DE19543410A1 - Virtuelles Untersuchungssystem für innere Hohlräume - Google Patents

Virtuelles Untersuchungssystem für innere Hohlräume

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DE19543410A1
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    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G09B23/285—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine for injections, endoscopy, bronchoscopy, sigmoidscopy, insertion of contraceptive devices or enemas

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Darstellung von Durchgängen bzw. Verbindungsgängen innerhalb eines festen Kör­ pers, insbesondere auf die nicht-eindringende Simulation von Ansichten innerhalb von Durchgängen aus Abbildungsdaten.
Manchmal ist es erforderlich Ansichten von Durchgängen bzw. Verbindungsgängen, die sich durch feste Objekte erstrecken, von einem Ansichtspunkt innerhalb des Durchgangs bzw. Verbindungs­ gangs aus zu erhalten. Falls das Objekt ein Patient ist, ist es erforderlich, Blockierungen oder Strukturen im Dickdarm, in Eingeweiden, Bronchien, Arterien, usw. zu sehen. Ein Endoskop ist eine derartige Einrichtung, die Echtzeitansichten mit hoher Auflösung von dem inneren von hohlen Organen und Hohlräumen innerhalb des menschlichen Körpers erzeugt. Obwohl eine endos­ kopische Untersuchung meist nicht-eindringend ist, erfordern die Verfahren immer noch einige Beruhigungsmittel oder Narkoti­ ka, um die Unbequemlichkeit für den Patienten zu verringern.
Innere Ansichtseinrichtungen ähnlich dem Endoskop können bei nicht-medizinischen Anwendungen verwendet werden, um die Durch­ gänge bzw. Verbindungsgänge innerhalb einer festen Struktur zu sehen. Einige dieser Einrichtungen ermöglichen innere Ansichten nicht, da der Durchgang bzw. Verbindungsgang oder Hohlraum kei­ ne Öffnung zur Außenseite besitzen kann oder eine fortlaufende Öffnung zur Außenseite besitzt, die nicht groß genug ist, um die innere Ansichtseinrichtung aufzunehmen.
Ein weiteres Problem der inneren Ansichtseinrichtungen besteht darin, daß das Gesichtsfeld auf einen kleinen Bereich innerhalb des Durchgangs bzw. Verbindungsgangs beschränkt ist. Es ist sehr schwierig, die genaue Position innerhalb des Objekts fest­ zustellen, um das Bild von der inneren Abbildungseinrichtung mit der Gesamtstruktur des Objekts in Beziehung zu setzen bzw. zu korrelieren.
Um die Position innerhalb der Objekts zu bestimmen, wurde die Röntgenstrahl-Computer-Tomographie (CT) oder die Magnetreso­ nanz-Abbildung (MRI) verwendet, um innere anatomische Struktu­ ren des Objekts anzuzeigen. Diese Verfahren sind nicht-zer­ störende/nicht-eindringende Abbildungstechniken. Typischer­ weise wurden sie verwendet, um die mittels der inneren Abbil­ dungseinrichtung erhaltenen Bilder zu ergänzen, um zu versu­ chen, das gesehene Bild mit einer Lokalisierung innerhalb des Objekts in Beziehung zu setzen bzw. zu korrelieren.
Bei einer medizinischen Anwendung sieht ein Radiologe typi­ scherweise zweidimensionale (2D) Querschnitte und erzeugt ein mentales Bild von dreidimensionalen (3D) Strukturen und korre­ liert bzw. setzt die Bilder in Beziehung zu von innerhalb der Durchgänge bzw. Verbindungsgänge mit ihrer dreidimensionalen (3D) Lokalisierung innerhalb des Objekts. Jedoch, wenn das Ob­ jekt komplexe innere Strukturen besitzt, wie beispielsweise röhrenförmige Strukturen im Körper, die wiederholt vor und zu­ rück durch die Querschnitte verlaufen, treten Probleme auf.
Gegenwärtig besteht ein Bedarf nach einer Einrichtung, die nicht-eindringend Bilder von inneren Durchgängen bzw. Verbin­ dungsgängen eines festen Körpers anzeigt, zusammen mit einer Darstellung, wo innerhalb des Objekts die Ansicht erfaßt wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein An­ zeigesystem zu schaffen, das nicht-eindringend Bilder von Hohl­ räumen innerhalb eines Objekts zusammen mit einem Bild zum Identifizieren des Ansichtspunkts des inneren Bilds in Bezie­ hung zum gesamten Objekt erzeugt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System zu schaffen, das einem Bediener ermöglicht, Struktu­ ren und Oberflächen innerhalb eines Hohlraums eines Objekts mit keiner Öffnung zur Außenseite des Objekts zu sehen.
Die vorliegende Erfindung erzeugt beide Arten von Ansichten, innere "virtuelle endoskopische" Ansichten und eine Gesamtan­ sicht zum Anzeigen der augenblicklichen Endoskop-Position.
Die Merkmale der Erfindung, die für neu gehalten werden, sind genau in den Ansprüchen angegeben. Die Erfindung selbst jedoch, sowohl die Anordnung als auch das Betriebsverfahren, zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen werden am besten anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung ver­ standen.
Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Systems,
Fig. 2 eine Darstellung einer zweidimensionalen (2D) Abstands­ bezeichnung zur Verwendung bei der Pfadplanung der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine Darstellung der Pfadplanung entsprechend einem Aus­ führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 eine computererzeugte Ansicht der Innenseite eines Dick­ darms eines Objekts, und
Fig. 5 ein Gesamt-"Kartenbild", das mit einem Zylindersymbol als Anzeige des Ansichtspunkts des Bilds aus Fig. 4 erzeugt ist.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Darstellung von Durch­ gängen bzw. Verbindungsgängen innen in einem Objekt und die Untersuchung von Oberflächen und Strukturen innerhalb dieser Durchgänge bzw. Verbindungsgänge.
In Fig. 1 ist ein virtuelles Untersuchungssystem für Hohlräume mit zahlreichen Untersystemen gezeigt:
  • 1. eine Bilderfassungseinrichtung 21, die zum nicht-eindrin­ genden Erzeugen von Abbildungsinformationen von inneren Struk­ turen eines Objekt geeignet ist. Dies können Röntgenstrahl- Computer-Tomographie- (Röntgenstrahl-CT) und Magnetresonanz- Abbildungs- (MRI) oder Ultraschall-Systeme sein,
  • 2. eine Segmentierungs- bzw. Gliederungseinrichtung 23, die interessierendes Gewebe innerhalb eines durch die Bildinforma­ tion beschriebenen Volumens identifiziert bzw. erkennt,
  • 3. eine Oberflächenextraktionseinrichtung 25, die polygonische bzw. vieleckige Modelle von jedem ausgewählten Gewebe erzeugt,
  • 4. eine Modellwiedergabeeinrichtung 29, die fähig ist, den po­ lygonischen bzw. vieleckigen Datensatz zu transformieren bzw. umzuwandeln und zu manipulieren,
  • 5. eine funktionell partitionierte bzw. aufgeteilte Speicher­ einrichtung zum Speichern von Abbildungsinformation, und
  • 6. optional ein Pfadfinder-Untersystem 35, das eine "sichere" Durchlaßkurve durch ein vom Bediener ausgewähltes Organ be­ rechnet.
Bilderfassung
Röntgenstrahl-, Computer-Tomographie- (CT), Magnetresonanz- Abbildungs- (MRI) oder Ultraschall-Systeme können als Erfassungs­ einrichtung 21 verwendet werden, um mehrdimensionale Abbil­ dungsinformationen bezüglich innerer Strukturen eines Objekts 3 zu erfassen. Diese Informationen kann zu einer vorausgehenden Zeit erfaßt und in einer Speichereinrichtung bzw. einem Spei­ cher 10 gespeichert werden oder kann interaktiv bzw. im Dialog­ betrieb erfaßt werden, so wie erforderlich. Die Speicherein­ richtung 10 ist funktionell derart aufgeteilt, daß zahlreiche Arten von Informationen unabhängig gespeichert werden und wiederaufgefunden werden können, ohne andere in der Speicher­ einrichtung 10 gespeicherte Informationen zu unterbrechen.
Segmentierung bzw. Gliederung
Die in der Speichereinrichtung 10 gespeicherten Informationen werden einer Segmentierungs- bzw. Gliederungseinrichtung 23 zugeführt, die die Abbildungsinformationen analysiert und an­ grenzende Lokalisierungen mit demselben Gewebetyp bestimmt und alle diese Lokalisierungen als ein Organ identifiziert bzw. erkennt. Dies segmentiert bzw. gliedert die Informationen mit­ tels der Lokalisierung in identifizierbare bzw. erkennbare feste Strukturen. Herkömmliche Segmentierungs- bzw. Gliede­ rungsverfahren können hier verwendet werden. Ein mit der vor­ liegenden Erfindung kompatibles bzw. zusammenpassendes Verfah­ ren ist im U.S. Patent 4 751 643, erteilt am 14. Juni 1988, mit dem Titel "Method and Apparatus for Determining Connected Sub­ structures Within a Body" von W. Lorensen und H. Cline, be­ schrieben. Ein zweites Verfahren, das verwendet werden kann, ist im U.S. Patent 5 187 658, erteilt am 16. Februar 1993, mit dem Titel "System and Method for Segmenting Internal Structures Contained Within The Interior Region of a Solid Object" von H. Cline und W. Lorensen, beschrieben.
Oberflächenextraktionseinrichtung
Wenn einmal die Volumenelemente (Voxel) der Abbildungsinforma­ tionen segmentiert bzw. gegliedert sind, werden sie mit Gewebe/ Organ-Identifizierungen- bzw. Kennzeichnungen bezeichnet, wobei Oberflächenmodelle aus den Volumendaten von der Abbildungsein­ richtung 21 mittels der Oberflächenextraktionseinrichtung 25 erzeugt werden können, wobei herkömmliche Techniken, wie der "Marching Cubes" Algorithmus bzw. der Algorithmus "sich fortbe­ wegender Würfel", der im U.S. Patent 4 710 876, erteilt am 1. Dezember 1987, mit dem Titel "System and Method for the Display of Surface Structures Contained Within the Interior Region of a Solid Body" von Harvey E. Cline und William E. Lorensen ("Marching Cubes Method") beschrieben ist.
Das "Marching Cubes" Verfahren bzw. das Verfahren "sich fortbe­ wegender Würfel" lokalisiert Oberflächenpunkte eines identifi­ zierten bzw. erkannten Gewebes unter Verwendung von linearer Interpolation, um die Gewebegrenze innerhalb eines "Würfels" zu lokalisieren, der durch acht benachbarte Volumenelemente (Voxel) definiert ist. Ein Einheitsvektor senkrecht zur Ober­ fläche wird für jeden Dreiecksvertex (triangle vertex) bzw. jede Dreiecksspitze aus dem Gradienten der Volumenelementdaten (Voxeldaten) abgeleitet. Für die endoskopische Anwendung wird eine durch Dreiecke (triangles) definierte Oberfläche über Punkte oder direkte Volumenwiedergaben bevorzugt, da die Wieder-Interpolation der Volumendaten zu berechnungsaufwendig für die gewünschten interaktiven Wiedergabegeschwindigkeiten ist.
Da häufig eine große Anzahl von Dreiecken erforderlich ist, um die Oberflächen zu bilden, wird die Anzahl der Dreiecke in re­ lativ flachen Teilen der Oberfläche mittels einer Dezimierungs- bzw. Verminderungseinrichtung 27 verringert. Die Dezimierungs- bzw. Verminderungseinrichtung 27 kann viele verschiedene be­ kannte Dezimierungs- bzw. Verminderungsverfahren verwenden, wie beispielsweise die "Dezimierungs- bzw. Verminderungs-Anwendung bzw. "Decimation application" von Zarge und Schroeder in der U.S. Patentanmeldung Nr. 07/815 772, eingereicht am 2. Januar 1992 mit dem Titel "A Method for Reducing the Complexity of a Polygonal Mesh" von Jonathan A. Zarge und William J. Schroeder. Die dezimierte bzw. verminderte Oberfläche verbessert die Wie­ dergabegeschwindigkeiten mit lediglich einem geringen Verlust an Details.
Ein weiteres Verfahren zum Anzeigen von Modellen ist im U.S. Patent 4 719 585, erteilt am 12. Januar 1988, mit dem Titel "Dividing Cubes System and Method for the Display of Surface Structures Contained Within the Interior Region of a Solid Body" von Harvey E. Cline, Siegwalt Ludke und William E. Loren­ sen ("Dividing Cubes") beschrieben. Das Verfahren beginnt mit Volumendaten und erzeugt eine durch eine Anzahl von Punkten und mit jedem Punkt verbundenen Normal-Vektoren beschriebene Ober­ fläche eher als Polygone bzw. Vielecke. Das "Würfel-Auftei­ lungs"- bzw. "Dividing Cubes"-Verfahren wurde verwendet, um innerhalb volumetrischer Daten enthaltene Oberflächen anzu­ zeigen.
Dezimierung bzw. Verminderung kann nicht-für Anzeigen verwendet werden, die regelmäßig beabstandete Informationen benötigen, wie beispielsweise Punkt- oder normale Anzeigen.
Die dezimierten bzw. verringerten Abbildungsinformationen von der Dezimierungs- bzw. Verminderungseinrichtung 27 beschreiben ein dreidimensionales (3D) Oberflächenmodell und werden in der Speichereinrichtung 10 gespeichert. Eine Modellwiedergabeein­ richtung 29 erzeugt ein Bild des dreidimensionalen (3D) Ober­ flächenmodells, wie vom ausgewählten Ansichtspunkt aus gesehen. Die Wiedergabeeinrichtung 29 kann entsprechend herkömmlichen Computergraphik-Wiedergabeentwürfen konstruiert sein.
Virtueller Kameraansichtspunkt
Die vorliegende Erfindung kann irgendeinen von drei Wegen ver­ wenden, um einen Bildansichtspunkt des dreidimensionalen (3D) Oberflächenmodells oder eine Serie von Bildansichtspunkten, die kollektiv als ein Ansichtspunktpfad bezeichnet werden, aus­ wählen.
Bei dem ersten Weg steuert ein Bediener den Ansichtspunkt mit einer graphischen Schnittstelleneinrichtung 31, wie beispiels­ weise einer Computermaus. Die graphische Schnittstelleneinrich­ tung 31 ermöglicht die Bewegung des Bildansichtspunkts. Der Bediener 5 kann auch das Gesichtsfeld und andere Abbildungspa­ rameter der Wiedergabeeinrichtung 29 mit der graphischen Schnittstelleneinrichtung 31 steuern. Diese manuelle Technik ist am besten geeignet für Anwendungen wie Operationsplanung und Operationssimulation.
Ein zweiter Weg verwendet eine Computeranimationstechnik, ge­ nannt "Hauptinformationsbildausschnitt-Technik" bzw. "Key fra­ ming". Die Wiedergabeeinrichtung 29 bildet ein Bild von inneren Strukturen des Objekts 3 und zeigt auch die inneren Durchgänge bzw. Verbindungsgänge an. Der Bediener 5 verwendet eine graphi­ sche Schnittstelleneinrichtung 31, um verschiedene Ansichts­ punkte zum Ansehen eines Bilds auszuwählen, bekannt als "Haupt­ informationsbildausschnitte" bzw. "Key frames". Wenn die "Hauptinformationsbildausschnitte" bzw. "Key frames" einmal eingerichtet sind, erzeugt eine Pfad-Glättungseinrichtung 37 einen Pfad, der die "Hauptinformationsbildausschnitte "bzw. "Key frames" verbindet. Bekannte Glättungstechniken, wie bei­ spielsweise kubische Splinefunktionen (cubic splines), können verwendet werden. Ein virtueller Film kann mittels der Wieder­ gabeeinrichtung 29 abgespielt werden, indem nacheinander Bilder von Ansichtspunkten entlang dem geglätteten Pfad aus erzeugt werden. Dies erzeugt den Eindruck, daß der Bediener 5 eine vir­ tuelle Kamera den Pfad entlang bewegt. Die "Hauptinformations­ bildausschnitt-Technik" bzw. das "Key framing" ist geeignet für Gesamtkamerabewegungen durch offene innere und äußere Umge­ bungen.
Pfadplanung
Das Durchqueren von hohlen Organen, die der Bediener 5 untersu­ chen will, stellt eine Herausforderung für die vorstehenden er­ sten und zweiten Wege dar. Manuelle Ansichtspunktbewegung in begrenzten Räumen ist schwierig. Eine ähnliche Technik zum au­ tomatisieren der Pfadplanung wird bei der Auswahl von Ansichts­ punkten für Bilder in engen Räumen verwendet.
Dieser Weg findet automatisch einen Pfad durch einen Durchgang bzw. Verbindungsgang. Der Bediener 5 verwendet die graphische Schnittstelleneinrichtung 31 zum Spezifizieren bzw. Bestimmen einer dreidimensionalen (3D) Lokalisierung, die das endgültige Ziel für den Bildansichtspunkt ist.
Eine Navigations-Volumenberechnungs-Einrichtung 33 kennzeichnet alle Volumenelemente (Voxel) mit ihrem Abstand vom Ziel. Fig. 2 zeigt eine zweidimensionale (2D) Darstellung von Abstands­ kennzeichnung für einen einzelnen Schnitt. Das Ziel ist der Punkt G. Die Anwendung von Fig. 2 verwendet eine Wellenfront- Ausbreitungs-Technik über die Volumenelemente (Voxel). Abstände werden auf einem Gitter bestimmt, beispielsweise der Effektivi­ tät halber als "Manhattan-("Stadtblock") Abstand". Jedes Volu­ menelement (Voxel) im Navigationsvolumen, das nicht Teil eines "Hindernisses" ist, wird mit einem Integer-Abstand zum Ziel gekennzeichnet. Volumenelemente (Voxel), die Hindernisse ent­ halten werden nicht gekennzeichnet. Dies wird für alle benach­ barten Volumenelemente (Voxel) wiederholt, die nicht verarbei­ tet wurden, was in einer Verarbeitung einer "Wellenfront" re­ sultiert. Die Abstandskennzeichnung endet, wenn keine neuen Nachbarn der Wellenfront gekennzeichnet werden können.
Wenn einmal das Navigationsvolumen erzeugt ist, können Schnitte der segmentierten bzw. gegliederten Modells angezeigt werden, als ob sie anatomische Schnitte wären.
Der Bediener 5 wählt auch einen Startpunkt. Ein vorgeschlagener Ansichtspunktpfad von dem gewählten Startpunkt im Volumen zum Ziel wird von einer Pfadberechnungseinrichtung 35 mittels her­ kömmlicher Verfahren berechnet, bevorzugterweise unter Verwen­ dung einer "steilster Abfall"-Technik bzw. "Steepest descent"- Technik auf den Werten des Navigationsvolumens, die in der Speichereinrichtung 10 gespeichert sind. Die Pfadberechnungs­ einrichtung 35 kann auch einen Abstand von jedem Startpunkt zum Zielpunkt berechnen und ihn dem Bediener 5 anzeigen. Fig. 3 zeigt berechnete Pfade von zwei Startpunkten.
Eine Pfadglättungseinrichtung 37 berechnet einen glatten "Flug­ pfad", der die ausgewählten Pfadpunkte zwischen dem Startpunkt und dem Ziel unter Verwendung herkömmlicher Glättungstechniken verbindet. Da die Pfadberechnungseinrichtung 35 kleine Schritte erzeugt, während sie sich auf das Ziel zu bewegt, ist die An­ zahl der Punkte auf dem Ansichtspunktpfad typischerweise um einen Faktor 2 oder 3 zu vor der Glättung verringert.
Wenn einmal der Ansichtspunktpfad erzeugt ist, kann der Bedie­ ner 5 starten, stoppen und sich schrittweise entlang dem be­ rechneten Ansichtspunktpfad bewegen, indem geeignete Signale zur Wiedergabeeinrichtung 29 gesendet werden.
Anzeigewiedergabe
Die Wiedergabeeinrichtung 29 kann ebenso zahlreiche verschiede­ ne Anzeigealternativen verwenden.
  • 1. Dreidimensionales (3D) Einzelbild - Eine Oberflächenwieder­ gabe von inneren Strukturen eines Objekts 3 kann unter Verwen­ dung kommerziell verfügbarer Hardware bzw. Geräteausrüstung erfolgen. Transparente Wiedergaben von großen einschließenden Geweben (wie beispielsweise der Haut) ermöglichen eine ungehin­ derte Ansicht von tieferen Strukturen, während ein dreidimen­ sionaler Zusammenhang für den Benutzer geschaffen wird, wie in der U.S. Patentanmeldung Nr. 08/144 270, eingereicht am 28. Oktober 1993, mit dem Titel "Geometric Clipping Using Boolean Textures" von William E. Lorensen im Teil "Texture Mapping" ("Strukturabbildung") beschrieben.
  • 2. Stereo - Stereoskopische Betrachtung kann verwendet werden, um die Wahrnehmung von dreidimensionalen Beziehungen zu ver­ stärken. Dies erfordert, daß dem Bediener 5 zwei separate Bil­ der zugeführt werden: eines entsprechend der Ansicht des linken Auges und eines entsprechend der Ansicht des rechten Auges.
  • 3. Aufgespaltene Ansicht - Zwei Ansichten werden gleichzeitig durch die Wiedergabeeinrichtung 29 auf einer Anzeige 39 ange­ zeigt. Ein Bild ist von einem vom Bediener 5 ausgewählten An­ sichtspunkt aus, der als Gesamt-Bezugsansicht des Objekts 3 dient, die als eine Karte wirkt. Das zweite Bild ist von einem Ansichtspunkt innerhalb des Hohlraums aus.
  • 4. Wo bin ich? - Während sich entlang des erzeugten Ansichts­ punktpfads bewegende Bilder angezeigt werden, kann der Bediener 5 einen "Wo bin ich?"-Knopf auf der graphischen Schnittstelle­ neinrichtung 31 drücken, der bewirkt, das das gegenwärtige in­ nere Bild in ein Überblicksbild mit einem Symbol zum Anzeigen der Lokalisierung des inneren Ansichtspunkts des vorhergehenden inneren Bilds wechselt.
  • 5. Kamera-Nachführung in Querschnitten - Ein anderes durch die Wiedergabeeinrichtung 29 erzeugtes Fenster zeigt den gegenwär­ tigen, durch ein Symbol gekennzeichneten Ansichtspunkt auf den Original CT- oder MRI-Schnitten, die durch die Erfassungein­ richtung 21 erfaßt wurden. Dies ermöglicht die Lokalisierung in Bezug auf gewohnte Querschnittbilder.
Experimentelle Ergebnisse
Das virtuelle Untersuchungssystem für Hohlräume wurde in Berei­ chen eines lebenden Objekts getestet.
In Fig. 4 wurde eine Röntgenstrahl-Computer-Tomographie- ("CT") Einrichtung als Erfassungseinrichtung 21 verwendet, um Abbil­ dungsinformationen von inneren Strukturen eines Objekts zu er­ fassen. Die Oberflächenextraktionseinrichtung 25 extrahiert eine durch 60.000 Dreiecke beschriebene Oberfläche. Die Ansicht aus Fig. 4 ist von einem Ansichtspunkt entlang einem Ansichts­ punktpfad durch den Dickdarm aus. Die Auswahl des Ansichts­ punkts simuliert auf diese Weise ein herkömmliches Endoskop.
Fig. 5 stellt eine vergrößerte Gesamtansicht des Dickdarms dar, ein "Karten"bild, mit einem als Symbol verwendeten Zylinder zum Darstellen des bei der Erzeugung des Bilds aus Fig. 4 verwende­ ten Ansichtspunkts. Dieses "Karten"bild kann gleichzeitig durch die Wiedergabeeinrichtung 29 erzeugt und auf der Anzeigeein­ richtung 39 angezeigt werden, um die Lokalisierung der simu­ lierten endoskopischen Ansicht aus Fig. 4 zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung wurde auch beim einem Schädel, Ge­ hirnadern und der Aorta eines lebenden Objekts verwendet, wobei alle hervorragende Bilder erzeugten. Die vorliegende Erfindung bildet nicht-eindringend eine vergrößerte Darstellung von medi­ zinisch wichtigen Strukturen, wie beispielsweise Ablagerungen in Adern, Polypen im gastrointestinalen bzw. Magen und Darm betreffenden Trakt bzw. System, um zu einer frühzeitigen Erken­ nung und Behandlung potentieller ernsthafter Krankheiten zu führen.
Die vorliegende Erfindung kann auch bei nicht-lebenden oder leblosen Objekten verwendet werden. Alles, was erforderlich ist, sind Abbildungsinformationen über die inneren Strukturen. Diese können, wie vorstehend beschrieben, erfaßt werden oder mittels von rechnergestützten Entwicklungs- und Konstruktions-/Fer­ tigungs- (CAD/CAM) Verfahren synthetisiert werden.
Die Abbildungsinformationen können in zahlreichen Formen zuge­ führt werden und erfordern nicht alle Verarbeitungsschritte, wie sie vorstehend beschrieben sind. Beispielsweise können die Abbildungsinformationen bereits als segmentierte bzw. geglie­ derte Informationen gebildet werden und daher ist die Segmen­ tierungs- bzw. Gliederungseinrichtung 23 nicht erforderlich. Ähnlich, falls die Abbildungsinformationen als Oberflächen ge­ bildet werden, ist die Oberflächenextraktionseinrichtung 25 nicht erforderlich. Ebenso können die Oberflächen bereits dezi­ miert bzw. vermindert werden, wodurch die Dezimierungs- bzw. Verminderungseinrichtung 27 wegfällt.
Die mittels der vorliegenden Erfindung erzeugten inneren An­ sichten simulieren die Arten von Ansichten, die mit Hohlraum- Untersuchungseinrichtungen erhalten werden können, wie bei­ spielsweise mit Endoskopen. Verglichen mit realen endosko­ pischen Ansichten besitzt die vorliegende Erfindung die folgen­ den Vorteile:
  • 1. Interaktive Steuerung aller virtuellen Kameraparameter ein­ schließlich des Gesichtsfelds,
  • 2. Möglichkeit die Wände des Organs zu passieren, um benachbar­ te Anatomie zu sehen,
  • 3. Möglichkeit die dreidimensionale (3D) Position des Ansichts­ punkts eines inneren Bildhohlraums zu lokalisieren,
  • 4. Benutzergesteuerte Bewegung entlang einem computererzeugten Pfad, und
  • 5. unbegrenzte Schärfentiefe.
Während einige derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Er­ findung vorstehend detailliert beschrieben wurden, werden zahl­ reiche Modifizierungen und Veränderungen für den Fachmann of­ fensichtlich sein. Es ist daher verständlich, daß die Ansprüche alle derartigen Modifizierungen und Veränderungen, die in ihren Schutzbereich fallen, abdecken sollen.
Die vorliegende Erfindung erzeugt nicht-eindringend Bilder von Hohlräumen eines Objekts von einem Ansichtspunkt innerhalb des Hohlraums aus. Eine Erfassungseinrichtung erfaßt Abbildungsin­ formationen über innere Strukturen eines Objekts. Diese Abbil­ dungsinformationen werden in einzelne Strukturen segmentiert bzw. gegliedert und ein dreidimensionales (3D) Oberflächenmo­ dell wird konstruiert. Ein Bediener sieht ein Bild des dreidi­ mensionalen (3D) Modells, um einen Ziel-Ansichtspunkt und einen Start-Ansichtspunkt auszuwählen. Ein Ansichtspunktpfad wird erzeugt, der den Start-Ansichtspunkt und den Ziel-Ansichtspunkt verbindet. Bilder werden mit Ansichtspunkten entlang dem An­ sichtspunktpfad erzeugt. Eine Vielzahl von zusätzlichen Dar­ stellungstechniken unterstützt die Lokalisierung des gegenwär­ tigen Bild-Ansichtspunkts durch den Betrachter und seine Bezie­ hung zum Objekt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Simulieren von Endoskopie, mit den Schritten:
  • a) Erfassen von Abbildungsinformationen von inneren Strukturen eines Objekts (3);
  • b) Erzeugen eines dreidimensionalen (3D) Oberflächenmodells der Abbildungsinformationen;
  • c) Auswählen eines Start-Ansichtspunkts;
  • d) Auswählen eines Ziel-Ansichtspunkts;
  • e) Berechnen eines Ansichtspunktpfads um Hindernisse herum, der den Start-Ansichtspunkt und den Ziel-Ansichtspunkt verbindet;
  • f) Erzeugen einer Vielzahl von inneren Bildern mit Ansichts­ punkten entlang dem Ansichtspunktpfad; und
  • g) Anzeigen der Bilder in Aufeinanderfolge entsprechend der Position entlang dem Ansichtspunktpfad, wodurch Endoskopie si­ muliert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Berechnen eines Ansichtspunktpfads die folgenden Schritte umfaßt:
  • a) Berechnen eines Abstands, in Umgehung von Hindernissen, von jedem Volumenelement des Oberflächenmodells zum Zielpunkt;
  • b) Kennzeichnen jedes Volumenelements mit seinem berechneten Abstand;
  • c) Einstellen eines Volumenelements, das den Start-Ansichts­ punkt enthält, als das gegenwärtige Volumenelement;
  • d) Hinzufügen des gegenwärtigen Volumenelements zum Ansichts­ punktpfad;
  • e) Bestimmen eines Volumenelements benachbart zum gegenwärtigen Volumenelement mit dem geringsten gekennzeichneten Abstands­ wert;
  • f) Einstellen des Volumenelements mit dem niedrigsten gekenn­ zeichneten Abstandswert als gegenwärtiges Volumenelement; und
  • g) Wiederholen der Schritte "d" bis "f", bis ein Volumenele­ ment, das das Ziel enthält, erreicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Berechnens eines Ansichtspunktpfads folgende Schritte umfaßt:
  • a) Anzeigen von Bildern des dreidimensionalen (3D) Modells für einen Bediener (5);
  • b) Wechselwirken mit dem Bediener (5), um Lokalisierungen aus­ zuwählen, die "Hauptinformationsbildausschnitte" sind, die der Ansichtspunktpfad passiert; und
  • c) Einpassen des Start-Ansichtspunkts, des Ziel-Ansichtspunkts und dazwischenliegender "Hauptinformationsbildausschnitte" in einen geglätteten Ansichtspunktpfad.
4. Verfahren nach Anspruch 1, mit den weiteren Schritten:
  • a) Auswählen eines Ansichtspunkts außerhalb des Ansichtspunkt­ pfads;
  • b) Erzeugen eines anderen Bildes mit einem im wesentlichen grö­ ßeren Gesichtsfeld als die mit einem Ansichtspunkt entlang des Ansichtspunktpfads erzeugten inneren Bilder, um als "Karten­ bild" zu dienen;
  • c) Anzeigen eines beliebigen Symbols auf dem Kartenbild, um den verwendeten Ansichtspunkt anzuzeigen, der verwendet wird, um das gegenwärtig angezeigte innere Bild zu erzeugen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, mit den weiteren Schritten:
  • a) Erzeugen eines Schnittbilds aus den Abbildungsinformationen von inneren Strukturen des Objekts (3) mit einem im wesentli­ chen größeren Gesichtsfeld als die inneren Bilder, die mit ei­ nem Ansichtspunkt entlang dem Ansichtspunktpfad erzeugt wurden, um als ein "Kartenbild" zu dienen; und
  • b) Anzeigen eines beliebigen Symbols auf dem Schnittbild, das den zur Erzeugung des gegenwärtig angezeigten inneren Bilds verwendeten Ansichtspunkt anzeigt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
  • a) eine Vielzahl von stereoskopischen Paaren innerer Bilder mit Ansichtspunkten entlang dem Ansichtspunktpfad erzeugt werden; und
  • b) die stereoskopischen Paare dem Bediener (5) aufeinanderfol­ gend entsprechend der Position entlang dem Ansichtspunktpfad zugeführt werden, wodurch stereoskopische Endoskopie simuliert wird.
7. Virtuelles Untersuchungssystem zum Betrachten innerer Hohl­ räume eines Objekts, mit:
  • a) einer Speichereinrichtung (10) zum Speichern von Abbildungs­ informationen;
  • b) einer Anzeigevorrichtung (39) für dreidimensionale (3D) Mo­ delle, die mit der Speichereinrichtung (10) verbunden ist, zum Anzeigen vom in der Speichereinrichtung (10) gespeicherten Bil­ dinformationen, wie sie von ausgewählten Ansichtspunkten ent­ lang einem Ansichtspunktpfad gesehen werden;
  • c) einer graphischen Schnittstelleneinrichtung (31) zum Wech­ selwirken mit einem Bediener (5), um Start- und Ziel-Ansichts­ punkte zu definieren;
  • d) eine Navigationsvolumen-Berechnungseinrichtung (33), die mit der Speichereinrichtung (10) verbunden ist, zum Bestimmen von Abständen von jedem Volumenelement durch den Hohlraum zum Ziel- Ansichtspunkt und zum Erzeugen eines Navigationsvolumens mit Volumenelementen, von denen jedes mit seinem entsprechenden Abstand gekennzeichnet ist; und
  • e) einer Pfadberechnungseinrichtung (35), die mit der Speicher­ einrichtung (10) verbunden ist, zum Bestimmen eines kürzesten Abstands zwischen dem Start-Ansichtspunkt und dem Ziel-An­ sichtspunkt, der der Ansichtspunktpfad ist, und zum Speichern diese Pfades in der Speichereinrichtung (10), um der Anzeige­ einrichtung (30) für dreidimensionale (3D) Modelle zu ermög­ lichen, eine Serie von Bildern zu erzeugen, wie sie von Punkten entlang diesem berechneten Ansichtspunktpfad gesehen werden.
8. Virtuelles Untersuchungssystem nach Anspruch 7, mit einer Pfadglättungseinrichtung (37), die mit der Speicherein­ richtung (10) verbunden ist, zum Glätten des Ansichtspunktpfads bevor die Anzeigeeinrichtung (39) für das dreidimensionale (3D) Modell die Serie von Bildern erzeugt.
9. Virtuelles Untersuchungssystem zum Betrachten innerer Hohl­ räume eines Objekts, mit
  • a) einer Speichereinrichtung (10) zum Speichern von Abbildungs­ informationen;
  • b) einer Anzeigeeinrichtung (39) für dreidimensionale (3D) Mo­ delle, die mit der Speichereinrichtung (10) verbunden ist, zum Anzeigen der in der Speichereinrichtung (10) gespeicherten Ab­ bildungsinformationen, wie sie von ausgewählten Ansichtspunkten entlang einem Ansichtspunktpfad gesehen werden;
  • c) einer graphischen Schnittstelleneinrichtung (31) zum Wech­ selwirken mit einem Bediener (5), zum Definieren eines Start- Ansichtspunkts, eines Ziel-Ansichtspunkts und dazwischenliegen­ der Ansichtspunkte innerhalb des inneren Hohlraums, die als "Hauptinformationsbildausschnitte" bezeichnet werden; und
  • d) einer Pfadglättungseinrichtung (37), die mit der Speicher­ einrichtung (10) gekoppelt ist, zum Erzeugen eines geglätteten Ansichtspunktpfads, der den Start-, den Ziel- und dazwischen­ liegende Ansichtspunkte verbindet, und zum Speichern des Pfads in der Speichereinrichtung (10), um der Anzeigeeinrichtung (39) für dreidimensionale (3D) Modelle zu ermöglichen, eine Serie von Bildern zu erzeugen, wie sie von Punkten entlang diesem berechneten Ansichtspunktpfad gesehen werden.
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