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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung einer Sequenz tomographischer Volumendatensätze der medizinischen Bildgebung, die unter Kontrastmittelgabe in zeitlicher Abfolge von Gefäßen in einem Objektvolumen aufgezeichnet wurden, so dass für jedes Voxel des Objektvolumens mindestens eine zeitliche Abfolge von gemessenen Signalwerten vorliegt.
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Zur Visualisierung von Gefäßen, d. h. Arterien und/oder Venen, werden heutzutage tomographische bildgebende Techniken wie die Computertomographie (CT) oder die Magnetresonanztomographie (MR) eingesetzt. Durch Aufzeichnung mehrerer tomographischer Volumendatensätze nach Injektion eines Kontrastmittels in das Gefäßsystem können die Ausbreitung des Kontrastmittels verfolgt und eventuelle Verengungen im Gefäßsystem erkannt werden. Für eine Herzuntersuchung werden hierbei typischerweise 20 bis 30 tomographische MR Volumendatensätze (3D-Bilddatensätze) aufgezeichnet. Diese Datensätze müssen zunächst abgespeichert und bei der späteren Visualisierung abgerufen und für die Bilddarstellung verarbeitet werden. Eine Visualisierung der zeitlichen Entwicklung der Ausbreitung des Kontrastmittels erfordert dabei einen sehr hohen Speicher- und Rechenzeitaufwand und lässt sich ohne eine Kompression der Daten bisher nur bedingt in Echtzeit durchführen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Visualisierung einer Sequenz tomographischer Volumendatensätze der medizinischen Bildgebung, die unter Kontrastmittelgabe in zeitlicher Abfolge von Gefäßen aufgezeichnet wurden, anzugeben, das mit verringertem Speicher- und Rechenaufwand eine Visualisierung des zeitlichen Verlaufs der Kontrastmittelausbreitung und/oder eine verbesserte Unterscheidung von Venen und Arterien in Echtzeit ermöglicht.
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Die
DE 102004022902 A1 offenbart ein Verfahren zur perspektivischen Darstellung medizinischer 3D-Bilddaten. Dem Verfahren liegen eine Vielzahl zeitlich gestaffelt aufgenommener 3D-Bilddatensätze zugrunde, wobei jeweils ein 3D-Bilddatensatz einem Aufnahmezeitpunkt zugeordnet ist. Um nun eine perspektivische Darstellung der in den 3D-Bilddatensätzen abgebildeten Strukturen zu erzeugen, wird die Betrachterposition relativ zur sich im Objektvolumen bewegenden Struktur (bspw. dem Blutgefäß) automatisch überprüft und bei Bedarf angepasst.
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Die
DE 102005024949 A1 beschreibt ein Verfahren zur Darstellung von Strukturen innerhalb von Volumendatensätzen, mit dem eine einfache und schnelle Visualisierung auch mit Hervorhebung von Teilstrukturen möglich ist. Dabei wird jedem Voxel des Volumendatensatzes mittels einer Zuordnungsvorschrift abhängig von den Skalenwerten der Voxel eine Farbe und Opazität zugeordnet.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Das vorgeschlagene Verfahren geht von einer Sequenz tomographischer Volumendatensätze der medizinischen Bildgebung aus, die in zeitlicher Abfolge unter Kontrastmittelgabe von den Gefäßen in einem Objektvolumen aufgezeichnet wurden, so dass für jedes Voxel bzw. Volumenelement des Untersuchungsvolumens mindestens eine zeitliche Abfolge von gemessenen Signalwerten vorliegt. Diese Signalwerte entsprechen dabei den mit dem jeweiligen bildgebenden System aufgezeichneten Messwerten. Im Falle von CT-Volumendatensätzen entsprechen diese Signalwerte daher Röntgenschwächungswerten (= Hounsfield Units), im Falle von MR-Volumendatensätzen den Kernspin-Signalen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird für jedes Voxel zumindest ein Extremalwert und ein Zeitwert aus der zeitlichen Abfolge der für dieses Voxel gemessenen Signalwerte bestimmt, wobei der Zeitwert einen Zeitabstand des Extremalwertes oder eines von diesem abgeleiteten Wertes gegenüber einem festen Zeitpunkt bei der Aufzeichnung der Volumendatensätze angibt. Der feste Zeitpunkt kann beispielsweise der Startzeitpunkt der Aufzeichnung des ersten Volumendatensatzes oder der Startzeitpunkt der Injektion des Kontrastmittels sein. Der Zeitabstand zwischen dem Injektionszeitpunkt des Kontrastmittels und dem Maximalwert (als Extremalwert) ist auch unter dem Begriff Time-to-Peak (TTP) bekannt. Selbstverständlich kann jedoch auch ein anderer Zeitwert bestimmt werden, beispielsweise der Zeitabstand zum Injektionszeitpunkt, zu dem der Signalwert des Voxels einen vorgegebenen Bruchteil des Extremalwertes erreicht hat. Vorzugsweise wird als Extremalwert der Maximalwert des Signals bestimmt (= MIPt: Maximum Intensity Projection over Time). Der Maximalwert entspricht bei CT-Volumendatensätzen dem Maximalwert der Schwächung, bei MR-Volumendatensätzen dem Maximalwert des Magnetresonanzsignals, jeweils in dem entsprechend betrachteten Volumenelement.
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Weiterhin wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren eine zumindest zweidimensionale Transferfunktion bereitgestellt, die jeder Kombination von Zeit- und Extremalwert einen Farbwert und einen Opazitätswert zuordnet. Bei dieser Transferfunktion kann es sich beispielsweise um eine LUT (Look-Up-Tabelle) handeln. Die Transferfunktion wird auf die vorher bestimmten Zeit- und Extremalwerte angewendet, um für jedes Voxel des Untersuchungsvolumens einen Farb- und einen Opazitätswert zu erhalten. Die Voxel werden dann mit diesen Farb- und Opazitätswerten unter Einsatz einer Volume-Rendering-Technik an einem Bildschirm dargestellt.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden somit aus den Ausgangsdaten, d. h. der Sequenz von tomographischen Volumendatensätzen, zwei Parametervolumen generiert. Ein Parametervolumen umfasst für jedes Voxel den ermittelten Extremalwert, das andere Parametervolumen für jedes Voxel den ermittelten Zeitwert. Die Ausgangsdaten werden nach diesem Schritt nicht mehr benötigt. Voxel, bei denen keine signifikante Änderung des Signalwertes über die Zeit ermittelt wird, werden entweder mit ihrem Ursprungswert – umgesetzt in Graustufen – dargestellt oder ausgeblendet, da sie kein Gefäß darstellen. Dies kann auch über die Transferfunktion erfolgen (Opazitätswert = 0). Die einzelnen tomographischen Volumendatensätze, von der das Verfahren ausgeht, können hierbei auch bereits vom Hintergrund bereinigt sein, indem ein Maskenbild (ein tomographischer Volumendatensatz des gleichen Objektvolumens ohne Kontrastmittelgabe) von diesen Füllungsbildern abgezogen wurde. Diese Technik ist unter dem Begriff der digitalen Subtraktionsangiographie bekannt.
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Durch die anschließende Anwendung der zweidimensionalen Transferfunktion auf diese beiden Parametervolumen wird jedem Voxel ein Opazitäts- und ein Farbwert zugeordnet. Für die anschließende Bilddarstellung können bekannte Volume-Rendering-Techniken eingesetzt werden, wie sie dem Fachmann auf diesem Gebiet der medizinischen Bildgebung bekannt sind. Der Farbwert für das jeweilige Voxel stellt ein Maß für den für dieses Voxel bestimmten Zeitwert und der Opazitätswert ein Maß für den für dieses Voxel bestimmten Extremalwert dar. Für die Opazitätswerte kann dabei in bekannter Weise ein linearer oder ein nichtlinearer Zusammenhang verwendet werden. Auch die Zeitwerte können in linearer oder nichtlinearer Weise auf Farbwerte abgebildet werden.
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In dem dargestellten gerenderten Bild ist somit bei geeigneter Zuordnung der Farbwerte der zeitliche Verlauf der Kontrastmittelausbreitung und somit der Perfusion ersichtlich. Die zeitliche Abfolge ist aus der Farbe und die Anatomie aus den Opazität ersichtlich. Hierbei kann beispielsweise ein kleiner Zeitwert entsprechend einem frühen Zeitpunkt in roter Farbe und ein großer Zeitwert entsprechend einem späten Zeitpunkt in blauer Farbe dargestellt werden. Zeitwerte zwischen diesen beiden Extremen können dann durch die entsprechenden Zwischenfarben repräsentiert werden. Selbstverständlich sind auch andere Farbverteilungen für die Visualisierung des zeitlichen Verlaufs der Perfusion möglich. Die ermittelten Extremalwerte werden auf der anderen Seite vorzugsweise in einem Opazitätsschema dargestellt, bei dem die Opazität im Falle eines Maximalwertes als Extremalwert mit zunehmender Größe des Maximalwertes zunimmt. Größere Maximalwerte sind daher vorzugsweise undurchsichtiger, kleine Maximalwerte vorzugsweise durchsichtiger dargestellt.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist es auch möglich, bestimmte Zeitbereiche aus der Darstellung auszublenden. Dies kann über eine entsprechende Stufe in der Transferfunktion umgesetzt werden. So können beispielsweise alle Zeitwerte ausgeblendet werden, die oberhalb der Stufe liegen (d. h. spätere Zeiten), indem bspw. die entsprechenden Einträge in der Transferfunktion zu Null gesetzt werden. Dies ermöglicht die Visualisierung der Kontrastmittelausbreitung bis zu einem bestimmten Zeitpunkt, oder im umgekehrten Fall ab einem gewissen Zeitpunkt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens lässt sich eine derartige Stufe in der Transferfunktion interaktiv oder automatisiert verschieben. Auf diese Weise kann der tatsächliche zeitliche Ablauf der Perfusion kontinuierlich simuliert werden. Selbstverständlich ist es hierbei auch möglich, durch zwei Stufen lediglich ein Zeitintervall bzw. Zeitfenster darzustellen und optional auch zu verschieben.
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Durch eine derartige Stufe in der Transferfunktion lässt sich auch eine Arterien-Venen-Separation durchführen. Hierbei wird ausgenutzt, dass Arterien zu frühen Zeiten und Venen zu späten Zeiten mit dem Kontrastmittel angereichert werden. Durch geeignete Anordnung der Stufe in der Transferfunktion lassen sich dann beispielsweise nur die Arterien darstellen, indem der venöse Teil des Gefäßsystems über den Zeitwert ausgeblendet wird. Die genaue Definition des Schwellwerts erfolgt interaktiv durch den Arzt. Auch eine geeignete Farbcodierung der Zeitwerte über die Transferfunktion kann für eine Arterien-Venen-Separation genutzt werden, bei der beispielsweise alle Zeiten unterhalb einer vorgebbaren Schwelle rot und alle Zeiten oberhalb der vorgebbaren Schwelle blau eingefärbt werden. Durch diese Farbcodierung erscheinen die Arterien dann rot und die Venen blau in der gerenderten Bilddarstellung.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können somit die mit der Sequenz von tomographischen Volumendaten erfassten zeitlichen Abläufe mit geringem Speicher- und Rechenzeitaufwand dargestellt werden. Die Verschiebung einer Stufe in der multidimensionalen Transferfunktion ermöglicht zudem eine Visualisierung in einer filmartigen Darstellung auf Basis nur eines Volumendatensatzes. Das gesamte Verfahren lässt sich daher in Echtzeit durchführen, so dass auch eventuelle interaktive Drehungen der gerenderten Darstellung durch den Anwender in Echtzeit erfolgen können. Das Gleiche gilt für eine Veränderung der Stufe bzw. Fensterung in der Transferfunktion. Weiterhin ermöglicht das Verfahren die verbesserte Darstellung des Gefäßsystems, indem beispielsweise Venen ausgeblendet und in anderer Farbe visualisiert werden können als Arterien. Die unterschiedlichen Bestandteile des Gefäßsystems oder auch des Herzens lassen sich damit besser erkennen.
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Das Verfahren lässt sich hierbei beispielsweise in einem Bildrechner implementieren, indem entsprechende Module für die Bestimmung des Extremalwertes und des Zeitwertes, die mehrdimensionale Transferfunktion sowie ein Modul für die Anwendung der Transferfunktion auf die ermittelten Extremal- und Zeitwerte in dem Bildrechner bereitgestellt werden. Ein geeignetes Rendering-Modul ist in einem derartigen Bildrechner für die tomographische Bildgebung von 3D-Bilddatensätzen in der Regel bereits vorhanden. Weiterhin sollte eine interaktive Benutzerschnittstelle vorgesehen sein, in der der Anwender über ein geeignetes Manipulationsmodul die Transferfunktion verändern, insbesondere Stufen in die Transferfunktion einbringen und dort auch interaktiv oder automatisiert verschieben kann. Der Bildrechner ist dabei in geeigneter Weise über eine Graphikkarte mit einer Bilddarstellungseinheit, insbesondere einem Farbmonitor, für die Visualisierung des gerenderten Volumendatensatzes verbunden.
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Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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1 schematisch einen beispielhaften Verfahrensablauf für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
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2 ein Beispiel für die zweidimensionale Transferfunktion in schematischer Darstellung;
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3 ein Beispiel für ein mit dem Verfahren erzeugtes Bild;
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4 ein Beispiel für eine mit dem Verfahren erzeugbare Simulation der zeitlichen Abfolge;
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5 ein weiteres Beispiel für eine zweidimensionale Transferfunktion in schematischer Darstellung;
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6 ein Beispiel für eine Ausblendung des venösen Teiles des Gefäfssystems.
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand des in 1 dargestellten beispielhaften Ablaufplans nochmals kurz erläutert. Das Verfahren geht von einer Sequenz von 3D-Volumendatensätzen aus, die beispielsweise mit einem Computertomographen oder einem MR-Scanner erzeugt werden können. Jeder Volumendatensatz dieser Sequenz besteht aus einer dreidimensionalen Matrix von Schwächungswerten, von denen jeder Schwächungswert einem bestimmten Volumenelement bzw. Voxel des untersuchten Volumens des Patientenkörpers entspricht, von dem der Volumendatensatz aufgezeichnet wurde. Ausgehend von der Injektion eines Kontrastmittels in das Gefäßsystem des Patienten als Startzeitpunkt kann die Sequenz beispielsweise ca. 30 Volumendatensätze umfassen, die in gleichem und bekanntem zeitlichen Abstand nach der Injektion des Kontrastmittels aufgezeichnet wurden. Jeder Volumendatensatz zeigt somit einen anderen Zeitpunkt nach der Injektion des Kontrastmittels, so dass aus der Summe der Volumendatensätze die zeitliche Ausbreitung des Kontrastmittels im Gefäßsystem beobachtet werden kann. Durch die Kontrastmittelgabe werden in den Gefäßen deutlich stärkere Schwächungswerte als in dem umliegenden Weichteilgewebe und den Knochen erhalten, so dass die Gefäße über die Höhe dieser Schwächungswerte von diesem umliegenden Gewebe und den Knochen unterschieden werden kann.
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In der Sequenz der Volumendatensätze entsprechen in bekannter Weise identische Matrixpositionen identischen Voxeln des Untersuchungsvolumens. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun für jedes Voxel der maximal erreichte Schwächungswert aus der Sequenz der Volumendatensätze ermittelt. Diese Technik ist auch unter dem Begriff MIP-over-Time (MIP: Maximum Intensity Projection) bekannt. Gleichzeitig wird der Zeitpunkt ermittelt, an dem für das jeweilige Voxel dieser Maximalwert auftritt. Dies erfolgt anhand der bekannten Zeitposition nach dem Startzeitpunkt, zu dem der zugeordnete Volumendatensatz mit dem Maximalwert für das entsprechende Voxel aufgezeichnet wurde. Dieser Zeitpunkt ist auch unter dem Kürzel TTP (TTP: Time-to-Peak) bekannt.
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Durch diese Bestimmung wird ein (neuer) Volumendatensatz erhalten, in dem jedem Voxel des Untersuchungsvolumens ein Maximalwert und ein Zeitwert zugeordnet sind. Alternativ können dies auch zwei Volumendatensätze sein, die jeweils nur die Zeitwerte und nur die Maximalwerte enthalten. Voxel, bei denen der ermittelte Maximalwert unterhalb einer vorgebbaren Schwelle liegt, werden hierbei zu Null gesetzt. Dies sind Voxel, in denen keine Kontrastmittelanreicherung stattfindet, d. h. in der Regel Voxel, die keine Gefäße bzw. Luft darstellen und für die spätere Bilddarstellung daher uninteressant sind.
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Das dargestellte Verfahren verwendet eine zweidimensionale Transferfunktion basierend auf Skalar- und Zeitwerten. Der Skalarwert entspricht dabei dem ermittelten Maximalwert. In der Transferfunktion wird jeder Kombination aus Maximalwert und Zeitwert ein Farb- und ein Opazitätswert zugeordnet. Das Setup der Opazitäten ist hierbei linear bezüglich der Skalar- und konstant bezüglich der Zeitwerte. Unterschiedliche TTP-Zeiten werden auf unterschiedliche Farben abgebildet, so dass der zeitliche Ablauf der Perfusion aus den Farben ersichtlich ist, d. h. der TTP-Wert wird auf den Hue-Parameter im HSV Farbraum abgebildet. Durch Anwendung der Transferfunktion auf den oder die Volumendatensätze mit den Zeit- und Maximalwerten wird jedem Voxel ein entsprechender Opazitäts- und Farbwert zugeordnet. Die Voxel werden anschließend mit den jeweiligen Opazitäts- und Farbwerten mit einer geeigneten Volume-Rendering-Technik (VRT) dargestellt. In dieser Darstellung ist dann der zeitliche Ablauf der Perfusion aus den Farben ersichtlich. Der Transfer der Voxelwerte in Farb- und Opazitätswerte erfolgt dabei on-the-fly während. der Bilddarstellung durch das entsprechende VRT Verfahren.
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2 zeigt hierzu ein Beispiel für eine geeignete Transferfunktion in stark schematisierter Darstellung. Die den TTP-Werten zugeordneten Farben variieren hierbei von rot zu einem frühen Zeitpunkt über blau nach grün zu einem späteren Zeitpunkt. Die Opazitätswerte variieren von durchsichtig für kleine Maximalwerte bis nach undurchsichtig für große Maximalwerte. 3 zeigt ein Beispiel für eine derartige Bilddarstellung – aufgrund der mangelnden Farbdarstellungs- und fehlenden Renderingmöglichkeit hier nur in stark schematisierter Ansicht. Aus der Figur sind die zu einem frühen Zeitpunkt mit Kontrastmittel angereicherten Gefäße gegenüber den zu einem späteren Zeitpunkt angereicherten Gefäßen anhand der unterschiedlichen Farbzuordnungen, in diesem Beispiel aufgrund der mangelnden Darstellungsmöglichkeit mit lediglich drei unterschiedlichen Schraffuren angedeutet, deutlich zu erkennen.
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Im Vergleich zu einem MIP-Standard-Verfahren lassen sich dadurch die Herzregionen voneinander unterscheiden. Durch eine zusätzliche interaktive Fensterung der TTP-Werte mit Hilfe einer variablen Stufe in der Transferfunktion kann der zeitliche Verlauf der Perfusion auch kontinuierlich simuliert werden. Eine echte Speicher- und Kosten-intensive 4D-Visualisierung ist hierzu nicht notwendig, da lediglich auf die ein- oder zwei Volumendatensätze mit den Maximal- und Zeitwerten in Verbindung mit der Transferfunktion zurückgegriffen werden muss.
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4 zeigt in den vier Teilabbildungen a, b, c und d die Anwendung einer unterschiedlichen Fensterung bzw. einer unterschiedlichen zeitlichen Lage der Stufe in der Transferfunktion. In der 4a wurde hierbei die Stufe in der Transferfunktion bereits zu frühen Zeiten gesetzt, so dass die Werte für alle späteren Zeiten ausgeblendet werden. 4a zeigt somit ein Bild, in dem nur die zu einem frühen Zeitpunkt mit Kontrastmittel angereicherten Gefäße zu erkennen sind. Durch Verschieben der Stufe der Transferfunktion nach späteren Zeiten kann die weitere Anreicherung beobachtet werden (4b/c). 4d zeigt schließlich eine Darstellung, wie sie mit einer zeitlich weit nach hinten verschobenen Stufe oder ohne Stufe in der Transferfunktion erhalten wird. Diese Darstellung der 4 ist in der Realität selbstverständlich deutlich feiner, da aufgrund der unterschiedlichen Farbcodierung wesentlich mehr Zwischenstufen dargestellt werden können. Der Anwender hat hierbei die Möglichkeit, die Stufe in der Transferfunktion interaktiv zu verschieben. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit eine automatische Verschiebung der Transferfunktion vorzusehen, so dass auf einen entsprechenden Eingabebefehl des Anwenders eine gleichmäßige zeitliche Verschiebung der Transferfunktion in der Darstellung durchgeführt wird.
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5 zeigt ein weiteres Beispiel für eine zweidimensionale Transferfunktion, wie sie beim vorliegenden Verfahren zum Einsatz kommen kann. In diesem Beispiel sind alle Zeitwerte unterhalb einer vorgebbaren Stufe rot codiert, während alle späteren Zeitwerte ausgeblendet werden. Durch geeignete Wahl des Zeitpunktes der Stufe, d. h. durch eine interaktive Fensterung der TTP-Werte, kann der venöse Teil des Gefäßes ausgeblendet werden, wie in der 6a dargestellt. Im Vergleich dazu ist der gesamte Blutkreislauf in der 4b ohne eine derartige Ausblendung visualisiert. Optional können hierbei frühe TTP-Zeiten auf rote Farbtöne (arteriell) und spätere TTP-Zeiten auf blaue Farbtöne (venös) abgebildet werden, so dass der Typ des Blutgefäßes aus der Farbe ersichtlich ist. Diese Technik ermöglicht somit eine interaktive 3D-Arterien-Venen-Separation.
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In der vorliegenden Patentanmeldung wurde vor allem auf die Anwendung einer zweidimensionalen Transferfunktion eingegangen, die auf Skalar- und Zeitwerten basiert. Selbstverständlich lässt sich diese Vorgehensweise auch auf mehrdimensionale Transferfunktionen erweitern, die mehr als zwei Dimensionen umfassen. Ein Beispiel hierfür ist die Nutzung eines weiteren Wertes, insbesondere wenn die Sequenz aus tomographischen Volumendatensätzen für jeden Zeitpunkt mehrere Volumendatensätze unterschiedlicher tomographischer bildgebender Geräte umfasst. Auf diese Weise können zusätzliche Eigenschaften als Parameter für jedes Voxel ermittelt und mit Hilfe der Transferfunktion abgebildet werden.
