DE4436263A1 - Verfahren und System zur Darstellung der 3D-Meßdaten eines Volumens in zweidimensionalen Schnittbildern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Darstellung der skalaren Meßdaten eines Volumens (Grauwertvoxel­ raum), wie sie insbesondere bei den tomographischen bildgebenden Verfahren (z. B.: Kernspin­ tomographie, Computertomographie) vorkommen.

Bei tomographischen Aufnahmen von Volumina liegen die 3D-Meßdaten als kontinuierlich auf­ einander folgende Serie von Grauwertbildern vor. Zur Analyse der Daten werden die 2D-Schnitt­ bilder einzeln betrachtet, so daß der 3D-Zusammenhang von einem Bild zu seiner Umgebung mental vom Betrachter hergestellt werden muß. Es besteht also grundsätzlich die Frage, wie die 3D-Informationen der Meßdaten dem Betrachter zur Analyse zusätzlich dargestellt werden können.

Bisherige Verfahren zur Visualisierung von Grauwertvoxelräumen fußen auf den Prinzipien des Surface Rendering und des Volume Rendering. Das Surface Rendering segmentiert Objekte aus dem Voxelraum und stellt diese mit Hilfe der Methoden der Computergraphik dar. Das Volume Rendering benutzt anstatt einer Segmentierung von Objekten eine Zuordnung von Opazitätswerten zu Grauwerten, um mehrere Voxel in einem Pixel auf dem Bildschirm darzustellen.

Nachteil beider Prinzipien ist die Veränderung der originalen 3D-Meßdaten derart, daß dem Betrachter ein Rückschluß auf Fehlinterpretationen des Voxelraumes nicht möglich ist. Das im Folgenden beschriebene Verfahren der Umgebungsdarstellung bietet eine Möglichkeit der Visuali­ sierung der 3D-Meßdaten, bei der die originalen Schnittbilddaten erkennbar bleiben. Hierdurch bleibt dem Betrachter eine Beurteilung der vorgenommenen Interpretation der Daten möglich.

Die Umgebungsdarstellung geht von der Darstellung des Grauwertvoxelraumes als Schnittbildfolge aus. Sie soll anhand von Fig. 1 erläutert werden. Aus dem Voxelraum (1) wird ein Teilvolumen (2) betrachtet, das eine ungerade Anzahl von Schnitten enthält (3-7). Das Teilvolumen stellt eine "dicke" Schicht dar, deren Dicke durch die Anzahl der Schnitte festgelegt ist. Demnach ist die Umgebungsdarstellung eine erweiterte Schnittdarstellung. Sie bleibt geometrisch sehr nahe an den Schnittbildern (3-7), die dem Betrachter vertraut sind.

Das mittlere Schnittbild dient als Referenzschicht (5). Die Referenzschicht muß in der Darstellung erkennbar bleiben, um den Bezug zu dem originalen Schnittbild herzustellen. Zusätzlich zur Dar­ stellung der Referenzschicht sollen in das Bild (8) Informationen aus den Schichten vor (6, 7) und hinter (3, 4) der Referenzschicht eingeblendet werden, die den dreidimensionalen Zusammenhang zwischen der Referenzschicht und ihrer Umgebung deutlich machen.

Um die Informationen relativ zur Referenzschicht zu erhalten, wird jedes Voxel der Referenz­ schicht (11) mit den entsprechenden Voxeln (9, 10, 12, 13) (mit der gleichen Position im zweidimen­ sionalen Bild) in den umgebenden Schichten verglichen. Der Vergleich der Grauwerte findet nicht sukzessiv zwischen zwei benachbarten Schichten statt, sondern mit direktem Bezug zur Referenz­ schicht (15-18); die resultierenden Grauwertdifferenzen GW_Diff stellen die Umgebungs­ informationen auf Voxelbasis dar. Für die Differenz zwischen einer Schicht i der Umgebung und der Referenzschicht gilt:

GW_Diff_i (x,y) = GW_Um_i (x,y) - GW_Ref (x,y).

Das Problem der Visualisierung dieser Informationen besteht nun darin, die Grauwertdifferenzen so in die Referenzschicht einzuarbeiten, daß die Originaldaten erkennbar bleiben. Zur Lösung dieses Problems wird ausgenutzt, daß die essentielle Eigenschaft eines Grauwertbildes durch den Hellig­ keitskontrast gebildet wird. Die Zusammenstellung der Grauwerte macht die Aussage des Grau­ wertbildes aus und stellt die Grundlage der medizinischen Befundung der Bilder dar. Eine Verän­ derung der Zusammenstellung der Grauwerte zur Darstellung neuer Informationen verändert grund­ legend die Aussage des Schnittbildes und erfordert eine neue Interpretation der Grauwerte.

Soll der Helligkeitskontrast beibehalten werden, reicht die Grauwertachse zur Darstellung der neuen Informationen nicht aus. Daher bleibt zum Einblenden der Grauwertdifferenzen in das Bild der Referenzschicht nur die Möglichkeit einer farbigen Darstellung. Als Beispiel für verschiedene Formen der Umgebungsdarstellung wird im Folgenden die Schwerpunktdarstellung erläutert.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt (19) durch die (fünf) Schichten des Teilvolumens. Im Teilvolumen sind zwei sich keilförmig überschiebende Strukturen (20, 21) zu sehen, die sich durch ihre Grau­ werte (Schraffur) voneinander unterscheiden. Die Referenzschicht (22) schneidet von links nach rechts fünf Voxel der hellen Struktur (23-27) und drei Voxel der dunklen Struktur (28-30) an.

Der Gedanke der Schwerpunktdarstellung geht von der Annahme aus, daß der Betrachter die Strukturen (20, 21), die in der Referenzschicht angeschnitten werden, nach vorne und hinten weiterverfolgen möchte. Bezüglich des Teilvolumens der "dicken Schicht" (2) können diese Strukturen mittig liegen oder überwiegend vorne oder hinten. Die Lage der Strukturen relativ zur Referenzschicht wird Voxel für Voxel bestimmt. Dabei wird die Struktur verfolgt, die in der Referenzschicht angeschnitten ist. Die helle Struktur liegt für die Pixel (23, 24) mittig und ver­ schiebt sich weiter rechts (25-27) nach vorne. Dann wird die dunkle Struktur von der Referenz­ schicht angeschnitten (28-30). Sie liegt überwiegend hinter der Referenzschicht. Die Mitte der Struktur in der jeweiligen Spalte (31-38) ist durch einen Punkt gekennzeichnet (39-46). Wird die einzelne Spalte als Balken aus homogenem Material interpretiert, dann gibt der Punkt der Ort des Schwerpunktes im Balken an.

Auf der Achse (47) links neben dem Teilvolumen werden die Sättigung (48, 49) für den jeweiligen Farbton (50, 51) des resultierenden Pixels ermittelt. Dazu wird der Schwerpunkt jedes Balkens auf die Achse projiziert. Fällt der Schwerpunkt in die Mitte der Sättigungsachse, so bleibt das Pixel grau. Je weiter der Schwerpunkt vor der Referenzschicht liegt, desto stärker wird das Pixel orange eingefärbt. Verschiebt sich dagegen der Schwerpunkt von der Referenzschicht aus gesehen nach hinten, so wird das Pixel cyanblau eingefärbt. Die Helligkeit ist durch den Grauwert der Referenz­ schicht gegeben. Sie wird bei der Berechnung der Farbe eines Pixels nicht verändert.

Ein Querschnitt (52) durch das resultierende Bild ist in Fig. 2 dargestellt. Die Helligkeit der Pixel (533-60) entspricht den Grauwerten der Voxel in der Referenzschicht (22). Von links nach rechts gesehen sind die ersten fünf Pixel (53-57) hell, die drei letzten dunkel (59-61). Die ersten beiden hellen Pixel (53, 54) sind grau, da der Schwerpunkt (39, 40) der hellen Struktur (20) dort in der Mitte liegt. Die folgenden Pixel (55-57) der hellen Struktur sind orange eingefärbt, wobei die Sättigung (49) im letzten Pixel (57) der hellen Struktur größer ist, da der Schwerpunkt sich gegenüber den Pixeln weiter links (55-56) noch mehr nach vorne verlagert hat.

Dann ändert sich die Helligkeit der Pixel (58-60), da in der Referenzschicht (22) die dunklere Struktur (21) angeschnitten wird. Gleichzeitig wechselt der Farbton (50), da die dunklere Struktur vorwiegend hinter der Referenzschicht liegt. Das rechteste Pixel (60) ist weniger gesättigt als die beiden Pixel vorher (58, 59), da der Schwerpunkt der dunklen Struktur sich wieder mehr in Richtung Referenzschicht verlagert hat.

Für die Verfolgung der Strukturen im Teilvolumen wurden dabei folgende Annahmen gemacht: Unterschiedliche Strukturen werden in einem Grauwertbild durch unterschiedliche Helligkeiten dargestellt. Eine Veränderung einer Struktur von einem Schnittbild zum nächsten hängt somit ursächlich mit einer Änderung der Grauwerte zusammen. Deswegen wird die absolute Änderung des Grauwertes Δ_i (x,y) von dem Grauwert der Referenzschicht GW_Ref (x,y) zu dem Grauwert einer umgebenden Schicht GW_Um_i (x, y) als Kriterium der Zugehörigkeit zur Referenzschicht verwendet. Die Umgebungsinformationen der Grauwertdifferenzen GW_Diff_i (x,y) werden in der Schwerpunktdarstellung als Betrag benutzt. Für die Änderung eines Grauwertes einer umgebenden Schicht i zum korrespondierenden Grauwert der Referenzschicht gilt:

Δ_i (x,y) = |GW_Diff_i (x,y)| = |GW_Um_i (x,y) - GW_Ref (x,y)|.

Die Grauwertänderungen werden der Größe nach in drei Bereiche unterteilt: Grauwertänderungen, die nicht signifikant für eine Strukturänderung sind, Grauwertänderungen, die als Strukturänderung interpretiert werden können und als dritter Bereich ein Übergang zwischen diesen beiden Extrema. Aufgrund von Artefakten der Bildaufnahme (z. B. Rauschen) kann eine Fluktuation der Grauwerte vom originalen Wert der Struktur entstehen. Bis zu einer Grauwertänderung Δ_min wird deshalb der Grauwert einer umgebenden Schicht zu 100% zu der Referenzschicht hinzugerechnet. Mit stei­ gender Grauwertänderung nimmt die Wahrscheinlichkeit ab, daß sich die Struktur der Referenz­ schicht fortsetzt. Grauwertänderungen größer als Δ_max kennzeichnen den Beginn einer neuen Struktur, so daß das Voxel zur Berechnung des Schwerpunktes nicht hinzugezogen wird.

Zur Berechnung des Schwerpunktes auf der Sättigungsachse werden den Grauwertänderungen Δ_i Sättigungsänderungen Δ_Sat_i zugeordnet, die auf der Sättigungsachse abgetragen werden. Da der Schwerpunkt sich nur verschieben wird, wenn die Struktur sich in eine Richtung fortsetzt, muß eine kleine Änderung des Grauwertes eine große Änderung der Sättigung bewirken. Fig. 3 stellt das Modell dar: Bis zu Δ_min (61) ist die Sättigungsänderung maximal mit Δ_Sat_max (63), dann nimmt sie mit wachsender Grauwertänderung ab. Änderungen größer als Δ_max (62) bewirken keine Sättigungsänderungen mehr. Die Sättigungsänderungen für die Schichten vor der Referenz­ schicht und die Sättigungsänderungen für die Schichten hinter der Referenzschicht werden getrennt aufsummiert. Die Differenz beider Summen ergibt den Farbton und die Farbsättigung des Pixels im resultierenden Bild.

Damit ist der Helligkeitswert durch den Grauwert der Referenzschicht und der Farbton durch die Zuordnung zum Ort (vorne/hinten) festgelegt. Die Schwerpunktdarstellung nutzt die Sättigung, um darzustellen, wie weit der Schwerpunkt außermittig liegt.

Die Berechnung der Farbwerte eines Pixels soll an dem Beispiel in Fig. 4 erläutert werden: Im oberen Teil des Bildes ist jeweils ein Voxel (64-68) aus den fünf Schnittbildern mit seinem Grauwert gezeigt. Das Referenzvoxel (66) hat den Wert 100. Die Grauwertänderungen berechnen sich zu Δ1 = 5, Δ2 = 7, Δ3 = 20 und Δ4 = 50. Mit Δ_min = 10 (74) und Δ_max = 30 (75) ergeben sich für Δ1 und Δ2 maximale Sättigungsänderungen (76), Δ3 fällt in den Übergangsbereich (77) und Δ4 ist so groß, daß das hinterste Voxel als neue Struktur interpretiert wird (78). Deshalb bewirkt Δ4 keine Sättigungsänderung.

Die Summation ist im unteren Teil der Abbildung dargestellt: Δ_Sat-1 (79) und Δ_Sat_2 (80) werden nach vorne in Richtung orange (83) abgetragen, Δ_Sat_3 (81) und Δ_Sat_4 = 0 (82) nach hinten in Richtung cyanblau (84). Resultierend wird das Pixel stark in Orange gesättigt, die Struktur setzt sich überwiegend nach vorne fort. Die Sättigung eines Farbtons stellt folglich die Tendenz dar, mit der sich eine Struktur in die Umgebung fortsetzt, die in der Referenzschicht angeschnitten wird. Der Helligkeitswert wird aus der Referenzschicht übernommen und somit idealerweise nicht ver­ ändert.

Da eine korrekte Interpretation des ursprünglichen Informationsgehaltes der Referenzschicht gerade davon abhängt, daß auch nach Einfärbung die Helligkeitskontraste des zugrundeliegenden Grau­ wertbildes erhalten bleiben, setzt unser Verfahren eine Vorrichtung voraus, die auf dem jeweiligen Präsentationsmedium einen dem menschlichen Farbempfinden wahrnehmungsangepaßten Farb­ raum realisiert. Da das typische Ausgabemedium wegen der interaktiven Manipulierbarkeit zur wahlfreien Positionierung der Referenzschicht der Monitorschirm eines Computersystems ist, muß dieses eine 24 bit Farbgrafik sowie eine individuelle Abstimmung an den jeweiligen Monitortyp und die (konstante) Umgebungsbeleuchtung haben.

Die beschriebene Farbwahl nach dem Schwerpunktverfahren stellt nur eine Möglichkeit der Reali­ sierung der Umgebungsdarstellung dar. Die Einfärbung der Referenzschicht kann statt dessen durch die Verwendung der Differenzen der Meßwerte zwischen Referenzschicht und Umgebung GW_Diff_i (x,y) kodiert werden. Sättigung und Farbton eines Pixels zeigen dann den Unterschied der Umgebung von der Referenzschicht. Die Farbwahl kann ebenso die Dicke einer Struktur dar­ stellen, die von der Referenzschicht angeschnitten wird. Somit wird eine Aussage über die Ausdeh­ nung der angeschnittenen Struktur in der erfaßten Umgebung der Referenzschicht getroffen.

Die Breite der berücksichtigten Umgebung (Anzahl der Schichten) muß nicht statisch vorgegeben sein. Eine dynamische Festlegung der Größe der Umgebung bis zum Auftreten signifikanter Einfärbungen - automatisch oder interaktiv - bewirkt eine Anpassung an die aktuellen 3D-Meß­ daten und an lokale Variationen der Strukturdimensionen.

Auch bei der Analyse der Strukturgrenzen ist eine Alternative möglich - sie basiert statt auf Grau­ wertdifferenzen auf den Änderungen der Textur. Dazu werden dann die Differenzen (15-18) aus lokalen Kovarianzen rund um die Pixel (9-13) berücksichtigt. Selbst eine Kombination beider Segmentierungskriterien ist möglich - eine Strukturgrenze wird bereits bei Änderung von Grauwert oder Textur angenommen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Darstellung skalarer 3D-Meßdaten eines Volumens in zweidimensionalen Schnittbildern, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung von dreidimensionaler Umge­ bungsinformation durch farbige Einblendung in das mittig gewählte grauwertige Schnittbild als Referenzschicht erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbwahl nach dem Schwer­ punktverfahren durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbwahl Differenzen der Meßwerte zwischen Referenzschicht und Umgebung kodiert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbwahl von der variablen Dicke der durch die Referenzschicht geschnittenen Struktur bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der berücksichtigten Umgebung (entspricht Anzahl der Schichten) dynamisch bis zum Auftreten signifikanter Einfärbungen verändert werden kann.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Monitorschirm ein dem menschlichen Farbempfinden wahrneh­ mungsangepaßter Farbraum realisiert wird zur Erhaltung der Helligkeitsinformationen der Referenzschicht auch bei farbiger Einblendung.