DE69936078T2

DE69936078T2 - Objektwiedergabesystem zur Erzeugung röntgenähnlicher Bilder

Info

Publication number: DE69936078T2
Application number: DE69936078T
Authority: DE
Inventors: Michael Thomas Framingham Walterman
Original assignee: Mitsubishi Electric Research Laboratories Inc
Current assignee: BINARY SERVICSES LLC, WILMINGTON, DEL., US
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: EP0967578A2; JP2000035406A; EP0967578A3; EP0967578B1; JP4435329B2; DE69936078D1; US6061469A; ATE362628T1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Standardverfahren zum Wiedergeben von synthetischen Röntgenbildern verwenden voxelbasiertes Wiedergeben. In dieser Methodik ist jedes Objekt aus kleinen Festkörperelementen, welche als Voxel bezeichnet werden, zusammengesetzt. Die Voxel werden dann einer Strahlverfolgung (englisch raytracing) unterzogen, um das wiederzugebende Bild zu erzeugen. Es gibt zwei Begrenzungen bei diesem Verfahren. Erstens kann die Anzahl von Voxeln, welche benötigt werden, um ein Objekt anzunähern, sehr groß sein. Dies bildet für die meisten Computergrafiksysteme ein Probleme dahingehend, dass solch große Datenmengen für einige Anwendungen nicht schnell genug verarbeitet werden können. Zweitens definieren Voxel unflexible Objekte dahingehend, dass sie ihre Form nicht ändern können. Wenn die globale Geometrie eines Objekts sich ändert, kann "das Einteilen in Voxel" (von englisch "voxelation") oder die Beschreibung der neuen globalen Geometrie unter den Begriffen einer neuen Kollektion von Voxeln rechnerisch aufwändig und algorithmisch komplex sein.
US-A-4920491 offenbart die Verbesserung der Qualität von nicht-zerstörenden Untersuchungsbildern, indem ein CAD-Modell des untersuchten Teils verwendet wird. Ein elektronisches Modell des Teils wird einem dreidimensionalen Festkörpermodellierer zur Verfügung gestellt und die Röntgenstrahlschwächung für durch den Teil projizierte Röntgenstrahlen wird berechnet, indem physikalische Parameter des Modells verwendet werden.
Auch aus dem Stand der Technik (Van Walsum T. et al.: "CT-based Simulation of Fluoroscopy and DSA for Endovascular Surgery Training, CVRMED-MRCAS, 1997: First Joint Conference, Computer Vision, Virtual Reality and Robotics, pp. 273-282, 1997) bekannt ist ein Verfahren einer Fluoroskopie-Simulation für ein endovaskuläres Chirurgietrainingssystem. Fluoroskopische Bilder und DSA-Bilder werden erzeugt, indem der Röntgenstrahl-Prozess unter Verwendung von CT-Daten simuliert wird. Für Knochen, Weichgewebe und Gefäße werden getrennte Datensätze erzeugt und ein simuliertes Röntgenbild wird für jeden dieser Datensätze erzeugt. Ein einer Wiedergabestufe werden diese Zwischenbilder verformt, gefiltert und vermengt, um ein simuliertes fluoroskopisches Bild oder DSA-Bild zu erhalten.
Zusammenfassung der Erfindung
Um einfacheres und rechnerisch weniger intensives System zur Wiedergabe von Objekten zur Verfügung zu stellen, um die Bildung von Röntgenbildern zu simulieren, wandelt das betreffende System Nicht-Voxel- Objektdaten in Daten um, welche in einem Röntgenstrahlformat darstellbar sind, indem das Durchgehen von Röntgenstrahlen durch ein Objekt simuliert wird, indem die Schwächung simuliert wird und indem das Objekt als eines aus einem Material, welches innerhalb eines Materials eingebettet ist, betrachtet wird, beispielsweise Grenzen innerhalb von Grenzen, Oberflächen innerhalb von Oberflächen oder Schalen innerhalb von Schalen.
Um diese Wiedergabe zu bewerkstelligen, wurde gefunden, dass ein Objekt in eine Anzahl von festen Körpern zerlegt werden kann, welche so betrachtet werden können, dass sie einer innerhalb des anderen verschachtelt sind. Diese festen Körper sind grundsätzlich über Oberflächen verbunden, welche durch die Verwendung eines Strahls, welcher in den festen Körper hinein- und aus ihm herausgeht, detektierbar sind. Diese Oberflächen können in Begriffen des simulierten Durchgehens eines Photonenstrahls, welcher durch den festen Körper geschwächt wird, wenn er hindurchgeht, lokalisiert werden. Demgemäß kann eine Oberfläche des festen Körpers durch traditionelle computergrafische Beschreibungen erhalten werden, welche in einer Ausführungsform Vektoren in einem Grafikraum verwendet, welche eine Richtung entsprechend der Richtung einer gegebenen Gruppe von Photonen und eine Größe entsprechend der Anzahl von ungeschwächten Photonen aufweist.
Das betreffende System verwendet einen festen Körper und zerlegt ihn in eine Anzahl von ineinander verschachtelten festen Körpern. Der Zwecke dieser Ineinanderschachtelung ist es zu ermöglichen, vorbestimmte Eigenschaften des festen Körpers an inneren Stellen, welche durch die obigen Ineinanderschachtelungen de finiert sind, zu erhalten. Es ist einzusehen, dass die Bestimmung von ineinander verschachtelten Oberflächen oder Grenzen beträchtlich weniger komplex ist, als jedes innere Element eines festen Körpers über ein Voxel zu definieren.
Die Oberflächen der festen Körper werden mittels Standard-3D-Visualisierungsmodellierungspakten modelliert, um die ineinander geschachtelten Grenzen zu erzeugen. Dem Inneren jedes festen Körpers wird ein Massenschwächungskoeffizient basierend auf seinem Wert in der realen Wert und dem Massenschwächungskoeffizienten des festen Körpers, welcher diese Grenze einschließt, zugewiesen. Diese Modelle werden dann in einem 3D-Koordinatensystem registriert, welches den Photonenemitter und die Bildoberfläche über einen Szenengraph, welcher sich auf alle die Objekte in der Szene bezieht, beinhaltet.
Hiernach werden die Daten in dem Szenegraph auf eine Art und Weise wiedergegeben, welche die Bilder, die man erhalten würde, wenn man Röntgenstrahlen durch ein Objekt durchgehen lässt, annähert. Genauer gesagt stellt das betreffende System ein röntgenstrahlenähnliches Bild aufgrund der Verwendung von 3D-Modellen eines Objekts, eine simulierte Photoneuemission durch das Objekt und alle seine ineinander verschachtelten festen Körper und die Detektion durch eine simulierte Röntgenkamera, welche ein Bild ausgibt, zur Verfügung.
Die 3D-Modelle werden in einer Ausführungsform basierend auf einem Expertenwissen des zu modellierenden festen Körpers handgemacht. Beispielsweise mag ein Chirurg den Wunsch haben, die inneren Schichten eines Herzens zu spezifizieren, indem Gewebedichten für das Myokardium und Grenzen für verschiedene Herzkammern spezifiziert werden. Alternativ dazu kann der Datensatz für das 3D-Modell von CT-Scans und den resultierenden voxelierten Daten erhalten werden. Dies ist vorteilhaft, wenn man annimmt, dass man viele ähnliche und benachbarte Voxel in einem einzelnen festen Körper reduzieren kann. Als ein Resultat kann das Wiedergabeverfahren zum Erzeugen eines Bildes der festen Körper in all ihren ineinander geschachtelten Schichten oder Oberflächen mit wesentlich weniger Daten und gleichermaßen reduzierter Verarbeitung bewerkstelligt werden.
Das Obige erlaubt eine Echtzeitanimation der festen Körper/Volumina, indem die Oberflächengeometrie geändert wird, im Gegensatz zum Berechnen einer neuen Menge von Voxeln. Als ein Ergebnis erlaubt das betreffende System die Simulation eines schlagenden Herzens in einem Format, welches einfach von niedergelassenen Medizinern, welche daran gewöhnt sind, auf Röntgenbilder zu schauen, verstanden wird. Eine andere Hauptanwendung der betreffenden Technik ergibt sich in der Kunst der nicht-zerstörenden Prüfung. Hier könnte ein Trainingssystem entworfen werden, bei welchem herausgearbeitete Teile, welche Fehlstellen aufweisen, modelliert werden, wobei die resultierenden 3D-Modelle verwendet werden, um Qualitätskontrollspezialisten zu unterweisen, indem ihnen in einem Röntgenformat diejenigen Bilder, welche sie zu bewerten haben, präsentiert werden. In dieser Anwendung ist es normal, dass Qualitätskontrollspezialisten Röntgeninspektionssysteme verwenden, so dass das betreffende System ein wertvolles Trainingswerkzeug zur Verfügung stellt.
Insbesondere verwendet das betreffende System einen Algorithmus, welcher eine interessante mathematische Eigenschaft der Photonenstrahlschwächung durch Festkörperobjekte ausnutzt. Betrachtet man den Prozess der Photonenstrahlschwächung bei einem gegebenen Festkörperbalken der Länge L mit einem quadratischen Querschnitt, bei dem jede Seite eine Länge S aufweist, kann man betrachten, was passieren wird, wenn ein Photonenstrahl auf eine der Seitenflächen des Balkens projiziert wird. Kurz gesagt werden einige oder tatsächlich die meisten der Photonen entweder aus dem Balken herausgestreut oder durch den Balken absorbiert. Die mathematische Beziehung, welche diese Absorption beschreibt, ist gegeben durch: I(E) = I0 (E) exp (– mu(E)·L) Gleichung 1Wobei

I₀(E): = die Intensität des einfallenden Photonenstroms als eine Funktion der Photonenenergie ist (Anzahl von Photonen, welche bei einer bestimmten Energie auf die Seitenfläche des Balkens während einer bestimmten Zeitperiode einfallen);
I(E): = die Anzahl von Photonen, welchen den Balken auf dem gegenüberliegenden Ende verlassen als Funktionen der Photonenenergie;
mu(E): = Der Schwächungskoeffizient für dieses Objekt als Funktion der Photonenenergie;
exp(): = eine Funktion, welcher die eulersche Konstante potenziert;
L: = die Länge des Balkens; und
E: = die Energie pro Photon im einfallenden Strahl.

Man kann betrachten, was passiert, wenn ein bestimmtes Material innerhalb eines anderen Materials eingebettet ist. Diese Schwächung kann wie folgt berechnet werden: I = I0(E) + exp (–mu1(E)·(F2 – F1))·exp (–mu2(E)·exp (–mu1(E)·(B1 – B2)) = I0(E)·exp (–mu2(E) – mu1(E))·(B2 – F2))·exp (–mu1(E)·(B1 – F1))
Der Wiedergabealgorithmus verwendet die Tatsache, dass das Wiedergeben des gesamten Objekts äquivalent dazu ist, die mehreren einfachen Objekte wiederzugeben. Grundsätzlich kann man, wenn n Objekte ineinander verschachtelt sind, diese Objekte in n diskrete Objekte zerlegen, wobei der Schwächungskoeffizient jedes Objektes die Differenz zwischen seinem ursprünglichen Schwächungskoeffizienten und den ursprünglichen Koeffizienten des Objekts, welches ihn umgibt, ist.
Insbesondere kann der Wiedergabealgorithmus wie folgt implementiert werden:
Der Ausgangs-Röntgenwiedergabealgorithmus benötigte die Verwendung von "ineinander geschachtelten" konvexen Objekten, um genaue Ergebnisse zu erzeugen. Danach ist eine Technik entdeckt worden, welche die Verwendung von "ineinander geschachtelten" Objekten einer allgemeineren Natur erlaubt, d. h. konvex oder nicht-konvex. Was hiernach beschrieben wird, hat die Absicht, die Änderungen in dem Ausgangswiedergabealgorithmus widerzuspiegeln, um diesen neuen Grad an Allgemeinheit zu realisieren.
Der ursprüngliche Algorithmus wird wie folgt vorgeschrieben:

I. Setze das Röntgenbild auf einen konstanten Wert von I₀
ii. Für alle wiederzugebenden Objekte
A. setze das maximale Bereichsbild auf eine kleine Zahl,
B. setze das minimale Bereichsbild auf eine große Zahl,
C. gebe das Objekt wieder, indem die maximalen und minimalen Bereichswerte in den maximalen und minimalen Bereichsbildern jeweils abgespeichert werden,
D. berechne die Pfadlänge für jedes Pixel, indem die Absolutdifferenz zwischen den maximalen und minimalen Bereichsbildern genommen wird
E. berechne das Schwächungsbild, indem die in Gleichung 1 beschriebene Schwächungsfunktion verwendet wird,
F. setze das Schwächungsbild in das Röntgenbild zusammen, indem das Röntgenbild mit dem Schwächungsbild multipliziert wird und indem das Ergebnis in dem Röntgenbild abgespeichert wird.

Beachte, dass das Bereichsbild sich auf ein Bild bezieht, welches hergestellt wird, indem der Bereich von der simulierten Photonenquelle bis zur Oberfläche des entsprechenden festen Körpers bekannt ist.
Der neue Algorithmus ersetzt die Schritte II.A. bis II.D., was in Folgendem resultiert:

I. Setze das Röntgenbild auf einen konstanten Wert von I₀.
II. Für alle wiederzugebenden Objekte
A. definiere einen Augenstrahlvektor und Oberflächenfüllstücke auf dem Objekt entlang dieses Vektors
B. Für alle Oberflächenfüllstücke auf dem Objekt
1. Für alle Bildpixel, welche dem Oberflächenfüllstück entsprechen
a. berechne das Skalarprodukt des Augenvektors mit dem oberflächennormalen Vektor;
b. wenn das Skalarprodukt nicht gleich 0 ist,
1. berechne den Abstand von dem Augenpunkt zu dem Oberflächenpunkt,
2. setze das Vorzeichen des Abstandes auf das gegenteilige Vorzeichen des Skalarproduktes,
3. addiere den Abstand zu dem Bereichsbild; beachte: An diesem Punkt beinhaltet das Bereichsbild die Pfadlänge durch das Objekt für jedes Pixel in dem Bild, welches das Objekt beeinflusst.
C. Berechne das Schwächungsbild unter Verwendung der in Gleichung 1 beschriebenen Schwächungsfunktion zusammen mit dem in dem vorhergehenden Schritt berechneten Bild.
D. Setze das Schwächungsbild in das Röntgenbild zusammen, indem das Röntgenbild mit dem Schwächungsbild multipliziert wird und indem das Ergebnis in dem Röntgenbild gespeichert wird.

Zusätzlich zur Verwendung von nicht-konvexen Objekten eliminiert dieser Algorithmus die Notwendigkeit für minimale und maximale Bereichspuffer.
Der grundsätzliche Vorteil des Systems resultiert aus der Tatsache, dass es einem erlaubt, beliebige Geometrien und nicht lediglich feste Voxel zu verwenden, um wiedergebbare Objekte zu repräsentieren. Dies reduziert die Menge an Daten, welche zum Repräsentieren eines Objekts benötigt werden, was die Probleme mit den großen Datenbandbreiten eliminiert. Darüber hinaus kann, da die Objektgeometrie flexibel ist, ein Ändern der Objektgeometrie häufig lediglich bedeuten, einfach die Grenzrepräsentation zu ändern, was die Komplexität der Berechnungen für die neue Geometrie reduziert.
Zusammenfassend wird ein Objektwiedergabesystem, welches einen spezialisierten Algorithmus aufweist, zur Verfügung gestellt, um eine Material- und Geometriebeschreibung eines Objekts in ein Röntgenbild dieses Objekts umzuwandeln, um in medizinischen Anwendungen und industriellen nicht-zerstörenden Prüfungen verwendet zu werden, was das Präsentieren eines Objekts, welches nicht das Ergebnis des Röntgens ist, in einem Röntgenformat erlaubt. Das System arbeitet, indem es berücksichtigt, dass das Objekt aus ineinander verschachtelten geometrischen festen Körpern zusammengesetzt ist, wobei jeder durch eine einschließende Oberfläche definiert ist, wobei die Materialeigenschaften jedes ineinander geschachtelten festen Körpers in Begriffen eines Röntgen-Massenschwächungskoeffizienten definiert sind. Mittel zum Anpassen des Massenschwächungskoeffizienten jeder der einschließenden Oberflächen werden zur Verfügung gestellt, um es zu erlauben, dass jeder feste Körper unabhängig wiedergegeben wird.
In dem betreffenden System ist die Objektgeometrie ein fester Körper, welcher über eine geschlossene O berfläche in Festkörpergeometrie beschrieben wird, auf welche oft auch als "Grenzenrepräsentation" Bezug genommen wird, wobei der Algorithmus erlaubt, Objekte ineinander zu verschachteln, indem die Grenzen verschachtelt werden.
Andere Eingaben in den obigen Algorithmus sind die mathematische Beschreibung eines simulierten Röntgenstrahls, welcher durch das Objekt hindurchgeht, und eine Kamerageometrie, welche einen Standpunkt, eine Fokuslänge und eine Filterantwort auf den simulierten Röntgenstrahl beinhaltet.
Der Vorteil solch eines Wiedergebers ist die Tatsache, dass der Wiedergeber als eine Komponente in einem System, welches die Verwendung von Röntgenbildgebung simuliert, dienen kann. Diese Simulatoren sind in Trainingsumgebungen gewünscht aufgrund der Tatsache, dass reale Röntgenerzeugungsvorrichtungen im Betrieb für diejenigen Personen, welche mit oder nahe der Vorrichtung arbeiten, gefährlich sein können. Der Wiedergabealgorithmus handhabt geometrische Beschreibungen von Objekten, welche nicht gut für Standard-Voxelwiedergabetechniken geeignet sind.
Kurze Beschreibung der Figuren
Diese und andere Eigenschaften der betreffenden Erfindung werden besser verstanden in Übereinstimmung mit der detaillierten Beschreibung, welche in Verbindung mit den Zeichnungen zu verstehen ist, von denen:
1A und 1B ein kombiniertes Datenflussdiagramm des betreffenden Systems darstellen, welches das anfängliche 3D-Objekt mit internen festen Körpern, wel che digitalisiert sind, um äußere Oberflächen und Massenschwächungen zuzuweisen, und die Anwendung des betreffenden Algorithmus, um Schalenschwächungsbilder, welche kombiniert werden, um ein röntgenähnliches Bild zur Verfügung zu stellen, zeigen.
2 ist eine diagrammähnliche Wiedergabe eines simulierten Röntgenstrahls, welcher einen nicht-konvexen Festkörper schneidet, in welchem Vektoren für die Schwächung und Richtung eines simulierten Röntgenstrahls erhalten werden, welche zeigt, dass ein fester Körper mit nicht-konvexen Oberflächengeometrien durch das betreffende System verarbeitet werden kann.
3A–3D stellen zusammen ein Flussdiagramm des Algorithmus zum Erzeugen des röntgenähnlichen Bildes aus einem 3D-Modell von ineinander geschachtelten festen Körpern dar.
Detaillierte Beschreibung
Bezug nehmend auf 1A und 1B wird ein System 10 gezeigt, in welchem ein 3D-Modell 12, welches ineinander verschachtelte feste Körper 14, 16 und 18 aufweist, als eine Eingabe zur Verfügung gestellt ist. Das Äußere dieser ineinander geschachtelten festen Körper wird jeweils digitalisiert 20, 22 und 24. Dies digitalisiert effizient die innere Oberfläche, die mittlere Oberfläche und die äußere Oberfläche der ineinander verschachtelten festen Körper. Darüber hinaus werden jeweils Massenschwächungen den inneren, mittleren und äußeren festen Körpern zugewiesen 26, 28 und 30. Das Ergebnis ist eine Menge von Schalen 32, 34 und 36, welche diesen Oberflächen, die mit ei nem einheitlichen Material, welches eine vorbestimmte Massenschwächungscharakteristik aufweist, gefüllt sind, entsprechen.
Diese Schalen werden als ineinander geschachtelt registriert 38, um eine registrierte Schalengeometrie 40, welche die Oberflächengeometrien gegenseitig in Beziehung setzt, zu erzeugen. Diese Oberflächengeometrien werden mit jeweiligen Wiedergebern 42, 44 und 46 wiedergegeben.
Die anderen Eingaben in die Wiedergeber sind eine Röntgenstrahlbeschreibung 50 und eine Kamerabeschreibung 52. Jeder dieser Wiedergeber stellt ein Bild seiner jeweiligen Schale zur Verfügung, so dass ein Tiefenbild für die innere Schale 54 für die innere Schale mit einem Tiefenbild für eine mittlere Schale 56 für die mittlere Schale und einem Tiefenbild für eine äußere Schale 58 erzeugt wird. Der Zweck, Tiefenbilder für Schalen zur Verfügung zu stellen, ist, den Abstand, den ein gegebener Photonenstrahl durch den festen Körper hindurchgegangen ist, anzuzeigen. Dies ist wichtig, weil der resultierende Pixelwert in dem Bild teilweise eine Funktion von der Distanz, welche der Photonenstrahl durch das Objekt zurückgelegt hat, ist. Danach werden die Schalentiefenbilder mit den Massenschwächungskoeffizienten kombiniert, um die Berechnung des Schwächungsbildes bei 60, 62 und 64 zu erlauben. Dies stellt die inneren, mittleren und äußeren Schalenschwächungsbilder 66, 68 und 70 zur Verfügung, welche schattiert sind, um ihre Dichten anzuzeigen. Die Schwächungsbilder werden Pixel für Pixel in einem Multiplikationsprozess 72 kombiniert, dessen Ergebnis wie illustriert ein kombiniertes simuliertes Röntgenbild 74 mit den ineinander geschachtelten festen Körpern 14', 16' und 18' ist.
Das Ergebnis ist die Bildung eines Bildes, welches die inneren Oberflächen und die Konsistenz des ursprünglichen festen Körpers auf eine Art und Weise beschreibt, bei welcher die ausgewählten Oberflächen leicht sichtbar sind und bei welcher die relativen Dichten auch gezeigt werden. Dies stellt ein exzellentes Übungswerkzeug zur Verfügung, um Übende, was die inneren Charakteristika des in Frage stehenden Objekts betrifft, anzuweisen.
Bezug nehmend auf 2 wird ein nicht-konvexes Objekt 80 gezeigt, welches eine zwiebelförmige obere Region 82, eine größere untere zwiebelförmige Region 84 und einen halsigen unteren Abschnitt 86 aufweist. Der Zweck der 2 ist es anzuzeigen, dass es möglich ist, eine genau Pfadlänge durch ein nicht-konvexes Objekt zu erhalten. Es wurde ursprünglich angenommen, dass das System lediglich ineinander verschachtelten konvexen Schalen Rechnung tragen könnte aufgrund der Einfachheit, mit welcher die Pfadlänge durch die ineinander verschachtelten Schalen beschrieben werden konnte. Es wurde jedoch herausgefunden, dass nicht-konvexe Abschnitte des festen Körpers adäquat durch Verwendung von Skalarproduktvergleichen des Augenvektors und der Oberflächennormalen beschrieben werden können. Zum Zwecke der Diskussion wird festgelegt, dass der simulierte Röntgenstrahl durch das Objekt entlang eines so genannten Augenvektors geht. Hier wird der Augenvektor über den Pfeil 88 so gekennzeichnet, dass der Vektor wie gewohnt auf das Auge 89 zeigt, wohingegen die verschiedenen Oberflächen des Objekts, durch welche der Augenvektor geht, über 90, 92, 94 und 96 illustriert werden und als Grenzoberflächenfüllstücke bezeichnet werden. Normalen auf die Oberflächenfüllstücke an Eintritts- oder Austrittspunkt des Augenvektors werden mit 98, 100, 102 und 104 bezeichnet.
Diese Normalen bezeichnen diejenige Richtung, der man folgt, um den festen Körper zu verlassen. Der Zweck der Verwendung des oben erwähnten Skalarproduktes ist es zu ermöglichen, Raum zwischen Abschnitten der festen Körper entlang des Augenvektors zu bestimmen. Um die Hohlräume oder offenen Räume entlang dieses Augenvektors zu bestimmen, muss man Eintrittspunkte und Austrittspunkte des Augenvektors bestimmen. Dies wird in einer Ausführungsform erreicht, indem ein Skalarprodukt des Augenvektors, der Oberflächennormale zur Verfügung gestellt wird und indem bestimmt wird, ob dieses Skalarprodukt entweder positiv, negativ oder null ist. Wenn das Skalarprodukt negativ ist, wird der Schnittpunkt als ein Eintrittspunkt angesehen. Wenn das Skalarprodukt positiv ist, wird der Schnittpunkt als ein Austrittpunkt angesehen. Das Vorzeichen des Tiefenwertes, welcher der Distanz von dem Auge oder der Quelle bis zu dem Schnittpunkt entspricht, wird entgegen den Vorzeichen des Skalarproduktes gesetzt. Der korrigierte Tiefenwert wird dann in ein Bild akkumuliert. Nach Beendigung der Akkumulationen enthält das akkumulierte Bild die Distanz, welcher der Photonenstrahl durch das Objekt gegangen ist.
Die Kenntnis eines Austrittspunktes und eines darauf folgenden Eintrittspunktes macht klar, dass es einen Hohlraum zwischen dem Austrittspunkt und dem nächsten Eintrittspunkt gibt.
Bezug nehmend auf 3 wird nun ein Flussdiagramm für das betreffende System beschrieben. Hier beginnt das Verfahren mit der registrierten Schalengeometrie, welche in 1A und 1B mit 40 illustriert ist, und fährt mit den Wiedergebern, den Bildschwächungsberechnungen, der Zurverfügungstellung von Schwächungsbildern, dem Pixel für Pixel miteinander Multiplizieren der Bilder fort und endet mit dem endgültigen röntgenähnlichen Bild, wie in 74 gezeigt.
Bezug nehmend auf 3 wird verstanden, dass, wenn bei 120 begonnen wird, man die Strahlintensität eines Bildes wie bei 122 illustriert erhalten muss, deren Zweck es ist, die Röntgenemission und den Röntgennachweise zu charakterisieren, wenn es keine schwächenden festen Körper gibt, welche aufzunehmen sind, um somit eine Grundbasislinie zur Verfügung zu stellen. Die Bildintensität der Basislinie als I₀ bezeichnet.
Dies entspricht einem ersten Durchgang des Systems von 1A und 1B, in welchem die Einheit 72, welche Bilder Pixel für Pixel multipliziert, ein Ausgangsbild benötigt, in welches die wiedergegebenen Objekte zusammengesetzt sind.
Danach, wie bei 124 illustriert, werden Pixelwerte in dem Akkumulationsbild auf die Werte in I₀, wie aus der Einheit 122 abgeleitet, gesetzt. Dann, wie in 126 illustriert, sind die Schritte für jeden mit i bezeichneten festen Körper, welcher wiederzugeben ist, wie in den Blöcken 128, 130 und 132 angezeigt. Wie noch beschrieben wird, wird für jedes Grenzfüllstück j eine Schleife durchgeführt, wobei der Begriff "Grenzfüllstück" sich auf einen kleinen Abschnitt der Grenze des festen Körpers, durch welchen der Strahl hindurchgeht, bezieht, so dass ein Normalenvektor für diesen Punkt und dieses Füllstück festgelegt werden kann. Es ist wichtig, dass diese Normalen für jedes Pixel, welches auf das Füllstück projiziert wird, festgelegt werden. Es ist ein Standardverfahren in der Computergrafik, die Grenze eines festen Körpers in kleine Füllstücke zu zerlegen, welche einfach mathematisch beschreibbar sind.
In diesem kritischen Augenblick wird die Röntgenstrahlbeschreibung und die Kamerabeschreibung auf jeden Wiedergeber auf einer Füllstück-für-Füllstück-Basis angewendet. Da die Grenze eines festen Körpers eine Ansammlung von Füllstücken ist, ist der Zweck der über Block 126 bezeichneten Schleife, die verschiedenen Grenzen für jeden der ineinander verschachtelten festen Körper ausgedrückt als eine Liste von Füllstücken zu erhalten.
Dieser Schleifenprozess wird für jeden festen Körper durchgeführt. Wie dargestellt muss man für jeden festen Körper die Pixelwerte in dem Bereichsbild R auf 0 setzen, wie bei 128 illustriert, muss die Grenzrepräsentation für das Objekt i wie in 130 illustriert erhalten und muss den Massenschwächungskoeffizient i (mu) erhalten, wobei das Ergebnis eine vollständige Charakterisierung des festen Körpers ist.
Danach wird, wie in 134 illustriert, jedes Füllstück über diese Schleife verarbeitet, um einen Bezug auf Füllstücke, welche die Grenze des festen Körpers zusammensetzen, festzulegen. Danach wird eine andere Schleife durchgeführt, wie in 136 illustriert, welche sicherstellt, dass auf die Bildpixel, welche auf das Grenzfüllstück projizieren, ebenso Bezug genommen wird.
Dieses Bezugnehmen wird durch die Blöcke 138, 140, 142, 144, 146 und 148 verwendet. Wie vorstehend be schrieben ist es wichtig, für jeden Punkt auf einem Grenzfüllstück einen Normalenvektor zu erhalten und ein Skalarprodukt mit dem Augenvektor zu erhalten, um die Pfadlänge durch den festen Körper zu berechnen. Diese Pfadlänge ist wichtig bei der Wiedergabe, weil sie den Abstand zwischen dem Eintrittspunkt und dem Austrittspunkt eines Strahls definiert. Wurde dieser Abstand festgelegt, bezeichnet, um zu wissen, ob ein Hohlraum vorliegt oder nicht, das Vorzeichen des Skalarproduktes entweder einen Eintritts- oder einen Austrittspunkt.
Wie man sieht, erhält man zuerst den Normalenvektor (nv) für den Punkt k auf dem Grenzfüllstück j. Dies legt eine Übereinstimmung zwischen dem Punkt in dem Füllstück und dem Bildpixel, welches in dem endgültigen wiedergegebenen Bild ausgebildet wird, fest.
Danach erhält man, wie bei 140 illustriert, das Skalarprodukt des Augenvektors und des Normalenvektors, um ein Skalarprodukt dp hervorzubringen. Wenn das Skalarprodukt gleich 0 ist, wie in Entscheidungsblock 142 illustiert, fährt der Prozess wie in 150 illustriert fort, was in einer Schleife auf Block 136 zur Verarbeitung eines anderen Pixels in diesem Grenzfüllstück zurückkehrt.
Wenn das Skalarprodukt nicht gleich 0 ist und wie in 144 illustriert ist, berechnet das System den Abstand von dem Augenpunkt zu dem Punkt k des Grenzfüllstücks j. Dieser Abstand wird Block 146 zur Verfügung gestellt, welcher das Vorzeichen des Abstandes d auf das gegenteilige Vorzeichen des Vorzeichens des Skalarproduktes setzt. Hat man das Vorzeichen des Abstandes auf das gegenteilige Vorzeichen des Skalarproduktes gesetzt, addiert man den Abstand zu ei nem Akkumulationsbild, so dass der Pixelwert in R am Ort K um d erhöht wird. Das Ergebnis der Erhöhung ist, die Pfadlänge des einfallenden Strahls durch das Festkörperobjekt zu erhalten.
Sind einmal alle Grenzfüllstücke verarbeitet, wie in 15 illustriert ist, erlaubt die Schleife, dass das Ergebnisbild zusammengesetzt wird. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass der Pixelwert von Bild R am Pixelort m erhalten wird. Dieser Wert wird als x bezeichnet, wie in 154 illustriert ist.
Die Schwächungsberechnung wird, wie in den Blöcken 60, 62 und 64 von 1A und 1B gezeigt, wie in 156 gezeigt in Übereinstimmung mit der obigen Gleichung 1 durchgeführt, um als eine Ausgabe die prozentuale Schwächung des Strahls zur Verfügung zu stellen. Mit anderen Worten ist es nun, nachdem die Pfadlänge und der Massenschwächungswert erhalten wurden, möglich, die Wiedergabe des Bildes zu beenden. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass der Schwächungswert in das Akkumulationsbild, welches anfänglich I₀ hält, multipliziert wird, und wird bei Block 158 bewerkstelligt. Es ist zu beachten, dass dies ein iterativer Prozess ist, welcher, wie in 160 gezeigt, sich für jedes Pixel fortsetzt, bis alle festen Körper im Speicher wiedergegeben sind.
Danach wird, wie bei 162 gezeigt, das akkumulierte Bild dargestellt, und der Prozess endet, wie in 164 gezeigt.
Was nun dargestellt wird, ist ein Programmlisting für die Wiedergabe von röntgenähnlichen Bildern.
Was nun dargestellt wird, ist ein Programmlisting für die Wiedergabe von röntgenähnlichen Bildern.
Nachdem nun einige wenige Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass das Vorstehende lediglich illustrativ ist und nicht beschränkend wirkt, also lediglich als Beispiel präsentiert wurde. Zahlreiche Modifikationen und andere Ausführungsformen liegen innerhalb des Spielraums eines Fachmannes und werden von ihm als in den Wirkungsbereich der Erfindung, wie sie durch die angehängten Ansprüche definiert ist, und bezüglich Äquivalenten hierzu, angesehen wird.

Claims

Objektwiedergabesystem (10) zum Umwandeln eines Materials und einer geometrischen Beschreibung eines Objekts in ein röntgenähnliches Bild (74) des Objekts, welches aufweist: Mittel (40, 42, 44, 46, 50, 52) zum Nachahmen des Durchgangs eines Röntgenstrahls durch das Objekt, wobei der Strahl simulierte Photonen hat; Mittel (60, 62, 64, 156) zum Nachahmen der Dämpfung des simulierten Röntgenstrahls, wenn er durch das Objekt hindurchgeht; Mittel (66, 68, 70, 72, 162), die auf die Dämpfung des simulierten Röntgenstrahls ansprechen zur Wiedergabe des Objekts in einem Röntgenformat; wodurch Objekte einem Beobachter in einer Weise präsentiert werden können, die ähnlich der is, die der Beobachter sehen würde, wenn das Objekt Röntgenstrahlen ausgesetzt wäre; Mittel zum Zersetzen des Objekts in eine Anzahl von verschachtelten festen Körpern (14, 16, 18) mit verschachtelten Oberflächen, die durch Grenzen definiert sind, wobei jeder der verschachtelten festen Körper (14, 16, 18) einen vorbestimmten Massendämpfungskoeffizienten hat; und Mittel (20, 22, 24) zum Errichten der Grenzen der verschachtelten festen Körper enthaltend Mittel zum Vorsehen eines 3D-Modells der verschachtelten festen Körper, welches 3D-Modell vorbestimmte Merkmale des Objekts an inneren Stellen von diesem enthält, welche Mittel zum Nachahmen des Durchgangs eines Röntgenstrahls durch das Objekt Mittel zum Nachahmen des Durchgangs des simulierten Röntgenstrahls durch zumindest einen der verschachtelten festen Körper enthalten, wobei jeder der verschachtelten festen Körper unabhängig wiedergegeben wird (42, 44, 46), gekennzeichnet durch Mittel (88, 98, 100, 102, 104, 138) zum Bestimmen, ob der Strahl in ein verschachteltes Objekt eintritt oder aus diesem austritt, und Mittel (140), die hierauf ansprechen, um die Anwesenheit eines Hohlraums entlang des Pfades des Strahls zu bestimmen, wobei die Mittel zum Bestimmen, ob der Strahl in ein verschachteltes Objekt eintritt oder aus diesem austritt, Mittel (138) zum Errichten eines Oberflächennormalenvektors (98, 100, 102, 104) an einem Punkt, an dem der Strahl in den verschachtelten festen Körper eintritt oder diesen verlässt, enthalten, welcher Oberflächennormalenvektor eine Größe entsprechend der Anzahl von ungedämpften Photonen, die mit den Strahl assoziiert sind, und eine Richtung entsprechend der Richtung von simulierten Photonen, die an diesem Punkt von dem simulierten Strahl verstreut sind, hat, sowie zum Errichten eines Augenvektors (88) mit einer Richtung in der Richtung des Strahls und einer Größe gleich dem Abstand zwischen der Quelle des Strahls und dem Punkt, an dem der Strahl in den verschachtelten festen Körper eintritt oder diesen verlässt, enthalten.
System nach Anspruch 1, bei dem die den Hohlraum bestimmenden Mittel ein Pixel an dem Punkt auf der Oberfläche eines verschachtelten Objekts, an dem der Strahl eintritt oder austritt, und Mittel zum Berechnen des Punktprodukts des Oberflächennormalenvektors mit dem Augenvektor zur Feststellung, ob der Strahl in die Oberfläche eintritt oder aus dieser austritt, enthalten.
System nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend Mittel (26, 28, 30) zum Einstellen des Massendämpfungskoeffizienten jedes der verschachtelten festen Körper.
System nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend Mittel (38, 40) zum Registrieren des 3D-Modells in einem 3D-Koordinatensystem, das einen nachgeahmten Röntgenstrahlen-Photonenemitter, die Grenzen der verschachtelten festen Körper und ein Szenegraph, das sich auf alle Objekt in einer Szene, die die verschachtelten festen Körper enthält, bezieht, enthalten.
System nach Anspruch 1, bei dem das 3D-Model manuell gebildet ist.
System nach Anspruch 1, bei dem das 3D-Modell aus einer CT-Abtastung eines realen körperlichen Objekts erhalten ist.
Verfahren zum Umwandeln eines Materials und einer geometrischen Beschreibung eines Objekts in ein röntgenartiges Bild (74) des Objekts, welches die Schritte aufweist: Vorsehen (12) eines 3D-Modells von verschachtelten festen Körpern entsprechend verschachtelten Bereichen des Objekts; Digitalisieren (20, 22, 24) der festen Körper, um Oberflächen entsprechend jedem der verschachtelten festen Körper vorzusehen; Zuweisen (26, 28, 30) von Massendämpfungen zu den festen Körpern, die durch jede der Oberflächen begrenzt sind, und Zuweisen einer entsprechenden Massendämpfungscharakteristik zu der assoziierten Oberfläche, wobei die Oberflächen verschachtelte Schalen (32, 34, 36) bilden, von denen jede eine hiermit assoziierte vorbestimmte Massendämpfungscharakteristik hat; positionsmäßiges (38) Registrieren der Schalen in einem Szenegraph, um eine registrierte Schalengeometrie (40) vorzusehen für die gegenseitige Inbeziehungsetzung der Oberflächengeometrien der Schalen; Hindurchführen (50, 52) eines simulierten Röntgenstrahls durch das Material und die geometrische Beschreibung des Objekts, während der simulierte Röntgenstrahl gemäß den Massendämpfungskoeffizienten und den Massendämpfungscharakteristiken gedämpft wird; unabhängiges Wiedergeben (42, 44, 46), der Schalen, um die Pfadlänge des durch die Schalen, durch die der Strahl hindurchgeht, begrenzten festen Körpers zu erhalten, um ein Tiefenbild (54, 56, 58) jeder der Schalen vorzusehen, wodurch der von einem gegebenen Strahl durch den entsprechenden festen Körper zurückgelegte Abstand angezeigt wird; Kombinieren jedes der Schalentiefenbilders mit assoziierten Massendämpfungskoeffizienten durch Berechnen des Dämpfungsbildes (60, 62, 64) für jede Schale unter Verwendung des entsprechenden Massendämpfungskoeffizienten, um hierdurch schattierte Schalendämpfungsbilder (66, 68, 70) für die Anzeige von deren Dichte zu erhalten; und Kombinieren (72) der schattierten Dämpfungsbilder, um ein kombiniertes simuliertes Röntgenbild (74) mit darin dargestellten verschachtelten festen Körpern vorzusehen, gekennzeichnet durch Bestimmen, ob der Strahl in ein verschachteltes Objekt eintritt oder aus diesem austritt, und in Abhängigkeit hiervon Bestimmen der Anwesenheit eines Hohlraums entlang des Pfades des Strahls; Errichten (138) eines Oberflächennormalenvektors (98, 100, 102, 104) an einem Punkt, an dem der Strahl in den verschachtelten festen Körper eintritt oder aus diesem austritt, welcher Oberflächennormalenvektor eine Größe entsprechend der Anzahl von ungedämpften Photonen, die mit dem Strahl assoziiert sind, und eine Richtung entsprechend der Richtung von simulierten Photonen, die an dem Punkt von dem simulierten Strahl zerstreut sind, hat; und Errichten eines Augenvektors (88) mit einer Richtung in der Richtung des Strahls und einer Größe gleich dem Abstand zwischen der Quelle des Strahls und dem Punkt, an dem der Strahl in den verschachtelten festen Körper eintritt oder aus diesem austritt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Hohlraumbestimmung ein Pixel an dem Punkt auf der Oberfläche eines verschachtelten Objekts, an dem der Strahl eintritt oder austritt, enthält, und bei dem das Punktprodukt des Oberflächennormalenvektors mit dem Augenvektor berechnet wird für die Feststellung, ob der Strahl in die Oberfläche eintritt oder aus dieser austritt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Wiedergabeschritt die Schritte des Vorsehens einer vorbestimmten Röntgenstrahlenbeschreibung und einer vorbestimmten Kamerabeschreibung und des Berechnens der wiedergegebenen Pfadlängen unter Verwendung der Röntgenstrahlenbeschreibung und der Kamerabeschreibung enthält.