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Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die medizinische Bildanalyse, und
insbesondere ein System und Verfahren für ein Visualisierungshilfsmittel
zur Erkennung von Tumoren.
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2. Diskussion
des Standes der Technik
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Lungenkrebs
ist eine Hauptursache für
den Krebstod in den Vereinigten Staaten. Nimmt man den Durchschnitt über alle
diagnostizierten Lungenkrebsfälle,
beträgt
die mittlere Fünfjahres-Überlebensrate lediglich
15%. Für
diejenigen besonderen Lungenkrebsarten jedoch, die in einem frühen Stadium
diagnostiziert werden, gibt es eine weitaus positivere Fünfjahres-Überlebensrate
von bis zu 72%.
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In
letzter Zeit wurde der Lungenkrebs-Vorsorgeuntersuchung und -Diagnose
mittels Computertomographie (CT) viel Beachtung geschenkt. Mehrschicht-CT-Geräte sind
in der Lage, das gesamte Lungenvolumen bei einer sehr hohen Auflösung während eines
einzigen angehaltenen Atemzugs abzutasten, was die Detektion von
sehr kleinen bis hin zu großen
Knoten bzw. Rundherden erlaubt.
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Es
gibt Techniken zur automatischen Knotensegmentierung und – detektion
aus CT-Lungendaten. Die Orte der Knoten werden er fasst. Bei einem vorgegebenen
Knotenort werden die zu dem Knoten gehörenden Voxel von den Volumendaten
segmentiert. Es ist selbstverständlich,
dass eine globale dreidimensionale (3D-) Auswertung von detektierten
und segmentierten Knoten vorhanden ist. Dies sollte ein integraler
Bestandteil des Erkennungssystems für Lungenrundherde sein.
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Ältere Erkennungsverfahren
verwenden sehr wenig Visualisierung. Auf einer graphischen Darstellung
der Lunge sind die Orte der Rundherde gekennzeichnet. Dies ist ineffektiv
und statisch, und 3D-Information fehlt. Des Weiteren sind lediglich
die Orte gekennzeichnet. Informationen über die Form und die relativen
Größen der
Knoten bzw. Rundherde existieren nicht.
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Dadurch
besteht ein Bedarf nach einem System und Verfahren für ein Visualisierungshilfsmittel, das
Ort- und Forminformationen in einer 3D-Darstellung bereitstellt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung umfasst ein computerimplementiertes
Verfahren zum Visualisieren eines Tumors in Volumendaten das Bereitstellen
einer Vielzahl von Tumoren, die aus den Volumendaten erfasst und
segmentiert sind, das Speichern von Orten einer Vielzahl von Voxel,
die jeder der Vielzahl von Tumoren entsprechen, und das Bestimmen
eines Maschennetzes von Oberflächenvoxel
für jeden
der Vielzahl von Tumoren aus den gespeicherten Orten. Das Verfahren
umfasst weiterhin das Rendern (Wiedergeben) des Maschennetzes für jeden
der Vielzahl von Tumoren in einem Volumenrendering-Fenster, das Auswählen eines
interessierenden Tumors aus der Vielzahl von im Volumenrendering-Fenster
wiedergegebenen Tumoren und das Bestimmen einer Übereinstimmung des ausgewählten Tumors
mit einem Schnitt der Volumendaten, wobei der Schnitt der Volumendaten
in einem Hauptfenster angezeigt wird.
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Das
Verfahren umfasst weiterhin das Speichern von Orten einer Vielzahl
von Voxel, die einer Referenzstruktur in den Volumendaten entsprechen, das
Bestimmen eines Maschennetzes von Oberflächenvoxel für die Referenzstruktur aus
den gespeicherten Orten der Vielzahl von Voxel, die der Referenzstruktur
in den Volumendaten entsprechen, und das Rendern des Maschennetzes
von Oberflächenvoxel
für die
Referenzstruktur im Volumenrendering-Fenster. Das Rendern des Maschennetzes
von Oberflächenvoxel
für die
Referenzstruktur im Volumenrendering-Fenster ist semitransparent. Das Verfahren
schließt
die Angabe eines Transparenzgrades des Maschennetzes von Oberflächenvoxel
für die Referenzstruktur
im Volumenrendering-Fenster ein.
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Das
Verfahren umfasst des Weiteren das automatische Aktualisieren des
Schnitts der im Hauptfenster angezeigten Volumendaten bei der Auswahl des
interessierenden Tumors.
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Das
Verfahren umfasst des Weiteren das Anzeigen einer Position des ausgewählten Tumors
im Schnitt der im Hauptfenster angezeigten Volumendaten.
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Das
Bestimmen der Übereinstimmung
des ausgewählten
Tumors mit dem Schnitt der Volumendaten umfasst des Weiteren das
Identifizieren des ausgewählten
Tumors im Volumenrendering-Fenster, das Bestimmen einer Orientierung
einer aktuellen Ansicht des Volumenrendering-Fensters, das Auswählen eines
interessierenden Voxels im Volumenrendering-Fenster, wobei das Voxel
einer 3D-Linie in den Volumendaten entspricht, das Bewerten aller
Voxel auf der 3D-Linie von vorne nach hinten, wobei für jedes
Voxel das Durchsuchen aller Tumorlisten, um zu bestimmen, ob ein
aktuelles Voxel zu einem Tumor gehört, wobei ein erster Tumor,
der von dem aktuellen Voxel entlang der 3D-Linie geschnitten wird, als
der ausgewählte
Tumor bestimmt wird, das Identifizieren des ersten Tumors, der sich
mit dem aktuellen Voxel schneidet, als den ausgewählten Tumor und
das Anzeigen des Schnitts in den Volumendaten, die dem ersten Tumor
entsprechen, der durch das aktuelle Voxel geschnitten wird, in der
Hauptanzeige umfasst ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine maschinenlesbare Programmspeichervorrichtung
bereitgestellt, die konkret ein Programm von Befehlen verkörpert, die
von der Maschine ausführbar
sind, um die Verfahrensschritte zur Visualisierung eines Tumors
in Volumendaten durchzuführen.
Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Vielzahl von Tumoren,
die aus den Volumendaten erfasst und segmentiert sind, das Speichern
von Orten einer Vielzahl von Voxel, die jeder der Vielzahl von Tumoren
entsprechen, und das Bestimmen eines Maschennetzes von Oberflächenvoxel
für jeden
der Vielzahl von Tumoren aus den gespeicherten Orten. Das Verfahren
umfasst des Weiteren das Rendern (Wiedergeben) der Maschennetze
für jeden
der Vielzahl von Tumoren in einem Volumenrendering-Fenster, das
Auswählen
eines interessierenden Tumors aus der Vielzahl von Tumoren, die im
Volumenrendering-Fenster gerendert werden, und das Bestimmen einer Übereinstimmung
des ausgewählten
Tumors mit einem Schnitt der Volumendaten, wobei der Schnitt der
Volumendaten in einem Hauptfenster angezeigt wird.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im Detail unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben:
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1A ist
eine Darstellung eines Hauptfensters gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung;
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1B ist
eine Darstellung eines 3D-Fensters gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung;
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2A–2B sind
Darstellungen von unterschiedlichen Ansichten einer 3D-Anzeige gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung;
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3 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung;
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4 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung; und
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5 ist
ein Schaubild eines Systems gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Ein
Visualisierungshilfsmittel, wie in 1 dargestellt,
umfasst zwei Fenster zur Datenanzeige. Ein Hauptfenster 101 zeigt
eine erste Ansicht von Volumendatenschnittbildern an einschließlich detektierter
und segmentierter Tumoren, z. B. Lungenrundherde. Die Schnittdaten
können
unter Verwendung des Hauptfensters durchlaufen werden, z. B. durch Scrollen
durch einzelne Schnitte. Ein Volumenrendering-Fenster 102 zeigt
eine zweite Ansicht der detektierten und segmentierten Tumoren unter
Verwendung eines Oberflächenrenderings
an. Das Oberflächenrendering
zeigt Formen und relative Größen der Rundherde
bzw. Knoten an.
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Anatomische
Merkmale können
in der zweiten Ansicht als Referenzpunkte verwendet werden. Wie
in 1B beispielsweise dargestellt, werden zwei Lungenoberflächen, z.
B. 103, semitransparent als visuelle Referenz wiedergegeben.
Es können
jedoch andere Referenzen z. B. der Brustkorb, Atemwege oder Gefäßbäume verwendet
werden.
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Die
im Volumenrendering-Fenster 102 angezeigte Ansicht kann
verändert
werden, z. B. rotiert, vergrößert/verkleinert
etc. Damit können
unterschiedliche Ansichten der Rundherde erzielt werden. In den 2A–2B sind
zwei unterschiedliche Ansichten des Volumenrendering-Fensters gezeigt. Durch
Verändern
der Ansicht des Volumenrendering-Fensters können in einer Ansicht verdeckte Rundherde
in einer anderen Ansicht sichtbar gemacht werden. Ein Benutzer kann
die gesamte Ansicht rotieren und einen interessierenden Rundherd in
eine vordere Stellung bringen. Der Benutzer kann die Ansicht ebenfalls
beliebig zoomen, um eine vergrößerte Ansicht
eines Rundherds anzusehen.
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Unter
Bezugnahme auf 3 werden die Rundherde aus den
Volumendaten 301 erfasst und segmentiert, bevor die Anzeige
aufgebaut wird. Die Orte aller Voxel, die zu einem Rundherd gehören, werden
in einer Liste 302 gespeichert. Die 3D-Form jedes Rundherdes
wird durch eine solche Liste dargestellt. Die Rundherdoberflächen werden
aus der Liste extrahiert und bilden ein Maschennetz 303.
Die Rundherdoberflächen
können
beispielsweise durch ein Triangularisierungsverfahren extrahiert
werden, das ein Dreiecksmaschennetz erzeugt, das eine Oberfläche eines
Rundherds definiert. Die Maschennetze für alle Rundherde werden unter
Verwendung von Oberflächenrenderingverfahren 304 wie
z. B. Raytracing-Verfahren gerendert (wiedergegeben). Das Rendern
des Rundherds ist mit den Volumendaten 305 verbunden, z.
B. wird, wenn ein besonderer Rundherd im Volumenrendering-Fenster
angesehen wird, ein entsprechender Schnitt im Hauptfenster angezeigt.
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Der
Block 303 kann ebenfalls das Extrahieren einer umgebenden
Anatomie aus den Volumendaten umfassen, um als visuelle Referenz
verwendet zu werden, wie z. B. die Lungenoberflächen. Der Block 304 kann
darstellende Oberflächen
der umgebenden Anatomie unter Verwendung eines Maschennetzes und
deren Wiedergabe unter Verwendung eines Oberflächenrenderingverfahrens 304 umfassen. Die
Oberfläche
der visuellen Referenz wird semitransparent wiedergegeben, um die
Ansicht der Rundherde nicht zu blockieren. Ein Transparenzgrad kann
durch einen Be nutzer eingestellt werden, z. B. zwischen 0–100% Transparenz.
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Das
Volumenrendering-Fenster dient als Zusammenfassung des Rundherddetektions-
und -segmentierungsergebnisses. Der Benutzer kann sich auf die originalen
Volumendaten im Hauptfenster beziehen, um detaillierte 2D-Schnittinformationen
zu erhalten. Das Volumenrendering-Fenster steht in räumlichen
Bezug zum Hauptfenster, das die Volumendaten anzeigt. Beim Auswählen eines
Rundherds im Volumenrendering-Fenster wird eine Ansicht des Hauptfensters
auf einen entsprechenden Schnitt aktualisiert, wo sich der ausgewählte Rundherd
befindet. Z. B. wird ein entsprechender Schnitt gemäß einer
2D- zu 3D-Registrierung des Rundherds zu den Schnittdaten bestimmt;
da der Rundherd zu mehr als einem Schnitt registriert sein kann,
kann ein mittlerer Schnitt ausgewählt werden, der zu dem Rundherd
registriert ist. Andere Verfahren der Auswahl eines Schnittes werden
berücksichtigt,
z. B. das Auswählen
eines Schnitts, bei dem der Rundherd den breitesten Querschnitt
verglichen mit anderen zu dem Rundherd registrierten Schnitten aufweist.
Der aus dem Volumenrendering-Fenster ausgewählte Rundherd (z. B. 104)
kann in dem Schnitt, der im Hauptfenster dargestellt wird, umrissen
werden (z. B. 105) wie in 1A dargestellt.
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Unter
Bezugnahme auf 4 umfasst das Verbinden des
Volumenrendering-Fensters und des Hauptfensters 305 das
Identifizieren des ausgewählten
Rundherds im Volumenrendering-Fensters 401. Bei
einer von dem Renderingsystem vorgegebenen Ansicht wird die Orientierung
des aktuellen Blickwinkels bestimmt 402; geometrische Transformationsdaten
zwischen dem 2D-Fenster und dem 3D-Volumen sind bekannt (z. B. wird
die Registrierungsinformation während
des Rendern der 3D-Ansicht aus den 2D-Schnitten bestimmt. Ein Klickpunkt,
z. B. von einem Mausklick oder eine Zeigestiftauswahl, im Volumenrendering-Fenster
entspricht einem Satz von Voxel in den Volumendaten, die auf einer
3D-Linie in den Volumendaten sitzen; das im Volumenrendering-Fenster
dargestellte Bild ist eine Projektion der 3D-Daten. Die 3D-Linie
wird aus der Ansicht des Benutzers durch das Bild bestimmt. Alle
Voxel auf der 3D-Linie
werden von vorne (z. B. dem Vordergrund der Benutzeransicht) nach
hinten evaluiert 403, begrenzt durch die Größe der Volumendaten.
Für jedes Voxel
werden alle Rundherdlisten durchsucht, um zu bestimmen, ob das Voxel
zu einem Rundherd gehört. Ein
erster Rundherd, der von einem Voxel entlang der 3D-Linie geschnitten
wird, wird als der entlang der 3D-Linie ausgewählte Rundherd bestimmt und ausgewählt 404.
Der erste Rundherd wird als der ausgewählte Rundherd identifiziert 405.
Ein Schnitt in den Volumendaten, der dem Rundherd entspricht, wird
von der Hauptanzeige angezeigt 406.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung verbessert ein System und/oder Verfahren
zur Visualisierung von Rundherden die Erkennung von Lungenrundherden.
Es kann auf die Erkennung von anderen ähnlichen Krankheiten, z. B. Lebertumore
ausgedehnt werden. Die Lebertumore können ebenfalls detektiert und
segmentiert werden und sie können
mit den Leberoberflächen
als visuelle Referenz angezeigt werden. Generell können Tumoren
innerhalb eines beliebigen Organs gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung visualisiert werden.
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Es
versteht sich, dass die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen
der Hardware, Software, Firmware, Prozessoren für bestimmte Zwecke oder einer
Kombination davon implementiert werden kann. In einer Ausführungsform
kann die vorliegende Erfindung in Software als Anwendungsprogramm
implementiert werden, das konkret auf einer Programmspeichervorrichtung
verkörpert
ist. Das Anwendungsprogramm kann auf eine Maschine hochgeladen und
von ihr ausgeführt
werden, die eine beliebige geeignete Architektur aufweist.
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Unter
Bezugnahme auf 5 ist gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung ein Computersystem 501 zur
Imp lementierung eines Verfahrens für ein Visualisierungshilfsmittel,
das Ort- und Formdaten in einer 3D-Anzeige unter anderem bereitstellt,
eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 502, ein Speicher 503 und
eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle (I/O) 404 dargestellt.
Das Computersystem 501 ist im Allgemeinen über die
I/O-Schnittstelle 404 mit einer Anzeige 505 und
verschiedenen Eingabevorrichtungen 506 wie z. B. einer
Maus und einer Tastatur gekoppelt. Die Anzeige 505 kann
Ansichten der virtuellen Volumen- und Registrierbilder anzeigen.
Die Unterstützungsschaltungen
können
Schaltungen wie z. B. einen Cache-Speicher, Stromversorgungen, Taktschaltungen
und einen Datenbus umfassen. Der Speicher 503 kann Direktzugriffsspeicher (RAM),
Festwertspeicher (ROM), Festplatten, Bandlaufwerke, etc. oder eine
Kombination daraus umfassen. Die vorliegende Erfindung kann als
Routine 507 implementiert werden, die im Speicher 503 gespeichert
ist und durch die CPU 502 ausgeführt wird, um das Signal von
der Signalquelle 508 zu verarbeiten. Als solches ist das
Computersystem 501 ein Computersystem für allgemeine Zwecke, das ein
Computersystem mit besonderem Zweck wird, wenn es die Routine 507 der
vorliegenden Erfindung ausführt.
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Die
Computerplattform 501 weist ebenfalls ein Betriebssystem
und eine Mikrobefehlscode auf. Die verschiedenen hierin beschriebenen
Prozesse und Funktionen können
entweder Teil des Mikrobefehlscode oder Teil des Anwendungsprogramms (oder
einer Kombination davon) sein, der/die über das Betriebssystem ausgeführt wird.
Zusätzlich
können
verschiedene andere Peripheriegeräte mit der Computerplattform
verbunden sein, wie z. B. eine zusätzliche Datenspeichervorrichtung
und eine Druckeinrichtung.
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Es
versteht sich des Weiteren, da einige der das System bildenden Komponenten
und Verfahrensschritte, die in den beigefügten Figuren abgebildet sind,
in Software ausgeführt
sein können,
dass sich die tatsächlichen
Verbindungen zwischen den Systemkomponenten (oder den Prozessschritten)
je nach Art und Weise, in der die vorliegende Erfindung programmiert
ist, unterscheiden können.
Gibt man die hierin bereitgestellte Lehre der vorliegenden Erfindung
vor, wird der einschlägig
ausgebildete Fachmann in der Lage sein, diese und ähnliche
Implementierungen oder Konfigurationen der vorliegenden Erfindung
zu berücksichtigen.
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Nachdem
die Ausführungsformen
für ein System
und Verfahren für
ein Visualisierungshilfsmittel für
Tumoren beschrieben wurden, ist anzumerken, dass Modifikationen
und Veränderungen
durch den Fachmann angesichts der oben angegebenen Lehre durchgeführt werden
können.
Es versteht sich deshalb, dass Änderungen
bei den besonderen Ausführungsformen
der offenbarten Erfindung durchgeführt werden können, die
innerhalb des Umfangs und des Wesens der wie durch die beigefügten Ansprüche definierten
Erfindung liegen. Nachdem die Erfindung mit den Details und der
durch die Patentvorschriften vorgegebenen Besonderheiten beschrieben
wurde, wird das von der Patentschrift beanspruchte zum Schutz Gewünschte in
den beigefügten
Ansprüchen dargelegt.