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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 13. September 2004
eingereichten US Provisional Application Nr. 60/609,521, die hiermit
durch Verweis aufgenommen wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell die Analyse von Emboli und
spezifischer die automatische Analyse des durch eine in einem Organ
vorliegende Embolie betroffenen Bereichs.
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Bei
einer Embolie handelt es sich um den Verschluss eines Blutgefäßes durch
eine Fremdsubstanz. Die häufigste
Ursache für
eine Embolie stellen Blutgerinnsel dar. Bei einem Lungenembolus
handelt es sich um ein durch den Blutstrom in eine Lungenarterie
(sich vom Herzen in die Lunge erstreckende Blutgefäße) geschwemmtes
Blutgerinnsel, das das Gefäß teilweise
oder vollständig
verschließt.
Der Begriff „Embolus" bezeichnet den das
Blutgefäß obliterierenden
Pfropf, wohingegen sich Embolie auf den herbeiführenden Vorgang bezieht.
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Obgleich
eine Lungenembolie häufig
zum plötzlichen
Tod führt,
kann sie doch oft vermeidbar sein. Die umgehende Behandlung mit
Antikoagulantien ist für
die Rettung von Leben wesentlich. Jedoch birgt jede Behandlung auch
Gefahren, weshalb sich die richtige Diagnosestellung als kritisch
erweist. Computertomographie-gestützte Angiographie (CTA) findet
immer weitläufigere
Anerkennung als Diagnoseverfahren, die gegenüber alternativen Methoden wie
Lungenangiographie und Ventilations-Perfusions-Scans vergleichbare
oder überlegene
Sensitivität
und Spezifität
bietet. CTA stellt ein rasches und nichtinvasives Verfahren dar
und unterstützt
zudem in vielen Fällen
noch eine alternative Diagnose zur Abklärung der Symptome eines Patienten.
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Mittels
16-Zeilen-Computertomographen (CT) an Patienten nach Kontrastmittelgabe
erhobene Bilder liefern Hochauflösungsdaten,
die den besseren Nachweis von in subsegmentalen Arterien lokalisierten
Emboli gewähren.
Diese dreidimensionalen Hochauflösungsdaten
bieten die Möglichkeit
der präzisen
Analyse der Auswirkungen von Lungenembolien auf die Lunge, wenngleich
derartige Beurteilungen ohne Automatisierung möglicherweise nicht durchführbar sind.
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Gegenwärtige Verfahren
zur automatisierten Analyse von Lungenembolien in Kontrastmittel-verstärkten CT-Bildern
stützen
sich auf den direkten Nachweis der Gerinnsel in den Arterien oder
auf den indirekten Rückschluss
der Lage des Gerinnsels durch Visualisierung der Durchblutungsstörungen in dem
betroffenen Lungenareal bzw. den betroffenen Lungenarealen. Im ersteren
Fall ist generell zur präzisen
Ortung einer Lungenembolie eine hinreichende Segmentierung der Arterien
erforderlich. Der Nachweis der Gerinnsel kann danach mittels Visualisierungsverfahren
oder computergestütztem
Nachweis (Computer Aided Detection, CAD) erfolgen.
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Bei
einem anderen Verfahren zur automatisierten CTA-Analyse wird zur direkten Visualisierung von
Durchblutungsstörungen
die mittlere Dichte von Lungenarealen berechnet und ausgegeben.
Eine unterdurchschnittliche Dichte in Lungenarealen kann auf ein
diesem Areal vorgelagertes Gerinnsel hinweisen. Ein Vorteil dieses
Verfahrens liegt in der graphischen Darstellung von Ausmaß und Schweregrad der
Erkrankung. Allerdings ist von Nachteil, dass zur adäquaten Messung
der Durchblutung zwei Scans, nämlich
vor und nach Kontrastmittelgabe, nötig sind, was die Erhebung verkompliziert
und die doppelte Strahlendosis erfordert. Zudem bedarf es zum Abgleich
der beiden Scans einer mühsamen
und zeitaufwändigen
nicht-rigiden Registrierung. Bei dem derzeit in der klinischen Praxis
anerkannten Bewertungsprozedere an Patienten mit Verdacht auf Lungenembolie
erfolgt nur ein Scan nach Kontrastmittelgabe.
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Daher
besteht Bedarf an einem automatisierten Verfahren zur Analyse des
Ausmaßes
einer ein Organ betreffenden Embolie anhand eines einzigen Scans.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein automatisiertes Verfahren zur Analyse
des durch eine in einem Organ vorliegende Embolie betroffenen Bereichs
bereit. Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird ein segmentiertes Bild der Organvaskulatur unter
Verwendung von Bildvolumendaten erzeugt, die beispielsweise von
einem Computertomographen (CT) stammen. Ein Embolus wird danach
innerhalb des segmentierten Bildes identifiziert. Die Identifikation
des Embolus kann durch Eingabe des Emboluspunktes (z.B. bei dessen
manueller Identifikation) erfolgen. Alternativ dazu kann die Identifikation
des Emboluspunktes automatisch erfolgen. Auf diesen Daten basierend
wird das Volumen des durch die Embolie betroffenen Organs automatisch
bestimmt.
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Das
Volumen des durch die Embolie betroffenen Organs kann durch Erstellung
eines Teilastes innerhalb des segmentierten Bildes bestimmt werden,
der zu dem identifizierten Emboluspunkt distale Gefäße aufweist.
In einer Ausführungsform
wird der Teilast durch Bestimmung einer zu einem Gefäß an dem
Emboluspunkt senkrecht verlaufenden Ebene erzeugt, so dass der Teilast
einen zu dieser Ebene distalen Abschnitt der Vaskulatur umfasst.
Da das Bild des Teilastes unerwünschte überlappende Äste umfassen
kann, werden derartige überlappende Äste identifiziert
(z.B. durch Analyse der Gabelungswinkel) und aus dem Teilast entfernt.
An dieser Stelle kann das Volumen des durch die Embolie betroffenen Organs
durch Berechnung eines durch den Teilast durchbluteten Volumens
dieses Organs bestimmt werden. Da aber auch die Möglichkeit
besteht, dass die Embolie in einer Arterie eine nur partielle Obliterierung
herbeiführt,
kann weiterhin durch Skalierung des Volumens auf Basis der prozentualen
Obliterierung durch einen partiellen Embolus das betroffene Volumen
entsprechend errechnet werden. Da Patienten auch mehr als einen
Embolus aufweisen können, kann
der Prozess wiederholt werden, indem weitere Emboli identifiziert,
der Prozentanteil des von dem jeweiligen Teilast durchbluteten Organs
berechnet und diese zum Erhalt des Gesamtprozentanteils des durch
alle Emboli betroffenen Organs addiert werden.
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Diese
und weitere Vorteile ergeben sich für den Durchschnittsfachmann
unter Bezugnahme auf die nachstehende detaillierte Beschreibung
und beigefügten
Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 ein Übersichtsblockschaltbild
für einen Computer,
auf dem die vorliegende Erfindung realisiert werden kann;
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2 ein
Flussdiagramm der gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ausgeführten
Schritte;
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3 eine
Segmentierung der Lungenvaskulatur S;
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4 ein
Flussdiagramm der während
der Analyse des durch eine Lungenembolie betroffenen Arterienteilastes
ausgeführten
Schritte;
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5 die
Organvaskulatur mit der identifizierten, sich mit dem ausgewählen Lungenemboliepunkt
senkrecht schneidenden Ebene;
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6 ein
Modell einer Verästelung
(Astmodell);
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7 eine
Segmentierung des distalen Abschnitts der ausgewählten Vaskulatur;
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8 einen
Gabelungswinkel;
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9 ein
Verfahren zur Bestimmung einander schneidender Äste mittels Gabelungswinkelanalyse;
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10 ein
Astmodell mit Segmentierung nach Entfernen von Überschneidungen;
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11 die
Verlängerung
von Astausläufern; und
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12 eine
Darstellung des betroffenen Volumens des Organs.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Die
folgende Beschreibung stellt die vorliegende Erfindung hinsichtlich
der für
die Realisierung einer Ausführungsform
der Erfindung erforderlichen Verfahrensschritte dar. Diese Schritte
sind durch einen entsprechend programmierten Computer mit in der
Technik hinreichend bekannter Konfiguration durchführbar. Die
Implementierung eines entsprechenden Computers kann beispielsweise
mittels bekannter Computerprozessoren, Speichereinheiten, Speichermedien,
Computersoftware und anderer Komponenten erfolgen. Ein derartiger
Computer ist in 1 als Übersichtsblockschaltbild dargestellt. Computer 102 enthält einen
Prozessor 104, der durch Ausführung der diese Operation definierenden Computerprogramminstruktionen
die Gesamtoperation des Computers 102 steuert. Die Computerprogramminstruktionen
können
auf einem Speichermedium 112 (z.B. einer Magnetplatte)
gespeichert und gewünschtenfalls
zur Ausführung
in den Speicher 110 geladen werden. Computer 102 umfasst
auch eine oder mehrere Schnittstelle(n) 106 zur Verbindung
mit anderen Geräten
(z.B. lokal oder über
Netzwerk). Computer 102 umfasst weiterhin Eingang/Ausgang 108 für dem Benutzer
die Möglichkeit zum
Interagieren mit Computer 102 bietende Geräte (z.B.
Anzeige, Tastatur, Maus, Lautsprecher, Buttons). Der Fachmann wird
erkennen, dass die praktische Realisierung eines Computers auch
weitere Komponenten umfasst und dass 1 eine beispielhafte Übersichtsdarstellung
einiger der Komponenten eines derartigen Computers ist. Der Fachmann wird
außerdem
erkennen, dass die hier beschriebenen Verarbeitungsschritte auch
unter Verwendung zweckgebundener Hardware, deren Schaltkreis spezifisch
zur Ausführung
derartiger Verarbeitungsschritte konfiguriert ist, realisiert werden
kann. Alternativ dazu können
die Verarbeitungsschritte unter Verwendung verschiedener Kombinationen
aus Soft- und Hardware implementiert werden.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm der gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ausgeführten Schritte.
Zu Beginn steht eine kurze Übersicht über die
Schritte. Der allgemeinen Beschreibung folgen dann weitere Einzelheiten
zu den einzelnen Schritten in 2. Zuerst
gehen in Schritt 202 Bildvolumendaten (I) ein. Nach Eingang
der Bildvolumendaten in Schritt 202 werden in Schritt 204 die
Segmentierung und Analyse der Lungenvaskulatur durchgeführt. Im darauffolgenden
Schritt 206 wird die Lungenembolie innerhalb der segmentierten
Lungenvaskulatur geortet. Die Stelle einer Lungenembolie kann entweder durch
manuelle Eingabe nach eingehender Betrachtung eines Bildes der segmentierten
Lungenvaskulatur oder automatisch identifiziert werden. In Schritt 208 wird
zwecks Bestimmung eines Volumens der durch die Lungenembolie betroffenen
Lunge der von der Lungenembolie betroffene Gefäßteilast analysiert.
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Die
Schritte in 2 werden nunmehr eingehender
im Detail unter Verwendung der folgenden Bezeichnungen beschrieben.
Die ursprünglichen Bilddaten
werden durch I dargestellt. Der Fundort der Lungenembolie wird durch
p = (x, y, z) wiedergegeben, mit (x, y, z) als dessen 3 Dimensionskoordinaten.
S bezieht sich auf das die segmentierte Vaskulatur innerhalb der
Lunge umfassende Volumen. Und S' bezieht
sich schließlich
auf das segmentierte Teilastvolumen.
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Schritt 202 stellt
die Bildvolumendaten als Eingabe für die Verarbeitungsschritte
dar. In einer bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei diesen Bildvolumendaten um mittels Mehrschicht-CT
an Patienten nach Kontrastmittelgabe erhobene Bilder. Diese Daten
können
beispielsweise über
eine Verbindung (z.B. direkt oder über Netzwerk) bei dem CT über eine
Schnittstelle 106 eingehen, oder über ein entfernbares Datenspeichermedium
(z.B. CD-ROM, Magnetplatte, Flash-Memory oder ein andersartiges solches
Medium). Alternativ dazu kann die vorliegende Erfindung als ein
in einem CT integriertes System implementiert werden, wobei dann
die hier beschriebene Verarbeitung innerhalb des CT selbst ablaufen würde.
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In
Schritt 204 erfolgen Segmentierung und Charakterisierung
der Lungenvaskulatur. In einer Ausführungsform wird der Schritt
gemäß der Beschreibung
von Pichon E, Novak CL, Kiraly AP, Naidich DP, „A novel method for pulmonary
emboli visualization from highresolution CT images", Proceedings of
the SPIE Medical Imaging 2004, Band 5367, S. 161–170 (2004), die hiermit durch
Verweis aufgenommen wird, durchgeführt. Bei diesem Verfahren wird
wie folgt vorgegangen. Zunächst
wird eine Maske der Lunge generiert. Zu Beginn wird in der Trachea
ein Startpunkt ausgewählt.
An diesem Startpunkt wird dann solange ein Region-Growing-Verfahren durchgeführt, bis
die gesamte Lunge segmentiert ist. Dieses Region-Growing-Verfahren
wird mit einem hohen Schwellenwert durchgeführt, um die Lunge von den Luftwegen
her zu füllen.
Danach wird an dem segmentierten Bild eine Dilatation mit darauffolgender
Erosion durchgeführt,
um die durch flüssigkeitsgefüllte Bereiche
wie Gefäße hervorgerufenen Leerräume aufzufüllen. Der
Erosionsoperator ist geringfügig
größer als
der Dilatationsoperator, um den Einschluss von Rippen und anderen
thoraxwandnahen Strukturen in die Maske zu verhindern. Die Segmentierung
der Lungengefäße erfolgt
danach durch Einschluss aller über
einem Schwellenwert liegender Voxel in die Lungenmaske. Der Schwellenwert
wird so gewählt,
dass nicht nur kontrastmittelhaltige Gefäße eingeschlossen werden, sondern
auch kontrastmittelfreie Gefäße, da der
Kontrastmittelfluss zu einigen Gefäßen durch die vorhandene Lungenembolie unterbunden
ist. Danach werden die segmentierten Strukturen einer Connected-Component-Analyse
unterzogen. Strukturen kleinen Volumens werden eliminiert. Das Ergebnis
ist eine Segmentierung der Lungenvaskulatur S. Eine Einschränkung dieses
Prozesses stellt der mit dem Einschluss der Arterien einhergehende
mögliche
Einschluss von Pulmonalvenen oder anderen dichten Strukturen dar.
Es ergibt sich die in 3 als 300 dargestellte
Segmentierung S. Die Segmentierung 300 zeigt den Umriss
der Lungenflügel 302 sowie
die Vaskulatur 304.
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Zur
Erzeugung der Segmentierung können gleichermaßen andere
bekannte Verfahren eingesetzt werden. Beispielsweise kann auch ein
wie bei Sato Y, et al.; „Three-dimensional
multi-scale line filter for segmentation and visualization of curvilinear structures
in medical images",
Medical Image Analysis, Bd. 2, Nr. 2, S. 143–168 (1988) beschriebenes Zeilenfilter
verwendet werden. Zusätzlich
kann zur Steigerung der Präzision
an der Zeilenfilter-Ausgabe eine Baumanalyse durchgeführt werden.
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Nach
Erzeugung der Segmentierung wird für die Lungengefäße eine
Distanzen DS aufzeigende Abbildung erstellt.
DS steht für die Distanz jedes Voxel innerhalb
von S zu dem nächsten
Oberflächenpunkt.
Größere Arterien
weisen an ihren Mittelpunkten größere DS-Werte auf, da diese größere Radien aufweisen. Diese
Informationen dienen zur Erstellung des Teilastes wie nachstehend
eingehender erläutert
wird.
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Schritt 206 (2)
stellt die Identifizierung der Lage der Lungenembolie p innerhalb
der segmentierten Lungenvaskulatur dar. Eine derartige Fundstelle
einer Lungenembolie ist in 3 als Punkt 306 gezeigt.
Dieser Punkt kann manuell (z.B. von einem Arzt) oder anhand der
Ausgabe eines automatischen Detektionsalgorithmus identifiziert
und angezeigt werden. In beiden Fällen ist Schritt 206 dafür bezeichnend,
dass der Lungenemboliepunkt p in die Verarbeitungsschritte eingegeben
wird. Diese Eingabe kann beispielsweise über E/A 108 (bei manueller
Identifikation) oder über
Schnittstelle 106 (bei automatischer Identifikation) erfolgen.
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An
dieser Stelle des Prozessablaufs sind folgende Daten verfügbar:
- a) das ursprüngliche Kontrastmittel-verstärkte CT-Bild I;
- b) die Distanzkennzahlen Ds enthaltende Segmentierung der Lungengefäße S; und
- c) Punkt p innerhalb des segmentierten Bildes zur weiteren Analyse.
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Hier
kann der Prozess nunmehr mit Schritt 208 fortgesetzt werden,
der Analyse des durch die Lungenembolie betroffenen Arterienteilastes.
In diesem Schritt wird der durch die Lungenembolie betroffene Teilast
zur Bestimmung des Volumens der von der Lungenembolie betroffenen
Lunge analysiert. Der Prozessablauf gemäß Schritt 208 wird
im Zusammenhang mit dem Flussdiagramm in 4 weiter
dargelegt. Der Schritt der Teilastanalyse umfasst die vier in 4 gezeigten
Schritte 402–408.
Zunächst
wird in Schritt 402 eine am Punkt p zu der Ausrichtung
des Gefäßes senkrecht
verlaufende winkelhalbierende Ebene bestimmt. Diese Ebene dient zur
Durchführung
eines restringierten Region-Growing-Verfahrens in Schritt 404 zur
Isolation des distalen Abschnittes des Astes, der als Teilast bezeichnet wird.
In Schritt 406 wird mittels Skelettisierung aus dem Teilast
ein Astmodell errechnet, das zur Eliminierung überschneidender Gefäße analysiert
wird. In Schritt 408 wird das betroffene Lungenvolumen
bestimmt. Nachstehend folgt die eingehende Beschreibung jedes der
Schritte in 4.
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Schritt 402 bestimmt
eine sich mit dem ausgewählten
Lungenemboliepunkt auf dem Gefäß senkrecht
schneidende Ebene. Diese Ebene ist in 5 als Ebene 502 dargestellt,
mit dem als 504 dargestellten Lungenemboliepunkt. Gemäß diesem Schritt
wird unter Berücksichtigung
des gewählten Punktes
p 504, um p herum ein größenmäßig festgelegtes Teilvolumen
der Segmentierung S erzeugt. Hier ist zu beachten, dass dieses Teilvolumen
fixer Größe nur die örtlich darauf
beschränkte
Aststruktur umfasst, nicht aber den gesamten Ast, weder in proximaler
noch in distaler Richtung. Die segmentierte Vaskulatur innerhalb
dieses Teilvolumens wird dann mit einem bekannten auf Skelettisierung
basierenden Verfahren zur Erstellung des Astmodells bearbeitet. Die
Einzelheiten dieses Verfahrens werden in A.P. Kiraly, et al. „Three-Dimensional Path
Planning for Virtual Bronchoscopy", IEEE Transactions on Medical Imaging,
Bd. 23, Nr. 9, S. 1365–1379,
September 2004, hiermit durch Verweis aufgenommen, beschrieben.
In der vorliegenden Beschreibung wird dieses Verfahren generell
wie folgt dargestellt.
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Basierend
auf einem segmentierten Bild einer Vaskulatur und einem Ursprungspunkt
wird anhand obigen Verfahrens ein Astmodell erstellt. Ein einfaches
Astmodell ist in 6 dargestellt. Der Ast wird
durch eine Reihe von Verzweigungen gebildet. Die kleineren Äste setzen
sich wiederum jeweils aus einer Reihe von Punkten zusammen. Der
Ursprungspunkt definiert den Ursprung des Hauptastes und legt das
Verhältnis
von Hauptast zu allen Seitenästen fest.
Der Gabelungspunkt bezeichnet den Punkt, an dem sich zwei Äste gabeln.
Endständige
Punkte befinden sich an den Enden von keine Seitenäste aufweisenden Ästen. Alle
anderen Punkte werden schließlich
als Betrachtungspunkte bezeichnet.
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Zur
Bestimmung des Astmodells wird wie folgt vorgegangen. Bei Vorliegen
einer segmentierten Struktur wird zunächst deren 3D-Gerüst erstellt. Durch
diese Operation wird die Segmentierung in eine aus sich verzweigenden
3D-Linien zusammengesetzte Struktur von 1 Voxel Dicke umgewandelt. Das
Gerüst
wird dann im Format eines Astmodells mit Verzweigungen und Gabelungspunkten
gespeichert. Der Ursprungspunkt legt den Ursprung des Astes fest.
Die kleineren Äste
werden jeweils von der Lage der sie bildenden Voxel festgelegt.
Dieses erste Astmodell weist höchstwahrscheinlich
aufgrund der unzusammenhängenden
Daten und der groben Segmentierung falsche Äste auf. Zur Verfeinerung des Modells
werden falsche Äste
unter Verwendung von größenbezogenen
Kriterien eliminiert. Die Lagen der Punkte werden ebenfalls auf
Subvoxelniveau verfeinert. Letztendlich wird auch jedem Punkt auf
den übrigen
Verzweigungen ebenfalls auf der Grundlage der Lage der benachbarten Punkte
eine zur Verlaufsrichtung des Astes senkrechte Ausrichtung zugewiesen.
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Das
oben beschriebene Verfahren wird auf das um den Punkt p erhaltene
Teilvolumen angewandt. Von Interesse ist hier der Erhalt der an
der Stelle p senkrecht verlaufenden Ebene.
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Der
Ursprungspunkt wird einfach als der innerhalb der Segmentierung
am weitesten von p entfernte Punkt gewählt. Hier ist zu beachten,
dass dieser Ursprung hinsichtlich der distalen und proximalen Abschnitte
des Astes nicht unbedingt korrekt sein muss. Der wahre Ursprungspunkt
sollte auf dem proximalsten Astteil liegen. Allerdings beeinflusst
die Lage des Ursprungspunkts nicht die an der Stelle p berechnete
senkrecht verlaufende Ebene. Bei dem erstellten Modell wird der
zu p nächstgelegene
Punkt herangezogen und die Betrachtungsrichtung dieses Punkts als
zu der Ebene als senkrecht verlaufend angenommen.
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Im
nächsten
Schritt (404 4) wird diese definierte Ebene
dazu verwendet, den Seitenast von dem restlichen Ast abzutrennen.
In Schritt 404 wird wie folgt vorgegangen. Da die Ebene 502 das
Gefäß in zwei
Abschnitte unterteilt, bleibt die Frage, auf welcher Seite des Astes
der interessierende Teilast liegt und auf welcher Seite die in Herzrichtung
proximalen Gefäße liegen.
Dieser Schritt dient zur Erzeugung der Segmentierung des distalen
Abschnitts der gewählten
Vaskulatur, bezeichnet mit S'.
Die segmentierte Struktur S wird an der Stelle p zu beiden Seiten der
Ebene jeweils einem regelbasierenden Region-Growing-Verfahren unterzogen.
Ein standardmäßiges, zweierlei
restringiertes 3D-Region-Growing-Verfahren wird durchgeführt. Einerseits
muss es durch die in S definierte Segmentierung abgegrenzt sein.
Andererseits darf der Bereich nicht die zuvor definierte Ebene 502 überschreiten.
Der kleinere der beiden Bereiche wird als der distale Ast angenommen.
Somit wird nunmehr der distale Teilast S' ⊂ S
bestimmt, was die Grundlage für
das weitere Vorgehen darstellt. Dieser distale Teilast S' wird in 7 als 700 dargestellt.
Es ist zu beachten, dass in Folge eines Partialvolumeneffekts dieser
Teilast zusätzliche,
scheinbar überschneidende
Gefäße 704 umfassen
kann. Mit diesen überschneidenden
zusätzlichen Gefäßen beschäftigt sich
der nächste
Schritt.
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In
Schritt 406 wird über
Skelettisierung (wie oben angewiesen) aus dem Teilast ein Astmodell
errechnet und zur Eliminierung überschneidender
Gefäße analysiert.
Für den
Teilast S' 700 wird
die Aststruktur unter Anwendung eines wie zuvor im Zusammenhang
mit Schritt 402 beschriebenen auf Skelettisierung basierenden
Verfahrens zur Erstellung des Astmodells bestimmt. Dieser durch
Skelettisierung erhaltene Ast ist in 7 als eine
Linie innerhalb der Gefäße (z.B. 706)
dargestellt. Wie bereits vorstehend ausgeführt, errechnete Schritt 402 nur
die Aststruktur um den gewählten
Punkt p, nicht den gesamten Teilast. Schritt 406 zielt
auf die Bereitstellung eines Modells des Teilastes ab. Der dem ausgewählten Punkt p
am nächsten
liegende Astendpunkt wird automatisch als Ursprungspunkt für das Modell
gewählt.
Jedoch geht das Verfahren zur Erstellung des Astmodells davon aus,
dass die eingegebene segmentierte Röhrenstruktur einen authentischen
Gefäßast bildet und
keine überlappenden
Strukturen enthält.
Dies ist nicht bei allen Teilästen
der Fall, da die Gefäße der Lunge
aufgrund von Partialvolumeneffekten apparente Überlappungen aufweisen können. Daher
werden sich in dem errechneten Modell immer falsche Äste in die
daneben liegenden Gefäßäste erstrecken, wenn
sich derartige Äste
in S' überkreuzen.
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An
dem Astmodell der Segmentierung ist die Bestimmung von Gefäßüberschneidungen
aufgrund in der Nähe befindlicher
Gefäße möglich. Zunächst werden,
wie in 8 gezeigt, die Gabelungswinkel 802 jedes
Astes bestimmt. 9 illustriert ein Verfahren
zur Identifizierung und Eliminierung von kreuzenden Gefäßen. Der
distale Arterienast 902 weist eine Gabelungsstruktur mit
Gabelungwinkeln zum Hauptast von generell über 90 Grad auf. Beispielsweise hat
Seitenast 904 einen Gabelungswinkel 906 von mehr
als 90 Grad. Berücksichtigt
man Gefäß 908 von Teilast 910,
sieht man dass es sich mit S' schneidet und
daher in der Aststruktur erfasst ist. Diese Überschneidung führt zu einem
Gabelungswinkel 912 von weniger als 90 Grad, und weiterhin
zu einem gleichwertigen Seitenast 914 mit einem supplementären Gabelungswinkel 916 (ein
Fehlerbereich ist für
als supplementär
zu erachtende Winkel zulässig).
Daher erfolgt gemäß Schritt 406 die
Identifizierung von überschneidenden
Gefäßen anhand
1) eines Seitenastes mit einem zum Hauptast spitzen Gabelungswinkel
und 2) eines gleichwertigen Seitenastes mit einem supplementären Gabelungswinkel.
Somit werden gemäß dieser
Prüfung Äste 908 und 914 als ein überschneidendes
Gefäß identifiziert.
Derartige Äste
werden aus dem Modell eliminiert. Hier ist zu beachten, dass bei
der Eliminierung einer Verzweigung aus dem Astmodell auch alle als
deren Ausläufer
in dem Modell erfassten Äste
zu eliminieren sind. Folglich wird in dem Beispiel von 9 sowohl
Hauptast 908 als auch Seitenast 918 eliminiert,
da diese mit Bezug auf den Ursprungspunkt von der Aststruktur als
Ausläufer
von Ast 908 abgebildet werden. Identifizierung und Löschen werden
so lange wiederholt, bis die gesamte dem überschneidenden Gefäß anhängige Aststruktur
aus dem Modell eliminiert ist.
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Das
endgültige
Astmodell mit Segmentierung und ohne Überschneidungen ist in 10 als 1002 dargestellt
und kann zur Verfeinerung des in S' definierten Gefäßteilastes verwendet werden.
Jedem Punkt in jedem Ast wird ein Distanzwert durch DS zugewiesen.
Wie zuvor beschrieben geben die Distanzwerte den Wert des kürzesten
Wegs zwischen einem bestimmten segmentierten Voxel und der Gefäßoberfläche an.
Der Wert steht daher für
den Radius der größten Kugel,
die innerhalb der Segmentierung an einer spezifischen Voxelposition
hineinpasst. Das Astmodell ist daher aufgrund dieser verfügbaren Distanzwerte
in der Lage, durch Platzieren adäquat
großer
Kugeln an jedem Punkt in dem Astmodell und durch Erfassen des sich
mit diesen Kugeln schneidenden Abschnittes von S S' neu zu generieren.
Die aus dem Modell eliminierten überschneidenden Äste werden
daher in diesem neugenerierten S' nicht mehr
erscheinen. Der endgültige
S' enthält dann
ausschließlich
den Gefäßteilast
ohne Überschneidungen,
wie in 10 dargestellt. Daher ist diese
erste Bestimmung von S' nicht
endgültig
und wird durch von dem Astmodell bereitgestellte High-Level-Informationen
weiter verbessert.
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An
dieser Stelle kann in Schritt 408 zur Quantifizierung des
von der Lungenembolie betroffenen Lungenvolumens fortgeschritten
werden. Bei diesem Quantifizierungsschritt 408 wird der
von dem Teilast durchblutete Bereich des Lungenvolumens bewertet.
Zur präziseren
Bewertung dieses Bereichs wird ein in allen Einzelheiten und unter
Einschluss der thoraxwandnahen Gefäße dargestellter Teilast benötigt. Wenngleich
hochauflösende
CT die Extrahierung kleiner Gefäße gestattet,
so reicht der segmentierte Ast in den meisten Fällen nicht bis zur Thoraxwand.
Jedoch reicht die Segmentierung ausreichend nahe bis zur Wand hin,
um eine gute Annäherung
an das betroffene Volumen zu erzielen.
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Wie
in 11 dargestellt, wird jeder Astausläufer (d.h.
ein Ast ohne Seitenäste)
(1102, 1104) in dem Verzweigungsmodeel linear
verlängert,
bis er den Rand des Lungenflügels
an der Thoraxwand 1106 berührt. Jeder Punkt weist wie
zuvor beschrieben eine zugewiesene Betrachtungsrichtung auf, die die
Ausrichtung des Gefäßes an dieser
Stelle definiert. Die Betrachtungsrichtung an jedem endständigen Punkt
(1108, 1110) jedes Astausläufers bestimmt die Richtung
der Verlängerung.
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Zur
Bestimmung des betroffenen Lungenvolumens wird eine dreidimensionale
konvexe Hülle 1112 des
verlängerten
Astes in bekannter Art und Weise berechnet. Diese konvexe Hülle 1112 definiert das
betroffene Lungenvolumen. Das Volumen dieses Bereichs wird dann
gemessen (durch Zählen
der Voxelanzahl in der konvexen Hülle) und durch das Volumen
der gesamten Lunge (durch Zählen
der Voxelanzahl innerhalb der Lungenmaske errechnet) dividiert, um
den Prozentanteil der betroffenen Lunge zu erhalten. Die wie oben
dargestellte Verlängerung
der Äste ist
aufgrund ihrer bereits thoraxwandnahen Lage für die Bewertung zulässig. Eine
weitere Verästelung
außerhalb
der konvexen Hülle
ist höchst
unwahrscheinlich.
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Die
durch das oben ausgeführte
Verfahren erzeugten Bilder können
einem Benutzer über
E/A 108 (1) (z.B. Computerbildschirm)
als graphisches Feedback der Ergebnisse von Segmentierung und Quantifizierung
angezeigt werden. In einer wie in 12 gezeigten
vorteilhaften Ausführungsform können die
segmentierten Arterien 1202 transparent farbig dargestellt
werden, und die konvexe Hülle 1204 des
subsegmentierten Astes visualisiert den betroffenen Bereich. Weiterhin
wird durch eine transparente Ansicht der Lunge 1206 das
betroffene Volumen der Lunge optisch hervorgehoben.
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Aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
wurde die oben behandelte Ausführungsform
im Zusammenhang mit einem einzigen Lungenembolus und dem extrahierten
Teilast beschrieben. Manche Patienten leiden jedoch an mehreren
Emboli. Die oben erläuterten
Schritte können
für weitere
ausgewählte
Lungenemboli wiederholt werden, wobei für jede Stelle ein neuer Teilast
extrahiert wird. Die den jeweiligen Teilästen entsprechenden Volumen
können
zur Angabe des gesamten betroffenen Lungenvolumens addiert werden.
Falls ein angezeigter Lungenembolus direkt nach einem anderen Lungenembolus
gelagert ist, wird ein Teilast komplett von einem anderen eingeschlossen
sein. Dieser Sachverhalt wird aus der Errechnung des Astmodells
ersichtlich sein. In diesem Fall wird das Volumen des kleineren
Astes bei der Berechnung des betroffenen Gesamtbereichs nicht zu
dem größeren Ast
hinzugezählt.
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In
einigen Fällen
obliteriert ein Lungenembolus eine Arterie nur teilweise. Das Blut
kann dann noch an dem Gerinnsel vorbeifließen und eine teilweise Durchblutung
des betroffenen Teilbereichs ermöglichen.
In diesen Fällen
ist es besonders hilfreich, das Ausmaß, in dem die Lunge durch den
Embolus betroffen ist, errechnen zu können. Die folgende Ausführungsform
bewertet die Auswirkungen teilweise obliterierender Emboli. An der
Stelle der Lungenembolie in dem segmentierten Gefäß wird das
Gerinnsel zur Errechnung seines zu dem segmentierten Gefäß senkrechten
Querschnitts AC aus der Arterie segmentiert.
Der Querschnitt AC des mit dem Gerinnsel behafteten
Gefäßes wird
ebenfalls aus der Gefäßsegmentierung
errechnet. Die prozentuale Obliterierung wird als der Maximalwert
von AC/AV errechnet. Das
Wirkausmaß auf
die Lunge entspricht dem durch die prozentuale Obliterierung skalierten
betroffenen Teilbereich. In dem in 12 gezeigten
Beispiel ist das Wirkausmaß auf
die Lunge bei einer prozentualen Obliterierung von 80% 4,6%, d.h.
80% von 5,7%.
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Die
obige ausführliche
Beschreibung ist in jeder Hinsicht als veranschaulichend und beispielhaft und
keinesfalls als einschränkend
anzusehen, und der Umfang der hier offenbarten Erfindung wird nicht durch
die ausführliche
Beschreibung, sondern vielmehr durch die breiteste durch das Patentrecht
zulässige
Auslegung der Ansprüche
festgelegt. Es versteht sich, dass die hier gezeigten und beschriebenen
Ausführungsformen
nur die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und
dass der Fachmann verschiedene Modifikationen vornehmen kann, ohne
vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Der Fachmann kann
verschiedene andere Merkmalskombinationen realisieren, ohne vom Umfang
und Geist der Erfindung abzuweichen. Bei der Beschreibung der vorliegenden
Erfindung wurde beispielsweise Lungenembolie zur Veranschaulichung
einer Ausführungsform
herangezogen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf Lungenembolie
beschränkt,
sondern kann auf jede Art von Embolie Anwendung finden. Weiterhin
wurden zur Veranschaulichung einer Ausführungsform CT-Daten verwendet.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf jede Art dreidimensionaler
medizinischer Bilddaten, wie z.B. Magnetresonanz, anwendbar.