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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
im allgemeinen die Anzeige von Bildern, die dreidimensionale Volumenbildaufbereitungen
sind, und insbesondere die Beleuchtung bei der Anzeige solcher Bilder
unter Verwendung einer Skalarproduktmethodik.
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Hintergrund der Erfindung
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Aufgrund der zunehmend schnelleren
Verarbeitungsleistung heutiger Computer haben sich Benutzer Computern
zugewendet, die sie bei der Untersuchung und Analyse von Bildern
von Realwelt-Daten
unterstützen.
Zum Beispiel verwenden in der medizinischen Gemeinschaft Radiologen
und andere Fachmänner,
die früher
Röntgenaufnahmen
untersucht haben, die an einen Leuchtschirm gehangen wurden, nun
Computer, um Bilder zu untersuchen, die über Ultraschall, Computertomographie
(CT), magnetische Resonanz (MR), Sonographie, Positronenemissionstomographie
(PET), Einzelphotonenemissions-Computertomographie (SPECT), Magnetquellen-Abbildung
und andere Abbildungstechniken erhalten werden. Zahllose Abbildungstechniken
werden zweifellos auftauchen, wenn sich die medizinische Abbildungstechnologie
entwikkelt.
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Jedes der oben genannten Abbildungsverfahren
erzeugt Volumenbilder, obwohl jedes auf einer anderen Technologie
beruht, um dies zu tun. So benötigt
CT eine Röntgenquelle,
die sich schnell um den Patienten dreht, um bis zu hunderten elektronisch
gespeicherter Bilder des Patienten zu erhalten. Im Gegensatz dazu
erfordert es zum Beispiel MR, daß Hochfrequenzwellen emittiert
werden, um Wassersoffatome im Wasser des Körpers zu veranlassen, sich
zu bewegen und Energie abzugeben, die dann detektiert und in ein
Bild übersetzt
wird. Da jede dieser Techniken in den Körper eines Patienten eindringt,
um Daten zu erhalten, und da der Körper dreidimensional ist, repräsentieren
diese Daten ein dreidimensionales Bild oder Volumen. Insbesondere
liefern CT und MR beide dreidimensionale „Scheiben" des Körpers, die dann später elektronisch
wieder zusammengebaut werden können.
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Computergraphikbilder, wie medizinische Bilder,
sind typischerweise durch die Verwendung von Techniken modelliert
worden, wie einer Oberflächen-Bildaufbereitung
und anderen auf Geometrie beruhenden Techniken. Aufgrund der bekannten Mängel solcher
Techniken haben sich Forscher Volumen-Bildaufbereitungstechniken
als einer genaueren Art zugewandt, Bilder aufzubereiten, die auf
Realwelt-Daten beruhen. Eine Volumen-Bildaufbereitung unternimmt
einen konzeptionell intuitiven Zugang zur Bildaufbereitung, indem
angenommen wird, daß dreidimensionale
Objekte aus volumetrischen Grundbausteinen zusammengesetzt sind.
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Diese volumetrischen Grundbausteine
werden gewöhnlich
als Volumenelemente bezeichnet. Während im Gegensatz dazu das
wohlbekannte Pixel ein Bildelement ist – d. h. ein winziger zweidimensionaler
Abtastwert eines digitalen Bildes weist eine bestimmte Stelle in
der Ebene eines Bildes auf, das durch zwei Koordinaten definiert
ist – ist
ein Volumenelement ein Abtastwert, der innerhalb eines dreidimensionalen
Gitters existiert, angeordnet an den Koordinaten x, y und z. Das
Volumenelement weist einen „Volumenelementwert" auf, da dieser Wert
von wissenschaftlichen oder medizinischen Realwelt-Instrumenten
erhalten wird. Der Volumenelementwert kann in irgendeiner einer
Anzahl unterschiedlicher Einheiten gemessen werden, wie Houn sefield-Einheiten,
die üblichen
Fachleuten wohlbekannt sind.
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Wenn eine Volumen-Bildaufbereitung
verwendet wird, kann jedes dreidimensionale Volumen einfach in einen
Satz dreidimensionaler Abtastwerte oder Volumenelemente unterteilt
werden. Folglich ist ein Volumen, das ein interessierendes Objekt
enthält, in
kleine Würfel
unterteilbar, von denen jeder ein Stück des ursprünglichen
Objekts enthält.
Diese kontinuierliche Volumendarstellung ist in diskrete Elemente
transformierbar, indem jedem Würfel
ein Volumenelementwert zugeordnet wird, der eine gewisse Qualität des Objekts
kennzeichnet, das in jenem Würfel
enthalten ist.
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Das Objekt wird so durch einen Satz
von Punktabtastwerten zusammengefaßt, so daß jedes Volumenelement mit
einem einzelnen digitalisierten Punkt im Datensatz verbunden ist.
Verglichen mit der Abbildung von Grenzen im Fall der auf Geometrie
beruhenden Oberfläche-Bildaufbereitung
erfordert die Rekonstruktion eines Volumens unter Verwendung der
Volumen-Bildaufbereitung eine sehr viel kleinere Anstrengung und
ist intuitiver und konzeptionell klar. Das ursprüngliche Objekt wird rekonstruiert,
indem Volumenelemente in ihrer Reihenfolge aufeinander gestapelt
werden, so daß sie
das ursprüngliche
Volumen genau repräsentieren.
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Obwohl sie auf einem konzeptionellen
Niveau einfacher und genauer bei der Bereitstellung eines Bildes
der Daten ist, ist die Volumen-Bildaufbereitung nichtsdestoweniger
immer noch komplex. Eine Schlüsselvoraussetzung
einer Volumenbildaufbereitung ist die Verwendung des gesamten Volumenelement-Datensatzes,
um ein Bild zu erzeugen. In einem Verfahren der Volumenelement-Bildaufbereitung,
die als Bildanordnung oder Strahlenwurf bezeichnet wird, wird das
Volumen hinter der Bildebene angeordnet, und ein Strahl wird senkrecht
von jedem Pixel in der Bildebene durch das Volumen hinter dem Pixel
projiziert. Da jeder Strahl in das Volumen eindringt, sammelt er
die Eigenschaften der Volumenelemente an, die er durchquert, und
addiert sie zum entsprechenden Pixel. Die Eigenschaften sammeln sich
abhängig
von der Transparenz der Volumenelemente schneller oder langsamer
an.
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In einem anderen Verfahren, das als
Objektordnung (oder Zusammensetzen oder Bespritzen) bezeichnet wird,
werden die Volumenelementwerte ebenfalls kombiniert, um Bildpixel
zur Anzeige auf einem Computerbildschirm zu erzeugen. Die Bildebene
ist hinter dem Volumen angeordnet, und jedem Pixel wird ein anfänglicher
Hintergrundwert zugewiesen. Ein Strahl wird senkrecht von der Bildebene durch
das Volumen zum Betrachter projiziert. Wenn der Strahl jede aufeinanderfolgende
Schicht der Volumenelemente trifft, werden die Volumenelementwerte
in den Hintergrund gemischt, wobei ein Bild gemäß jeder interpretierten Opazität des Volumenelements
gebildet wird. Das in diesem Verfahren aufbereitete Bild hängt ebenso
von der Transparenz der Volumenelemente ab.
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Typischerweise wird in jedem Verfahren
die Beleuchtung der Volumenelementdaten (d. h. die Bereitstellung
von Beleuchtungswerten der Volumenelementdaten) durchgeführt, indem
gedanklich eine Lichtquelle angeordnet wird, die mit der Perspektive des
Betrachters zusammenfällt,
so daß jedes
Volumenelement beleuchtet wird, insofern als es Licht zurück zur Lichtquelle
reflektiert (d. h. zur Perspektive des Betrachters). In den meisten
Situationen sorgt dies für
eine adäquate
Beleuchtung. Jedoch ist es in einigen Fällen wünschenswert, Volumenelementdaten
zu beleuchten, die Merkmale repräsentieren,
die Oberflächen
aufweisen, die von der Lichtquelle weg weisen, jedoch können sie
nicht mit einer Beleuchtung versehen werden, insofern als sie kein
Licht zurück
zur Lichtquelle reflektieren.
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Zum Beispiel kann ein Blutgefäß eine Außenwand
aufweisen, die zur Lichtquelle weist, und eine Innenwand auf der
anderen Seite der Außenwand,
die nicht zur Lichtquelle weist. Es kann erwünscht sein, diese Innenwand
zur klinischen Diagnose zu beleuchten, was aber durch das gerade
beschriebene Verfahren nicht geschehen kann. Das heißt eine
Lichtquelle, die auf die Außenwand
gerichtet ist, sorgt für
eine Beleuchtung der Außenwand,
da die Oberfläche
der Außenwand
zurück
zur Lichtquelle weist; jedoch sorgt die Lichtquelle nicht für eine Beleuchtung
der Innenwand, da die Oberfläche
der Innenwand von der Lichtquelle weg zeigt. Dies ist in jenen Situationen
nachteilig, wo jedoch die Beleuchtung beider Wände für eine richtige klinische Diagnose
wünschenswert
ist, und stellt eine existierende Unzulänglichkeit der gegenwärtigen Volumen-Bildaufbereitungstechnologie
dar.
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Frühere Systeme verwenden typischerweise Normalen
und Gradienten, um die Beziehung der Volumenelementdaten zur Lichtquelle
und der Position des Betrachters zu bestimmen. In einem Beispiel
beschreibt US-A-5,283,837 ein System, in dem eine Rate der schnellsten Änderung
durch dreidimensionale Daten durch eine Eigenwertzerlegung einer
Kovarianzmatrix bestimmt wird. Ein Vektor längs der Rate der schnellsten Änderung
wird normiert. Es wird eine Grauskalaschattierung bestimmt, indem
ein Vektorskalarprodukt des normierten Vektors und des normierten
Vektors genommen wird, der die Richtung einer Lichtquelle bestimmt.
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Ein weiteres Beispiel ist in FR-A-2614163
zu finden, das ein System beschreibt, in dem ein segmentiertes Objekt
in Form eines numerischen Volumens repräsentiert wird, indem die Gradienten
der physikalischen guantitäten
berechnet werden, die in die Volumenelemente geladen werden, wobei
die Gradienten bezüglich
Gradienten gewichtet werden, die Volumenelementen zugewiesen werden,
die an diese Volumenelemente angrenzen. Die Helligkeit einer Facette,
deren Orientierung durch die gewichteten Gradienten definiert wird,
wird aus einem Skalarprodukt zwischen einem Vektor, der den Gradienten repräsentiert,
und einem Vektor bestimmt, der die Richtung der Beleuchtung repräsentiert.
Unter Bedingungen, wo sich ein negatives Skalarprodukt ergibt, wird
die Beleuchtung modifiziert, indem eine Komponente des Umgebungslichts
hinzugefügt
wird, um die Facette sichtbar zu machen.
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Die vorliegende Erfindung wird durch
die beigefügten
unabhängigen
Ansprüche
definiert.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung betrifft die Beleuchtung von volumenaufbereiteten
Bildern, indem eine Skalarproduktmethodik verwendet wird. Eine volumenaufbereitetes
Bild weist einen Satz von Volumenelementdaten auf, die ein Objekt
repräsentieren.
Jeder Volumenelementdatenwert innerhalb des Satzes der Volumenelementdaten kann
einen mit ihm verbundenen Gradienten aufweisen, der die Richtung
der Oberfläche
des Volumenelementdatenwerts repräsentiert. Ferner ist eine Lichtquelle
so definiert, daß sie
einen Vektor aufweist, der die Richtung repräsentiert, in der Licht von
der Quelle ausgeht. Folglich kann ein positiver Gradient bedeuten,
daß die
Oberfläche
in dieselbe Richtung weist, wie es die Lichtquelle tut (vorausgesetzt,
die Lichtquelle weist einen positiven Vektor auf), während ein negativer
Gradient bedeuten kann, daß die
Oberfläche
in die entgegengesetzte Richtung der Lichtquelle weist (wobei erneut
vorausgesetzt wird, daß die Lichtquelle
einen positiven Vektor aufweist).
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist
ein Computer einen Prozessor, ein computerlesbares Medium und ein
Computerprogramm auf. Das Medium speichert erste Daten, die die
den Satz der Volumenelementdaten repräsentieren, wobei jeder Volumenelementdatenwert
einen Gradienten aufweist, der erwünschterweise entweder positiv
oder negativ ist, und zweite Daten, die die Lichtquelle repräsentieren,
die den Richtungsvektor aufweist. Das Computerprogramm wird durch
den Prozessor vom Medium ausgeführt,
und zeigt den Satz der Volumenelementdaten an, einschließlich der
Beleuchtung jedes Volumenelementdatenwerts unter Verwendung eines
Skalarprodukts der Gradienten des Volumenelementdatenwerts mit dem
Richtungsvektor der Lichtquelle. (Es ist zu beachten, daß für die Zwecke dieser
Anmeldung das Nehmen des Skalarprodukts des Gradienten und des Richtungsvektor
geneuer gesagt das Nehmen des Skalarprodukts des Vektors des Gradienten – d. h.
des Gradientenvektors – und des
Richtungsvektors bedeutet.)
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Die Ausführungsform beleuchtet folglich Oberflächen des
Objekts unabhängig
davon, ob die Oberfläche
zur oder von der Lichtquelle weg weist, wobei Nachteile überwunden
werden, die im Stand der Technik vorgefunden werden. Zum Beispiel
würden
Volumenelementdaten, die positive Gradienten aufweisen, wo die Lichtquelle
einen positiven Richtungsvektor aufweist, im Stand der Technik nicht
beleuchtet, da die Oberfläche
von der Lichtquelle weg zeigt, so daß Licht nicht zurück zur Lichtquelle
reflektiert würde.
Jedoch würde
gemäß der Erfindung
ein Skalarprodukt des Gradienten und des Richtungsvektors (genauer
gesagt, der Absolutwert des Skalarprodukts) einen von null verschiedenen
Beleuchtungswert ergeben, so daß dieses
Volumenelementdaten beleuchtet würde.
(Man beachte, daß die
einzigen Volumenelementdaten, die durch das erfinderische Verfahren
nicht beleuchtet werden, jene sind, die Gradienten in einem rechten Winkel
zur Beleuchtungsquelle aufweisen, so daß das absolute Skalarprodukt
null wäre.)
In wechselnden Ausführungsformen
der Erfindung werden ein rechnergestütztes System, rechnergestützte Verfahren
und Computer offenbart. Noch andere und weitere Aspekte, Vorteile und
Ausführungsformen
der Erfindung werden durch Lesen der folgenden Beschreibung und
durch Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Diagramm eines typischen Computers, mit welchem zusammen Ausführungsformen
der Erfindung implementiert werden können;
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2(a), 2(b) und 2(c) sind Diagramme, die die Art und
Weise zeigen, in der ein Volumenelement gemäß des Stands der Technik beleuchtet
wird;
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3(a), 3(b) und 3(c) sind Diagramme, die die Art und
Weise zeigen, in der ein Volumenelement gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung beleuchtet wird;
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4 ist
ein Ablaufplan eines rechnergestützten
Verfahrens gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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In der folgenden detaillierten Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen
wird auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden, und in
denen illustrativ spezifische bevorzugte Ausführungsformen gezeigt werden,
in denen die Erfindungen ausgeführt
werden können. Diese
Ausführungsformen
werden ausreichend detailliert beschrieben, um es Fachleuten zu
ermöglichen,
die Erfindung auszuführen,
und es ist zu verstehen, daß andere
Ausführungsformen
genutzt werden können
und daß logische,
mechanische und elektrische Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne den Rahmen der vorlie genden Erfindung zu verlassen. Die folgende
detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden
Sinne aufzufassen, und der Rahmen der vorliegenden Erfindung wird
nur durch die beigefügten
Ansprüche definiert.
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Die detaillierte Beschreibung ist
in vier Abschnitte unterteilt. Im ersten Abschnitt wird eine Beschreibung
eines typischen Computers bereitgestellt, mit welchem zusammen Ausführungsformen
der Erfindung implementiert werden können. Im zweiten Abschnitt
wird ein Überblick
der Erfindung bereitgestellt. Im dritten Abschnitt wird eine Beschreibung
eines rechnergestützten
Verfahrens gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung gegeben. Schließlich wird
im vierten Abschnitt eine Schlußfolgerung
präsentiert.
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Computer
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In diesem Abschnitt der detaillierten
Beschreibung wird eine Beschreibung eines typischen Computers bereitgestellt,
mit welchem zusammen Ausführungsformen
der Erfindung implementiert werden können. Bezugnehmend auf 1, weist die gezeigte Hardware
einen Computer 100, eine Tastatur 102, eine Zeigevorrichtung 104,
eine Anzeigevorrichtung 106 und andere Komponenten 107 auf
(die durch ein Blockdiagramm dargestellt werden). Der Computer 100 ist
in einer Ausführungsform UNIX-kompatibel.
Insbesondere ist der Computer 100 in einer Ausführungsform
eine (SGI)-Workstation von Silicon Graphics, Inc., die in einer
OSF/ Motif-Window-Umgebung arbeitet, mit einer graphischen Benutzerschnittstelle.
Solche SGI-Workstations umfassen die SGI 02, die in einer Ausführungsform
das Betriebssystem SGI Irix 6.3 ausführt, wobei in diesem Fall die
Ausführungsform
auf der OpenGL-Graphik-Programmbibliothek beruht, und die Viewkit-Klassen-Programmbibliothek
verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf irgendeinen bestimmten
Computer 100 beschränkt.
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Wie in 1 gezeigt,
ist die Zeigevorrichtung 104 eine Maus, obwohl die Erfindung
nicht auf irgendeine bestimmte Zeigevorrichtung beschränkt ist. Zum
Beispiel kann die Zeigevorrichtung 104 auch ein Zeigestift,
eine Rollkugel oder ein Touchpad sein. Die Zeigevorrichtung weist
typischerweise drei Tasten auf, obwohl keine Ausführungsform
der Erfindung darauf beschränkt
ist. Wie hierin beschrieben, bezieht sich Klicken, Auswählen, Drücken oder
Halten usw. einer Zeigevorrichtungstaste (wie einer Maustaste) auf
das Klicken, Auswählen,
Drücken
oder Halten usw. der linken Taste, wenn es mehr als eine Taste an
der Zeigevorrichtung gibt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist auch
eine zusätzliche
Zeigevorrichtung (d. h. ein Teil anderer Komponenten 107 als
in 1 gezeigt) an den
Computer 100 gekoppelt. Diese zusätzliche Zeigevorrichtung ist
eine dreidimensionale Steuereinrichtung, die einem Benutzer der
Erfindung eine leichte Steuerung des Fluges durch ein Merkmal der Ausführungsformen
der Erfindung erlaubt. Eine solche Zeigevorrichtung ist der Spacetec
IMC SpaceBall 3003. Die Anzeigevorrichtung 106 kann irgendeine
einer Anzahl unterschiedlicher Vorrichtungen sein, ist jedoch in
einer Ausführungsform
der Erfindung ein Computermonitor, der eine Kathodenstrahlröhre (CRT)
aufweist. In der Ausführungsform
der Erfindung, wo der Computer 100 eine SGI-Workstation ist,
ist die Anzeigevorrichtung 106 ein Einunzwanzig-Zoll-Monitor,
der zur Anzeige einer Vierundzwanzig-Bit-Farbgraphik geeignet ist und eine Auflösung von
1280 × 1024
Pixel aufweist. Ferner können
in wechselnden Ausführungsformen
der Erfindung andere Komponenten 107 einen Videokassettenrecorder
oder einen Drucker aufweisen. Der Computer 100 kann auch
die Fähigkeit
aufweisen, sich in ein Netzwerk (wie ein DICOM-Netzwerk) einzuschalten, kann eine Internet-
oder Inteanet-Fä higkeit
aufweisen, oder kann Zugriff auf einen DICOM-Server haben. All das
ist Fachleuten wohlbekannt.
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Nicht in 1 gezeigt ist, daß der Computer 100 typischerweise
eine Zentraleinheit (CPU), einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und
einen Festwertspeicher (ROM) aufweist. Die CPU, RAM und ROM können aus
irgendeinem Typ bestehen; keine Ausführungsform der Erfindung ist
besonders beschränkt.
In der Ausführungsform
der Erfindung, wo der Computer 100 eine SGI-Workstation
ist, ist die CPU ein MIPS R10000 oder R5000, und es gibt typischerweise
einhundertachtundzwanzig Megabyte RAM. Ebenfalls wird in 1 nicht gezeigt, daß der Computer 100 gewöhnlich auch
eine feste Speichervorrichtung, wie ein Festplattenlaufwerk, und
eine entfernbare Speichervorrichtung aufweist, wie ein Bandkassettenlaufwerk
oder ein Diskettenlaufwerk. Umgekehrt können solche Komponenten externe Komponenten
am Computer 100 sein, in welchem Fall sie in Teil der anderen
Komponenten 107 sind. Das Bandkassettenlaufwerk ist in
einer Ausführungsform
mit einem General-Electric-Genesis-Bandarchivformat kompatibel.
Der Speicher (z. B. RAM und ROM) und die Speichervorrichtungen (z.
B. Festplatten, Disketten, Bänder
usw.) sind Arten computerlesbarer Medien.
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Die Ausführungsform stellt eine Umgebung bereit,
in der Volumendaten, die aus Volumenelementen bestehen, angezeigt
werden. Keine Ausführungsform
der Erfindung ist hinsichtlich der Programmierungssprache beschränkt, durch
die der Softwareaspekt implementiert ist, der diese Umgebung bereitstellt.
Jedoch ist in einer Ausführungsform
die Sprache die objektorientierte Programmierungssprache C++, Ferner
ist keine Ausführungsform
der Erfindung hinsichtlich dessen beschränkt, was die aus Volumenelementen
bestehenden Volumendaten darstellen. In einer Ausführungsform
der Erfindung stellen die Volumendaten (Volumenelementdaten) medizinische
Bilder verschiedener Teile des menschlichen Körpers dar, wie sie von einer
medizinischen Abbildungsvorrichtung eingescannt werden. Eine Ausführungsform
der Erfindung betrifft insbesondere die Betrachtung volumenbezogener
medizinischer Bilder; jedoch sollte durch übliche Fachleute verstanden
und erkannt werden, daß keine
Ausführungsform der
Erfindung darauf beschränkt
ist.
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Überblick der Erfindung
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In diesem Abschnitt der detaillierten
Beschreibung wird ein Überblick über eine
exemplarische Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Wie festgestellt worden ist, weist ein
volumenaufbereitetes Bild einen Satz Volumenelementdaten auf – das heißt, einen
Satz von einzelnen Volumenelementdatenwerten oder „Volumenelementen". Jedes Volumenelement
weist einen Volumenelementwert auf, so daß der Satz der Volumenelementdaten
einen Bereich von Volumenelementwerten aufweist, der sich vom niedrigsten
Volumenelementwert für
irgendein Volumenelement im Satz zum höchsten Volumenelementwert für irgendein
Volumenelement im Satz erstreckt.
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Ferner weist jedes Volumenelement
einen mit ihm verbundenen Gradienten auf. Der Gradient repräsentiert
die Richtung der Oberfläche
des Volumenelements. Der Einfachheit willen wird hier angenommen,
daß ein
positiver Gradient bedeutet, daß die
Oberflächenrichtung
des Volumenelements mit der Richtung einer imaginären Lichtquelle
zusammenfällt,
die vor dem Bild angeordnet ist – das heißt, daß die Oberflächenrichtung
des Volumenelements dieselbe wie der Richtungsvektor der Lichtquelle
ist – und
ein negativer Gradient bedeutet, daß die Oberflächenrichtung
des Volumenelements entgegengesetzt zur Richtung der Lichtquelle
ist. Die imaginäre Lichtquelle
wird zusammen mit dem Gradienten der Oberfläche eines Volumenelements verwendet, um einen
Beleuchtungswert für
das Volumenelement abzuleiten, der die Beleuchtung jenes Volumenelements
anzeigt. Erwünschterweise
fällt die
Lichtquelle mit einem Betrachter der Volumenelementdaten zusammen.
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Die 2(a) und 2(b) zeigen die Art und Weise,
durch die ein Beleuchtungswert für
ein Volumenelement gemäß des Stands
der Technik erhalten wird. Insbesondere zeigt 2(a) die Situation, in der ein Volumenelement
eine Oberfläche
mit einer Richtung aufweist, die zur Lichtquelle zeigt, so daß das Volumenelement
beleuchtet wird. Die Lichtquelle 200 weist einen Richtungsvektor 202 auf,
der als positiv definiert wird. Das Volumenelement 204 weist
einen Gradienten 206 auf, der in die entgegengesetzte Richtung
zum Vektor 202 zeigt, und folglich negativ ist. Das Volumenelement 204 ist
mit einem von null verschiedenen Beleuchtungswert versehen, da durch
die Lichtquelle 200 emittiertes Licht, wie durch den Pfeil 208 dargestellt,
durch das Volumenelement 204 zurück zur Lichtquelle reflektiert
wird, wie durch den Pfeil 208 dargestellt.
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Im Gegensatz dazu zeigt 2(b) die Situation, in der
ein Volumenelement eine Oberfläche
mit einer Richtung aufweist, die von der Lichtquelle weg zeigt,
so daß das
Volumenelement nicht beleuchtet wird. Die Lichtquelle 250 weist
einen Richtungsvektor 252 auf, der als positiv definiert
wird. Das Volumenelement 254 weist einen Gradienten 256 auf,
der in dieselbe Richtung wie der Vektor 252 zeigt und folglich
ebenfalls positiv ist. Das Volumenelement 254 ist mit einem
Beleuchtungswert von null versehen, da das durch die Lichtquelle 250 emittierte
Licht, wie durch den Pfeil 258 dargestellt, durch das Volumenelement 254 nicht
reflektiert wird; der Gradient des Volumenelements 254 geht
nicht in die zu jener des Richtungsvektors der Lichtquelle 250 entgegengesetzte
Richtung. Daher ist es, wie in
2(b) gezeigt, ein
Nachteil beim Stand der Technik, daß Volumenelemente mit Gradienten,
die von der Lichtquelle weg weisen, nicht mit Beleuchtungswerten
versehen werden.
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2(c) zeigt
eine Bildschirmaufnahme eines Blutgefäßes (CT-Daten), die gemäß des Stands der
Technik beleuchtet ist. Das Innere des Blutgefäßes ist verdunkelt, da die
Gradienten der Volumenelemente, die die Innenwand des Blutgefäßes aufweisen,
nach innen, weg von der Lichtquelle zeigen (von der ebenfalls angenommen
wird, daß sie
von außen nach
innen zeigt). Umgekehrt ist das Äußere des Blutgefäßes sichtbar,
da die Gradienten der Volumenelemente, die die Außenwand
des Blutgefäßes aufweisen,
nach außen,
zur Lichtquelle zeigen.
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Die 3(a) und 3(b) zeigen zum Vergleich die
Art und Weise, in der ein Beleuchtungswert für ein Volumenelement gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung erhalten wird. Insbesondere zeigt 3(a) die Situation, in der ein Volumenelement
eine Oberfläche
mit eine Richtung aufweist, die zur Lichtquelle zeigt. Die Lichtquelle 300 weist
den Richtungsvektor 302 auf, der als positiv definiert
ist. Das Volumenelement 304 weist den Gradienten 306 auf,
der in die zum Vektor 302 entgegengesetzte Richtung zeigt und
folglich negativ ist. Das Volumenelement 304 ist mit einem
von null verschiedenen Beleuchtungswert versehen, da das absolute
Skalarprodukt des Richtungsvektors der Lichtquelle 300 und
der Gradient des Volumenelements 304 selbst von null verschieden
ist. Folglich sorgt die Erfindung wie im Stand der Technik in der
Situation, wo ein Volumenelement eine Oberfläche mit einer Richtung aufweist,
die zur Lichtquelle zeigt, für
eine Beleuchtung des Volumenelements.
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Ferner zeigt 3(b) die Situation, in der ein Volumenelement
eine Oberfläche
mit einer Richtung aufweist, die von der Lichtquelle weg zeigt,
jedoch trotzdem immer noch beleuch tet wird. Die Lichtquelle 300 weist
einen Richtungsvektor 352 auf, der als positiv definiert
ist. Das Volumenelement 354 weist den Gradienten 356 auf,
der in dieselbe Richtung wie der Vektor 352 zeigt, und
folglich ebenfalls positiv ist. Das Volumenelement 354 ist
mit einem von null verschiedenen Beleuchtungswert versehen, da das
absolute Skalarprodukt des Richtungsvektors der Lichtquelle 350 und
des Gradienten des Volumenelements 354 selbst von null
verschieden ist. Folglich sorgt im Gegensatz zum Stand der Technik,
in der Situation, wo ein Volumenelement eine Oberfläche mit
einer Richtung aufweist, die von der Lichtquelle weg zeigt, die Erfindung
trotzdem für
eine Beleuchtung des Volumenelements. Daher sorgt in Situationen,
wo eine solche Beleuchtung wünschenswert
ist, die Erfindung für
einen Vorteil gegenüber
dem Stand der Technik.
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3(c) zeigt
eine Bildschirmaufnahme eines Blutgefäßes (CT Daten), die erfindungsgemäß beleuchtet
wird. Das Innere des Blutgefäßes ist
sichtbar, obwohl die Gradienten der Volumenelemente, die die Innenwand
des Blutgefäßes aufweisen,
nach innen, weg von der Lichtquelle zeigen (von der ebenfalls angenommen
wird, daß sie
von außen
nach innen zeigt). Dies liegt daran, daß die absoluten Skalarprodukte
der Gradienten und ihre entsprechenden Lichtquellen von null verschieden
sind. Entsprechend ist das Äußere des
Blutgefäßes sichtbar,
da die absoluten Skalarprodukte der Gradienten der Volumenelemente,
die die Außenwand
des Blutgefäßes aufweisen,
und ihrer Lichtquellen ebenfalls von null verschieden sind.
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In einer spezifischen Implementierung
einer Ausführungsform
der Erfindung baut die Ausführungsform
der Erfindung auf dem Phong-Beleuchtungsmodell, das in der Technik
bekannt ist, und der Beleuchtungsmethodik auf, die allgemein in
Drebin, US-Patent
Nr. 4,835,712 beschrieben wird. Insbesondere wissen Fachleute von
der Mathematik der Beleuchtung Bescheid, wie sie auf Seite 191 von
Jackie Neider, „OpenGL
Programming Guide" (1993) (ISBN
0-201-63274-8), dem Kapitel mit dem Titel „The Mathematics of Lightning" beschrieben wird.
Im Stand der Technik ist die Intensität des von jedem Volumenelement
reflektierten Lichts proportional zum Skalarprodukt der Oberflächennormalen
oder des Gradientenvektors und des Lichtrichtungsvektors. Wenn der
Winkel zwischen diesen Vektoren größer als neunzig Grad ist, ist
dieses Skalarprodukt negativ. Im Stand der Technik wird dieser Wert
auf null geklemmt (wie auf Seite 191 der Verweisquelle
von Neider gezeigt), wobei keine Beleuchtung bereitgestellt wird.
In der spezifischen Implementierung einer Ausführungsform der Erfindung ist
im Gegensatz dazu die Beleuchtung proportional zum Absolutwert des Skalarprodukts
der Oberflächennormalen
oder des Gradientenvektors und des Lichtrichtungsvektors, so daß eine doppelseitige
Beleuchtung verwirklicht wird.
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Rechnergestütztes Verfahren
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In diesem Abschnitt der detaillierten
Beschreibung wird ein rechnergestütztes Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Dieses Verfahren kann als ein Computerprogramm, das
durch einen Prozessor ausgeführt
wird, eines computerlesbaren Mediums eines Computers, wie eines
Speichers oder einer nichtflüchtigen
Speichervorrichtung implementiert werden. Das Medium speichert erste
Daten, die einen Satz von Volumenelementdaten repräsentieren,
wobei jeder Volumenelementdatenwert einen Gradienten aufweist, der
erwünschterweise
entweder positiv oder negativ ist, und zweite Daten, die eine Lichtquelle
repräsentieren,
die einen Richtungsvektor aufweist. Das Computerprogramm beleuchtet
folglich die Volumenelementdaten (d. h. liefert Beleuchtungswerte
für die
Volumenele mentdaten), und zeigt auch erwünschterweise die Volumenelementdaten
auf der Anzeigevorrichtung des Computers an.
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Dann auf 4 bezugnehmend, wird ein Ablaufplan eines
rechnergestützten
Verfahrens gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Im Schritt 400 wird für jedes
Volumenelement innerhalb des Satzes von Volumenelementdaten, der
im computerlesbaren Medium gespeichert ist, ein Skalarprodukt des
Gradienten des Volumenelements und des Richtungsvektors der Lichtquelle
berechnet. Das Skalarprodukt ist, wie durch übliche Fachleute verstanden
wird, eine mathematische Funktion. Dann können im Schritt 402 die
Volumenelementdaten auf der Anzeigevorrichtung des Computers angezeigt werden,
da durch Schritt 400 ein Beleuchtungswert für jedes
Volumenelement bereitgestellt worden ist. Es wird angemerkt, daß andere
Operationen an den Volumenelementdaten ausgeführt werden können, bevor
sie einer Anzeige auf der Anzeigevorrichtung zugänglich sind; jedoch werden
diese Operationen, ebenso wie die Anzeige der Volumenelementdaten auf
der Anzeigevorrichtung durch übliche
Fachleute verstanden.
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Schlußfolgerung
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Es ist eine Volumenbildaufbereitungsbeleuchtung
beschrieben worden, die eine Skalarproduktmethodik verwendet. Obwohl
spezifische Ausführungsformen
hierin veranschaulicht und beschrieben worden sind, wird durch übliche Fachleute
erkannt werden, daß jede
Anordnung, die berechnet wird, um denselben Zweck zu erzielen, die
gezeigten spezifischen Ausführungsformen
ersetzen kann. Diese Anmeldung ist dazu bestimmt, alle Adaptationen oder
Variationen der vorliegenden Erfindung abzudecken. Daher wird offenkundig
beabsichtigt, daß diese Erfindung
nur durch die folgenden Ansprüche
und deren Äquivalente
beschränkt
wird.