DE19949877A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Transferfunktion für den Algorithmus Volume Rendering - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung einer Transferfunktion für den Algorithmus Volume Rendering, um Grenzen anatomisch zusammengehöriger Grauwertbereiche aufzufinden und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit folgenden Schritten: DOLLAR A a Bestimmung der Histogrammverteilung der Grauwerte, DOLLAR A b Ermittlung von zusammenhängenden Grauwertbereichen, DOLLAR A c Kennzeichnung der Grenzen der Grauwertbereiche anhand von Markierungen (14) entlang der Achse der Histogrammverteilung, DOLLAR A d Auswahl eines Grauwertbereiches, DOLLAR A e Zuweisung einer Farbe (r, g, b) und/oder einer Transparenz (a) zu diesem Grauwertbereich, DOLLAR A f gegebenenfalls Wiederholung der Schritte von d bis f, DOLLAR A g Durchführung des Volume Rendering und DOLLAR A h gegebenenfalls Wiederholung der Schritte von d bis h.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung einer Trans­ ferfunktion für den Algorithmus Volume Rendering, um Grenzen anatomisch zusammengehöriger Grauwertbereiche aufzufinden und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Visualisierung von dreidimensionalen (3D) Volumenda­ tensätzen in der Medizintechnik bei Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MR) oder Angiographie-Unter­ suchungen wie CTA oder MRA gewinnt der Algorithmus Volume Rendering immer größere Bedeutung.

Durch die Technik des Volume Rendering wird das anatomisch räumliche Verhältnis zwischen verschiedenen Organen wiederge­ geben, um eine Einsicht in verborgene Strukturen, insbesonde­ re von Adern zu verstärken. Es können verschiedene Objekte des selben Volumens, wie beispielsweise Adern, Knochen, Haut und Weichteile, gleichzeitig betrachtet werden. Diese Diffe­ renzierung wird auf der Basis einer ausgewählten Objekt­ schwelle berechnet und charakterisiert die Transparenz, Schattierung oder Farbe.

Dieser sehr leistungsfähige Algorithmus fordert jedoch bei nicht vorsegmentierten Volumendatensatz die Definition einer Transferfunktion, die jedem Grauwert einen RGBA-Wert zuweist, der eine Transparenz (A) und eine Farbe bestehend aus einer Mischung von Rot (R), Grün (G) und Blau (B) kennzeichnet. Aufgabe der Transferfunktion ist es, anatomisch zusammengehö­ rige Grauwertbereiche aufzufinden und abzugrenzen. Als beson­ ders schwierig gestaltet sich dabei jedoch die Auffindung der Grenzen der Grauwertbereiche, da dieser Prozeß durch rein em­ pirische Ansätze gelöst wird, wie dies in G. Kindlmann et al. "Semi-Automatic Generation of Transfer Functions for Direct Volume Rendering" in Proceedings Symposium an Volume Visua­ lization '98, Seiten 79-86, 1998, oder S. Fang et al. "Image- Based Transfer Function Design for Data Exploration in Volume Visualization" in Proceedings Symposium an Volume Visualiza­ tion '98, Seiten 319-326, 1998, beschrieben ist. So bietet die Mehrheit der derzeitigen graphischen Benutzeroberflächen nur die Möglichkeit, mittels Freihand-Funktionsverläufen (siehe Fig. 2) oder mit Block- oder Trapezfunktionen (siehe Fig. 3), vgl. auch R. A. Drebin et al. "Volume Rendering" in Computer Graphics 24(4), pages 65-75,1988 die Transferfunk­ tion zu definieren. An welcher Position entlang der Achse der Grauwerte die Blöcke eingesetzt werden, in welche Breite und mit welcher Kantensteigung, erfolgt rein empirisch. Anhalts­ punkt hierfür ist zu meist das Grauwerthistogramm oder be­ stimmtes Vorwissen über Grauwertbereiche (z. B. Houndsfield- Einheiten bei CT). Entsprechend diesen eingeschränkten Mög­ lichkeiten ist die Auffindung der korrekten Transferfunktion nur schwer oder mit unverhältnismäßig langem Zeitaufwand mög­ lich. Die Folge ist, daß Volume Rendering bei Medizinern in der klinischen Routine nur schwer Akzeptanz findet.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein präzises und zeitsparendes Verfahren, das eine optimale Abgrenzung von zu­ sammengehörigen Grauwertbereichen auf einfache Weise ermög­ licht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die Aufgabe wird für ein Verfahren erfindungsgemäß durch fol­ gende Schritte gelöst:

• a) Bestimmung der Histogrammverteilung der Grauwerte,
• b) Ermittelung von zusammenhängenden Grauwertbereichen,
• c) Kennzeichnung der Grenzen der Grauwertbereiche anhand von Markierungen entlang der Achse der Histogrammverteilung,
• d) Auswahl eines Grauwertbereiches,
• e) Zuweisung einer Farbe und/oder einer Transparenz zu diesem Grauwertbereich,
• f) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte von d) bis f),
• g) Durchführung des Volume Rendering und
• h) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte von d) bis h).

Durch die Berechnung von zusammenhängenden Grauwertbereichen durch einen Algorithmus aus der Mustererkennung der Grauwer­ te, Kennzeichnung der Grenzen der Grauwertbereiche anhand von Markierungen läßt sich auf einfache Weise ein Grauwertbereich auswählen und einer Farbe und/oder einer Transparenz zuwei­ sen. Dadurch kommt man schnell zu einem geränderten Bild, in dem die interessierenden Objekte beispielsweise farbig her­ vorgehoben sind.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn einzelne Grauwert­ bereiche nach dem Rendering seriell wiedergegeben werden.

Erfindungsgemäß können Grauwertbereiche zusammengefaßt werden und zusammengefaßte wieder Grauwertbereiche getrennt werden, wobei die Anzahl der Grenzen der Grauwertbereiche reduzierbar oder erweiterbar sind.

Eine feine und genaue Unterscheidung der Grauwertbereiche er­ hält man, wenn die Definition der Transferfunktionen in zwei Phasen mit mehreren Bearbeitungsschritten erfolgt, wobei die erste Phase eine vereinfachte Voreinstellung der Transfer­ funktionen mit eingeschränkten Freiheitsgraden und die zweite Phase präzisere Einstellungen für Experten ermöglicht.

In vorteilhafter Weise kann in der ersten Phase zur Bestim­ mung der Transferfunktion ein gewünschter Bereich selektiert und mit einer Opazität (a) und/oder einer Farbe (r, g, b) at­ tributiert werden. In der zweiten Bearbeitungsphase können dann die bestehenden Grenzen zur Feineinstellung von Grau­ wertbereichen verschoben werden. Hier kann dann auch eine Mo­ difikation der Trapezfunktion erfolgen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zahl der zu errechnenden Grauwertbereiche begrenzbar ist, so daß nur die markantesten Bereiche errechnet werden müssen.

Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung mit einer Modalität zum Erzeugen von Rohdaten eines Volumens, einem Rechner zur Be­ rechnung dreidimensionaler medizinischer Bilder aus den Roh­ daten, mit einem Bildsystem einer Eingabevorrichtung und ei­ ner Wiedergabevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens er­ findungsgemäß dadurch gelöst, daß das Bildsystem derart aus­ gebildet ist, daß zum Volume Rendering auf der Wiedergabevor­ richtung eine Benutzeroberfläche angezeigt wird, die eine Hi­ stogrammverteilung der Grauwerte und Grenzen von Grauwertbe­ reichen wiedergibt, und daß mittels der Eingabevorrichtung Grauwertbereiche durch eine verschiebbare Kennzeichnung aus­ wählbar und die Transferfunktionen der Grauwertbereiche in ihrer Farbe und/oder Transparenz mittels Steller einstellbar sind.

Eingestellte Transferfunktionen lassen sich auch für spätere Untersuchungen nutzen, wenn das Bildsystem einen Speicher für Transferfunktionen aufweist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Computertomographen zum Einsatz der Erfindung,

Fig. 2 Freihand-Funktionsverläufe als Transferfunktion,

Fig. 3 beliebig setzbare Block- und Trapezfunktionen als Transferfunktion,

Fig. 4 graphische Benutzeroberfläche (user interface) der Transferfunktionen gemäß der Erfindung,

Fig. 5 erfindungsgemäße einfache graphische Benutzerober­ fläche zur Modifikation der Transferfunktionen,

Fig. 6 erfindungsgemäße graphische Benutzeroberfläche zur frei wählbaren Modifikation der Transferfunktionen und

Fig. 7 Kurvenverläufe zur Darstellung der Vereinigung und Trennung zweier Grauwertbereiche.

Der Computertomograph gemäß Fig. 1 als Modalität zum Erzeu­ gen dreidimensionaler medizinischer Bilder weist eine Meßein­ heit aus einer durch einen Röntgengenerator 1 gespeisten Röntgenstrahlenquelle 2, die ein fächerförmiges erstes Rönt­ genstrahlenbündel 3 aussendet, und einen Strahlenempfänger 4 auf, welcher aus einer Reihe von Einzeldetektoren, beispiels­ weise aus 512 Einzeldetektoren besteht. Der zu untersuchende Patient 5 liegt auf einem Patientenlagerungstisch 6. Zur Ab­ tastung des Patienten 5 wird die Meßeinheit 2, 4 um ein Meß­ feld 7, in dem der Patient 5 liegt, um 360° gedreht.

Dabei wird der Röntgengenerator 1 gepulst oder mit Dauer­ strahlung betrieben. Bei vorbestimmten Winkelpositionen der Meßeinheit 2, 4 werden Sätze von Daten erzeugt, die vom Strahlenempfänger 4 einem Rechner 8 zugeführt werden, welcher aus den erzeugten Datensätzen die Schwächungskoeffizienten vorbestimmter Bildpunkte berechnet. An dem Rechner 8 ist ein Bildsystem 9 angeschlossen, das Wandler, Speicher 10 und Ver­ arbeitungsschaltungen aufweisen kann. Es ist zur Wiedergabe der Bilder der durchstrahlten Schichten des Patienten 5 mit einem Monitor 11 verbunden. An dem Bildsystem 9 ist weiterhin eine Eingabevorrichtung 12 angeschlossen, die eine Tastatur und/oder Maus aufweist.

Die Änderung der Richtung des Nutzstrahlenbündels 3 erfolgt durch Drehung eines Drehkranzes 13 mit Hilfe einer nicht dar­ gestellten Drehvorrichtung, auf dem die Röntgenstrahlenquelle 2 und der Strahlenempfänger 4 angebracht sind.

Dieser Computertomograph kann durch Erstellung von mehreren Schichten oder im sogenannten Spiralbetrieb 3D-Volumendaten­ sätze erzeugen, die durch Volume Rendering zur besseren Vi­ sualisierung in dem Bildsystem 9 weiter verarbeitet werden können. Dabei können die obengenannten Algorithmen der Mu­ stererkennung Verwendung finden, die die Möglichkeit bieten, die schwer aufzufindenden Grenzen der Grauwertbereiche und deren Steigungen zu bestimmen.

Um den unpräzisen und zeitintensiven Prozeß der Abgrenzung von zusammengehörigen Grauwertbereichen zu beschleunigen, dient das erfindungsgemäße Verfahren, das eine benutzer­ freundliche graphische Oberfläche (user interface) verwendet.

Durch die in Fig. 4 dargestellte graphische Benutzeroberflä­ che der Transferfunktionen läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren leicht steuern. Es besteht darin, daß die Definiti­ on der Transferfunktion nun in zwei Bearbeitungsphasen er­ folgt und nicht, wie beim Stand der Technik und bei herkömm­ lichen Benutzeroberflächen, in einer Phase. Die erste Phase ist den bisherigen Vorgehensweisen als neuer Bearbeitungs­ schritt vorgeschaltet. Sie dient als vereinfachte Voreinstel­ lung der Transferfunktion. In der zweiten Phase sind dann präzisere Einstellungen für Experten möglich.

Der Vorteil der ersten Phase liegt vor allem darin, daß die Freiheitsgrade bei der Bestimmung der Transferfunktion deut­ lich eingeschränkt werden. War bei herkömmlichen Benutzer­ oberflächen die Zuweisung von RGBA-Werten für jeden einzelnen Grauwert möglich, so ist dies beim vorliegenden Vorgehen nur noch für die gefundenen Grauwertbereiche möglich. Erkennbar sind diese Grauwertbereiche bzw. deren Grenzen dann bei­ spielsweise für den Benutzer anhand von Markierungen 14 ent­ lang der Achse der Grauwerte der Transferfunktionen der Fig. 4.

Soll nun eine Transferfunktion für einen Grauwertbereich ge­ setzt werden, so muß zunächst ein gewünschter zwischen zwei Markierungen 14 liegender Bereich beispielsweise per Maus und/oder Button der Eingabevorrichtung 12 selektiert werden, der dann durch den Pfeil 15 gekennzeichnet wird. Durch die Bereichsbuttons 16 kann zu dem jeweils rechts oder links lie­ genden Bereich gesprungen werden.

Wurden entsprechend der Anwendung zu viele Bereichsgrenzen erkannt, so können einzelne Bereiche miteinander verschmolzen oder auch wieder getrennt werden, wie dies anhand der Fig. 7 erläuternd dargestellt ist. Eine Vereinigung zweier Bereiche erfolgt durch Auswahl eines Bereiches und Drücken einer der +-Buttons 17, wobei die Seite des +-Buttons 17 die Seite des zu verschmelzenden Bereichs kennzeichnet. Sollen Bereiche wieder getrennt werden, so läßt sich dies durch Betätigung des entsprechenden --Buttons 18 erreichen. Auch die Anzahl der Grauwertbereiche bzw. deren Grenzen kann in dieser Phase reduziert oder erweitert werden.

Ist ein Grauwertbereich ausgewählt, so können in der in Fig. 5 dargestellten graphischen Benutzeroberfläche der Modifika­ tion diese ausgewählten Grauwertbereiche mittels eines Sli­ ders 19 mit einer Transparenz oder Opazität (a) und durch Auswahl einer der vorgegebenen, gegebenenfalls frei definier­ baren Farben attributiert werden, wobei in dem Feld 20 die aktuelle Farbe und in den Feldern 21 die per Mausklick aus­ wählbaren Farben wiedergegeben werden. Die Höhe der tra­ pezförmigen Transferfunktion 22 wird durch die Größe der Transparenz a bestimmt. Ist ein Grauwertbereich wunschgemäß mit Farbe und Transparenz versehen, kann der nächste entspre­ chend eingestellt werden, wobei für den gesamten Grauwertbe­ reich lediglich die Transparenz a und die Farbe bestimmt wer­ den muß. Die ausgewählten und eingestellten Transferfunktio­ nen 22 können in dem Speicher 10 abgelegt werden, so daß sie für spätere ähnliche Untersuchungen bereitgestellt werden können.

Zusätzlich bietet die erste Phase dem Benutzer die Möglich­ keit, einzelne Grauwertbereiche bzw. deren visuelle Bedeutung beispielsweise Knochengewebe durch Drücken des Buttons 23 nach dem Rendering seriell zu betrachten, wobei die bereits getroffenen Einstellungen sichtbar gemacht werden, so daß sie von einer Untersuchungsperson beurteilt werden können, ob sie die richtigen Einstellungen getroffen hat, oder ob noch Kor­ rekturen oder weitere Einstellungen notwendig sind. Dazu wer­ den auf dem Monitor 11 unter den nebeneinander angeordneten graphischen Benutzeroberflächen gemäß Fig. 4 und 5 bzw. 6 links ein Bild des Originaldatensatzes und rechts ein mit der eingestellten Transferfunktion geränderter Datensatz wieder­ gegeben.

Durch Drücken der Buttons 24 und 25 lassen sich die einge­ stellten Transferfunktionen 22 der Grauwertbereiche entweder einzeln oder gemeinsam zurücksetzen.

Anstelle der in Fig. 5 dargestellten graphischen Benut­ zeroberfläche der Modifikation kann die in Fig. 6 wiederge­ gebene Benutzeroberfläche verwendet werden, bei der die Opa­ zität (a) der ausgewählten Grauwertbereiche mittels Slider 17 und die Farbe mit jeweils einem Slider 26 für die Grundfarben (r, g, b) attributiert werden.

Erst in der zweiten Bearbeitungsphase können bestehende Gren­ zen durch Verschiebung der Markierungen 14 entlang der Achse der Grauwerte der Transferfunktionen zum Zweck der Feinein­ stellung von Grauwertbereichen versetzt werden, um gegebenen­ falls noch bessere visuelle Ergebnisse zu erhalten. Dies kann beispielsweise dann nötig sein, wenn die Algorithmen nach der ersten Phase ungenaue Ergebnisse liefern. Weitere Bearbei­ tungsschritte, wie dies bei gängigen Benutzeroberflächen mög­ lich ist, können nun erfolgen wie beispielsweise die Modifi­ kation der Trapezfunktionen. Diese können durch Veränderung der Steigungen, der Breite und dem Winkel der oberen Seite von einem Experten variiert werden, bis sich die beste Sicht­ barkeit der gewünschten Organe oder Adern ergibt.

Technische Grundlage, um die Grenzwerte der Grauwertbereiche vorschlagen zu können, sind obengenannte Algorithmen aus der Mustererkennung, die die Information direkt aus dem im Rech­ ner 8 vorliegenden 3D-Volumendatensatz gewinnen.

Ein Vorteil der Analyse ist, daß neben den Grenzwerten auch Informationen über die Schärfe dieser Werte gewonnen wird, die sich in der Steigung der Trapezfunktion widerspiegelt. Auch die Möglichkeit, die Zahl der Grauwertbereiche zu be­ grenzen, ist durch die Algorithmen gegeben, so daß nur die markantesten Bereiche errechnet werden müssen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Transferfunktion für den Algorithmus Volume Rendering, um Grenzen anatomisch zusammen­ gehöriger Grauwertbereiche aufzufinden, mit folgenden Schrit­ ten:

• a) Bestimmung der Histogrammverteilung der Grauwerte,
• b) Ermittelung von zusammenhängenden Grauwertbereichen,
• c) Kennzeichnung der Grenzen der Grauwertbereiche anhand von Markierungen (14) entlang der Achse der Histogrammvertei­ lung,
• d) Auswahl eines Grauwertbereiches,
• e) Zuweisung einer Farbe (r, g, b) und/oder einer Transparenz (a) zu diesem Grauwertbereich,
• f) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte von d) bis f),
• g) Durchführung des Volume Rendering und
• h) gegebenenfalls Wiederholung der Schritte von d) bis h).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß einzelne Grauwertbereiche nach dem Rendering seriell wiedergegeben werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, da­ durch gekennzeichnet, daß Grauwertbe­ reiche zusammengefaßt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zusammengefaßte Grauwertbe­ reiche getrennt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Grenzen (14) der Grauwertbereiche reduzierbar oder erwei­ terbar sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Definition der Transferfunktionen in zwei Phasen mit mehreren Bearbeitungs­ schritten erfolgt, wobei die erste Phase eine vereinfachte Voreinstellung der Transferfunktionen (22) mit eingeschränk­ ten Freiheitsgraden und die zweite Phase präzisere Einstel­ lungen für Experten ermöglicht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß in der er­ sten Phase zur Bestimmung der Transferfunktion (22) ein ge­ wünschter Bereich selektiert und mit einer Opazität (a) und/oder einer Farbe (r, g, b) attributiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß in der zwei­ ten Bearbeitungsphase die bestehenden Grenzen zur Feinein­ stellung von Grauwertbereichen verschoben werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß in der zwei­ ten Bearbeitungsphase eine Modifikation der Trapezfunktion (22) erfolgen kann.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zahl der zu errechnenden Grauwertbereiche begrenzbar ist.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einer Modalität (1 bis 4) zum Erzeugen von Rohdaten eines Volumens, einem Rechner (8) zur Berechnung dreidimensionaler medizinischer Bilder aus den Rohdaten, mit einem Bildsystem (9) einer Eingabevorrichtung (12) und einer Wiedergabevorrichtung (11), dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bildsystem (9) derart ausgebildet ist, daß zum Volume Rendering auf der Wiedergabe­ vorrichtung (10) eine Benutzeroberfläche (Fig. 4) angezeigt wird, die eine Histogrammverteilung der Grauwerte und Grenzen (14) von Grauwertbereichen wiedergibt, und daß mittels der Eingabevorrichtung (12) Grauwertbereiche durch eine ver­ schiebbare Kennzeichnung (15) auswählbar und die Transfer­ funktionen (22) der Grauwertbereiche in ihrer Farbe (r, g, b) und/oder Transparenz (a) mittels Stellern (19, 26) einstellbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bildsystem (9) einen Speicher (10) für Transferfunktionen (22) aufweist.