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Querverweis auf verwandte
US-Patentanmeldungen
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Diese
Patentanmeldung beansprucht die Priorität von "MESH-TO-IMAGE REGISTRATION USING RAYCASTING", Vorläufige US-Patentanmeldung Nr.
60/564,841 von Jens Guehring, eingereicht am 23. April 2004, deren
Inhalt durch Querverweis in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen
wird.
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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Registrierung von Datensätzen in
einem digitalen medizinischen Bild durch Raycasting (Strahlenwerfen).
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Erörterung des bisherigen Standes
der Technik
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Digitale
Bilder werden aus einem Array von numerischen Werten erzeugt, die
eine Eigenschaft repräsentieren
(wie etwa einen Grauskalenwert oder eine Magnetfeldstärke), die
mit einem anatomischen Punkt (Ort) verknüpfbar ist, auf den eine bestimmte Array-Position
Bezug nimmt. Die Menge von anatomischen Punkten (Orten) umfasst
den Wertebereich (Domäne)
des Bildes. In zweidimensionalen digitalen Bildern, oder Slice-Schnitten,
werden die diskreten Array-Positionen Pixel genannt. Dreidimensionale
digitale Bilder können
aus gestapelten Slice-Schnitten mittels verschiedener in der Technik
bekannter Konstruktionsverfahren konstruiert werden. Die dreidimensionalen
Bilder sind aus diskreten Volumenelementen zusammengesetzt, die
auch als Voxel bezeichnet werden und aus Pixeln aus den zweidimensionalen
Bildern bestehen. Die Pixel- oder Voxel-Eigenschaften können bearbeitet
werden, um verschiedene Eigenschaften betreffs der Anatomie eines
Patienten zu ermitteln, die mit diesen Pixeln oder Voxeln verknüpft sind.
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Die
Bildregistrierung ist ein Optimierungsproblem, bei dem eine geometrische
Transformation gefunden wird, welche Punkte aus einem Quelldatensatz-Raum
in homologe Punkte in einem Zieldatensatz-Raum abbildet. Das Ziel
der Bildregistrierung ist es, eine geometrische Abbildung zwischen
zwei Bildern mit einer bestimmten Art von Modell zu beschreiben,
welches gewöhnlich
von Parametern abhängig
ist, die Registrierungsparameter genannt werden. Das Modell bestimmt
die Art der Registrierung, ob es eine starre, affine, verformbare
usw. Registrierung ist, und somit die spezifischen Merkmale der Registrierungsparameter.
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Die
Registrierung von Datensätzen
ist ein wichtiger Aspekt für
viele Bildaufbereitungs-Anwendungen. Bei manchen Anwendungen wird
ein zu registrierender Datensatz mit einer polygonalen Darstellung
geliefert, das heißt,
als ein Dreiecksnetz dargestellt, während der andere Datensatz
als ein Volumenbild bereitgestellt wird. Eine weit verbreitete Familie
von Registrierungsalgorithmen basiert auf dem Iterative Closest
Point (ICP) Algorithmus, der von Besl und MacKay eingeführt wurde.
Die diesen Algorithmen zugrunde liegende Idee ist es, für eine Menge
von Punkten in einem Datensatz die Menge der nächstgelegenen kompatiblen Punkte
in dem anderen Datensatz zu finden und eine Transformation zu berechnen,
welche eine Kostenfunktion minimiert, welche die Differenz/den Abstand
zwischen den ermittelten Entsprechungen bestraft. Da die ermittelten Entsprechungen
nicht notwendigerweise die wahren Entsprechungen widerspiegeln,
wird das Verfahren iteriert, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist.
Die Berechnung der entsprechenden Punkte ist einer der zeitaufwendigsten
Schritte des Algorithmus.
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Bei
der Visualisierung medizinischer Bilder können volumetrische Datensätze unter
Anwendung sogenannter Raycasting-Verfahren (Strahlenwurf-Verfahren)
visualisiert werden, wobei für
jedes Pixel der Anzeigeeinrichtung ein Strahl in den volumetrischen
Datensatz geworfen wird und die Intensitäts- und Opazitätswerte
entlang des Strahls integriert werden. Normalerweise werden die
Opazitätswerte
erhalten, indem man die gespeicherten Werte der Intensitätsdaten
eine Nachschlagtabelle durchlaufen lässt. Die Integration entlang
des Strahls kann abgebrochen werden, wenn ein Schwellwert für die Opazität erreicht
ist. Visualisierungsanwendungen können Raycasting auf eine sehr
effiziente Weise durchführen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung, die hier beschrieben werden, beinhalten im Allgemeinen
Verfahren und Systeme zum Werfen von Strahlen durch Punkte auf der
Oberfläche
eines polygonalen Datensatzes entlang der zur Oberfläche senkrechten
Richtung, um den nächstgelegenen Punkt
auf einer in einem volumetrischen Datensatz definierten Fläche zu berechnen,
und zum iterativen Minimieren der Diskrepanz zwischen den Punktepaaren.
Zu den Anwendungen der Ausführungsformen
der Erfindung gehören
unter anderem Registrierungsmodelle von Implantaten (z.B. Stents),
polygonale Flächen,
die von der Segmentierung von volumetrischen Datensätzen abgeleitet
sind, und gerichtete Punktabbildungen, die während elektrophysiologischer
Abbildungsverfahren erzeugt werden.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Registrierung eines
digitalen Bildes mit einem Polygonnetz bereitgestellt, welches die
folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines digitalen Bildes,
das eine Vielzahl von Intensitäten
umfasst, die einem Bereich von Punkten in einem D-dimensionalen
Raum entsprechen; Bereitstellen eines eine Vielzahl von Eckpunkten
umfassenden Polygonnetzes, welches ein Objekt in dem digitalen Bild
approximiert; Aussenden eines Strahls von einem Eckpunkt des Polygonnetzes
aus in einer Richtung in das digitale Bild hinein und Berechnen
eines Linienintegrals von Opazitätswerten, wobei
jeder Opazitätswert
der Intensität
eines Pixels des Bildes entspricht, durch das der besagte Strahl verläuft; Beenden
des Strahls an einem Punkt im Bild, wenn ein Opazitätsschwellwert
erreicht ist; und Hinzufügen
des Endpunktes zu einer Menge von nächstgelegenen Punkten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung werden die Schritte des Aussendens
eines Strahls von einem Eckpunkt des Polygonnetzes aus in das digitale
Bild hinein, des Beendens des Strahls an einem Punkt im Bild und
des Hinzufügens
des Endpunktes zu einer Menge von nächstgelegenen Punkten für jeden
Eckpunkt in dem Polygonnetz wiederholt. Das Verfahren umfasst ferner
die Schritte des Berechnens einer Registrierung zwischen den Eckpunkten
des Polygonnetzes und der Menge von nächstgelegenen Punkten, des
Anwendens der Registrierung auf das Polygonnetz, um eine neue Menge
von Eckpunkten zu erhalten, und des Berechnens eines Fehlers zwischen
der Menge von nächstgelegenen
Punkten und der neuen Menge von Eckpunkten.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren ferner, falls
der Fehler größer als
ein vordefinierter Schwellwert ist, das Wiederholen der Schritte
des Aussendens von Strahlen von den Netzeckpunkten aus in das Bild
hinein, des Beendens jedes Strahls an einem Punkt im Bild, des Hinzufügens jedes
Endpunktes zu einer Menge von nächstgelegenen
Punkten, des Berechnens einer Registrierung zwischen den Eckpunkten
des Polygonnetzes und der Menge von nächstgelegenen Punkten, des
Anwendens der Registrierung auf das Polygonnetz, um eine neue Menge
von Eckpunkten zu erhalten, und des Berechnens eines Fehlers zwischen
der Menge von nächstgelegenen
Punkten und der neuen Menge von Eckpunkten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung kann der Strahl in n Abschnitte der
Länge d
unterteilt werden, und das Linienintegral von Opazitätswerten
kann definiert werden durch
wobei i, j Zähler der
Strahlenabschnitte sind, x →(kd) die Position des Strahls in einem
Abstand kd des k-ten Abschnittes darstellt, der dieser Position
auf dem Strahl entsprechende skalare Intensitätswert mit s(x →(kd)) bezeichnet
wird, τ(s(x →(kd)))
einen Wert einer Absorptions-Nachschlagtabelle an dem besagten Punkt
darstellt und c(s(x →(kd))) einen Wert einer Emissions-Nachschlagtabelle
an dem besagten Punkt darstellt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird der besagte Strahl beendet, wenn
ein vordefinierter Abstandsschwellwert erreicht wird, bevor der
besagte Opazitätsschwellwert
erreicht ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird der Anfangspunkt des besagten
Strahls um den besagten Abstandsschwellwert in einer negativen Richtung
versetzt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die Richtung des besagten Strahls
durch einen Vektor bestimmt, der senkrecht zu einer Ebene ist, welche
durch diejenigen Eckpunkte definiert ist, die dem Anfangseckpunkt
des besagten Strahls am nächsten
liegen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren ferner den Schritt
des Festlegens eines Winkelschwellwertes für die Richtung des Strahls,
wobei, falls der Winkel zwischen dem Strahl und einer Senkrechten
zu dem Endpunkt größer als ein
vordefinierter Schwellwert ist, der besagte Endpunkt aus der Menge
von nächstgelegenen
Punkten ausgeschlossen wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die Richtung des besagten Strahls
bestimmt, indem ein Mittelwert von Normalen von Dreiecken gebildet
wird, die dem besagten Eckpunkt benachbart sind.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die Richtung des besagten Strahls
aus einem gespeicherten Normalenvektor bestimmt, der mit dem Eckpunkt
verknüpft
ist.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird eine von einem Computer lesbare
Programmspeichereinrichtung bereitgestellt, welche ein Programm
mit durch den Computer ausführbaren
Anweisungen zum Ausführen
der Verfahrensschritte zum Registrieren eines digitalen Bildes mit
einem Polygonnetz konkret realisiert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Flussdiagramm eines Registrierungsverfahrens gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ist
ein Blockschaltbild eines beispielhaften Computersystems zur Implementierung
eines Registrierungsschemas gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die
beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung, die hier beschrieben werden, beinhalten im Allgemeinen
Systeme und verfahren zur Ausführung
einer Polygonfläche-zu-Bild-Registrierung in medizinischen
Bildern unter Anwendung von Raycasting, um einander entsprechende
Punkt zu finden.
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Der
Begriff "Bild" wird hier in dem
Sinne verwendet, dass er sich auf mehrdimensionale Daten bezieht,
die aus diskreten Bildelementen bestehen (z.B. aus Pixeln für zweidimensionale
Bilder und Voxeln für
dreidimensionale Bilder). Das Bild kann zum Beispiel ein medizinisches
Bild eines Objekts sein, das mittels Computertomographie, Magnetresonanztomographie,
Ultraschall oder mittels irgendeines anderen medizinischen Bildgebungssystems,
das dem Fachmann bekannt ist, erhalten wurde. Das Bild kann auch
aus nichtmedizinischen Kontexten zur Verfügung gestellt werden, wie zum
Beispiel von Fernerkundungssystemen, Elektronenmikroskopie usw. Obwohl
ein Bild als eine Funktion aus R3 in R vorstellbar
ist, sind die Verfahren der Erfindung nicht auf solche Bilder beschränkt und
können
auf Bilder von beliebiger Dimension angewendet werden, z.B. ein zweidimensionales
Bild oder ein dreidimensionales Volumen. Für ein zwei- oder dreidimensionales
Bild ist der Bereich des Bildes normalerweise ein zwei- oder dreidimensionales
rechteckiges Array, in dem jedes Pixel oder Voxel bezüglich einer
Menge von 2 oder 3 zueinander orthogonalen Achsen adressiert werden
kann. Die Begriffe "digital" und "digitalisiert" werden hier in dem
Sinne verwendet, dass sie sich auf Bilder oder Volumina, je nachdem,
was zutrifft, in einem digitalen oder digitalisierten Format beziehen, das über ein
digitales Erfassungssystem oder durch Konvertierung aus einem analogen
Bild erhalten wurde.
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Bei
vielen Bildgebungsverfahren, wie etwa CT oder MRT, können die
resultierenden Werte oder Wertebereiche der Intensität mit bestimmten
Gewebetypen korreliert werden, wodurch man in die Lage versetzt
wird, auf der Basis der Intensitätsbereiche innerhalb
des Bildes zum Beispiel zwischen Knochen, Muskeln, Fleisch und Fettgewebe,
Nervenfasern, Blutgefäßen, Organwänden usw.
zu unterscheiden. Die Rohintensitätswerte im Bild können als
Eingabewerte für
eine Transferfunktion dienen, deren Ausgabegröße ein Opazitätswert ist,
welcher den Gewebetyp charakterisieren kann. Diese Opazitätswerte
können
verwendet werden, um eine Nachschlagtabelle zu definieren, in der
mit jedem Pixelpunkt ein Opazitätswert
verknüpft
wird, welcher einen bestimmten Gewebetyp charakterisiert. Die Verwendung
von Opazitätswerten,
um Gewebe zu klassifizieren, ermöglicht
einem Benutzer außerdem,
ein Objekt oder einen Gewebetyp zu wählen, das bzw. der anzuzeigen
ist, und nur Opazitätswerte
zu integrieren, die dem gewählten
Objekt oder Gewebe entsprechen.
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In
vielen Diagnosesituationen wird ein zuvor erhaltenes Volumenbild
verwendet, um bei einer medizinischen Prozedur wie etwa einer Untersuchung eines
Organs als Anhaltspunkt zu dienen. Im Verlaufe dieser Prozedur werden
häufig
neue Anzeigewerte des Organs erfasst, welche mit dem Volumenbild, das
bei der Untersuchung als Anhaltspunkt dient, korreliert werden müssen. Diese
neuen Anzeigewerte brauchen nicht von demselben Bildgebungsverfahren
zu stammen, das verwendet wurde, um das Volumenbild zu erzeugen.
Zum Beispiel wird während
einer elektrophysiologischen Untersuchung des Herzes eine Karte
der elektrischen Eigenschaften der Herzwand erfasst. Die Messdaten
enthalten einen Punkt in drei Dimensionen und eine Richtung, die
ungefähr
senkrecht zur Herzwand ist, und können ein Polygonnetz bilden.
Um die Diagnose zu stützen, wird
vor der Prozedur oft ein dreidimensionaler CT- oder MR-Scan durchgeführt. Diese
Scans zeigen normalerweise recht gut die Grenze zwischen dem Inneren der
Herzkammern und der Herzwand, wie anhand von Nachschlagtabellen
bestimmt wird, welche Pixel im Inneren der Kammer auf transparente Opazitätswerte
abbilden. Ein anderes Beispiel einer Prozedur, wo ein zuvor erhaltenes
Volumenbild mit einem Polygonnetz registriert werden müsste, das während der
Prozedur erhalten wird, ist eine Hüftgelenkersatz-Operation. In diesem
Falle kann das Ersatzhüftgelenk
durch ein Polygonnetz dargestellt werden, welches mit einem Volumenbild
des zu ersetzenden Hüftgelenks
registriert werden muss. Die Ausgangspunkte der auszusendenden Strahlen
wären die
Eckpunkte des Netzes.
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Bei
dieser Art von Diagnosesituationen ist es hilfreich, wenn man in
der Lage ist, das zuvor erhaltene Volumenbild mit dem während der
Prozedur erhaltenen Polygonnetz zu registrieren. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung kann die Registrierung mit Hilfe eines Raycasting-Algorithmus
durchgeführt
werden. Raycasting ist ein häufig
angewendetes Verfahren zum Volumenrendering. Raycasting ist ein
Prozess, welcher für
jedes Pixel in einem zu rendernden Bildvolumen einen einzelnen Strahl
vom Auge durch den Mittelpunkt des Pixels hindurch und in das Volumen
hinein sendet, wobei optische Eigenschaften integriert werden, die
aus den vorgefundenen Volumendichten entlang des Strahlenweges erhalten
werden. Die optischen Eigenschaften können für die Pixeldichte aus einer
Nachschlagtabelle erhalten werden und beinhalten normalerweise den
Grad, in welchem ein Pixel Licht emittiert und absorbiert. Die Emission
kann RGB-Werte enthalten, wenn das Bild ein Farbbild ist. Die Kombination
von RGB und Absorption wird oft als ein RGBA-Wert bezeichnet. Für die Zwecke
der hier vorgestellten Registrierungsverfahren kann die Emission
als ein einziger Grauwert betrachtet werden.
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Ein
in ein Volumen hinein gesendeter Strahl kann mit x →(t) bezeichnet
werden, wobei der Strahl mit dem Abstand t zum Auge parametrisiert
worden ist. Der skalare Intensitätswert,
der dieser Position auf dem Strahl entspricht, wird mit s(x →(t)) bezeichnet.
Es ist anzumerken, dass die Position des Strahls ein Pixel oder
Voxel im Bildvolumen ist. In gleich großen Intervallen entlang des
Strahls wird die Volumendichte neu abgetastet, wobei bilineare Interpolation
oder trilineare Interpolation angewendet wird, um den ursprünglichen
Abtastwert zu rekonstruieren. Nach der Neuabtastung wird der skalare
Datenwert über
eine Nachschlagtabelle auf die optischen Eigenschaften abgebildet,
was einen RGBA-Wert für
diese Stelle innerhalb des Volumens liefert. Das Integral für das Volumenrendering
integriert entlang des Strahls Absorptionskoeffizienten τ(s(x →(t))),
welche die Absorption von Licht ausweisen, und Farben c(s(x →(t))),
welche die Emission von Licht ausweisen. Die Absorptions- und Emissionskoeffizienten
können
aus Nachschlagtabellen erhalten werden. Das Integral für das Volumenrendering
kann verwendet werden, um den integrierten Ausgang C zu erhalten,
welcher die entsprechenden Farb-(Emissions-) und Opazitäts-(Absorptions-)
Beiträge
entlang des Strahls bis hin zu einem gewissen Abstand D in das Volumen
hinein zusammenfasst:
wobei c(s(x →(t))) die an dem
auszuwertenden Punkt emittierte Farbe repräsentiert und
die kumulative Absorption
an diesem Punkt repräsentiert.
In manchen Fällen
kann das Raycasting-Integral abgebrochen werden, wenn der integrierte Ausgang
C einen Schwellwert erreicht, zum Beispiel einen Wert, welcher Lichtundurchlässigkeit
oder vollständige
Absorption repräsentiert.
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In
der Praxis kann das Integral durch eine Summenbildung entlang von
Strahlenabschnitten approximiert werden, wobei der Strahl als eine
Aufeinanderfolge von Strahlenabschnitten von gleicher Länge d betrachtet
wird und wobei die Anzahl der Samples gleich n = D/d ist. Der Emissions-Term
für den
i-ten Abschnitt kann dann als
C∫ =
c(s(x →(id)))d approximiert werden, während die kumulative Absorption
als
exp(–Σs/di=0 τ(s(x →id))) approximiert
werden kann. Dieser Ausdruck mit einer Summe im Exponenten kann
durch ein Produkt von Exponentialtermen ersetzt werden:
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Somit
kann das Integral für
das Volumenrendering approximiert werden als
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung können
Strahlen von den gemessenen Abtastpunkten aus nach außen in einer
zur Herzwand senkrechten Richtung ausgesendet werden. Diese Strahlen
würden
Lichtundurchlässigkeit
an dem Punkt auf der Herzwand erreichen, welcher dem Abtastpunkt am
nächsten
liegt, und das Raycasting-Integral würde an diesem Punkt abgebrochen.
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Diese
zwei Punkte können
ein entsprechendes Punktepaar im Sinne des ICP-Algorithmus bilden.
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Wie
bereits erwähnt,
ist der ICP-Algorithmus ein Verfahren zum Registrieren einer geometrischen Form,
deren interne Darstellung bekannt ist, mit einer Modellform. Die
erste Stufe des ICP-Algorithmus besteht darin, eine Menge von Punkten
in der Modellform zu finden, welche gemäß einer Abstandsmetrik den
Punkten in der geometrischen Form am nächsten sind. Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann ein Strahl von jedem Punkt in dem gemessenen
Sample-Satz aus zu einem Punkt in dem volumetrischen Datensatz hin
ausgesendet werden. Die Ausbreitung des Strahls integriert entlang
des Strahlenweges im Pixelraum einen Wert der Opazität (oder Transparenz)
in der Nachschlagtabelle, der dem volumetrischen Datensatz entspricht,
bis ein Opazitätsschwellwert
erreicht ist, wobei an diesem Punkt die Ausbreitung des Strahls
beendet wird. Der Endpunkt kann dann als der Punkt in dem volumetrischen
Datensatz genommen werden, welcher dem Punkt in dem Sample-Satz am nächsten liegt.
Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung kann die Bestimmung der nächstgelegenen Punkte gesteuert
werden, indem die Nachschlagtabellen geändert werden, welche Bilddatenwerte
auf Opazitätswerte
abbilden und welche interaktiv durch den Benutzer ausgeführt werden
können.
Danach kann eine Registrierung zwischen dem Sample-Satz und dem
volumetrischen Datensatz bestimmt werden und auf den Sample-Satz
angewendet werden, um einen aktualisierten Sample-Satz zu bilden. Beim
ICP-Algorithmus beruht die Registrierung auf einer Translation und
einer Rotation, und daher wird das aktualisierte Sample normalerweise
nicht perfekt zum volumetrischen Datensatz ausgerichtet sein. Zwischen
den Punkten in dem aktualisierten Sample-Satz und den Punkten in
dem volumetrischen Datensatz, die als nächstgelegener Punkt identifiziert
wurden, kann ein mittlerer quadratischer Fehler berechnet werden,
und falls dieser Fehler unter einen vorgegeben Schwellwert fällt, kann
die Registrierung beendet werden. Falls die Registrierung nicht
beendet wird, können die
Punkte in dem aktualisierten Sample-Satz als die Anfangspunkte für eine weitere
Iteration des Raycasting verwendet werden.
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Ein
Flussdiagramm eines Schemas der Netz-zu-Bild-Registrierung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist in 1 dargestellt. Ein präoperatives
Bildvolumen wird in Schritt 11 bereitgestellt, einschließlich von
Opazitäts- Nachschlagtabellen
zum Korrelieren der Pixeldichte mit dem Gewebetyp. In Schritt 12 wird
ein Polygonnetz eines Objektes, das mit dem präoperativen Bildvolumen zu registrieren
ist, erhalten. In Schritt 13 wird von einem Eckpunkt des
Polygonnetzes aus ein Strahl ausgesendet, und entlang des Strahls
wird das Linienintegral für
das Volumenrendering berechnet, unter Verwendung von Opazitätswerten,
die in den Nachschlagtabellen enthalten sind. Gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung kann die Richtung des Strahls durch einen Vektor bestimmt
werden, der senkrecht zu einer Ebene ist, welche durch diejenigen
Eckpunkte definiert ist, die dem Anfangspunkt des Strahls am nächsten liegen.
Andere Verfahren zum Bestimmen der Anfangsrichtung beinhalten das
Verwenden des Mittelwertes der Normalen von benachbarten Dreiecken
oder das Verwenden eines gespeicherten Normalenvektors, der mit
dem Eckpunkt verknüpft
ist. Selbstverständlich
sind diese Beispiele jedoch nicht einschränkend, und auch andere Verfahren
zum Bestimmen der Anfangsrichtung des Strahls sind im Schutzbereich
einer Ausführungsform
der Erfindung enthalten. Die verwendeten Nachschlagtabellen sind diejenigen,
die Opazitätswerte
enthalten, welche dem Objekt entsprechen, das durch das Polygonnetz approximiert
wird. Der Strahl wird in Schritt 14 in einem Punkt beendet,
an dem ein Opazitätsschwellwert
erreicht ist, und der Endpunkt wird zu einer Menge von "nächstgelegenen" Punkten hinzugefügt. In Schritt 15 wird
die Aussendung des Strahls für
alle Eckpunkte im Netz wiederholt, um eine Menge von nächstgelegenen
Punkten zu erhalten. In Schritt 16 wird eine Registrierung
zwischen dem Polygonnetz und der Menge von nächstgelegenen Punkten berechnet.
In der Technik sind viele Registrierungsverfahren bekannt. Diese
Registrierung wird in Schritt 17 auf das Netz angewendet,
um ein aktualisiertes Netz zu erhalten. In Schritt 18 wird
eine Fehlerfunktion, normalerweise ein mittlerer quadratischer Fehler, zwischen
den Punkten in dem aktualisierten Netz und der Menge der nächstgelegenen
Punkte berechnet, und falls der Fehler kleiner als ein vordefinierter Schwellwert
ist, wird die Registrierung in Schritt 19 beendet. Andernfalls
kehrt der Prozess zu Schritt 13 zurück, und das Raycasting wird
wiederholt.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung kann ein Sample-Satz eine Menge von Paaren Punkt/Richtung
beliebigen Ursprungs sein, nicht nur Eckpunkte eines Polygonnetzes.
Zum Beispiel könnte
eine Menge von Paaren Punkt/Richtung aus einem Erfassungsmodus abgeleitet
werden, welcher gerichtete Punkte erzeugt, wie etwa ein Navigationskatheter
bei einer elektrophysiologischen Untersuchung, oder Punkte mit zugehörigen Normalen,
die von einem volumetrischen Datensatz abgeleitet sind.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung kann ein Abstandsschwellwert verwendet werden, um
die Ausbreitung eines Strahls zu beenden, wenn ein maximaler Abstand
vom Anfangspunkt erreicht worden ist. Ein Abstandsschwellwert ist
in Situationen von Nutzen, in denen der volumetrische Datensatz
eine Lücke
oder ein fehlendes Merkmal aufweist, da in einem solchen Fall das
Linienintegral der Opazitätswerte
entlang des Strahls möglicherweise
niemals den maximalen Opazitätswert
erreicht. Bei einer weiteren Variante dieser Ausführungsform
kann der Anfangspunkt der Aussendung eines Strahls um den Abstandsschwellwert
in einer negativen Richtung des Strahls verschoben sein. Dies kann
sicherstellen, dass das Raycasting die Fläche findet, die in dem volumetrischen
Datensatz implizit dargestellt ist, wenn man annimmt, dass die Fläche innerhalb
des angegebenen maximalen Abstands liegt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann ein Winkelschwellwert verwendet werden, um zu
prüfen,
ob eine Kompatibilität
zwischen der Strahlrichtung und der Normalenrichtung am Zielpunkt
vorliegt. Diese Normale kann aus dem lokalen Gradienten in dem volumetrischen
Datensatz berechnet werden. Falls der Winkel zwischen der Strahlrichtung
und der Normalen des Gradienten kleiner als ein vorgegebener Wert
ist, können
die entsprechenden Punkte als übereinstimmende
Punkte betrachtet werden, während
dann, wenn der Winkel größer als
der Wert ist, die Punkte als nicht zu den übereinstimmenden Merkmalen
gehörend
betrachtet werden können.
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Selbstverständlich kann
die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen von Hardware, Software,
Firmware, Spezialzweck-Prozessen oder als eine Kombination davon
implementiert werden. Bei einer Ausführungsform kann die vorliegende
Erfindung softwaremäßig als
ein Anwendungsprogramm implementiert werden, das auf einer von einem
Computer lesbaren Programmspeichereinrichtung konkret realisiert
ist. Das Anwendungsprogramm kann auf eine Maschine hochgeladen werden,
die eine beliebige geeignete Architektur aufweist, und von dieser
ausgeführt
werden.
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Es
wird nun auf 2 Bezug genommen; gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann ein Computersystem 21 zur
Implementierung der vorliegenden Erfindung unter andere eine Zentraleinheit
(ZE) 22, einen Speicher 23 und eine Ein-/Ausgabe-(E/A-)
Schnittstelle 24 umfassen. Das Computersystem 21 ist
im Allgemeinen über
die E/A-Schnittstelle 24 mit einem Display 25 und
verschiedenen Eingabegeräten 26 wie
etwa einer Maus und einer Tastatur gekoppelt. Die Unterstützungsschaltungen
können
solche Schaltungen umfassen, wie einen Cache, Stromversorgungen,
Taktschaltungen und einen Kommunikationsbus. Der Speicher 23 kann
einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM), ein
Plattenlaufwerk, ein Bandlaufwerk usw. oder eine Kombination davon
umfassen. Die vorliegende Erfindung kann als eine Routine 27 implementiert
sein, welche im Speicher 23 gespeichert ist und von der
ZE 22 ausgeführt
wird, um das Signal von der Signalquelle 28 zu verarbeiten. Das
Computersystem 21 an sich ist ein Universal-Computersystem, welches
zu einem zweckgebundenen Computersystem wird, wenn es die Routine 27 der
vorliegenden Erfindung ausführt.
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Das
Computersystem 21 enthält
außerdem ein
Betriebssystem und einen Mikrobefehlscode. Die verschiedenen Prozesse
und Funktionen, die hier beschrieben wurden, können entweder Teil des Mikrobefehlscodes
oder Teil des Anwendungsprogramms sein (oder eine Kombination davon)
sein, welches über
das Betriebssystem ausgeführt
wird. Außerdem
können
verschiedene andere Peripheriegeräte an die Computerplattform
angeschlossen sein, wie etwa eine zusätzliche Datenspeichereinrichtung
und eine Druckeinrichtung.
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Ferner
ist darauf hinzuweisen, dass, da einige der Systembestandteile und
Verfahrensschritte, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
sind, softwaremäßig implementiert
sein können,
die tatsächlichen
Verbindungen zwischen den Systemkomponenten (oder den Prozessschritten)
unterschiedlich sein können,
in Abhängigkeit
von der Art und Weise, wie die vorliegende Erfindung programmiert ist.
Ausgehend von den Lehren der vorliegenden Erfindung, die hier dargelegt
wurden, ist ein Durchschnittsfachmann in der Lage, diese und ähnliche
Implementierungen oder Konfigurationen der vorliegenden Erfindung
in Erwägung
zu ziehen.
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Die
speziellen Ausführungsformen,
die oben beschrieben wurden, dienen nur der Veranschaulichung, da
die Erfindung modifiziert und auf unterschiedliche, jedoch äquivalente
Weisen praktisch realisiert werden kann, welche für Fachleute,
die von den hier dargelegten Lehren profitieren, offensichtlich
sind. Ferner sind für
die Einzelheiten der Konstruktion oder Gestaltung, die hier dargestellt
werden, keine Einschränkungen
beabsichtigt außer
denjenigen, die in den untenstehenden Ansprüchen beschrieben sind. Es ist
daher offensichtlich, dass die speziellen Ausführungsformen, die oben beschrieben
wurden, abgeändert
oder modifiziert werden können,
und dass alle diese Varianten als im Rahmen und Schutzbereich der
Erfindung enthalten betrachtet werden. Dementsprechend ergibt sich
der hierfür
beanspruchte Schutz aus den nachfolgenden Patentansprüchen.
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Zusammenfassung
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zur Registrierung eines digitalen Bildes mit
einem Polygonnetz bereitgestellt, welches die folgenden Schritte
umfasst: Bereitstellen (11) eines digitalen Bildes, das
eine Vielzahl von Intensitäten
umfasst, die einem Bereich von Punkten in einem D-dimensionalen Raum
entsprechen; Bereitstellen (12) eines eine Vielzahl von
Eckpunkten umfassenden Polygonnetzes, welches ein Objekt in dem
digitalen Bild approximiert; Aussenden (13) eines Strahls
von einem Eckpunkt des Polygonnetzes aus in einer Richtung in das
digitale Bild hinein und Berechnen eines Linienintegrals von Opazitätswerten,
wobei jeder Opazitätswert
der Intensität
eines Pixels des Bildes entspricht, durch das der besagte Strahl
verläuft;
Beenden (14) des Strahls an einem Punkt im Bild, wenn ein
Opazitätsschwellwert
erreicht ist; und Hinzufügen
des Endpunktes zu einer Menge von nächstgelegenen Punkten. Das
Verfahren umfasst ferner die Schritte des Berechnens einer Registrierung
(16) zwischen den Eckpunkten des Polygonnetzes und der
Menge von nächstgelegenen
Punkten, des Anwendens (17) der Registrierung auf das Polygonnetz,
um eine neue Menge von Eckpunkten zu erhalten.
