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Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Medizintechnik und betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Visualisierung tubulärer anatomischer Strukturen, insbesondere Gefäßstrukturen, in medizinischen 3D-Bildaufnahmen. Derartige 3D-Bildaufnahmen, bzw. entsprechende 3D-Bilddaten, lassen sich mittels bekannter, bildgebender medizinischer Verfahren, wie beispielsweise der Computertomographie (CT), der Kernspinresonanztomographie (NRT), der Magnetresonanztomographie (MRT), oder der Sonographie gewinnen. Dabei wird typischerweise ein Stapel von 2D-Schnittbildaufnahmen eines Untersuchungsobjektes, das die tubuläre anatomische Struktur aufweist, erzeugt. Der Stapel von 2D-Schnittbildaufnahmen bildet somit die 3D-Bilddaten.
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Die Befundung von medizinischen 3D-Bildaufnahmen wird heute überwiegend anhand visuell dargestellter 2D-Schnittbilder durchgeführt, die auf Basis der aufgenommenen 3D-Bilddaten erzeugt werden. Diese Praxis findet auch dann Anwendung, wenn die in den 3D-Bildaufnahmen zu analysierenden Strukturen eine tubuläre Geometrie aufweisen. Beispiele tubulärer Strukturen sind tubuläre Hohlorgane, wie das Kolon, oder Gefäße, wie bspw. die Aorta oder die Koronargefäße. In den zu letzt genannten Fällen steht bei der Befundung der tubulären Strukturen insbesondere die Analyse von krankhaften Veränderungen, zumeist an den Innenwänden der tubulären Struktur im Mittelpunkt. Als Beispiel sei hier eine stenotische Region in einem Gefäßabschnitt genannt. Aus medizinischer Sicht gilt es dabei herauszufinden, in wieweit die verengte Region einen Einfluss auf die medizinische Gesamtfunktion des Gefäßabschnitts hat. Im vorliegenden Beispiel der Gefäßverengung bedeutet dies, dass der Arzt die 3D-Bildaufnahme dahingehend analysiert, ob trotz Gefäßverengung durch das Gefäß noch genügend Blut fliesen kann, damit bspw. der Herzmuskel noch ausreichend mit Sauerstoff versorgt wird.
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Für die Befundung von tubulären Strukturen wird im Stand der Technik, in den aufgenommenen 3D-Bilddaten eine Mittellinie (engl. „centerline”) ermittelt, die die in den 3D-Bilddaten abgebildete 3-dimensionale tubuläre Struktur repräsentiert. Hierzu werden im Stand der Technik bekannte Skelettierungs- oder Verdünnungsverfahren verwendet. Diese Mittellinie dient als „Pfad” für die Visualisierung der tubulären anatomischen Struktur mit 2D-Schnittbildern. Das heißt, zu einem manuell selektierbaren Punkt der Mittellinie werden im Allgemeinen ein im selektierten Punkt orthogonal zur Mittellinie stehendes 2D-Querschnittsbild (Cross Section) der tubulären Struktur und zwei 2D-Schnittbilder mit tangentialen Schnittebenen berechnet und visuell angezeigt. Zumeist sind dabei die Schnittebenen des 2D-Querschnittsbildes und der zwei 2D-Schnittbilder senkrecht zueinander angeordnet. Durch wiederholtes Selektieren von Punkten der Mittellinie werden entsprechende, den jeweils selektierten Punkten zugeordnete 2D-Schnittbilder und/oder 2D-Querschnitssbilder erzeugt und angezeigt. Insbesondere beim kontinuierlichen Selektieren nebeneinander hegender Punkte der Mittellinie, entsprechend bspw. eines kontinuierlichen Vor- und Zurückbewegens entlang der Mittellinie, kann die tubuläre Struktur mittels der dabei jeweils angezeigten 2D-Schnittbilder kontinuierlich befundet werden.
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Im Stand der Technik ist hierzu die Druckschrift
US 6,643,533 B2 bekannt. Diese Druckschrift offenbart ein Verfahren zur Darstellung von Gefäßstrukturen, bei dem in 3D-Bilddaten für eine interessierende Gefäßstruktur eine Gefäßmittellinie ermittelt wird. Bei dem Verfahren wird weiterhin für einen auf der Mittellinie selektierten Punkt eine Konturlinie der Gefäßstruktur in einer senkrecht zur lokalen Mittelline stehenden Konturebene ermittelt. Weiterhin wird für eine Bildebene, welche auf der Konturebene senkrecht steht ein Bild erzeugt und dargestellt.
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Bei den bekannten Verfahren ergeben sich folgende Probleme: Das Ermitteln der Mittellinie ist bei den bekannten Verfahren mit einem erheblichen Zeitaufwand verbunden. Eine vollständige Ermittlung aller Mittellinien, bspw. bei weit verzweigten Gefäßstrukturen ist häufig nicht möglich, so dass in diesen Fällen ein aufwendiges Nachsegmentieren erforderlich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Sichtung tubulärer anatomischer Strukturen, insbesondere Gefäßstrukturen, in medizinischen 3D-Bildaufnahmen anzugeben, bei dem die vorstehend beschriebenen Probleme vermieden werden und ein schnelleres und zuverlässigeres Befunden tubulären anatomischen Strukturen ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß umfasst das verfahren zur Sichtung tubulärer anatomischer Strukturen, insbesondere Gefäßstrukturen, in medizinischen 3D-Bildaufnahmen folgende Schritte:
- Schritt a): Bereitstellen von 3D-Bilddaten der tubulären anatomischen Struktur. Die 3D-Bilddaten sind dabei typischerweise mittels eines bildgebenden medizinischen Verfahrens, bspw. der Computer- Kernspinresonanz-, Magentresonanztomographie, oder der Sonographie erzeugt worden. Grundsätzlich lässt sich das Verfahren auf alle 3D-Bilddaten anwenden, in denen tubuläre Strukturen abgebildet sind, die untersucht werden sollen.
- Schritt b): Anzeigen eines ersten Bildes der tubulären anatomischen Struktur auf Basis der 3D-Bilddaten. Die Anzeige erfolgt typischerweise auf einem Monitor oder Bildschirm. Natürlich eignen sich hierfür weitere, dem Fachmann bekannte Anzeigemittel. Das erste Bild kann dabei in jeder Darstellungsform der tubulären anatomischen Struktur, bspw. als 2D-Schnittbild, als Volumendarstellung, etc. angezeigt werden.
- Schritt c): In den 3D-Bilddaten Selektieren eines der tubulären Struktur zugeordneten Bildvoxels V auf Basis des ersten Bildes. Das Selektieren des Bildvoxels V kann automatisiert oder durch manuelle Eingabe erfolgen. Vorzugsweise erfolgt ein manuelles Selektieren des Bildvoxels V durch eine Bedienperson mittels einer Eingabeeinheit, bspw. einer Computer-Mouse, einer Tastatur, eines Schiebereglers oder einer Sprachsteuerungseinheit.
- Schritt d): In einem vorgebbar begrenzten, das Bildvoxel V enthaltenden Bereich der 3D-Bilddaten, Ermitteln einer Mittellinie der tubulären anatomischen Struktur. Somit wird die Mittellinie anstatt in den gesamten 3D-Bilddaten lediglich für einem stark begrenzten Teil der 3D-Bilddaten ermittelt. Der begrenzte Bereich der 3D-Bilddaten wird vorzugsweise durch einen vorgebbar lokal begrenzten Volumenbereich im Objektraum, d. h. im Raum des abgebildeten Objektes mit der tubulären Struktur, definiert. Der lokal begrenzte Volumenbereich im Objektraum kann grundsätzlich jede beliebige Form aufweisen. In einer Ausführungsform des Verfahrens weist der lokal begrenzte Volumenbereich im Objektraum eine Kugelform auf, die durch einen Radius r um die Position des Bildvoxels V im Objektraum definiert wird. Zu dem begrenzten Bereich der 3D-Bilddaten zählen in diesem Falle alle 3D-Bildvoxel, deren Abstand vom Bildvoxel V im Objektraum gleich oder kleiner dem Radius r ist. In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens weist der lokal begrenzte Volumenbereich im Objektraum eine Begrenzung in Form eines Polyeders, insbesondere eines Quaders oder eines Kubus, auf. Vorzugsweise entsprechen die Dimensionen des lokal begrenzten Volumens im Objektraum einem Vielfachen, insbesondere dem 5 bis 30-fachen, des maximalen Querschnitts der in den 3D-Bilddaten abgebildeten tubulären anatomischen Struktur. Entsprechende maximale Querschnitte sind dem Fachmann bekannt, so dass diese bspw. in Form einer Tabelle vorgebbar sind.
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Das Ermitteln der Mittellinie in dem begrenzten Bereich der 3D-Bilddaten erfolgt mit im Stand der Technik bekannten Verfahren, vorzugsweise mittels Segmentieren und anschließendem Skelettieren oder mittels einer Grauwertanalyse.
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Durch das Ermitteln eines kurzen Mittellinienstücks in dem begrenzten Bereich der 3D-Bilddaten wird der damit verbundene Rechenaufwand bzw. damit einhergehende Zeitaufwand gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert.
- Schritt e): Selektieren eines Punktes F der Mittellinie. Das Selektieren des Punktes F kann automatisiert oder durch manuelle Eingabe erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das manuelle Selektieren des Punktes F durch eine Bedienperson mittels einer Eingabeeinheit, bspw. einer Computer-Mouse, einer Tastatur, etc.
- Schritt f): Erzeugen eines oder mehrerer, dem Punkt F zugeordneter 2D-Schnittbilder, wobei die 2D-Schnittbilder in den 3D-Bilddaten jeweils eine Schnittebene repräsentieren. Vorzugsweise sind die Schnittebenen orthogonal zueinander angeordnet.
- Schritt g): Anzeigen der 2D-Schnittbilder. Das Anzeigen der 2D-Schnittbilder in Schritt g) erfolgt vorzugsweise auf einem oder mehreren Monitoren oder Bildschirmen.
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Zur Sichtung einer 3D-Bildaufnahme einer tubulären anatomischen Struktur erfolgt somit zunächst ein Vorgeben (Selektieren) eines Bildvoxels V, das der abgebildeten tubulären Struktur zugeordnet ist. Anschließend wird, ausgehend vom Bildvoxel V, in dem begrenzten Bereich der 3D-Bilddaten, bspw. mittels einer lokal günstigsten Pfadsuche, eine Mittellinie, vorzugsweise entlang beider Richtungen der Längserstreckung der betrachteten tubulären Struktur, ermittelt. Alternativ kann das Ermitteln der Mittellinie ausgehend vom Bildvoxel V auch in nur einer Richtung entlang der tubulären Struktur erfolgen. Nach dem Ermitteln der Mittellinie wird ein Punkt F der Mittellinie selektiert, für den bspw. orthogonale und/oder tangentiale Schnittebenen ermittelt und dargestellt werden.
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Um eine kontinuierliche Befundung der tubulären Struktur entlang der ermittelten Mittellinie zu ermöglichen, wird weiterhin erfindungsgemäß, nach Schritt g) das Verfahren beginnend mit Schritt e) wiederholt durchlaufen. Das erneute Selektieren eines neuen Punktes F' erfolgt bspw. mittels des Mausrades einer Computer Maus oder mittels einer Tastatur. Somit kann ein befundender Arzt ausgehend von einer initialen Position des Punktes F, durch definierte Interaktion erneut den Punkt F' entlang der Mittellinie festlegen. Werden dabei jeweils benachbarte Punkte F der Mittellinie ausgewählt, so erfolgt ein kontinuierliches „Wandern” entlang der Mittellinie, wobei für jeden selektierten Punkt F entsprechende 2D-Schnittbilder ermittelt und angezeigt werden. Dabei erfolgt in Schritt g) das Anzeigen der dem Punkt F' zugeordneten 2D-Schnittbilder erst nach einem Anzeigen von 2D-Schnittbildern, die sich durch Interpolation zwischen den 2D-Schnittbildern, die dem Punkt F zugeordnet sind, und den 2D-Schnittbildern, die dem Punkt F' zugeordnet sind ergeben.
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Soll eine andere Stelle der in den 3D-Bilddaten abgebildeten tubulären Struktur befundet werden, für die bisher keine Mittellinie ermittelt wurde, so wird vorzugsweise nach einem Schritt g) das Verfahren beginnend mit Schritt c) wiederholt durchlaufen, wobei das erneute Selektieren eines der tubulären Struktur zugeordneten Bildvoxels V auf Basis des ersten Bildes oder auf Basis eines in Schritt h) angezeigten 2D-Schnittbildes erfolgen kann.
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Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens ergibt sich dadurch, dass auf sehr schnelle Art und Weise interaktiv 3D-Bilddaten gesichtet werden können, ohne für die gesamten 3D-Bilddaten eine Segmentierung und Skelettierung durchzuführen. Scheitert bei herkömmlichen Verfahren die Ermittlung einer Mittellinie oder ist die Rechenzeit hierfür sehr lang, so ist eine interaktive Befundung der tubulären Struktur nicht mehr sinnvoll möglich. Genau hier liegen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jede tubuläre Struktur in Echtzeit interaktiv befundet werden. Durch die interaktive Arbeitsweise kann beim „Wandern” entlang der Mittellinie, jederzeit durch ein „Anklicken” einer neuen Position im angezeigten Bild der tubulären Struktur (entspricht einem Selektieren eines neuen Bildvoxels V in Schritt c)), die Sichtung der 3D-Bilddaten beeinflusst und korrigiert werden und somit ein andere Abschnitt der tubulären Struktur gesichtet werden.
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Um ein „Springen” der Anzeige der 2D-Schnittbilder bei der Selektion eines neuen Bildvoxels (V) bzw. eines neuen Punktes (F') zu vermeiden, werden erfindungsgemäß nicht unmittelbar die neuen lokal bestimmten 2D-Schnittbilder F' angezeigt, sondern ausgehend von den zuvor dargestellten 2D-Schnittbildern F, Schnittbilder durch Interpolation aus den Schnittbildern F und F' ermittelt und angezeigt, so dass der Eindruck eines allmählichen Übergangs von den Schnittbildern F zu den Schnittbildern F' (Hineindrehen) entsteht.
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Das beschriebene interaktive Verfahren erlaubt eine schnellere Befundung, ist deutlich benutzerfreundlicher und somit effizienter als bekannte Verfahren.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Unteransprüchen sind in den folgenden schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 schematische Darstellung der in den 3D-Bilddaten 200 abgebildeten tubulären Struktur 201 im Objektraum
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2 schematische Darstellung Bildvoxels V und des lokal begrenzten Volumenbereichs 202 im Objektraum
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3 schematische Darstellung der im begrenzten Bereich der 3D-Bilddaten 200 ermittelten Mittellinie 203 im Objektraum
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4 schematisiertes Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens
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1 zeigt eine schematische Darstellung der in den bereitgestellten 3D-Bilddaten 200 abgebildeten tubulären Struktur 201 im Objektraum.
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2 zeigt zusätzlich zu der 1 das innerhalb der tubulären Struktur 201 selektierte Bildvoxel V und den davon abhängig vorgegebenen lokal begrenzten Volumenbereich 202 im Objektraum. Im vorliegenden Fall, hat der lokal begrenzte Volumenbereich 202 die Form eines Kubus. Die Dimension des Kubus, respektive die Dimensionen des lokal begrenzten Volumenbereichs 202 liegen vorzugsweise bei einem Vielfachen, insbesondere dem 5 bis 30-fachen, des maximalen Querschnitts der in den 3D-Bilddaten abgebildeten tubulären anatomischen Struktur. Diese Größenverhältnisse sind jedoch in 2 nicht zu entnehmen.
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3 zeigt zusätzlich zu der 2 die für den begrenzten Bereich der 3D-Bilddaten 200 ermittelte Mittellinie 203, sowie den entlang der Mittellinie 203 selektierten Punkt F im Objektraum. In 3 ist der Sonderfall dargestellt, bei dem das Bildvoxel V auf der Mittellinie 203 liegt. Wie bereits vorstehend ausgeführt, wird das Bildvoxel V im Verfahrensschritt c) als ein zur tubulären Struktur 201 gehörender Bildpunkt selektiert. Anschließend wird abhängig vom Bildvoxel V in einem vorgebbar begrenzten, das Bildvoxel V enthaltenden Bereich der 3D-Bilddaten, die Mittellinie 203 der tubulären Struktur 201 bestimmt. Im Allgemeinen liegt daher das Bildvoxel V nicht auf der ermittelten Mittellinie 203.
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Für den auf der Mittellinie 203 selektierten Punkt F erfolgt in Verfahrensschritt f) ein Ermitteln von 2D-Schnittbildern in den 3D-Bilddaten 200. Durch wiederholtes Durchlaufen der Verfahrensschritte e) bis g) kann somit eine Befundung der tubulären Struktur entlang der Mittellinie 203 erfolgen.
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4 zeigt ein schematisiertes Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 101 erfolgt ein Bereitstellen von 3D-Bilddaten der tubulären anatomischen Struktur. In schritt 102 erfolgt ein Anzeigen eines ersten Bildes der tubulären anatomischen Struktur auf Basis der 3D-Bilddaten. In Schritt 103 erfolgt ein Selektieren eines der tubulären Struktur zugeordneten Bildvoxels V auf Basis des ersten Bildes in den 3D-Bilddaten. In Schritt 104 erfolgt ein Ermitteln einer Mittellinie der tubulären anatomischen Struktur in einem vorgebbar begrenzten, das Bildvoxel V enthaltenden Bereich der 3D-Bilddaten. In Schritt 105 erfolgt ein Selektieren eines Punktes F der Mittellinie. In Schritt 106 erfolgt ein Erzeugen eines oder mehrerer, dem Punkt (F) zugeordneter 2D-Schnittbilder, wobei die 2D-Schnittbilder in den 3D-Bilddaten jeweils eine Schnittebene repräsentieren. In Schritt 107 erfolgt ein Anzeigen der 2D-Schnittbilder. Das Bezugszeichen A deutet an, dass nach Schritt 107 das Verfahren erfindungsgemäß wiederholt, beginnend mit Schritt 105 durchlaufen wird. Das Bezugszeichen B deutet an, dass nach Schritt 107 das Verfahren wiederholt, beginnend mit Schritt 103 durchlaufen wird.
