DE69935404T2 - Oberflächenmodellerzeugung zum Anzeigen von drei-dimensionalen Objekten mit mehreren elastischen Oberflächennetzen - Google Patents

Oberflächenmodellerzeugung zum Anzeigen von drei-dimensionalen Objekten mit mehreren elastischen Oberflächennetzen Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft im Allgemein Grafik-Rendering, insbesondere das Rendern von Oberflächenmodellen von dreidimensionalen Objekten.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erzeugung von Oberflächenmodellen von abgetasteten dreidimensionalen Objekten ist für viele Anwendungen wichtig. Anatomische Strukturen, die von medizinischen Bildeinrichtungen abgetastet wurden, helfen bei der klinischen Diagnose und bei der chirurgischen Simulation und Planung. Eine Abtastung einer anatomischen Struktur enthält typischerweise hochauflösende Daten in der Bildebene und deutlich niedriger auflösende Daten zwischen den Bildschnitten. Das Fehlen von hochauflösender Information entlang der Abtastrichtung verursacht Alias- oder Stufen-Artefakte in gerenderten Oberflächenmodellen. Diese Artefakte können den Betrachter verwirren oder irreleiten. Für eine chirurgische Simulation behindern diese Stufen-Artefakte die Wirklichkeitstreue der Visualisierung. Für die chirurgische Simulation produzieren die Stufen den Effekt von sehr auffallenden Rippen, wenn haptische Geräte verwendet werden, um die Oberfläche der Struktur abzutasten.
  • Stufen-Artefakte können dadurch reduziert werden, dass die Auflösung der Abtastung erhöht wird. Allerdings, im Falle von CT-Abtastungen, wird bei einer höheren Auflösung zwischen den Bildebenen der Patient einer höheren Strahlungsdosis ausgesetzt. Im Falle von MR-Abtastungen sind längere Abtastzeiten notwendig, um eine höhere Auflösung zu erzielen. Längere Abtastzeiten erhöhen aber die Kosten und die Unannehmlichkeiten des Patienten.
  • In klinischen Anwendungen werden gewöhnlich Abtastungen in mehr als einer Richtung durchgeführt. Zum Beispiel, anstatt eine einzelne hochauflösende Sagittal-Abtastung durchzuführen, können Sagittal- und Axial-Abtastungen mit einer niedrigeren Auflösung durchgeführt werden. Ärzte verwenden alle Abtastungen für die Diagnose, chirurgische Beratung und Behandlung.
  • In dem Stand der Technik werden üblicherweise zwei grundlegende Verfahren benutzt, um Oberflächen an Binärdaten anzupassen. In dem ersten grundlegenden Verfahren werden die Binärdaten mit einem Tiefpass gefiltert, und ein Algorithmus, wie beispielsweise ein „Marching Cubes"-Algorithmus, angewendet. Dort wird die Oberfläche durch jeden Kubus an einer Iso-Oberfläche der Graustufen-Daten aufgebaut, siehe Lorensen et al., „Marching Cubes: a high resolution 3-D surfa ce construction algorithm", Proc. SIGGRAPH 87, Seiten 163-169, 1989. Um Stufen-Artefakte zu entfernen und um die Anzahl von Dreiecken in der triangulierten Oberfläche zu reduzieren, kann ein Algorithmus für die Glättung der Oberfläche und für die Dezimierung eingesetzt werden. Allerdings können diese Prozeduren, weil diese auf eine Oberfläche ohne Bezug zu der ursprünglichen Segmentierung angewendet werden, zu einem Verlust von feinen Einzelheiten oder Details führen.
  • In dem zweiten grundlegenden Verfahren, um eine Oberfläche an Binärdaten anzupassen, wird das binäre Objekt durch eine parametrische oder eine Spline-Oberfläche eingefasst. Kontrollpunkte auf der Spline-Oberfläche werden versetzt, um mit den Binärdaten zu konvergieren, um eine Energiefunktion zu minimieren, die auf der Oberflächenkrümmung und auf der Distanz zwischen der Binäroberfläche und der parametrischen Oberfläche basiert. Ein derartiges Verfahren kann verwendet werden, um die Oberfläche der linken Herzkammer des Herzens in Sequenzen von MRI-Daten zu detektieren und zu verfolgen, siehe McInnery et al., „Deformable models in medical image analyses: a survey", Medical Image Analysis 1(2), Seiten 91-108, 1996.
  • Eine ähnliche Technik wird verwendet, um ein Oberflächenmodell eines Muskels von segmentierten Daten zu erzeugen, Takanahi et al., „3-D active net for volume extraction", Proc. SPIE electronic Imaging 1998, Seiten 184-193, 1998. Dieser Ansatz hat zwei Nachteile für allgemeine Anwendungen. Erstens ist es schwierig festzustellen, wie viele Kontrollpunkte benötigt werden, um eine ausreichende Detailschärfe in dem endgültigen Modell zu gewährleisten. Zweitens kann die ses Verfahren nicht einfach mit komplexen Topologien umgehen.
  • Vor kurzem wurde ein einzelnes beschränktes elastisches Oberflächennetz verwendet, um ein Oberflächenmodell zu erzeugen, siehe Gibson, „Constrained Elastic Surface nets: generating smooth surfaces form binary segmented data", MICCAI, 1998. Dort wird ein elastisches Oberflächennetz an Knoten angepasst, die auf der Oberfläche von binären, segmentierten Volumendaten platziert sind. Die Knoten werden versetzt, um die Oberflächenkrümmung des Netzes zu reduzieren, während das Netz beschränkt wird, innerhalb einer Distanz von einem Voxel bezüglich der Oberfläche zu bleiben. Dieser Ansatz liefert glatte Oberflächenmodelle von binären, segmentierten Daten, die getreu der ursprünglichen Segmentierung sind.
  • Allerdings können Stufen-Artefakte immer noch ein Problem sein, es sei denn, dass eine sehr hochauflösende Abtastung verwendet wird. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, eine glatte Oberflächendarstellung von Abtastungen mit niedriger Auflösung zu erzeugen.
  • Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik ein Verfahren bekannt (Leventon M. E. et al.: „Multi-modal volume registration using joint intensity distributions", Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention, First International Conference, 1998, Proceedings, Seiten 1057-1066), dass sich mit der Erfassung/Registrierung von multi-modalen medizinischen Bildern, wie beispielsweise medizinische Bilder von Magnetresonanz- (MR) und Computertomographie(CT)-Bildsystemen beschäftigt. Dieses Verfahren verwendet vorherige Informationen für die erwartete Verteilung der Intensität der Verbindungsstellen der Bilder, Bildsystemen beschäftigt. Dieses Verfahren verwendet vorherige Informationen für die erwartete Verteilung der Intensität der Verbindungsstellen der Bilder, wenn diese korrekt angeordnet sind, bei gegebenen zuvor aufgenommenen Trainingsbildern. Zwei Verfahren werden vorgeschlagen, um die Verteilung der Intensität der Verbindungsstellen der Trainingsdaten zu modellieren, eine Mischung aus Gauss- und Parzen-Windowing. Bei einem gegebenen neuen Satz von nicht erfassten Bildern errechnet das Verfahren die beste Erfassung, in dem die logarithmische Wahrscheinlichkeit von zwei Bildern maximiert wird.
  • Schließlich beschreibt der Stand der Technik auch eine Registrierungs- und Interpolations-Prozedur für die Subvoxel-Anpassung von seriell erfassten MR-Bildern (Hajnal, J. V. et al.: „A Registration and Interpolation Procedure for Subvoxel Matching of Serially Acquired MR Images", Journal of Computer Assisted Tomography, Bd. 19, Nr. 2, Seiten 289-296, 3/4 1995). Dieses Verfahren beschäftigt sich mit Techniken für die Anpassung von MR-Bildern mit einem ähnlichem Inhalt mit der Hilfe der Methode der kleinsten Fehlerquadrate.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Erzeugen eines Oberflächenmodells für ein dreidimensionales Objekt. Das Objekt kann eine dreidimensionale physikalische Struktur oder ein dreidimensionales System sein, das abgetastet werden kann, zum Beispiel anatomische Strukturen, Turbinenblätter, Maschinen, und dergleichen. Das Abtasten kann jede Abtastmodalität, wie beispielsweise eine medizinische Bilderfassung, Radar, seismische Wellen, etc., benutzen.
  • Gemäß der Erfindung wird das interessierende Objekt aus einer Mehrzahl von Abtastrichtungen abgetastet, um Volumendaten für jede Abtastrichtung zu erzeugen. Die Volumendaten setzen sich aus Voxel zusammen, die als eine dreidimensionale Datenstruktur in einem Speicher angeordnet werden. Jedes Voxel speichert Informationen, die sich auf die Charakteristika des Objekts an dem korrespondierenden Ort bezieht. Als ein Vorteil der Erfindung ist zu nennen, dass die Abtastungen eine niedrigere Auflösung haben können, als welche für die Erzeugung von dreidimensionalen Modellen normal ist.
  • Die jeweiligen Volumendaten werden segmentiert, um Daten, die mit dem Objekt assoziiert sind, zu extrahieren oder zu identifizieren. Die Segmentierung kann dadurch ausgeführt werden, dass Voxel von jedem Volumen gekennzeichnet werden. Die Volumendaten von jeder Abtastung werden dann in einen gemeinsamen Koordinatenrahmen registriert, wobei die sechs Freiheitsgrade der Lage des Objekts bezüglich der verschiedenen Abtastrichtungen berücksichtigt werden.
  • Nach der Registrierung wird ein Oberflächennetz für die jeweiligen Volumendaten initialisiert. Die Geometrie des initialen Oberflächennetzes wird durch Oberflächenknoten festgelegt, die in dem Zentrum von Oberflächenzellen lokalisiert sind. Eine Oberflächenzelle ist der Teil von dem Volumen zwischen acht benachbarten Voxel, die die Oberfläche des Objektes überspannen.
  • Die mehreren Oberflächennetze werden gemäß dem gemeinsamen Koordinatenrahmen in gegenseitiger Abhängigkeit entspannt, um ein renderbares Oberflächenmo dell zu erzeugen. Die Entspannung in gegenseitiger Abhängigkeit wird gemäß eines iterativen Prozesses durchgeführt, der die Energie, die in Verbindungen, die die Knoten miteinander verbinden, gemessen wird, reduziert. Ein Beispiel einer Energiemessung ist die Summe der Quadrate der Abstände zwischen benachbarten Oberflächenknoten.
  • Nachdem die Oberflächennetze bis zu einem zuvor festgelegten Kriterium konvergiert sind, kann eines der Netze als ein Oberflächenmodell, dass den segmentierten Volumendaten entspricht, für das Rendern ausgewählt werden.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens für die Erzeugung von Oberflächenmodellen gemäß der Erfindung;
  • 2a und 2b sind Blockdiagramme von initialisierten beziehungsweise entspannten Oberflächennetzen;
  • 3 ist ein Flussdiagramm der Verfahrensschritte des Entspannens von mehreren Oberflächennetzen in gegenseitiger Abhängigkeit;
  • 4 ist ein Blockdiagramm von einem Oberflächenmodell, das von mehreren Netzen, die in gegenseitiger Abhängigkeit entspannt wurden, erzeugt wurde; und
  • 5 vergleicht Oberflächenmodelle, die nach Techniken gemäß des Standes der Technik erzeugt wurden mit einem Oberflächenmodell, dass gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde.
  • Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
  • Einleitung
  • Wir beschreiben ein Verfahren, dass Daten von mehreren orthogonalen Volumen-Bild-Abtastungen mit niedriger Auflösung kombiniert, um ein Oberflächenmodell zu erzeugen, dass eine höhere Auflösung hat, als von irgend einer Abtastung alleine erzeugt werden könnte.
  • Wie in der 1 gezeigt wird, enthält das Verfahren gemäß unserer Erfindung die folgenden grundlegenden Schritte, die weiter unten ausführlicher beschrieben werden. Das interessierende Objekt 101 wird zuerst in mehreren Richtungen abgetastet 110, um mehrere Volumendaten 102 zu erzeugen. Zum Beispiel werden zwei orthogonale Abtastungen durchgeführt. In einer klinischen Anwendung können dies sagittale und axiale Abtastungen beispielsweise eines Kniegelenks sein. Die jeweiligen abgetasteten Volumendaten setzen sich aus Voxel zusammen, wobei jedes Voxel die gesamte Information ist, die sich auf einen Teil des Objekts an spezifischen Koordinaten bezieht. Diese Informationen können beispielsweise verschiedene Gewebedichten beschreiben.
  • Im Schritt 120 werden die jeweiligen Volumendaten segmentiert, um das interessierende Objekt zu extrahieren. Im Schritt 130 werden die jeweiligen Volumendaten in einem gemeinsamen Koordinatenrahmen 103 registriert. Im Schritt 140 wird ein Oberflächennetz für jede Segmentierung initialisiert. Jedes Oberflä chennetz setzt sich aus einem Netzwerk von miteinander verbundenen Oberflächenknoten zusammen. Im Schritt 150 wird ein doppelt iterativer Entspannungsprozess benutzt, um die Formen der Oberflächennetze zu verformen und zusammenzufügen (wobei dieser Prozess den Beschränkungen, die auf der Auflösung der Abtastungen basieren, unterworfen ist), um ein glattes Oberflächenmodell zu erzeugen, dass den jeweiligen Volumendaten entspricht. Das Oberflächenmodell kann dann als ein zweidimensionales Bild 105 gerendert 160 werden.
  • Segmentierung
  • Die Struktur des Objekts, zum Beispiel ein Kniegelenk in einer MR oder einer CT-Abtastung, wird zuerst von den jeweiligen abgetasteten Volumendaten extrahiert oder segmentiert, bevor die Volumendaten für die Erzeugung eines Oberflächenmodells verwendet werden. Segmentierung ist der Prozess, bei dem die Voxel gemäß Objektattributen gekennzeichnet werden. Zum Beispiel können für ein anatomisches Objekt, wie beispielsweise ein Kniegelenk, beobachtete Intensitäten verwendet werden, um verschiedene Arten von Gewebe zu identifizieren.
  • Die Segmentierung kann mit automatisierten Techniken oder halbautomatisierten Techniken durchgeführt werden. Mit CT-Abtastungen kann die Segmentierung der Volumendaten relativ automatisch unter der Verwendung von Intensitätsschwellwertbildung oder anderen Bildverarbeitungsverfahren niedriger Stufe durchgeführt werden. Volumendaten, die von MRI-Abtastungen erzeugt wurden, können, zusätzlich zur anspruchsvollen Verarbeitung, ein erhebliches Maß an menschlichen Input erfordern.
  • Ein Beispiel für ein halbautomatisches Verfahren zur Segmentierung verwendet Echtzeit Strahlen-Rendern, wobei die Parameterwerte interaktiv variiert werden. Die interessierenden Parameter sind die Intensitätsschwellenwerte, die verwendet werden, um die intensitätsbasierten Gewebeklassifizierer zu definieren. Wenn die Schnitte gerendert werden, kann eine strukturelle Korrektur der Segmentierung durchgeführt werden, in dem interaktiv die zweidimensionalen Schnitte editiert werden. Ein solches Editieren kann das Highlighting von Bereichen enthalten, die von Interesse sind, und das Spezifizieren von Kennzeichnungen für die beinhalteten Voxel.
  • Registrierung
  • Um die Informationen von verschiedenen Volumendaten zu einem einzigen Modell zu kombinieren, müssen alle Volumendaten in einem einzigen Koordinatensystem registriert werden. Das Registrieren von starren Objekten erfordert, dass die Lage des Objekts mit sechs Freiheitsgraden in einer Abtastung in Bezug zu der Lage der Objekte der anderen Abtastungen berücksichtigt wird. Ausgeklügelte Verfahren existieren, um die Abtastungen direkt von den Bilddaten zu registrieren, siehe Well et al., „Multi-Modal Volume Registration by Maximization of Mutual Information", Medical Image Analysis (1), Seiten 33-51, 1996. Wir bevorzugen einen direkten Registrierungsprozess, da binäre Segmentierung zur Verfügung steht. Die beste Anordnung der Volumendaten kann dadurch erreicht werden, dass ein stochastischer Gradientenabstieg über die Summe der quadrierten Differenzen der geglätteten segmentierten Bilder durchgeführt wird. In der Praxis funktioniert dieses direkte Verfahren zur Registrierung gut bei gut segmentierten binären Bilddaten.
  • Initialisierung des Oberflächennetzes
  • Volumen-Bild-Abtastungen enthalten typischerweise eine Folge von „gestapelten" zweidimensionalen Bildebenen. Die Abtastungen haben typischerweise eine hohe Auflösung in den zweidimensionalen Ebenen und eine niedrigere Auflösung zwischen den Ebenen. Ein elastisches Oberflächennetz wird um die gekennzeichneten Voxel der jeweiligen segmentierten Volumendaten herum aufgebaut. Falls die Volumen durch zwei orthogonale Abtastungen erzeugt worden sind, dann werden die Knoten in einem Netz eine hohe Auflösung in der zweidimensionalen Bildebene haben, und eine niedrige Auflösung in der dritten Dimension, während die Knoten in dem anderen Netz komplementäre Eigenschaften aufweisen.
  • Ein Oberflächennetz wird initialisiert durch die Anordnung von „Oberflächenzellen", die Oberflächenknoten enthalten. Eine Oberflächenzelle ist der Teil des Volumens, der durch acht benachbarte Voxel in den binären segmentierten Daten umschlossen wird, jeweils von vier Voxeln von zwei benachbarten Ebenen. Wenn alle acht Voxel den selben binären Wert haben, dann ist die Zelle entweder völlig innerhalb oder völlig außerhalb des Objekts. Wenn zumindest eines der Voxel einen binären Wert hat, der verschieden von dem seiner Nachbarn ist, dann ist die Zelle eine Oberflächenzelle. Das Netz wird initialisiert, in dem ein Knoten in dem Zentrum von jeder Oberflächenzelle platziert wird und die Knoten, die in benachbarten Oberflächenzellen liegen, verbunden werden. Jeder Knoten kann bis zu sechs Verbindungen haben, eine je weils zu seinem rechten, linken, oberen, unteren, vorderen und rückseitigen benachbarten Knoten.
  • Die 2a zeigt ein zweidimensionales Oberflächennetz 201 in seinem initialisiertem Zustand, und die 2b zeigt ein entspanntes Netz 202. Die Details für die Initialisierung eines einzelnen Oberflächennetzes werden in der US-Patentanmeldung Nr. 09/079,079 „Surface net smoothing for surface representations from binary sampled data", eingereicht von Gibson am 14. Mai 1998, beschrieben.
  • Entspannung eines einzelnen Oberflächennetzes in gegenseitiger Abhängigkeit
  • Einmal initialisiert, wird ein Oberflächennetz „entspannt", um die Stufen-Artefakte zu reduzieren, während es konsistent mit den Eingabedaten bleibt. Um ein bestimmtes Netz zu entspannen, wird jeder Knoten in dem Netz neu positioniert, um eine Energie-Messgröße in den Verbindungen, die die Knoten verbinden, zu reduzieren. Zum Beispiel kann ein Netz iterativ reduziert werden, in dem jeder Knoten in Folge betrachtet wird und dieser Knoten in eine Position äquidistant zu seinen mit ihm verbundenen benachbarten Knoten verschoben wird. Die Energie kann als die Summe der Quadrate der Länge aller Verbindungen in dem Oberflächennetzwerks errechnet werden. Alternative Energie-Messungen und Entspannungsmodelle sind ebenfalls ausführbar. Zum Beispiel kann ein System, dass die Positionen der Knoten anpasst, um die lokale Krümmung zu reduzieren, glättere Oberflächen erzeugen.
  • Die Definition der Energie und der Entspannung auf diese Weise ohne irgendwelche Beschränkungen würde bewirken, dass das Oberflächennetz auf einen einzelnen Punkt zusammenschrumpft. Daher, um der ursprünglichen Segmentierung treu zu bleiben, ist eine Beschränkung vorgesehen, die jeden Knoten innerhalb seiner ursprünglichen Oberflächenzelle hält. Diese Beschränkung bevorzugt die ursprüngliche Segmentierung vor der Glattheit und zwingt das Oberflächenmodell, feine/dünne Strukturen und Spalten zu bewahren.
  • Doppelte Entspannung von Oberflächennetzen
  • Das Entspannen eines einzelnen Oberflächennetzes eines Objektes vermindert erheblich die Artefakte, die in dem Modell enthalten sind. Allerdings, falls die Auflösung in der Abtastung in einer Richtung niedrig ist, dann ist es möglich, dass nicht genug Informationen in einer Abtastung vorhanden sind, um das Modell vollständig zu beschränken und die Stufen zu entfernen. Deshalb verwenden wir mehrere Abtastungen, zum Beispiel zwei, wie in der 4 gezeigt wird. Eine erste Abtastung 401 hat eine höhere Auflösung entlang der horizontalen Richtung, wobei die zweite Abtastung 402 horizontal eine niedrigere Auflösung, aber in der vertikalen Richtung eine höhere Auflösung besitzt. Die zwei Oberflächennetze, einmal in dem selben Koordinatenrahmen ausgerichtet, werden iterativ gegeneinander entspannt mit der Beschränkung, dass jeder Knoten innerhalb seiner Oberflächenzelle bleiben muss, um zu einer glatten Oberfläche oder einem entspannten Netz 410 zu führen.
  • Wie in der 3 gezeigt wird, verschiebt ein erster Entspannungsschritt 310 jeden Knoten n[i] um eine Strecke, die durch die Bildung eines Mittelwerts (gewichtet mit dem Abstand) von dem korrespondieren Knoten q[i] in dem anderen Netz bestimmt ist. Die Aktu alisierung des Knotens kann seine Beschränkung dadurch verletzen, dass dieser außerhalb seiner Zelle c[i] zu liegen kommen würde. Wenn die neue Position des Knotens außerhalb der Zelle wäre, dann wird der Knoten zu einem äußersten Punkt auf dem Rand der Zelle verschoben.
  • In dem Schritt 320 wird das zweite Netz gegen das erste Netz entspannt. Nach jedem vollständigen doppelten Entspannungsschritt wird jedes Netz individuell in den Schritten 330 und 340 entspannt. Die individuellen Entspannungen halten die Netze glatt, während diese konvergieren. Die Iterationen werden solange durchgeführt bis, zum Beispiel, eine zuvor festgelegte Anzahl von Knoten sich wie in Schritt 350 festgelegt zusammengefügt haben. Andere Schwellenwerte für die Terminierung der Iteration können ebenfalls verwendet werden, zum Beispiel eine feste Anzahl von Iterationen. An diesem Punkt kann eines der Netze ausgewählt 360 werden, um das Oberflächenmodell darzustellen. Alternativ können beide Netze nebeneinander gerendert werden, und der Betrachter trifft die Auswahl aufgrund der Anwendung und des Bedarfs.
  • In einer idealen Abtastung, Segmentierung und Registrierung würde die wahre Oberfläche des Objekts immer in der Schnittmenge der Oberflächenzellen der beiden Abtastungen liegen. In diesem idealen Fall werden die beiden Netze an einer identischen Oberfläche konvergieren, wobei alle Oberflächenzellen-Beschränkungen erfüllt sind. In der Praxis werden die Oberflächenzellen der beiden verschiedenen Abtastungen aufgrund von Bilderfassungsfehlern, Segmentierungs- und Registrierungsfehlern höchstwahrscheinlich nicht perfekt überlappen.
  • Zum Beispiel kann es vorkommen, dass, nach einer kleinen Anzahl von Iterationen, ein Knoten, der aus seiner ihn beschränkenden Zelle gezogen wurde, keinen korrespondierenden Knoten in dem anderen Netz treffen kann. Dies bedeutet Diskrepanzen zwischen den beiden Modellen. Deshalb stellen wir Mittel zur Verfügung, die Beschränkungen zu schwächen, um es zu ermöglichen, dass mehrere Netze näher zusammenkommen.
  • In diesen Fällen wird die beschränkende Zelle jedes solchen Knotens um einen kleinen Betrag am Ende der Iteration gedehnt, während gleichzeitig der Formfaktor erhalten wird, wodurch den Knoten erlaubt wird, in der nächsten Iteration näher an das andere Netz heranzurücken. Obwohl das resultierende Netz sich mehr als einen Voxel von den Segmentierungen verschieben kann, ist garantiert, dass das endgültige Oberflächenmodell zwischen den beiden initialen Modellen liegt.
  • Die 5 kann dazu verwendet werden, Oberflächenmodelle zu vergleichen, die von verschiedenen Verfahren benutzt werden. Die Oberflächenmodelle 510 und 511 sind von einem Kniegelenk durch „Marching Cubes" für axiale beziehungsweise sagittale Abtastungen erzeugt worden. Die Oberflächenmodelle 520 und 521 sind aus einzelnen Oberflächennetzen in der axialen und sagittalen Ebene erzeugt worden. Das Modell 530 ist von mehreren (axialen und sagittalen) Abtastungen erzeugt worden.
  • Die vorliegende Erfindung kann auch dafür verwendet werden, Oberflächenmodelle aus Daten eines Bereichs, die durch einen Laser-Abtaster erhalten wurden, zu erzeugen. Diese Technik kann dazu verwendet werden, die Oberfläche der Haut eines Patienten zu plotten.
  • Durch die Verwendung von Triangulation und Streifenmustern nimmt der Abtaster dreidimensionale Daten in zwei zueinander orthogonalen Richtungen auf. Die Anzahl der Abtastungen, die in einer Richtung aufgenommen wurden, können dabei niedriger sein als die Anzahl der Abtastungen, die in der anderen Richtung aufgenommen wurden.
  • Obwohl wir eine spezifische Ausführungsform unserer Ausführungsform mit Bezug auf eine medizinische Anwendung beschrieben haben, sollte es klar sein, dass unser Verfahren auch auf vielen anderen Gebieten verwendet werden kann, in denen physikalische Objekte abgetastet werden. Zusätzlich sollte man sich bewusst machen, dass mehr als zwei Abtastrichtungen verwendet werden können, und dass die Richtungen nicht notwendigerweise zueinander orthogonal sein müssen.
  • Es muss verstanden werden, dass verschiedene anderen Anwendungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche möglich sind.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Erzeugen eines Oberflächenmodells eines dreidiimensionalen Objekts (101), das die Schritte aufweist: Abtasten (110) des Objekts mit einer Abtastmodalität aus mehreren Richtungen, um Volumendaten (102) für jede Abtastrichtung zu erzeugen; Segmentieren (120) der jeweiligen Volumendaten, um mit dem Objekt assoziierte Daten zu identifizieren; Registrieren (130) der jeweiligen Volumendaten zu einem gemeinsamen Koordinatenrahmen (103); Initialisieren (140) jeweils eines Oberflächennetzes für die jeweiligen Volumendaten; und Entspannen (150) der Oberflächennetze in gegenseitiger Abhängigkeit gemäß dem gemeinsamen Koordinatenrahmen, um ein darstellbares Oberflächenmodell (105, 160) zu erzeugen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Objekt in zwei orthogonalen Richtungen abgetastet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Abtastungen (110) Abtastungen mit niedriger Auflösung sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Segmentierung (120) Voxel der Volumendaten (102) identifiziert, wobei die identifizierten Voxel dem abgetasteten Objekt (101) entsprechen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Segmentierung (120) durch Intensitätsschwellenwertbildung durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Registrieren (130) durch einen stochastischen Gradientenabstieg über die Summe von quadrierten Differenzen der geglätteten segmentierten Volumendaten durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach Ansspruch 1; bei dem die Oberflächennetze initialisiert (140) werden durch Bestimmen von Oberflächenzellen, die Oberflächenknoten enthalten, wobei eine Oberflächenzelle durch benachbarte Voxel, die die Oberfläche des Objekts überspannen, definiert werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Entspannen (150) mit gegenseitiger Abhängigkeit die Schritte aufweist: Entspannen (310 eines ersten Oberflächennetzes mit Bezug auf ein zweites Oberflächennetz; Entsannen (320) des zweiten Oberflächennetzes mit Bezug auf das erste Oberflächennetz; Entspannen (330) des ersten Oberflächennetzes; Entspannen (340) des zweiten Oberflächennetzes; und Wiederholen der Entspannungsschritte, bis ein vorbestimmter Schwellenwert erreicht ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Oberflächenzellen gedehnt werden, um die Konvergenz der Oberflächennetze zu erhöhen.
  10. System zum Erzeugen eines Oberflächenmodels eines dreidimensionalen Objekts (101), welches aufweist: Mittel zum Abtasten (110) des Objekts mit einer Abtastmodalität aus mehreren Richtungen, um Volumendaten (102) für jede Abtastrichtung zu erzeugen; Mittel zum Segmentieren (120) der jeweiligen Volumendaten, um mit dem Objekt assoziierte Daten zu identifizieren; Mittel zum Registrieren (130) der jeweiligen Volumendaten zu einem gemeinsamen Koordinatenrahmen (103); Mittel zum Initialisieren (140) jeweils eines Oberflächennetzes für die jeweiligen Volumendaten; und Mittel zum Entspannen (150) der Oberflächennetze in gegenseitiger Abhängigkeit gemäß dem gemeinsamen Koordinatenrahmen, um ein darstellbares Oberflächenmodell (105, 160) zu erzeugen.
DE69935404T 1999-01-06 1999-11-08 Oberflächenmodellerzeugung zum Anzeigen von drei-dimensionalen Objekten mit mehreren elastischen Oberflächennetzen Expired - Lifetime DE69935404T2 (de)

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