DE4307956C2

DE4307956C2 - Verfahren zur Segmentierung einer Struktur

Info

Publication number: DE4307956C2
Application number: DE19934307956
Authority: DE
Inventors: Michael Prof Dr Med Gebel; Joerg Siegfried Dr Med Bleck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1993-03-12
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2013-03-13
Also published as: DE4307956A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Segmentierung einer Struktur in einem dreidimensionalen medizinischen Bilddatensatz eines aus verschiedenen Geweben bestehenden Untersuchungsgebiets, wobei jedem Volumenelement des Bild datensatzes jeweils ein Grauwert zugeordnet ist.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Separierung oder Segmentierung von Strukturen in einem dreidimensiona len Bilddatensatz ist aus der US 4 882 679 bekannt. In einem zum Bilddatensatz gehörenden Schnittbild werden die Grenzen der zu segmentierenden Struktur festge legt. Grundsätzlich können die Grenzen von einem Untersu cher manuell mit Hilfe eines Cursors oder durch Vorgabe eines Grauwertes markiert werden. Dort ist auch noch eine Kombination von beiden Verfahren beschrieben, wobei einem Untersuchungsgebiet, das die zu segmentierende Struktur enthält, Grauwerte zugeordnet werden. Nun werden nur die Gebiete, deren Grauwerte innerhalb des Bereichs liegen, sichtbar gemacht. Daraus wählt der Untersucher dann die zu segmentierende Struktur aus. Nachdem die Struktur in allen Schnittbildern segmentiert ist, kann sie zweidimensional transparent auf einem Monitor dargestellt werden sollen, markieren. Das manuelle Separieren ist jedoch zeitaufwen dig. Es ist auch bekannt, zur Segmentierung automatische Kontrastkanten-Erkennungsprozeduren zu verwenden. Die Kon trastkanten-Erkennungsprozeduren sind jedoch nicht struk tur- oder morphologieorientiert, so daß z. B. parenchy matisches Lebergewebe im Bilddatensatz nicht automatisch erkannt werden kann. Das beruht im wesentlichen auf der Tatsache, daß sich im Bilddatensatz interne bzw. paren chymatische Strukturen gegenseitig überlagern.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem interne Gewebestrukturen schnell erkannt werden, um diese Struktur anschließend einer pseudo-drei dimensionalen Bilddarstellung zuzuführen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten:

- Ermitteln der Häufigkeitsverteilung der Grauwerte von zu mindest einigen Volumenelementen,
- Bestimmen von Grenzen eines Grauwertbereichs aus vorge gebenen Quantilen der Häufigkeitsverteilung, wobei die vorgegebenen Quantile repräsentativ für ein oder mehrere unterschiedliche Gewebe sind,
- Segmentieren derjenigen Volumenelemente, die Grauwerte aus dem Grauwertbereich aufweisen, und
- pseudo-dreidimensionale Bilddarstellung der segmentierten Struktur.

Die Segmentierung über die Häufigkeitsverteilung der Grau werte ist relativ artefaktresistent in Bezug auf untersu chungs- oder patientenbedingte Schwankungen der Gesamt helligkeit des Bilddatensatzes. Das bedeutet, daß einmal gefundene Quantilgrenzen für eine Gewebeart relativ unab hängig vom Patienten und auch von den Untersuchungsbedin gungen sind. Voraussetzung ist, daß vorher in klinischen Untersuchungen die Helligkeitsbereiche in den Grauwert bildern der jeweiligen morphologischen oder anatomischen Struktur festgelegt und damit die artefaktrobusten Quantile bestimmt werden. Die Häufigkeitsverteilung der Grauwerte kann über ein Histogramm schnell berechnet werden.

In vielen Fällen genügt es, lediglich ausgewählte Volumen elemente zur Ermittlung der Häufigkeitsverteilung heranzu ziehen. Auf Kosten der Rechenzeit kann eine genauere Häu figkeitsverteilung auf der Basis von den Grauwerten aller Volumenelemente gebildet werden.

Weitere Vorteile werden im folgenden anhand von 3 Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Hauptverfahrensschritte zur Segmentierung einer Struktur in einem dreidimensionalen medizinischen Bilddatensatz,

Fig. 2 eine Häufigkeitsverteilung mit Quantilgrenzen und

Fig. 3 Bereiche von Grauwerten, die für verschiedene Gewebe charakteristisch sind.

Das Verfahren zur Segmentierung geht aus von einem drei dimensionalen Bilddatensatz 2, der über eine Ultraschall- Abtastung von einem aus verschiedenen Geweben bestehenden Untersuchungsgebiet gewonnen wurde. Jedem Volumenelement des Bilddatensatzes ist somit entsprechend der Struktur oder Anatomie des Untersuchungsgebietes ein Grauwert zuge ordnet. In einem ersten Schritt wird die Häufigkeitsvertei lung der Grauwerte von zumindest einigen Volumenelementen in einem Histogramm 4 ermittelt. Über eine Eingabeeinheit 6 kann ein Benutzer eine sichtbar machende Struktur, wie z. B. die Leber, vorgeben, wobei die Vorgabe durch einen Pfeil 8 symbolisiert ist. Die vorgegebene Struktur soll dann aus dem dreidimensionalen Bilddatensatz segmentiert werden. Da zu sind beispielsweise in einem Speicher der Eingabeeinheit 6 zu der Struktur entsprechende Quantilgrenzen abgelegt.

In einer Grauwertbereichsstufe 10 werden die von der Ein gabeeinheit 6 vorgegebenen Quantilgrenzen benutzt, um im Histogramm 4 oder in der Häufigkeitsverteilung der Grau werte einen Grauwertbereich zu bestimmen, der repräsentativ für die Grauwerte der ausgewählten Struktur ist. Eine Seg mentierungsstufe 12 markiert die Grauwerte, die innerhalb dieses Grauwertbereichs liegen, nun im dreidimensionalen Bilddatensatz 2.

In einer ersten Variante kann in einer Farbstufe 14 die segmentierte Struktur oder das Zielkompartiment koloriert werden, wobei die Grauwerte, die nicht in dem Grauwertbe reich liegen, der für die Struktur repräsentativ ist, transparent dargestellt werden oder nicht angezeigt werden. In einer zweiten Variante kann das Zielkompartiment auch direkt durch Setzen auf einen beliebigen Grauwert markiert werden, was durch den Verfahrensschritt 16 symbolisiert ist.

Die so segmentierte und gegebenenfalls kolorierte Struktur wird nun zur pseudo-dreidimensionalen Bilddarstellung einem Bilddarstellungsgerät 16 zugeführt.

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm ein typisches Histogramm H, welches die Häufigkeit F der auf der Abszisse angegebenen Grauwerte angibt.- Dabei hat der Grauwert "Schwarz" den Wert "Null" und der Grauwert "Weiß" den Wert 255. Die Häufigkeit F ist auf einen beliebigen Wert normiert. Zu diesem Histo gramm H ist in dem Diagramm zusätzlich die Quantillage Q in % angegeben. Ein 50%-Quantil bedeutet, daß 50% der Grau werte unter einem durch das 50%-Quantil vorgegebenen Grau wert liegen. Beispielhaft sind in Fig. 2 die Quantillagen einer morphologischen Struktur, wie z. B. die dünne sehnen hafte Muskelhaut im Abdomen, angegeben. Der zu dieser Gewe beart gehörende Grauwertbereich B umfaßt alle Grauwerte von ungefähr 50 bis ungefähr 200. Die Grauwertbereiche sind patienten- und untersuchungsbedingt starken Schwankungen unterworfen, wogegen die Quantillagen typisch für die Gewe beart sind.

Fig. 3 zeigt in Ergänzung Grauwertbereiche, die in einem über viele Untersuchungen gemittelten Lebersonogramm als typisch für die einzelnen Gewebearten gefunden worden sind. Die Grauwertbereiche werden jeweils in der Untersuchung über eine Äquidensitenoperation bestimmt, d. h. der Unter sucher markiert bestimmte Grauwertbereiche und entscheidet dann, ob dieser Grauwertbereich der Struktur der Gewebeart entspricht.

In Fig. 3 sind die für einige Gewebearten typischen Grau wertbereiche wie folgt gekennzeichnet:

VL Gefäßvolumen
PP Leberparenchym
AM abdominales Muskelgewebe
SV kleine Gefäßwandungen
BV große Gefäßwandungen
FM sehnenartige Muskelhaut
DL Diaphragma und Lungenechos.

Aus diesen Grauwertbereichen können nun die entsprechenden Quantilgrenzen angegeben werden.

Claims

1. Verfahren zur Segmentierung einer Struktur in einem dreidimensionalen medizinischen Bilddatensatz (2) eines aus verschiedenen Geweben bestehenden Untersuchungsgebiets, wobei jedem Volumenelement des Bilddatensatzes jeweils ein Grauwert (G) zugeordnet ist, mit den Schritten:

- Ermitteln der Häufigkeitsverteilung (4) der Grauwerte (G) von zumindest einigen Volumenelementen,
- Bestimmen von Grenzen eines Grauwertbereichs aus vorge gebenen Quantilen (Q) der Häufigkeitsverteilung (4), wobei die vorgegebenen Quantile (Q) repräsentativ für ein oder mehrere unterschiedliche Gewebe sind,
- Segmentieren (12) derjenigen Volumenelemente, die Grau werte (G) aus dem Grauwertbereich aufweisen, und
- Pseudo-dreidimensionale Bilddarstellung der segmentierten Struktur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Häufigkeitsverteilung (4) von den Grauwerten (G) aller Volumenelemente gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß bei der Bilddarstellung die Volumenelemente, die einen nicht zu dem Grauwertbereich gehörenden Grauwert (G) aufweisen, transparent dargestellt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß bei der Bilddarstellung die segmentierten Volumenelemente farbig markiert werden.