DE112004001440T5

DE112004001440T5 - Entfalten eines virtuellen Organs zur Visualisierung

Info

Publication number: DE112004001440T5
Application number: DE112004001440T
Authority: DE
Inventors: Romain Moreau-Gobard
Original assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2007-08-09
Also published as: US7542595B2; CN1830003A; WO2005017830A1; JP2007501069A; US20050058328A1

Abstract

Verfahren des Organbildentfaltens zur Merkmalsvisualisierung, wobei das Verfahren aufweist:
Segmentieren einer äußeren Oberfläche des Organs;
Parametrisieren eines 3D-modells des Organs;
Raycasting von der Mitte des Organs zu der Oberfläche des 3D-Modells; und
Entfalten des 3D-Modells des Organs in Übereinstimmung mit dem Raycasting.

Description

Bezugnahme auf zugehörige Anmeldung
Vorstehende Anmeldung geht zurück auf die US-Provisional Application Nr. 60/492/394 (Anwaltsakte Nr. 2003P11656US), eingereicht am 4. August 2003 und betitelt "Herzentfaltung für koronare Visualisierung", welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier eingebracht wird.
Hintergrund
Medizinbildscanndaten, beispielsweise, werden typischerweise erhalten in Form von Schnitten in verschiedenen Arten von Bildgebungsverfahren. Diese Schnitte werden dann gestapelt, um ein dreidimensionales ("3D") Volumen zu bilden. Dieses Volumen muss dann visualisiert und segmentiert werden.
Bei derzeitigen Annäherungen zum Scannen von medizinischen Bildern, haben Entwickler eine große Verschiedenheit von Segmentierungstechniken zur Isolierung von Herzkranzgefäßen entwickelt. Die Entwicklung auf diesem Gebiet wird durch die hohe Anzahl von Patienten motiviert, die an Herzkranzgefäßerkrankungen leiden. Herzkranzgefäße sind typischerweise schwierig zu segmentieren, aufgrund ihrer Größe und Nähe zu der Oberfläche des Herzens und des Ventrikellumens (blood pool).
Demzufolge sind ein System und ein Verfahren notwendig, das ein Herzentfalten für koronare Visualisierung ermöglicht. Die vorliegende Erfindung betrifft dies und weitere Aspekte.
Zusammenfassung
Diesen und anderen Einschränkungen und Nachteilen des Standes der Technik begegnet eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herzentfalten für koronare Visualisierung.
Ein System zum Organbildentfalten für eine Merkmalsvisualisierung umfasst einen Prozessor, einen Bildadapter in Signalverbindung mit dem Prozessor zum Empfangen von Organkenndaten, eine Modelliereinheit in Signalverbindung mit dem Prozessor zum Anpassen eines Modells an die Scanndaten, und eine Entfaltungseinheit in Signalverbindung mit dem Prozessor zum Entfalten der 3D-modellierten Kenndaten.
Ein entsprechendes Verfahren zum Organbildentfalten zur Merkmalsvisualisierung umfasst das Segmentieren einer äußeren Oberfläche des Organs, das Parametrisieren eines 3D-Modells des Organs, das Raycasting von der Mitte des Organs zu der Oberfläche des 3D-Modells, und Entfalten des 3D-Modells des Organs entsprechend dem Raycasting.
Diese und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung lehrt eine Vorrichtung und ein Verfahren des Herzentfaltens für koronare Visualisierung in Übereinstimmung mit den folgenden beispielhaften Figuren, in denen:
1 eine Vorrichtung zum Herzentfalten für koronare Visualisierung in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Flussdiagramm zur Herzentfaltung für koronare Visualisierung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine 3D-MIP-Textur auf einem Isoflächen-Volumen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine Entfaltungsvisualisierung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine VRT-Visualisierung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 eine MIP-Visualisierung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 eine 3D-Modell-Visualisierung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 eine weitere 3D-Modell-Visualisierung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
9 noch eine weitere 3D-Modell-Visualisierung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
In Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungsbeispielen bzw. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Herzentfalten für koronare Visualisierung hierin beschrieben. Das Verfahren ermöglicht einem Benutzer die Herzkoronarien und -gefäße an der Oberfläche des Herzens besser zu visualisieren.
In jüngeren Jahrzehnten haben Entwickler eine große Vielfalt von Segmentierungstechniken zum Isolieren von Herzkranzgefäßen bzw. Herzkoronararterien entwickelt. Die Entwicklung auf diesem Gebiet wird durch die hohe Anzahl von Patienten gefördert bzw. motiviert, die an Erkrankungen der Herzkranzgefäße bzw. Koronararterien leiden. Herzkranzgefäße sind typischerweise schwierig zu segmentieren, aufgrund ihrer Größe und Nähe zu der Oberfläche des Herzens und dem Ventrikellumen.
Auf Grund der Schwierigkeit mit der Segmentierung, und aufgrund der Nähe der Koronararterien zu der Oberfläche des Herzens, kann eine Oberflächenentfaltungsannäherung verwendet werden, um das Visualisierungsproblem zu einem gewissen Grad zu überwinden. Diese Technik schafft eine große Verbesserung für die Visualisierung der Herzkoronararterien.
Das vorliegende beschriebene Verfahren umfasst das "Entfalten" der Oberfläche des Herzens und erzeugt eine maximale Intensitätsprojektion (MIP) auf dieser Oberfläche. Das Ergebnis ist eine 2D-Abbildung der Oberfläche des Herzens, die die Gefäße am Umfang enthält.
Wie in 1 gezeigt, ist ein System zur Erfassungszeit-Modellierung und zum automatisierten Nacharbeiten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung allgemein durch Bezugsziffer 100 angegeben. Das System 100 umfasst wenigstens einen Prozessor oder ein zentrale Prozessoreinheit ("CPU") 102 in Signalverbindung mit einem Systembus 104. Ein Lesespeicher ("ROM") 106, ein Direktzugriffsspeicher ("RAM") 108, ein Anzeigeadapter 110, ein E/A-Adapter 112, ein Benutzerschnittstellenadapter 114, ein Verbindungsadapter 128, und ein Bildadapter 130 stehen ebenfalls in Signalverbindung mit dem Systembus 104. Eine Anzeigeeinheit 116 ist in Signalverbindung mit dem Systembus 104 über den Anzeigeadapter 110. Eine Plattenspeichereinheit 118, beispielsweise eine Magnet- oder optische Plattenspeichereinheit steht in Signalverbindung mit dem Systembus 104 über den E/A-Adapter 112. Eine Maus 120, eine Tastatur 122 und eine Blickverfolgungsvorrichtung 124 stehen in Signalverbindung mit dem Systembus 104 über den Benutzerschnittstellenadapter 114. Eine Kernspin-Bildgebungsvorrichtung 132 ist in Signalverbindung mit dem Systembus 104 über den Bildadapter 130.
Eine Modellierungseinheit 170 und eine Entfaltungseinheit 180 sind ebenfalls in dem System 100 enthalten und stehen in Signalverbindung mit wenigstens einem Prozessor oder der CPU 102 und dem Systembus 104. Während die Modellierungseinheit 170 und die Entfaltungseinheit 180 als mit wenigstens einem Prozessor oder der CPU 102 verbunden dargestellt sind, sind diese Komponenten vorzugsweise in einem Computerprogrammcode verkörpert, der in wenigstens einem der Speicher 106, 108 oder 118 gespeichert ist, wobei der Computerprogrammcode durch die CPU 102 ausgeführt wird. Wie von dem Durchschnittsfachmann des relevanten Standes der Technik basierend auf den Lehren hierin erkannt wird, sind alternative Ausführungsformen möglich, wie beispielsweise das Verkörpern einiger oder des gesamten Computerprogrammcodes in Registern, die in dem Prozessorchip 102 angeordnet sind. Aufgrund der Lehren der hier beschriebenen Erfindung werden jene, die sich im Stand der Technik auskennen, eine Vielzahl von alternativen Ausführungsformen und Implementierungen der Modellierungseinheit 170 und der Entfaltungseinheit 180 sowie der anderen Elemente des Systems 100 annehmen, während sie innerhalb des Umfangs und des Geistes der vorliegenden Erfindung praktizieren.
Bezugnehmend auf 2 ist ein Flussdiagramm zur Erfassung von Herzentfaltung für koronare Visualisierung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung allgemein angegeben durch Bezugsziffer 200. Das Flussdiagramm 200 umfasst einen Startblock 210, der die Steuerung zu einem Funktionsblock 212 weitergibt. Der Funktionsblock 212 initiiert eine vorläufige Herzscann-Sitzung und gibt die Steuerung weiter zu einem Eingangsblock 214. Der Eingangsblock 214 empfängt die vorläufigen Herzscanndaten und gibt die Steuerung weiter zu einem Funktionsblock 216.
Der Funktionsblock 216 segmentiert die äußere Oberfläche des Herzens und gibt die Steuerung weiter zu einem Funktionsblock 218. Der Funktionsblock 218 führt eine feste 3D-Modell-Parametrisierung des Herzens durch und gibt die Steuerung weiter zu einem Funktionsblock 220. Der Funktionsblock 220 richtet Strahlen von der Mitte des Herzens zu der Oberfläche des 3D-Modells und gibt die Steuerung weiter zu einem Funktionsblock 222. Der Funktionsblock 222 entfaltet das 3D-Modell und gibt die Steuerung weiter zu einem Endblock 224.
Bezugnehmend nunmehr auf 3 ist eine 3D-MIP-Textur auf einem Isoflächen-Volumen allgemein durch Bezugsziffer 300 angegeben. Die 3D-MIP-Textur 300 liefert eine Visualisierung zum Herzentfalten.
Wie in 4 gezeigt, ist eine Herzentfaltungsvisualisierung allgemein angegeben durch Bezugsziffer 400. Das Entfalten der Oberfläche des Herzens bringt eine neue Weise des Visualisierens der Koronarien. Die Entfaltungsvisualisierung 400 zeigt die Korrelation zwischen einem MIP 410 (oben) und einer entfalteten Herzoberfläche 420 (unten).
Bezugnehmend auf 5 ist eine herkömmliche VRT-Visualisierung allgemein angegeben durch Bezugsziffer 500. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Graph-Cut Algorithmus verwendet, um ein hohles Herzvolumen zu erhalten, das die zu entfaltende Oberfläche bestimmt. Die VRT-Visualisierung 500 wird durch eine 3D-Syngo-Karte in diesem Beispiel beschattet.
Bezugnehmend nunmehr auf 6 ist eine übliche MIP-Visualisierung generell angegeben durch Bezugsziffer 600.
Hier zeigt die reguläre MIP-Ansicht, dass die Koronarien durch helles Gewebe überdeckt sind. Die MIP-Visualisierung 600 der dicken Oberfläche ist durch eine 3D-Syngo-Karte in diesem Beispiel dargestellt.
Wie in 7 gezeigt, ist eine neue 3D-Modellvisualisierung allgemein durch Bezugsziffer 700 angegeben. Die neue 3D-Modellvisualisierung 700 zeigt eine 3D-MIP-Textur, die auf einem Isoflächen-Volumen abgebildet ist.
Bezugnehmend auf 8 ist eine weitere neue 3D-Modellvisualisierung allgemein angegeben durch Bezugsziffer 800. Hier zeigt die neue 3D-Modellvisualisierung 800 das Anpassen eines Ellipsoids 810 an die Oberfläche des Herzens 820, das Richten einer MIP-Textur auf das Ellipsoid 810, das Visualisieren des 3D-Modells und das Anpassen des Ellipsoids 810 (links) oder einer Kugel 830 (rechts) an die Oberfläche des Herzens 820.
Bezugnehmend nunmehr auf 9 ist eine 3D-Modellvisualisierung allgemein angegeben durch Bezugsziffer 900. Die 3D-Modellvisualisierung 900 gibt aktuelle Ergebnisse einer exemplarischen Ausführungsform eines Herzentfaltungsverfahrens, wenn auf reale Daten angewendet, an. Wie es vom Durchschnittsfachmann auf dem einschlägigen Gebiet erkannt wird, haben diese Ergebnisse einen größeren klinischen Wert als jene, die mit den bisherigen Verfahren erreichbar waren.
Dieses exemplarische Verfahren schafft eine verbesserte Visualisierungstechnik für Herzkoronarien, sowie für Gefäße auf der Oberfläche des Herzens. Das Grundprinzip ist, die Oberfläche des Herzens zu "entfalten" und ein MIP dieser entfalteten Oberfläche zu erzeugen. Das resultierende 2D-Abbild der Oberfläche des Herzens enthält hoch kontrastierte Gefäße.
Demzufolge wird die exemplarische Technik, die verwendet wird, die Oberfläche des Herzens zu entfalten in vier Schritten erreicht: 1) Segmentierung der äußeren Oberfläche des Herzens; 2) feste 3D-Modell-Parametrisierung des Herzens; 3) Raycasting von der Mitte des Herzens zu der Oberfläche des 3D-Modells (der MIP-Filter kann hier angewandt werden); und 4) Entfalten des 3D-Modells.
Ein im Stand der Technik bekannter Graph-Cut-Algorithmus kann beispielsweise verwendet werden, um die äußere Oberfläche des Herzens zu segmentieren. Aus dem Ergebnis dieser Segmentierung wird ein Abstandsabbild erzeugt, um die Abstände eines jeden Punktes auf dem Volumen zu der segmentierten Oberfläche des Herzens zu evaluieren. Dann kann ein bekanntes 3D-Modell in das Herz eingepasst werden, so dass die Oberfläche des Herzens zu der Oberfläche des Modells passt. Nach diesem Schritt wird ein Strahl von der Mitte des Herzens zu der Oberfläche des 3D-Modells gecastet. Eine Profilkurve wird erzeugt, während sich der Strahl durch das Herz vorwärts bewegt, und ein Antwortfilter wird aufgebracht, um den eventuellen Ort eines Gefäßes zu erfassen. Wenn ein Ort gefunden ist, zeigt der Algorithmus das Ergebnis auf der Oberfläche des 3D-Modells an. Wie das vom Durchschnittsfachmann in dem betroffenen technischen Geboiet erkannt wird, ist das Entfalten des 3D-Modells ein weit beobachtetes Problem und verschiedene Algorithmen können verwendet werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel benutzt eine Kugel als 3D-Modell und die maximale Intensitätsprojektion (MIP) als den Profilkurvenfilter. Obwohl alternative 3D-Modelle und Strahlungsfilter verwendet werden können, können manche nachteilig die Qualität der Ergebnisse beeinflussen.
Demzufolge schaffen die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kraftvolle Herzentfaltungswerkzeuge für die Koronarvisualisierung, welche den Benutzern ermöglichen, signifikante Merkmale der interessierenden Bereiche zu extrahieren. Bevorzugte Ausführungsformen können als eine sehr nützliche Erfassungszeitmodellierung und als automatisierte Nachverarbeitungswerkzeuge in klinischen Anwendungen dienen.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können leicht durch einen Durchschnittsfachmann auf dem betroffenen Gebiet basierend auf den hier angegebenen Lehren bestätigt werden. Selbstverständlich können die Lehren der vorliegenden Erfindung in verschiedenartigen Formen von Hardware, Software, Firmware, speziellen Anwendungsprozessoren oder Kombinationen davon implementiert werden.
Am meisten bevorzugt werden die Lehren der vorliegenden Erfindung als eine Kombination von Hardware und Software implementiert. Darüber hinaus wird die Software bevorzugt als ein Programm, das konkret auf einer Programmspeichereinheit verkörpert ist, implementiert. Das Anwendungsprogramm kann zu einer Maschine aufgeladen und von dieser durchgeführt werden, die eine jegliche geeignete Architektur aufweist. Vorzugsweise ist die Maschine auf einer Computerplattform implementiert, die eine Hardware aufweist, wie eine oder mehrere zentrale Verarbeitungseinheiten ("CPU") einen Direktzugriffsspeicher ("RAM") und Eingangs-/Ausgangs("E/A")schnittstellen. Die Computerplattform kann auch ein Betriebssystem und einen Mikroinstruktionscode umfassen. Die verschiedenen Prozesse und Funktionen, die hierin beschrieben sind, können entweder Teil des Mikroinstruktionscodes oder Teil des Anwendungsprogramms sein, oder eine jegliche Kombination davon, die von einer CPU ausgeführt werden kann. Zusätzlich können verschiedene andere periphere Einheiten mit der Computerplattform verbunden sein, wie beispielsweise eine zusätzliche Datenspeichereinheit und eine Druckereinheit.
Da einige der bildenden Systemkomponenten und Verfahren, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, vorzugsweise in Software implementiert sind, sollte es weiter so verstanden werden, dass die tatsächlichen Verbindungen zwischen den Systemkomponenten oder den Prozessfunktionsblöcken unterschiedlich sein können, abhängig von der Art und Weise in welcher die vorliegende Erfindung programmiert ist. Aufgrund der hier angegebenen Lehren ist der Durchschnittsfachmann auf dem einschlägigen Gebiet in der Lage diese und ähnliche Implementierungen oder Konfigurationen der vorliegenden Erfindung anzunehmen.
Obwohl die Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurden, ist es selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die konkret angegebenen Ausführungsformen begrenzt ist, und dass viele Änderungen und Modifikationen durch den Durchschnittsfachmann auf dem betreffenden Gebiet durchgeführt werden können ohne vom Umfang oder Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle derartigen Änderungen und Modifikationen werden vom Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beschrieben ist.
Zusammenfassung
Es wird eine Vorrichtung (100) und ein Verfahren (200) vorgesehen, bei dem die Vorrichtung (100) einen Prozessor (102), einen Bildadapter (130) in Signalverbindung mit dem Prozessor zur Aufnahme von Organscanndaten, eine Modelliereinheit (170) in Signalverbindung mit dem Prozessor, um ein Model den Scanndaten anzupassen, und eine Entfaltungseinheit (180) in Signalverbindung mit dem Prozessor zum Entfalten der 3D-modelierten Scanndaten enthält; und wobei das entsprechende Verfahren (200) das Segmentieren einer äußeren Oberfläche eines Organs (218) das Parametrisieren eines 3D-Models des Organs (220), ein Raycasting von der Mitte des Organs zu der Oberfläche des 3D-Models (222) und das Entfalten des 3D-Models des Organs in Übereinstimmung mit dem Raycasting (224) enthält.

Claims

Verfahren des Organbildentfaltens zur Merkmalsvisualisierung, wobei das Verfahren aufweist: Segmentieren einer äußeren Oberfläche des Organs; Parametrisieren eines 3D-modells des Organs; Raycasting von der Mitte des Organs zu der Oberfläche des 3D-Modells; und Entfalten des 3D-Modells des Organs in Übereinstimmung mit dem Raycasting.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Organ ein Herz ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Merkmale Herzkranzgefäße bzw. koronare Blutgefäße aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin das Aufnehmen von vorläufigen Organscanndaten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das 3D-Modell fixiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das 3D-Modell aus einer Gruppe von 3D-Formen ausgewählt wird, bestehend aus einer Kugel, einem Zylinder und einem Ellipsoid.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Raycasting das Anwenden eines maximalen Intensitätsprojektionsfilters aufweist.
Vorrichtung zum Organbildentfalten für die Merkmalsvisualisierung, mit: einer Segmentierungseinrichtung zum Segmentieren von Organscanndaten; einer Modellierungseinrichtung zum Anpassen eines 3D-Modells an die Organscanndaten; einer Raycasting-Einrichtung zum Casten von Strahlen von der Mitte des Organs zu der Oberfläche des 3D-Modells; und eine Entfaltungseinrichtung folgend der Raycasting-Einrichtung zum Entfalten des 3D-Modells.
Vorrichtung nach Anspruch 8, die weiterhin eine Scann-Einrichtung zur Aufnahme der Organscanndaten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, die weiterhin eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der Organscanndaten aufweist.
System zur Organbildentfaltung für die Merkmalsvisualisierung, mit: einem Prozessor; einem Bildadapter in Signalverbindung mit dem Prozessor zur Aufnahme von Organscanndaten; einer Modelliereinheit in Signalverbindung mit dem Prozessor, um ein Modell den Scanndaten anzupassen; und einer Entfaltungseinheit in Signalverbindung mit dem Prozessor zum Entfalten der 3D modellierten Scanndaten.
System nach Anspruch 11, wobei der Prozessor die detaillierten Scanndaten als ein 3D-Bild über einen interessierenden Bereich rendert bzw. liefert.
System nach Anspruch 12, das weiterhin einen Anzeigeadapter in Signalverbindung mit dem Prozessor aufweist, zur Anzeige des gerenderten 3D-Bildes.
System nach Anspruch 13, wobei der Anzeigeadapter und der Benutzerschnittstellenadapter für das Überprüfen der Scannqualität verwendbar sind.
System nach Anspruch 11, wobei der Prozessor das Modell verändert.
Maschinenlesbare Programmspeichervorrichtung, die konkret ein Programm von Instruktionen umfasst, das von der Maschine ausführbar ist, um Programmschritte für die Organbildentfaltung zur Merkmalsvisualisierung auszuführen, wobei das Programm die folgenden Schritte aufweist: Segmentieren einer äußeren Oberfläche des Organs; Parametrisieren eines 3D-Modells des Organs; Raycasting von der Mitte des Organs zu der Oberfläche des 3D-Modells; und Entfalten des 3D-Modells des Organs in Übereinstimmung mit dem Raycasting.
Programmspeichervorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Organ ein Herz ist.
Programmspeichervorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Merkmale koronare Blutgefäße aufweisen.
Programmspeichervorrichtung nach Anspruch 16, wobei das 3D-Modell aus einer Gruppe von 3D-Formen ausgewählt wird, die aus einer Kugel, einem Zylinder und einem Ellipsoid bestehen.
Programmspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Raycasting das Anwenden eines maximalen Intensitätsprojektionsfilters umfasst.