DE102004043676B4

DE102004043676B4 - Verfahren zur Visualisierung von Plaqueablagerungen aus 3D-Bilddatensätzen von Gefäßstrukturen

Info

Publication number: DE102004043676B4
Application number: DE200410043676
Authority: DE
Inventors: Daniel Rinck; Dr. Scheuering Michael
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: JP2006075602A; US7920734B2; DE102004043676A1; US20060171585A1; CN1765321A

Abstract

Verfahren zur Visualisierung von Plaqueablagerungen (7) aus 3D-Bilddatensätzen von Gefäßstrukturen (4), insbesondere des koronaren Gefäßbaums, bei dem zumindest ein Abschnitt (5) der Gefäßstruktur mit den Plaqueablagerungen (7) in dem 3D-Bildatensatz segmentiert wird, um segmentierte Bilddaten zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass aus den segmentierten Bilddaten ein künstliches 3D-Modellbild (12, 13) des zumindest einen Abschnittes (5) der Gefäßstruktur und der Plaqueablagerungen (7) erstellt wird, das nur Begrenzungsflächen der Gefäßstruktur und der Plaqueablagerungen umfasst, wobei die Erstellung des künstlichen 3D-Modellbilds (12, 13) durch räumliche Interpolation zwischen Bildpunkten erfolgt, die zu Begrenzungsflächen der Gefäßstruktur gehören, und zwischen Bildpunkten, die zu Begrenzungsflächen der Plaqueablagerungen (7) gehören, um ein gleichmäßiges Raster an Bildpunkten für das 3D-Modellbild zu erhalten und um das 3D-Modell mit einer gegenüber den 3-D-Bilddaten erhöhten Auflösung darstellen zu können, und das künstliche 3D-Modellbild (12, 13) oder ein Teilvolumen davon als Polygon-Netz (11) erstellt und visualisiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung von Plaqueablagerungen aus 3D-Bilddatensätzen von Gefäßstrukturen, insbesondere des koronaren Gefäßbaums, bei dem zumindest ein Abschnitt der Gefäßstruktur mit den Plaqueablagerungen in dem 3D-Bilddatensatz segmentiert wird, um segmentierte Bilddaten zu erhalten.
Gefäßstrukturen lassen sich vor allem mit den Techniken der Computertomographie (CT) nach Kontrastmittelinjektion sehr gut visualisieren. Moderne Mehrschicht-CT-Anlagen ermöglichen die Aufnahme und Darstellung von Gefäßstrukturen mit relativ hoher räumlicher Auflösung, wie sie vor allem für die Visualisierung von koronaren Gefäßstrukturen sehr wichtig ist. Auf Basis des aufgezeichneten 3D-Bilddatensatzes kann der Nutzer bei geeigneter Visualisierung das Verhältnis zwischen dem Gefäßlumen und der am Gefäß vorhandenen Plaqueablagerung bestimmen, um daraus das Infarktrisiko des Patienten abzuschätzen. In Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Auswertung werden dann die nachfolgenden Schritte für die Therapie des Patienten festgelegt.
Die Auswertung des 3D-Bilddatensatzes des Untersuchungsvolumens, in dem die Gefäßstruktur vorliegt, erfolgt dabei in der Regel durch Standardvisualisierungstechniken, wie MPR (Multi-Planar-Reformatting) oder anhand axialer Schnittbilder entlang der zentralen Achse der Gefäße. Bei diesen Verfahren werden dem Betrachter die aufgezeichneten 3D-Bilddaten in der gewünschten Projektion oder der gewünschten Schnittebene, gegebenenfalls nach einer Segmentierung der Gefäßstruktur, an einem Monitor dargestellt. Die Bestimmung des räumlichen Verhältnisses zwischen der Plaqueablagerung und dem Gefäßlumen und somit des Grades der Stenose erfolgt dabei in der Regel anhand einer bildlichen Darstellung des gesamten Untersuchungsvolumens.
Die US 4 945 478 A beschreibt ein Bildverarbeitungssystem zur Identifizierung und 3D-Darstellung von atherosklerotischen Ablagerungen aus MRT-Datensätzen. Hierzu werden aus dem Bilddatensatz mittels Segmentierung die Gefäße extrahiert und Plaqueablagerungen in den Bilddaten identifiziert. Die Plaqueablagerungen werden bei dem Verfahren dieser Druckschrift klassifiziert, um in der anschließenden Darstellung die unterschiedliche Klassifizierung visualisieren zu können. Die 3D-Visualisierung erfolgt auf Basis einer „quadtree”-Darstellung, bei der das gesamte interessierende Volumen in Quader unterteilt wird, wobei jedem Quader eine bestimmte Helligkeit oder Farbe zugeordnet wird, die die entsprechende Klassifizierung der Plaque repräsentiert. In jedem Quader sind dabei ein oder mehrere der ursprünglichen Bildpunkte zusammengefasst, so dass auch insgesamt die Anzahl der zu verarbeitenden Daten reduziert ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Visualisierung von Plaqueablagerungen aus 3D-Bilddatensätzen von Gefäßstrukturen anzugeben, das eine verbesserte Auswertung ermöglicht.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorliegenden Verfahren zur Visualisierung von Plaqueablagerungen aus 3D-Bilddatensätzen von Gefäßstrukturen, insbesondere des koronaren Gefäßbaums, wird zumindest ein Abschnitt der Gefäßstruktur mit den Plaqueablagerungen zunächst in dem 3D-Bilddatensatz segmentiert, um segmentierte 3D-Bilddaten zu erhalten. Die segmentierten 3D-Bilddaten werden nun im Gegensatz zu den bekannten Visualisierungstechniken nicht in einer vorgebbaren Projektion oder Schnittebene dargestellt. Es wird vielmehr aus den segmentierten Bilddaten zunächst ein künstliches 3D-Modellbild des ausgewählten Abschnittes der Gefäßstruktur und der Plaqueablagerung erstellt. Dieses Modellbild umfasst nur die jeweiligen Begrenzungsflächen der Gefäßstruktur, d. h. die Gefäßwandungen, und der Plaqueablagerungen. Anschließend wird dem Nutzer das künstliche 3D-Modellbild oder ein auswählbares Teilvolumen davon visualisiert.
Der Benutzer hat nun die Möglichkeit, das dargestellte Modellbild interaktiv zu analysieren, beispielsweise durch Auswahl der Perspektive oder darzustellenden Schnittebene oder durch Drehen, Verschieben oder Vergrößern der Darstellung. Weiterhin ist es dem Betrachter möglich, durch sich virtuell durch die Darstellung zu bewegen (fly through), um auf diese Weise die Verhältnisse innerhalb der einzelnen Gefäße zu erfassen. Da das 3D-Modell lediglich die entsprechenden Grenzflächen der Gefäße und der Plaqueablagerungen erhält, lässt sich der Plaqueanteil relativ zum Gefäßlumen ohne weiteres jederzeit auf einfache Weise bestimmen. Die Bereitstellung eines künstlich erzeugten 3D-Modells der relevanten Begrenzungsflächen ermöglicht zudem eine sehr schnelle Bildverarbeitung bei einer interaktiven Bewegung innerhalb der Darstellung. Das Verfahren ermöglicht bei Bedarf auch die Erstellung und Visualisierung eines 3D-Modellbildes der gesamten in dem 3D-Bilddatensatz enthaltenen Gefäßstruktur, falls dies erforderlich ist.
Die Segmentierung der Gefäßstruktur und der Plaqueablagerungen kann mit bekannten Segmentierungstechniken, beispielsweise der Region-Growing-Technik, erfolgen, In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Segmentierung, indem zunächst ein Verlauf der zentralen Achse der ausgewählten Gefäße der Gefäßstruktur bestimmt wird und die axialen Schnitte entlang der zentralen Achse aus dem 3D-Bilddatensatz berechnet werden. Anschließend werden die Grenzlinien der Gefäßstruktur und der Plaqueablagerungen aus den Bilddaten der einzelnen axialen Schnitte bestimmt. Diese Bestimmung kann entweder dadurch erfolgen, dass der Nutzer diese Grenzlinien in den dargestellten axialen Schnitten markiert, oder auch durch einen automatischen Bildverarbeitungsalgorithmus, der die Grenzlinien beispielsweise auf Basis eines Schwellwertverfahrens bezüglich des HU-Wertes bzw. des Grauwertes der jeweiligen Pixel ermittelt. Auch eine Kombination eines Bildverarbeitungsalgorithmus mit einer Interaktion durch den Benutzer ist möglich. Die Interaktion bietet sich vor allem für die Ermittlung der Grenzlinien der Plaqueablagerungen an, die ein Betrachter bisher zuverlässiger erkennen kann, als dies mit einem automatischen Bildverarbeitungsalgorithmus möglich ist. Selbstverständlich kann auch der Verlauf der zentralen Achse der Gefäße sowohl interaktiv als auch mit einem entsprechenden Bildverarbeitungsalgorithmus aus den 3D-Bilddaten bestimmt werden.
Die Erstellung des künstlichen 3D-Bildmodells aus den segmentierten Bilddaten erfolgt durch Interpolation zwischen den Bildpunkten der Gefäßstruktur und der Plaqueablagerungen in den segmentierten Bilddaten. Hierbei werden nur die Bildpunkte der Grenzlinien bzw. Grenzflächen der Gefäßstruktur und der Plaqueablagerung berücksichtigt. Die Interpolation wird einerseits vorgenommen, um ein gleichmäßiges Raster an Bildpunkten für die Erstellung des 3D-Modells zu erhalten, und um andererseits das Modell mit einer gegenüber den 3D-Bilddaten erhöhten Auflösung darstellen zu können. Neben einer einfachen linearen Interpolation können hierbei selbstverständlich auch komplexere Interpolationstechniken eingesetzt werden. Vorzugsweise wird das künstliche 3D-Bildmodell dabei als 3D-Polygon-Netz erstellt und anschließend in dieser Form visualisiert.
Auch wenn die vorliegende Beschreibung in erster Linie auf die Anwendung der CT-Angiographie Bezug nimmt, so lässt sich das vorliegende Verfahren selbstverständlich auch auf 3D-Bilddatensätze von Gefäßstrukturen anwenden, die mit anderen bildgebenden Techniken aufgezeichnet wurden. Beispiele hierfür sind die Magnetresonanz-Tomographie (MR), PET (Positronenemissionstomographie), SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) oder die Ultraschalltechnik. Voraussetzung für die Anwendung des vorliegenden Verfahrens ist lediglich, dass eine Segmentierung der aufgezeichneten Gefäßstruktur sowie der Plaqueablagerungen aus dem 3D-Bilddatensatz möglich ist.
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen in stark schematisierter Darstellung:
1 ein Beispiel für eine Darstellung der CT-Aufnahme einer koronaren Gefäßstruktur;
2 ein Beispiel für eine Ausschnittsvergrößerung aus der Darstellung der 1;
3 ein Beispiel für die Anordnung von axialen Schnitten durch den zentralen Verlauf eines Gefäßes;
4 ein Beispiel für ein axiales Schnittbild des Gefäßes; und
5 zwei Beispiele für die Darstellung des künstlichen 3D-Modells.
Das vorliegende Verfahren wird im Folgenden beispielhaft anhand der Visualisierung eines Gefäßabschnitts der koronaren Gefäßstruktur eines Patienten erläutert, wie sie mit einem modernen Mehrschicht-CT-Gerät mit der Technik der CT-Angiographie aufgenommen werden kann. 1 zeigt hierzu ein Beispiel für eine bildliche Darstellung des mittels CT-Angiographie gewonnenen 3D-Bilddatensatzes, in der die koronare Gefäßstruktur 4 angedeutet ist. Aus diesem Bild wählt der Benutzer einen Ausschnitt 2, der einen näher zu untersuchenden Gefäßabschnitt beinhaltet. Diese Auswahl erfolgt interaktiv, wobei der Benutzer in der Regel die Möglichkeit hat, die geeignete Perspektive und Darstellungsweise des CT-Bildes 1, insbesondere durch dreidimensionale Veränderung der Orientierung des Bildes, interaktiv zu wählen, um möglicherweise von Plaque befallene Gefäßabschnitte zu identifizieren.
Nach der Auswahl des zu analysierenden Gefäßabschnittes markiert der Benutzer in der Ausschnittsvergrößerung 2, die in der 2 beispielhaft dargestellt ist, interaktiv die zentrale Achse des Gefäßabschnitts 5. Die hierfür eingebrachten Markierungen 6 sind in der 2 erkennbar.
Alternativ kann die Bestimmung der zentralen Gefäßachse auch durch bekannte Bildverarbeitungsalgorithmen automatisch erfolgen. Dies ist besonders bei CT-Bildaufnahmen kontrastmittelangereicherter Gefäße aufgrund der damit verbundenen Kontrasterhöhung, gegebenenfalls nach Abzug eines Maskenbildes bei Anwendung der Subtraktionsangiographie, ohne weiteres möglich.
Anschließend werden auf Basis des dadurch bestimmten Verlaufs der zentralen Achse 10 des Gefäßabschnitts 5 axiale Schnitte 3 durch diesen Gefäßabschnitt 5 berechnet, wie dies in der 3 veranschaulicht ist.
Im nächsten Schritt werden dem Benutzer diese axialen Schnitte 3 nacheinander als Schnittbilder dargestellt. 4 zeigt ein Beispiel für ein derartiges axiales Schnittbild. In diesem Bild markiert der Benutzer interaktiv die Grenzlinien 9 der Plaqueablagerungen 7 (in 4 durch die Quadrate angedeutet). In gleicher Weise werden entweder interaktiv oder mit Hilfe eines automatischen Segmentierungsalgorithmus die Begrenzungslinien 8 des Gefäßabschnittes 5 markiert (Kreise in der 4).
Nach Durchführung dieses Schrittes für alle axialen Schnitte 3 des Gefäßabschnittes 5 liegen die Begrenzungspunkte des Gefäßabschnittes 5 sowie der Plaqueablagerungen 7 in diesem Gefäßabschnitt vor. Anhand dieser Begrenzungspunkte, die abhängig von der räumlichen Auflösung der ursprünglichen CT-Aufnahme sowie den gesetzten Markierungspunkten in unterschiedlich großen räumlichen Abständen vorliegen können, erfolgt eine Interpolation zur Erstellung eines künstlichen dreidimensionalen Modells der Begrenzungsflächen des Gefäßabschnitts sowie der Plaqueablagerungen mit hoher Auflösung. Dieses künstliche dreidimensionale Modell wird durch ein Polygonnetz, beispielsweise ein Dreiecksnetz repräsentiert, das die jeweiligen Begrenzungsflächen bildet.
Das auf diese Weise erzeugte dreidimensionale Modell wird anschließend in geeigneter und/oder vorgebbarer Weise visualisiert, wie dies in der 5 in zwei Darstellungen 12, 13 stark schematisiert angedeutet ist. In diesen Darstellungen ist das Polygonnetz 11 sowie die dadurch gebildeten Begrenzungsflächen 14 des Gefäßabschnittes sowie 15 der Plaqueablagerung zu erkennen.
Diese Technik ermöglicht dem Benutzer eine klare Visualisierung des Gefäßabschnittes sowie der darin befindlichen Plaqueablagerung mit hoher räumlicher Auflösung. Der Benutzer kann hierbei die räumlichen Verhältnisse zwischen der Plaqueablagerung und der Gefäßwandung bzw. des Gefäßlumens in Echtzeit aus unterschiedlichen Perspektiven analysieren und sich insbesondere auch in Echtzeit durch die Darstellung des 3D-Modells bewegen. Er bekommt hierbei einen realistischeren Eindruck der geometrischen Verhältnisse einer Stenose und der durch die Stenose verursachten Beeinflussung des Blutflusses.

Claims

Verfahren zur Visualisierung von Plaqueablagerungen (7) aus 3D-Bilddatensätzen von Gefäßstrukturen (4), insbesondere des koronaren Gefäßbaums, bei dem zumindest ein Abschnitt (5) der Gefäßstruktur mit den Plaqueablagerungen (7) in dem 3D-Bildatensatz segmentiert wird, um segmentierte Bilddaten zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass aus den segmentierten Bilddaten ein künstliches 3D-Modellbild (12, 13) des zumindest einen Abschnittes (5) der Gefäßstruktur und der Plaqueablagerungen (7) erstellt wird, das nur Begrenzungsflächen der Gefäßstruktur und der Plaqueablagerungen umfasst, wobei die Erstellung des künstlichen 3D-Modellbilds (12, 13) durch räumliche Interpolation zwischen Bildpunkten erfolgt, die zu Begrenzungsflächen der Gefäßstruktur gehören, und zwischen Bildpunkten, die zu Begrenzungsflächen der Plaqueablagerungen (7) gehören, um ein gleichmäßiges Raster an Bildpunkten für das 3D-Modellbild zu erhalten und um das 3D-Modell mit einer gegenüber den 3-D-Bilddaten erhöhten Auflösung darstellen zu können, und das künstliche 3D-Modellbild (12, 13) oder ein Teilvolumen davon als Polygon-Netz (11) erstellt und visualisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentierung durch – Bestimmen eines Verlaufs einer zentralen Achse (10) des zumindest einen Abschnittes (5) der Gefäßstruktur, – Berechnen axialer Schnitte (3) entlang der zentralen Achse (10) und – Bestimmen von Grenzlinien (8, 9) des zumindest einen Abschnittes (5) der Gefäßstruktur und der Plaqueablagerungen (7) aus Bilddaten der axialen Schnitte (3) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Betrachter eine interaktiv steuerbare Änderung der Betrachtungsperspektive und/oder eine virtuelle Bewegung durch den zumindest einen Abschnitt (5) der Gefäßstruktur in Echtzeit ermöglicht wird.