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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Tomographiegerät
zur Berechnung eines Flächenverhältnisses zwischen
einer ersten Fläche einer ersten und einer Fläche
einer zweiten Region in einem tomographischen Bild.
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In
den industrialisierten Ländern sind in zunehmenden Maße
Gefäßerkrankungen zu registrieren. Eine der häufigsten
Erkrankungen ist dabei die Arteriosklerose, die eine arterielle
Erkrankung ist, und die mit Ausbildung von Gefäßverengungen,
sogenannten Stenosen, oder von Gefäßverschlüssen verbunden
ist. Die Stenosen werden dabei von arteriosklerotischen Plaque,
z. B. in den Koronargefäßen, ausgelöst
und führen zu einem erhöhten Infarktrisiko. Als
Folge einer Arteriosklerose kann es aber auch zu Ausbuchtungen im
Bereich der Gefäßwand kommen, die auf eine Schwächung
der Gefäßwandstruktur zurückzuführen
sind und ab einem bestimmten Ausmaß als Aneurysma bezeichnet
werden. Dabei besteht die Gefahr des Einreißens der Gefäßwand
oder die Gefahr der Ablagerung von geronnenem Blut im Aneurysma.
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Gefäßerkrankungen
können auch in Form von arteriellen Dissektionen auftreten,
bei denen es bei Vorliegen eines Hämatoms ebenfalls zu
einer Verengung des Gefäßes kommen kann. Dissektionen
sind insbesondere dann kritisch, wenn sie im Bereich von hirnversorgenden
Arterien festgestellt werden, da sie die zweithäufigste
Ursache von Schlaganfällen bei jungen Patienten sind.
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Bei
der Diagnose von Gefäßkrankheiten ist es von entscheidender
Bedeutung, dass die anatomische Anomalie des Gefäßes
möglichst schnell und zuverlässig vermessen und
quantifiziert wird. Eine wichtige Messgröße, die
für diagnostische Zwecke dabei herangezogen wird, ist dabei
das Flächenverhältnis im Gefäßquerschnitt
zwischen einer Fläche einer ersten Region, die durch das
Gefäßlumen gebildet wird, und einer Fläche
einer zweiten Region, die durch die äußere Gefäßwand
begrenzt wird oder zwischen einer Fläche einer ersten Region,
die durch das wahre Gefäßlumen in einer Dissektion
gebildet wird und einer Fläche einer zweiten Region, die durch
das falsche Gefäßlumen gebildet wird.
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Zur
tomographischen Bilddarstellung werden in der Regel moderne Tomographiegeräte,
beispielsweise Computertomographiegeräte oder Magnetresonanztomographiegeräte,
eingesetzt. Beim Einsatz eines Computertomographiegerätes
werden aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen
Projektionen von dem Untersuchungsbereich erfasst und zu einem dreidimensionalen
Bild verrechnet. Mit speziellen für die Gefäßdiagnostik
entwickelten Bildverarbeitungsprogrammen werden aus dem so gewonnenen
3D-Bilddatensatz zweidimensionale Schnittbilder orthogonal zum Verlauf
des Gefäßes extrahiert und in automatisierter
Form ausgewertet.
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Aus
der
DE 10 2004
036 726 A1 sind beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Visualisierung und Analyse von Ablagerungen von Blutgefäßen
insbesondere an Herzkranzgefäßen bekannt, bei
denen durch den Einsatz spezieller Transferfunktionen im Bereich
der Anomalie des Blutgefäßes verschiedene Typen
von Plaques durch eine entsprechende Farbkodierung sichtbar gemacht
werden können. Durch diese farbliche Kodierung ist anschließend
eine Abschätzung des Flächenverhältnisses zwischen
der Fläche des Gefäßlumens, welches durch
die Ablagerung von Plaque verkleinert wird und derjenigen Fläche
möglich, die durch die Gefäßaußenwand
begrenzt wird. Ein Nachteil des bekannten Vorgehens besteht jedoch
darin, dass die Transferfunktionen auf spezielle klinische Fragestellungen angepasst
sind, so dass eine Bestimmung des Flächenverhältnisses
nur für ausgewählte Gefäßkrankheiten
und nicht auf generische Weise möglich ist. Zur Quantifizierung
einer ana tomischen Anomalie des Gefäßes muss ein
Arzt in Abhängigkeit der vorliegenden Krankheit ein darauf
speziell angepasstes Tool aktivieren.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Tomographiegerät
zur Berechnung eines Flächenverhältnisses zwischen
einer Fläche einer ersten und einer Fläche einer
zweiten Region in einem tomographischen Bild anzugeben, welches
unabhängig von der klinischen Fragestellung eine Quantifizierung
einer anatomischen Anomalie ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein Tomographiegerät
zur Berechnung eines Flächenverhältnisses zwischen
einer Fläche einer ersten und einer Fläche einer
zweiten Region in einem tomographischen Bild gemäß dem
unabhängigen Anspruch 1 bzw. gemäß dem
unabhängigen Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche
2 bis 10.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass eine generische Bestimmung des Flächenverhältnisses
für ganz unterschiedliche klinische Fragestellungen dann
möglich ist, wenn das Flächenverhältnis
von zwei Regionen auf Basis ermittelter Konturlinien bestimmt wird,
wobei die Ermittlung der zweiten Konturlinie durch Anpassung einer
Kopie der ersten Konturlinie an die zweite Region erfolgt. Da bei
Gefäßuntersuchungen die eine Region im Gefäßquerschnitt meist
vollständig innerhalb der anderen Region enthalten ist
und die Konturen der beiden Regionen geometrisch dicht beieinander
liegen, kann nach Ermittlung der ersten Konturlinie auf der Grundlage
einer erstellten Kopie die zweite Konturlinie mit geringem Aufwand
an die zweite Region angepasst werden.
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Entsprechend
diesem Grundgedanken wird ein Verfahren zur Berechnung eines Flächenverhältnisses
zwischen einer Fläche einer ersten und einer Fläche
einer zweiten Region in einem tomographischen Bild vorgeschlagen,
wobei
- – zur ersten Region eine erste
Konturlinie ermittelt wird,
- – eine Kopie der ersten Konturlinie erstellt und in dem
tomographischen Bild dargestellt wird,
- – zur zweiten Region eine zweite Konturlinie in dem
tomographischen Bild durch interaktive Anpassung der kopierten Konturlinie
an die zweite Region erzeugt wird, und wobei,
- – basierend auf den ermittelten Konturlinien, die Flächen
der Regionen und das Flächenverhältnis berechnet
werden.
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Die
Konturlinie zur ersten Region kann dabei auf ganz unterschiedliche
Art und Weise gewonnen werden. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Konturlinie basierend
auf Methoden der digitalen Bildverarbeitung automatisch ermittelt
wird. Bei Gefäßuntersuchungen mit einem Tomographiegerät,
beispielsweise einem Computertomographiegerät oder einem Magnetresonanztomographiegerät,
werden die Gefäße zur besseren Sichtbarkeit des
Gefäßlumens häufig im Vorfeld einer Untersuchung
mit einem Kontrastmittel versetzt. Eine automatische Detektion des Gefäßlumens
bietet sich in diesem Fall deshalb an, da das Gefäßlumen
mit einem hinreichend hohen Kontrast gegenüber dem umliegenden
Gewebe bzw. Plaque abgebildet wird, so dass sich etablierte und sehr
robuste Segmentierungsalgorithmen zur Extraktion der Region des
Gefäßlumens und zur Ermittlung der ersten Konturlinie
einsetzen lassen.
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Vorzugweise
wird die erste Konturlinie in das tomographische Bild eingeblendet
und in Bereichen einer Abweichung zwischen der ermittelten ersten Konturlinie
und einer Begrenzung der ersten Region zusätzlich interaktiv
korrigiert. Auf diese Weise ist sicher gestellt, dass bei einer
fehlerhaften Segmentierung die Konturlinie manuell durch einen Benutzer angepasst
werden kann.
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Alternativ
dazu wäre es jedoch auch denkbar, dass die Konturlinie
zur ersten Region in dem tomographischen Bild interaktiv basierend
auf einer Markierung einzelner Bildpunkte, ent lang einer Begrenzung
der ersten Region ermittelt wird. Die Konturlinie zur ersten Region
wird auf diese Weise ohne Einsatz von rechenintensiven Segmentierungsalgorithmen
möglich. Darüber hinaus erfordert dieses Vorgehen
auch keinen Einsatz eines Kontrastmittels zur Erhöhung
des sichtbaren Kontrastes, solange der Benutzer die Begrenzung der
Region in dem tomographischen Bild erkennen kann. Dieses Vorgehen bietet
sich insbesondere dann an, wenn durch den Einsatz eines Segmentierungsalgorithmus
die Konturlinie nur sehr fehlerbehaftet bestimmt werden kann.
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Zur
Ermittlung der ersten Konturlinie wird zwischen den markierten Bildpunkten
vorteilhaft interpoliert. Durch die Interpolation braucht der Benutzer
nur sehr wenige Bildpunkte entlang der Kontur der ersten Region
zu markieren. Vorzugsweise erfolgt die Interpolation zwischen den
markierten Bildpunkten mittels eines Polynoms höherer Ordnung.
In diesem Fall weist die interpolierte Konturlinie einen stetigen
Verlauf durch die Markierungspunkte auf und passt sich dem wahren
Konturverlauf in verbesserter Form an.
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Die
kopierte Konturlinie weist vorzugsweise mehrere Kontrollpunkte auf,
die zur interaktiven Anpassung der kopierten Konturlinie an die
zweite Region in dem tomographischen Bild verschoben werden können.
Die Anpassung erfolgt somit auf sehr intuitive Weise, indem beispielsweise
ein Mauszeiger auf einen entsprechenden Kontrollpunkt bewegt wird, wobei
bei gedrückter Maustaste der Kontrollpunkt in dem tomographischen
Bild an die Begrenzung der zweiten Region verschoben werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird nach der Ermittlung
der beiden Konturlinien das Flächenverhältnis
automatisch als Zahlenwert berechnet und in dem tomographischen
Bild angezeigt. Auf diese Weise erhält der Benutzer unmittelbar
Feedback über die Vermessung des Flächenverhältnisses.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen gemäß den
Unteransprüchen sind in den folgenden schematischen Zeichnungen
dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Tomographiegerät, welches
zur Durchführung einer Berechnung von Flächenverhältnissen
von zwei Regionen im tomographischen Bild eingerichtet ist;
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2 ein
tomographisches Bild eines Gefäßes im Querschnitt,
welches durch Ablagerung von Plaque eine Stenose aufweist, wobei
eine Konturlinie zur ersten Region eingeblendet ist;
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3 das
tomographische Bild gemäß 2, wobei
eine Kopie der ersten Konturlinie in das tomographische Bild eingeblendet
wird, welche Kontrollpunkte aufweist;
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4 das
in 3 dargestellte tomographische Bild, wobei die
kopierte Konturlinie an die zweite Region vollständig angepasst
ist und
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5 ein
Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Berechnung des Flächenverhältnisses.
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In 1 ist
ein Mehrschicht-Computertomographiegerät 1 der
dritten Generation schematisch dargestellt. Dessen Messanordnung
weist einen Röntgenstrahler 2 mit einer diesem
vorgelagerten quellennahen Einblendvorrichtung 3 und einem
als mehrzeiliges oder flächenhaftes Array von mehreren Zeilen
und Spalten von Detektorelementen 4 ausgebildeten Röntgendetektor 5 auf.
In der Darstellung der 1 sind der Übersichtlichkeit
halber nur vier Zeilen von Detektorelementen 4 dargestellt.
Der Röntgendetektor kann jedoch weitere Zeilen von Detektorelementen 4 aufweisen,
auch mit unterschiedlicher Breite b. Der Röntgenstrahler 2 mit
der Einblendvorrichtung 3 einerseits und der Röntgendetektor 5 mit
seiner nicht dargestellten Strahlenblende andererseits sind an einem
Drehrahmen einander derart gegenüberliegend angebracht,
dass ein im Betrieb des Computertomographiegerätes 1 von
dem Röntgenstrahler 2 ausgehendes, durch die einstellbare
Einblendvorrichtung 3 eingeblendetes, pyramidenförmiges
Röntgenstrahlenbündel, dessen Randstrahlen in
der 1 mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet
sind, auf den Röntgendetektor 5 auftrifft.
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Der
Drehrahmen kann mittels einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung
um eine Systemachse 7 in Rotation versetzt werden. Die
Systemachse 7 verläuft parallel zu der z-Achse
eines in 1 dargestellten räumlichen
rechtwinkligen Koordinatensystems. Die Spalten des Röntgendetektors 5 verlaufen ebenfalls
in Richtung der z-Achse, während die Zeilen, deren Breite
b in Richtung der z-Achse gemessen wird und bspw. 1 mm beträgt,
quer zu der Systemachse 7 bzw. der z-Achse verlaufen.
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Um
den Patienten in den Strahlengang des Röntgenstrahlenbündels
bringen zu können, ist eine Lagerungsvorrichtung 9 vorgesehen,
die parallel zu der Systemachse 7 verschiebbar ist. Die
Verschiebung erfolgt derart, dass eine Synchronisation zwischen
der Rotationsbewegung des Drehrahmens und der Translationsbewegung
der Lagerungsvorrichtung 9 vorliegt, wobei das Verhältnis
von Translations- zu Rotationsgeschwindigkeit durch Vorgabe eines
gewünschten Wertes für den Vorschub h der Lagerungsvorrichtung 9 pro
Umdrehung des Drehrahmens einstellbar ist (Pitchwert).
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Der
Röntgenstrahler 2, bspw. eine Röntgenröhre,
wird von einer Generatoreinheit 13 mit den notwendigen
Spannungen und Strömen versorgt. Um diese auf die jeweils
notwenigen Werte einstellen zu können, ist der Generatoreinheit 13 eine
Steuereinheit 14 mit Tastatur 15 zugeordnet, die
die notwendigen Einstellungen gestattet. Auch die sonstige Bedienung
und Steuerung des Computertomographiegerätes 1 erfolgt
mittels der Steuereinheit 14 und der Tastatur 15.
Unter anderem kann die Anzahl der aktiven Zeilen von Detektorelementen 4 und
damit die Position der Einblendvorrichtung 3 und den der
optionalen detektornahen Strahlenblende eingestellt werden, wozu
die Steuereinheit 14 mit der Einblendvorrichtung 3 und
der optionalen detektornahen Strahlenblende zugeordneten Verstelleinheiten 16, 17 verbunden
ist. Weiterhin kann die Rotationszeit eingestellt werden, die der
Drehrahmen für eine vollständige Umdrehung benötigt.
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Durch
den Betrieb dieses Computertomographiegerätes 1 kann
auf diese Weise ein Volumen zur Untersuchung von darin enthaltenen
Gefäßen eines auf der Lagerungsvorrichtung 9 befindlichen
Patienten abgetastet werden. Bei einer Spiralabtastung werden unter
Rotation des Drehrahmens und gleichzeitiger Translation der Lagerungsvorrichtung 9 pro Umlauf
des Drehrahmens Projektionen aus verschiedenen Projektionsrichtungen
aufgenommen.
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Dem
Bildrechner 11 ist ein Speicher 19 zugeordnet,
aus dem der Programmcode zur Durchführung der Berechnung
des Flächenverhältnisses von zwei Regionen in
einem tomographischen Bild 24 geladen wird, wobei durch
Ausführung des Programmcodes Folgendes ermöglicht
wird:
Die während der Spiralabtastung aus den Detektorelementen 4 jeder
aktiven Zeile des Detektorsystems 5 parallel ausgelesenen,
den einzelnen Projektionen entsprechende Messdaten werden in einer
Datenaufbereitungseinheit 10 einer Analog/Digital-Wandlung unterzogen,
serialisiert und als Rohdaten an einen Bildrechner 11 übertragen,
der das Ergebnis einer Bildrekonstruktion auf der Anzeigeeinheit 12,
z. B. einem Videomonitor, darstellt. Auf diese Weise ist ein 3D-Übersichtbild
von dem Untersuchungsvolumen darstellbar, in dem ein Benutzer, in
der Regel ein Arzt, das zu untersuchende Gefäß markieren
kann. Die Berechnung des Flächenverhältnisses
erfolgt in der Querschnittsdarstellung des Gefäßes.
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Eine
solche Darstellung des Gefäßes im Querschnitt
ist in 2 gezeigt. Aufgrund einer Stenose ist es in dem
dargestellten Gefäßbereichs zu einer Verkleinerung
des Gefäßlumen gekommen, wobei die Stenose durch
Vermessung eines Flächenverhältnisses zwischen
einer das Gefäßlumen darstellenden ersten Region
und einer durch die Außenwand des Gefäßes
definierten zweiten Region für Diagnosezwecke quantitativ
erfasst werden muss.
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In
einem ersten Schritt wird zur Bestimmung des Flächenverhältnisses
die Konturlinie 22 zur ersten Region, in dem gezeigten
Beispiel also zur Region des Gefäßlumens, ermittelt
und gemäß der Darstellung in 2 in
das tomographische Bild 24 eingeblendet. Die Konturlinie 22 kann
dabei auf automatische Weise durch den Einsatz bekannter Segmentierungs-
und/oder Klassifikationsalgorithmen oder auch manuell durch den
Benutzer erfolgen. Die beiden Flächen der beiden Regionen
sind mit dem Bezugszeichen 20 und 21 versehen.
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Die
automatische Detektion bietet sich insbesondere dann an, wenn zur
besseren Sichtbarkeit des Gefäßlumens ein Kontrastmittel
eingesetzt wird, welches dem Patienten im Vorfeld der Untersuchung appliziert
wurde. In diesem Fall bildet sich die Region des Gefäßlumens
in dem tomographischen Bild 24 mit einem hohen Kontrast
gegenüber den umliegenden Strukturen ab, so dass auf Basis
eines Segmentierungsalgorithmus, der im einfachsten Fall eine Schwellwertbildung
in dem tomographischen Bild 24 realisiert, die Konturlinie 22 auf
sichere Art und Weise ermittelt wird. In den Fällen, in
denen eine automatisierte Detektion nicht oder nur schwer zu realisieren ist,
gibt der Benutzer zur Ermittlung der Konturlinie 22 manuell
einzelne Bildpunkte in dem tomographischen Bild 24 vor,
beispielsweise in dem der Benutzer mausgesteuert auf einzelne Bildpunkte
klickt. Durch den Einsatz eines Interpolationsverfahrens zwischen
den vom Benutzer vorgegebenen Bildpunkten wird abschließend
die Konturlinie 22 zur ersten Region ermittelt. Zur Interpolation
wird vorzugsweise ein Polynom höherer Ordnung eingesetzt,
damit der Konturverlauf stetig ist und damit sich der Konturverlauf
zwischen den angeklickten Bildpunkten möglichst gut dem
wahren Verlauf der Kontur anpasst.
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In
einem weiteren Schritt wird eine Kopie der ersten Konturlinie 25 erstellt
und, so wie in 3 gezeigt, in das tomographische
Bild 24 eingeblendet. Die kopierte Konturlinie 25 weist
eine Mehrzahl von Kontrollpunkten 26 auf, die von einem
Benutzer interaktiv in dem tomographischen Bild 24 verschoben werden
können, wobei nur eines der Kontrollpunkte mit einem Bezugszeichen
versehen ist. Auf diese Weise ist es möglich, die kopierte
Konturlinie 26 an die zweite Region, in dem gezeigten Beispiel
an die äußere Begrenzung des Gefäßes,
in exakter Weise anzupassen. Die an die zweite Region angepasste kopierte
Konturlinie 26 entspricht der zweiten Konturlinie.
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In 4 ist
die in das tomographische Bild 24 eingeblendete zweite
Konturlinie 23 dargestellt. Auf der Grundlage einer Auswertung
der beiden Konturlinien 22, 23 werden die Flächen 20, 21 zu
den Regionen und das Flächenverhältnis 31 berechnet.
Die Flächen sind beispielsweise durch die Anzahl derjenigen
Bildpunkte definiert, die von der jeweiligen Konturlinie 22 bzw. 23 umschlossen
werden. Die Berechnung der Flächen 20, 21 und
des Flächenverhältnisses 31 kann automatisch
dann erfolgen, nachdem der letzte Kontrollpunkt 26 durch
den Benutzer verschoben wurde. Die Berechnung könnte jedoch auch
durch ein anderes Ereignis getriggert werden. Beispielsweise wäre
es denkbar, dass der Benutzer ein entsprechendes Symbol auf einer
Menüleiste aktiviert.
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Das
Ergebnis der Berechnung des Flächenverhältnisses
wird in dem tomographischen Bild eingeblendet und kann darüber
hinaus durch eine Auto-Reporting-Funktion zügig dokumentiert
und von gängigen Textverarbeitungsprogrammen gelesen werden.
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In 5 ist
ein Ablaufdiagram für das Verfahren zur Berechnung des
Flächenverhältnisses dargestellt:
In einem
ersten Schritt 27 wird zur ersten Region eine erste Konturlinie
ermittelt. In einem zweiten Schritt 28 wird eine Kopie
der ersten Konturlinie erstellt und in dem tomographischen Bild
dargestellt. In einem dritten Schritt 29 wird zur zweiten
Region eine zweite Konturlinie in dem tomographischen Bild durch
interaktive Anpassung der kopierten Konturlinie an die zweite Region
erzeugt. In einem letzten Schritt 30 werden basierend auf
den ermittelten Konturlinien die Flächen der Regionen und
das Flächenverhältnis berechnet.
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Das
hier beschriebene Verfahren ist nicht auf die Untersuchung von Gefäßen
beschränkt. Es eignet sich zur Vermessung von anatomischen
Strukturen, wie beispielsweise Tumoren oder Polypen im Allgemeinen.
Diese semiautomatische Messfunktion erlaubt auch eine Quantifizierung
von Läsionen, zum Beispiel zur Planung von Stents oder
Gefäßprothesen.
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Neben
dem Einsatz eines Computertomographiegerätes können
auch andere Tomographiegeräte, beispielsweise Magnetresonanztomographiegeräte,
eingesetzt werden, mit denen tomographische Bilder erzeugbar sind.
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Zusammengefasst
kann Folgendes gesagt werden:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und ein Tomographiegerät 1 zur generischen Bestimmung
eines Flächenverhältnisses 31 von zwei
Regionen auf Basis ermittelter Konturlinien 22, 23 zu
den beiden Regionen, wobei die Ermittlung der zweiten Konturlinie 23 durch
Anpassung einer Kopie der ersten Konturlinie 25 an die
zweite Region erfolgt. Da bei Gefäßuntersuchungen
die eine Region im Gefäßquerschnitt meist vollständig
innerhalb der anderen Region enthalten ist und die Konturen der
beiden Regionen geometrisch dicht beieinander liegen, kann nach
Ermittlung der ersten Konturlinie 22 die erstellte Kopie 25 mit
geringem Aufwand an die zweite Region angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004036726
A1 [0006]