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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Auswerten von medizinischen Bilddatensätzen, die aus zweidimensionalen Schnittbildern,
insbesondere MR-Bildern, bestehen, sowie ein Computerprogrammprodukt,
welches einen Programmcode enthält,
der eine Durchführung des
Verfahrens bewirkt.
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Derartige
Verfahren sind im Stand der Technik bekannt (
US2002/0126884 ), wobei zweidimensionale
Schnittbilder eines interessierenden Bereichs innerhalb des menschlichen
oder tierischen Körpers durch
ein medizinisches Bildaufnahmeverfahren erzeugt und in einem Datensatz
rekonstruiert werden. Die zweidimensionalen Schnittbilder eignen
sich insbesondere zur Brei- oder
vierdimensionalen Rekonstruktion eines Organs, wie beispielsweise
des Herzens eines Menschen oder eines Tieres. Dabei werden heutzutage
moderne Bildgebungsverfahren verwendet, welche die Akquisition von
statischen oder dynamischen, dreidimensionalen Bildern erlauben,
z. B. Ultraschall, Magnetresonanztomografie (MRT), Positronen-Emissionstomografie
(PET), single photon emission computer tomography (SPECT) oder Computertomographie
(CT). Mit „dynamisch" ist gemeint, dass
eine Zeitreihe von zweidimensionalen Bildern desselben Organs zu
unterschiedli chen Zeitpunkten akquiriert wird, welche die Visualisierung von
z. B. der Herzbewegung erlaubt.
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Einige
dieser medizinischen Bildgebungsverfahren, wie beispielsweise die
Magnetresonanztomografie (MRT), haben jedoch den Nachteil, dass aufgrund
von Speicherlimitation in gängiger
Software oder aufgrund des Aufnahmeverfahrens selbst nicht das zu
untersuchende Organ direkt, sondern beispielsweise der gesamte Thorax
eines Menschen aufgenommen werden muss, obwohl nur ein Teilbereich,
beispielsweise der linke Ventrikel des Herzens, von Interesse ist.
Herkömmliche
Auswerteverfahren bedienen sich dabei in der Regel der Originalbilder, die
am Bildschirm angezeigt und bearbeitet werden können. Auf diesen Bildern ist
jedoch weitaus mehr zu sehen, als es für die Diagnose notwendig erscheint.
Eine Fokussierung auf die interessierende Zielregion ist meist nur
manuell und mittels einer Abfolge von Näherungsschritten möglich.
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Darüber hinaus
ist es häufig
schwierig, den Gesamtkörper
eines Menschen oder Tieres vollständig zu rekonstruieren, da
bestehende Betriebssysteme hierfür
nicht ausgelegt sind. Ein Beispieldatensatz (z. B. zwölf zweidimensionale
Querschnitte durch den Körper
und drei zweidimensionale Längsschnitte
für 40
Phasen bei 256×256
Pixel pro Bild) verlangt in seiner vollständigen Rekonstruktion etwa 82
MB an Speicher für
die Darstellung einer jeden Phase. Der komplette Bilddatensatz benötigt daher über 3,2
GB, obwohl möglicherweise
nur ein kleiner Teilbereich, wie beispielsweise ein Teil des Herzens, von
Interesse ist.
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Insbesondere
bei speziellen Aufnahmen wie der Magnetresonanztomografie ist eine
Fokussierung auf das Herz des Menschen nicht möglich. Es wird daher die komplette
Anatomie des Thorax aufgenommen, so dass die Zielregion, wie beispielsweise
das Herz, erst durch eine vollständige
dreidimensionale Rekonstruktion und mittels des zugrunde liegenden
Aufnahmeprotokolls auffindbar ist. Hier muss der diagnostizierende
Arzt oft noch selbst Hand anlegen.
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Somit
ist es bei den herkömmlichen
Auswerteverfahren von medizinischen Bilddatensätzen von insbesondere MR-Bildern
nicht möglich,
diese vollständig
zu rekonstruieren und eine Rekonstruktion der zweidimensionalen
Querschnitte erlaubt of keine Auswertung des Apex- bzw. Klappenbereichs,
weil dieser Bereich durch die Bewegung des Herzens durch die Bildebene
nicht immer erkennbar ist, auch weil die Herzklappe beispielsweise
zu dünn
ist.
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Herkömmliche
Auswerteverfahren erlauben daher keine direkte Erkennbarkeit der
räumlichen
Zusammenhänge,
sondern diese werden erst durch die Rekonstruktion detektierbar.
Auch die Darstellung einzelner Schnittbilder durch den rekonstruierten dreidimensionalen
Bilddatensatz ist aufwändig,
da jeweils eine große
Menge an Daten verarbeitet und dargestellt werden muss.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Datenmenge
eines beispielsweise MR-Datensatzes auf die interessierende Zielregion
zu reduzieren und dem diagnostizierenden Arzt unmittelbar und mit
hoher Geschwindigkeit Schnittbilder zur Verfügung zu stellen, die durch
den interessierenden Bereich geschnitten werden. Abgesehen von geringerem
Speicherbedarf soll daher auch das Navigieren und Visualisieren
des Zielbereichs verbessert werden.
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Darüber hinaus
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Speicherbedarf
bei der Auswertung und Darstellung solcher Bilddatensätze zu reduzieren
und es dem Arzt zu erleichtern, durch die entsprechenden Datensätze zu navigieren,
um diese zu visualisieren.
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Die
Erfindung ist in den Patentansprüchen
1, 6 und 9 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und sind dort beansprucht.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Auswerten von medizinischen Bilddatensätzen, die aus zweidimensionalen
Schnittbildern, insbesondere MR-Bildern, bestehen, weist folgende
Schritte auf:
- 1. Zuerst werden, wie bisher
schon bekannt, eine Mehrzahl von zweidimensionalen Querschnitten und
mindestens ein zweidimensionaler Längsschnitt von einer Zielregion
eines menschlichen oder tierischen Körpers mittels eines medizinischen
Bildgebungsverfahrens aufgenommen und abgespeichert.
- 2. Dann wird eine Langachse, die durch die Mehrzahl der zweidimensionalen
Querschnitte verläuft, bestimmt.
- 3. Es werden auch Schnittpunkte, an denen die Langachse die
zweidimensionalen Querschnitte schneidet, bestimmt.
- 4. Es wird ein neues und zwar kleineres Datenvolumen relativ
zu den Schnittpunkten insbesondere parallel zu den Kanten des Stapels
der Querschnitte angeschnitten. Dabei sind für die Skalierung sinnvolle
Annahmen bestimmt, welche vom Benutzer im Bedarfsfall verändert werden
können.
- 5. Dieses reduzierte Datenvolumen wird nun zur Darstellung bzw.
Untersuchung der Zielregion eines lebenden Körpers verwendet.
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Das
sich ergebende reduzierte Datenvolumen ist erheblich kleiner als
ein Datenvolumen, das sich durch die dreidimensionale Rekonstruktion
der zweidimensionalen Querschnitte ergeben würde, die sich über eine
Region erstrecken, die weitaus größer ist, als die Zielregion.
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Mit
Vorteil wird die Langachse mittels des mindestens einen zweidimensionalen
Längsschnitts bestimmt.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung werden mindestens zwei zweidimensionale Längsschnitte bestimmt,
wobei die Langachse dann anhand dieser zwei Längsschnitte derart festgelegt
wird, dass die entweder parallel zu oder auf der Schnittgeraden
dieser zwei zweidimensionalen Längsschnitte
verläuft.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
eine Langachse festgelegt, indem aus einer Vielzahl von Schnittgeraden von
mehreren zweidimensionalen Längsschnitten
ein geometrisches Mittel gebildet wird, das je nach Berechnungsvorschrift
die Informationen einer Vielzahl oder aller Längsschnitte beinhaltet. Wahlweise
kann auch eine spezielle Schnittgerade zweier Längsschnitte die Langachse bestimmen,
indem diejenige Schnittgerade gewählt wird, die einen vorbestimmten Winkel
zu den Ebenen der vorzugsweise parallelen, zweidimensionalen Querschnitte
hat.
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Die
Teilquerschnitte zur Erzeugung des reduzierten Datenvolumens können kreisförmige Segmente
sein, die sich dadurch aus den jeweiligen zweidimensionalen Querschnitten
ergeben, indem als Kreismittelpunkt der kreisförmigen Segmente der entsprechende
Schnittpunkt gewählt
wird, während als
Skalierungsfaktor ein vorbestimmbarer Radius verwendet wird.
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Nach
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
die Teilquerschnitte auch rechteckförmige Segmente der jeweiligen
zweidimensionalen Querschnitte sein, wobei als Skalierungsfaktoren
die jeweiligen Abstände
der Ränder der
rechteckförmigen
Segmente vom Schnittpunkt verwendet werden.
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Das
Verfahren bedient sich zur Darstellung und Untersuchung eines menschlichen
oder tierischen Körpers
des reduzierten Datenvolumens, das sich aus den Teilquerschnitten
zusammensetzt, so dass der Arzt durch das reduzierte Datenvolumen schnell
seine Schnitte legen kann, um sich interessierende Schnittbilder
im Datenvolumen ansehen zu können.
Die Drehung, das Aufschneiden, das Einfärben oder die bewegte Ansicht
eines entsprechend reduzierten Datenvolumens ist erheblich schneller
als gleiche Aktionen bei der Verwendung eines Datenvolumens, das
mit Hilfe der zweidimensionalen Querschnitte erzeugt wurde.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Auswerten von medizinischen Bilddatensätzen, die aus zweidimensionalen
Schnittbildern bestehen, weist Speichermittel auf, die eine Mehrzahl
von mittels eines medizinischen Bildgebungsverfahrens aufgenommener,
zweidimensionaler Querschnitte und mindestens einen zweidimensionalen
Längsschnitt einer
Zielregion eines menschlichen oder tierischen Körpers speichern, sowie Verarbeitungsmittel, die eine
Langachse bestimmen, die durch die Mehrzahl von zweidimensionalen
Querschnitten verläuft.
Die Verarbeitungsmittel bestimmen darüber hinaus die Schnittpunkte,
an denen die Langachse die zweidimensionalen Querschnitte schneidet.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Langachse möglichst viele, insbesondere
alle der zweidimensionalen Querschnitte schneidet, um das vollständige Volumen
auswerten zu können.
Die Verarbeitungsmittel erzeugen schließlich ein reduziertes Datenvolumen,
das sich aus Teilquerschnitten zusammensetzt, die mittels der Schnittpunkte
und beliebiger Skalierungsfaktoren aus der Mehrzahl von zweidimensionalen
Querschnitten erzeugt werden. Diese Skalierungsfaktoren können vorab
bestimmt werden, indem auf das zu untersuchende Objekt abgestellt
wird.
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Wird
beispielsweise der linke Ventrikel eines Herzens aufgenommen, so
eignen sich Skalierungsfaktoren, die kreis- oder ellipsenförmige Segmente aus
der Mehrzahl von zweidimensionalen Querschnitten herausschneiden,
so dass diese kreis- oder ellipsenförmigen Teilquerschnitte einen
zylinderförmigen
oder zylinderähnlichen
reduzierten Datensatz ergeben. Alternativ können bei der Aufnahme des Kopfes
eines Menschen oder Tieres Skalierungsfaktoren verwendet werden,
die von Querschnitt zu Querschnitt variieren, beispielsweise kann
ein von dem Wert 0 beginnender Radius gewählt werden, der jeweils vom
Schnittpunkt der Langachse und des zweidimensionalen Querschnitts
abhängt,
wobei dieser Radius sukzessive ansteigt und wieder abnimmt, bis
er erneut den Wert 0 erreicht hat. In diesem Fall ergibt sich ein
etwa kugelförmiges
reduziertes Datenvolumen, mit dem Tumore oder Karzinome besser dargestellt
werden können.
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Die
erfindungsgemäßen Verarbeitungsmittel weisen
mit Vorteil Mittel zur Selektion der Teilquerschnitte auf, wobei
die Mittel zur Selektion mittels der jeweiligen Schnittpunkte kreis-
oder rechteckförmige, ellipsen-
oder sternförmige
Segmente der jeweiligen zweidimensionalen Querschnitte bestimmen.
Darüber
hinaus weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit
Vorteil Anzeigemittel auf, die das reduzierte Datenvolumen verwenden,
um die Zielregion eines menschlichen oder tierischen Körpers darzustellen.
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Darüber hinaus
umfasst die Erfindung auch ein Computerprogrammprodukt, welches
auf einem computerlesbaren Medium einen gespeicherten Programmcode
enthält,
der das erfindungsgemäße Verfahren
durchführt,
wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird. Sobald das reduzierte
Datenvolumen angezeigt wird, kann der Arzt mittels bekannter grafischer
Werkzeuge das Datenvolumen zerschneiden, Teilansichten herausschneiden oder
dreidimensionale Ansichten wählen
und drehen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 einen
zweidimensionalen Querschnitt durch die gesamte Region,
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2 die
schematische Darstellung einer Mehrzahl von zweidimensionalen Querschnitten
sowie eines zweidimensionalen Längsschnitts
durch die Region,
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3 die
schematische Darstellung einer Mehzahl von zweidimensionalen Querschnitten
mit drei zweidimensionalen Längsschnitten,
sowie – gestrichelt
gezeichnet – das
reduzierte Datenvolumen mit oberhalb und unterhalb des Querschnittstapels liegenden
Zusatzbereichen, und
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4 das
reduzierte Datenvolumen mit Teilquerschnitten und Langachse.
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1 zeigt
einen zweidimensionalen Querschnitt durch ein aufgenommenes Objekt 3,
d. h. die Gesamtregion eines Bereichs innerhalb eines menschlichen
oder tierischen Körpers,
wie beispielsweise der Thorax eines Patienten. Innerhalb des Objekts 3 liegt
die Zielregion 1, die durch einen interessierenden Bereich 2 eingegrenzt
wird. Bisher musste der Arzt den interessierenden Bereich 2 mühsam manuell
bestimmen und dort die einzelnen Schnittbilder erzeugen, wobei die
Datenverarbeitungsprogramme relativ lange benötigten, um die geforderten
Ansichten und Daten bereit zu stellen.
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2 zeigt
eine Mehrzahl von zweidimensionalen Querschnitten K1,
K2, K3, K4, ... Kn, die voneinander
beabstandet das Objekt 3 quer schneiden und entsprechende
Schichtbilder eines medizinischen Bildgebungsverfahrens darstellen,
wie beispielsweise MR-Bilder eines Magnetresonanztomografen. Darüber hinaus
zeigt 2 den zweidimensionalen Längsschnitt L1 durch
das Objekt 3, wobei dieser Längsschnitt auch die Zielregion 1 innerhalb
des interessierenden Bereichs 2 schneidet.
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Die
Lokalisierung der Zielregion 1 erfolgt bei modernen medizinischen
Bildgebungsverfahren anhand eines Aufnahmeprotokolls. Wird beispielsweise nach
der AHA- oder ASE-Empfehlung akquiriert, d. h. wird nach einem der
Standardprotokolle der linke Ventrikel eines Herzens akquiriert,
so werden zweidimensionale Querschnitte erzeugt, die in ihrer Anzahl abhängig sind
von der Herzgröße, sowie
drei zweidimensionale Längsschnitte,
die, wenn möglich,
rotationssymmetrisch zueinander und in der Zielregion 1 liegen
sollten. Die Mehrzahl von zweidimensionalen Querschnitten wird dabei
auch als „Kurzachsenstapel" genannt, während die
Längsschnitte
oft auch als „Langachsenschnitte" bekannt sind.
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Die
Mehrzahl an zweidimensionalen Querschnitten wird in der Regel so
akquiriert, dass die oberste und unterste Schicht in der Apex- und
in der Klappenebene des Herzens zu finden sind.
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Nach
einer solchen standardmäßigen Akquisition
eines Kurzachsenstapels 4 und der entsprechenden drei Längsschnitte,
ergibt sich ein Datensatz, wie in 3 schematisch
dargestellt. Eine Anzahl von Querschnitten K1,
K2, ... Kn liegen
im Wesentlichen äquidistant
voneinander und parallel zueinander beabstandet und bilden den Kurzachsenstapel 4.
Dieser Kurzachsenstapel 4 wird durch einen ersten Längsschnitt
L1, einen hierzu nicht parallelen zweiten
Längsschnitt
L2 und einen zu beiden vorherigen Längsschnitten
nicht parallelen dritten Längsschnitt
L3 geschnitten. In der Regel kann die Bedienperson
annehmen, dass die Längsschnitte
L1, L2 und L3 in der Zielregion 1 „rotiert" sind, d. h. allesamt
eine gemeinsame Schnittachse haben, die dann automatisch zur Langachse 5 wird.
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Schneiden
sich die Längsschnitte
L1, L2, L3 jedoch nicht in einer gemeinsamen Achse,
d. h. wurde bei der Akquisition dieser zweidimensionalen Längsschnitte „unsauber
rotiert", so muss
eine Langachse 5 bestimmt werden, die entweder durch die
Bildung eines geometrischen Mittels oder durch die Auswahl einer
der Längsschnitte
oder durch eine Kombination dieser Möglichkeiten festgelegt wird. Abhängig vom
Akquisitionsprotokoll kann auch eine solche Schnittachse gewählt werden,
die einen geeigneten Winkel zum Kurzachsenstapel 4 hat.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
nach 3 sind die drei Längsschnitte L1,
L2 und L3 unsauber
rotiert worden, so dass die erste Schnittgerade A12 zwischen
dem ersten und zweiten Längsschnitt nicht
mit der zweiten Schnittgeraden A13 zwischen dem
ersten Längsschnitt
L1 und dem dritten Längsschnitt L3 zur
Deckung kommt. In diesem Fall kann die Langachse 5 durch
geometrische Mittelbildung der ersten Schnittgeraden A12,
der zweiten Schnittgeraden A13 und der dritten
Schnittgeraden A23 (nicht gezeigt), zwischen
dem zweiten Längsschnitt
L2 und dem dritten Längsschnitt L3,
bestimmt werden.
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Die
Langachse 5 schneidet den ersten Querschnitt K1 an
einem Schnittpunkt 6, der – wie in 3 gezeigt – zufällig mit
dem Schnittpunkt der zweiten Schnittgeraden A13 und
dem ersten Querschnitt K1 zusammenfällt.
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Der
Schnittpunkt 6 wird für
jeden Querschnitt K1, K2,
... Kn bestimmt; anschließend wird
anhand von Skalierungsfaktoren ein reduziertes Datenvolumen 7 bestimmt
(in 3 gestrichelt gezeichnet).
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Das
reduzierte Datenvolumen 7 steht dabei mit Vorteil sowohl über als
auch unter dem Kurzachsenstapel 4 hervor, um insbesondere
den Apex- und Klappenbereich des linken Ventrikels des aufgenommenen
Herzens darzustellen.
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Das
in 4 gezeigte obere erste Zusatzvolumen 7a und
das untere zweite Zusatzvolumen 7b kann durch Extrapolation
der dreidimensionalen Struktur erzeugt werden, die sich aus dem
reduzierten Datenvolumen ergibt, das durch die Nutzung der Teilquerschnitte
erzeugt Wird.
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In 4 sind
die Teilquerschnitte k1, k2,
... kn innerhalb des reduzierten Datenvolumens 7 angedeutet.
Das Datenvolumen 7 verläuft
in diesem Fall längs
der Langachse 5 und hat einen etwa rechteckförmigen Querschnitt.
Zur Bildung dieses Querschnitts dienen die in 4 angedeuteten
Skalierungsfaktoren a1, a2,
b1 und b2, die insbesondere
die Segmentränder
des Teilquerschnitts bestimmen, in diesem Fall gemessen vom Schnittpunkt 6 und
jeweils senkrecht zu den Kanten des Kurzachsenstapels 4.
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Die
Skalierungsfaktoren können
für den
gesamten Kurzachsenstapel 4 oder aber nur für Teilbereiche
festgelegt werden, beispielsweise ist es auch möglich, für jeden Teilquerschnitt eigene
oder veränderte
Skalierungsfaktoren zu verwenden. Die Skalierungsfaktoren sind insbesondere
abhängig
von der zu untersuchenden Struktur, der Auflösung der Aufnahme, der Rechenleistung
der Datenverarbeitungsanlage und deren Speicher.
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Werden
nun die so beschnittenen Daten für die
Rekonstruktion verwendet, können
weitere Randbedingungen in den Rekonstruktionsschritt einfließen:
- 1. Der Kurzachsenstapel 4 kann dabei
das Koordinatensystem für
das neue Volumen festlegen. Dies ist beispielsweise in den 3 und 4 angedeutet.
Dies ist vorteilhaft, da dadurch die Mehrzahl der Querschnitte ihre
Originalauflösung behalten
kann, wenn man die Voxelzahl des reduzierten Datenvolumens 7 auf
die verbleibende Pixelzahl der Teilquerschnitte k1,
k2, ... kn abstimmt.
- 2. Eine Über-
oder Unterabtastung, bei sich entsprechend änderndem Speicherbedarf, ist
möglich.
- 3. Die zweidimensionalen Längsschnitte
L1, L2, L3 können
mit einer einstellbaren Gewichtung in die bereits rekonstruierten
Teilquerschnitte, bzw. in das reduzierte Datenvolumen 7,
mit einberechnet werden.
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Durch
die vorliegende Erfindung kann ein reduziertes Datenvolumen 7 dargestellt
werden, das sich fast vollständig
aus Originalinformationen speist und das sich sehr leicht navigieren
und visualisieren lässt.
Der Arzt erkennt unmittelbar die räumlichen Zusammenhänge und
kann seine gewünschten
Ansichten schnell darstellen lassen, da die Speicheranforderungen
für die
Datenverarbeitungsanlage akzeptabel sind.