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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Visualisierung
eines Bilddatensatzes eines einen Hohlraum umschließenden Organs, insbesondere
eines CT-Bilddatensatzes eines Kolons.
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Die
frühzeitige
Erkennung von Darmkrebs ist häufig
sehr schwierig, da die colorektalen Karzinome oder Darmtumore sehr
selten Symptome verursachen. Die colorektalen Karzinome entstehen
fast immer aus anfangs gutartigen Darmpolypen, welche rechtzeitig
entfernt werden müssen,
bevor sie kanzerogen werden. In den letzten Jahren wurde alternativ zur
Darmspiegelung die virtuelle Kolonographie als eine nicht invasive
Methode zur Diagnostizierung von Kolon-Polypen entwickelt. Die Prozedur
basiert auf einer Visualisierung eines mittels Computertomographie
erhaltenen 3D-Bilddatensatzes von dem abdominalen Bereich eines
Patienten. Im Vorfeld der Untersuchung wird für gewöhnlich das Kolon gereinigt und
Stuhlreste werden mit Hilfe eines Kontrastmittels markiert. Während der
Untersuchung wird Kohlenstoffdioxyd durch einen kleinen Katheter
in das Kolon eingeführt,
um eine bessere Rekonstruktion der Darmwände zu ermöglichen.
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Zur
Visualisierung der Daten werden heutzutage mehrere Methoden angewendet.
Eine dieser Methoden umfasst den so genannten „Fly-Through"-Visualisierungsmodus,
bei dem eine virtuelle Kamera, die zur 3D-Visualisierung dient, ähnlich wie bei
einer Darmspiegelung entlang des geschlossenen Kolons bewegt wird.
Gemäß einer
alternativen Methode, die so genannte „Colon-Flattening", werden die Innenwände des
Kolons als eine Ebene dargestellt. Nachteilig bei dieser Methode
ist jedoch, dass sie komplizierte Vorverarbeitungsschritte erfordert,
wodurch sie rechnerisch aufwendig ist. Zusätzlich werden die Kolonwände durch
ihre Darstellung in einer Ebene verzerrt, so dass die Erkennung
von kleinen oder flachen Polypen erschwert ist. Eine kombinierte
Methode ist in der
US
2008/0055308 A1 beschrieben. Eine virtuelle Kamera wird
entlang der Mittellinie eines Kolons bewegt und die Innenwände des Kolons
können
sowohl in einem perspektivischen als auch in einem entfalteten,
flachen Bild dargestellt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige und
rechnerisch wenig aufwändige Visualisierung
eines Bilddatensatzes eines einen Hohlraum umschließenden Organs,
insbesondere eines CT-Bilddatensatzes eines Kolons, anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Visualisierung eines Bilddatensatzes eines einen
Hohlraum umschließenden Organs,
insbesondere eines CT-Bilddatensatzes eines Kolons, bei dem
- – eine
virtuelle Betrachterposition außerhalb
des Organgewebes definiert wird,
- – anhand
des Bilddatensatzes eine Grenzfläche zwischen
dem Organgewebe und dem Hohlraum bestimmt wird,
- – von
der Mitte des Hohlraums lokale Gradienten, welche den Anstieg des
Absorptionsverhaltens zwischen einem im Hohlraum enthaltenen Gas und
dem Organgewebe angeben, ermittelt werden,
- – von
der Betrachterposition aus ein Suchstrahl definiert wird und ein
Winkel zwischen dem Suchstrahl und den Gradienten bestimmt wird,
- – in
Abhängigkeit
des Winkels bei der Visualisierung dem Organgewebe ein Transparenzwert
zugewiesen wird, und
- – eine
der Betrachterposition zugewandte Seite des Organs, insbesondere
für einen
Winkel < 90°, zumindest
teilweise transparent dargestellt wird, um eine Sicht auf eine Innenwand
der der Betrachterposition abgewandten Seite des Organs zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur
Durchführung des
Verfahrens.
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Entscheidend
für die
Erkennung der Polypen ist, dass eine gute und möglichst unverdeckte Sicht auf
die Koloninnenwand gewährleistet
ist. Um dies zu ermöglichen,
bietet die Erfindung ein völlig
neues Konzept, bei dem die Koloninnenwände in ihrer originalen Form
dargestellt werden und ihre Untersuchung möglich ist, indem Gewebe des
Kolons, welches die Sicht von der Betrachterposition aus verdeckt,
teilweise oder vollständig
transparent angezeigt wird.
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In
einem ersten Schritt wird dabei die virtuelle Betrachterposition
definiert, welche im Hinblick auf eine einfachere Auswertung des
Bilddatensatzes sich außerhalb
des dargestellten Organgewebes befindet.
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In
einem weiteren Schritt wird die Grenzfläche zwischen dem Organgewebe,
hier dem Kolongewebe, und einem im Hohlraum enthaltenen Gas, in diesem
Fall Kohlenstoffdioxyd, bestimmt. Bei dem Algorithmus zum Auswerten
der Bilddaten ist es vorgesehen den einfachen Intensitätsgradient,
welcher den Unterschied in dem Absorptionsverhalten des im Hohlraum
enthaltenen Gases und des Organgewebes angeben, in allen drei Raumrichtungen
zu berechnen. Da das Gas eine deutlich kleinere Dichte als das Gewebe
aufweist und entsprechend einen viel kleineren Anteil der Röntgenstrahlen
während
des CT-Scans absorbiert, zeigen diese Gradienten immer nach außen.
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Anschließend wird
von der Betrachterposition aus ein virtueller Suchstrahl definiert,
welcher die Blickrichtung angibt und das Organgewebe schneiden.
Schrittweise werden dabei die Winkel zwischen dem Suchstrahl und
den zuvor ermittelten Gradienten bestimmt. Für Gewebebereiche welche auf
der der Betrachterposition zugewandten Seite des Kolons liegen,
schließen
die Gradienten einen Winkel mit dem Suchstrahl ein der < 90° ist. Entsprechend gilt
für die
der Betrachterposition abgewandte Seite des Kolons, dass die Winkel
zwischen den Gradienten und dem Suchstrahl in diesem Bereich > 90° sind.
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Anhand
dieser Information kann ermittelt werden, welche Pixel der computerisierten
Darstellung des Kolons auf der Seite der Betrachterposition in Blickrichtung
liegen und welche nicht. Entsprechend können die Bereiche des Kolons,
welche die Sicht von der Betrachterposition verdecken, ausgeblendet
werden, so dass lediglich die dahinter liegende Innenwand des Kolons
angezeigt wird. Dabei wird eine der Betrachterpositi on zugewandte
Seite des Organs, insbesondere für
einen Winkel < 90°, zumindest
teilweise transparent dargestellt, um die Sicht auf eine Innenwand
der der Betrachterposition abgewandten Seite des Organs zu ermöglichen.
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Um
eine Darstellung nur der inneren Colonwand zu erhalten, in welcher
Darstellung z. B. die Grenze zwischen der Hautoberfläche und
der Luft ausgenommen ist, wird vorzugsweise bei der Bestimmung der
Grenzfläche
eine Vorauswahl der darzustellenden Region getroffen, indem eine
binäre
Maske des Organgewebes an der Grenzfläche erzeugt wird. Die Erzeugung
der binären
Maske erfolgt im Rahmen eines Vorverarbeitungsschritts insbesondere
durch eine explizite Segmentierung des Datensatzes, bei der dem
Kohlenstoffdioxyd im Kolon der Wert 0 und dem Organgewebe der Wert
1 zugewiesen wird. Dadurch ist eine besonders klare Grenze zwischen
dem Hohlraum und dem Organgewebe ermittelt, welche zur Maskierung
des zu darstellenden Bereichs angewendet wird.
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Nach
einer bevorzugten Variante wird die das Organ angebende Maske durch
einen Erfahrungswert für
die Dicke des Organgewebes erweitert. Dies bedeutet, dass nicht
nur die Grenzfläche
zwischen dem Hohlraum und dem Organgewebe ausgegeben wird, sondern
dass die Region im Datensatz, welche dem Kolon entspricht, von der
binären
Maske umfasst ist. Dies wird gemacht, um zu garantieren, dass die
gesamte Kolonwand dargestellt wird. Darüber hinaus wird dank der Maske
aus dem umfangreichen Datensatz nur das zu untersuchende Organ ausgewählt und
visualisiert, wodurch der Rechenaufwand und die Rechenzeit deutlich
reduziert werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Variante wird die Maske als ein Unterdatensatz
gespeichert. Somit wird nach dem Vorverarbeitungsschritt ein zweiter
Datensatz erhalten, welcher getrennt von dem ursprünglichen
Datensatz gespeichert ist, so dass keine Information verloren geht
und der ursprüngliche
Datensatz weiterhin zur Auswertung und Visualisierung herangezogen
werden kann.
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Bevorzugt
wird bei der Darstellung des Organs innerhalb der vorausgewählten Region
eine implizite Segmentierung des Bilddatensatzes durchgeführt. Bei
einer Bildbearbeitung wird der Volumendatensatz im Allgemeinen durch
die Segmentierung in mehrere Regionen aufgeteilt, die in Bezug auf
ihre Eigenschaften, wie z. B. in Bezug auf ihre Dichte oder Absorptionsverhalten,
homogen sind. Grundlage der impliziten Segmentierung stellt die
Annahme dar, dass sich aus dem Datensatz ein oder mehrere Merkmale
für jedes
Element des Datensatzes berechnen lassen und dass diese Merkmale
zu einer bestimmten exklusiven Klasse gehören. Somit lassen sich bei der
Visualisierung die unterschiedlichen Materialien oder Gewebearten
auch unterschiedlich darstellen. Bei der impliziten Segmentierung
werden daher bei der Visualisierung „homogene" Bereiche des Volumendatensatzes gleichartig
dargestellt. Allein die implizite Segmentierung reicht jedoch nicht
aus, um die dem Betrachter zugewandten, von der dem Betrachter abgewandten
Seite des Kolons unterscheiden zu können. Aus diesem Grund wird
die implizite Segmentierung gemäß dem beschriebenen
Verfahren durch die Bestimmung der lokalen Gradienten ergänzt.
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Vorteilhafterweise
wird bei der impliziten Segmentierung eine Direkte-Volumen-Rendern-Technik
(engl. direct volume rendering, DVR) angewendet. In der Medizin,
insbesondere bei der Visualisierung von 3D-Volumensätzen, die
z. B. durch Computertomographie erhalten werden, liefern indirekt
dreidimensionale Verfahren, wie z. B. die „surface-rendering"-Technik häufig unzureichende
Qualität
der Darstellung. Um die Qualität
zu verbessern, wird hierbei daher die DVR-Technik angewendet, bei der
die Information zur Bilddarstellung direkt dem ursprünglichen
3D-Datensatz entnommen wird.
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Nach
einer bevorzugten Variante ist der Transparenzwert einstellbar.
Der Transparenzwert kann insbesondere analoge Werte zwischen 0 für eine vollständige Opazität und 1
für eine
vollständige Transparenz
aufweisen. Diese Werte sind insbesondere benutzerdefiniert und können bei
der Visualisierung jederzeit manuell geändert werden. Darüber hinaus
kann ein Benutzer den unterschiedlichen Bereichen des Kolons unterschiedliche
Transparenzwerte zuordnen.
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Um
eine problemlose Untersuchung der gesamten Innenwand des Kolons
zu ermöglichen,
ist die Betrachterposition nach einer weiteren bevorzugten Variante
bei der Visualisierung veränderbar.
Hierbei kann das Kolon von unterschiedlichen Seiten und Winkellagen
betrachtet werden, wodurch stets eine andere Stelle der Innenwand
sichtbar ist. Die Betrachterposition kann insbesondere durch den
Benutzer definiert und geändert
werden. Bei dem vorliegenden Verfahren ist es insbesondere möglich, die virtuelle
Kamera in beiden Richtungen entlang des Kolons zu bewegen, so dass
sie um das Kolon einen Kreis beschreibt, wodurch die gesamte Innenfläche des
Kolons umfasst werden kann.
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Um
einen 3D-Eindruck zu ermitteln, welche die Diagnositizierung deutlich
erleichtert, wird vorteilhafterweise eine Aufbereitung eines mit
Hilfe des Datensatzes erzeugten Bildes durchgeführt. Dabei werden den unterschiedlichen
Materialien und Geweben sowie Bereichen des Kolons z. B. verschiedene
Farben, Beleuchtung und Schattierung zugewiesen, welche eine möglichst
realitätsnahe
Darstellung gewährleisten.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 schematisch
ein Computertomographie-System zum Erzeugen eines Bilddatensatzes,
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2 in
einem Blockschaltbild die Verfahrensschritte zur Visualisierung
des Bilddatensatzes, und
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3 einen
Querschnitt durch ein Kolon mit einer angezeigten Betrachterposition
außerhalb
des Kolons.
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In
den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
ein Computertomographie-System 1 gezeigt, mit dessen Hilfe
ein Bilddatensatz B des Abdominalbereichs eines Patienten 7 gewonnen wird.
Der Bilddatensatz B dient zur Untersuchung des Kolons C (siehe 3)
des Patienten 7. Zur verbesserten Bildgebung wird in das
Kolon Kohlenstoffdioxyd eingeführt.
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Das
Computertomographie-System 1 umfasst eine Gantry mit einer
kreisförmig
umlaufenden Röntgenröhre 2 und
einem gegenüberliegenden
Detektor 3. Der Patient 7 ist auf einer Patientenliege 6 positioniert,
um zum Scanvorgang in die Öffnung
des Computertomographie-Systems 1 hineingefahren zu werden.
Während
des Scanvorgangs, bei dem sich die Röntgenröhre 2 kreisförmig um
den Patienten 7 bewegt, findet eine Relativbewegung des
Patienten in Richtung einer Systemachse 4 statt. Dabei
kann relativ zum Patienten 7 eine Spiralabtastung erfolgen,
oder der Patient 7 kann auch durch sequentielles Vorwärtsverschieben
während
einer Abtastpause in vielen kreisförmigen Bewegungen der Rohre 2 abgetastet
werden.
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Die
Steuerung des Computertomographie-Systems 1 geschieht durch
eine Steuer- und Recheneinheit 9 über eine Steuerdatenleitung 10. Über die
Steuerdatenleitung 10 werden außerdem die durch den Detektor 3 gesammelten
Daten zum Rechner 9 übertragen.
Die Steuer- und Recheneinheit 9 verfügt über interne Speicher und Rechenprozessoren, über die
mehrere Programme zur Steuerung des Computertomographie-Systems 1 und
zur Auswertung des beim Scanvorgang gewonnenen Datensatzes B erfolgen.
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Mit
Hilfe des Computertomographie-Systems 1 wird in einem ersten
Schritt S1 der Bilddatensatz B gewonnen,
welcher Information über
das Kolon des Patienten 7 enthält. Als nächstes wird im Schritt S2 die Betrachterposition P (siehe 3)
außerhalb
des Kolongewebes definiert. Im darauf folgenden Vorverarbeitungsschritt
S3 wird eine explizite Segmentierung des
Kohlenstoffdioxyds im Kolon durchgeführt, um die Grenzfläche zwischen
dem Kolongewebe und dem im Kolon enthaltenen Kohlendioxyd zu bestimmen.
Die daraus resultierende binäre Maske
M, welche das Kolongewebe angibt, ist zudem um einen bekannten Wert
für die
Dicke des Kolons erweitert, um sicherzugehen, dass das die Grenzfläche umgebende
Kolongewebe in die Maske M aufgenommen wird. Durch diese Handlung
entsteht ein Unterdatensatz U, welcher Informationen nur über das
Kolongewebe enthält
und im Schritt S4 getrennt vom ursprünglichen
Bilddatensatz B gespeichert wird.
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Nach
der binären
Maskierung des ursprünglichen
Volumendatensatzes B erfolgt im Schritt S5 eine
implizite Segmentierung der Kolonwand, welche auf bekannte Weise
durch die Anwendung einer Transferfunktion zur Visualisierung der
Grenze zwischen Kohlenstoffdioxyd und dem Gewebe vollbracht wird.
Die implizite Segmentierung erfolgt hierbei mittels der DVR-Technik,
ohne dass aufwändige
Vorverarbeitungsschritte erforderlich sind.
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Nach
der impliziten Segmentierung ist jedoch immer noch keine direkte
Sicht auf die Innenfläche
des Kolons möglich,
da die Segmentierung mit der Transferfunktion nicht ausreichend
ist, damit ein Betrachter in der Betrachterposition P, welche in 3 durch
eine Auge schematisch angegeben ist, zwischen der zugewandten und
der abgewandten Seite des Kolons C unterscheiden kann. Vor diesem Hintergrund
erfolgt im Schritt S6 für jedes Pixel, welches die
Kolonwand darstellt, eine Berechnung, ob sich das Pixel auf der
dem Betrachter zugewandten oder abgewandten Seite des Kolons C befindet.
Hierzu werden die lokalen Gradienten oder Intensitätsgradienten
G bestimmt, welche den Anstieg der Dichte bzw. des Absorptionsverhaltens
an der Grenze zwischen dem Kohlenstoffdioxyd und dem Kolongewebe
angeben. Da das Kolon mit Kohlenstoffdioxyd gefüllt ist und das Kolongewebe
ein größeres Absorptionsverhalten
als das Gas aufweist, zeigen die Gradienten G stets nach außen, wie
dies in 3 gezeigt ist.
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In
dem Schnitt durch das Kolon C gemäß 3 ist mittels
des vorderen, geschlossenen Rings die Begrenzungslinie 12 zwi schen
der Kolonaußenseite 14 und
der Koloninnenseite oder -innenwand 16 angegebenen. Das
innerhalb der Begrenzungslinie 12 sichtbare Gewebe, welches
sich von der Zeichnungsebene aus gesehen nach hinten erstreckt, weist
mehrere Dunkellinien auf, welche die Falten 18a, 18b, 18c der
Innenwand 16 darstellen. Ähnlich wie die Innenseite 16 weist
die Außenwand 14 des Kolons
C eine stark geriffelte Oberfläche
mit vielen Falten auf. Die Betrachterposition P ist seitlich des Kolons
C definiert, so dass der Blickwinkel von der Betrachterposition
P aus sich um 90° vom
der Blickrichtung gemäß 3 unterscheidet.
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Anschließend wird
bei der Auswertung des Bilddatensatzes B aus der Betrachterposition
B in Blickrichtung auf das Kolon C ein Suchstrahl S definiert, welcher
das Kolongewebe C schneidet. Im Schritt S7 wird
dann für
jedes Pixel an der Außenwand 14 des
Kolons C der Winkel α zwischen
dem gezeigten Suchstrahl S und dem lokalen Gradient G durch dieses
Pixel bestimmt. Für
den Suchstrahl S ist der Winkel α für Punkte
an der Oberfläche
des Kolons C, welche die Sicht auf die Innenwand 16 des Kolons
C verdecken, kleiner als 90°.
In analoger Weise ist der Winkel α für Punkte
auf der dem Betrachter abgewandten Seite des Kolons C größer als
90°.
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Nachdem
der jeweilige Winkel α bekannt
ist, wird den Bereichen des Kolons C, welche die Sicht auf die Innenwand 16 verdecken,
im Schritt S8 ein Transparenzwert zugewiesen.
Insbesondere wird Pixeln mit einem Winkel α < 90° ein
Transparenzwert von 1 zugewiesen, so dass diese komplett ausgeblendet
werden und eine freie Sicht auf die Innenwand 16 der dem
Betrachter im Punkt P zugewandten Seite des Kolons C geschaffen
wird. Der Transparenzwert variiert hierbei zwischen 0 für ein vollständig blickdichtes
Gewebe und 1 für
ein vollständig transparentes
Gewebe, wobei die Transparenz bzw. Opazität des Gewebes von einem Benutzer
eingestellt werden kann. Beispielsweise kann der Transparenzwert
in Abhängigkeit
von dem Betrag des Winkels gewählt
werden.
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Bei
der Bildaufarbeitung werden außerdem den
einzelnen Pixeln unterschiedliche Farben, Intensität, Beleuchtung
und Schattierung im Schritt S9 zugewiesen.
Dadurch wird insbesondere ein 3D-Eindruck bei der Darstellung des
Kolons C vermittelt.
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Im
letzten Verfahrensschritt S10 erfolgt die
Visualisierung des Kolons C. Das beschriebene Verfahren ermöglicht eine
schnelle und detailgenaue Visualisierung der Innenwand 16 des
Kolons C mit einer hohen Bildqualität. Während die DVR-Technik lediglich
eine Darstellung der Außenwand 14 des
Kolons C ermöglicht,
ist nach dem Ausblenden von Teilen des Kolons C die Untersuchung
der Innenwand 16 von unterschiedlichen Betrachterpositionen
möglich.
Unabhängig
von der Betrachterposition ist die Innenwand 16 des Kolons
C immer sichtbar und Pathologien können entdeckt werden, indem
die Betrachterposition P um das Kolon C gedreht wird. Bei der Untersuchung
kann das Kolon C dabei um mehrere Achsen gedreht werden und herangezoomt
werden, so dass die genaue Betrachtung von einzelnen, vergrößerten Wandabschnitten
vereinfacht ist. Insgesamt kann dieses Verfahren als eine schnelle,
globale Übersicht
zur Detektion von Polypen mit anderen Untersuchungsmethoden verknüpft werden.
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Das
vorliegende Verfahren wurde anhand der Visualisierung eines Bilddatensatzes
eines Kolons erläutert.
Das Verfahren kann jedoch zur Darstellung der Innenwand 16 von
weiteren, insbesondere rohrförmigen
Organen, verwendet werden. Wichtigste Voraussetzung hierfür ist lediglich,
dass ein Gradient zwischen einem in Inneren des Organs enthaltenen
Mediums und dem Organgewebe gebildet wird, mit dessen Hilfe die
Zuweisung der Transparenzwerte erfolgen kann, so dass lediglich
die Innenwand 16 des Organs angezeigt wird.