateninformation abgespeichert.

Diese fortgeschrittene Segmentierung wird für alle Knochen bzw. Knochenfragmente des 3D-CT-Datensatzes vorgenommen (S21, S22, S23), so dass sich der ursprüngliche Datensatz aus der Summe der erzeugten Datenteilvolumina darstellen lässt. Die visuelle Darstellung dieser Summe (S3) ist zunächst dieselbe wie vor Beginn der Segmentierung der anatomischen Struktur in ihre isolierbaren Objekte.

Jedoch ist an dieser Stelle des Verfahrens der fixe geometri sche Bezug der Einzelobjekte relativ zueinander aufgehoben. Die Einzelobjekte können jetzt, wie im Ergebnis z. B. in der Fig. 3 zu sehen, einzeln angewählt und neu ausgerichtet wer den. Das dislozierte Knochenfragment ist in dieser Darstel lung so ausgerichtet, dass sich die beiden Bruchflächen pa rallel gegenüberstehen. Gegenüber dieser Darstellung wurde in der Fig. 4 das Knochenfragment weiter verschoben, so dass beide Bruchflächen der Fraktur zur Deckung gebracht wurden. Diese virtuelle Reposition von Knochenfragmenten ist erst durch die erfindungsgemäße Segmentierung des ursprünglichen 3D-CT-Datensatzes möglich.

In der Fig. 5 ist die Implementierung des beschriebenen Ver fahrens in einer Vorrichtung zur medizinischen Bildbearbei tung (50) skizziert. Der, bei einer Untersuchung vom medizi nischen Analysegerät gelieferte 3D-Datensatz wird an die erfindungsgemäße Vorrichtung (50) übertragen. Die Übertragung kann beliebig z. B. mit Hilfe eines Datenträgers oder über ei nen Datenbus bzw. ein Netzwerk erfolgen. Die Weiterbearbei tung des Datensatzes erfolgt durch die Verarbeitungseinrich tung (55) gemäß den Verfahrensschritten S0 bis S3. Ausgehend von der bereits segmentierten interessierenden anatomischen Struktur (S0) wird im ersten Verfahrensschritt (S1) das, die se Struktur umfassende Volumen in eine Vielzahl von Teilvolu mina aufgeteilt, wobei jedes Teilvolumen ein Einzelobjekt der interessierenden Struktur vollständig umhüllt. Die Bereini gung (S2) erfolgt für alle Teilvolumina (S21, S22) indem al le, nicht zum Einzelobjekt eines Teilvolumens gehörigen Daten aus diesem getilgt (S23) werden. Schließlich werden alle Teilvolumina und damit alle Einzelobjekte der interessieren den anatomischen Struktur auf dem Anzeigegerät (53) zur Dar stellung gebracht (S3). Die Darstellung kann über Befehle o der Steuersignale, die über eine Eingabeeinrichtung an die Verarbeitungseinrichtung gegeben werden, vom Bediener beein flusst werden. Die Speichereinrichtung (52) nimmt die ur sprünglichen Datensätze und die Daten die im Verlauf und Er gebnis des beschriebenen Bildverarbeitungsprozesses anfallen auf.

Claims

1. Verfahren zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizini schen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen dreidi mensionalen Charakters, wobei
ausgehend von Daten in der Form von Volumenelementen eine Trennung der Daten relevanter anatomischer Strukturen sowie anderer Strukturen vorgenommen wird und
eine räumliche Darstellung mindestens einer interessierenden Struktur erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
dass Teilobjekte der interessierenden Struktur dergestalt voneinander getrennt werden, dass sie in der räumlichen Dar stellung neu positionierbar sind.

2. Verfahren zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizini schen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen dreidi mensionalen Charakters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Trennung der Teilobjekte voneinander gemäß den fol genden Schritten erfolgt:
jedem Teilobjekt wird ein Teilvolumen so zugeordnet, dass das Teilobjekt darin vollständig enthalten ist und
innerhalb dieses Teilvolumens werden alle Daten, die nicht diesem Teilobjekt zuzurechnen sind entfernt und
die Daten eines jeden so erzeugten Teilvolumens werden abge speichert.

3. Verfahren zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizini schen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen dreidi mensionalen Charakters nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilvolumen die Form eines Quaders aufweist.

4. Verfahren zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizini schen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen dreidi mensionalen Charakters nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten des Teilvolumens zusammen mit der zugehörigen Koordinateninformation abgespeichert werden.

5. Verfahren zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizini schen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen dreidi mensionalen Charakters nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus medizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätze 3D-Computer-Tomographiedatensätze sind.

6. Verfahren zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizini schen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen dreidi mensionalen Charakters nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die interessierende Struktur eine knöcherne Struktur ist und die Teilobjekte der Struktur Knochen und/oder Knochen fragmente sind.

7. Vorrichtung (50) zur bildgebenden Bearbeitung von aus me dizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen (51) dreidimensionalen Charakters mit
einer Speichereinrichtung (52) zum Speichern zumindest eines Datensatzes, der einer räumlichen Darstellung relevanter ana tomischer Strukturen und/oder Teilstrukturen zugrunde liegt, und
einer graphischen Anzeigeeinrichtung (53) zur visuellen Prä sentation zumindest einer, dem Datensatz zugrundeliegenden interessierenden Struktur, und
einer Eingabeeinrichtung (54) zum Eingeben von Befehlen, und einer Verarbeitungseinrichtung (55) zum Verarbeiten der ein gegebenen Befehle, zur Steuerung der räumlichen Darstellung graphische Objekte repräsentierender Datensätze und zur Auf bereitung dieser Datensätze
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verarbeitungseinrichtung die Teilobjekte der inte ressierenden Struktur dergestalt voneinander trennt, dass sie unabhängig voneinander in der räumlichen Darstellung neu po sitionierbar sind.

8. Vorrichtung zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizini schen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen dreidi mensionalen Charakters nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet,
dass die Verarbeitungseinrichtung die Trennung der Teilobjek te voneinander vornimmt, indem
sie zuerst einem jedem Teilobjekt ein Teilvolumen so zuord net, dass das Teilobjekt darin vollständig enthalten ist, und daraufhin alle Daten in dem Teilvolumen, die nicht dem zuge ordneten Teilobjekt zuzurechnen sind, entfernt und
zuletzt die Daten eines jeden so erzeugten Teilvolumens in der Speichereinrichtung abspeichert.

9. Vorrichtung zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizini schen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen dreidi mensionalen Charakters nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung als Form des Teilvolumens einen Quader verwendet.

10. Vorrichtung zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizi nischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen dreidi mensionalen Charakters nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung die Daten des Teilvolumens zusammen mit der zugehörigen Koordinateninformation in der Speichereinrichtung abspeichert.

11. Vorrichtung zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizi nischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen dreidi mensionalen Charakters nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aus medizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätze 3D-Computer-Tomographiedatensätze sind.

12. Vorrichtung zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizi nischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätzen dreidi mensionalen Charakters nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die interessierende Struktur eine knöcherne Struktur ist und die Teilobjekte der Struktur Knochen und/oder Knochen fragmente sind.

13. Computersoftwareprodukt zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensät zen dreidimensionalen Charakters, das bei Ausführung auf ei nem Rechner
ausgehend von Daten in der Form von Volumenelementen eine Trennung der Daten in relevante anatomischer Strukturen sowie anderer Strukturen vornimmt und mindestens eine interessie rende Struktur räumlich darstellt,
dadurch gekennzeichnet,
dass es eine Trennung der interessierenden Struktur in Teil objekte durchführt, so dass diese unabhängig voneinander in der räumlichen Darstellung neu positionierbar sind.

14. Computersoftwareprodukt zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensät zen dreidimensionalen Charakters nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
dass es die Trennung der Teilobjekte voneinander vornimmt, indem
in es in einem ersten Schritt jedem Teilobjekt ein Teilvolu men so zuordnet, dass das Teilobjekt darin vollständig ent halten ist, und
in einem zweiten Schritt innerhalb dieses Teilvolumens alle Daten, die nicht diesem Teilobjekt zuzurechnen sind, ent fernt, und
die Daten eines jeden so erzeugten Teilvolumens in einem dritten Schritt abspeichert.

15. Computersoftwareprodukt zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensät zen dreidimensionalen Charakters nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es als Form des Teilvolumens einen Quader verwendet.

16. Computersoftwareprodukt zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensät zen dreidimensionalen Charakters nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass es die Daten des Teilvolumens zusammen mit der zugehöri gen Koordinateninformation abspeichert.

17. Computersoftwareprodukt zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensät zen dreidimensionalen Charakters nach einem der Ansprü che 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die aus medizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensätze 3D-Computer-Tomographiedatensätze sind.

18. Computersoftwareprodukt zur bildgebenden Bearbeitung von aus medizinischen Untersuchungsverfahren gewonnenen Datensät zen dreidimensionalen Charakters nach einem der Ansprü che 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die interessierende Struktur eine knöcherne Struktur ist und die Teilobjekte der Struktur Knochen und/oder Knochen fragmente sind.