DE69814482T2

DE69814482T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Darstellung von Oberflächen aus volumetrischen Daten

Info

Publication number: DE69814482T2
Application number: DE69814482T
Authority: DE
Inventors: Harvey Ellis Schenectady Cline; Siegwalt Scotia Ludke
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1998-01-21
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2018-01-22
Also published as: EP0854442B1; US6115048A; EP0854442A3; JPH10289329A; EP0854442A2; DE69814482D1; JP4063380B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum schnellen Darstellen von Oberflächen von Computer-Grafikmodellen.
Ein System zum Erzeugen von Oberflächen aus volumetrischen Daten ist in dem US-Patent 4,821,213 für Cline, Ludke, Lorensen, 11. April 1989, "System For The Simultaneous Display Of Two Or More Internal Surfaces Within A Solid Object" ('Wandernde Würfel-Methode') beschrieben. Dieses erzeugt zwar Oberflächen auf effiziente Weise, wenn jedoch die Anzahl von volumetrischen Datenpunkten größer wird, wird es ratsamer, eine andere Methode zu verwenden, die in dem US-Patent 4,719,585, 12. Januar 1988, von Cline, Ludke, Lorensen "Dividing Cubes System And Method For The Display Of Surface Structures Contained Within The Interior Region Of A Solid Body" ('Teilende-Würfel-Methode') beschrieben ist. Die 'Teilende-Würfel-Methode' unterteilt jedes Voxel in einen Punkt und Normale unter Verwendung dreieckiger Interpolation. Der Punkt und die Normalen stellen Oberflächen dar, die gerastert werden.
Dreieckige Interpolation wird rechnerisch aufwendig, insbesondere auf weniger leistungsstarken Desktop-Computern, die eine Interpolation nicht schnell ausführen können.
Deshalb besteht ein Bedürfnis für ein einfaches Computer-Grafiksystem, das Oberflächen von Volumendaten schnell darstellt, was rechnerisch weniger aufwendig ist.
Verschiedene Versuche, diese Rechenlast zu verringern, sind in der Technik aus der 2D Rasterung von volumetrischen Daten bekannt. Beispielsweise beschreiben FR-A-2 614 163 und D. Geist u. a.: PC-BASED 3-D RECONSTRUCTION OF MEDICAL IMAGES", COMPUTERS AND GRAPHICS, Band 13, Nr. 2, 1. Januar 1989, Seiten 135–143 leicht unterschiedliche Methoden, um einen Voxelintensitätsgradienten an einem gegenwärtigen Voxel zu berechnen, wobei beide Methoden irgendwie auf Differenzen zwischen Werten von Voxeln basieren, die rittlings auf dem gegenwärtigen Voxel sitzen.
Jedoch wird in beiden obengenannten zwei Dokumenten die anfängliche Voxelsegmentierung durch einfache Schwellenwertbildung ausgeführt, d. h. der gemessene Wert, der jedem Voxel zugeordnet ist, wird lediglich mit einem Schwellenwert oder einem Schwellenwertbereich verglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt ein Grafiksystem Oberflächenmodelle dar, wie beispielsweise ein Würfel/-Vektor-Modell, das von mehreren Würfeln gebildet ist. Es wird ein zentrales Voxel gewählt, das geprüft werden soll. Das zentrale Voxel wird gegen einen Schwellenwert geprüft, der vorgesehen oder vorbestimmt sein kann. Wenn das zentrale Voxel unter dem Schwellenwert ist, dann wird es als außerhalb von einem Objekt betrachtet und es wird ein neues zentrales Voxel gewählt. Wenn das zentrale Voxel über dem Schwellenwert ist, dann werden 8 Diagonalvoxel, die jeweils einen Scheitel von dem zentralen Voxel teilen, geprüft um zu ermitteln, ob sie unter dem Schwellenwert sind. Dieser Vergleich kann parallel durchgeführt werden, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Wenn wenigstens einer der Diagonalvoxelwerte unter dem Schwellenwert ist, und das zentrale Voxel über dem Schwellenwert ist, dann wird das zentrale Voxel als ein Oberflächenvoxel kategorisiert.
Die obige Beschreibung geht von der Annahme aus, dass das gewünschte Objekt einen hohen Pixelwert, wie beispielsweise Knochen, hat. Die vorliegende Erfindung arbeitet auch für Strukturen mit einem kleinen Pixelwert, wie beispielsweise eine Lunge. Der gewählte Schwellenwert hat einen niedrigeren Wert, und Oberflächenvoxel werden als zentrale Voxel definiert, die unter dem Schwellenwert sind, wobei wenigstens ein Diagonalvoxel über dem Schwellenwert ist.
Schwellenwertbereiche können ebenfalls verwendet werden, wobei das zentrale Voxel getestet wird um zu ermitteln, ob es innerhalb des Schwellenwertbereiches ist, wobei Diagonalvoxel getestet werden um zu ermitteln, ob sie außerhalb des Bereiches sind. Dies wird verwendet, wo das Objekt, das bildlich dargestellt werden soll, Pixelwerte hat, die über einem kleinen Bereich variieren.
Dann werden Werte der benachbarten Voxel, oberhalb, unterhalb, links, rechts, vor und hinter, verwendet, um einen Vektor zu ermitteln. Dieser Vektor wird korrigiert für eine anisotrope Natur der Voxel, wenn sie vorhanden ist. Wiederum kann durch die parallele Natur des Prozesses der Vergleich in den 'x', 'y' und 'z' Dimensionen gleichzeitig ausgeführt werden.
Dieser Prozess wird für eine Anzahl von unterschiedlichen zentralen Voxeln wiederholt, um eine Anzahl von Oberflächenvoxeln mit Oberflächennormalen zur Folge zu haben.
Es wird ein Winkel zum Betrachten der gewünschten Oberflächenvoxel bereitgestellt, üblicherweise durch einen Operator, aber er kann durch das System vorbestimmt oder vorgewählt sein. Die Betrachtungswinkel werden dann nach Anisotropie eingestellt, um einen effektiven Winkel hervorzurufen. Die anisotropen Oberflächenvoxel werden dann so dargestellt, wie sie aus dem effektiven Sichtwinkel betrachtet werden.
Wenn die verwendeten anfänglichen Voxeldaten anisotrop waren, wird das 2D Bild dann ungleichförmig skaliert, um ein unverzerrtes Bild in Schirmkoordinaten (u, v) zu erzeugen. Ein Skalierungsfaktor E_s wird berechnet und mit jeder der 'v' Koordinaten des Schirmbildes multipliziert, um neue Schirmdaten (u, v') von einem unverzerrten Bild zur Folge zu haben.
Dies hat ein System zur Folge, das 3D Oberflächenbilder schnell auf einer viel weniger leistungsstarken Grafikeinrichtung erzeugen kann, als dies zuvor möglich war.
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Computer-Grafiksystem, wie es in dem Anspruch 5 angegeben ist, das Oberflächen von volumetrischen Daten schnell bildlich darstellt.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit, das in Anspruch 1 angegeben ist und das Oberflächen von volumetrischen Daten mit der gleichen Geschwindigkeit wie übliche Systeme unter Verwendung einer viel weniger leistungsstarken Einrichtung bildlich darstellt.
Die Erfindung wird besser verständlich und deutlich zusammen mit ihren anderen Aufgaben und Merkmalen aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen:
1 eine Darstellung von Voxeln isotroper und anisotroper volumetrischer Daten ist;
2 eine Darstellung ist, die Voxel von volumetrischen Daten identifiziert, die verwendet sind, um Oberflächenvoxel gemäß der vorliegenden Erfindung zu ermitteln;
3 eine Darstellung ist, die Voxel von volumetrischen Daten identifiziert, die verwendet werden, um Oberflächenvoxel gemäß der vorliegenden Erfindung zu ermitteln;
4 eine Darstellung des Effektes von Anisotropie auf Höhenwinkel ist;
5 ein vereinfachtes Blockdiagramm von einem Computer-Grafikmodellsystem gemäß der Erfindung ist;
6 ein Bild von einer einzelnen Scheibe eines volumetrischen Computer-Tomographie-Datensatzes ist, der von dem Kopf eines Patienten gewonnen ist;
7 ein 3D Bild von Knochenoberflächen des volumetrischen Datensatzes ist, der zum Erzeugen von 6 verwendet ist.
Auf einem einfachen Grafiksystem, wie beispielsweise einem Desktop Personal Computer ("PC") ist eine 3D Grafik-Beschleunigerkarte, die zur Rasterung von Oberflächen von einem polygonalen 3D Modell verwendet wird, möglicherweise nicht vorhanden. Die oben angegebene 'Teilende-Würfel-Methode', die auf einem PC ohne Grafikkarte arbeitet, rastert Modelle bei viel niedrigeren Geschwindigkeiten als sie erforderlich ist, um Realzeit-Bilder zu erzeugen. Dies macht das System ungeeignet zur Verwendung in einer klinischen Einrichtung, wo ein Arzt möglicherweise eine interaktive Realzeit-Rückführung benötigt.
Ein anderes Problem ist, dass die 'Teilende-Würfel-Methode' einen großen Speicher benötigt, um die Display-Liste zu speichern, die in Verbindung mit der Methode verwendet wird. Dies macht die Speichererfordernisse zu groß, um auf einem PC zu laufen.
Wenn ein 3D Modell von gesampelten Daten ohne Interpolation gerastert werden kann, würde dies ein großer Gewinn im Wirkungsgrad sein. Jedoch sind viele Datensätze, die gewonnen werden, wie beispielsweise die von Computer-Axial-Tomographie (CAT), anisotrop. Die Daten können mit anderen Mitteln gewonnen sein, wie beispielsweise Magnet-Resonanz (MR), Ultraschall oder anderen bildgebenden Einrichtungen.
Ein isotroper Volumendatensatz 12 und ein anisotroper Datensatz 11 sind in 1 gezeigt. Die Volumendatensätze haben Volumenpixel ('Voxel'), die jeweils einen Datenwert haben, der eine physikalische Eigenschaft angibt, die an seiner Mitte gemessen ist. Der Abstand T zwischen 'Scheiben' von Daten in der einen Dimension ist nicht gleich dem Abstand zwischen Datenpunkten in den anderen Abmessungen S in dem Volumendatensatz 11, wodurch er anisotrop gemacht wird. Die bildgebende Einrichtung kann auch den Abstand zwischen benachbarten Datenpunkten und zwischen Datenscheiben in dem Datensatz speichern. Wenn man Oberflächen von anisotropen Voxeln ohne Interpolation rastern würde, würde das entstehende Bild verzerrt sein.
Das Koordinatensystem für den Datensatz 11 ist so gezeigt, dass die lange Achse der Voxel entlang der 'z' Achse ausgerichtet sind.
Der Volumendatensatz 12 ist isotrop und hat einen gleichen Abstand S in allen Dimensionen, wobei jedes Voxel eine kubische Form hat.
Ermittlung von Oberflächen
Es sollen Oberflächen innerhalb des Volumendatensatzes bildlich dargestellt werden. Ein Untersatz von Voxeln des volumetrischen Datensatzes ist in 2 gezeigt. Eine Sicht von jeder der Voxelschichten sind in 3 in einer schematischen Form gezeigt.
Die vorliegende Erfindung arbeitet in der Weise, dass ein Voxel als ein zentrales Voxel 51 gewählt wird. Das zentrale Voxel 51 wird dann gegen einen Schwellenwert getestet, der durch einen Operator vorgesehen oder vorbestimmt sein kann. Wenn das zentrale Voxel 51 unter dem Schwellenwert ist, dann wird es als außen von einem Objekt betrachtet und es wird ein neues zentrales Voxel gewählt. Wenn das zentrale Voxel über dem Schwellenwert ist, dann werden Diagonalvoxel, die jeweils einen Scheitel von dem zentralen Voxel teilen, getestet um zu ermitteln, ob sie unter dem Schwellenwert sind.
Diagonalvoxel 53, 55, 57, 59, 63, 65, 67, 69 teilen jeweils eine einzelne Ecke mit dem zentralen Voxel 51. Wenn wenigstens ein Diagonalvoxel über dem Schwellen wert ist, dann wird das zentrale Voxel 51 als ein Oberflächenvoxel kategorisiert. Diese Vergleiche können parallel durchgeführt werden, um die Geschwindigkeit zu erhöhen.
Die obige Beschreibung geht von der Annahme aus, dass das gewünschte Objekt einen hohen Pixelwert hat, wie beispielsweise Knochen. Die vorliegende Erfindung arbeitet auch für gewünschte Strukturen mit einem niedrigen Pixelwert, wie beispielsweise eine Lunge. In diesem Fall wird ein niedrigerer Schwellenwert gewählt. Oberflächenvoxel werden nun definiert als zentrale Voxel mit Werten unter dem Schwellenwert, wobei wenigstens ein Diagonalvoxel über dem Schwellenwert ist.
Es können auch Schwellenwertbereiche verwendet werden, in denen das zentrale Voxel 51 getestet wird, um zu ermitteln, ob es innerhalb des Schwellenwertbereiches ist, wobei Diagonalvoxel getestet werden, um zu ermitteln, ob wenigstens eines au ßerhalb des Bereiches ist. Dies wird verwendet, wo das Objekt, das bildlich dargestellt werden soll, Pixelwerte hat, die über einem kleinen Bereich variieren.
Das zentrale Voxel wird zu einem anderen Voxel inkrementiert, üblicherweise zu einem nächsten benachbarten Voxel. Dann wird eine neue 3 × 3 × 3 Gruppe von Voxeln gewählt, und der Prozess wird wiederholt. Dies setzt sich fort, bis alle Voxel getestet worden sind.
In einem anderen Ausführungsbeispiel können zusätzliche Voxel nach dem zentralen Voxel getestet werden, wie beispielsweise mittlere Schichtvoxel 52, 56, 54, 58. Dies sorgt für zusätzliche Genauigkeit als ein Kompromiss gegenüber Geschwindigkeit.
Bildliche Darstellung des verzerrten Bildes
Wenn man isotrope Voxel mit Abmessungen (S, S) anstelle von anisotropen Voxeln mit Abmessungen (S, T) verwenden und hinsichtlich der Differenzen korrigieren würde, würde die bildliche Darstellung viel schneller sein, da keine Notwendigkeit für eine Interpolation bestehen würde.
Üblicherweise sorgt ein Operator für einen Sichtwinkel (Höhe, Azimut, Rollen), in dem die Oberflächenvoxel betrachtet werden sollen. Die Sichtwinkel können ebenfalls vorbestimmt sein oder über einen vorbestimmten Bereich abgetastet werden. Die Sichtwinkel sind definiert als Rotationen um die 'x', 'y' bzw. 'z' Achsen, und in dieser Reihenfolge.
Bei der Bildgebung werden üblicherweise nur der Azimut-Winkel und der Elevations-Winkel benutzt. Man denke beispielsweise an ein Bild von einem Patientenkopf, wie er erscheinen würde, wenn der Patient steht und zu einem gerichtet ist. Die 'x' Achse würde durch die Ohren des Patienten hindurchführen, die 'y' Achse durch das Oberteil von dem Kopf und durch die Mitte von dem Hals. Die 'z' Achse würde durch die Nasenspitze hindurchführen und durch die Rückseite des Schädels austreten.
Eine Rotation um die 'x' Achse würde bewirken, dass sich der Kopf nach oben und unten dreht, wie beim Signalisieren von 'ja'. Eine Drehung um die 'y' Achse würde den Kopf von einer Seite zur anderen drehen, wie beim Signalisieren von 'nein'. Eine Drehung um die 'z' Achse würde lediglich das Bild von oben nach unten drehen. Deshalb hat der letzte der drei Orientierungswinkel, das Rollen, einen geringen Einfluss auf ein Bild, da es äquivalent zum Drehen eines Schirmbildes in einer Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigerrichtung ist. Zu Bildgebungszwecken werden nur Azimut und Elevation analysiert.
Eine Azimut-Winkeldrehung wird zuerst ausgeführt, und der Volumendatensatz so ausgerichtet, dass die Achse der Azimut-Drehung parallel zur langen Achse der anisotropen Voxel ist, wobei das Ergebnis das gleiche ist wie bei der Verwendung von isotropen Voxeln.
Deshalb ist der einzige Sichtwinkel, der korrigiert werden muss, Elevation. In dem US-Patent 5,226,113, 6. Juli 1993 von Cline, Ludke, Dumoulin, Souza "Method and Apparatus for Volumetric Projection Rendering Using Reverse Ray Casting", übertragen auf die vorliegende Rechtsnachfolgerin, wurde Anisotropie in Projektionsbildern korrigiert, nachdem das Bilde kreiert worden war, durch Dehnen des entstehenden Bildes, um für eine genaue Projektion zu sorgen.
4 zeigt anisotrope Volumendatenvoxel 11 und isotrope Volumendatenvoxel 12 in einer Seitenansicht und zeigt die Wirkung von Anisotropie auf einen Elevationswinkel. wenn man wünscht, die Oberflächenvoxel bei einem Elevations-Winkel γ zu betrachten, würde es effektiv ein Winkel Ψ bei Verwendung von isotropen Daten sein. γ wird gewandelt zu Ψ gemäß der Gleichung: Ψ = arctan(tan(γ)/A) wobei A = T/S
Oberflächen-Normalen
Für jedes Oberflächen-Voxel wird ein Normalen-Vektor auf die Oberfläche hervorgerufen. Für jedes Oberflächenvoxel, gezeigt als das zentrale Voxel 51 in 3, werden sechs Nachbar-Voxel verwendet, um einen Oberflächen-Normalenvektor zu ermitteln. Ein unteres Voxel 73, unmittelbar unter dem zentralen Voxel 51 wird mit seinem Wert von einem oberen Voxel 71 subtrahiert, um eine Differenz in der 'y' Richtung zu ermitteln. In ähnlicher Weise wird ein linkes Voxel 75 von einem rechten Voxel 77 subtrahiert, um eine 'x' Differenz zu erhalten. Und ein Wert von einem vorderen Voxel 81 wird von einem Wert des hinteren Voxel 83 subtrahiert, um eine 'z' Differenz zu erhalten. Die 'x', 'y', 'z' Differenzen werden verwendet, um eine Größe g zu ermitteln gemäß:
wobei 'x' diff = voxel 77 – voxel 75,
'y' diff = voxel 71 – voxel 73, und
'z' diff = voxel 83 – voxel 81.
Jede wird normiert gemäß: Nx = 'x' diff/g Ny = 'y' diff/g Nz = 'z' diff/(A*g); und A = T/S; wobei A ein Seitenverhältnis ist, das das Verhältnis der langen Seite des Voxel, T, zu einer der beiden kürzeren gleichen Seiten, S, ist.
Zusammen definieren (N_x, N_y, N_z) einen Vektor 85 senkrecht (normal) zu einer Oberfläche, die an dem zentralen Voxel 51 angeordnet ist. Dies wird mit jedem der Oberflächenvoxel als zentrales Voxel 51 wiederholt.
Dehnen des Bildes
Die Verwendung von anisotropen Voxeln erfordert neben der erforderlichen Korrektur für die Sichtwinkel Y auch eine Korrektur für die Schirmhöhe H', H.
Ein Skalierungsfaktor E_s wird verwendet, um die Koordinaten von dem erzeugten Bild zu multiplizieren, um das Bild in der einen Bildrichtung zu versetzen, aber nicht in der zweiten. Die Oberflächenvoxel werden dann dargestellt aus der Sicht von (Azimut, Y), um Pixel zur Folge zu haben, die jeweils Schirmorte (u, v) haben. Wenn das Koordinatensystem für den Elevations-Winkel eingestellt wird, um von einer Achse senkrecht zur langen Achse der anisotropen Voxel gemessen zu werden, dann werden die vertikalen Schirm-Koordinaten 'v' mit einem Skalierungsfaktor E_s multipiliziert, der wie folgt definiert ist:
(u, v') = (u, v*E_s).
5 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm von der vorliegenden Erfindung. Eine Bildgebungsvorrichtung 1 ruft einen volumetrischen Datensatz hervor. Zusätzlich zu den oben erwähnten Einrichtungen können CAD, RADAR oder eine andere Messvorrichtung, die volumetrische Daten erzeugt, verwendet werden.
Der 3D Volumendatensatz wird in einem Volumen-Speicher 31 gespeichert, der ein Teil von einem größeren geteilten Speicher 30 sein kann. Er kann auch entweder ein Seitenverhältnis A oder Dimensionen der anisotropen Voxel speichern.
Eine Logik-Vorrichtung ermittelt ein zentrales Voxel, das getestet werden soll. Sie speichert den Ort (Index) von dem zentralen Voxel 51 oder leitet ihn direkt zu einem Komparator 41. Der Komparator 41 empfängt auch einen Schwellenwert, der eine Isofläche definiert. Dieser kann manuell durch einen Operator bereitgestellt werden, vorausbestimmt sein oder berechnet und von einer anderen Vorrichtung empfangen worden sein. Wie oben beschrieben ist, kann auch ein Schwellenwertbereich ver wendet und Voxel getestet werden, um zu ermitteln, ob sie sich innerhalb oder außerhalb von einem Schwellenwertbereich befinden. Der Komparator 41 zieht dann den Wert des zentralen Voxel aus dem Volumen-Speicher 31. Er testet dann den zentralen Voxelwert gegen den Schwellenwert. Wenn das zentrale Voxel unter dem Schwellenwert ist, gibt er diese Information an die Logik-Vorrichtung 49, die dann einen anderen Index des zentralen Voxels wählt, und der Prozess wird wiederholt (wobei angenommen wird, dass das gewünschte Objekt einen hohen Voxelwert hat, wie es oben erläutert wurde).
Wenn der Wert des zentralen Voxel über dem Schwellenwert ist, dann empfängt eine Anzahl von Komparatoren 43, 45, 47 jeweils den Schwellenwert, den Index von dem zentralen Voxel aus dem Volumen-Speicher 31 und extrahiert jeweils ein Diagonalvoxel, wie beispielsweise 53, 55, 57, 59, 63, 65, 67, 69 in den 2, 3 aus dem Volumen-Speicher 31. Jeder Komparator vergleicht den Wert von dem Diagonalvoxel mit dem empfangenen Schwellenwert.
Die Ergebnisse des Vergleiches werden zu einer Logik-Vorrichtung 49 geleitet, die ermittelt, ob wenigstens ein Diagonalvoxelwert unter dem Schwellenwert ist, womit ein Oberflächenvoxel angezeigt wird.
Die Logik-Vorrichtung 49 sichert den Oberflächenvoxelort (oder Datensatz-Indizes) in einem Oberflächen/Normalen-Speicher 33, der ein Teil von einem geteilten Speicher 30 sein kann. Jedes Mal, wenn ein Oberflächen-Voxel auftritt, zeigt die Logik-Vorrichtung den Ort (oder Indizes) von dem Oberflächen-Voxel an die 'x', 'y' und 'z' Subtraktionsvorrichtungen 21, 22, 23 an, entweder direkt oder über einen geteilten Speicher.
Eine 'x' Subtraktions-Vorrichtung 21 dekrementiert den 'x' Index von dem Oberflächenvoxelindex, um ein linkes Voxel 75 zu erhalten. Dann inkrementiert sie den 'x' Index von dem Oberflächenvoxelindex, um einen Wert von dem rechten Voxel 77 zu erhalten. Dann subtrahiert sie den linken Voxel von dem rechten Voxel, um eine 'x' Differenz zu ermitteln.
In ähnlicher Weise dekrementiert und inkrementiert eine 'y' Subtraktions-Vorrichtung 23 den Oberflächenvoxel-'y'-Index, um untere, obere Voxel 73, 71 zu erhalten, und sie ermittelt eine 'y' Differenz.
Schließlich dekrementiert und inkrementiert eine 'z' Subtraktions-Vorrichtung 25 den Oberflächenvoxel-'z'-Index, um vordere, hintere Voxel 81, 83 zu erhalten, und sie ermittelt eine 'z' Differenz.
Ein Normierer 27 empfängt die 'x', 'y', 'z' Differenzen und berechnet eine Größe g gemäß:
Der Normierer 27 liest aus dem Volumen-Speicher 31 oder berechnet das Seitenverhältnis A und Vektor-Komponenten N_x, N_y, N_z gemäß: Nx = ('x' diff)/g; Ny = ('x' diff)/g; Nz = ('x' diff)/(A*g).
N_x, N_y, N_z definieren einen Vektor 85 normal zur Oberfläche an dem Ort des zentralen Voxels 51, der zusammen mit dem Ort (Indizes) von dem zugeordneten Oberflächen-Voxel in dem Oberflächen-Voxel in dem Oberflächen/Normalen-Speicher 33 gespeichert wird.
Dies wird wiederholt, bis alle Voxel, die gerastert werden sollen, getestet sind. Eine Grafik-Maschine 50 liest die Einträge aus dem Oberflächen/Normalen-Speicher 33 und empfängt auch einen gewünschten Sichtwinkel (Azimut, Elevation γ, Rollen), die manuell von einem Operator eingegeben, vorbestimmt oder durch eine andere Vorrichtung bereitgestellt sein können. Die Grafik-Maschine 50 wandelt den gewünschten Elevations-Winkel γin einen effektiven Elevations-Winkel Ψ für anisotrope Daten, wie es oben angegeben wurde, und rastert dann gewünschte Oberflächen, wie sie aus (Azimut, effektive Elevation Ψ) gesehen werden. Die Grafik-Maschine 50 speichert seine Ausgangsgrößen als 2D Schirmpixeldaten einem Video-Speicher 35. Im Falle von isotropen Daten können die 2D Schirmpixeldaten dann auf einer Display-Vorrichtung 60 bildlich dargestellt werden.
Wenn ein anisotroper Datensatz verwendet ist, wird eine Dehnungs-Vorrichtung 55 mit dem Video-Speicher 35 verbunden, sie liest die 2D Schirmpixeldaten, empfängt den Elevations-Sichtwinkel und multipliziert den vertikalen Ort 'v' von jedem Schirmpixelort mit dem Skalierungsfaktor E_s gemäß:
(u, v) = (u, E_s*v).
Dies versetzt die Datenwertorte von den 2D Schirmpixeldaten gemäß dem relativen Verhältnis der Ungleichförmigkeit des Voxelabstandes und dem Sichtwinkel und verzerrt, in der Wirkung, das Bild in eine entgegengesetzte Richtung zu der Verzerrung, die durch die Anisotropie aufgetreten ist.
Der Video-Speicher 35 kann dann auf der Display-Vorrichtung 60 bildlich dargestellt werden und zeigt richtig gerasterte Flächen.
6 ist eine einzelne Scheibe von Computer-Tomographie (CT) Volumendaten von dem Kopf. eines Patienten. Dies ist eine von 93 Scheiben in dem Volumendatensatz, der Pixelgrößen, S, gleich 1,5 mm hat.
Der Volumendatensatz, der zum Kreieren des Bildes gemäß 6 verwendet wurde, wurde gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines PC bearbeitet. Das 3D Bild gemäß 6 wurde mit der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Schwellwertes von 224 Hounsfield-Einheiten erzeugt.

Claims

Verfahren zum bildlichen interpolationslosen Darstellen von Oberflächen von volumetrischen Daten, die Voxel mit einem Seitenverhältnis A, Voxelwerte jeweils an einem spezifizierten Ort und einen Index haben, enthaltend die Schritte: a) Wählen eines zentralen Voxels, b) Testen des zentralen Voxels gegen einen vorbestimmten Schwellenwert, c) für jeden zentralen Voxel über dem vorbestimmten Schwellenwert: i) Ermitteln einer Anzahl von mehreren Diagonalvoxeln und deren Werte relativ zu dem zentralen Voxel, ii) Vergleichen jedes Diagonalvoxelwertes mit dem vorbestimmten Schwellenwert, iii) Kategorisieren des zentralen Voxels als ein Oberflächenvoxel, wenn wenigstens ein Diagonalvoxelwert unter dem Schwellenwert ist, iv) Berechnen eines Oberflächen-Normalvektors für jedes Oberflächenvoxel aus Differenzen zwischen Voxelwerten, die beidseitig von dem zentralen Voxel sitzen, d) Wiederholen der Schritte "a"–"c" für eine Anzahl von unterschiedlichen Voxeln als zentrales Voxel, um mehrere Oberflächenvoxel und Oberflächen-Normalvektoren zur Folge zu haben, e) Empfangen eines Sichtwinkels von einer gewünschten Ansicht der Oberflächenvoxel, f) Rastern der Oberflächenvoxel und Oberflächen-Normalvektoren an einem gewünschten Sichtwinkel (Azimuth, Elevation γ) zu Bildschirm-Pixeldaten, die jeweils einen (u, v) Schirmort, Pixelfarbe und Intensität haben, wenn sie von einem modifizierten Sichtwinkel betrachtet werden, der das Seitenverhältnis A berücksichtigt, g) Darstellen der Pixeldaten als ein Bild für einen Operator.
Verfahren zum bildlichen Darstellen von Oberflächen von volumetrischen Daten nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Berechnens einer Oberflächennormalen die Schritte enthält: a) Wählen eines benachbarten Voxels links von dem zentralen Voxel als ein linkes Voxel, b) Wählen eines benachbarten Voxels rechts von dem zentralen Voxel als ein rechtes Voxel, c) Subtrahieren des linken Voxels von dem rechten Voxel, um eine 'x' Differenz zu ermitteln, d) Wählen eines benachbarten Voxels vor dem zentralen Voxel als ein vorderes Voxel, e) Wählen eines benachbarten Voxels hinter dem zentralen Voxel als ein hinteres Voxel, f) Subtrahieren des vorderen Voxels von dem hinteren Voxel, um eine 'y' Differenz zu ermitteln, g) Wählen eines benachbarten Voxels unter dem zentralen Voxel als ein unteres Voxel, h) Wählen eines benachbarten Voxels über dem zentralen Voxel als ein oberes Voxel, i) Subtrahieren des unteren Voxels von dem oberen Voxel, um eine 'z' Differenz zu ermitteln, j) Normieren der 'x', 'y', 'z' Differenzen zu Vektorkomponenten N_x, N_y und N_z gemäss g = Quadwurzel ('x' Differenz2 + 'y' Differenz2 + 'z' Differenz2) Nx = 'x' Differenz/g, Ny = 'y' Differenz/g, Nz = 'z' Differenz/(A*g), k) Speichern der Vektorkomponenten N_x, N_y, N_z als ein Oberflächennormalvektor zusammen mit ihrem zugeordneten Voxelindex oder Ort.
Verfahren zum bildlichen Darstellen von Oberflächen von volumetrischen Daten nach Anspruch 1, wobei vor dem Darstellungsschritt ferner der Schritt vorgesehen ist: Versetzen der (u, v) Orte der Pixeldaten zu neuen Orten (u, v'), um das Bild zu skalieren gemäss: Es = Quadwurzel(Acos(γ))2 + sin2(γ)), (u, v) = (u, E_s*v) wobei γ die Elevation des gewünschten Sichtwinkels ist.
Verfahren zum bildlichen Darstellen von Oberflächen von volumetrischen Daten nach Anspruch 1, wobei vor dem Rasterungsschritt ferner der Schritt vorgesehen ist: Einstellen des Elevationswinkels γ auf einen effektiven Elevationswinkel ψ gemäss: ψ = tan–1(1/A)(tan(γ)) und die effektive Elevation ψ wird an Stelle des Elevationswinkels γ verwendet, um die Oberflächenvoxel zu rastern.
Graphiksystem zum bildlichen Darstellen von Oberflächen von volumetrischen Daten, die Voxelwerte jeweils an einem spezifizierten Ort, und Index haben, ohne Interpolation enthaltend: a) einen volumetrischen Speicher, der zum Speichern der volumetrischen Daten geeignet ist, b) mehrere Komparatoren, die jeweils mit dem volumetrischen Speicher gekoppelt sind, zum Lesen von Indices von einem zentralen Voxel, Versetzen der Indices, um ein Diagonalvoxel zu ermitteln, und zum Vergleichen des Diagonalvoxelwertes mit einem vorbestimmten Schwellenwert, c) einen Oberflächen/Normalspeicher, der Oberflächenvoxelindices und Vektoren normal zur Oberfläche für jedes Oberflächenvoxel speichern kann, d) eine Logikvorrichtung, die mit den Komparatoren gekoppelt ist, zum Wählen von einem Index für jedes zentrale Voxel und zum Speichern der Indices des zentralen Voxels in dem Volumenspeicher, zum Empfangen der Ausgangsgrösse der Komparatoren und zum Kategorisieren von zentralen Voxeln als ein Oberflächenvoxel, wenn wenigstens einer ihrer Diagonalvoxelwertetests sich auf der gegenüberliegenden Seite des Schwellenwertes von seinem eigenen Test zeigt, und zum Speichern von Indices der Oberflächenvoxel in dem Oberflächennormalspeicher, e) eine 'x' Subtraktionsvorrichtung zum Berechnen von Indices von Voxeln, die beidseitig von dem zentralen Voxel in der 'x' Richtung sitzen und zum Subtrahieren dieser Voxelwerte, um eine 'x' Differenz zur Folge zu haben, f) eine 'y' Subtraktionsvorrichtung zum Berechnen von Indices von Voxeln, die beidseitig von dem zentralen Voxel in der 'y' Richtung sitzen und zum Subtrahieren dieser Voxelwerte, um eine 'y' Differenz zur Folge zu haben, g) eine 'z' Subtraktionsvorrichtung zum Berechnen von Indices von Voxeln, die beidseitig von dem zentralen Voxel in der 'z' Richtung sitzen und zum Subtrahieren dieser Voxelwerte, um eine 'z' Differenz zur Folge zu haben, h) einen Normierer, der mit den Subtraktionsvorrichtungen gekoppelt ist, zum Empfangen der 'x', 'y', 'z' Differenzen und zum Normieren derselben zu Oberflächenvektorkomponenten (N_x, N_y, N_z) und zum Speichern der Vektorkomponenten in dem Oberflächen/Normalspeicher, i) eine Graphikmaschine, die mit dem Oberflächen/Normalspeicher gekoppelt ist, zum Empfangen und Einstellen des Sichtwinkels nach Anisotropie, zum Lesen in den Oberflächenvoxelindices und Normalvektoren und zum Kreieren von Pixeldaten, die Schirmorte (u, v) und Pixelfarbe sind, zum Rastern einer Oberfläche, die aus dem gewünschten Sichtwinkel betrachtet wird, und zum Speichern der Pixeldaten in einem Videospeicher, j) eine Bildvorrichtung, die mit dem Videospeicher gekoppelt ist, zum Darstellen der Pixeldaten als ein Bild.
Graphiksystem nach Anspruch 5, ferner enthaltend: eine Dehnungsvorrichtung, die mit dem Videospeicher gekoppelt ist, zum Empfangen der Pixeldaten und des Sichtwinkels und zum Versetzen der (u, v) Orte der Pixeldaten zu neuen Orten (u, v'), um so das Bild zu skalieren gemäss: Es = Quadwurzel(Acos(γ))2 + sin2(γ)), (u, v) = (u, E_s*v) wobei A ein Seitenverhältnis der Voxel der volumetrischen Daten ist, γ die Elevation des gewünschten Sichtwinkels ist, so daß das Bild gedehnt wird, um durch Anisopropie bewirkte Verzerrung zu korrigieren.