Die Spiegelung des Dickdarms (Kolon)
mit einem Endoskop wird in der Medizin als Koloskopie bezeichnet,
die hierfür
speziell entwickelten Endoskope als Koloskope. Ein solches Koloskop
umfasst ein optisches System, das i.d.R. mit einem Bildschirm verbunden
ist, um einem Arzt eine Diagnose zu ermöglichen. Die Einführung des
Koloskops in den Darmbereich wird von vielen Patienten als unangenehm
oder gar schmerzhaft empfunden, und es besteht immer die Gefahr,
insbesondere bei Entzündungen
der Darmwand, dass mit dem Koloskop die Darmwand durchstoßen wird.
Als Alternative wurde daher die virtuelle
Koloskopie entwickelt, bei der kein materielles Koloskop mehr in
den Körper
des Patienten eingeführt
werden muss. Stattdessen werden anstelle von Koloskopen die Methoden
und Apparate der Computertomographie/Kernspintomographie verwendet,
um Messdaten aufzunehmen und diese Daten optisch darzustellen. Die
Entwicklung der virtuellen Koloskopie wurde maßgeblich dadurch unterstützt, dass
die Durchführung
von aufwendigen Bildverarbeitungsvertahren wegen der hohen Rechenleistung
neuerer Computer mittlerweile problemlos möglich ist.
Für
die virtuelle Koloskopie wird eine große Zahl von parallelen Schnitten
ortsaufgelöst
mit einer Tomographieeinrichtung aufgenommen. Jedem dieser Schnitte
entspricht ein Satz zweidimensionaler Bilddaten. Diese Sätze werden
rechnergestützt
in einen dreidimensionalen Bilddatensatz umgewandelt. Aus dem dreidimensionalen
Bilddatensatz können wiederum
zweidimensionale Bilddaten berechnet werden, die unabhängig von
der Schnittausrichtung bei der eigentlichen Messung sind, z.B. schräg dazu. Die
zwei- und dreidimensionalen Bilddaten werden in der Regel auf zweidimensionalen
Wiedergabeeinrichtungen (Monitor, Foto, etc) wiedergegeben, und zwar
als Schnittbilder (d.h. alle abgebildeten Bildpunkte entstammen
einer Schnittebene) oder als quasi-dreidimensionale Bilder, die
einen räumlichen Eindruck
auf ähnliche
Weise vermitteln, wie eine herkömmliche
Fotographie (die abgebildeten Bildpunkte entstammen keiner Ebene).
Es ist hierzu zu bemerken, dass a
priori keine Festlegungen gemacht werden können, welche der Ansichten
für eine
möglichst
aussagekräftige
Diagnose am besten geeignet ist. Obwohl die räumlichen (quasi-dreidimensionalen)
Darstellungen wegen des vermittelten räumlichen Eindrucks sehr anschaulich sind
und dadurch hilfreich für
die Orientierung sind, können
aber gerade in diesen Darstellungen Krankheitsbefunde wie Läsionen etc.
durch Gewebe (z.B. eine Darmfalte) verdeckt werden und dadurch nicht sichtbar
sein. In Schnittbildern kommen dagegen solche Verdeckungen nicht
vor, allerdings sind sie bei der Ausführung einer Behandlung, die
für gewöhnlich eine
Koordination in drei Raumrichtungen erfordert, wenig hilfreich.
Beschreibung
der Erfindung
Angesichts der oben beschriebenen
Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen
bereitzustellen, mit denen die geschilderten Nachteile der virtuellen
Koloskopie vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren
von Anspruch 1, durch das Computerprogrammprodukt von Anspruch 8
und das Bildverarbeitungs- und Bildwiedergabesystem mit den Merkmalen
von Anspruch 9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Wiewohl die Erfindung speziell für die Bedürfnisse
der virtuellen Koloskopie entwickelt wurde und im Hinblick auf dieses
Anwendungsgebiet beschrieben wird, versteht sich von selbst, dass
sich die Grundgedanken der Erfindung auf jeden beliebigen dreidimensionalen
Datensatz anwenden lassen. Mögliche
weitere Anwendungsgebiete in der Medizin sind alle Arten der virtuellen
Endoskopie, andere Tomographieverfahren, Ultraschalluntersuchungsmethoden,
Röntgenuntersuchungen
mit Tracerstoffen, etc. Mögliche
Einsatzgebiete außerhalb
der Medizin umfassen atmosphärische
Untersuchungen (z.B. Meteorologie, Klimatologie), Seismologie, Erkundung
von Rohstofflagerstätten
(Erz-/Kohle-/Erdöl-/Erdgas-Vorkommen,
etc.), Materialprüfung,
etc.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein dreidimensionaler Bilddatensatz für eine Bildwiedergabe in wenigstens
zwei unterschiedlichen Darstellungen verarbeitet und eine Wiedergabe
der wenigstens zwei unterschiedlichen Darstellungen realisiert, wobei
ein in einer der Darstellungen abgebildeter Bildbereich markierbar
ist, und für
die wenigstens eine weitere Darstellung die Relativlage des markierten
Bildbereichs berechnet und in der Darstellung angezeigt wird.
So können beispielsweise aus dem
mittels virtueller Koloskopie ermittelten dreidimensionalen Datensatz
Bilddaten für
(wenigstens) eine Schnittansicht und Bilddaten für (wenigstens) eine räumliche Ansicht
extrahiert werden, von denen erstere zum Nachweis einer Anomalie
geeigneter ist (sind), während
letztere das räumliche
Vorstellungsvermögen besser
anspricht (ansprechen). Da von vornherein kaum vorhergesagt werden
kann, welche der Ansichten zur Diagnose am geeignetsten ist, kann
durch die Verwendung unterschiedlicher Ansichten, insbesondere auch
mehrerer unterschiedlicher Schnittansichten und mehrerer unterschiedlicher
räumlicher
Ansichten eine zuverlässigere
Diagnose getroffen werden.
Wenn eine der Ansichten eine solche
Anomalie aufweist, so kann der anomale Bereich in dieser Darstellung
z.B. mittels eines Mausklicks, eines Markierungspolygons, oder anderer
Markierungsverfahren markiert werden. Nach dem Markieren wird automatisch
berechnet, wo der markierte Bereich in der weiteren Darstellung
bzw. wie er relativ zu der weiteren Darstellung liegt.
Ist der in der ersten Darstellung
markierte Bereich auch in der zweiten Darstellung sichtbar abgebildet,
so kann dies beispielsweise durch eine durchgezogene Umrandung,
einen durchgezogenen Umkreis, etc. des entsprechenden Bildausschnitts
in der zweiten Darstellung angezeigt werden. Ist der Bereich dagegen
in der zweiten Darstellung durch Körpergewebe verdeckt oder liegt
er im Fall von Schnittbildern oberhalb oder unterhalb der abgebildeten
Ebene, so kann dies beispielsweise durch eine strichlinierte Markierung
angezeigt werden. Dies hat ferner den Vorteile, dass mehrere Ärzte, beispielsweise
mit unterschiedlicher Erfahrung, insbesondere aber solche aus unterschiedlichen
Fachbereichen (z.B. Radiologen und Gastroenterologen), deren Standardarbeitsansichten
oft verschieden sind, präziser
miteinander kommunizieren können,
da die Gefahr missverständlicher
Diagnosen oder Interpretationen verringert wird. In den Auswirkungen
führt dies zu
verbesserter Zusammenarbeit zwischen den Ärzten und zu einer besseren
und damit im Endeffekt auch zu einer kostengünstigeren Behandlung.
Hat die Markierung eine bestimmte
geometrische Form, so ist es vorteilhaft, wenn diese für die weiteren
Darstellungen entsprechend der geänderten Blickrichtungen deformiert
wird, so dass dem Betrachter ein perspektivischer Eindruck vermittelt
wird.
Was oben für eine weitere oder eine zweite Darstellung
erläutert
wurde, läßt sich
natürlich
auf eine Vielzahl von weiteren Darstellungen erweitern. Die verschiedenen
Darstellungen können
beispielsweise gleichzeitig mit ein- und derselben Wiedergabeeinrichtung
(z.B. Monitor) wiedergegeben werden, wobei alle im gleichen Format
oder gemäß ihrer
Signifikanz unterschiedlich groß wiedergegeben
werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ausschließlich mit
Schnittansichten oder mit räumlichen Darstellungen
durchgeführt
werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens
kommen aber besonders dann voll zur Geltung, bei der wenigstens
eine Darstellung eine Schnittansicht ist und wenigstens eine Darstellung
eine räumliche
Ansicht ist, da diese Darstellungen – was ihre jeweiligen Vor-
und Nachteile anbelangt – gewissermaßen komplementär sind.
Vorzugsweise umfassen die wenigstens
eine Schnittansicht eine axiale Ansicht und/oder eine frontale Ansicht
und/oder eine sagittale Ansicht und/oder eine Schrägansicht,
und die wenigstens eine räumliche
Ansicht eine Wandansicht (Schleimhaut ansicht) und/oder eine Intraluminalansicht.
Dies sind spezielle, den Fachleuten auf diesem Gebiet in der Regel vertraute
Ansichten, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher beschrieben werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfassen die wenigstens zwei unterschiedlichen Darstellungen eine
Topogramm-Ansicht (die unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur
näher beschrieben
wird), die einen optimalen Überblick über den
untersuchten Bereich gibt und für
die rechnergestützte
Verfahren existieren, um den Darmverlauf automatisch zu visualisieren.
Dadurch kann im dargestellten Darmverlauf eine
Position markiert werden, an dem eine Anomalie vermutet wird oder
der aus anderen Gründen
untersucht werden soll, worauf der entsprechend markierte Bereich
bzw. seine Relativlage in der weiteren Darstellungen bzw. in den übrigen Darstellungen
angezeigt werden.
Umgekehrt kann eine in einer anderen
Darstellung gefundene und dort markierte Anomalie am im Topogramm
wiedergegebenen Darmverlauf angezeigt werden und so eine hilfreiche
Information für eine
Diagnose/Therapie bereitgestellt werden.
Wird in einer der Darstellungen eine
Anomalie gefunden und markiert, so können in einer vorteilhaften
Weiterbildung die übrigen
Darstellungen so geändert
werden, dass der in der einen Darstellung markierte Bildbereich
in den übrigen
Darstellungen ebenfalls abgebildet wird. Beispielsweise können für die (übrigen)
Schnittansichten die Schnittebenen automatisch so gelegt werden,
dass in ihnen die markierte Anomalie ebenfalls visuell erkennbar
ist, beispielsweise so, dass in ihnen die Anomalie eine maximale
Querschnittsfläche
besitzt.
In einer bevorzugten Weiterbildung
erfolgt die Markierung manuell; beispielsweise über ein Eingabegerät wie einer
Computer-Maus, einer Computer-Tastatur, durch Bildschirmberührung (Touchpad), etc.
Alternativ oder ergänzend
dazu kann das Markieren des abgebildeten Bildbereichs über automatisches
Struktur- und/oder Texturerkennungsverfahren erfolgen, die anhand
der speziellen Charakteristiken von Anomalien diese in einem Bild
erkennen können.
Das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren
und dessen bevorzugte Weiterbildungen lassen sich besonders gut
auf dem Gebiet der virtuellen Endoskopie, insbesondere der virtuellen
Koloskopie (aber auch in benachbarten Bereichen wie virtueller Bronchioskopie,
Intestinoskopie, NHN-Endoskopie, Ventrikel-Endoskopie), einsetzen.
Durch die interaktive Wechselwirkung zwischen den verschiedenen
Darstellungen können
die komplementären Vorteile
verschiedener Darstellungen genutzt werden und somit die für jede spezielle
Darstellung spezifischen Nachteile umgangen werden.
Es ist beispielsweise auch ein Einsatz
des erfindungsgemäßen Verfahrens
in der konventionellen Koloskopie möglich, da auch ein Ultraschallkopf an
einem konventionellen Koloskop vergleichbare 3D-Datensätze liefert.
Die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe wird ferner durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, das
durch einen Computer auslesbar bzw. in einem Computer implementierbar
ist, und zum Ausführen
der Schritte (a) Verarbeiten eines dreidimensionalen Bilddatensatzes
für eine
Bildwiedergabe in wenigstens zwei unterschiedlichen Darstellungen, und
(d) Berechnen für
die wenigstens eine weitere Darstellung die Relativlage des markierten
Bildbereichs.
Das Computerprogrammprodukt verarbeitet den
dreidimensionalen Bilddatensatz für eine Wiedergabe der vom dreidimensionalen
Bilddatensatz abgeleiteten Bilder in unterschiedlichen Darstellungen.
Eine in einer der Darstellungen nachträglich angebrachte Markierung
wird so verarbeitet, dass eine Relativlage der Markierung für die übrigen Darstellungen
berechnet und die entsprechenden Bilddaten unter Berücksichtigung
der berechneten Werte modifiziert werden, so dass die Relativlage
der Markierung in den übrigen
Darstellungen eingeblendet werden kann.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch
ein Bildverarbeitungs- und Bildwiedergabesystem mit wenigstens einer
Einrichtung, beispielsweise einen Monitor, zur bildlichen Wiedergabe
eines dreidimensionalen Bilddatensatzes in wenigstens zwei unterschiedlichen
Darstellungen; einer Einrichtung, beispielsweise einer Computermaus,
um einen in einer der Darstellungen abgebildeten Bildbereich in
dieser Darstellung zu markieren, einer Einrichtung, um die relative
Lage des in der einen Darstellung markierten Bildbereichs für die wenigstens
eine weitere Darstellung zu berechnen.
Vorzugsweise ist in der Einrichtung
zum Berechnen der relativen Lage des in der einen Darstellung markierten
Bildbereichs für
die wenigstens eine weitere Darstellung das oben beschriebenen Computerprogrammprodukt
implementiert.
Nachfolgend werden die Erfindung
und ihre Vorteile anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Figur beschrieben.
1 zeigt
die nützlichsten
Ansichten aus der virtuellen Kolloskopie gemeinsam in eine Benutzeroberfläche integriert
Für spezielle
Ansichten haben sich spezielle englischsprachige Bezeichnungen eingebürgert, die
nachfolgend erläutert
werden: Die obere Reihe in 1 zeigt
vier zweidimensionale Ansichten, und zwar von links nach rechts
der Reihe nach:
- – eine axiale Ansicht oder „Axial
View" 1, entsprechend
einen Schnitt senkrecht zur Körperlängsachse,
- – eine
frontale Ansicht oder „Frontal
View" 2,
- – eine
seitliche Ansicht oder „Sagittal
View" 3, und
- – eine
schräge
Ansicht oder „Oblique
View" 4.
Die Schnittebenen der drei Schnittbilder 1, 2, 3 stehen
senkrecht zueinander. Die Orientierung der schrägen Ansicht 4 ist
beliebig. Ihre Flächennormale wird
zweckmäßigerweise
entsprechend einer Achse oder Vorzugsrichtung eines zu untersuchenden
Organs gelegt.
Das zweidimensionale Schnittbild 4 wird
aus dem erstellten dreidimensionalen Datensatz berechnet, der wiederum
aus der Vielzahl der zweidimensionalen Messdatensätzen erstellt
wurde.
Die Darstellungen 5 bis 8 sind
keine Schnittansichten, sondern vermitteln einen räumlichen
Eindruck und damit eine Übersicht über die
untersuchte Körperregion.
Die Darstellungen 4 und 5 werden
Wandansichten oder „Wall
Views" genannt.
Diese Bilder entstehen dadurch, dass das Darmrohr virtuell parallel zur
Längsachse
aufgeschnitten wird und die Aufnahmen mit virtuellen Kameras gemacht
werden, die senkrecht zur Längsachse
ausgerichtet sind. Man unterscheidet zwischen „Anterior Wall View" 5 und „Posterior
Wall View" 6 und,
je nachdem, ob es sich um eine gegenüberliegende oder rückseitige
Aufnahme der Darmwand handelt.
Die beiden Ansichten 7 und 8 von 1 sind die für einen
Intemisten gewohnten Darstellungen. Zusammen mit der Erfahrung des
Internisten vermitteln sie eine gewisse räumliche Vorstellung vom zu untersuchenden
bzw. behandelnden Bereich.
Die intraluminale Ansicht oder „Intralumional View" 7 entspricht dem
mit einer konventionellen Darmspieglung erhaltenen Bild vom Inneren
des Darmrohrs, mit dem Unterschied, dass es mit einem virtuellen
Koloskop erstellt wurde.
Die Topogramm-Ansicht oder „Topogram View" 8 schließlich entspricht
vom Aussehen her einer herkömmlichen
Röntgenaufnahme,
wurde aber ebenfalls aus dem dreidimensionalen Datensatz des Tomographieverfahrens
erstellt. Die in der Figur ersichtliche Schlangenlinie ist ein virtueller
Weg durch den Dickdarm, der automatisch durch einen Computer generiert
wird.
Fällt
dem untersuchenden Arzt in einem der Bilder eine etwaige krankhafte
Veränderung
(Anomalie) an der Darmschleimhaut auf, so kann er in diesem Bild
per Mausklick den entsprechenden Bereich auswählen und erhält in allen
anderen Bildern die entsprechende Position, und zwar in den Schnittansichten
(zweidimensionalen Bildern), als auch in den räumlichen Darstellungen (quasi-dreidimensionalen Bildern).
In letzteren erscheint eine Markierung,
wenn die Anomalie, z.B. eine Läsion,
für die
virtuelle Kamera sichtbar ist, und eine gestrichelte Markierung, wenn
sie für
die virtuelle Kamera nicht sichtbar ist. So weiß der Internist, der den Befund
eventuell behandeln muss, hinter welchem Gewebeteil (z.B. einer Darmfalte)
der Befund verborgen ist. Besondere Bedeutung kommt den Ansichten „Intraluminal" bzw. „Topogram" zu, das dies die
Darstellungen sind, mit denen Internisten in der Regel zu tun haben,
und die auch – was Überblick
und Anschaulichkeit anbelangt – bei
weitem am besten der räumlichen
Orientierung dienen. Zusammen mit einer Markierung am Topogramm
kann der Internist sofort die Lokalisation erkennen.