DE102007027738A1

DE102007027738A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Visualisierung eines tomographischen Volumendatensatzes unter Nutzung der Gradientenmagnitude

Info

Publication number: DE102007027738A1
Application number: DE102007027738A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Röttger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2027-06-16
Also published as: DE102007027738B4; US8350854B2; US20090002369A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Visualisierung eines tomographischen Volumendatensatzes eines Objektvolumens. Bei dem Verfahren wird für jedes Voxel des Volumendatensatzes zusätzlich die Gradientenmagnitude bestimmt und eine mindestens zweidimensionale Transferfunktion bereitgestellt, die jeder Kombination von Gradientenwert und Skalar des Voxels einen Farbwert und einen Opazitätswert zuordnet. Hierbei werden zumindest der Opazitätswert und der Farbwert durch den Gradientenwert moduliert. Die Transferfunktion wird auf die vorher bestimmten Gradientenwerte und Skalarwerte angewendet und der Volumendatensatz mit den jeweiligen Farb- und Opazitätswerten der Voxel mittels Volume-Rendering dargestellt. Das Verfahren ermöglicht eine verbesserte Erkennbarkeit von Strukturen, insbesondere in Volumendatensätzen der medizinischen Bildgebung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Visualisierung eines tomographischen Volumendatensatzes eines Objektvolumens, wie er bspw. unter Kontrastmittelgabe in der medizinischen Bildgebung erhalten wird.
Zur Visualisierung von Gefäßen, d. h. Arterien und/oder Venen, werden heutzutage tomographische bildgebende Techniken, wie die Computertomographie (CT) oder die Magnetresonanztomographie (MR) eingesetzt. Die Visualisierung nicht nur einzelner Schichten, sondern des gesamten Volumendatensatzes erfordert den Einsatz geeigneter Volume-Rendering Techniken wie bspw. MIP (Maximum Intensity Projection), um dem Betrachter einen räumlichen Eindruck zu vermitteln.
Bei mehreren Volume-Rendering-Techniken spielt die Transferfunktion eine wichtige Rolle. Die Transferfunktion ordnet den Datenwerten des Volumendatensatzes optische Eigenschaften zu, mit denen sie im gerenderten Bild dargestellt werden. Ein bekanntes Beispiel hierfür sind Transferfunktionen, die jedem Wert des Volumendatensatzes eine Farbe und eine Opazität (α-Kanal) zuordnen. Gleiche Werte des Volumendatensatzes erhalten dabei die gleiche Farbe und die gleiche Opazität. Zur Verbesserung der visuellen Darstellung ist es auch bekannt, die Opazität nicht nur mit dem Datenwert, sondern zusätzlich noch mit der Gradientenmagnitude zu modulieren. Auf diese Weise können Kanten bzw. Oberflächen im Volumendatensatz deutlicher herausgestellt werden. Die Gradientenmagnitude entspricht dem Betrag des Gradientenvektors, der in Richtung des stärksten Gradienten vom Datenwert des Voxels zu den Datenwerten der benachbarten Voxel zeigt. Die US 6,369,816 B1 verweist weiterhin auf ein Verfahren, bei dem sowohl die Opa zität als auch die Farbhelligkeit (brightness) mit der Gradientenmagnitude moduliert werden. Die Farbhelligkeit ist zu unterscheiden von dem Farbwert, unter dem in der vorliegenden Patentanmeldung durchgängig der H-Wert der Emission (bzw. RGB-Wert) im HSV-Farbraum (HSV: Hue, Saturation, Value) verstanden wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Visualisierung von tomographischen Volumendatensätzen anzugeben, die vor allem im Bereich der medizinischen Bildgebung in vielen Fällen eine verbesserte Erkennbarkeit von interessierenden Strukturen innerhalb des Objektvolumens ermöglichen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Das vorgeschlagene Verfahren wird auf tomographische Volumendatensätze angewendet, wie sie bspw. in der medizinischen Bildgebung anfallen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Volumendatensätze der medizinischen Bildgebung, die unter Kontrastmittelgabe von einem Objektvolumen aufgezeichnet wurden. In derartigen Volumendatensätzen sind vor allem Gefäßstrukturen, Organe oder Tumore von besonderem Interesse. In einem Volumendatensatz repräsentiert jeder Datenwert, im Folgenden als Skalar bezeichnet, eine Messgröße am Ort eines Volumenelements (Voxel) des Objektvolumens, von dem der Volumendatensatz aufgezeichnet wurde. Der Datenwert kann hierbei ein Maß für eine Signalintensität oder auch für abgeleitete Größen, wie bspw. einen Dichtewert oder einen Schwächungswert, darstellen. Im Bereich der Magnetresonanztomographie kann aus einer zeitlichen Sequenz von aufgezeichneten Volumendatensätzen ein Volumendatensatz erhalten werden, der sog. WI-Werte (WI: Wash-In) enthält, die ein Maß für die Änderung der gemessenen Signalintensität am jeweiligen Voxel mit der Zeit darstellen. Volumendatensätze auf Basis von WI-Werten werden bspw. bei der Tumorerkennung oder Tumornachsorge eingesetzt.
Beim vorgeschlagenen Verfahren wird für jeden Skalar des Volumendatensatzes, d. h. für den Datenwert jedes Voxels, ein Gradientenwert ermittelt, die sog. Gradientenmagnitude. Die Gradientenmagnitude entspricht dem Betrag des dreidimensionalen Gradientenvektors innerhalb des Volumendatensatzes am Ort des jeweiligen Voxels. Für die Visualisierung wird eine mindestens zweidimensionale Transferfunktion eingesetzt, die jeder Kombination von Gradientenwert und Skalar des Voxels einen Farbwert (H-Wert im HSV-Modell) und einen Opazitätswert zuordnet, so dass zumindest der Opazitätswert und der Farbwert durch den Gradientenwert moduliert werden. Die Transferfunktion kann bspw. in Form einer LUT (Look-Up-Tabelle) bereitgestellt werden. Die Transferfunktion wird auf die vorher bestimmten Gradientenwerte und Skalare angewendet, um für jedes Voxel des Objektvolumens einen Farb- und einen Opazitätswert zu erhalten. Der Volumendatensatz wird dann mit den jeweiligen Farb- und Opazitätswerten der einzelnen Voxel mittels Volume-Rendering dargestellt.
Bei der Anwendung des Verfahrens im Bereich der medizinischen Bildgebung unter Nutzung von Kontrastmittel können einzelne Strukturen eines durch die medizinische Bildgebung erhaltenen Volumendatensatzes auch vorab bereits segmentiert werden, so dass ein Volumendatensatz mit bereits segmentierten Bilddaten beim vorliegenden Verfahren eingesetzt wird. Alternativ können nicht interessierende Bereiche auch durch geeignete Wahl der Transferfunktion in der späteren Darstellung ausgeblendet werden (Opazitätswert = 0). Dies kann über das Setzen entsprechender Schwellwerte für die Skalare im Volumendatensatz erreicht werden, unterhalb oder oberhalb deren der Opazitätswert zu 0 gesetzt wird.
Das Verfahren eignet sich vor allem zur 3D-Darstellung von MR- oder CT-Angiographien und anderen Kontrastmittel basierten Untersuchungsergebnissen. Das Verfahren ist sowohl auf subtrahierte als auch auf unsubtrahierte Kontrastmittelbilder anwendbar. Für die Bilddarstellung können beim vorliegenden Verfahren verschiedene Volume-Rendering-Techniken eingesetzt werden, wie sie dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind.
Das Verfahren ermöglicht die Darstellung von Arterien und damit auch Stenosen mit einem im Vergleich zu einem MIP-Standardverfahren erheblich besseren dreidimensionalen Eindruck. Dies gilt auch für andere Anwendungsgebiete, bspw. in der 3D-Tumorvisualisierung, bei der der Gesamtumfang von Tumoren durch eine Visualisierung mit dem vorliegenden Verfahren besser zu erkennen ist.
Vorzugsweise erfolgt durch die Transferfunktion eine lineare Zuordnung der Opazitätswerte zu den Skalaren und den Gradientenwerten. Die Farbwerte werden ebenfalls vorzugsweise linear den Skalaren und/oder den Gradientenwerten zugeordnet. Die lineare Zuordnung ermöglicht eine automatische Spezifizierung der 2D-Transferfunktion, so dass lediglich die Gesamttransparenz des Volumens vom Benutzer vorgegeben werden muss. Dies erleichtert die Nutzung des vorgeschlagenen Verfahrens erheblich, da in der Praxis eine Einstellung der Transferfunktion durch den Benutzer, wie sie auch bei den eingangs genannten bekannten Techniken erfolgen muss, sehr schwierig ist. Dies gilt insbesondere für die vorliegende zweidimensionale Transferfunktion, die wesentlich mehr Freiheitsgrade der Festlegung als eindimensionale Transferfunktionen aufweist.
Im Gegensatz zu den eindimensionalen Transferfunktionen, wie sie in dem in der Beschreibungseinleitung angeführten Stand der Technik genutzt werden, wird mit der beim vorliegenden Verfahren eingesetzten zweidimensionalen Transferfunktion zusätzlich auch der Farbwert (im HSV-Farbraum: hue) durch die Gradientenmagnitude moduliert. Durch diese zusätzliche Modulation des Farbwerts werden in der gerenderten Ansicht des Volumendatensatzes der räumliche Eindruck und die Abgrenzung einzelner Strukturen, insbesondere von Arterien oder Tumorgewebe, entscheidend verbessert.
Das Verfahren lässt sich bspw. in einen Bildrechner implementieren, indem ein entsprechendes Modul für die Bestimmung der Gradientenmagnitude, die mehrdimensionale Transferfunktion sowie ein Modul für die Anwendung der Transferfunktion auf die Skalare und Gradientenwerte 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 ggf. noch verändern oder anpassen kann. Der Bildrechner ist dabei in geeigneter Weise über eine Graphikkarte mit einer Bilddarstellungseinheit, insbesondere einem Farbmonitor, für die Visualisierung des gerenderten Volumendatensatzes verbunden.
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 schematisch einen beispielhaften Verfahrensablauf für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens;
2 ein Beispiel für ein mit dem Verfahren erzeugtes Bild einer CT-Aniographie; und
3 ein Beispiel eines mit dem Verfahren erzeugten Bildes einer MR-Aufnahme zur Tumorvisualisierung.
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand des in 1 dargestellten beispielhaften Ablaufschemas nochmals kurz erläutert. Das Verfahren geht von einem Volumendatensatz aus, der bspw. mit einem Computertomographen oder einem MR-Scanner erzeugt sein kann. Der Volumendatensatz besteht aus einer dreidimensionalen Matrix von Skalaren, beispielsweise CT-Schwächungswerten, von denen jeder Wert einem bestimmten Volumenelement bzw. Voxel des untersuchten Volumens des Patientenkörpers entspricht, von dem der Volumendatensatz aufgezeichnet wurde. Durch Kontrastmittelgabe bei der Bildaufzeichnung 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 dem umliegenden Gewebe und den Knochen unterschieden werden können. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun für jedes Voxel aus den Skalaren SW ein Gradientenwert, die Gradientmagnitude GM, ermittelt. Mathematische Algorithmen zur Ermittlung der Gradientenmagnitude für jedes Voxel sind dem Fachmann bekannt. Durch diese Bestimmung der Gradientenwerte wird jedem Voxel des Volumendatensatzes zusätzlich zum Skalarwert SW ein Gradientenwert GM zugeordnet.
Das dargestellte Verfahren verwendet eine zweidimensionale Transferfunktion basierend auf den Skalar- und den Gradientenwerten. Durch die Transferfunktion wird jeder Kombination aus Skalar SW und Gradientenwert GM ein Farb- und ein Opazitätswert zugeordnet. Das Setup der Opazitäten ist hierbei linear bzgl. der Skalar- und Gradientenwerte. Zusätzlich werden unterschiedlich starke Gradienten auf unterschiedliche Farben abgebildet, wodurch der spätere räumliche Eindruck entscheidend erhöht wird. Während im RGB-Farbraum der Opazitätswert dem α-Kanal und der Farbwert den RGB-Werten entspricht, stellt der Farbwert im HSV-Farbraum den H-Wert (hue) dar. Durch Anwendung der Transferfunktion auf den Volumendatensatz mit den Skalaren und Gradientenwerten erhält jedes Voxel einen entsprechenden Opazitäts- und Farbwert. Die Voxel werden anschließend mit den jeweiligen Opazitäts- und Farbwerten mit einer geeigneten Volume-Rendering-Technik (VRT) dargestellt.
2 zeigt hierzu ein Beispiel für eine Bilddarstellung des Herzens auf Basis eines Volumendatensatzes der CT-Angiographie. Bei der Bilderzeugung wurden unterschiedlich starke Gradienten auf unterschiedliche Farben abgebildet, wodurch der räumliche Eindruck entscheidend erhöht wurde. Hier bei wurde ein Blau-Magenta-Rot Spektrum verwendet, das jedoch in der vorliegenden Figur zwangsläufig nur angedeutet werden kann. Eine Erzeugung eines Subtraktionsbildes, wie dies aus dem Bereich der digitalen Subtraktionsangiographie bekannt ist, ist für eine gute Erkennbarkeit der Strukturen in diesem Fall nicht erforderlich, kann jedoch selbstverständlich durchgeführt werden.
In einem weiteren Beispiel wird das Verfahren zur 3D-Tumorvisualisierung eingesetzt. Der bereitgestellte Volumendatensatz umfasst hierbei WI-Werte aus einer zeitlichen Sequenz von MR-Volumendatensätzen. Auch hier wird für jeden WI-Wert des Volumendatensatzes ein Gradientenwert bestimmt. Durch Anwendung der zweidimensionalen Transferfunktion auf den Volumendatensatz mit den WI- und Gradientenwerten wird eine Bilddarstellung erhalten, in der der Gesamtumfang von Tumoren im Vergleich zu einem MIP-Standardverfahren erheblich besser zu erkennen ist. Das Setup der Opazitäten ist auch hier linear bzgl. der WI- und Gradientenwerte. Zusätzlich werden unterschiedlich starke Gradienten auf unterschiedliche Farben abgebildet, wodurch die Trennung von Arterien und Tumorgewebe deutlich verbessert wird. 3 zeigt auch hier ein Beispiel für eine Bilddarstellung, bei der jedoch ebenfalls die farblichen Eindrücke nur angedeutet wiedergegeben werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6369816 B1 [0003]

Claims

Verfahren zur Visualisierung eines tomographischen Volumendatensatzes eines Objektvolumens, insbesondere eines unter Kontrastmittelgabe aufgezeichneten Volumendatensatzes der medizinischen Bildgebung, bei dem – jedem Voxel des Volumendatensatzes ein Skalar zugeordnet ist, der eine Messgröße oder daraus abgeleitete Größe am Ort des Voxels repräsentiert, – für jedes Voxel des Volumendatensatzes ein Gradientenwert bestimmt wird, – eine mindestens zweidimensionale Transferfunktion bereitgestellt wird, die jeder Kombination von Gradientenwert und Skalar einen Farbwert und einen Opazitätswert zuordnet, so dass zumindest der Opazitätswert und der Farbwert durch den Gradientenwert moduliert werden, – die Transferfunktion auf die Skalare und Gradientenwerte des Volumendatensatzes angewendet wird, um für jedes Voxel des Objektvolumens einen Farb- und einen Opazitätswert zu erhalten, und – der Volumendatensatz mit den jeweiligen Farb- und Opazitätswerten der Voxel mittels Volume-Rendering dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch die Transferfunktion eine lineare Zuordnung der Opazitätswerte zu den Skalaren und den Gradientenwerten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem durch die Transferfunktion eine lineare Zuordnung der Farbwerte zu den Skalaren und/oder den Gradientenwerten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Visualisierung von MR- oder CT-Volumendatensätzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Visualisierung von MR- oder CT-Angiographien.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Visualisierung von Tumoren in MR- oder CT-Volumendatensätzen.
Vorrichtung zur Visualisierung eines tomographischen Volumendatensatzes eines Objektvolumens, insbesondere eines unter Kontrastmittelgabe aufgezeichneten Volumendatensatzes der medizinischen Bildgebung, mit – einer Speichereinheit für die Abspeicherung des Volumendatensatzes, – einem Modul zur Bestimmung von Gradientenwerten für jedes Voxel des Volumendatensatzes, – einer Einheit, in der eine mindestens zweidimensionale Transferfunktion bereitgestellt wird, die jeder Kombination von Skalaren und Gradientenwerten der Voxel einen Farbwert und einen Opazitätswert zuordnet, so dass zumindest der Opazitätswert und der Farbwert durch den Gradientenwert moduliert werden, – einem Anwendungsmodul, in dem die Transferfunktion auf die Skalare und Gradientenwerte des Volumendatensatzes angewendet wird, um für jedes Voxel des Objektvolumens einen Farb- und einen Opazitätswert zu erhalten, und – einem Rendering-Modul, das die Voxel mit den jeweiligen Farb- und Opazitätswerten mittels Volume-Rendering an einer Anzeigeeinrichtung darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei dem die Einheit eine Transferfunktion bereitstellt, durch die eine lineare Zuordnung der Opazitätswerte zu den Skalaren und den Gradientenwerten erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Einheit eine Transferfunktion bereitstellt, durch die eine lineare Zuordnung der Farbwerte zu den Skalaren und/oder den Gradientenwerten erfolgt.