DE102004043695B4

DE102004043695B4 - Verfahren zur einfachen geometrischen Visualisierung tubulärer anatomischer Strukturen

Info

Publication number: DE102004043695B4
Application number: DE102004043695A
Authority: DE
Inventors: Daniel Rinck; Michael Dr. Scheuering
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: US20060062447A1; CN1766896A; US7620225B2; JP2006075599A; DE102004043695A1; CN100524329C

Abstract

Verfahren zur Visualisierung tubulärer anatomischer Strukturen aus medizinischen 3D-Bildaufnahmen mit folgenden Schritten:
– Bereitstellen segmentierter 3D-Bilddaten der tubulären Struktur (10);
– automatisches Annähern der durch die segmentierten 3D-Bilddaten repräsentierten tubulären Struktur (10) durch eine Vielzahl aneinander grenzender zylindrischer und/oder konisch zulaufender Elemente (12); und
– Darstellung der aneinander grenzenden Elemente (12) ohne die segmentierten 3D-Bilddaten der tubulären Struktur (10); wobei das automatische Annähern der tubulären Struktur (10) durch folgende Schritte erfolgt:
– Setzen eines Startpunktes innerhalb der tubulären Struktur (10) in den segmentierten 3D-Bildaten;
– Bilden einer Kugel um den Startpunkt als Mittelpunkt;
– schrittweise Vergrößerung der Kugel bis zu einer Endgröße, bei der die Kugel zwei durchgehende Schnittlinien mit Seitenwandungen der Struktur (10) bildet, die Anfang und Ende sowie zumindest einen mittleren Durchmesser des an dieser Stelle gebildeten Elementes (12) vorgeben;
– Setzen eines neuen Startpunktes innerhalb der tubulären Struktur (10) benachbart...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung tubulärer anatomischer Strukturen aus medizinischen 3D-Bildaufnahmen, insbesondere koronarer Gefäßstrukturen, bei dem zunächst segmentierte 3D-Bilddaten der tubulären Struktur bereitgestellt werden.

Die Bewertung des koronaren Gefäßsystems, bspw. zur Vermessung von Stenosen oder zur Abschätzung des Umfangs kalzifizierter und nicht kalzifizierter Plaqueablagerungen, ist selbst mit den heute verfügbaren bildgebenden Techniken ein zeitaufwändiger und komplexer Prozess. Mit der hohen Rechenkapazität moderner Bildrechner stehen unterschiedliche Visualisierungsmethoden zur Verfügung, mit denen die aufgezeichneten Gefäßstrukturen dargestellt werden können. Beispiele hierfür sind MIP (Maximum Intensity Projection), VRT (Volume Rendering Technique), SSD (Shadow Surface Display) oder auch Kombinationen dieser Visualisierungsmethoden, die den Radiologen bei der Diagnose unterstützen. Für eine quantitative Analyse der Gefäßstrukturen ist eine Segmentierung der Strukturen aus den 2D- oder 3D-Bildaufnahmen erforderlich, auf deren Basis quantitative Größen, wie bspw. die Länge oder das Durchmesser/Längenverhältnis einer Stenose, gemessen werden können.

Ein besonderes Problem stellt vor allem die Weiterleitung der erfassten bzw. aus den Bildaufnahmen abgeleiteten Daten an andere Fachleute, bspw. einen Kardiologen, dar. Die bisher eingesetzten Visualisierungsmethoden, wie bspw. die interaktive 3D-VRT, führen bei einer Reduktion auf eine 2D-Darstellung zu schwer interpretierbaren Bildern. Ein Ausdruck derartiger Bilder auf Papier ist trotz des Standes der Digitalisierungstechniken sowie der elektronischen Vernetzung in den Krankenhäusern häufig noch immer erforderlich, um entsprechenden Fachleuten die Untersuchungsergebnisse zur Diagnosestellung zu übermitteln. In diesen Fällen wird daher das Untersuchungsergebnis in der Regel von einem Report begleitet, in dem der Gefäßbaum in einfachen Worten, bspw. durch Angabe des Abstandes einer Läsion zu einer fixen Landmarke, wie bspw. einem Verzweigungspunkt oder einer anatomischen Abnormalität, beschrieben wird. Auch mit einem begleitenden Report ist es für den Fachmann jedoch häufig schwer, die tatsächliche Gefäßstruktur aus den zweidimensionalen Bildern korrekt zu rekonstruieren.

D. Selle et al.: „Analysis of Vasculature for Liver Surgical Planning"; in: IEEE Transactions on Medical Imaging, 2002, Vol. 21, No. 11, 1344–1357, beschreiben ein Verfahren zur Analyse und Darstellung tubulärer anatomischer Strukturen aus medizinischen 3D-Bildaufnahmen am Beispiel der Leber. Bei dem Verfahren erfolgt nach einigen Vorverarbeitungsschritten zunächst eine Segmentierung der die Gefäße beschreibenden Daten aus einem CT-Datensatz. Der Gefäßverlauf wird aus diesen segmentierten Daten durch Skelettierung gewonnen. Anschließend werden der Verlauf und die Struktur der Gefäße visualisiert. Hierzu werden einfache geometrische Strukturen wie bspw. Kegelstümpfe entsprechend dem Gefäßverlauf aneinander gereiht, um auch den Durchmesser der Gefäße nachzubilden. Diese Nachbildung der Gefäßstruktur wird dann am Bildschirm dargestellt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein weiteres Verfahren zur Visualisierung tubulärer anatomischer Strukturen, wie bspw. der koronaren Gefäßstruktur, anzugeben, das eine einfache Interpretation der tubulären Struktur auch bei zweidimensionaler Bilddarstellung 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 den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorliegenden Verfahren zur Visualisierung tubulärer anatomischer Strukturen aus medizinischen 3D-Bildaufnahmen, insbesondere koronarer Gefäßstrukturen, werden zunächst segmentierte 3D-Bilddaten der tubulären Struktur bereitgestellt. Diese segmentierten 3D-Bilddaten werden vorzugsweise aus den 3D-Bilddaten einer tomographischen Bildaufnahme eines Körperbereiches gewonnen, in dem die tubuläre Struktur enthalten ist. Die hierfür erforderlichen Segmentierungsverfahren, wie bspw. das sog. "Region Growing", sind Stand der Technik, so dass an dieser Stelle nicht explizit darauf eingegangen werden muss.

Beim vorliegenden Verfahren wird die durch die segmentierten 3D-Bilddaten repräsentierte tubuläre Struktur durch eine Vielzahl aneinander grenzender zylindrischer und/oder konisch zulaufender geometrischer Elemente angenähert. Schließlich werden die aneinander grenzenden Elemente ohne die segmentierten 3-Bilddaten der tubulären Struktur dargestellt. Diese Darstellung kann in zwei- oder dreidimensionaler Form erfolgen. Für eine spätere Weiterleitung der Darstellung ist jedoch eine zweidimensionale Darstellung bevorzugt.

Die Annäherung der tubulären Struktur mit der Vielzahl von zylindrischen und/oder konisch zulaufenden Elementen erfolgt durch automatische Bildverarbeitung der segmentierten 3D-Bilddaten. Hierbei ist es möglich, die tubuläre Struktur durch aneinander Reihen von Zylindern mit an die tubuläre Struktur angepassten unterschiedlichen Durchmessern und unterschiedlichen Längen nachzubilden. Bei einer koronaren Gefäßstruktur werden damit die Durchmesser dieser eingepassten Zylinder mit zunehmender Verzweigungstiefe der Gefäßstruktur kleiner. Anstelle von Zylindern, die jeweils einen vom Anfang zum Ende des Zylinders gleich bleibenden Durchmesser aufweisen, lassen sich auch konische Elemente, deren Durchmesser vom Anfang zum Ende linear abnimmt oder zunimmt, für die Annäherung der tubulären Struktur einsetzen. Selbstverständlich ist auch eine Kombination der beiden Elementtypen möglich, um eine möglichst genaue Anpassung an die tubuläre Struktur zu erreichen.

Die automatische Annäherung der tubulären Struktur erfolgt durch folgende Schritte:

– Setzen eines Startpunktes innerhalb der tubulären Struktur in den segmentierten 3D-Bilddaten;
– Bilden einer Kugel um den Startpunkt als Mittelpunkt;
– schrittweise Vergrößerung der Kugel bis zu einer Endgröße, bei der die Kugel zwei durchgehende Schnittlinien mit Seitenwandungen der Struktur bildet, die Anfang und Ende sowie zumindest einen mittleren Durchmesser des an dieser Stelle gebildeten Elementes vorgeben;
– Setzen eines neuen Startpunktes innerhalb der tubulären Struktur benachbart zum bereits gebildeten Element; und
– Fortsetzen der vorangehenden Schritte, bis ein vorgebbarer Teil der Struktur durchlaufen ist.

Mit dem vorliegenden Verfahren wird die tubuläre Struktur somit durch einfache geometrische Elemente dargestellt. Eine zweidimensionale Projektion, bspw. eine Zentral- oder eine Parallelprojektion, dieser aneinander gereihten Elemente lässt sich ohne Informationsverlust, auch per Fax, einem Fachmann übermitteln, der dieser Darstellung problemlos den Verlauf der zugrunde liegenden tubulären Struktur entnehmen kann. Im Falle von Gefäßstrukturen lassen sich sowohl Verzweigungen als auch lokale Verengungen, insbesondere Stenosen, aufgrund des an dieser Stelle dargestellten Elementes mit gegenüber Nachbarelementen verringertem Durchmesser ohne weiteres erkennen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens werden derartige anatomische Auffälligkeiten in der Darstellung zusätzlich, vorzugsweise farbig, markiert. Dies kann ebenfalls auf automatischem Wege erfolgen, indem durch einen Bildverarbeitungsalgorithmus lokale Verengungen oder Verzweigungen identifiziert werden.

Die mit dem vorliegenden Verfahren bereitgestellte Darstellung der tubulären Struktur erleichtert dem Fachmann, der keinen Zugang zu einer interaktiven dreidimensionalen Bilddarstellung der 3D-Bilddaten der Struktur hat, die Bewertung sowie die Orientierung innerhalb der Struktur erheblich. Das vorliegende Verfahren ermöglicht vor allem die einfache Übermittlung einer zweidimensionalen Darstellung der Struktur ohne Informationsverlust sowie eine Speicherung mit sehr geringem Speicherbedarf. In der Darstellung kann dennoch jede für die Diagnose wesentliche Eigenschaft der tubulären Struktur erkannt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens werden die aneinander gereihten Elemente so in eine Ebene projiziert, dass Verzweigungen, die der gleichen Hierarchiestufe entsprechen, auf jeweils einem gemeinsamen Ring und Verzweigungen, die unterschiedlichen Hierarchiestufen entsprechen, auf unterschiedlichen ineinander liegenden Ringen in der Ebene liegen. Die Darstellung dieser Projektion erfolgt dann zusammen mit den jeweiligen Ringen. Der Betrachter sieht in dieser Darstellung somit sofort die jeweilige Hierarchie bzw. Verzweigungstiefe, in der mögliche Stenosen liegen. Diese Darstellungsweise kann dem Betrachter einen Eindruck vermitteln, als ob die Struktur auf der Oberfläche einer Kugel liegen würde, von deren höchstem Punkt ausgehend sie sich auf der Oberfläche erstreckt.

Das vorliegende Verfahren ist nicht auf die Visualisierung einer Gefäßstruktur beschränkt, sondern kann allgemein zur Nachbildung und Visualisierung tubulärer Strukturen im Körper eines Patienten eingesetzt werden. Die zugrunde liegenden segmentierten 3D-Bilddaten können aus 3D-Bildaufnahmen des jeweils betroffenen Körperbereiches stammen, die mit den unterschiedlichsten bildgebenden Modalitäten, bspw. Röntgen-CT, Röntgen-Angiographie, Magnetresonanztomographie, 3D-Ultraschall, PET oder SPECT, aufgezeichnet wurden. Bedingung für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens ist lediglich, dass aus diesen 3D-Bildaufnahmen die tubuläre Struktur geeignet segmentiert werden kann.

Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für ein Bild eines Gefäßbaums und zwei daraus abgeleitete zweidimensionale Darstellungen der aneinander gereihten Elemente,
2 ein Beispiel für einen ersten Schritt zur Annäherung der Gefäßstruktur,
3 ein Beispiel für eine gemäß 2 mit zylindrischen Elementen angenäherte Struktur aus 2, und
4 ein Beispiel für eine hierarchische Darstellung der aneinander gereihten Zylinder, die gemäß den Schritten der 2 und 3 erhalten wurden.
1 zeigt in Teilabbildung 1A eine lediglich schematisiert angedeutete koronare Gefäßstruktur 10, wie sie bspw. als MIP am Monitor dargestellt werden kann. Dieser Darstellung liegen bereits segmentierte 3D-Bilddaten der Gefäßstruktur 10 zugrunde. Mit dem vorliegenden Verfahren werden diese segmentierten 3D-Bilddaten nun ausgehend von der Aorta 11 durchlaufen um die Gefäßstruktur 10 mit einer Vielzahl von aneinander grenzenden zylindrischen Elementen 12 anzunähern. Anschließend werden diese aneinander gereihten Zylinder 12 ohne die zugrunde liegenden 3D-Bilddaten der Gefäßstruktur 10 dargestellt. Dies ist in Teilabbildung 1B in einer Parallelprojektion 13 dieser aneinander gereihten Zylinder 12 ersichtlich, in der zusätzlich die Aorta 11 als segmentiertes Objekt dargestellt ist. Anatomische Auffälligkeiten, wie sie bspw. durch Plaqueablagerungen oder Stenosen verursacht werden, sind in dieser Darstellung durch markierte Elemente 15 angedeutet. In gleicher Weise sind die Verzweigungspunkte 16 in diesem Beispiel durch Kreise markiert.
Eine andere Darstellungsmöglichkeit dieser aneinandergrenzenden Elemente ist in Teilabbildung 1C erkennbar, in der mehrere konzentrische Ringe 17 eingezeichnet sind, die unterschiedlichen Verzweigungsstufen, d. h, von der Aorta 11 ausgehend die erste Verzweigung, die zweite Verzweigung, usw., repräsentieren. Die aneinander gereihten zylindrischen Elemente 12 werden dabei auf die Ebene dieser Ringe derart projiziert, dass die Verzweigungen auf den entsprechenden Ringen 17 liegen.
In beiden Darstellungen gemäß dem vorliegenden Verfahren sind der Verlauf und die zunehmende Verjüngung der Gefäßstruktur 10 durch unterschiedliche Durchmesser der projizierten zylindrischen Elemente 12 erkennbar. Gerade die hierarchische Darstellung der Teilabbildung 1C ermöglicht dem Betrachter, die Verzweigungstiefe sofort zu erkennen, in der anatomische Besonderheiten vorliegen.
2 zeigt ein Beispiel für einen ersten Schritt bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens, zur Vereinfachung anhand einer zweidimensionalen Darstellung. In dieser Darstellung ist ein Bildabschnitt eines segmentierten Gefäßbaums als Gefäßstruktur 10 zu erkennen, wobei die einzelnen Rechtecke die Voxel 18 des zugrunde liegenden Bildes darstellen. Bei der Traversierung dieses Gefäßbaums wird zunächst ein Startpunkt gesetzt, der in der 2 durch das Voxel 18 mit der Ziffer 1 repräsentiert ist. Um diesen Startpunkt wird zunächst eine kleine Kugel gelegt, die anschließend schrittweise vergrößert wird. Dieser Vorgang ist mit den Ziffern 2–5 in der 2 veranschaulicht, die jeweils die Abstände des Kugelumfangs vom Startpunkt in Einheiten einzelner Voxel angeben. Die Implementierung der wachsenden Kugel kann beispielsweise durch ein sog. Distanztransformierungsverfahren erfolgen. Nachdem die Kugel eine Größe erreicht hat, bei der sie die Außenwandung der Gefäßstruktur 10 unter Bildung zweier geschlossener, zumindest annähernd ringförmiger Schnittlinien schneidet, wird die Kugel im vorliegenden Beispiel noch ein oder zwei Schritte weiter vergrößert. Die dann erhaltenen Schnittlinien legen die Anfangs- und Endflächen des an dieser Stelle eingepassten Zylinders mit einem Durchmesser fest, der dem Durchmesser der durch zumindest eine der beiden Schnittlinien umschlossenen Fläche (Schnittfläche) entspricht. Im vorliegenden Beispiel haben die beiden Schnittflächen identischen Durchmesser. Unterscheiden sich die Durchmesser der beiden Schnittflächen, so kann auch ein gemittelter Durchmesser für die Bildung des Zylinders verwendet werden. Weiterhin kann in diesem Fall auch ein konisch zulaufendes Element eingepasst werden, dessen Anfangs- und Enddurchmesser den Durchmessern der Schnittflächen entspricht.
Nach der Bildung dieses ersten Zylinders wird in etwa im Abstand des Durchmessers des Zylinders von seiner Endfläche ein neuer Startpunkt gesetzt und erneut eine Kugel aufgepumpt, um den nächsten Zylinder bzw. das nächste konisch verlaufende Element einzupassen. Bei der Bestimmung der Schnittlinien wird auch der Schwerpunkt der jeweiligen Schnittfläche bestimmt, um den darauf folgenden Startpunkt in Abhängigkeit von diesem Schwerpunkt zu setzen. Die Detektion von mehr als zwei Schnittflächen ist ein Anzeichen für eine Verzweigung. Diese Position wird dann als Verzweigungspunkt 16 markiert. Auch dies ist in der Darstellung der 2 angedeutet.
Durch eine Vergrößerung der Anzahl der zusätzlichen Schritte, um die die Kugel nach Bildung der beiden Schnittlinien weiter aufgepumpt wird, kann die Länge der einzelnen zylindrischen und/oder konisch zulaufenden Elemente beeinflusst werden. Vorzugsweise wird die Kugel nach Detektion der beiden Schnittlinien noch ein bis drei Schritte weiter vergrößert. Ergibt sich in diesem Bereich keine wesentliche Änderung des Durchmessers der Schnittflächen, so werden diese bei der Endgröße der Kugel erreichten Schnittflächen für die Bildung der Elemente herangezogen. Wird eine Änderung detektiert, so kann die Kugel auch wieder um ein oder zwei Schritte verkleinert werden, um dann das entsprechende Element zu bilden.
3 zeigt das Ergebnis der Einpassung zylindrischer Elemente 12 gemäß den Schritten der 2. Die einzelnen, aneinander gereihten Zylinder weisen bei zunehmender Verzweigung der Struktur immer kleinere Durchmesser auf. Die Verzweigungspunkte 16 sind in dieser Darstellung durch die Kreise markiert.
Diese Repräsentation der Gefäßstruktur 10 kann auch derart in eine Ebene projiziert und dargestellt werden, dass die Verzweigungspunkte 16 unterschiedlicher Verzweigungsstufen jeweils auf unterschiedlichen Ringen 17 und die Verzweigungspunkte 16 gleicher Verzweigungsstufen jeweils auf gleichen Ringen 17 in dieser Ebene liegen. Dies ist anhand der Darstellung der 4 ersichtlich. In diesem hierarchischen Chartdiagramm liegt der Startpunkt der Struktur im Zentrum und die nachfolgenden Verzweigungsstufen jeweils auf den konzentrischen Ringen 17, zwischen denen die aneinander gereihten zylindrischen Elemente 12 entsprechend ihres auf diese Ebene projizierten Verlaufs dargestellt sind.

Claims

Verfahren zur Visualisierung tubulärer anatomischer Strukturen aus medizinischen 3D-Bildaufnahmen mit folgenden Schritten: – Bereitstellen segmentierter 3D-Bilddaten der tubulären Struktur (10); – automatisches Annähern der durch die segmentierten 3D-Bilddaten repräsentierten tubulären Struktur (10) durch eine Vielzahl aneinander grenzender zylindrischer und/oder konisch zulaufender Elemente (12); und – Darstellung der aneinander grenzenden Elemente (12) ohne die segmentierten 3D-Bilddaten der tubulären Struktur (10); wobei das automatische Annähern der tubulären Struktur (10) durch folgende Schritte erfolgt: – Setzen eines Startpunktes innerhalb der tubulären Struktur (10) in den segmentierten 3D-Bildaten; – Bilden einer Kugel um den Startpunkt als Mittelpunkt; – schrittweise Vergrößerung der Kugel bis zu einer Endgröße, bei der die Kugel zwei durchgehende Schnittlinien mit Seitenwandungen der Struktur (10) bildet, die Anfang und Ende sowie zumindest einen mittleren Durchmesser des an dieser Stelle gebildeten Elementes (12) vorgeben; – Setzen eines neuen Startpunktes innerhalb der tubulären Struktur (10) benachbart zum bereits gebildeten Element (12); und – Fortsetzen der vorangehenden Schritte, bis ein vorgebbarer Teil der Struktur (10) durchlaufen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinander grenzenden Elemente (12) in zumindest einer zweidimensionalen Projektion (13, 14) dargestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinander grenzenden Elemente (12) so in eine Ebene projiziert werden, dass Verzweigungen (16) unterschiedlicher hierarchischer Stufe auf unterschiedlichen Ringen (17) und Verzweigungen (16) gleicher hierarchischer Stufe auf jeweils einem gleichen Ring (17) liegen, und dass die Projektion zusammen mit den Ringen (17) dargestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die schrittweise Vergrößerung der Kugel in Schritten einzelner Voxel (18) der segmentierten 3D-Bilddaten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Darstellung der aneinander grenzenden Elemente (12) anatomisch auffällige Abschnitte markiert, insbesondere farbig markiert, werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung der segmentierten 3D-Bilddaten die Schritte umfasst: – Bereitstellen von 3D-Bilddaten einer tomographischen 3D-Bildaufnahme eines Körperbereiches, in dem die tubuläre Struktur (10) ausgebildet ist, und – Segmentieren der tubulären Struktur (10) aus den 3D-Bilddaten der tomographischen 3D-Bildaufnahme.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den tubulären anatomischen Strukturen um koronare Gefäßstrukturen handelt.