DE69029982T2

DE69029982T2 - Verfahren und Geräte zur dreidimensionalen Bilderzeugung

Info

Publication number: DE69029982T2
Application number: DE69029982T
Authority: DE
Inventors: Todd J Krochta; Heang K Tuy
Original assignee: Picker International Inc
Current assignee: Philips Nuclear Medicine Inc
Priority date: 1989-08-09
Filing date: 1990-08-06
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2010-08-07
Also published as: EP0412748A3; JPH03119489A; DE69029982D1; EP0412748B1; US5079699A; EP0412748A2

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Geräte zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder und dabei speziell für medizinische Diagnosezwecke.
Die Erfindung findet speziell Anwendung bei CT Scannern und wird mit spezieller Bezugnahme hierauf erläutert. Es ist jedoch zu beachten, daß die Erfindung eine breitere Anwendung findet in Verbindung mit der Erzeugung dreidimensionaler Bilder aus Daten, die auch für andere Abbildungsmodalitäten erfaßt werden, beispielsweise durch eine Magnetresonanzabbildung.
In der Computertomographie("CT")- und der Magnetresonanzabbildung ("MRI") werden Querschnittsbilder der menschlichen Anatomie erzeugt. Es werden die Daten, die durch die CT oder MRI Scanner gewonnen werden, erfaßt und zusammengestellt und es werden entsprechend den Daten, die für einen speziellen Abschnitt des Bildes gewonnen werden, Grauskalenwerte zugewiesen.
Da Organe in der Realität dreidimensional sind, muß eine Serie von Schichten oder Abtastungen aufgenommen werden bzw. erfolgen. Die Serie aus Schichten wird zur Sichtbarmachung der tatsächlichen Anatomie mental integriert. Es wäre von Vorteil, eine derartige Serie rekonstruierter planarer Bilder auf ein üblicheres oder gewohnteres Format elektronisch umzusetzen, welches den Ärzten ihre mentale Integration erleichtert. Eine derartige elektronische Neuformatierung würde auch die Kommunikation zwischen Radiologen, auf diese Bezug nehmenden Ärzten, hiermit zusammenarbeitenden Personen und deren Patienten erleichtern. Eine bessere Planung der medizinischen Behandlungen oder bessere chirurgische Operationsergebnisse werden aus einer solchen verbesserten Kommunikation resultieren.
Im letzten Jahrzehnt sind zahlreiche Verfahren vorgeschlagen worden, um Querschnittsbilder zu reformatieren und diese als dreidimensionale Abbildung für jedwede perspektivische Ansicht darzustellen. Dabei gibt es im wesentlichen fünf unterschiedliche Lösungswege, die beschritten wurden. Diese umfassen den Cuberille-Lösungsansatz, den Octree-Lösungsansatz, den Strahlverfolgungslösungsansatz, den Triangulationslösungsansatz und den Konturlösungsansatz. Im Cuberille-Lösungsansatz ist beispielsweise eine Vorverarbeitung von ursprünglichen Bilddaten erforderlich, da das diesem Lösungsansatz zugrundeliegende Modell voraussetzt, daß das dreidimensionale Objekt aus kubusförmigen Strukturen derselben Abmessungen aufgebaut ist. Jeder dieser Lösungsansätze beinhaltet jedoch seine eigenen nachteiligen Merkmale.
Damit ein dreidimensionaler Abbildungsprozessor in der Praxis ausnutzbar wird, muß die Systemantwort außerordentlich schnell sein und in idealer Weise weniger als eine Sekunde pro Vollbild oder Frame betragen, wenn nicht in Echtzeit vorliegen. In den Systemen aus dem Stand der Technik konnte eine Realisierung derartiger Geschwindigkeiten nur unter Einsatz von für diesen Zweck vorgesehener speziellen Hardware erzielt werden. Solche spezielle Hardware ist außerordentlich teuer und generell nicht kosteneffektiv. Eine solche dedizierte Hardware ist auch nicht für andere Prozeßoperationen ausgenommen für die dreidimensionale Neuformatierung ausnutzbar, für die sie ausgelegt ist.
Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik liegt speziell im Cuberille-Lösungsansatz. Tatsächlich sind die Eingangsdaten aus einem CT oder MRI Scanner nicht kubisch, da die Distanz zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten gemeinhin sehr viel größer als die Ausdehnungen der Pixel der rekonstruierten Bilder sind. Entsprechend werden Auflösung und Genauigkeit verwirkt.
Die JP-A-1-119786 offenbart einen nuklearen Tomographiescanner, der Daten aus einem interessierenden Volumen erfaßt und eine tomographische Rekonstruktion anwendet, um eine dreidimensionale Datenelementanordnung zu erzeugen. Es wird ein dreidimensionales Bild eines Gegenstandes innerhalb dieses interessierenden Volumens von einer Projektionsebene aus betrachtet unter Verwendung dieser dreidimensionalen Datenanordnung erzeugt. Das resultierende zweidimensionale Bild wird dadurch schattiert, daß die Distanz zwischen der Projektionsebene und Punkten auf der Oberfläche des Gegenstandes ermittelt wird. Die exakte Distanz wird dadurch bestimmt, daß ein Interpolationsverfahren angewandt wird, und es werden weiter entfernt liegende Punkte dunkler schattiert. Die Schattierung wird ferner durch Messen des Gradienten der Objektoberfläche und durch Schattieren von Punkten auf der Oberfläche mit einem höheren Gradienten auf einen dunkleren Wert akzentuiert.
Die EP-A-0265334 offenbart ein Verfahren und ein Gerät zur Konstruktion dreidimensionaler Bilder durch Erfassen zweidimensionaler Bilddaten-Maps aus zwei voneinander beabstandeten Ebenen und unter Verwendung einer Binärinterpolation, um Bilddaten auf Ebenen zwischen den beiden voneinander beabstandeten Ebenen vorzusehen. Die erfaßten Bilddaten werden zunächst auf "Bit"-Daten-Maps oder -Datenabbildungen umgesetzt, die anzeigen, ob ein interessierendes Organ beispielsweise die Elemente der voneinander beabstandeten Ebenen belegt. Die Bitabbildungen oder Bit-Maps werden dann dazu verwendet, Distanz-Maps zu gewinnen, die anzeigen, wo ein übergang von Werten in jedem Element der Bit-Maps vorliegt. Die Distanz-Maps und zumindest eine der Bit-Maps werden dazu vewendet, Bitwerte interpolierter Ebenen zwischen den beabstandeten erfaßten Ebenen zur Verwendung bei der Rekonstruktion dreidimensionaler Bilder zu gewinnen.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Gerät zum Erzeugen dreidimensionaler Bilder anzugeben, welche die oben dargelegten Probleme überwinden und welche einfach, ökonomisch und auf eine Prozessoreinrichtung, die für eine generelle Anwendung ausgelegt ist, einfach anpaßbar sind.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen dreidimensionaler Bilder aus einer Mehrzahl zweidimensionaler Bilder vorgesehen, welches die Schritte umfaßt: Erfassen einer Serie generell oder im wesentlichen paralleler Bildschichten aus einem zugeordneten Prüfgegenstand, wobei jede Schicht durch eine im allgemeinen planare Anordnung von Voxeln bzw. ein Voxelfeld darstellbar ist, jedes Voxel durch eine einzige bzw. eindeutige erste und zweite räumliche Dimension entlang der Schicht definiert bzw. eingegrenzt ist, und durch einen Betrachtungswert, der repräsentativ für eine physikalische bzw. physische Eigenschaft des zugeordneten Prüfgegenstandes ist, die dort anzutreffen ist; Isolieren oder Herausholen eines Teilsatzes von Voxeln längs einer interessierenden Grenze in jeder Schicht, wobei die interessierende Grenze eine interessierende Region abgrenzt; einen Schichtinterpolationsschritt, bei dem aus den interessierenden Grenzen benachbarter Schichten ein Voxelteilsatz interpoliert wird, der repräsentativ für eine dazwischenliegende Grenze von Interesse ist, die so verschoben ist, daß sie zwischen jeder der benachbarten Schichten liegt; Diskretisieren eines dreidimensionalen Gegenstandes jeder interessierenden Grenze jeder Schicht derart, daß jedes Voxel hiervon auf ein Pixel eines zugeordneten Bildrasters oder Bildframes abbildet; und Projizieren des diskretisierten Gegenstandes auf das Bildraster, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte, bei denen für jede Schicht ein erstes Vektorfeld aus Daten definiert wird, die repräsentativ für die erste Koordinate jedes Voxelteilsatzes hierfür sind; Definieren eines zweiten Vektorfeldes von Daten, die repräsentativ für die zweite Koordinate jedes Voxelteilsatzes hierfür sind; Definieren eines dritten Vektors für jeden Teilsatz von Daten, die repräsentativ für den Betrachtungswert für jeden Voxelteilsatz hierfür sind; und einen Vektorinterpolationsschritt, bei dem vor dem Schichtinterpolationsschritt die interessierenden Grenzen benachbarter Schichten auf äquivalente Längen zwischen entsprechenden ersten, zweiten und dritten Vektoren interpoliert werden und zwischen entsprechenden Vektoren aneinandergrenzender Schichten interpoliert wird.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Gerät zum Erzeugen eines dreidimensionalen Bildes aus einer Serie zweidimensionler Bilder vorgesehen, das umfaßt: eine Akquisitionseinrichtung zur Erfassung einer Serie von generell parallelen Bildschichten aus einem zugeordneten Prüfgegenstand, wobei jede Schicht durch eine im wesentlichen planare Voxelanordnung repräsentiert ist, jedes Voxel durch eine eindeutige erste und zweite räumliche Dimension entlang der Schicht definiert ist, und durch einen Betrachtungswert, der repräsentativ für eine physikalische bzw. physische Charakteristik des zugehörigen Prüfgegenstandes vorliegt, die dort anzutreffen ist; ein Selektionseinrichtung zur Isolierung eines Teilsatzes von Voxeln entlang einer interessierenden Grenze in jeder Schicht, wobei die interessierende Grenze eine interessierende Region abgrenzt; eine Schichtinterpolationseinrichtung, die aus interessierenden Grenzen benachbarter Schichten einen Voxelteilsatz interpoliert, der repräsentativ für eine Zwischengrenze von Interesse ist, welche zwischen jede der benachbarten Schichten verschoben ist; eine Einrichtung zur Diskretisierung eines dreidimensionalen Gegenstandes jeder interessierenden Grenze jeder Schicht derart, daß jedes Voxel hierfür auf ein Pixel eines zugeordneten Bildrasters oder Bildframes abbildet; und eine Einrichtung zur Projektion des diskretisierten Gegenstandes auf das Bildraster, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät ferner aufweist eine Vektorerzeugungseinrichtung, die Vektordaten erzeugt, die repräsentativ für die interessierende Grenze in jeder Schicht sind, wobei diese Daten umfassen ein erstes Vektorfeld von Daten, die repräsentativ für die erste Dimension jedes Voxelteilsatzes hierfür sind; ein zweites Vektorfeld von Daten, die repräsentativ für die zweite Dimension jedes Voxelteilsatzes hierfür sind; einen dritten Vektor für jeden Teilsatz von Daten, die repräsentativ für den Betrachtungswert jedes Teilsatzes von Voxeln hierfür sind; und eine Vektorinterpolationseinrichtung, die vor dem Schichtinterpolsationsschritt die interessierenden Grenzen benachbarter Schichten auf äquivalente Längen zwischen einem entsprechenden ersten, zweiten und dritten Vektor interpoliert und zwischen entsprechenden Vektoren aneinandergrenzender Schichten interpoliert.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens und eines Geräts, mit denen ein dreidimensionales Bild schnell durch Minimierung der Anzahl von Berechnungen erzeugbar ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mit denen die Auflösungen eines dreidimensionalen Bildes entsprechend einer Anzahl von Interpolationen, die vervollständigt bzw. abgeschlossen sind, vorgegeben werden können.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens und eines Gerats, mit denen ein dreidimensionales Bild schnell vor der Erzeugung eines vollständigen, dreidimensionalen Bildes hoher Auflösung durch eine Vervollständigung von Interpolationen neu orientierbar ist, wodurch es moglich wird, eine Echtzeitverbesserung für eine Neuorientierung eines Bildes zu erzielen.
Ein Verfahren und ein Gerät gemäß der Erfindung werden nun beispielhalber unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Geräts zur Erzeugung einer dreidimensionalen Abbildung ist;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines willkürlichen Gegenstandes ist, der eine erste und zweite Schicht oder Bildebenen und eine dritte Bildebene schneidet, die dazwischen interpoliert ist:
Fig. 3 eine Grenze innerhalb einer Querschnittsschicht eines dreidimensionalen Gegenstandes repräsentiert;
Fig. 4 Vektoren von Pixeln längs Grenzen entsprechend zweier benachbarter Schichten darstellt;
Fig. 5 eine erste und zweite Interpolation benachbarter Vektoren zur Ausbildung eines dritten Vektors verdeutlicht;
Fig. 6 eine dritte Interpolation darstellt, die für einen vollständig interpolierten Vektor sorgt, der zwischen zwei benachbarten Vektoren angeordnet ist;
Fig. 7 ein Verfahren zur Erzielung der Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes aus einer Serie zweidimensionaler Bildschichten entsprechend dem erfindungsgemäßen Gegenstand zeigt;
Fig. 8 detailliert den Interpolationsschritt des Systems der Fig. 7 zeigt; und
Fig. 9 detailliert eine Interpolation entsprechend den Systemen der Figuren 7 und 8 zeigt.
Gemäß Fig. 1 ist eine Akquisitionseinrichtung zur Erfassung von Schichtdaten A interfacemäßig mit einer Datenprozessor/Steuerschaltung B verbunden. Gemäß Darstellung umfaßt die Akquisitionseinrichtung A einen CT Scanner und wird speziell unter Bezugnahme hierauf erläutert. Es ist jedoch zu beachten, daß ähnliche Schichtdaten auch ohne weiteres durch irgendeine andere geeignete Schichtabbildungsvorrichtung wie eine Vorrichtung zur Magnetresonanzabbildung ("MRI") erfaßt werden können.
Der CT Scanner umfaßt eine rotierende Anoden-Röntgenstrahlröhre 10, die ein Fächerbündel aus Röntgenstrahlen durch einen Abbildungskreis 12 auf eine Detektoranordnung 14 projiziert. Die Röntgenstrahlquelle 10 ist bezüglich des Abbildungskreises 12 so variabel, daß eine Relativbewegung unter der Steuerung einer Motoreinrichtung 16 zwischen diesen beiden Elementen möglich ist. Mehrere im wesentlichen parallele Schichten werden dadurch gewonnen, daß ein Objekt bezüglich des Abbildungskreises 12 zwischen aufeinanderfolgenden Abtastzyklen mittels einer Einrichtung wie einer inkrementellen Antriebseinrichtung 18 relativ positioniert wird. Unter der Steuerung und Anweisungen von einem Steuerpult 20 koppelt ein genereller oder NC-Prozessor 22 eine Röntgeristrahlröhrensteuerschaltung 24 interfacemäßig an, wodurch die Beschleunigungs/Abbremssteuerung der Röntgenröhre 10 erleichtert wird, sowie auch die Steuerung der Erzeugung des Röntgenstrahlfächerbündels. Ein Array-Prozessor 26 (Feldrechner) arbeitet unter der Steuerung eines Programms, das in einer Speichereinrichtung 28 gespeichert ist. Der Array-Prozessor arbeitet in Verbindung mit dem Prozessor 22 und unter einer weiter unten erläuterten Programmierung. Der Einsatz eines Array- Prozessors ist von Vorteil für eine schnelle Verarbeitung der dreidimensionalen Abbildungsdaten des vorliegenden Systems.
Es werden Schichtdaten von der Akquisitionseinrichtung A über eine Datenakquisitionsschaltung 30 erfaßt. Ein Serie von Bildern wird durch eine Bildrekonstruktionsschaltung 32 rekonstruiert. Schließlich ermöglicht eine Anzeigeeinrichtung 34 die Betrachtung eines resultierenden Bildes.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt der Array-Prozessor 26 eines oder mehrere Prozessorelemente für eine leichtere sehr schnelle Berechnung. Es ist jedoch zu beachten, daß andere Prozessoreinheiten in adäquater Weise funktionieren werden, wenn Bilder gemäß den Lehren des vorliegenden Systems verarbeitet werden.
Der Array-Prozessor 26 übernimmt einen Satz Bilder aufeinanderfolgender zusammenhängender Schichten eines dreidimensionalen Objekts (erzeugt durch die Akquisitionseinrichtung A) über die Bildrekonstruktionseinrichtung 32 und erzeugt räumlich kodierte Schichtdaten, die eine physikalische Eigenschaft hierfür anzeigen. Ein solcher Satz von Schichten wird im allgemeinen als Schichtsatz bezeichnet. Die Einrichtung 32 ist dazu vorgesehen, generell sämtlichen Teilregionen von zumindest einer der generell planaren oder ebenen Schichten einen Betrachtungswert zuzuweisen. Dieser Betrachtungswert (viewing value) ist zweckmäßigerweise ein Grauskalenwert oder -pegel. Diese Bilder aufeinanderfolgender Schichten werden in einem ähnlichen Format wie demjenigen eines konventionellen CT oder MRI Scanners gegeben. Beispielsweise umfaßt eine Rekonstruktionseinrichtung zweckmäßigerweise eine Faltungseinrichtung und ein Rückprojektionssystem, das ein Raster von Pixelwerten erzeugt, deren Größe bzw. deren Betrag einen Grauskalenwert anzeigt.
Die gegenstandsgemäße Prozedur zum Erzeugen der dreidimensionalen Bilder macht eine solche Erzeugung speziell anwendbar auf konventionelle Prozessoren wie den gegenstandsgemäßen Array-Prozessor. Dreidimensionale Objekte, die der Untersuchung unterliegen, wie Knochen oder Organe, erstrecken sich üblicherweise durch zahlreiche aufeinanderfolgende oder fortlaufende Querschnittsbildschichten. Beispielsweise würde ein Satz von Querschnitts-CT-Bildern für die Untersuchung eines lumbalen Wirbelsäulenabschnitts erforderlich sein, da sich die Wirbelsäule über eine Schichtdicke hinaus erstreckt. Um das dreidimensionale Objekt aus der Schicht wirksam zu extrahieren, wird zu Anfang eine dreidimensionale Box festgelegt, die groß genug ist, um das dreidimensionale Objekt, das der Untersuchung unterliegt, einzuhüllen.
Diese dreidimensionale Box, die als interessierende Box ("BOI" von box of interest) bezeichnet wird, ist kleiner als das durch den Schichtsatz reprasentierte Gesamtvolumen. Die BOI reduziert die gesamte erforderliche Information zur Verarbeitung und daher auch die Verarbeitungszeit. Die BOI portioniert jede Bildschicht in Grenzbereiche oder Abgrenzungsbereiche. Jeder solche Grenzbereich wiederum umfaßt eine Mehrzahl Teilbereiche, die durch Daten repräsentiert sind, die von der Datenakquisitionseinrichtung gewonnen werden. Der Grenzbereich wird vorzugsweise auf einem Einzelschichtbild selektiert und für eine Praktikabilität auffolgende Schichten projiziert oder extrapoliert. Es ist jedoch zu beachten, daß bei bestimmten Situationen die Selektion mehrerer Grenzbereiche, die ein bestimmtes Volumen eingrenzen und umgrenzen, von Vorteil sein kann. Beispielsweise kann ein erster Grenzbereich aus einer Schicht definiert werden und es kann ein zweiter, der andere Abmessungen aufweisen kann, auf der letzten Schicht definiert werden. Die Projektion zwischen dem ersten und zweiten Grenzbereich durch die dazwischenliegenden Schichten definiert dann eine Folge von Zwischen-Grenzbereichen. Für die meisten Zwecke jedoch ist es adäquat, einen einzelnen Grenzbereich mit einem gegebenen Satz von Abmessungen vorzusehen, der auffolgende Schichten extrapoliert oder projiziert wird.
Nachdem ein Grenzbereich definiert worden ist, wird daraus eine dreidimensionale Oberfläche ausgewählt, die durch eine Folge von Konturen oder Rändern bzw. Grenzen eines interessierenden Objekts eingegrenzt und definiert wird. Dies kann beispielsweise eine Oberfläche oder Grenze eines Organs oder von Organen definieren. Wiederum wird ein solches Objekt zweckmäßigerweise aus einem einzelnen Grenzbereich von einer einzelnen Schicht ausgewählt und auffolgende Grenzbereiche der BOI projiziert. In bestimmten Situationen kann es sich jedoch als nützlich erweisen, die interessierende Abgrenzung aus zwei oder mehr Grenzbereichen auszuwählen.
Die Auswahl der interessierenden Abgrenzung kann durch eine manuelle Auswahl von einer Anzeige beispielsweise durch azieren eines Cursors auf die Grenze oder durch Eingrenzen oder Isolieren einer speziellen Grenze mit einem gegebenen Grauskalenpegel erfolgen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Kombination beider Maßnahmen realisiert. Die interessierende Region wird anfangs als planares Bild erzeugt. Ein ausgewählter Bereich von Grauskalenwerten wird dieser interessierenden Region zugeordnet und nur die Bereiche, die in diesen Bereich fallen, werden dann erleuchtet. Ein Operator oder Techniker selektiert dann über das Steuerpult 20 (Fig. 1), welche der Oberflächen oder Abgrenzungen innerhalb dieses Bereichs aufzugreifen sind. Diese wird dann wiederum auf folgende Bereiche der BOI projiziert.
Fig. 2 zeigt einen Prüfgegenstand 40, der ein dreidimensionales Objekt darstellt, das beliebige willkürliche dreidimensionale Eigenschaften aufweist. Der Prüfgegenstand 40 wird von zwei im allgemeinen parallelen Bildschichten 42 und 44 durchschnitten. Das gegenstandsgemäße System sieht eine Einrichtung vor, die einen geeigneten Schnitt oder eine geeignete Schnittmenge zwischen dem Prüfgegenstand 40 und einem Pseudo- oder Schichtbild 48 interpoliert, das zwischen benachbarten Schichten 42 und 44 angeordnet ist.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht von oben auf eine beliebige Schicht 50. Die Schicht 50 umfaßt eine Serie Voxel 52. In der Figur sind eine erste und eine zweite Dimension ersichtlich, wobei die dritte Dimension des Voxels als Dicke der Schicht 50 definiert ist. Eine BOI 56 schneidet die Schicht 50, wie durch die gestrichelte Linie angezeigt ist. Die BOI 56 umgibt eine interessierende Region 58, die durch eine interessierende Grenze oder einen interessierenden Rand abgegrenzt ist.
Die interessierende Grenze 60 ist durch einen Schnitt zwischen einer Bildschicht und einem selektierten Abschnitt eines hierdurch geschnitteten Prüfgegenstands definiert. Im Beispiel der Fig. 3 ist die interessierende Grenze durch Pixel definiert, die die folgenden (x, y) Koordinaten (im Uhrzeigersinn fortschreitend) aufweisen: (3, 2), (4, 2), (5, 2), (5, 3), (6, 4), (5, 5), (4, 6), (3, 6), (2, 5), (2, 4) und (2, 3).
Aus dem vorhergehenden wird ersichtlich, daß jede Kontur oder interessierende Grenze für jede Schicht durch drei Vektoren darstellbar ist, wobei die Vektoren für jede Schicht eine äquivalente Anzahl von Einträgen oder einer Länge aufweisen. Im Beispiel der Fig. 3 ist die interessierende Grenze 60 durch elf schattierte Voxel mit den oben dargelegten Koordinaten definiert. Daher würden die diese interessierende Grenze für die Schicht der Fig. 3 beschreibenden Vektoren die Länge elf bzw. elf Punkte oder Einträge aufweisen. Die drei Vektoren, die die interessierende Region beschreiben, umfassen einen ersten Vektor, in welchem Elemente, die repräsentativ für die Koordinaten der ersten Dimension sind, gespeichert sind, einen zweiten Vektor, in dem Koordinaten, welche repräsentativ für die zweite Dimension sind, gespeichert werden, und einen dritten Vektor, in dem ein Betrachtungswert gespeichert wird, der repräsentativ für eine physikalische Eigenschaft oder ein spezielles Voxel ist.
Gemäß Fig. 4 sind ein erster Vektor 66a mit einer Länge m und ein zweiter Vektor 68b mit einer Länge n gezeigt. Der Vektor 66a wird als repräsentativ für irgendeinen der drei Vektoren in einer ersten Schicht 66 ausgewählt. Der Vektor 68a ist als repräsentativ für irgendeinen Vektor einer interessierenden Grenze aus einer Schicht 68 ausgewählt, die der Schicht 66 benachbart ist und deren Inhalt dem Inhalt des Vektors 66a entspricht. Es ist jedoch zu beachten, daß zwischen den drei Vektoren, die die interessierende Grenze aus einer Schicht 66 definieren und den drei Vektoren, die eine interessierende Grenze aus der Schicht 68 identifizieren, eine übereinstimmung existiert.
Gemäß Fig. 4 sind die Vektoren der Schichten 66 und 68 unter einem Abstand D voneinander angeordnet, wobei dieser Abstand als ein Abstand definiert ist, der die benachbarten Schichten trennt. Wie weiter unten ersichtlich wird, sieht das gegenstandsgemäße System Mittel vor, Voxel, die durch die drei Vektoren jeder Schicht repräsentiert sind, auf einen zugeordneten Betrachtungsschirm entsprechend einer relativen Plazierung von diesen zu dem Gegenstand, der durch die interessierenden Grenzen repräsentiert wird, abzubilden. Obgleich ein betrachtbares Objekt allein unter Bezugnahme auf Daten erstellt werden kann, die aus Voxeln der Abbildungsschichten gewonnen werden, ist eine zusätzliche Auflösung häufig erforderlich, um eine volle Sichtbarmachung des dreidimensionalen Objekts, das eine Mehrzahl von Schichten durchschneidet, vorzusehen. Es ist speziell anzustreben, daß der Abstand D, der zwischen benachbarten Schichten vorliegt, teilweise oder insgesamt so gefüllt wird, daß das resultierende Bild in seiner Erscheinung mehr geglättet wird.
Gemäß Fig. 5 wird nun das System zur Gewinnung eines Vektors, der für eine dazwischenliegende Kontur oder dazwischenliegende interessierende Grenze repräsentativ ist, die zwischen benachbarten Schichten 66 und 68 vorliegen, erläutert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Berechnung eines Satzes dreier Vektoren 72, die repräsentativ für eine angenäherte interessierende Grenze sind, die zwischen den Schichten 66 und 68 liegt, wie folgt erzielt.
Zunächst unterliegt jeder der drei Vektoren 66 einer linearen Interpolation derart, daß seine m Punkte auf n Punkte extrapoliert werden. Diese Interpolation liefert einen Vektor 66 mit zusätzlichen n-m Termen.
In einer folgenden Interpolation liegt eine eins-zu-eins Übereinstimmung zwischen dem interpolierten Vektor 66 und dem Vektor 68 vor. Es erfolgt dann eine lineare Interpolation, wobei vorausgesetzt wird, daß der interpolierte Vektor 72 um eine Distanz D/2 zwischen Schicht 66 und Schicht 68 verschoben wird.
Gemäß Fig. 6 ist ein abschließender Interpolationsschritt gezeigt. Der Vektor 72' wird durch eine lineare Interpolation der Einträge oder Punkte (Entries) für den Vektor 72 (Fig. 5) auf eine Zahl oder Nummer berechnet, die zwischen den Längen der beiden Vektoren 66 und 68 liegt, oder auf (n-m)/2 Punkte größer als die Länge von Vektoren m (oder geringer als die Länge von Vektoren n). Gebrochene Werte werden auf geeignete Weise abgerundet. Auf diese Weise wird ein interpolierter Vektor festgelegt, der zwischen zwei benachbarten Vektorsätzen ausgebildet ist. Es ist jedoch zu beachten, daß auch mehrere interpolierter Schichten, die vorzugsweise gleich beabstandet sind, zwischen einem Paar ursprünglicher Schichten erstellbar sind.
Gemäß Fig. 7 ist das System zur Bildung dreidimensionaler Bilder aus einer Folge im wesentlichen paralleler zweidimensionaler Bildschichten in Flußdiagrammform dargestellt. Die Operation beginnt mit Schritt 80 und schreitet dann mit Schritt 82 fort, bei dem eine erste interessierende Grenze oder Kontur initialisiert wird. In einem Schritt 84 wird ein Vektor C gleich einem Vektor von CT Zahlen von Pixeln längs der zweiten Kontur festgesetzt. Ein Vektor X und ein Vektor Y, die die Abszisse bzw. Koordinate der Pixel längs der Kontur repräsentieren, werden dann in den Schritten 86 und 88 gesetzt. Die Schritte 90 und 92 erleichtern die Betrachtung sämtlicher Vektoren über ein wiederholtes Durchlaufen der Schritte 84, 86 und 88.
Sobald Vektorsätze für sämtliche Konturen erfaßt worden sind, wird im Schritt 94 eine gewünschte Auflösung eines Bildrasters, welches ein dreidimensionales Bild umfaßt, berechnet. In diesem Schritt wird die Anzahl von Pixeln und die Pixelgröße des Bildrasters (frame) oder Bildschirms nachgeprüft und festgestellt, welcher das resultierende dreidimensionale Bild enthalten wird.
In einem Schritt 96 wird der dreidimensionale Objektraum so diskretisiert, daß jedes Voxel eines diskretisierten Objekts auf ein Pixel des Bildrasters projiziert ist, das in Verbindung mit Schritt 94 bestimmt ist.
In einem Schritt 98 wird eine lineare Interpolation zur Erzeugung von Vektoren, die zwischen benachbarten Vektoren angeordnet sind, berechnet.
Schritt 100 ist dazu vorgesehen, einem dreidimensionalen Objekt eine Tiefenwirkung hinzuzufügen, wobei vorausgesetzt ist, daß das Objekt schließlich auf einer zweidimensionalen Fläche projiziert wird. Dies wird zweckmäßigerweise dadurch erzielt, daß das Produkt eines Betrachtungswerts wie einer CT Zahl mit einem Skalarprodukt der Richtung des Lichts auf einen ausgewählten Projektionsschirm mit einem Oberflächengradienten für jedes Pixel jeder Kontur berechnet wird. In einem Schritt 102 werden die gesamten oberen und unteren Abschnitte eines dreidimensionalen Bildes innerhalb der Konturen oder interessierenden Grenzen der axialen Bilder auf einen zugeordneten Betrachtungsschirm 104 projiziert. Aus der Ansicht werden in Schritt 106 verdeckte Oberflächen maskiert.
Die verbleibenden Konturen werden zu einem Schritt 108 übertragen, bei dem die Konturen auf einen Schirm projiziert werden. Wiederum werden verborgene Oberflächen im resultierenden dreidimensionalen Bild im Schritt 106' entfernt. Dies wird zweckmäßigerweise bewerkstelligt, während die orthogonalen Projektionen der Vektorelemente auf den Bildschirm vervollständigt werden. Vorzugsweise werden Matrizen der Distanz und/oder ein Betrachtungswert oder eine CT Zahl (gewichtet mit einem inneren Produkt des Gradienten der Oberfläche und der Lichtrichtung) gleichzeitig im Schritt 110 vor der Projektion auf den Bildschirm 104 erstellt.
Genauer projiziert dabei ein Voxel einer Kontur auf einen Pixel auf dem Bildschirm. Falls (i, j) die Koordinaten des Pixels sind, ersetzt beispielsweise eine Distanz des Voxels zum Bildschirm den Inhalt des Elements (i, j) der Distanzmatrix, falls die Distanz geringer als der Inhalt oder Gehalt des hierdurch repräsentierten Elementes ist. In solchen Fällen ersetzt der Betrachtungswert oder die CT Zahl eines speziellen Voxels den Inhalt des Elements (i, j) des Betrachtungswerts oder der CT Zahlmatrix.
Gemäß Fig. 8 wird nun der Interpolationsschritt 98 der Fig. 7 spezieller offenbart. Nach Beginn der Interpolationsprozedur bei 110 werden zwei aufeinanderfolgende homologe interessierende Konturgrenzen, die jeweils die Punkte oder Einträge m und n aufweisen, im Schritt 112 isoliert.
Im Schritt 114 wird ermittelt, ob die Anzahl von Punkten oder Einträgen in den Vektoren der jeweiligen Konturen gleich sind. Im Fall der Äquivalenz erfolgt eine direkte lineare Interpolation zwischen Elementen der jeweiligen Vektoren im Schritt 116, wonach anschließend die Interpolationsprozedur im Schritt 118 abgeschlossen wird. Falls im Schritt 114 ermittelt wird, daß die Vektoren unterschiedliche Längen aufweisen, schreitet das System mit Schritt 120 fort.
Schritt 120 ermittelt, welcher Vektorsatz der benachbarten Konturen größere Längen aufweist. Entsprechend diesem Test fährt das System mit den Schritten 122, 124 oder 126, 128 fort, die äquivalente Funktionen aufweisen, die jedoch die Vektorsätze entgegengesetzt behandeln.
In den Schritten 122 und 126 erfolgt eine erste Interpolation zur "Streckung" der kürzeren der Vektoren auf eine Länge äquivalent zu derjenigen der längeren der Vektoren, wie weiter unten detailliert erläutert werden wird. Obgleich das Strecken im bevorzugten Ausführungsbeispiel angewandt wird, ist zu beachten, daß eine interpolierte "Schrumpfung" der größeren Vektoren auf eine äquivalente Länge zu denjenigen der kürzeren Vektoren auch geeignet ist. Die Schritte 124 und 128 bewerkstelligen eine direkte lineare Interpolation zwischen jeweiligen Elementen analog zu derjenigen des Schritts 116. Nach Vervollständigung des Schritts 124 oder 128 erfolgt eine Interpolation, in der der resultierende interpolierte Vektor größenmäßig auf einen Zwischenwert der Länge der benachbarten Vektoren gesetzt wird, aus denen er im Schritt 130 gebildet wurde.
Zusammenfassend gilt, daß das durch das Flußdiagramm der Fig. 8 dargestellte System dafür sorgt, einen in der Mitte angeordneten Vektorsatz dadurch zu ermitteln, daß der kleinere Vektorsatz (Satz kleinerer Vektoren) gestreckt wird, wobei eine lineare Interpolation erfolgt, und indem dann die Länge des dazwischen liegenden Vektors auf eine Länge verringert wird, die zwischen den benachbarten Vektoren vorliegt, aus denen der Vektor gebildet wurde. Wie oben dargelegt, wird das System jedoch auch gleichermaßen gut mit einer Interpolation funktionieren, bei der eine Verschmälerung der längeren Vektorsätze vor der Interpolation bewerkstelligt wird.
Gemäß Fig. 9 wird die Interpolationsprozedur des Strekkens/Komprimierens speziell erläutert. In der dargestellten Prozedur veranschaulicht Schritt 140 den Beginn einer Routine zur Interpolation eines Vektors einer Länge n in einen Vektor einer Länge m. In einem Schritt 142 wird das Verhaltnis von n zu m berechnet. In einem Schritt 144 wird für jeden Punkt oder für jeden Eintrag 1 bis m ein Wert Q durch die gezeigte Gleichung berechnet. Der Wert q wird als der ganzzahlige Wert oder Teil des Werts Q berechnet.
In einem Schritt 146 wird ein Wert ak als Q-q berechnet, wobei k gleich 1, ..., m ist.
In den Schritten 148, 150 und 152 werden Vektorelemente x'k, y'k und c'k über eine Interpolation berechnet. Ein Gradientenvektor wird dann aus den Vektoren X' und Y' in einem Schritt 154 berechnet. Die Prozedur wird in einem Schritt 156 abgeschlossen.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele erläutert. Beim Lesen und Verstehen der Beschreibung werden jedoch Dritten Modifikationen und Änderungen einfallen. Es ist beabsichtigt, daß sämtliche derartige Modifikationen und Änderungen insofern mit abgedeckt sind, als sie in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche oder deren Äquivalente fallen.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen dreidimensionaler Bilder aus einer Mehrzahl zweidimensionaler Bilder, aufweisend die Schritte: Erfassen einer Serie generell paralleler Bildschichten aus einem zugeordneten Prüfgegenstand, wobei jede Schicht durch eine im wesentlichen planare Anordnung aus Voxeln repräsentiert ist, jedes Voxel durch eine eindeutige erste und zweite räumliche Dimension längs der Schicht definiert ist, und durch einen Betrachtungswert, der für eine dortige physikalische (physische) Eigenschaft des zugeordneten Prüfgegenstandes (40) repräsentativ ist; Isolieren eines Teilsatzes von Voxeln längs einer interessierenden Grenze in jeder Schicht, wobei die interessierende Grenze einen interessierenden Bereich definiert; einen Schichtinterpolationsschritt, bei dem aus interessierenden Grenzen benachbarter Schichten ein Teilsatz aus Voxeln interpoliert wird, der repräsentativ für eine interessierende Zwischengrenze ist, die zwischen jede der benachbarten Schichten liegend versetzt ist; Diskretisieren eines dreidimensionalen Gegenstandes jeder interessierenden Grenze jeder Schicht derart, daß jedes Voxel hiervon auf ein Pixel eines zugeordneten Bildrasters abbildet; und Projizieren des diskretisierten Objekts auf das Bildraster, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiter die Schritte umfaßt, für jede Schicht ein erstes Vektorfeld von Daten zu definieren, die repräsentativ für die erste Koordinate jedes Teilsatzes von Voxeln hierfür sind; Definieren eines zweiten Vektorfeldes aus Daten, die repräsentativ für die zweite Koordinate jedes Teilsatzes von Voxeln hierfür sind; Definieren eines dritten Vektors für jeden Teilsatz von Daten, die repräsentativ für den Betrachtungswert für jeden Teilsatz von Voxeln hierfür sind; und einen Vektorinterpolationsschritt, bei dem vor dem Schichtinterpolationsschritt die interessierenden Grenzen benachbarter Schichten auf äquivalente Längen zwischen entsprechenden ersten, zweiten und dritten Vektoren interpoliert werden und bei dem zwischen entsprechenden Vektoren aneinandergrenzender Schichten interpoliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt der Maskierung ausgewählter Bereiche des diskretisierten Objekts aus einer Projektion auf das Bildraster.

3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend den Schritt der selektiven Skalierung von Voxeln eines diskretisierten Bildes entsprechend einer Beziehung zwischen dem diskretisierten Bild und einer Projektionsrichtung auf das Bildraster, wodurch ein projiziertes Bild auf das Bildraster eine Tiefenschattierung umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der Isolationsschritt umfaßt: Isolieren eines Teilsatzes aus Voxeln längs einer interessierenden Grenze in einer ersten Schicht der Serie von Schichten, wobei die interessierende Grenze einen interessierenden Bereich definiert; und Extrapolieren der interessierenden Grenze in der ersten Schicht auf verbleibende Schichten der Serie von Schichten zur Isolierung eines Voxelteilsatzes längs einer interessierenden Grenze in jeder der verbleibenden Schichten, wodurch ein interessierender dreidimensionaler Gegenstand definiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend die Schritte des Auswählens eines interessierenden Bereichs innerhalb der ersten Schicht und des Extrapolierens des interessierenden Bereichs auf die verbleibenden Schichten vor dem isolierenden Schritt.

6. Gerät zum Erzeugen eines dreidimensionalen Bildes aus einer Serie zweidimensionaler Bilder, aufweisend: eine Aquisitionseinrichtung zur Erfassung einer Serie generell parallerer Bildschichten aus einem zugeordneten Prüfgegenstand, wobei jede Schicht durch eine generell planare Anordnung aus Voxeln repräsentiert ist, jedes Voxel eine eindeutige erste und zweite räumliche Dimension längs der Schicht definiert, und durch einen Betrachtungswert, der repräsentativ für eine dortige physikalische (physische) Eigenschaft des zugeordneten Prüfgegenstandes ist; eine Selektionseinrichtung zur Isolierung eines Voxelteilsatzes längs einer interessierenden Grenze in jeder Schichte, wobei die interessierende Grenze eine interessierende Region abgrenzt; eine Schichtinterpolationseinrichtung zur Interpolation aus den interessierenden Grenzen benachbarter Schichten eines Voxelteilsatzes, der repräsentativ für eine interessierende Zwischengrenze ist, die zwischen jede der benachbarten Schichten liegend versetzt ist; eine Einrichtung zur Diskretisierung eines dreidimensionalen Gegenstandes jeder interessierenden Grenze jeder Schicht derart, daß jedes Voxel hiervon auf ein Pixel eines zugeordneten Bildrasters abbildet; und eine Einrichtung zur Projektion des diskretisierten Gegenstandes auf das Bildraster, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät ferner aufweist eine Vektorerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Vektordaten, die repräsentativ für die interessierende Grenze in jeder Schicht sind, umfassend ein erstes Vektorfeld von Daten, die repräsentativ für die erste Dimension jedes Voxelteilsatzes hierfür sind; ein zweites Vektorfeld von Daten, die repräsentativ für die zweite Dimension jedes Teilsatzes von Voxeln hierfür sind; einen dritten Vektor für jeden Teilsatz von Daten, die repräsentativ für den Betrachtungswert für jeden Voxelteilsatz hierfür sind; und eine Vektorinterpolationseinrichtung zur Interpolation vor dem Schichtinterpolationsschritt der interessierenden Grenzen benachbarter Schichten auf äquivalente Längen zwischen entsprechenden ersten, zweiten und dritten Vektoren und der Interpolation zwischen entsprechenden Vektoren aneinandergrenzender Schichten.

7. Gerät nach Anspruch 6, ferner aufweisend eine Maskierungseinrichtung zur Maskierung ausgewählter Bereiche eines diskretisierten Gegenstandes aus einer Projektion auf das Bildraster.

8. Gerät nach Anspruch 7, ferner aufweisend eine Skalierungseinrichtung zur selektiven Skalierung von Voxeln eines diskretisierten Bildes entsprechend einer Beziehung zwischen dem diskretisierten Bild und einer Projektionsrichtung auf das Bildraster, so daß jedes Voxel auf ein einzelnes Pixel des Bildrasters projiziert ist, wodurch ein auf das Bildraster projiziertes Bild eine Tiefenschattierung bzw. Farbtiefe beinhaltet.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, in welchem jeder solche Betrachtungswert ein Grauskalenwert ist.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, in welchem die Aquisitionseinrichtung eine Magnetresonanz-Abbildungsvorrichtung umfaßt.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, in welchem die Aquisitionseinrichtung einen Computertomographie-Scanner umfaßt.