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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung von Datenpunkten
eines dreidimensionalen Datensatzes. Die Erfindung bezieht sich
auch auf ein Verfahren zum Betrieb eines bildgebenden medizinischen
Untersuchungsgeräts
und ein Verfahren zur graphischen Positionierung einer mittels eines bildgebenden
medizinischen Untersuchungsgeräts zu
messenden Schicht in einem dreidimensionalen Datensatz einer Vorbereitungsmessung.
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Die
Aufnahme, Darstellung und Verarbeitung von dreidimensionalen Datensätzen gewinnt
mit zunehmender Rechenkapazität
moderner Computer erheblich an Bedeutung, da nun auch räumliche
Daten mit hoher Datendichte, d.h. hoher Auflösung, aufgenommen, dargestellt
und bearbeitet werden können. Gerade
bei modernen bildgebenden medizinischen Untersuchungsgeräten geht
der Fortschritt in der Entwicklung solcher Geräte hand in hand mit der Möglichkeit
einer adäquaten
Darstellung und Auswertung der medizinischen Daten. Dies ist beispielsweise
bei den medizinischen Großgeräten in der Computertomographie
oder Magnetresonanztomographie der Fall oder im Bereich der Ultraschallsonographie.
So macht beispielsweise erst die Gewinnung hoch aufgelöster Angiographiedaten
ein zielgerichtetes medizinisches Eingreifen möglich.
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Bisher
erfolgte die Darstellung solcher dreidimensionaler Datensätze auf
verschiedenste Art und Weise. Zum einen wurden zweidimensionale
Schnittbilder auf konventionellen Monitoren dargestellt. Die dritte
Dimension wurde durch die Möglichkeit des
Anzeigens (,Durchblätterns') verschiedener Schichten indirekt
dargestellt. Zum anderen gibt es die Möglichkeit der perspektivischen
Darstellung, wobei diese aus den dreidimensionalen Datensätzen berechnet werden
muss. Ein auf solche Weise dargestellter virtueller 3D-Gegenstand
kann dann durch ein computergesteuertes Drehen, d.h, durch ein Ändern des
perspektivischen Ausgangspunkts, von verschiedenen Richtungen aus
betrachtet werden. Diese Art der 3D-Darstellung lässt sich
auf Projektionssysteme übertragen.
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Eine
andere Art der Darstellung basiert auf einer so genannten 3D-Brille,
die ein dreidimensionales Bild beim Betrachter hervorruft. Eine
Weiterentwicklung führt
zur dreidimensionalen Darstellung im so genannten Cyberspace. Dabei
werden dreidimensionale Daten in einen Datenhelm mit Datenbrille
eingespielt. Dem Betrachter wird ein räumlicher Eindruck vermittelt,
der durch die Einberechnung der Position des Betrachters (gegeben
durch die Position des Datenhelms) in die Darstellung des dreidimensionalen
Datensatzes realitätsnah
wird.
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Eine
Sonderstellung nehmen volumetrische Monitore ein. Ein Beispiel ist
der 3D-Monitor der Firma Actuality Systems, der ein reales dreidimensionales
Bild eines abzubildenden Objekts erzeugt. Dabei wird ein zweidimensional
berechnetes Bild auf eine sich rotierende Scheibe projiziert, so
dass für
einen Beobachter ein dreidimensionales Bild entsteht. Das Anwendungspotential
solcher 3D-Monitore liegt beispielsweise im Bereich der Darstellung
von mithilfe vom medizinischen bildgebenden Geräten gewonnenen Daten oder im
Bereich der Darstellung von komplexen dreidimensionalen Strukturen,
z.B. Molekühlen.
Volumetrische Monitore weisen unter anderem zwei Vorteile auf. Zum
einen sind die Bilder von einem großen Umgebungsbereich des Monitors
sichtbar, so dass mehrere Beobachter gleichzeitig das dargestellte
Objekt sehen können.
Dies ist besonders für
Schulungszwecke vorteilhaft. Zum anderen ermöglicht es ein 3D-Monitor dem
Beobachter, sich auf be liebige Punkte des Objekts zu fokussieren
und jeweils ein scharfes Bild zu erhalten.
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Für den Anwender
ist es nun entscheidend, wie benutzerfreundlich eine virtuell perspektivisch oder
real dreidimensional dargestellte Information zugänglich ist.
Von Bedeutung sind dabei erstens ein Eingabegerät, mit dem man einen Datenpunkt
in einem Datensatz auswählen
kann, zweitens die Möglichkeit,
den Datenpunkt zu manipulieren, und drittens eine möglichst
vorteilhafte Darstellung des manipulierten 3D-Datensatzes.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Visualisierung
von dreidimensionalen Datensätzen,
ein Verfahren zum Betrieb eines bildgebenden medizinischen Untersuchungsgeräts und ein
Verfahren zur graphischen Positionierung einer mittels eines bildgebenden
medizinischen Untersuchungsgeräts
zu messenden Schicht in einem dreidimensionalen Datensatz einer
Vorbereitungsmessung anzugeben, die die Orientierung innerhalb eines
dreidimensionalen Datensatzes sowie dessen Bearbeitung und Visualisierbarkeit
verbessern.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur
Visualisierung von Datenpunkten eines dreidimensionalen Datensatzes
gelöst.
Bei diesem Verfahren wird der Datensatz zuerst auf einem Monitor
dargestellt. Dann wird ein Punkt im Darstellungsbereich des Monitors
ausgewählt.
Dazu werden mit der vorhergehend beschriebenen Eingabevorrichtung
drei Orientierungsparameter eingegeben. Zum einen wird ein Bezugspunkt
auf einer virtuellen Fläche,
deren geometrische Anordnung in Bezug zum Darstellungsbereich des Monitors
bekannt ist, ausgewählt.
Zum anderen wird eine Richtung eingestellt, die ausgehend vom Bezugspunkt
auf den auszuwählenden
Punkt im Darstellungsbereich des Monitors zeigt. Des Weiteren wird
eine Abstandsgröße eingestellt,
die den Abstand des auszuwählenden
Punkts vom Bezugspunkt festlegt. Anschließend wird ein Bereich der Darstellung, der
in geometrischer einstellbarer Relation zum ausgewählten Punkt
steht, in seiner Darstellungsweise manipuliert.
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Die
dabei verwendete Eingabevorrichtung zur Orientierung in einer Visualisierung
von dreidimensionalen Datensätzen
weist Mittel zur Wahl eines Bezugspunkts, Mittel zur Festlegung
einer Richtung und Mittel zur Einstellung einer Abstandsgröße auf. Eine
derartige Eingabevorrichtung ermöglicht
es einem Betrachter der Visualisierung Orientierungsparameter (z.B.
Bezugspunkt, Richtung oder Abstandsgröße) einzugeben, wobei die Eingabe
vorzugsweise per Hand durchgeführt
wird. Eine Behinderung der Betrachtung oder der Bewegungsfreiheit
des Betrachters um die Visualisierung darf möglichst nicht erfolgen. Eine
solche Eingabevorrichtung hat zum einen den Vorteil, dass sie die
Möglichkeit
bietet, gemäß einer
natürlichen
Vorgehensweise Orientierungsparameter einzustellen: Wie weit ist
ein interessierender Punkt oder Bereich von welchem Punkt in welcher
Richtung entfernt. Zum anderen bietet eine derartige Eingabevorrichtung
eine Flexibilität
in der Reihenfolge, mit der die Orientierungsparameter eingestellt
werden. Z.B. kann zuerst der Bezugspunkt, dann die Richtung und
abschließend
der Abstand festgelegt werden oder es können alle Orientierungsparameter
nahezu gleichzeitig eingestellt werden.
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Von
Bedeutung bei diesem Verfahren ist die Übertragung der mittels der
Eingabevorrichtung einstellbaren Orientierungsparameter auf den
Darstellungsbereich, in dem die Visualisierung dargestellt wird.
Beispielsweise wird mit der Eingabevorrichtung ein Punkt auf einer
Fläche
ausgewählt,
wobei die Fläche
in direktem Kontakt zur Eingabevorrichtung steht. Die Fläche ist
z.B. eine Unterlage, auf der die Eingabevorrichtung bewegt wird.
Bei der Übertragung
des Punkts auf die virtuelle Fläche
sollte diese zum einen in Bezug zum Darstellungsbereich des Monitors
und zum anderen in Bezug zum Betrachter stehen. Ersteres ist Voraussetzung,
um von der virtuellen Fläche
aus den Punkt im Darstellungsbereich auswählen zu können. Letzteres wird durch
die dreidimensionale Darstel lung und deren Betrachtung, wie z.B.
dem Betrachtungswinkel, bestimmt. Zum Beispiel ist es bei einer
perspektivischen Darstellung vorteilhaft, die Fläche zwischen Objekt und Betrachter
zu legen, und im Fall eines volumetrischen Monitors ist es vorteilhaft,
wenn die Fläche
den Monitor umschließt.
Im Folgenden wird eine Differenzierung zwischen dem Punkt, der mit
der Eingabevorrichtung eingestellt wird, und dem Bezugspunkt auf
der virtuellen Fläche
augrund der eindeutigen Übertragung des
einen auf den anderen nur dann durchgeführt, falls sie zum Verständnis wichtig
ist. Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt ebenfalls in seiner Anlehnung
an den natürlichen
Umgang mit realen dreidimensionalen Objekten.
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Das
Verfahren zur Visualisierung von Datenpunkten kann auf einer Darstellungsvorrichtung
zur Darstellung einer Visualisierung von dreidimensionalen Datensätzen ausgeführt werden.
Eine derartige Darstellungsvorrichtung umfasst eine ebenfalls vorhergehend
beschriebene Eingabevorrichtung zur Orientierung in einer Visualisierung,
eine Visualisierungseinheit, die mittels der mit der Eingabevorrichtung
eingegebenen Orientierungsparameter eine Darstellungsweise der Visualisierung
generiert, und einen Monitor, der die Visualisierung darstellt.
Der Vorteil dieser Darstellungsvorrichtung liegt darin, dass sie
eine Orientierung innerhalb einer Visualisierung und deren Bearbeitung
auf intuitive Weise ermöglicht.
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Ferner
wird die zweitgenannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb eines
bildgebenden medizinischen Untersuchungsgeräts unter der Verwendung eines
vorhergehend beschriebenen Verfahrens zur Visualisierung von Datenpunkten
gelöst. Dieses
Verfahren zum Betrieb eines Untersuchungsgeräts hat den Vorteil, dass zum
einen Information aufgrund der verbesserten Darstellung leichter
aus den medizinischen Untersuchungen gewonnen und zur Diagnose genutzt
werden kann. Zum anderen kann diese Information dazu benutzt werden,
um weitere Messungen mit dem bildgebenden medizinischen Untersuchungsgerät zu optimieren, indem
z.B. der zu untersuchende Bereich gezielter eingegrenzt wird.
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Ferner
wird die drittgenannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur
graphischen Positionierung einer mittels eines bildgebenden medizinischen
Untersuchungsgeräts
zu messenden Schicht in einem dreidimensionalen Datensatz. Dieser
Datensatz wird durch eine Vorbereitungsmessung mit geringer Auflösung gewonnenen
und an einem Monitor dargestellt. Mithilfe des oben beschriebenen
Verfahrens zur Visualisierung von Datenpunkten wird ein Datenpunkt
ausgewählt
und die zu messende Schicht bestimmt, welche durch eine geometrische
Relation bezüglich
des Datenpunkts definiert wird. Vorzugsweise verläuft die
Schicht durch den Datenpunkt. Der Vorteil liegt nun darin, dass
mithilfe der Eingabevorrichtung die Orientierung in der Vorbereitungsmessung und
damit die Selektion einer zu untersuchenden Schicht erleichtert
wird.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung der Eingabevorrichtung zur Orientierung
in einer Visualisierung sind die Mittel zur Wahl des Bezugspunkts
derart ausgebildet, dass sie eine Positionierung des Bezugspunkts
auf einer zweidimensionalen Fläche
ermöglichen
und dass sie die Position auf dieser Fläche erkennen. Dies hat den
Vorteil, dass die Positionierung des Bezugspunkts in einer zweidimensionalen
Fläche
und nicht im dreidimensionalen Raum stattfindet, setzt allerdings
voraus, dass die zweidimensionale Fläche später im räumlichen Bezug zur Visualisierung
gesetzt wird.
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In
einer speziellen Ausführungsform
der Eingabevorrichtung sind die Mittel zur Wahl des Bezugspunkts
eine konventionelle Maus, deren Bewegung beispielsweise auf einer
Oberfläche
in zwei Dimension registriert wird. Die Maus ist vorzugsweise mit
einer Recheneinheit verbunden, an die sie aufgenommen Daten übermittelt.
Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass sie auf bekannte Technologien zurückgreifen
kann.
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In
einer besonderen Ausbildung der Eingabevorrichtung umfassen die
Mittel zur Festlegung der Richtung einen in einer Richtung kippbaren
Hebel sowie einen Sensor, der das Kippen des Hebels in der Richtung
registriert. Ein solcher Hebel kann ein kippbarer Joystick sein,
wobei das Kippen beispielsweise durch die Feststellung des gekippten
Winkels oder durch die Dauer des Kippvorgangs überwacht und in einen Winkel
umgerechnet wird. Ausgehend von der Position des Bezugspunkts auf
der zweidimensionalen Fläche
sind zwei Winkel in zweier unterschiedlichen Richtungen ausreichend,
um eine Richtung eindeutig im Raum festzulegen.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der Eingabevorrichtung ist der Joystick mit der Maus baulich verbunden,
um eine Multifunktionsmaus zu bilden. Dies hat den Vorteil, dass
zwei einem Benutzer gebräuchliche
Eingabevorrichtungen kombiniert werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Eingabevorrichtung umfasst
die Eingabevorrichtung einen Zeigestab, der vorzugsweise frei bewegbar
ist, beispielsweise weist er keine Verbindungskabel zu eventuell
benötigten
Einheiten auf. Dieser Zeigestab ist sowohl ein Mittel zur Wahl des
Bezugspunkts als auch ein Mittel zur Festlegung der Richtung. Zur
Verwendung des Zeigestabs als Eingabevorrichtung benötigt man
Mittel, die sowohl die Lage des Zeigestabs im Raum als auch seine
Ausrichtung im Raum ermitteln. Anschließend kann die Lage und die
Ausrichtung in Bezug zur Visualisierung gesetzt werden, um den Bezugspunkt
und die Richtung festzulegen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Eingabevorrichtung
erfolgt die Bestimmung der Lage und der Ausrichtung des Zeigestabs mittels
Ultraschalllaufzeitmessungen. Der Vorteil von Ultraschalllaufzeitmessungen
liegt darin, dass die Auflösung,
in diesem Fall die Ortsauflösung,
fein genug einstellbar ist, um Lage und Richtung eindeutig zu bestimmen.
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In
einer Weiterbildung umfasst der Zeigestab mindestens zwei Ultraschallsender,
die vorzugsweise an den Enden des Zeigestabs angeordnet sind. Von
den Ultraschallsendern ausgesandte Signale werden von Empfangseinheiten
der Eingabevorrichtung registriert. Sind die Positionen der Empfangseinheiten
in Bezug zur Visualisierung bekannt, und werden die Ultraschallsender
und die Empfangseinheiten mit Mitteln zur Synchronisation zeitlich
synchronisiert (beispielsweise über
eine Funkverbindung), so können
aus den Laufzeiten zwischen Ultraschallsender und Empfangseinheiten
Lage und Ausrichtung des Zeigestabs errechnet werden. Der Vorteil
dieser Weiterbildung liegt darin, dass sie eine einfache und bekannte
Form der Ultraschalllaufzeitmessung verwendet.
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In
einer anderen Weiterbildung umfasst der Zeigestab mindestens zwei
Ultraschallreflektoren, die wiederum vorzugsweise an den Enden des
Zeigestabs angeordnet sind. Ultraschallsender, deren Positionen
bekannt sind, senden Signale aus, die von den Reflektoren verschieden
stark und mit charakteristischer Pulsform reflektiert werden. Die
derart kodiert reflektierten Ultraschallsignale werden von Empfangseinheiten,
deren Position in Bezug zur Visualisierung ebenfalls bekannt ist,
aufgenommen und mittels einem Vergleich der Signale mit den bekannten
Reflexionsmustern dem jeweiligen Ultraschallreflektor zugeordnet.
Der Vorteil dieser Weiterbildung liegt in der passiven Funktionsweise
des Zeigestabs, der nur als Ultraschallreflektor fungiert, so dass
im Zeigestab weniger aufwendige Elektronik untergebracht werden
muss.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Eingabevorrichtung
umfassen die Mittel zur Einstellung der Abstandsgröße ein drehbares
Rädchen
und einen Sensor zum Erfassen der Drehung. Der Vorteil eines solchen
Rädchens
liegt darin, dass er sowohl im Zeigestab wie auch in der Multifunktionsmaus
problemlos untergebracht werden kann. Die durch eine Drehung des
Rädchens
erzeugten Signale werden beispielsweise über Funk zu einer verarbeitenden
Einheit übermittelt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Eingabevorrichtung
zusätzlich
eine Taste zum Auslösen
eines Signals auf. Einer oder mehrerer solcher Tasten können Steuersignale
erzeugen, die an eine Recheneinheit übermittelt werden. Der Vorteil
solcher Tasten liegt darin, dass sie vorteilhaft zu bedienen und
einfach in den Zeigestab oder die Multifunktionsmaus integrierbar
sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Eingabevorrichtung
zusätzlich
Mittel zur Ausgabe des Bezugspunkts, der Richtung und der Abstandsgröße. Diese
Mittel zur Ausgabe können
beispielsweise in einer zentralen Recheneinheit untergebracht werden,
die z.B. auch die Synchronisationseinheit und/oder die Empfangseinheiten
umfasst und ansteuert. Die Mittel zur Ausgabe können mit den eingangs beschriebenen
3D-Darstellungssystemen verbindbar sein.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens zur Visualisierung von Datenpunkten werden diese
auf einem 3D-Monitor
dargestellt. Weist ein solcher Monitor beispielsweise einen halbkugelförmigen Darstellungsbereich
auf, ist die virtuelle Fläche,
auf die der Bezugspunkt projiziert wird, vorzugsweise ebenfalls
halbkugelförmig
um den Darstellungsbereich gelegt.
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In
einer anderen Ausführungsform
des Verfahrens zur Visualisierung wird das Objekt auf einem 2D-Monitor
perspektivisch dargestellt. Vorzugsweise wird die Monitorbildschirmfläche als
virtuelle Fläche gewählt, auf
der mit den Mitteln zur Wahl des Bezugspunkts der Bezugspunkt ausgewählt wird.
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In
dieser und in der vorhergehenden Ausführungsform des Verfahrens ist
die geometrische Anordnung der virtuellen Fläche in Bezug zum Darstellungsbereich
bekannt. In einer Weiterbildung werden zwei Winkel zur Richtungsangabe
mit der Eingabevorrichtung eingegeben. Diese Winkel werden am Ort
des Be zugspunkts angelegt und bestimmen die Richtung in den Darstellungsbereich,
in der der auszuwählenden
Punkt liegt. Die Schenkel der Winkel liegen vorzugsweise in zur
Tangentialebene senkrechten, nicht parallelen Ebenen, wobei die
Tangentialebene die virtuelle Halbkugel oder die Monitorbildschirmfläche am Ort
des Bezugspunkts tangiert. Alternativ können die Schenkel der Winkel
in der Tangentialebene liegen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens zur
Visualisierung wird die virtuelle Fläche mit einem ersten Koordinatensystem beispielsweise
in Längen-
und Breitengrade unterteilt. Findet die Wahl des Bezugspunkts in
einem zweiten Koordinatensystem statt, so kann die Übertragung
des mit den Mitteln zur Wahl des Bezugspunkts bestimmten Bezugspunkts
auf die virtuelle Fläche
durch eine Übertragung
vom ersten in das zweite Koordinatensystem erfolgen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens zur Visualisierung wird während der Einstellung der Orientierungsparameter
kontinuierlich ein Pfeil auf den jeweils momentan durch die Orientierungsparameter
bestimmten Datenpunkt eingezeichnet, wobei die Spitze des Pfeils
am Datenpunkt liegt und der Rumpf des Pfeils in Richtung des Bezugspunkts
zeigt.
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In
einer Weiterbildung wird so lange der Pfeil eingezeichnet, wie die
Orientierungsparameter variiert werden. Erst durch Drücken einer
Taste der Eingabevorrichtung werden die Orientierungsparameter festgelegt
und die Manipulation der Darstellungsweise erfolgt.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens zur
Visualisierung wird durch die Auswahl des Bezugspunkts zugleich
auch ein Bereich ausgewählt,
dessen Volumen und/oder Form entweder voreingestellt oder veränderbar
ist. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur ein Punkt, sondern ein
durch den Punkt bestimmter Bereich manipuliert werden kann, der
je nach Bedarf angepasst werden kann.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung wird ein Bereich manipuliert,
der zwischen Bezugspunkt und ausgewähltem Punkt liegt, wobei der
zu manipulierende Bereich konisch auf den ausgewählten Punkt zuläuft. Der
Bereich bewegt sich kontinuierlich mit einer Veränderung des ausgewählten Punkts
mit. Dies hat den Vorteil, dass der Blick eines Beobachters entlang
des Konus auf den ausgewählten
Punkt manipulierbar ist, um z.B. eine Behinderung der Sicht auf den
ausgewählten
Bereich zu vermeiden.
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In
einer besonderen Ausführungsform
des Verfahrens zur Visualisierung können die dargestellten dreidimensionalen
Datensätze
und/oder der ausgewählte
Bereich auf verschiedene Weisen dargestellt werden, z.B. skelettartig,
undurchsichtig, transparent oder teiltransparent. Eine undurchsichtige Darstellung
zeigt beispielsweise nur die Oberfläche eines 3D-Objekts. Bei einer
skelettartigen Darstellung werden nur bestimmte Datenpunkte undurchsichtig
dargestellt, so z.B. in der Angiographie, in der Blutgefäße, bzw.
die Oberflächen
der Blutgefäße in ihrer
Vernetzung gitterartig dargestellt werden. In einer transparenten
bzw. teiltransparenten Darstellung eines Datenpunkts ist dieser
nicht sichtbar, bzw. er überdeckt
dahinter liegende Datenpunkte nicht vollständig.
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Bei
der teiltransparenten Darstellung werden den Datenpunkten Transparenzgrade
zugeordnet, die die Darstellung des jeweiligen Datenpunkts beeinflussen.
Beispielsweise wird das Durchscheinen der Hintergrunddatenpunkte,
d.h. der Datenpunkte die sich in Beobachtungsrichtung hinter einem
Datenpunkt befinden gesteuert. Dies kann bei speziellen volumetrischen
3D-Monitoren durch
die Intensität der
Darstellung des jeweiligen Datenpunkts bewirkt werden. Auf diese
Weise können
Durchscheineffekte erzeugt werden. Die Zuordnung eines Transparenzgrads
erfolgt z.B. aus einer Häufigkeitsverteilung
der Datenpunkte über
die Signalintensität.
Eine Manipulation der Datenpunkte in Abhängigkeit von der Signalintensität ermöglicht es
beispielsweise die Datenpunkte außerhalb eines In tensitätsintervalls
transparent erscheinen zu lassen. Auf diese Art und Weise kann ein
nicht benötigter
Intensitätsbereich
in einer Visualisierung unterdrückt
werden.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens zur Visualisierung hat der auszuwählende Bereich eine geometrische
Form, z.B. die einer Kugel oder die eines Quaders. Über einen Konus,
dessen Inhalt in diesem Fall transparent dargestellt wird, kann
ein Betrachter zunächst
z.B. den Quader positionieren und anschließend in den Quader hineinschauen,
wobei der Inhalt des Quaders z.B. skelettartig dargestellt wird.
Alternativ werden der Inhalt des Quaders und die an den Konus grenzende
Seitenfläche
transparent dargestellt. Die verbleibenden Seitenflächen des
Quaders bilden entsprechend positionierte Schnittbilder durch das 3D-Objekts.
Dies hat den Vorteil, dass man z.B. endoskopische Eingriffe simulieren
kann.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird eine Schnittfläche durch
den ausgewählten
Punkt gelegt, wobei die Datenpunkte auf einer Seite der Schnittfläche transparent
und die auf der anderen Seite undurchsichtig dargestellt werden. Dies
entspricht der üblichen
3D-Darstellung eines Schnittbilds.
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In
einer anderen Ausführungsform
des Verfahrens zur Visualisierung wird neben einer dreidimensionalen
Darstellung eine zweidimensionale Darstellung auf einem 2D-Monitor
generiert. Neben der zweidimensionalen Darstellung eines Schnittbilds
wird die Lage des Schnittbilds in der dreidimensionalen Darstellung
z.B. in Form eines Rahmens angedeutet. Dies ermöglicht ein übersichtliches Orientieren
und Positionieren des Schnittbildes in der 3D-Darstellung sowie
eine hoch auflösende
Darstellung des Schnitts am 2D-Monitor.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens zur
Visualisierung wird der ausgewählte
Bereich dadurch bestimmt, dass die Punkte ausgewählt werden, deren Wert einer
charakteristischen Größe in einem
Fensterbereich um den Wert des ausgewählten Punkts liegen. Die charakteristische
Größe ist beispielsweise
die Signalintensität des
ausgewählten
Punktes. Diese Ausführungsform hat
den Vorteil, dass man eine skelettartige Darstellung von Punkten
mit einem ähnlichen
Wert der charakteristischen Größe erhält.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Darstellungsvorrichtung
zur Darstellung einer Visualisierung von dreidimensionalen Datensätzen weist
die Visualisierungseinheit Mittel auf, die den Bezugspunkt, die
Richtung und den Abstand in Bezug zu einer virtuellen Fläche setzt.
Die Mittel können
dabei eine Recheneinheit umfassen, die mit einem Rechenprogramm
die geometrischen Relationen zwischen den Orientierungsparametern,
der virtuellen Fläche
und dem darstellbaren Volumen berechnet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens zur graphischen Positionierung wird, nachdem die
Schicht anhand der vorläufigen
Messung ausgewählt
und positioniert wurde, mit einem bildgebenden medizinischen Untersuchungsgerät eine hoch
aufgelöste
Messung durchgeführt
und am Monitor dargestellt.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind durch die Merkmale der jeweiligen Unteransprüche gekennzeichnet.
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Es
folgt die Erläuterung
von mehreren Ausführungsbeispielen
anhand der 1 bis 13. Es zeigen:
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1 eine
Darstellungsvorrichtung zur Darstellung einer Visualisierung von
dreidimensionalen Datensätzen,
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2 eine
Multifunktionsmaus mit mehreren funktionellen Mitteln,
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3 eine
Skizze, die den Einsatz eines Zeigestabs verdeutlicht,
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4 ein
Beispiel für
die Wahl einer virtuellen Fläche
bei der Benutzung einer perspektivischen 3D-Darstellung mit einem
2D-Monitor,
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5 eine
Skizze zur Verdeutlichung von Orientierungsparametern, die mittels
Eingabevorrichtungen eingegeben werden können,
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6 einen
ersten Messaufbau, der die Bestimmung der Position und Ausrichtung
eines Zeigestabs erlaubt,
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7 einen
zweiten Messaufbau, der die Bestimmung der Position und Ausrichtung
eines Zeigestabs erlaubt,
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8 eine
Skizze zur Verdeutlichung der in 7 verwendeten
codierten Reflexion,
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9 schematische
Schnittdarstellungen von manipulierbaren Volumina,
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10 eine
3D-Angiographie-Aufnahme eines Magnetresonanztomographiegerät,
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11 eine
3D-Abbildung eines Kniegelenks eines Computertomographiegerät,
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12 eine
Intensitätshäufigkeitsverteilung von
Datenpunkte sowie deren mittels Fensterung eingestellte Transparenzgradverteilung,
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13 eine
Skizze zur Verdeutlichung der Selektion einer Schicht im Darstellungsraum,
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14 eine
Abbildung zur Verdeutlichung der Positionierung von Schichten bei
der Magnetresonanztomographie.
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1 zeigt
eine Darstellungsvorrichtung 1 zur Darstellung einer Visualisierung
von dreidimensionalen Datensätzen.
Die Datensätze
werden mit Hilfe eines Magnetresonanztomographiegeräts 3,
stellvertretend für
bildgebende medizinische Untersuchungsgeräte, gewonnen. Der in diesem
Fall dreidimensional aufgenommene Kopf 5 eines Patienten wird
mit Hilfe eines 3D-Monitors 7 dargestellt.
Der 3D-Monitor 7 ist in diesem Fall ein realer 3D-Monitor, der
ein Objekt, hier den Kopf 5, innerhalb seines räumlichen
Darstellungsvolumens 8 als räumliche Abbildung, hier eine
Kopfabbildung 9, darstellt. Alternativ könnte der
3D-Monitor 7 auch ein konventioneller Monitor, d.h. ein
Monitor mit einem zweidimensionalen Darstellungsraum, sein, der
den Kopf unter einer räumlichen
Perspektive abbildet.
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Mit
Hilfe von Eingabevorrichtungen 11, 13, beispielsweise
einer Multifunktionsmaus 11 oder einem Zeigestab 13,
ist eine Orientierung innerhalb des Darstellungsvolumens 8 und
damit innerhalb der dreidimensionalen Visualisierung, d.h. in der
Kopfabbildung 9, möglich.
Dazu benötigte
Parameter werden z.B. digitalisiert und per Kabel oder Infrarotschnittstelle
an die die Visualisierung berechnende und erzeugende Einheit ausgegeben.
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Wurde
beispielsweise mit Hilfe der Eingabevorrichtungen 11, 13 ein
Punkt 14 in der Kopfabbildung 9 ausgewählt, so
kann z.B. eine den Punkt 14 umgebende virtuelle Schnittfläche entlang
eines transparenten Konus 15 betrachtet werden. Zusätzlich kann
die Schnittfläche
auf einem konventionellen 2D-Monitor 17 abgebildet werden.
In 1 wird z.B. ein Schnittbild 19 durch
ein Gleichgewichtsorgan des Kopfes 5 abgebildet.
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Der
Beobachter kann den Konus 15 mit Hilfe der Eingabevorrichtungen 11, 13 auf
beliebige Positionen im Abbildungsvolumen des 3D-Monitors 7 ausrichten,
d.h. jeder Punkt 14 im Dar stellungsvolumen 8 kann
von jeder Richtung aus betrachtet werden.
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Der
3D-Monitor 7 der Darstellungsvorrichtung 1 weist
zusätzlich
eine Recheneinheit 21 auf, die den jeweils mit der Eingabevorrichtung
eingegebenen Bezugspunkt 23, die Richtung und den Abstand in
bezug zu einer virtuellen Fläche
setzt, deren geometrische Anordnung zum Darstellungsvolumen 8 bekannt
ist. Die Recheneinheit 21 weist demnach Mittel auf, die
die geometrischen Relationen zwischen den 3D-Daten und den Eingabeparametern der
Eingabevorrichtungen 11, 13 rechenzeiteffizient kombiniert
und berechnet. In anderen Worten ordnet die Recheneinheit 21 dem
eingegebenen Bezugspunkt 23 einen Punkt auf der virtuellen
Fläche
zu, von dem ausgehend entlang der eingegebenen Richtung im eingegebenen
Abstand der Punkt 14 oder der ihn umgebende Bereich im
dreidimensionalen Datensatz ausgewählt wird. Die Berechnungen
werden z.B. durch auf graphische Relationen optimierte Prozessoren
schnellstmöglich
durchgeführt.
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2 zeigt
eine Multifunktionsmaus 11 mit mehreren verschiedenen funktionellen
Mitteln. Grundlage der Multifunktionsmaus 11 ist ein Unterbau 31,
dessen Funktionsweise einer konventionellen PC-Maus entspricht.
Mittels einer Kugel 33 wird die Bewegung auf einer Unterlage
in zwei Richtungen gemessen, die in 2 mit X-
bzw. Y-Richtung bezeichnet sind. Eine Bewegung der Multifunktionsmaus 11 auf
der Unterlage führt
zu einer Änderung
in den X- und Y-Koordinaten, welche registriert und mittels der
Recheneinheit 21 auf eine Bewegung in einem Koordinatensystem
einer virtuellen Fläche übertragen
wird. Alternativ ist die Bewegung der Multifunktionsmaus 11 auf
der Unterlage optisch erfassbar (optische Maus).
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Im
Beispiel des 3D-Monitors aus 1 wird die
virtuelle Fläche
z.B. durch die halbkugelförmige Oberfläche des
Darstellungsvolumens 8 dargestellt, welche z.B. in Längen- und
Breitengrade aufgeteilt werden kann. Beispielsweise entspricht eine
Bewegung des Unterbaus 31 entlang der X-Richtung eine Bewegung
auf dem Breitengrad und eine Bewegung entlang der Y-Richtung einer Bewegung
auf dem Längengrad.
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Eine
Alternative zu dem Unterbau 31 in Art einer Maus ist ein
Trackball- oder Trackpadsystem. In diesem Fall wird ein Verändern der
Koordinaten direkt durch ein Rotieren der Kugel oder durch ein Berühren des
Trackpads registriert.
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Auf
dem Unterbau 31 ist ein Joystick 35 angebracht,
der es erlaubt ein Auslenken in zwei beispielsweise orthogonale
Richtungen zu registrieren. Die Auslenkung in einer Richtung kann
z.B. durch den Grad der Auslenkung oder durch die Dauer der Auslenkung
einen Winkel bestimmen. Mit Hilfe der Recheneinheit 21 wird
ein auf diese Weise eingegebener Winkel in einen Winkel umgerechnet,
der eine Richtung festlegt, die ausgehend vom Bezugspunkt aus der
virtuellen Fläche
herauszeigt. Ein Verkippen des Joysticks 35 nach vorne
bzw. nach hinten entspricht z.B. wieder auf 1 bezogen
einer Winkeländerung
in der Ebene des Längengrads
des Bezugspunkts und ein seitliches Verkippen entspricht einer Winkeländerung
in einer Ebene, die senkrecht zur Ebene des Längengrads und senkrecht zur
Tangentialebene an die halbkugelförmige Oberfläche des
Darstellungsvolumens 8 am Bezugspunkt ist, wobei alle Ebenen
durch den Bezugspunkt gehen.
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Zusätzlich besitzt
die Multifunktionsmaus 11 drei Tasten 37, 38, 39,
die in ihrer Bedienung und Funktionsweise der linken, rechten und
mittleren Maustaste einer konventionellen Maus ähneln. Mit diesen Tasten können zusätzliche
Eingaben gemacht werden, um z.B. den Winkel oder den Bezugspunkt zu
fixieren oder auf einen Ausgangswert zu setzen. Die mittlere Maustaste 39 ist
zusätzlich
als Rädchen ausgebildet,
dessen Drehung registriert wird und von der Recheneinheit 21 in
eine Abstandsgröße, beispielsweise
der Länge
eines Pfeils ausgehend vom Bezugspunkt 23, umgerechnet
wird.
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3 verdeutlicht
den Einsatz des Zeigestabs 13 bei der Auswahl eines Punkts 14a im
Darstellungsvolumen 8. Aufgrund der freien Bewegbarkeit
des Zeigestabs 13 hat ein Benutzer die Möglichkeit,
von jeder gewünschten
Position aus in einen beliebigen Bereich innerhalb des Darstellungsvolumens 8 zu
zeigen. In 3 deutet der Benutzer mit dem Zeigestab 13 auf
das 3D-Objekt 41. Während
der Benutzung des Zeigestabs 13 werden seine Lage und seine
Ausrichtung in Relation zum Darstellungsvolumen 8 gemessen.
Die Recheneinheit 21 der Darstellungsvorrichtung 1 berechnet
mit diesen Größen eine Gerade 42,
die entlang der gedachten Verlängerung des
Zeigestabs 13 verläuft.
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Um
einen Pfeil 43 im Darstellungsvolumen 8 einzeichnen
zu können,
berechnet die Recheneinheit 21 den Durchstoßpunkt 23a der
Geraden 42 mit der Oberfläche 45 des Darstellungsvolumens 8.
Der Durchstoßpunkt 23a entspricht
dem Bezugspunkt 23, der mit dem Zeigestab eingegeben wird.
Die virtuelle Fläche,
auf der der Bezugspunkt 23 positioniert wird, wird in diesem
Fall durch die Oberfläche 45 des
Darstellungsvolumens 8 gebildet. Wird mithilfe eines Rädchens 47 im
Zeigestab 13 zusätzlich
eine Abstandsgröße eingegeben,
bestimmt diese den Abstand des auszuwählenden Punkts 14a vom
Durchstoßpunkt 23 entlang
der Geraden 42. Alternativ kann der Abstand durch eine
Translationsbewegung des Zeigestabs 13 entlang der Geraden 42 eingestellt
werden, indem die Translationsbewegung während des Drückens einer
Taste 49 registriert wird.
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Ist
auf diese Weise der Punkt 14a im 3D-Objekt bestimmt, wird
der Pfeil 43 entlang der Geraden 42 eingezeichnet,
wobei die Pfeilspitze auf den auszuwählenden Punkt 14a zeigt.
Der Pfeil 43 bewegt sich kontinuierlich mit einer Veränderung
des Punkts 14a mit, welche durch eine Bewegung des Zeigestabs 13 hervorgerufen
wird. Durch die Auswahl des Punkts 14a kann auch die Darstellung
eines Bereichs um den Punkt 14a im 3D-Objekt 41 verändert werden.
Vorzugsweise wird der zu verän dernde
Bereich je nach Bedarf voreingestellt sein oder z.B. mittels der
Eingabevorrichtung 11, 13 bestimmt werden.
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Mithilfe
von Tasten 49, die am Zeigestab 13 angebracht
sind, kann Einfluss auf den Ablauf des Auswahlprozesses und die
Darstellungsweisen des 3D-Objekts 41 im Darstellungsvolumen 8 genommen werden.
So kann mit ihnen z.B. zwischen verschiedenen Darstellungsweisen
hin- und hergewechselt werden.
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Um
Störungen
in der Darstellung und beim Auswahlprozess aufgrund eines Zitterns
bei der Handhabung des Zeigestabs 13 zu unterdrücken, wird
die Berechnung des Bezugspunkts 23 verlangsamt, so dass
Positionsänderungen
des Bezugspunkts 23 auf der Oberfläche 45 nur verzögert und/oder
gedämpft
erfolgen. Des weiteren kann beispielsweise mithilfe einer der Tasten 49 der
Bezugspunkt 23 in seiner Lage fixiert werden, so dass von
da an nur noch die Ausrichtung des Zeigestabs 13 kontrolliert
und gemessen werden muss, um die Richtung der Geraden und damit
des Pfeils 43 zu berechnen.
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Zur
Beschleunigung der Berechnungen könnte die Recheneinheit 21 z.B.
die Oberfläche 45 des
Darstellungsvolumens 8 in ein Koordinatensystem mit Längen- und
Breitengraden 51, 53 untergliedern.
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4 zeigt
ein Beispiel für
die Wahl der virtuellen Fläche 55 bei
der Benutzung einer perspektivischen 3D-Darstellung auf einem Flachbildschirm 57.
Die virtuelle Fläche 55 befindet
sich dabei auf der Bildschirmoberfläche, so dass sie sich immer
zwischen Betrachter und Darstellung befindet. Die mit der Multifunktionsmaus 11 abgetastete
Fläche,
z.B. eine Maus-Unterlage 58,
kann mit einer Skalierung auf die virtuelle Fläche 55 übertragen
werden. Eine Skalierung ist besonders einfach, wenn für beide
Flächen,
d.h. für
die Maus-Unterlage 58 und für die virtuelle Fläche 55,
kartesische Koordinaten 59, 59a zur Positionsbestimmung
der Multifunktionsmaus 11 und des Bezugspunkts 23b verwendet
werden.
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5 verdeutlicht
die Orientierungsparameter, die mittels der Eingabevorrichtungen 11, 13 eingegeben
werden können. 5 zeigt
dabei zwei Beispiele, bei denen die Winkeleingaben zur Bestimmung
der Richtung nicht in den Ebenen der Längen- und Breitengrade stattfinden, sondern
bei denen sich die Winkeleingaben auf die Abweichung von der Normalen
der Tangentialebene durch den Bezugspunkt beziehen. In den Beispielen
wurden mithilfe der Eingabevorrichtungen 11, 13 die
Bezugspunkten 61, 61a eingegeben. Sie liegen an
verschiedenen Positionen auf der Oberfläche 45 des Darstellungsvolumens 8.
Des weiteren sind die Abstandsgrößen 63, 63a in 5 eingezeichnet,
die den Abstand vom Bezugspunkt 61, 61a zu den
auszuwählenden
Punkten bestimmen, welche an den Spitzen der Pfeile 64, 64a liegen.
Zusätzlich
sind in 5 Tangentialebenen 65, 65a an
die Oberfläche 45 durch
die jeweiligen Bezugspunkte 61, 61a dargestellt.
Im ersten Beispiel der 5 liegt der Pfeil 64 in
einer Ebene, die senkrecht auf der Tangentialebene 65 steht.
In diesem Fall wurde zumindest für
eine Richtung keine Winkelabweichung eingegeben. Im zweiten Beispiel wurde
mithilfe des Joysticks 35 oder der Ausrichtung des Zeigestabs 13 ein
Winkel 67 eingegeben, der die Abweichung der Richtung des
Pfeils 64a von einer Normalen 68a auf die Tangentialebene 65a in
einer Richtung bestimmt.
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6 zeigt
den Messaufbau, der die Bestimmung der Position und Ausrichtung
des Zeigestabs 13 erlaubt. Im Zeigestab 13 befinden
sich zwei Ultraschallsender S1, S2. Die beiden Sender senden abwechselnd
einen Ultraschallpuls aus, der von mindestens drei Empfängern E1,
E2, E3, En nach bestimmten Laufzeiten U1, U2, U3, Un empfangen wird. Aus
den Laufzeiten U1, U2, U3, Un lassen sich mithilfe der Schallgeschwindigkeit
die Abstände
zwischen den Ultraschallsendern S1, S2 und den Empfängern E1,
E2, E3, En berechnen. Aus den Abständen und den bekannten Positionen
der Empfänger E1,
E2, E3, En lassen sich die Orte der Sender S1 und S2 bestimmen.
Damit ist die Position des Zeigestabs 13 und seine Ausrichtung
eindeutig im Raum definiert und kann leicht in Bezug zum Darstellungsvolumen 8 gesetzt
werden.
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Mit
Hilfe der Recheneinheit 21 kann die gedachte Verlängerung
des Zeigestabs berechnet und im Darstellungsvolumen 8 eingezeichnet
werden.
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Zur
Bestimmung der Laufzeiten U1, U2, U3, Un müssen die Sender S1, S2 mit
den Empfängern E1,
E2, E3, En synchronisiert sein. Dies geschieht mit einer Synchronisationseinheit
S und den dazugehörigen
Synchronisationspfaden TE1, TE2, TE3, TEn, TS, TS1, TS2, die die
Synchronisationseinheit S, beispielsweise einen Funksender, mit
den Empfängern
E1, E2, E3, En und den Sender S1, S2 im Zeigestab 13 verbinden.
Zusätzlich
wird mittels der Synchronisationseinheit S festgelegt, in welcher
Reihenfolge die Ultraschallsender S1, S2 senden.
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Mit
dem Rädchen 39a wird
wie oben beschrieben der Abstand von Bezugspunkt und auszuwählendem
Punkt oder Volumen eingestellt.
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Damit
eine störungsfreie
Bedienung mit dem Zeigestab 13 rund um das 3D-Display herum
möglich ist,
werden zur Verhinderung von Abschirmeffekten durch den 3D-Monitor
mehr als drei Ultraschallempfänger
E1, E2, E3, En eingesetzt.
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7 verdeutlicht
eine zweite Meßmethode, mit
der mit Hilfe von Ultraschallreflektoren R1, R2 im Zeigestab 13 die
Lage und Ausrichtung des Zeigestabs 13 in Bezug zum Darstellungsvolumen 8 bestimmt
werden kann. Mittels eines Ultraschallsenders S3 wird ein Ultraschallpulszug
ausgesandt. Der Ultraschallpulszug besteht aus einer Folge von kurzen Pulsen
mit jeweils festgelegten Amplituden und Frequenzen. Die Pulse werden
an den Reflektoren R1 und R2 reflektiert und anschließend von
den Empfängern
E1, E2, E3, En registriert. Der Sender S3 und die Empfänger E1,
E2, E3, En sind wieder über
eine Synchronisations einheit S synchronisiert. Die beiden Reflektoren
R1, R2 sind wie die Sender S1, S2 in 6 an den
Enden des Zeigestabs 13 im Abstand L angeordnet.
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Die
Reflektoren haben die Eigenschaft, dass sie auf die verschiedenen
Frequenzen im Ultraschallpulszug unterschiedlich resonant sind,
d.h. die Ultraschallpulse verschieden stark reflektieren. Auf diese Art
und Weise werden die Ultraschallpulse durch die Reflektoren R1 und
R2 codiert, so dass sie von den Empfängern E1, E2, E3, En zum einen
voneinander unterschieden werden können, und zum anderen von Reflexionen
an Fremdkörpern
unterschieden werden können.
Aus den Laufzeiten können
wieder die Abstände
zwischen den Reflektoren und den Empfängern berechnet werden, so
dass die Lage und Ausrichtung des Zeigestabs 13 in Bezug
zum Darstellungsvolumen 8 mit Hilfe der Recheneinheit 21 berechenbar
sind.
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8 verdeutlicht
die Wirkungsweise der codierten Reflexion am Beispiel der Reflexionen
am Reflektor R1 und an einem Fremdobjekt. Bei der Codierung werden
die einzelnen Pulse eines Signalsendepulszugs SP, dessen Verlauf
der Amplituden A1, A2, ... An bei den Frequenzen f1, f2, ... fn über die Zeit
t in 8 schematisch dargestellt ist, jeweils mit einem
definierten Reflexionsfaktor am Reflektor R1 reflektiert. Dies erzeugt
einen reflektierten Echosignalpulszug EP1 mit den Amplituden B1,
B2, ... Bn. Dabei können
auch die Pulsbreiten und Pulsformen des Empfangspulszugs EP1 Durch
die Reflexion des Sendepulses SP an R1 charakteristisch modifiziert werden.
Die Reflexion an einem Fremdobjekt ist nicht kontrollierbar und
erzeugt ebenfalls einen Echosignalpulszug EPF, wobei durch die Reflexion
am Fremdobjekt der Amplitudenverlauf als Beispiel in 8 kaum
verändert
wurde. Die Amplitudenverläufe
des Echosignalpulszugs EP1 und des Echosignalpulszugs EPF über die
Zeit t sind ebenfalls in 8 dargestellt.
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In
Abhängigkeit
vom Reflektor haben reflektierte Echosignalpulszüge unterschiedliche Amplitudenverläufe und
Pulsformen, die idealisiert durch reflektorspezifische Echosignale,
z.B. durch das in 8 dargestellte Echosignal EE1,
bestimmt werden. Mithilfe einer Korrelation K von empfangenem Signal
und reflektorspezifisch erwarteten Echosignalen EE1 kann eine Zuordnung
des Signals zu den Reflektoren R1, R2 bzw. zu Fremdobjekten durchgeführt werden.
Enthält
das empfangene Signal beispielsweise den Echosignalpulszug EP1,
erhält
man bei der Korrelation K mit dem Echosignal EE1 einen Korrelationswert
K1. Dieser ist größer als
der Korrelationswert KF, den man bei der Korrelation K des am Fremdobjekt
reflektierten Echosignalpulszugs EPF mit dem Echosignal EE1 erhalten
würde.
Werden der Echosignalpulszug EP1 und der Echosignalpulszugs EPF
nacheinander empfangen, ergibt sich der in 8 dargestellte
zeitliche Verlauf der Korrelation von empfangenen Signal und Echosignal
EE1.
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Für die Berechnung
der räumlichen
Positionen der Reflektoren R1, R2 werden die Laufzeiten der entsprechenden
Pulszüge
ab dem Zeitpunkt des Sendens bis zum Empfangen durch E1, E2, ...
En gemessen. Aus den Laufzeiten lassen sich Rotationsellipsoide
mit den Brennpunkten S3, E1, E2, E3, En berechnen. Der Schnittpunkt
aus mindestens drei Ellipsoiden markiert die Positionen der Reflektoren
R1, R2. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Lagebestimmung kann
der bekannte Abstand L der Reflektoren R1, R2 in die Berechnung
mit einbezogen werden. Zusätzlich
können
sich die Resonanzfrequenzen der Reflektoren R1, R2 unterscheiden.
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Eine
Darstellungsvorrichtung 1 zur Darstellung einer Visualisierung
von dreidimensionalen Datensätzen
erlaubt z.B. bei der medizinischen und speziell bei der radiologischen
Darstellung dreidimensionaler Daten eine Vielzahl von Darstellungsweisen
und entsprechenden Applikationen. Gerade bei realen 3D-Monitoren
kann eine solche Darstellungsvorrichtung zur Simulation und Schulung
von Operationen mit Hilfe von virtuellen Operationsinstrumente durchgeführt werden.
Anschließend können die
Daten der simulierten Operation auch an einen Operationsroboter
weitergegeben werden.
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In
einer ersten Darstellungsweise soll es möglich sein, mit Hilfe der Eingabevorrichtungen 11, 13 in
ein undurchsichtiges 3D-Objekt zu stechen, wobei das 3D-Objekt in
der Umgebung des Pfeils transparent wird. Damit soll das zu untersuchende
Volumen an der Zeigerspitze von außen sichtbar gemacht werden.
Die Form und Größe des transparenten
Volumens ist beispielsweise auf eine Kegelform einstellbar. Wahlweise
kann der Pfeil selbst transparent dargestellt werden, damit er nicht
Bereiche des dargestellten Objekts verdeckt.
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In
einer Variation dieser Darstellungsweise wird mit Hilfe des Pfeils
ein beliebig geformtes transparentes Volumen (z.B. Kugel oder Würfel) im 3D-Objekt
platziert. Die Position und Orientierung des Volumens relativ zum
Pfeil ist ebenfalls einstellbar. Beispielsweise kann das Volumen
durch einen virtuellen Rahmen oder Käfig im Darstellungsbereich 8 angedeutet
und mit der Eingabevorrichtung 11, 13 durch das
3D-Objekt hindurchbewegt und positioniert werden. Dabei kann z.B.
das 3D-Objekt auf
einer Seite des Rahmens transparent dargestellt werden.
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Eine
weitere Möglichkeit,
ein solches Volumen zu definieren, besteht darin, dass mit der Eingabevorrichtung 11 und 13 mehrere
Punkte markiert werden, die gemeinsam das Volumen oder einen Teilbereichs
des Volumens, z.B. eine Fläche,
aufspannen.
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In
einer Darstellungsweise werden die Datenpunkte innerhalb des Volumens
beispielsweise transparent dargestellt.
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Auf
diese Weise ist beispielsweise ein aktives Bearbeiten der Daten
möglich,
wie z.B. ein Ausschneiden von störenden
Knochen in der Bildgebung.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des z.B. transparent schaltbaren Volumens sind in 9 im
Schnitt dargestellt. Um das Volumen im Bereich der Pfeilspitze 71 entlang
der Geraden 42a betrachten zu können, kann das Volumen in Form
eines Konus 73 ausgebildet sein. Das Ende des Konus 73 im
Bereich der Pfeilspitze, d.h. des ausgewählten Punkts 14b,
ist z.B. entweder als Ebene 74 oder als Halbkugel 75 geformt.
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Eine
weiter Darstellungsweise ist die der Gitterdarstellung 76.
Zur Verdeutlichung zeigt 10 eine
3D-Angiographie-Aufnahme
mit einem Magnetresonanztomographiegerät und 11 eine 3D-Abbildung
eines Kniegelenks mit einem Computertomographiegerät. Die für eine Gitterdarstellung 76 benötigten Datensätze können z.B.
durch Fensterung erzeugt werden.
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In
einer einfachen Version der Fensterung werden nur Datenpunkten mit ähnlicher
Intensität
I dargestellt. Dazu wird in einer Häufigkeitsverteilung H die Anzahl
N der Datenpunkte mit einer Intensität I eingetragen, siehe 12.
Neben der Intensität 2 kann
auch eine Häufigkeitsverteilung
H einer anderen charakteristischen Größe, wie z.B. Fluss oder Diffusion,
gewählt
werden. In der Häufigkeitsverteilung H
wird ein Mittenwert 77 und eine Fensterbreite 79 um
den Mittenwert 77 gewählt.
Die Datenpunkte, die außerhalb
des so definierten Fensters liegen, werden z.B. transparent dargestellt.
Die Datenpunkte innerhalb des Wertebereichs werden in ihrer Darstellung besonders
bearbeitet, z.B. nimmt ihr Transparenzgrad T mit zunehmender Intensität linear
ab (Transparenzgraddarstellung 80). Dies bewirkt in der
Darstellung, dass ein Punkt mit einem hohen Intensitätswert I
im Wertebereich keine Datenpunkte, die sich in Betrachtungsrichtung
hinter diesem Punkt befinden, durchscheinen lässt.
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Durch
die Variation der Fensterparameter kann die Transparenz des 3D-Objekts
für alle
Intensitätswertebereiche
stufenlos eingestellt werden.
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Die
Vorgehensweise der Fensterung ermöglicht es, auf z.B. der Intensitätsskala
einer Aufnahme einen beliebigen Bereich auszuwählen und diesen modifiziert,
z.B. transparent oder undurchsichtig, darzustellen.
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In
einer ersten Verdeutlichung dieser Vorgehensweise wird ein 3D-Objekt
an einer repräsentativen
Stelle markiert. Anschließend
werden alle Datenpunkte mit der selben oder zumindest einer ähnlichen Intensität transparent
geschaltet. Dies erlaubt es dem Betrachter, z.B. einem Radiologen,
Datenpunkte, die nicht untersuchungsrelevant sind transparent zu
schalten, z.B. Unterdrückung
von hellem Fettgewebe in einer Magnetresonanzaufnahme.
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In
einer zweiten Verdeutlichung dieser Vorgehensweise werden die Datenpunkte,
die ausgehend von der repräsentativen
Stelle einen stetigen Intensitätsverlauf
aufweisen, undurchsichtig abgebildet. Dies ergibt eine Gitterdarstellung,
die der 3D-Angiographie-Aufnahme
in 10 nahe kommt. Werden die so ausgewählten Bereiche
dagegen transparent geschaltet, kommt dies einem Ausschneiden von
die Sicht behindernden Bereichen, z.B. Knochen, nahe.
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Mithilfe
der Darstellungsvorrichtung ist es ebenfalls möglich, Schichten im Darstellungsraum 8 zu
selektieren. Eine Verdeutlichung der Vorgehensweise zeigt 13.
Im Darstellungsraum 8 befindet sich ein 3D-Objekt 41a.
Zusätzlich
ist ein Pfeil 81 dargestellt, der auf einen ausgewählten Punkt 14c zeigt. Die
zu selektierende Schichtebene 83 ist in Bezug zur Ebene,
die orthogonal zum Pfeil 81 steht, z.B, um 45° geneigt
und durch einen Rahmen 85 und eine am 3D-Objekt 41a eingezeichnete
Umrisslinie 87 verdeutlicht. Die selektierte Schichtebene 83 kann
entweder anschließend
allein mit dem 3D-Monitor
angezeigt werden oder sie kann zeitgleich, falls der 3D-Monitor
gemeinsam mit einem 2D-Monitor verwendet wird, auf dem 2D-Monitor
abgebildet werden.
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In
vielen Fällen
ist es günstig,
die Pfeilspitze an einem beliebigen Raumpunkt mittels der Tasten der
Eingabevorrichtung 11, 13 zu fixieren, und anschließend beispielsweise
die Pfeilrichtung oder die Winkel der selektierten Schicht zum Pfeil 81 zu
variieren.
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Eine
mögliche
Anwendung ist die graphische Schichtpositionierung bei der Magnetresonanztomographie,
bei der zur Vorbereitung eine schnelle 3D-Messung durchgeführt wird.
Der gewonnene 3D-Datensatz umfasst die zu untersuchende Körperregion
bei geringer Auflösung
und wird mit einem 3D-Monitor dargestellt. Ein Beispiel zeigt 14.
Der Benutzer kann in das 3D-Objekt,
hier die Kopfabbildung 91, die als nächstes zu messenden Schichten 83,
gekennzeichnet durch die Rahmen 85 realitätsnah ausrichten
und positionieren.