DE19851597A1

DE19851597A1 - Verbesserte Visualisierung schwacher Bildquellen in der Nähe dominanter Quellen

Info

Publication number: DE19851597A1
Application number: DE19851597A
Authority: DE
Inventors: Harvey Ellis Cline
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1998-11-09
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2018-11-10
Also published as: DE19851597B4; US6058218A; IL126846A; IL126846A0; JPH11242739A; JP4209017B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine dreidimensionale Ab bildung und insbesondere eine dreidimensionale Abbildung we niger intensiver Strukturen in der Nähe dominanter Strukturen.

Bei vielen verschiedenen Abbildungen dominiert eine große oder intensive Quelle und verdunkelt schwächere, weniger in tensive oder kleinere Quellen. Dies kann bei verschiedenen Abbildungsarten geschehen. Eine spezifische Art ist die medi zinische Abbildung, spezieller noch die Herzabbildung.

Kranzarterienerkrankungen sind die Haupttodesursache in den Vereinigen Staaten und tragen hauptsächlich zu medizinischen Versorgungskosten bei. Abgesehen von Fortschritten in jüngster Zeit bei der Magnetresonanz-(MR-)Herzabbildung und Rönt genstrahlkatheterisierung ist die Kranzangiographie die defi nitive Untersuchungsmethode für Kranzarterienerkrankungen. Kranzarterien werden auf medizinischen Bildern von verschie denen Ansichtspunkten aus unter Verwendung eines mittels eines Katheters entweder in den rechten oder den linken Kranz inji zierten Kontrastmittels während der Untersuchung durch eine Fluoroskopieabbildung untersucht. Die Kranzarterien sind kleine weniger intensive Quellen verglichen mit den Blutan sammlungen der Vorkammern, Kammern und der Aorta, die die Kranzbilder dominieren. Könnten die Kranzarterien deutlicher abgebildet werden, könnte eine Kranzarterienerkrankung durch Betrachtung der Kranzarterienverzweigung diagnostiziert wer den. Könnten die Bilder insbesondere durch eine MR-Abbildung erhalten werden, wäre bei den Patienten keine schmerzhafte Katheterisierung erforderlich.

Manuelle Verfahren zur Beseitigung der Blutansammlung aus ei nem erfaßten medizinischen Bilddatensatz vor der Anzeige sind in der Druckschrift "coronary Arteries: Three-dimensional MR Imaging with Respective Respiratory Gating", von D. Li, S. Kaushikkar, E.M. Haacke et al., Radiology 201, 857-863 (1996) beschrieben. Dabei ist eine langwierige manuelle Benutzerin teraktion zur Verfolgung bzw. Absteckung des Umrisses der Kranzarterien erforderlich.

Bei anderen Vorgehensweisen zur Segmentierung der Kranzarte rien können Gefäße durch Verbindungserkennung oder Verfolgung des Lumen gefunden werden. Allerdings können Diskontinuitäten in den Gefäßen und Rauschen, die die Gefäße mit der Blutan sammlung verbinden, die automatischen Verfahren zur Gefäßauf findung vereiteln.

Gegenwärtig besteht das Erfordernis nach einem System, das automatisch Bilder kleinerer, weniger intensiver Strukturen in einem Bereich in der Nähe großer, dominanter Strukturen erzeugt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Gerät zur Visualisierung, kleinerer, weniger intensi ver Strukturen auszugestalten, die sich in der Nähe einer großen dominanten Struktur befinden.

Des weiteren sollte ein System ausgebildet werden, das Bilder von Kranzgefäßen eines Subjekts aus einem volumetrischen Da tensatz automatisch erzeugt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und ein Gerät zur Erzeugung verbesserter Bilder gewünschter Strukturen in der Nähe dominanter Strukturen gelöst.

Dabei wird ein volumetrischer Datensatz I mit einer dominan ten Struktur mit schwächeren gewünschten Strukturen mit einem Schwellenwert C verglichen, der interaktiv von einem Benutzer zugeführt werden kann. Ein dreidimensionaler binärer Daten satz X={I<C} wird erzeugt, wobei Datenwerte des Datensatzes I über dem Schwellenwert einen Bitwert darstellen, und der an dere Bitwert Werte von I darstellt, die sich an oder unter dem Schwellenwert befinden. Dabei sind sowohl die dominante als auch die gewünschte Struktur mit einigem Rauschen enthal ten.

Der dreidimensionale (3D) binäre Datensatz X wird zum Erhal ten eines geglätteten Datensatzes Y geglättet, wobei die ge wünschten Strukturen im wesentlichen beseitigt werden und das Rauschen verringert wird. Ein derartiges Glättungsverfahren ist die "Erosion" unter Verwendung von Strukturelementen B₀ mit einem Radius r₀, woraus sich ein erodierter Datensatz (XΘB₀) ergibt. Dann resultiert die Dilatation bzw. Erweite rung des erodierten Datensatzes (XθB₀) mit einem Strukturele ment B₁ mit dem Radius r₁ in einem geglätteten Datensatz Y, der die gewünschten Strukturen im wesentlichen ausschließt und ein verringertes Rauschen aufweist.

Eine dreidimensionale Maske M wird durch die Erweiterung des geglätteten Datensatzes Y mit einem Strukturelement B₂ zum Erhalten eines erweiterten Datensatzes (B₂⊕Y) erzeugt. Der geglättete Datensatz Y wird dann von dem erweiterten Daten satz (B₂⊕Y) zum Erhalten der Maske M=(B₂⊕Y)-Y subtrahiert.

Die Maske M wird mit dem ursprünglichen Datensatz I zum Er halten eines verbesserten Datensatzes E geschnitten, der die gewünschten Strukturen enthält und bei dem die dominante Blutansammlung weggelassen ist: E=M∩I.

Dieser verbesserte Datensatz E kann dann manipuliert und durch herkömmliche Abbildungsverfahren, wie die Maximuminten sitätsprojektion (MIP) zum Erhalten verbesserter Bilder ange zeigt werden.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann ein Benutzer die Orte auf einem angezeigten Bild, die die gewünschen Strukturen zeigen, interaktiv auswählen. Diese Orte werden als "Kerne" in dem verbesserten Datensatz E verwendet. Orte in den verbesserten Datensatzwerten E mit im wesentlichen den gleichen Werten wie die Kerne, die den gleichen Quellentyp anzeigen und mit den Kernen entweder direkt oder über den gleichen Quellentyp physikalisch verbunden sind, werden als feste Struktur zusammen gruppiert, die entfernt oder von an deren Orten getrennt angezeigt werden kann.

Die Erfindung kann bei der Erzeugung verbesserter Anzeigen gewundener Kranzarterien bei Hochauflöungs-3D-MR-Bildern an gewendet werden.

Dies kann zur Anzeige von Kranzarterien eines Subjekts unter Verwendung der mathematischen Morphologie zur Auswahl einer Schale durchgeführt werden, die die Kranzarterien enthält und die dominanten Blutansammlungen ausschließt. Die dreidimen sionalen Daten werden dann von verschiedenen Ansichten aus zur Ausbildung von Angiogrammen projiziert, die in bekannter Form für eine Diagnose für den Kardiologen vorliegen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Ausführungs beispiels,

Fig. 2 eine Herzblutansammlung, die zur Beschreibung der er findungsgemäßen Erosions- und Erweiterungsvorgänge verwendet wird,

Fig. 3 das Ergebnis der Schritte zur Erzeugung einer Maske M zur Verbesserung der Visualisierung von Kranzarterien gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 einen umformatierten schrägen Schnitt durch Kranz blutansammlungen,

Fig. 5 einen zweidimensionalen Schnitt eines erfindungsgemäß erzeugten verbesserten Datensatzes E bezüglich der gleichen Ansicht wie in Fig. 4,

Fig. 6 eine Projektion durch den verbesserten Datensatz E,

Fig. 7 ein herkömmliches Maximumintensitätsprojektions-(MIP)- Bild, das aus dem ursprünglichen kompensierten Datensatz I erzeugt ist,

Fig. 8 ein MIP-Bild bezüglich der gleichen Ansicht wie in Fig. 7, ausgehend von dem gleichen Datensatz I aber erfin dungsgemäß verarbeitet,

Fig. 9 ein dreidimensionales Oberflächen-Rendering bezüglich der gleichen Ansicht wie in Fig. 7 und 8,

Fig. 10 ein MIP-Bild des ursprünglichen volumetrischen Daten satzes einschließlich der Blutansammlung gemäß herkömmlichen Abbildungsverfahren,

Fig. 11 ein erfindungsgemäß segmentiertes MTP-Bild ausgehend von dem gleichen Datensatz und mit der gleichen Ansicht wie in den Fig. 10 und 11, das Kranzarterien zeigt,

Fig. 12 ein dreidimensionales Oberflächen-Rendering eines An giographie-Volumendatensatzes und

Fig. 13 ein erfindungsgemäßes MIP-Bild eines verbesserten Da tensatzes E, das unter Verwendung einer Verbindungserkennung weiter verbessert wurde.

Die Herausforderung besteht in der Beseitigung großer inten siver Signalquellen in einem Volumen, die kleinere, weniger intensive Signalquellen in der Nähe, die abzubilden sind, do minieren und verbergen. Bezüglich der Herzabbildung dominie ren die Blutansammlungen der Vorkammern, Kammern und der Aor ta ein Angiographiebild derart, daß die Herzkranzarterien verborgen werden. Die Kranzarterien führen dem Herzmuskel Blut zu. Die Visualisierung dieser Herzarterien ist der Schlüssel für die Diagnose und Verhinderung ernsthafter Herz kranzerkrankungen.

Da diese Arterien sehr gewunden sind, liefern einfache zwei dimensionale ebene Bilder selten eine geeignete Begrifflich keit dieser Arterien.

Erfindungsgemäß werden die dominanten Blutansammlungsquellen aus den dreidimensionalen MR-Herzbildern zur Anzeige der seg mentierten Blutgefäße als interaktive dreidimensionale Struk turen beseitigt, die von verschiedenen Ansichtspunkten aus be trachtet werden können.

Daraus ergibt sich ein verbesserter dreidimensionaler Daten satz, der herkömmliche Abbildungsverfahren erleichtert, wie beispielsweise die Maximumintensitätsprojektion (MIP), die zusammen mit der MR-Angiographie verwendet wird. Die MIP-Projektion durch das dreidimensionale Volumen erscheint gleich einer herkömmlichen Herz-Fluoroskopie.

Datenerfassung

Ein volumetrischer bzw. Volumendatensatz wird erfaßt. Ein mit der Erfindung kompatibler Datentyp ist ein dreidimensionaler MR-Datensatz zur Herzabbildung, wie er von P. Irarrazaval, D.G. Nishimmura in "Fast Three Dimensional Magnetic Resonance Imaging", Magn. Reson. Med. 33, 689-696 (1995) beschrieben ist.

Spulenempfindlichkeitskorrektur

Werden MR-Volumendaten verwendet, und wurden diese unter Ver wendung einer Oberflächenempfangsspule erfaßt, ist eine Spu lenempfindlichkeitskorrektur zur Anpassung an die variable Empfindlichkeit der Oberflächenspule bezüglich der Entfernung von der Spule erforderlich, d. h., Quellen, die näher an der Spule oder direkt vor der Spule sind, erzeugen ein höheres MR-Antwortsignal, während die Quellen, die weiter von der Spule entfernt oder abgewandt an einer Seite der Spule sind, ein niedrigeres MR-Antwortsignal erzeugen. Dies ist bei spielsweise in der US-A-5 659 629 beschrieben.

Schwellenwertbildung bezüglich der Segmentansammlung

Die Erfindung benötigt einen dreidimensionalen Volumendaten satz. Eine besonders wichtige Verwendung besteht in der Iden tifizierung und Anzeige von Kranzarterien in einem dreidimen sionalen Volumendatensatz. Erfindungsgemäß wird der langwie rige Schritt einer manuellen Umrißlinienbildung von Gefäßen und der Identifizierung der Blutansammlung durch das automa tische Glätten des Datensatzes und einer Schwellenwertbildung mit einer Benutzereingabe vermieden.

Ein Schwellenwert wird interaktiv durch einen Benutzer einge stellt, der eine einen Schwellenwert interaktiv festsetzende Benutzerschnittstelle bedient, was einen weißen und schwarzen Kontrast von Bereichen über/unter dem Schwellenwert liefert. Der Benutzer stellt den Schwellenwert ein, bis die Blutan sammlung klar dargestellt ist. Bei einem optionalen alterna tiven Ausführungsbeispiel kann eine kompliziertere Blutan sammlungsoberflächenerfassungseinrichtung als die einfache Schwellenwertbildung eine Spulenempfindlichkeitskorrektur un nötig machen.

Isolation der Blutansammlung-Glättung

Die Blutansammlung wird von den Kranzarterien durch mathema tische Morphologieoperationen der Erosion und Erweiterung se pariert, wie es in der Druckschrift "Vascular Morphology by Three-dimensional Magnetic Resonance Imaging" von H.E. Cline, W.E. Lorensen, R.J. Herfkens, G.A. Johnson, G.-H. Glover, Ma gnetic Resonance Imaging Band 7, Seiten 45-54, 1989, be schrieben ist.

Die Erosion eines dreidimensionalen Objekts beinhaltet die Entfernung eines Oberflächenbereichs an einer gegebenen Ent fernung von der Oberfläche. Im Fall isotropischer Daten nä hert das Strukturelement eine Kugel. Ein Schema einer Blutan sammlung mit einer Kranzarterie und Rauschen wird wie in Fig. 1 gezeigt erodiert. Das Rauschen und die Gefäße werden ent fernt und die Blutansammlung wird geringer.

Die Erweiterung erhöht die Größe eines Objekts und ist gleich einer Erosion des Hintergrunds. Die Kombination der Erosion gefolgt von einer Erweiterung, einer sogenannten Öffnung, be seitigt kleine Bereiche und glättet ein dreidimensionales bi näres Objekt.

Maskenerzeugung

Die Segmentierung von Kranzarterien beinhaltet eine Erweite rung der geglätteten Blutansammlung Y mit einem Strukturele ment B2 mit einem Radius r₂, der vordefiniert oder vom Benut zer ausgewählt ist. Daraus ergibt sich eine erweiterte Blutansammlung (Y⊕B₂).

Die ursprüngliche geglättete Blutansammlung Y wird von der erweiterten Blutansammlung (Y⊕B₂) zur Ausbildung eines drei dimensionalen Schalenmaskenbereichs M=(Y⊕B₂)-Y außerhalb der Blutansammlung subtrahiert, der die in Frage kommenden Arte rien enthält. Die Maske M enthält dann die Kranzarterien und schließt im wesentlichen die Blutansammlungen aus.

Erzeugung eines verbesserten Datensatzes E

Dann wird die Maske M mit dem kompensierten Datensatz I zur Ausbildung des verbesserten Datensatzes E geschnitten. Über all dort, wo die Maske M "0" ist, sind die Einträge des ver besserten Datensatzes E "0". Überall dort, wo die Maske M "1" ist, wird der Eintrag des verbesserten Datensatzes E auf den entsprechenden Eintrag des kompensierten Datensatzes I ge setzt.

Anzeige des verbesserten Datensatzes E

Der verarbeitete dreidimensionale Datensatz kann zur Auswahl von Parametern zur Segmentation und zur Visualisierung der Kranzgefäße interaktiv manipuliert werden. Die MIP des Kranz angiogramms ist ein schnelles Mittel zur Anzeige, das die Tiefenwahrnehmung dramatisch verbessert, insbesondere dann, wenn die Bilder für verschiedene Ansichten bzw. Ansichtspunkte gedreht werden.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Verschie bung des Subjekts aufgrund der Atmung gespeichert, und die erzeugten zweidimensionalen Bilder können um diesen Betrag verzerrt werden, um Atmungsverschiebungen zu kompensieren, und künstliche Diskontinuitäten in den Kranzarterien zu ver hindern.

Die Schritte zur Segmentierung der Blutansammlung und Erzeu gung von MR-Kranzangiogrammen sind folgende:

1. Ein roher dreidimensionaler Volumendatensatz wird bezüg lich der lokalen Spulenempfindlichkeit korrigiert, woraus sich ein kompensierter Datensatz I ergibt.
2. Der kompensierte Datensatz I wird durch eine Schwellen wertbildung mit einem konstanten Wert C zur Erzeugung eines dreidimensionalen binären Bildes X des Blutes transfor miert, das sowohl in der Blutansammlung als auch den Kranzarterien enthalten ist (X={I<C}.
3. Ein geglättetes Datenvolumen Y wird durch Erosi on/Erweiterung unter Verwendung von Strukturelementen B₀, B₁ jeweils mit Radien r₀ und r₁ erzeugt. Die geglättete Blutansammlung Y enthält keine Kranzarterien und weist ver ringertes Rauschen auf. In diesem Fall definiert der Satz von Punkten in einem ausgewählten Radius Strukturelemente B₀ und B₁.
4. Eine die Kranzarterien umfassende Maske M=(Y⊕B₂)-Y wird durch Erweiterung der geglätteten Blutansammlung Y mit ei nem größeren Strukturelement B₂ und durch Subtraktion der ursprünglichen Blutansammlung Y erzeugt.
5. Die Maske M wird mit dem kompensierten Datensatz I zur Ausbildung des verbesserten Datensatzes E geschnitten.
6. Der verbesserte Datensatz E kann dann mittels herkömmli cher Verfahren, wie beispielsweise MIP (π) zur Ausbildung eines Kranzangiogramms A angezeigt werden. Die Ansicht kann durch die Projektion von verschiedenen Ansichtspunkten aus zur Erzeugung einer Bewegungsdarstellung des Kranzgefäßbau mes gedreht werden: A=π(I∩M).

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der Erfindung. Eine Bilddatenquelle führt rohe Volumendaten zu, die einen zu visualisierenden Bereich abdecken. Falls die rohen Volumenda ten unter Verwendung einer Oberflächenspule erfaßt wurden, werden sie bezüglich der Empfindlichkeit der Spule durch eine Empfindlichkeitskompensationseinrichtung 13 ähnlich der bei Cline beschriebenen kompensiert, woraus sich ein kompensier ter Datensatz I ergibt, der einer Schwellenwerteinrichtung 15 zugeführt wird.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Volu mendaten durch eine Spule erfaßt werden, die keine Kompensa tion erforderlich macht, oder vorkompensiert wurde, und wer den der Schwellenwerteinrichtung 15 direkt zugeführt.

Die Schwellenwerteinrichtung 15 empfängt auch einen Schwel lenwert, der interaktiv von einem Benutzer 1 eingestellt wer den kann, der mit einer Benutzerschnittstelle 11 interagiert. Die Schwellenwerteinrichtung 15 vergleicht jeden Datenwert des kompensierten Volumendatensatzes I mit dem empfangenen Schwellenwert und erzeugt einen Volumendatensatz X, der einen Wert 1 aufweist, wo die Werte den Schwellenwert jeweils über schreitet, und den Wert 0 aufweist, wo I jeweils auf bzw. un ter den Schwellenwert fällt.

Der Volumendatensatz X wird dann auf einem Bildschirm 17 für den Benutzer 1 angezeigt, so daß der Benutzer 1 mit der Schwellenwerteinrichtung 15 über die Benutzerschnittstelle 11 zur Einstellung des Schwellenwerts derart interagieren kann, daß die gewünschten Volumenabschnitte des kompensierten Da tensatzes I ausgeschlossen sind. Stellt der verwendete Daten satz ein Herzbild dar, wird der Schwellenwert derart einge stellt, daß die Blutansammlungen der Vorkammern, Kammern und der Aorta gut definiert sind.

Der mit einem Schwellenwert bewertete Datensatz X wird einem Glättungsfilter 30 zugeführt, das die durch den Benutzer in teraktiv ausgewählte dominante Quelle glättet. Das Glättungsfilter 30 verringert das Rauschen um die dominante Quelle und glättet die Kanten der dominanten Quelle.

Bei einem derartigen Glättungsfilter könnte eine Erosionsein richtung 31 und eine Erweiterungseinrichtung 33 Verwendung finden.

Die Erosionseinrichtung 31 funktioniert zusammen mit einer Strukturelementeinrichtung 73. Der Benutzer 1 definiert über die Benutzerschnittstelle 11 einen Radius r₀, der einem aus einer dominanten Quelle 27 zu entnehmenden Bereich ent spricht. Der Radius r₀ definiert einen Bereich, in dem die Volumenbildelemente (Volumenelemente) in dem Bereich zu ver wenden sind. Ein Satz von Volumenelementen in diesem Bereich ist als Strukturelement definiert, und ist in diesem Fall gleich B₀. Jedes Strukturelement weist ein Mittelpunktvolu menelement auf, das beruhend auf der Untersuchung der anderen Volumenelemente in dem Bereich modifiziert wird.

Gemäß Fig. 2 befindet sich ein Volumenelement 8 außerhalb der dominanten Quelle 27. Daher wird in einem Erosionsvorgang ein Volumenelement 9, das das zentrale Volumenelement darstellt, in einer Erosion eines binären Datensatzes auf 0 gesetzt. Das Strukturelement B₀ wird dann an einen anderen Ort bewegt, und es wird wiederum ein Test durchgeführt, um zu bestimmen, ob ein Volumenelement außerhalb der dominanten Quelle 27 liegt. Trifft dies zu, wird das Mittelpunktvolumenelement auf 0 ge setzt. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, bis jedes Vo lumenelement eines in Frage kommenden Bereichs das Mittel punktvolumenelement war. Das Ergebnis ist ein durch eine ge strichelte Linie 6 gezeigter Bereich, der der neue Außenbe reich der erodierten dominanten Quelle wird.

Gemäß Fig. 1 wählt der Benutzer 1 einen Radius r₀ über die Benutzerschnittstelle 11 aus, der einer Strukturelementein richtung 72 zugeführt wird. Dadurch wird ein Strukturelement B₀ erzeugt, das der Erosionseinrichtung 31 zugeführt wird. Die Erosionseinrichtung 31 erodiert dann das durch den Schwellenwert bewertete Datenvolumen X. Das erodierte Volumen wird als (B₀ΘX) bezeichnet. Dieses erodierte Volumen wird dann einer Erweiterungseinrichtung 33 zugeführt.

In Fig. 2 werden ein Strukturelement B₁ und Volumenelemente 21 und 23 verwendet, um die Erweiterung darzustellen. Ein Ra dius r₁ wird gewählt, innerhalb dessen das Volumen zu erwei tern ist. Soll die dominante Quelle 27 erweitert werden, wer den alle Volumenelemente in einem Radius r₁ des Mittelpunkt volumenelements 21 dahingehend überprüft, ob eines dieser Vo lumenelemente sich innerhalb der dominanten Quelle 27 befin det. Befindet sich zumindest eines darin, wird das Volu menelement 21 auf 1 gesetzt. Dann wird das Strukturelement B₁ an einen neuen Ort bewegt und der Vorgang fortgesetzt. Dies wird solange wiederholt, bis alle Volumenelemente in dem ge wünschten Bereich das Mittelpunktvolumenelement waren. Daraus ergibt sich eine Vergrößerung zu der mit 25 angezeigten ge strichelten Linie.

In dem Glättungsfilter 30 wurde die dominante Quelle zuerst bis zur gestrichelten Linie 6 erodiert und dann wieder erwei tert. Ist der Radius r₀=r₁, ergibt sich eine dominante Quelle mit der gleichen Größe wie zuvor, allerdings mit einer glat ten Oberfläche und geringerem Rauschen. Der Vorgang der Ero sion gefolgt von einer Erweiterung tendiert zum Löschen klei ner Quellen und von statistischem Rauschen. Der geglättete Datensatz wird mit Y bezeichnet.

Der geglättete Datensatz Y wird einer Maskierungseinrichtung 50 zugeführt, die eine Maske M erzeugt, die lediglich ge wünschte periphere Strukturen enthält und die dominante Quel le wegläßt. Eine Art zum Aufbau der Maske M besteht in der Verwendung der Erweiterungseinrichtung 51, wobei ein Struktu relement B₂ verwendet wird, das den geglätteten Datensatz Y empfängt und einen erweiterten Datensatz (B₂⊕Y) erzeugt.

Eine Subtraktionseinrichtung 53 empfängt das Ausgangssignal der Erweiterungseinrichtung 51 und empfängt auch den geglät teten Datensatz Y und subtrahiert diesen zur Erzeugung einer Maske M=(B₂⊕Y)-Y.

Fig. 3 zeigt das Ergebnis dieser Operationen. In Fig. 3 ist im Abschnitt A die Blutansammlung nach dem Erosionsschritt (B₀ΘX) gezeigt. Dies stellt das Ausgangssignal der Erosions einrichtung 31 dar.

Im Abschnitt B in der Fig. 3 ist die geglättete Blutansamm lung Y gezeigt.

Die geglättete Blutansammlung Y wird durch die Erweiterungs einrichtung 51 erweitert und dann wird die ursprüngliche ge glättete Blutansammlung Y von dem Ausgangssignal der Erweite rungseinrichtung 51 durch die Subtraktionseinrichtung 53 zur Erzeugung der Maske M subtrahiert, wie es in Fig. 3, Ab schnitt C gezeigt ist.

Eine Schnitteinrichtung 71 empfängt das Ausgangssignal der Subtraktionseinrichtung 53 und empfängt auch den ursprüngli chen kompensierten Datensatz I und setzt alle Werte außer solche auf null, die die Maske M auf einen Wert 1 gesetzt hat. Daraus ergibt sich ein verbesserter Datensatz E) aus dem die dominanten Quellen beseitigt sind. Der verbesserte Daten satz E für ein Herzbild gleicht einer dreidimensionalen Scha le, auf der das Zentrum bzw. der Mittelteil entfernt ist. Die Schale weist die Kranzarterien auf, die angezeigt werden kön nen.

Der verbesserte Datensatz E kann durch einen dreidimensiona len Arbeitsplatzrechner 79 manipuliert oder durch eine Rück projektionseinrichtung 75 zur Erzeugung von Bildern auf einem Bildschirm 17 rückprojiziert werden. Der Benutzer 1 kann über die Benutzerschnittstelle 11 interagieren, um die Abbildungs parameter für den 3D-Arbeitsplatzrechner 79 oder die Rückpro jektionseinrichtung 75 einzustellen. Die Schale kann unverän dert rückprojiziert werden, oder aufgeschnitten und derart rückprojiziert werden, daß ein klareres Bild erhalten wird. Befindet sich beispielsweise die abzubildende Kranzarterie auf der Vorderseite des Herzens, kann lediglich der vordere Abschnitt des Herzens nahe der Arterie bei der Rückprojektion verwendet werden, wobei das Übrige der Schale weggelassen wird. Dies ermöglicht eine Rückprojektion, bei der die Arte rien auf der Hinterseite des Herzens nicht über die vorderen Arterien überlappen, und dadurch eine Verwechslung in dem Bild bewirken.

Ein anderes Verfahren zur Anzeige dieses verbesserten Daten satzes E besteht darin, daß dem Benutzer 1 die Auswahl einer Folge aufeinanderfolgender Ansichtspunkte ermöglicht wird, von denen aus die Bilder zu betrachten sind. Diese Ansichtspunkte können dann zur Erzeugung von Bildern verwendet werden, die gespeichert werden. Die Bilder können dann in aufeinanderfol gender Art und Weise zur Erzeugung einer filmähnlichen Wie dergabe wiedergegeben werden, wobei die Strukturen darge stellt werden, als ob sich der Benutzer um die Strukturen be wegt.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der dreidi mensionale Arbeitsplatzrechner 79 auch die Funktionen der Schwellenwerteinrichtung 15 durchführen, und diese Einrich tungen können in einer einzelnen Einrichtung zusammengefaßt werden.

Gemäß einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel betrach tet der Benutzer 1 das Bild auf dem Bildschirm 13. Der Benut zer 1 wählt dann Orte oder Kerne in den Strukturen aus, die hervorzuheben sind, wie die Kranzarterien, indem die Benut zerschnittstelle 11 verwendet wird.

Eine Verbindungserfassungseinrichtung 76 in dem dreidimensio nalen Arbeitsplatzrechner 79 empfängt die Kerne als Eingangs signal und sucht nach den ähnlichen Datenwerten als Kernwerte in der nächsten Umgebung, die mit den Kernen physikalisch verbunden sind: Dies kann wie in der Druckschrift "Image Ana lysis and Mathematical Morphology" von J. Serra, Academic Press, New York (1982), Seiten 373-416 beschrieben, durchge führt werden. Daraus ergeben sich feste Strukturen des glei chen Gewebetyps. Wird die Verbindungserkennungseinrichtung 76 in Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen System verwen det, ergibt sich eine weitere Verdeutlichung der gewünschten Strukturen.

Ergebnisse

Fig. 4 zeigt einen umformatierten schrägen Schnitt durch das dreidimensionale Volumen an der rechten Kranzarterie (RCA) eines Volumendatensatzes, der Kranzblutansammlungen enthält. Umformatierte Ansichten wurden interaktiv mittels des GE- Research-Workstation-Programms Medic++ berechnet, das auf ei nem Arbeitsplatzrechner (Pentium Pro 200 MHz, Hewlett Pack ard) läuft. Ein Benutzer wählt den Winkel, die Elevation oder die Schnittiefe aus, die die schräge Ebene definiert, und die umformatierten schrägen Bilder erscheinen auf dem Bildschirm kontinuierlich in Echtzeit.

Nach der Segmentierung des dreidimensionalen Datensatzes wer den die Blutansammlungen automatisch unter Verwendung der Er findung entfernt, woraus sich ein verbesserter Datensatz E ergibt.

Ein Schnitt durch den dreidimensionalen verbesserten Daten satz E ist in Fig. 5 gezeigt. Ein Strukturelement mit einem Radius von 3 mm wurde zum Öffnen und Glätten der Blutansamm lung gefolgt von einer Erweiterung um 7 mm verwendet, um die Schalenmaske M zu erzeugen. Die Blutansammlung erscheint nun schwarz und verbirgt das MIP-Bild nicht.

Fig. 6 zeigt eine Projektion durch den verbesserten Datensatz E, wobei die linke vordere absteigende Arterie (LAD-Arterie) im Mittelpunkt des Bildes gezeigt ist. Eine rechte Schrägan sicht des Herzens eines Subjekts wurde zur Visualisierung der linken vorderen absteigenden Arterie verwendet. Die LAD-Arterie ist nicht eben und kann nicht einfach in einem ein zelnen planaren Bild angezeigt werden.

Ein Stapel aus 10 parallelen umformatierten Schnitten der Vo lumendaten mit 1 mm Abstand voneinander wird unter Verwendung der MIP zur Kombination verschiedener Gefäßsegmente in einer dicken umformatierten Ansicht angezeigt, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Dabei ist die Blutansammlung der Vorkammern, Kammern und der Aorta enthalten.

Fig. 8 zeigt eine MIP von der gleichen Ansicht wie in Fig. 7 aus, nachdem die Blutansammlung segmentiert und ausmaskiert wurde. Dabei ist sowohl die LAD-Arterie als auch die linke gekrümmte Arterie (LCX-Arterie) gezeigt, die in Fig. 7 ver borgen war.

Fig. 9 zeigt eine dreidimensionale Oberflächenwiedergabe (Oberflächenrendering) bei der gleichen Ansicht wie in den Fig. 7 und 8. Dabei sind die Blutansammlungsoberfläche und die LAD-Arterie gezeigt. Die Oberflächen der Blutansammlung können mittels herkömmlicher Computergraphik- Oberflächenrenderingroutinen aufgebaut und visualisiert wer den. Ein dreidimensionales Oberflächenmodell ist bei der Be stimmung der Orientierung des Epikardium sinnvoll. Dreidimen sionale Oberflächenmodelle werden zur Bestimmung der Orien tierung der Ansicht relativ zu den Merkmalen der Herzanatomie erzeugt.

Es wurde eine linke vordere schräge Ansicht bei 49 Grad Cra nial verwendet. Fig. 10 zeigt ein MIP-Bild eines dreidimen sionalen kompensierten MR-Angiographie-Datensatzes I mit der Blutansammlung. Die Blutansammlung dominiert das Bild und verbirgt die Kranzarterien.

Fig. 11 zeigt ein segmentiertes MIP-Bild der gleichen Ansicht wie in Fig. 10, wobei die linke Kranzarterie mit einigen sichtbaren diagonalen Verzweigungen gezeigt ist. Dies ist ein MIP-Bild aus dem verbesserten Datensatz E, bei dem die Blutansammlung vor der Projektion segmentiert und ausmaskiert wurde.

Fig. 12 zeigt ein dreidimensionales Oberflächenrendering des gleichen ursprünglichen Angiographiedatensatzes I der Fig. 10 und 11 von der gleichen Ansicht aus. Die linke Kranzarte rie und die rechten Kammerblutansammlungsoberflächen sind sichtbar.

Fig. 13 zeigt ein MIP-Bild des verbesserten Datensatzes E, der weiter unter Verwendung einer Verknüpfungserkennung wie vorstehend beschrieben verbessert wurde.

Die Erfindung liefert Informationen über die sowohl bei Ober flächenmodellen als auch bei Maximumintensitätsprojektionen erhaltenen Informationen hinaus.

Sie bietet eine Visualisierung des Kranzangiogramms als äu ßerst schnelle Anzeige, die die Tiefenwahrnehmung besonders dann dramatisch verbessert, wenn die Bilder von verschiedenen Ansichtspunkten wie bei peripheren MR-Angiographiedarstellungen gedreht werden.

Die Erfindung kann als Ergänzung bei herkömmlichen umforma tierten Abschnitten, die ursprünglichen Bildern von der glei chen Ansicht aus überlagert sind, angewendet werden, um Kranzgefäße hervorzuheben.

Erfindungsgemäß wird ein Volumendatensatz mit einer dominan ten Struktur hoher Intensität in der Nähe einer kleineren we niger intensiven Struktur geglättet und zum Trennen der domi nanten Struktur segmentiert. Die dominante Struktur wird her ausmaskiert, um die kleineren weniger intensiven Strukturen zu erhalten, die angezeigt werden. Beispielsweise wird eine dominante Struktur, wie die Blutansammlung in den Vorkammern, Kammern und der Aorta eines dreidimensionalen Angiographieda tensatzes segmentiert und aus dem Datensatz unter Verwendung mathematischer Morphologieoperationen beseitigt, um einen verbesserten Datensatz zu erhalten. Der verbesserte Datensatz wird durch herkömmliche Einrichtungen, wie eine Maximuminten sitätsprojektion (MIP) bei verschiedenen Ansichten zum Erhal ten von Bildern der Kranzarterien angezeigt.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung verbesserter Bilder gewünsch ter Strukturen in der Nähe dominanter Strukturen mit den Schritten

a) Erfassen eines Volumendatensatzes (I), der eine domi nante Struktur mit schwächeren gewünschten Strukturen auf weist,
b) Anwenden eines vorbestimmten Schwellenwerts (C) bei dem Datensatz (I) zur Erzeugung eines dreidimensionalen binä ren Datensatzes (X={<C}) sowohl der dominanten als auch der gewünschten Strukturen, wobei auch Rauschen enthalten ist,
c) Glätten des dreidimensionalen binären Datensatzes (X) zum Erhalten eines geglätteten Datensatzes (Y), in dem die gewünschten Strukturen wesentlich beseitigt sind und das Rau schen verringert ist,
d) Erzeugen einer dreidimensionalen Maske (M) aus dem dreidimensionalen binären Datensatz (X), die die gewünschten Strukturen umschließt aber im wesentlichen die dominante Struktur ausschließt,
e) Schneiden der Maske (M) mit dem ursprünglichen Daten satz I zum Erhalten eines verbesserten Datensatzes (E), der die gewünschten Strukturen enthält und die dominante Struktur wegläßt (E=M∩I), und
f) Anzeigen des verbesserten Datensatzes (E) durch her kömmliche Abbildungsverfahren zum Erhalten eines verbesserten Bildes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten vor der Anzeige der verbesserten Daten

a) Empfangen benutzerdefinierter Kerne in den gewünsch ten Strukturen des verbesserten Datensatzes (E) und
b) Bestimmen fester Bereiche verbesserter Datensatzwerte (E), die im wesentlichen die gleichen Werte wie die Kerne aufweisen, wobei der gleiche Quellentyp angezeigt wird, und die mit den Kernen entweder direkt oder über den gleichen Quellentyp physikalisch verbunden sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Glätten des dreidimensionalen binären Datensatzes X folgende Schritte umfaßt

a) Erodieren unter Verwendung von Strukturelementen (B₀) mit einem Radius (r₀) zum Erhalten eines erodierten Datensat zes (XΘB₀) und
b) Erweitern des erodierten Datensatzes (XΘB₀) mit einem Strukturelement (B₁) mit einem Radius (r₁) zum Erhalten eines geglätteten Datensatzes (Y), der im wesentlichen die ge wünschten Strukturen ausschließt und ein verringertes Rau schen aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Er zeugen einer dreidimensionalen Maske (M) folgende Schritte umfaßt

a) Erweitern des geglätteten Datensatzes (Y) mit einem Strukturelement (B₂) zum Erhalten eines erweiterten Datensat zes (B₂⊕Y) und
b) Subtrahieren des geglätteten Datensatzes (Y) von dem erweiterten Datensatz (B₂⊕Y), um die Maske (M=(B₂⊕Y)-Y) zu erhalten.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zur An zeige des verbesserten Datensatzes (E) folgenden Schritt um faßt Durchführen einer Maximumintensitätsprojektion (MIP) (π) durch den verbesserten Datensatz (E) von einem vorbestimmten Ansichtspunkt aus zur Ausbildung eines Bildes (A=π(I∩M)=π(E)).

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zur An zeige des verbesserten Datensatzes E folgende Schritte umfaßt

a) Durchführen einer Vielzahl von Maximumintensitätspro jektionen (MIP) (π) durch den verbesserten Datensatz (E) durch eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Ansichtspunkten aus zur Ausbildung einer Vielzahl von Bildern (A) und
b) Wiedergeben der Vielzahl der Bilder (A) zur Simulati on eines Films der gewünschten Strukturen, so als ob ein Be trachter sich um die Strukturen bewegt.

7. Verfahren zur Erzeugung verbesserter Bilder mit den Schritten

a) Erfassen eines Volumen-Angiographie-Datensatzes (1) mit einer dominanten Blutansammlungsquelle, wobei Kranzarte rien schwächere Quellen sind, die die Blutansammlung umgeben,
b) Anwenden eines vorbestimmten Schwellenwerts (C) bei dem Datensatz (I) zur Erzeugung eines dreidimensionalen binä ren Datensatzes (X={I<C}) sowohl der Blutansammlung als auch der Kranzarterien, wobei auch Rauschen enthalten ist,
c) Glätten des dreidimensionalen binären Datensatzes (X) zum Erhalten einer geglätteten Blutansammlung (Y), aus der im wesentlichen die Kranzarterien beseitigt sind und bei der das Rauschen verringert ist,
d) Erzeugen einer dreidimensionalen Maske (M) aus dem dreidimensionalen binären Datensatz (X), die die Kranzarteri en umschließt aber die Blutansammlungen im wesentlichen aus schließt,
e) Schneiden der Maske (M) mit dem ursprünglichen Daten satz (I) zum Erhalten eines verbesserten Datensatzes (E), der die Kranzarterien enthält und die dominante Blutansammlung ausschließt (E=M∩I), und
f) Anzeigen des verbesserten Datensatzes (E) mittels herkömmlicher Abbildungsverfahren zum Erhalten eines verbes serten Bildes der Kranzarterien.

8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit den Schritten vor der Anzeige der verbesserten Daten (E)

a) Empfangen benutzerdefinierter Kerne in den Kranzgefä ßen des verbesserten Datensatzes (E) und
b) Bestimmen fester Bereiche verbesserter Datensatzwerte (E), die im wesentlichen die gleichen Werte wie die Kerne aufweisen, wobei der gleiche Gewebetyp angezeigt wird, und die mit den Kernen entweder direkt oder über den gleichen Ge webetyp physikalisch verbunden sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt zum Glätten des dreidimensionalen binären Datensatzes (X) folgen de Schritte umfaßt

a) Erodieren unter Verwendung von Strukturelementen (B₀) mit einem Radius (r₀) zum Erhalten eines erodierten Datensat zes (XΘB₀) und
b) Erweitern des erodierten Datensatzes (XΘB₀) mit einem Strukturelement (B₁) mit einem Radius (r₁) zum Erhalten der geglätteten Blutansammlung (Y), die keine Kranzarterien ent hält und ein verringertes Rauschen aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt zur Er zeugung einer dreidimensionalen Maske folgende Schritte um faßt

a) Erweitern der geglätteten Blutansammlung (Y) mit ei nem Strukturelement (B₂) zum Erhalten einer erweiterten Blutansammlung (B₂⊕Y) und
b) Subtrahieren der geglätteten Blutansammlung (Y) von der erweiterten Blutansammlung (B₂⊕Y) zum Erhalten der Maske (M=(B₂⊕Y)-Y).

11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt zur An zeige des verbesserten Datensatzes (E) folgenden Schritt um faßt
Durchführen einer Maximumintensitätsprojektion (MIP) (π) durch den verbesserten Datensatz (E) von einem vorbestimmten Ansichtspunkt aus zur Ausbildung eines Kranzangiogramms (A=π(I∩M)=π(E)).

12. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt zur An zeige des verbesserten Datensatzes (E) folgende Schritte um faßt

a) Durchführen einer Vielzahl von Maximumintensitätspro jektionen (MIP) (π) durch den verbesserten Datensatz (E) von einer Vielzahl aufeinanderfolgender Ansichtspunkte aus zur Ausbildung einer Vielzahl von Kranzangiogrammen (A) und
b) Wiedergeben der Vielzahl der Kranzangiogramme (A) zur Simulation eines Films der Kranzarterien, so als ob ein Be trachter sich um die Arterien bewegt.

13. Gerät zur Erzeugung verbesserter Bilder gewünschter Strukturen in der Nähe dominanter Strukturen, mit
einer Einrichtung zur Erfassung eines Volumendatensatzes (I), der eine dominante Struktur mit schwächeren gewünschten Strukturen aufweist,
einer Schwellenwerteinrichtung (15) zur Anwendung eines vorbestimmten Schwellenwerts (C) bei dem Datensatz (I) zur Erzeugung eines dreidimensionalen binären Datensatzes (X={I<C}) sowohl der dominanten als auch der gewünschten Strukturen, wobei auch Rauschen enthalten ist,
einer Glättungseinrichtung (30) zur Glättung des dreidi mensionalen binären Datensatzes (X) zum Erhalten eines ge glätteten Datensatzes (Y), in dem die gewünschten Strukturen wesentlich beseitigt sind und das Rauschen verringert ist,
einer Erzeugungseinrichtung (50) zur Erzeugung einer dreidimensionalen Maske (M) aus dem dreidimensionalen binären Datensatz (X), die die gewünschten Strukturen umschließt aber im wesentlichen die dominante Struktur ausschließt,
einer Schnitteinrichtung (71) zum Schneiden der Maske (M) mit dem ursprünglichen Datensatz (I) zum Erhalten eines verbesserten Datensatzes (E), der die gewünschten Strukturen enthält und die dominante Struktur wegläßt (E=M∩I), und
einer Anzeigeeinrichtung (13) zur Anzeige des verbesser ten Datensatzes (E) durch herkömmliche Abbildungsverfahren zum Erhalten eines verbesserten Bildes.

14. Gerät zur Erzeugung verbesserter Bilder, mit
einer Erfassungseinrichtung eines Volumen-Angiographie- Datensatzes (I) mit einer dominanten Blutansammlungsquelle, wobei Kranzarterien schwächere Quellen sind, die die Blutan sammlung umgeben,
einer Schwellenwerteinrichtung (15) zur Anwendung eines vorbestimmten Schwellenwerts (C) bei dem Datensatz (I) zur Erzeugung eines dreidimensionalen binären Datensatzes (X={I<C}) sowohl der Blutansammlung als auch der Kranzarteri en, wobei auch Rauschen enthalten ist,
einer Glättungseinrichtung (30) des dreidimensionalen binären Datensatzes (X) zum Erhalten einer geglätteten Blutansammlung (Y), aus der im wesentlichen die Kranzarterien beseitigt sind und bei der das Rauschen verringert ist,
einer Erzeugungseinrichtung (50) zur Erzeugung einer dreidimensionalen Maske (M) aus dem dreidimensionalen binären Datensatz (X), die die Kranzarterien umschließt aber die Blutansammlungen im wesentlichen ausschließt,
einer Schnitteinrichtung (71) zum Schneiden der Maske (M) mit dem ursprünglichen Datensatz (I) zum Erhalten eines verbesserten Datensatzes (E), der die Kranzarterien enthält und die dominante Blutansammlung ausschließt (E=M∩I), und
einer Anzeigeeinrichtung (13) zur Anzeige des verbesser ten Datensatzes (E) mittels herkömmlicher Abbildungsverfahren zum Erhalten eines verbesserten Bildes der Kranzarterien.