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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur Bestimmung des räumlichen
Verlaufs einer Gefäßachse in
Volumendatensätzen
der medizinischen Bildgebung, insbesondere zur Erzeugung frei rotierbarer,
durch Curved Planar Reformation (CPR) erhaltene Schnittbilder der
Gefäße.
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In
der medizinischen Bildgebung spielt die geeignete Visualisierung
der Blutgefäße für zahlreiche
Anwendungen eine wichtige Rolle. Dies betrifft vor allem die Erkennung
von Stenosen, die durch arteriosklerotische Läsionen, wie beispielsweise
Verkalkungen und/oder Softplaque, hervorgerufen werden können. Stenosen
sollten in den vom Patienten aufgezeichneten tomographischen Bildern
gut erkennbar und auswertbar sein. Die bekannten durch multiplanare
Reformation (MPR) aus einem Volumendatensatz erhaltenen Schnittbilder
eignen sich hierfür
nur bedingt, da sie in der Regel jeweils nur einen kurzen Abschnitt
eines Gefäßes darstellen,
der gerade in der entsprechenden Schnittebene liegt. Eine weitere
in diesem Zusammenhang genutzte Darstellungstechnik, die Technik
der Maximum Intensity Projection (MIP), ermöglicht zwar die Erzeugung eines
dreidimensionalen Bildeindruckes eines längeren Abschnittes des Gefäßverlaufes,
liefert jedoch ebenfalls noch keine Darstellung für die zuverlässige Erkennung
von Stenosen.
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Zur
besseren Erkennbarkeit von Stenosen ist es bekannt, die so genannte
Curved Planar Reformation (CPR) einzusetzen, mit der Schnittbilder
erhalten werden, deren Schnittebene entlang der Gefäßachse verläuft. Dadurch
werden das Gefäßlumen sowie
mögliche
Anomalien des Gefäßes in dieser
gekrümmten
Schnittebene erkennbar. Stenosen können im Gefäßquerschnitt allerdings exzentrisch
ausgebildet sein, so dass die korrekte Projektionsrichtung bzw.
Perspektive der CPR-Bilder zur Erken nung derartiger Stenosen sehr
kritisch ist. Stimmt diese Projektionsrichtung nicht, so können einzelne
Läsionen
unterschätzt
oder auch komplett übersehen
werden. Es ist daher erforderlich, eine freie Rotierbarkeit der
CPR-Bilder um die Gefäßachsen
zu ermöglichen, um
auch exzentrische Stenosen in derartigen Bildern zuverlässig erkennen
und auswerten zu können. Dies
bedingt jedoch die Bestimmung des dreidimensionalen Verlaufs der
Gefäßachse in
dem zugrunde liegenden Volumendatensatz.
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Derzeit
sind der Anmelderin zwei Verfahren zur Erzeugung von CPR-Bildern
eines Gefäßes bekannt.
Bei der ersten Technik markiert ein Benutzer interaktiv in Bildern
eines Schichtstapels die Gefäßachse.
Hierzu muss der Benutzer durch den Stapel planarer Bilder, beispielsweise
eines axialen, koronalen, sagittalen oder schrägen Bildstapels, interaktiv scrollen
und die Gefäßachse mit
einem graphischen Eingabegerät,
beispielsweise einer Maus, markieren. Aus den einzelnen Markierungspunkten
wird die Schnittebene des CPR-Bildes dann durch Verbindung aller
Markierungspunkte mit einer Spline-Kurve bestimmt. Da alle Markierungspunkte
nur in einem zweidimensionalen Koordinatensystem, der Bildebene
des Bildschirms, erstellt und erfasst werden, wird nur ein CPR-Bild
für eine
einzige Projektionsrichtung erhalten. Für eine weitere Projektionsrichtung
muss ein anderer Schichtstapel aus MPR-Bildern für eine erneute manuelle Markierung
der Gefäßachse bereitgestellt
werden, der dieser weiteren Projektionsrichtung entspricht.
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Bei
der zweiten bekannten Technik zur Erzeugung von CPR-Bildern wird ein
vollautomatisches Verfahren zur Bestimmung der dreidimensionalen Gefäßachse im
Volumendatensatz eingesetzt. Dieses Verfahren erfordert jedoch eine
Segmentierung des Gefäßes mit
einem speziellen halbautomatischen Gefäß-Segmentierungsalgorithmus. Diese Technik
ist sehr zeitaufwändig,
da die Segmentierung des Gefäßes zur
Bestimmung der Gefäßachse mit hoher
Genauigkeit erfolgen muss. Nach der Segmentierung kann dann die
Gefäßachse vollautomatisch
durch Skelettierung der Segmentierungsmaske erhalten werden. Die
Schnittebene für
das CPR-Bild wird dann durch Projektion der dreidimensionalen Gefäßachse aus
einer vorgebbaren Projektionsrichtung in eine zweidimensionale Ebene
erzeugt, senkrecht zu der die Schnittebene des CPR-Bildes entlang
des projizierten Verlaufs der Gefäßachse verläuft. Da bei dieser Technik
der dreidimensionale Verlauf der Gefäßachse erhalten wird, kann
jederzeit ohne erneute Bestimmung des Gefäßverlaufs ein anderes CPR-Bild
aus einer anderen Projektionsrichtung erzeugt werden. Dies ermöglicht eine
freie Rotation des dargestellten CPR-Bildes um die Gefäßachse,
so dass auch exzentrische Stenosen zuverlässig erkannt werden können. Das
Verfahren erfordert jedoch auch eine zeitaufwändige Segmentierung des betrachteten
Gefäßes.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung des räumlichen Verlaufs einer Gefäßachse in
Volumendatensätzen
der medizinischen Bildgebung anzugeben, die einen geringeren Zeitaufwand
erfordern und ebenfalls die Erzeugung frei rotierbarer CPR-Bilder
ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und
4 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel
entnehmen.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren zur Bestimmung des räumlichen
Verlaufs einer Gefäßachse in
Volumendatensätzen
der medizinischen Bildgebung wird in bekannter Weise ein Volumendatensatz des
Untersuchungsbereiches, der das interessierende Gefäß enthält, bereitgestellt.
Aus dem Volumendatensatz werden ein Stapel planarer Schnittbilder des
Untersuchungsbereiches oder ein oder mehrere MIP-Bilder des Untersuchungsbereiches
berechnet oder extrahiert und einer Bedienperson dargestellt. In den
dargestellten Bildern des Schichtstapels oder in den ein oder mehreren
dargestellten MIP-Bildern kann die Bedienperson dann die Gefäßachse interaktiv
durch Setzen mehrerer Markierungspunkte markieren. Die Markierungspunkte
werden in einem zweidimensionalen Koordinatensystem erfasst, das in
der dargestellten Bildfläche
liegt.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren wird nun automatisch für jeden
Markierungspunkt eine Tiefeninformation abgeleitet, auf deren Basis
die Markierungspunkte in der Dimension erweitert werden, um Markierungspunkte
im dreidimensionalen Koordinatensystem des Volumendatensatzes zu
erhalten, im Folgenden als (in der Dimension) erweiterte Markierungspunkte
bezeichnet. Die Verbindung der erweiterten Markierungspunkte ergibt
dann den dreidimensionalen Verlauf der Gefäßachse. Die Verbindung kann
sowohl durch Verbindungsgeraden als auch durch andere Techniken,
beispielsweise in Form einer Spline-Kurve, erfolgen.
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Das
vorliegende Verfahren leitet die Tiefeninformation hierbei abhängig von
den dargestellten Bildern ab. Wird die Gefäßachse interaktiv in Bildern
eines Schichtstapels planarer Bilder markiert, so wird die Tiefeninformation
aus der bekannten Lage des jeweiligen Bildes im Stapel abgeleitet.
Diese Lage ist aus der Erzeugung des Schichtstapels bzw. der einzelnen
Bilder des Schichtstapels des Volumendatensatzes von der Bildaufnahme
her bekannt. Werden die Markierungen durch die Bedienpersperson
in einem MIP-Bild gesetzt, so wird die Tiefeninformation unter Heranziehung
der bekannten Berechnungsweise des MIP-Bildes abgeleitet. Bei der
Erzeugung eines MIP-Bildes wird das Untersuchungsvolumen bzw. der
davon erhaltene Volumendatensatz von einer Seite aus betrachtet
und aus jeder Reihe von Voxeln in Betrachtungsrichtung nur das mit
der höchsten
Signalintensität
herausgefiltert. Das die jeweilige Reihe von Voxeln im MIP-Bild
repräsentierende
Pixel erhält
genau diese Intensität.
Somit kann bei der Markierung eines Bildpunktes bzw. Pixels in einem MIP-Bild
das Voxel bzw. die Tiefe des Voxels im Volumendatensatz ermittelt
werden, aus der das markierte Pixel bzw. dessen Intensität abgeleitet
wurde. Diese Information kann entweder bereits bei der Erzeugung
des MIP-Bildes dem jeweiligen Pixel zugeordnet und gespeichert werden
oder unter Berücksichtigung
der Berechnungsweise von MIP-Bildern aus dem Volumendatensatz ermittelt
werden.
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Die
zugehörige
Vorrichtung umfasst demgemäß eine Bilddarstellungseinheit
zur Darstellung von Bildern eines Schichtstapels oder MIP-Bildern
eines Volumendatensatzes sowie eine graphische Benutzerschnittstelle,
die einer Bedienperson eine interaktive Markierung der Gefäßachse durch
Setzen von Markierungspunkten in einem zweidimensionalen Koordinatensystem
ermöglicht.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Erweiterungseinheit, die
automatisch für
jeden Markierungspunkt aus der bekannten Lage des jeweiligen Bildes
im Schichtstapel oder unter Heranziehung der bekannten Berechnungsweise des
MIP-Bildes eine Tiefeninformation ableitet und den oder die Markierungspunkte
auf Basis der Tiefeninformation in der Dimension erweitert, um erweiterte
Markierungspunkte im dreidimensionalen Koordinatensystem des Volumendatensatzes
zu erhalten. Eine Bestimmungseinheit der Vorrichtung ermittelt dann
den dreidimensionalen Verlauf der Gefäßachse anhand der erweiterten
Markierungspunkte im dreidimensionalen Raum.
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Das
Verfahren und die zugehörige
Vorrichtung ermöglichen
die Bestimmung des dreidimensionalen Verlaufs der Gefäßachse in
Volumendatensätzen
der medizinischen Bildgebung, insbesondere in Volumendatensätzen der
Computertomographie, mit verringertem Zeit- und Rechenaufwand. Mit
dem Verfahren wird auch die Darstellung frei rotierbarer CPR-Bilder
des Gefäßes ermöglicht.
Eine aufwendige Segmentierung des Gefäßes ist hierfür nicht
mehr erforderlich.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird
zusätzlich
die Pixel- oder Voxelumgebung um den Markierungspunkt automatisch
untersucht, um das exakte Zentrum des Gefäßlumens und somit die exakte
Lage der Gefäßachse zu
ermitteln. Weicht diese Lage vom gesetzten Markierungspunkt ab,
so wird der Markierungspunkt automatisch korri giert. Die Untersuchung
der Umgebung kann mit bekannten Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgen,
die beispielsweise auf Basis der Dichtewerte bzw. der CT-Werte das
Zentrum des Gefäßes in dem
jeweiligen Bereich ermitteln. Die Untersuchung kann sowohl auf zweidimensionale
planare Bilder, beispielsweise eines axialen, koronalen, sagittalen
oder schrägen
Schichtstapels, eingeschränkt sein,
die durch den entsprechenden Markierungspunkt laufen oder auch im
dreidimensionalen Raum des Volumendatensatzes erfolgen, wobei dann
Subvolumina um die Markierungspunkte für die Untersuchung herangezogen
werden.
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Vorzugsweise
werden anhand des dreidimensionalen Verlaufs der Gefäßachse in
bekannter Weise CPR-Bilder erzeugt und der Bedienperson dargestellt.
Die Bedienperson kann hierbei die dargestellten Bilder hinsichtlich
der Projektionsrichtung frei um die Gefäßachse rotieren, wie dies aus
dem Stand der Technik bereits bekannt ist. Hierzu werden für eine neue
Projektionsrichtung jeweils nur die dreidimensionalen Gefäßachse unter
der neuen Projektionsrichtung in eine zweidimensionale Ebene projiziert
und mit der sich daraus ergebenen Schnittebene aus dem Volumendatensatz
das entsprechende CPR-Bild extrahiert.
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Das
vorliegende Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend
anhand eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Verfahrensablaufes;
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2 eine
schematische Übersichtsdarstellung
der vorliegenden Vorrichtung; und
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3 ein
Beispiel für
die Ableitung der Tiefeninformation zu einem im zweidimensionalen
Koordinatensystem der Bilddarstellungsebene markierten Punkt.
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Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand einer schematischen Übersichtsdarstellung in
seinem Ablauf nochmals erläutert.
Bei dem Verfahren handelt es sich um ein halbautomatisches Verfahren
zur Bestimmung des dreidimensionalen Verlaufs der Gefäßachse in
einem Volumendatensatz, insbesondere in einem CT-Volumendatensatz,
mit dem sich CPR-Bilder mit einer Schnittebene entlang des interessierenden
Gefäßes erzeugen
lassen, die sich frei um die Gefäßachse rotieren
lassen. Bei dem Verfahren werden zunächst der Volumendatensatz bereitgestellt
und die entsprechenden Bilddarstellungen aus dem Volumendatensatz
generiert. Hierbei kann es sich sowohl um MIP-Bilder oder auch um MPR-Bilder
handeln.
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Bei
der Darstellung von MPR-Bildern eines aus dem Volumendatensatz erhaltenen
Schichtstapels 1 markiert der Benutzer in den einzelnen
Schnittbildern 2 des Schichtstapels 1 entsprechende
Markierungspunkte P(x, y) entlang der in dem jeweiligen Bild sichtbaren
Gefäßachse.
Dies ist in 3 veranschaulicht, die im linken
Teil den Schichtstapel 1 und im rechten Teil ein Schnittbild 2 darstellt,
das einen Gefäßabschnitt 3 zeigt.
Der Benutzer blättert
hierbei interaktiv durch die einzelnen Schnittbilder 2 des Schichtstapels 1,
um den Verlauf des interessierenden Gefäßes zu markieren. Bei den Schnittbildern kann
es sich beispielsweise um axiale, koronale, sagittale oder schräge Bilder
handeln.
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Da
durch die Markierung in den entsprechenden Bilddarstellungen jeweils
nur Markierungspunkte P(x, y) im zweidimensionalen Koordinatensystem
(x, y) der Bildebene erhalten werden, erfolgt beim vorliegenden
Verfahren in einem weiteren Schritt die Erweiterung dieser Markierungspunkte
P(x, y) um eine weitere Dimension z, die der Tiefe im Schichtstapel bzw.
Volumendatensatz entspricht.
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Im
Falle des Beispiels der 3 ist der Abstand der Schnittbilder 2 des
Schichtstapels 1 in der Tiefe, der z-Richtung, aus der Erzeugung des Schichtstapels
bekannt, so dass für
jedes der dargestellten Schnittbilder 2 eine entsprechende
Tiefeninformation in Form einer z-Koordinate abgeleitet werden kann.
Diese Tiefeninformation wird dann den ein oder mehreren Markierungspunkten
P(x, y) zugeordnet, die in dem jeweiligen Schnittbild gesetzt wurden. Auf
diese Weise werden erweiterte Markierungspunkte P(x, y, z) erhalten,
die die Position des entsprechenden Punktes der Gefäßachse im
dreidimensionalen Raum repräsentieren.
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Die
erweiterten Markierungspunkte P(x, y, z) werden anschließend miteinander
verbunden, um auf diese Weise den dreidimensionalen Verlauf der Gefäßachse des
interessierenden Gefäßes zu erhalten.
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Erfolgt
die Bilderzeugung und Bilddarstellung auf Basis der MIP-Technik,
so markiert der Benutzer in dem entsprechenden MIP-Bild mit mehreren
Markierungspunkten P(x, y) den Verlauf der Gefäßachse des interessierenden
Gefäßes. Bei
der MIP-Technik
wird für
jeden Bildpunkt (Pixel) des MIP-Bildes nur die Intensität des jeweils
die maximale Intensität
aufweisenden Voxels einer Reihe von Voxeln dargestellt, die auf
einer am Ort des Bildpunktes durch den Volumendatensatz in Projektionsrichtung
verlaufenden Linie liegen. Mit dieser Technik wird erreicht, dass
in einem MIP-Bild größere Gefäßabschnitte
sichtbar sind als dies mit der MPR-Technik möglich ist. Weiterhin kann auf
diese Weise jedem Bildpunkt eine Tiefeninformation zugeordnet werden, die
die Tiefe innerhalb des Volumendatensatzes angibt, aus der das zugrunde
liegende Voxel mit der höchsten
Intensität
stammt. Wenn der Benutzer somit die Markierungspunkte in dem im
MIP-Bild sichtbaren Gefäß setzt,
so kann auf Basis der Berechnungsweise des MIP-Bildes die entsprechende
Tiefeninformation zu diesem Markierungspunkt ermittelt und diesem
Markierungspunkt zugeordnet werden. Die weitere Verarbeitung erfolgt
dann wie bereits in Verbindung mit den MPR-Bildern des Schichtstapels erläutert wurde.
Bei der Nutzung der MIP-Technik ist es möglich, nur ein MIP-Bild heranzuziehen,
falls der gesamte Verlauf des interessierenden Gefäßes bereits
in diesem Bild erkennbar ist.
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Selbstverständlich können jedoch
auch mehrere, aus unterschiedlichen dicken Schichten des Untersuchungsbereiches
bzw. des zugehörigen
Volumendatensatzes erzeugte MIP-Bilder dargestellt werden, die der
Benutzer dann nacheinander für
die Markierung des Gefäßes heranzieht.
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Da
der Benutzer möglicherweise
die Gefäßachse des
jeweils dargestellten Gefäßabschnittes
bei der interaktiven Markierung nicht genau trifft, wird in einer
vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zusätzlich eine Untersuchung des
zweidimensionalen oder dreidimensionalen Umfeldes des markierten Punktes
vorgenommen. Bei dieser Untersuchung wird mit bekannten Bildverarbeitungsalgorithmen nach
dem geometrischen Zentrum des dargestellten Gefäßes gesucht. Weicht dieses
Zentrum, das auf der Gefäßachse des
Gefäßes liegen
muss, vom Markierungspunkt ab, so wird der Markierungspunkt entsprechend
korrigiert.
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Mit
dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine vereinfachte Bestimmung
des dreidimensionalen Verlaufs der Gefäßachse eines interessierenden Gefäßes in einem
Volumendatensatz ermöglicht.
Die ursprünglich
vom Benutzer gesetzten Markierungspunkte P(x, y) werden dabei um
eine dritte Dimension erweitert und gegebenenfalls in ihrer Position
korrigiert, so dass ein relativ genauer dreidimensionaler Verlauf
der Gefäßachse ermittelt
werden kann. Dieser Verlauf wird durch Verbindung der erweiterten Markierungspunkte
P(x, y, z), beispielsweise mit einer dreidimensionalen Spline-Kurve,
erhalten. Nach der Bestimmung dieses dreidimensionalen Verlaufs der
Gefäßachse wird
eine gekrümmte
Schnittebene ermittelt, indem die dreidimensionale Kurve unter einer
vorgebbaren Projektionsrichtung in eine zweidimensionale Ebene projiziert
wird. Das CPR-Bild wird dann in bekannter Weise erzeugt, indem der
Volumendatensatz mit einem Strahl senkrecht zur zweidimensionale
Ebene abgetastet wird, der den kompletten Volumendatensatz durchdringt
und sich entlang der zweidimensionalen Projektion der dreidimensionalen
Kurve bewegt. Das CPR-Bild setzt sich dann aus den Bildpunkten zusammen,
die aus den vom Strahl getrof fen Voxeln gebildet werden. Ein demgegenüber um einen
beliebigen Winkel um die Gefäßachse rotiertes
CPR-Bild kann auf einfache Weise dadurch erzeugt werden, dass durch
Projektion der dreidimensionalen Kurve unter einer entsprechend geänderten
Projektionsrichtung auf eine zweidimensionale Ebene eine zweite
Schnittebene erzeugt wird, auf deren Basis das rotierte CPR-Bild
in der gleichen Weise erzeugt wird. Somit ist die Erzeugung und
Darstellung frei rotierbarer CPR-Bilder und somit die zuverlässige Erkennung
und Auswertung exzentrischer Stenosen mit dem vorliegenden Verfahren
auf einfache Weise möglich,
ohne hierfür
aufwendige Segmentierungstechniken einsetzen zu müssen.
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2 zeigt
stark schematisiert den prinzipiellen Aufbau der vorliegenden Vorrichtung
in Verbindung mit einem Computertomographen 4. Vom Computertomographen 4 wird
der Volumendatensatz des Untersuchungsbereiches erhalten, der in
einer Speichereinheit 5 abgespeichert wird. Ein Bildrechner 6 erzeugt
aus diesem Volumendatensatz 5 die entsprechenden Bilddarstellungen
und gibt diese an einem mit dem Bildrechner 6 verbundenen
Monitor 8 aus. Ein Benutzer kann über eine graphische Benutzerschnittstelle 7,
beispielsweise mit Hilfe einer Maus 9, Markierungspunkte
in den Bilddarstellungen auf dem Monitor 8 setzen. Aus
den im zweidimensionalen Koordinatensystem der Bildfläche des
Monitors markierten Punkten P(x, y) erzeugt die Erweiterungseinheit 11 um
die Tiefeninformation erweiterte Markierungspunkte P(x, y, z). Eine
Bestimmungseinheit 10 bestimmt dann aus den erweiterten
Markierungspunkten P(x, y, z) den dreidimensionalen Verlauf der Gefäßachse.
Das ebenfalls angedeutete CPR-Modul 12 berechnet aus diesem
dreidimensionalen Verlauf und dem zugrunde liegenden Volumendatensatz
frei rotierbare CPR-Bilder zur Darstellung am Monitor 8.