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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung von
Projektions- oder Schnittbildern aus 3D-Volumendaten eines Untersuchungsvolumens
in der bildgebenden Medizitechnik, insbesondere aus MR- oder CT-Volumendaten,
bei dem aus den 3D-Volumendaten ein aus einzelnen Pixeln zusammengesetztes
Grauwertbild einer vorgebbaren Projektion oder eines vorgebbaren
Schnittes berechnet wird.
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Die
Darstellung von Projektions- oder Schnittbildern aus 3D-Volumendaten spielt
im Bereich der bildgebenden Medizintechnik eine wesentliche Rolle.
Bildgebende Verfahren wie Magnetresonanz (MR)-Tomographie und Computertomographie (CT)
erfassen Informationen aus dem gesamten Untersuchungsvolumen des
untersuchten Körpers.
Die Röntgen-Computertomographie
ist ein spezielles Röntgen-Schichtaufnahmeverfahren,
bei dem Transversalschnittbilder, d. h. Abbildungen von im Wesentlichen
senkrecht zur Körperachse
orientierten Körperschichten,
erhalten werden. Hierfür
wird das Untersuchungsvolumen unter einer Vielzahl von Winkeln schichtweise
durchleuchtet, so dass ein dreidimensionaler Volumendatensatz erhalten
wird. Aus diesen 3D-Volumendaten werden durch geeignete Projektionsverfahren
die darzustellenden Schnittbilder berechnet. Neben derartigen Schnittbildern
lassen sich mit Hilfe der Computertomographie auch andere Bilddarstellungen,
bspw. von Oberflächenstrukturen
von Objekten im Untersuchungsvolumen, aus den 3D-Volumendaten berechnen.
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Bei
der Magnetresonanz-Tomographie werden mit Hilfe von speziell geschalteten
dynamischen Magnetfeldern, den sog. Gradientenfeldern, und Hochfrequenzimpulsen
in einem statischen Magnetfeld Magnetresonanzsignale eines Untersuchungsvolumens
ortsaufgelöst
erfasst. Aus den aus unterschiedlichen kleinen Körpervolumina, den sog. Voxeln,
erhaltenen Magnetresonanzsignalen, die als 3D-Volumendatensatz gespeichert
werden, wird das entsprechende Magnetresonanz-Schnittbild errechnet.
Die Position und Orientierung der darzustellenden Schichten des
Untersuchungsvolumens kann sowohl bei der Röntgen-Computertomographie als auch bei der
Magnetresonanz-Tomographie
in weiten Bereichen beliebig gewählt
werden. Neben der Erzeugung dieser Schicht- bzw. Schnittbilder lassen sich
auch bei der Magnetresonanz-Tomographie aus den gemessenen 3D-Volumendaten
unterschiedliche Projektionen berechnen und darstellen. Ein gerade
in der MR-Angiographie eingesetztes Verfahren, die sog. MIP (Maximum
Intensity Projection)-Technik, führt zu einem
Projektionsbild, das eine Darstellung größerer Gefäßabschnitte des Körpers ermöglicht. Bei
diesem Verfahren wird durch den dreidimensionalen Volumendatensatz
eine Schar von parallelen Strahlen gelegt, wobei entlang jedes einzelnen Strahls
nur derjenige Punkt mit der höchsten
Signalintensität
gesucht wird. Da Blutgefäße mit hoher
Signalintensität
abgebildet werden, wird somit entlang jedem Strahl jeweils ein Bildpunkt
gewählt,
der zu einem Gefäß gehört. Dieser
Punkt wird nun am Ende des jeweiligen Strahls in die Projektionsebene,
die senkrecht zu den Strahlen liegt, eingetragen. Auf diese Weise
entsteht ein plastisch wirkendes Projektionsbild des Gefäßsystems.
Die gleiche Technik kann auch in der Computertomographie angewendet
werden. Die mit den genannten Verfahren erzeugten Schnitt- oder
Projektionsbilder werden in der Regel als Grauwertbilder berechnet
und dargestellt.
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Die
Bilder der für
die Bilddarstellung eingesetzten Berechnungs- bzw. Projektionsverfahren
enthalten meist keine Tiefeninformation, so dass die räumliche
Lage der im Bild dargestellten anatomischen Details zueinander nicht
eindeutig erkennbar ist und für
den Betrachter Verwechslungen möglich sind.
Zur Visualisierung der räumlichen
Lage anatomischer Details werden, bspw. beim Einsatz der MIP-Technik,
verschiedene Projektionsrichtungen in fortlaufender Abfolge als
beweg tes Bild gezeigt, um hierdurch dem Betrachter einen räumlichen
Eindruck zu vermitteln. Dies ist jedoch rechentechnisch aufwendig
und zudem nicht immer anwendbar. Die Darstellung ist bei Bedeckungen
nicht unmittelbar eindeutig, da eine "vorne-hinten" Vertauschung einer Umkehr der Drehrichtung
bei gleichbleibenden Darstellungsparametern entspricht. Weiterhin
sind Spezialeinrichtungen wie 3D-Brillen bekannt, die jedem Auge
die entsprechend verschiedene Blickrichtung darbieten. Diese Brillen
setzen jedoch ein gutes räumliches
Sehvermögen
voraus und haben sich bisher in der Praxis nicht durchsetzen können. Durch
die Intensitätskodierung
der Entfernung werden hintere Voxel abgeschwächt dargestellt, so dass sich
ein Kontrastverlust ergibt.
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Die
DE 31 06 100 A1 betrifft
eine Hinderniswarnvorrichtung für
Luftraum- oder Wasserfahrzeuge und liegt somit auf einem technischen
Gebiet, das der Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet der bildgebenden
Medizintechnik nicht zur Lösung
seines Problems in Erwägung
ziehen würde.
Die Hinderniswarnvorrichtung umfasst ein Radargerät zur Erfassung
von Lage und Entfernung von Objekten sowie eine Kamera zur visuellen
Darstellung der Objekte. Die Wiedergabe des Kamerabildes erfolgt
auf einem Farbmonitor, wobei die einzelnen von der Kamera gelieferten
Bildpunkte entsprechend der vom Radargerät erfassten Entfernungsdaten
farblich codiert dargestellt werden. Durch diese Darstellung soll
dem Benutzer in Sekundenbruchteilen ein rasches Erkennen von Hindernissen
bspw. bei Ausweichmanövern im
Tiefflug ermöglicht
werden. Bei dem Verfahren dieser Druckschrift wird somit zur Ermittlung
der Tiefeninformation ein gesondertes Entfernungsmessgerät eingesetzt.
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Aus
der
DE 44 36 263 A1 sind
ein Verfahren sowie ein System zur Darstellung von 3D-Messdaten eines
Volumens in zweidimensionalen Schnittbildern bekannt, bei dem dem
Schnittbild der darzustellenden Schicht die Schnittbilder von benachbarten Schichten überlagert
werden. Die für
den Betrachter wesentliche Information, welche der Bilddetails vor oder
hinter der darzustellenden Schicht liegen, wird durch unterschiedliche
farbliche Darstellung dieser überlagerten
Schnittbilder erreicht. Das Verfahren dient dazu, dem Betrachter
eines Schnittbildes, die Richtung des weiteren Verlaufes der im
Schnittbild erkennbaren Objekte zu vermitteln. Mit diesem Verfahren
wird zwar den Betrachtern eines Schnittbildes der dreidimensionale
Zusammenhang zwischen der darzustellenden Schicht und ihrer unmittelbaren
Umgebung sichtbar gemacht, das Verfahren liefert jedoch keine Tiefeninformation,
die insbesondere bei Projektionsbildern wichtig sein kann. Dem Verfahren dieser
Druckschrift, bei dem Umgebungsinformationen von benachbarten Schichten
eines in einem Schnittbild dargestellten Teilvolumens dem Schnittbild
als farblich codierte Einblendung auf dem angezeigten Schirmbild überlagert
wird, liegt eine andere Problematik zugrunde. Bei diesem Verfahren
geht es um die Darstellung von Umgebungsdetails eines im Schnittbild
dargestellten Teilvolumens und nicht um die Angabe einer Tiefeninformation.
Hierfür
wird eine Folge von Schnittbildern in Grauwertdarstellung erstellt,
von denen das mittlere Schnittbild als Referenzschicht dient, die
in der Darstellung jederzeit erkennbar bleiben muss. Zusätzlich zur
Darstellung der Referenzschicht sollen in das Bild Informationen
aus den Schichten vor und hinter der Referenzschicht eingeblendet
werden. Die Grauwerte der einzelnen Schichtbilder werden dabei mit
den jeweils der gleichen Bildposition entsprechenden Grauwerten
des Referenzschichtbildes verglichen. Die Grauwertdifferenz wird
im Bild farbig dargestellt. Hierbei wird durch Wahl des Farbtons
lediglich festgelegt, ob die entsprechenden Schichten vor oder hinter
der Referenzschicht liegen. Die ermittelten Grauwertdifferenzen werden über die
Sättigung
dieses Farbtons vermittelt.
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Das
Verfahren der
DE 44
36 263 A1 führt
den Fachmann somit in eine Richtung, bei der zunächst mehrere Grauwertbilder
erstellt und ausgewertet werden müssen, um das gewünschte Schirmbild
zu erhalten. Die Druckschrift gibt jedoch keinen Hinweis auf die
Bestimmung einer Entfernung der Ebene des dargestellten Schnittbildes
zu einer Referenzebene aus den 3D-Volumendaten. Sie setzt vielmehr
auf eine Auswertung der Grauwerte bereits erstellter Schnittbilder.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, ein Verfahren zur Darstellung von Projektionsbildern
oder Schnittbildern aus 3D-Volumendaten
eines Untersuchungsvolumens anzugeben, das dem Betrachter des Bildes
eine zuverlässige
Tiefeninformation liefert. Unter 3D-Volumendaten ist dabei ein Messdatensatz
zu verstehen, der Messwerte aus unterschiedlichen Teilvolumina eines
dreidimensionalen Untersuchungsvolumens enthält.
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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 den nachfolgenden Ausführungen sowie den Ausführungsbeispielen
und Zeichnungen entnehmen.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren, das sich insbesondere für MRoder
CT-Volumendaten eignet, wird in bekannter Weise ein aus einzelnen
Pixeln zusammengesetztes Grauwertbild einer vorgebbaren Projektion
oder eines vorgebbaren Schnittes berechnet. Das Verfahren zeichnet
sich dadurch aus, dass für
jedes Pixel des Grauwertbildes eine Entfernung eines durch das Pixel
dargestellten Voxels bzw. Teilvolumens des Untersuchungsvolumens
zu einer vorgebbaren Referenzebene aus den 3D-Volumendaten bestimmt
und jedem Pixel des Grauwertbildes ein der Entfernung entsprechender
Farbwert zugeordnet wird. Der jeweilige Farbwert wird durch Farbcodierung
der Entfernung erhalten, indem bspw. eine Entfernungsskala mit einer
Farbskala verknüpft
wird. Das Projektions- bzw. Schnittbild wird schließlich durch Überlagerung
oder Einfärben
des Grauwertbildes mit den jedem Pixel zugeordneten Farbwerten dargestellt.
Die Überlagerung
bzw. Einfärbung
erfolgt selbstverständlich
derart, dass die Detailinformationen des Grauwertbildes durch die überlagerten
Farbinformationen nicht verdeckt werden.
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Vorzugsweise
wird die Überlagerung
dadurch realisiert, dass aus den jedem Pixel des Grauwertbildes
zugeordneten Farbwerten ein farbcodiertes Entfernungsbild erstellt
wird, das dem Grauwertbild zur Darstellung des Projektions- bzw.
Schichtbildes überlagert
wird. Die Überlagerung
erfolgt bevorzugt durch ein parametrisierbares Verfahren, wie bspw.
Alpha-Blending,
bei dem die relative Gewichtung der beiden überlagerten Bilder frei gewählt werden
kann. Der Nutzer kann somit auch eine entsprechende Gewichtung vorgeben,
bei der bspw.
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das
Entfernungsbild zur besseren Erkennbarkeit der Details des Grauwertbildes
weniger intensiv oder zur besseren Erkennbarkeit der Tiefeninformation
intensiver als das Grauwertbild dargestellt wird.
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Durch
das vorliegende Verfahren wird für den
Betrachter des Projektions- bzw. Schnittbildes die Tiefeninformation über die
einzelnen im Bild zu erkennenden Details unmittelbar ersichtlich.
Die farbliche Darstellung der Tiefeninformation, die auf einer Farbcodierung
beruht, ist eindeutig und unmittelbar verständlich. Sie vermeidet Interpretationsfehler
bei der Auswertung von Zusatzinformationen wie bspw. Bild-Etiketten oder anatomisches
Vorwissen, die insbesondere im Bereich der bildgebenden medizinischen
Untersuchungsverfahren eine große
Rolle spielen. Die Parametrisierung des Überlagerungsverfahrens (z.B.
Alpha-Codierung) erlaubt eine optimierte Darstellung der Strukturinformation
des Grauwertbildes, die vom Benutzer durch Vorgabe oder Veränderung
der entsprechenden Gewichtungsparameter an die jeweiligen Bedürfnisse
angepasst werden kann.
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Die
Abbildung der Entfernungswerte auf die Farbskala kann linear erfolgen
und ist vorzugsweise skalierbar. Es können jedoch auch parametrisierbar nichtlineare,
bspw. logarithmische, Abbildungen eingesetzt werden, um bestimmte
Entfernungsbereiche, wie bspw. den Nahbereich, hinsichtlich der
Tiefeninformation bevorzugt aufgelöst darzustellen. Durch eine
derartige Parametrisierbarkeit bzw. Skalierbarkeit der Entfernungscodierung
ist eine Anpassung der Farb-Differenzierung
an den interessierenden Volumenbereich (RoI) innerhalb des Untersuchungsvolumens
möglich.
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Die
vorgebbare Referenzebene, gegenüber der
die Entfernung der einzelnen für
das Bild relevanten Voxel aus den 3D-Volumendaten ermittelt wird, kann unterschiedlich
gewählt
werden. Bei der Darstellung von Projektionsbildern, wie bspw. MIP-Bildern,
wird diese Referenzebene entsprechend der Pro jektions- bzw. Bildebene
gewählt.
Bei der Darstellung von Schnittbildern, die in der Regel aufgrund
der geringen Tiefe der dargestellten Schichten keine Tiefeninformation
erfordern, wird das vorliegende Verfahren bei einfach oder doppelt
schräg
liegenden Schichten angewendet. Hierbei wird die Referenzebene senkrecht
zu einer gewünschten
Blickrichtung, vorzugsweise entlang einer Körperachse (sagittal, coronar,
transversal), gewählt,
so dass aus dem Farbverlauf der damit erzeugten Schnittbilder die Kippung
und Kippungsrichtung der Schichten bzw. Schnitte relativ zu dieser
Achse erkennbar ist. Dies hilft insbesondere Fehler bei der Auswertung
der Bildetiketten während
der Betrachtung der jeweiligen Bilder zu vermeiden.
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Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 ein
Beispiel für
einen prinzipiellen Verfahrensablauf bei der Durchführung des
vorliegenden Verfahrens;
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2 eine
Veranschaulichung der Anwendung des Verfahrens zur Erstellung eines
Schnittbildes; und
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3 eine
weitere Veranschaulichung des Verfahrens zur Erzeugung eines Projektionsbildes
eines ausgedehnten interessierenden Bereiches.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des vorliegenden Verfahrens im Überblick.
Nach der Gewinnung der 3D-Volumendaten
mit einer entsprechenden Messtechnik, wie bspw. Magnetresonanz-Tomographie
oder Computertomographie, wird aus diesen Volumendaten durch ein
geeignetes Projektionsverfahren, das von der Datenaufnahmetechnik
und dem gewünschten
Bildergebnis abhängig
ist, ein vorläufiges
Projektionsbild mit einer Grauwertstruktur berechnet, im Folgenden
als Grau- Wertbild bezeichnet.
Gleichzeitig oder anschließend
wird die in den 3D-Volumendaten enthaltene Information über die
Entfernung des jedem Pixel im Grauwertbild zugrundeliegenden Voxels
bzw. Punktes im Untersuchungsvolumen als Tiefeninformation ermittelt.
Jedem Pixel des Grauwertbildes wird durch eine Farbcodierung unter
Zugrundelegung einer Farbpalette ein Farbwert zugeordnet, der der
Entfernung des dargestellten Punktes im Untersuchungsvolumen von der
Bildebene entspricht. Auf diese Weise wird ein Farbbild mit Tiefendarstellung
erstellt, im Folgenden als farbcodiertes Entfernungsbild bezeichnet.
Das farbcodierte Entfernungsbild wird mittels eines parametrisierbaren Überlagerungsverfahrens
dem ursprünglichen
Grauwertbild so überlagert,
dass die dem Grauwertbild unterliegende, bspw. anatomische, Struktur
für den
Betrachter sichtbar bleibt.
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Die
Abbildung der Entfernungswerte auf der Farbskala kann sowohl linear
als auch nichtlinear sein und ist vorzugsweise skalierbar, um dem
Betrachter die Möglichkeit
einer Anpassung an den interessierenden Bereich des Untersuchungsvolumens zu
geben. Die entsprechende Skalierung wird über geeignete Parameter eingegeben.
Durch vorgebbare Parameter für
das Überlagerungsverfahren
kann die Gewichtung des farbcodierten Entfernungsbildes zum Grauwertbild
im Überlagerungs-
bzw. Projektionsbild verändert
bzw. vorgegeben werden.
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2 zeigt
stark schematisiert ein Beispiel zur Veranschaulichung des vorliegenden
Verfahrens bei der Darstellung der räumlichen Lage eines Schnittbildes.
Die Figur zeigt einen Patientenkörper 1,
von dem über
eine geeignete bildgebende Technik dreidimensionale Volumendaten
eines Untersuchungsvolumens 2 gewonnen werden. Aus diesen dreidimensionalen
Volumendaten kann ein Schnittbild 6 einer Schicht 3 des
Patientenkörpers
erhalten werden, deren Schichtebene senkrecht zur Körperlängsachse
liegt. In vielen Fällen
werden jedoch Schichtdarstellungen gewünscht, deren Orientierung nicht
senkrecht zur Körperachse
liegt. Ein derart einfach- oder doppelt-gekipptes Schnittbild (z.
B. transversal > sagittal)
kann mit dem vorliegenden Verfahren in vorteilhafter Weise dargestellt
werden. Die vorliegende Figur zeigt ein Beispiel bei dem ein Schnittbild
einer Schicht 4 dargestellt werden soll, die einfach gekippt
ist. Das derart erhaltene Schnittbild 7 ist stark schematisiert
dargestellt. Dieses Schnittbild enthält ein herkömmliches Grauwertbild, dem
ein farbcodiertes Entfernungsbild überlagert ist. Das farbcodierte
Entfernungsbild wird durch Farbcodierung der Entfernung der einzelnen
Punkte der Schicht 4 zu einer Referenzebene 5 erhalten,
die senkrecht zur Längsachse
des Patientenkörpers
gewählt
ist. Die Entfernung ist in der Figur mit dem Doppelpfeil angedeutet.
In dem auf diese Weise erhaltenen Schnittbild 7 ist für den Betrachter
eine Veränderung
der Farbe der einzelnen Pixel von unten, bspw. rot, nach oben, bspw.
blau, ersichtlich, die der abnehmenden Entfernung der dargestellten
Schicht zur Referenzebene entspricht. Der Betrachter dieses Schnittbildes
kann somit sofort die Kippungsrichtung und bei Kenntnis der Skalierung
der Farbskala auch die Kippungsstärke erkennen. Das Verfahren
ermöglicht
somit die direkte visuelle Darstellung der räumlichen Lage jedes Pixels
relativ zur Hauptblickrichtung (hier sagittal), so dass eine Interpretation
von Bild-Etiketten entfällt,
die die Orientierung der dargestellten Schicht angeben.
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3 zeigt
schließlich
ein weiteres Beispiel zur Veranschaulichung der Anwendung des vorliegenden
Verfahrens bei Projektionsbildern, die die Projektion eines dreidimensionalen
interessierenden Bereiches auf eine entsprechende Bildebene darstellen.
Ein Beispiel für
eine derartige Projektion ist die MIP-Darstellung von Gefäßen des
menschlichen Körpers. 3 zeigt
hierbei einen Patienten 1, von dem dreidimensionale Volumendaten
aus einem Untersuchungsvolumen 2 gewonnen werden, das gleichzeitig
das interessierende Volumen (RoI) darstellt. Aus diesen 3D-Volumendaten
soll ein Projektionsbild erstellt werden, das einer Projektion dieses Volumens 2 auf
eine Bildebene 5 entspricht, die gleichzeitig die Refe renzebene
für das
vorliegende Verfahren darstellt. Nach der Berechnung des Grauwertbildes
durch ein entsprechendes Projektionsverfahren, das diesen Volumenbereich
auf die Bildebene 5 projiziert, wird für jeden Bildpunkt des Grauwertbildes
die Entfernung des zugrundeliegenden Punktes bzw. Voxels des Untersuchungsvolumens 2 zur Referenzebene 5 bestimmt.
Die Entfernung ist auch in dieser Darstellung mit dem Doppelpfeil
angedeutet. Aus dieser Tiefeninformation wird ein farbcodiertes
Entfernungsbild erstellt, das dem Grauwertbild zur Darstellung des
Projektionsbildes überlagert wird.
Der Betrachter kann nun die aufgrund des Grauwertbildes erkennbaren
Gefäße sowie
deren Abstand relativ zur Referenzebene 5 bzw. Bildebene anhand
der Farbe direkt aus dem Bild erkennen. Dies ermöglicht die unmittelbare Erkennbarkeit
von Bedeckungen bzw. Überdeckungen
einzelner Gefäße und deren
Reihenfolge. Durch die Farbcodierung ist unmittelbar klar, welches
Gefäß vorne
und welches hinten liegt.
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Für die Farbcodierung
lassen sich selbstverständlich
bekannte standardisierte Farbskalen, wie bspw. die Glühskala,
oder auch neu zu schaffende Farbskalen einsetzen. Das Verfahren
eignet sich für 3D-Volumendaten
von bildgebenden Verfahren der Medizintechnik, wie bspw. MR- oder
CT-Volumendaten.