DE3689399T2 - Kubusteilungssystem und Verfahren zur Anzeige von im Innengebiet eines massiven Körpers enthaltenen Flächenstrukturen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Anzeigen von Oberflächeninformationen. Die angezeigten Oberflächenbilder sind typischerweise in inneren Bereichen von Festkörpern enthalten, die durch Computertomographie(CT)-Röntgensysteme oder durch Magnetresonanz(MR)-Bildgebungsysteme untersucht werden, die jeweils dreidimensionale Datenfelder erzeugen können, die eine oder mehrere physikalische Eigenschaften an verschiedenen Plätzen in einem dreidimensionalen Volumen darstellen. Spezieller ausgedrückt, betrifft die Erfindung ein System und ein Verfahren für die Anzeige medizinischer Bilder, um Darstellungen innerer Körperstrukturen zu erhalten. Die nach der Erfindung erzeugten Bilder stellen Ärzten, Röntgenologen oder anderen medizinischen Praktikern dreidimensionale Daten für Untersuchungen bereit.
• Bei herkömmlichen Röntgensystemen wird ein zweidimensionales Schattenbild auf der Grundlage verschiedener Schwächungs- bzw. Absorptionscharakteristiken von Knochen- und Weichteilgewebe erzeugt. Eine erhebliche Verbesserung der herkömmlichen Röntgensysteme als ein diagnostisches Werkzeug wurde durch Computertomographie-Systeme erzielt, die in den letzten 10 Jahren entwickelt worden sind. Diese sogenannten CT-Systeme basieren auf Röntgenstrahlung und wurden zunächst dazu verwendet, einzelne zweidimensionale Ansichten zu liefern, die Querschnitte bzw. Scheiben eines Körpers, eines Objektes oder eines zu untersuchenden Patienten darstellen. Danach wurden dreidimensionale Informationen aus den CT-Abtastdaten dadurch gewonnen, daß Daten für eine Anzahl von benachbarten Scheiben erzeugt und die Befähigung des Radiologen zum Schlußfolgern benutzt wurden, um eine dreidimensionale Darstellung der verschiedenen inneren Organe hervorzubringen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden dreidimensionale Schatten- und Konturenbilder aus dem dreidimensionalen Datenfeld generiert, das durch eine Folge derartiger zusammenhängender CT-Abtastungen erzeugt wird. Auf die gleiche Weise können auch dreidimensionale Datenbilder mit Hilfe der neueren MR-Bildgebungstechnologie erzeugt werden, die physikalische Eigenschaften der inneren Körperorgane darstellen. Darüber hinaus besitzen MR-Systeme die Fähigkeit, besser zwischen verschiedenen Gewebearten, und nicht nur zwischen Knochen- und Weichteilgewebe, zu unterscheiden. MR-Bildgebungssysteme können ferner eher physiologische Daten als nur Bilddaten erzeugen. Allerdings waren, gleichgültig ob man MR- oder CT-Systeme verwendete, die Daten lediglich als eine Folge von Scheiben verfügbar, und es gab im allgemeinen keine Systeme, die echte dreidimensionale Bilder liefern konnten.
• Mit der Erfindung können dreidimensionale Daten, die entweder durch ein CT-Abtastsystem oder durch ein MR-Bildgebungssystem erzeugt worden sind, angezeigt und auf eine Vielzahl von Wegen analysiert werden, um mehrere anatomische Merkmale auf einem Anzeigeschirm oder anderen Einrichtungen darzustellen, die nach Wunsch des Betrachters auswählbar sind. Bei dem System und dem Verfahren nach der Erfindung werden die zur Erzeugung der dreidimensionalen Bilder benützten Daten in typischer Weise einmal gewonnen und danach zum Erzeugen von Informationen und zum Anzeigen von Bildern nach der Wahl des Betrachters verwendet und wiederverwendet. Dem Betrachter wird die Möglichkeit eingeräumt, einen oder mehrere Schwellenwerte auszuwählen, die beispielsweise festlegen, ob Knochenoberflächengewebe im Gegensatz zu einem Weichteilgewebe angezeigt werden soll. Der Betrachter oder die Bedienungsperson des Systems kann ferner einen geeigneten Betrachtungswinkel auswählen und, je nach Wunsch, generierte Datensegmente wahlweise ignorieren, um Querschnittsansichten durch jede gewünschte Schicht bereitzustellen. Außerdem ist der Betrachtungswinkel auswählbar, und es ist möglich, eine Bilderfolge zu erzeugen und diese sequentiell anzuzeigen, um dem praktischen Arzt innere Ansichten von festen Oberflächen aus jedem gewünschten Betrachtungswinkel auf eine echte dreidimensionale Art und Weise zu liefern, und zwar mit der weiteren Fähigkeit, eine Ansicht durch jede Ebene oder Scheibe zu erzeugen. Es wird nochmals darauf hingewiesen, daß für viele Zwecke eine nahezu unendliche Vielfalt aussagekräftiger Bilder aus nur einem einzigen Satz von MR- oder CT-Abtastscheiben-Datenfeldern erzeugt werden kann. Es ist sicherlich so, daß, wenn es Aufgabe der medizinischen Untersuchung ist, innere anatomische Veränderungen als Funktion der Zeit zu studieren, es bedeutungsvoll wäre, eine Folge dreidimensionaler Datenfelder zu erzeugen, die durch die Zeit gekennzeichnet sind. Das System und Verfahren nach der Erfindung ermöglichen den praktischen Ärzten und insbesondere den Chirurgen, detaillierte und komplizierte chirurgische Prozeduren unter Anwendung völlig nicht-invasiver diagnostischer Verfahren zu planen. Die gemäß der Erfindung erzeugten Bilder können nur als wirklich dramatisch beschrieben werden und liefern auch jeden Beweis, daß sie eine genau so große Verbesserung in der medizinischen Bildgebungstechnik darstellen wie die axiale Computertomographie und die Magnetresonanz-Bildgebung.
• Obwohl das System und Verfahren nach der Erfindung zweifelsfrei ihre größte Verwendung bzw. Anwendung bei der Analyse und Anzeige von mit Hilfe der tomographischen Röntgen- und Magnetresonanz-Bildgebungsdaten finden, ist das System gemäß der Erfindung gleichermaßen anwendbar auf Systeme, die Ultraschall, eine Positron-Emissionstomographie, ECT sowie MMI verwenden. Die Erfindung kann zwar insbesondere zum Erzeugen von medizinischen Bildern eingesetzt werden, doch sei ferner darauf hingewiesen, daß das System und das Verfahren nach der Erfindung auch zum Anzeigen dreidimensionaler, innerer Oberflächenstrukturen für jedes System anwendbar sind, das dreidimensionale Datenfelder erzeugen kann, in denen Signalmuster vorhanden sind, die den Wert von mindestens einer den Punkten in einem Festkörper zugeordneten physikalischen Eigenschaft darstellt.
• Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist in ihrer Fähigkeit zu sehen, praktischen Ärzten eine Einrichtung zur Durchführung interaktiver Funktionen in Echtzeit bereitzustellen. Systeme, die einen interaktiven Einsatz nicht erlauben, leiden an einem merklichen Nachteil, da eine Echtzeit-Anzeigemethodik für eine optimale menschliche Interaktion mit und dem System erforderlich ist, insbesondere dann, wenn ein Chirurg eine schwierige Operation plant. Beispielsweise bereitet es in der Transplantationschirurgie oftmals Schwierigkeiten, im voraus die genaue Form und Größe eines Körperhohlraums festzustellen, in den ein Implantat eingesetzt werden soll. Dies trifft immer zu, gleichgültig ob das Implantat ein menschliches Gewebe oder eine mechanische Einrichtung umfaßt. Daraus ist ersichtlich, daß es für einen Chirurgen sehr wichtig sein kann, den in Frage stehenden Hohlraum in einer dreidimensionalen Form auf einem Bildschirm darzustellen und ihn je nach Wunsch zu drehen und abschnittsweise darzustellen, bevor irgendein invasiver Eingriff unternommen wird. Für solche praktischen Ärzte ist es auch wichtig, daß die erzeugten Bilder scharf sind und einen hervorragenden Kontrast bilden. Die erzeugten Bilder sollten auch eine Oberflächentextur darstellen, wo immer dies möglich ist.
• Die Anzeige dreidimensionaler graphischer Bilder auf einem Bildschirm mit einer Kathodenstrahlröhre (CRT, cathode ray tube) wurde hauptsächlich durch Ziele und Richtungen des computergestützten Entwurfs (CAD, computer aided design) und der computergestützten Fertigung (CAM, computer aided manufacturing) vorangetrieben. Es wurden Systeme zum Anzeigen von Festkörpern, Manipulieren von Bildern auf verschiedene Art und Weise, um feste Modelle für fertiggestellte Teile zu erzeugen, und zum Drehen und Betrachten dieser Teile aus verschiedenen Richtungen entwickelt. Es wurden insbesondere CAD/CAM-Systeme entwickelt, die Daten in zwei Grundformaten annehmen. Bei einem Drahtmodell-Anzeigeformat wird einem Displayprozessor eine Folge oder Liste dreidimensionaler Punkte bereitgestellt, die die Endpunkte von Linienabschnitten darstellen. Diese Linienabschnitte werden zur Darstellung verschiedener Oberflächenstrukturen miteinander verbunden. Ein Vorteil dieser Drahtmodellbilder liegt darin, das Bild schnell um verschiedene Achsen drehen zu können, um so verschiedene Ansichten zu erhalten. Bei dem anderen Format, dem Rasterformat, wird ein Bild auf einem Bildschirm oder auf einer anderen Anzeigeeinrichtung als eine Ansammlung einzelner Bildelemente (Pixels) erzeugt, deren Intensität und Farbe für das angezeigte Bild maßgeblich sind. Bei dem rasterorientierten Format tastet ein Elektronenstrahl typischerweise einen Phosphorbildschirm in horizontalen Zeilen ab, die nacheinander auf den Bildschirm "gemalt" werden. Das System und das Verfahren nach der Erfindung sind enger mit dem rasterorientierten Format und der rasterorientierten Darstellung als mit dem sogenannten vektororientierten Verfahren verbunden. Die vektororientierten/polygonalen Methoden, die in der US-PS- 4 710 876 und der US-PS- 4 729 098 von einem oder mehreren der Erfinder beschrieben worden sind, wobei die Anmeldungen demselben Anmelder übertragen worden sind, sind beim Darstellen von Oberflächeneinzelheiten besonders genau. Bei diesen beiden Patentanmeldungen stand die Vieleck-Auflösung im allgemeinen nicht in Beziehung mit der Auflösung des Bildschirms, auf dem das Bild angezeigt wurde. Jedoch ist ein besonderer Vorteil der Erfindung darin zu sehen, daß durch Unterteilung und Interpolation dreidimensionale Bilder mit einer Auflösung erzeugt werden können, die der Auflösung des Bildschirms nahe kommt. Diese Auflösung wird typischerweise in Punkten oder Bildpunkten pro Zoll gemessen. Alternativ dazu kann die Bildschirmauflösung durch den Lochmaskenabstand typischer Bildschirme mit hoher Auflösung ausgedrückt werden, die bei gegenwärtigen Geräten einen Lochabstand von ungefähr 0,3 Punkte pro Millimeter aufweisen. Das Rasterformat ist besonders zum Anzeigen von Bildern sinnvoll, die im Gegensatz zu Drahtmodellbildern näher zu Bildern in Beziehung stehen, die durch das menschliche Auge wahrgenommen werden.
• Eine damit zusammenhängende Arbeit auf dem Gebiet des Anzeigens bzw. Darstellens dreidimensionaler Bilder wurde von Gabor Herman ausgeführt, der ein Verfahren entwickelt hat, nach dem jedes benachbarte Volumenelement analysiert und in diskrete Null- und Eins-Werte quantisiert wird. Oberflächenannäherungen wurden lediglich unter Berücksichtigung kubischer Flächen vorgenommen, wobei normale Oberflächeninformationen aufgrund des durchgeführten Quantisierungsschrittes nur teilweise zurückrückgewonnen werden können. Das resultierende Verfahren erzeugt Bilder niedriger Auflösung.
• Meagher, der für Phoenix Data Systems arbeitet, hat ein Verfahren zur Octree-Codierung angewendet, nach dem das dreidimensionale Datenfeld in acht Bereiche unterteilt wird, wobei jeder Bereich solange unterteilt wird, bis einzelne Volumenelemente gebildet sind. Bereiche, die keine Oberflächen enthalten, werden nicht unterteilt. Allerdings erfordert dieses Verfahren eine spezielle Hardware. Da die Bilder scharfe Konturen aufweisen, erzeugen einzelne Volumenelemente einen quantisierten Bildfehler, der bei einem glatten Gewebe, wie z. B. Knochen, nicht beobachtet wird. Andere Verfahren zum Darstellen dreidimensionaler Daten sind z. B. in der am 2. Oktober 1984 im Namen von Tsu Y. Shen veröffentlichten US-PS- 4 475 104 beschrieben. Dieses Patent offenbart ein dreidimensionales Anzeigesystem, das einen Bildtiefenpuffer enthält, der gesonderte 3D-Informationen als Teil des Mechanismus zum Generieren geeigneter Schattenwerte liefert. Aus COMPUTER VISION, GRA- PHICS AND IMAGE PROCESSING, Band 30, Nr. 3, Juni 1985, K.A. JAMAN et al.: "Display of 3D anisotropic images from limitedview computed tomograms" ist bekannt, dreidimensionale Signalmuster zu verwenden, die eine physikalische Eigenschaft darstellen, die einem dreidimensionalen Körper an in regelmäßigen Abständen angeordneten Gitterplätzen zugeordnet ist, und darüber hinaus die Erzeugung einer 3D-Anzeige offenbart, die ein aus zwei perspektivischen 2D-Projektionsansichten des Objektes bestehendes Stereopaar benützt, wobei in dem Aufsatz explizit erwähnt ist, daß eine Bildtiefensimulierung, die Schattenbilder benützt, zu keinen aussagekräftigen Ergebnissen führt.
• In JOURNAL OF COMPUTER ASSISTED TOMOGRAPHY, Band 3, Nr. 4, August 1979, L.D. HARRIS et al.: "Display and visualization of three-dimensional reconstructed anatomic morphology: experience with the thorax, heart, and coronary vasculatures of dogs" ist beschrieben, daß die Auswahl von anzuzeigenden Volumenelementen auf Dichteunterschieden zwischen in einem Körper enthaltenen anatomischen Strukturen basieren kann. Für jedes Volumenelement wird ein Dichtewert benützt.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein System und ein Verfahren zur Anzeige dreidimensionaler Informationen zur Verfügung zu schaffen.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Anzeigesystem für den Einsatz in Verbindung mit CT-Scannern, Ultraschalleinrichtungen, MR-Bildgebungssystemen und jedem anderen System zu schaffen, welches dreidimensionale Daten erzeugen kann, die eine oder mehrere physikalische Eigenschaften in einem zu untersuchenden Körper darstellen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, ein graphisches System für medizinische Bilder zu schaffen, das für einen interaktiven Einsatz geeignet ist und gleichzeitig noch Bilder von hoher Qualität erzeugt, die dem Benutzer strukturelle, Schatten- und andere optische Informationen liefern.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein dreidimensionales graphisches Anzeigesystem zu schaffen, welches mit den gegenwärtigen CAD/CAM-Systemen kompatibel ist.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, dreidimensionale Informationen auf der Grundlage eines Rasterformates zu erzeugen und anzuzeigen.
• Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, die in einem dreidimensionalen Datenfeld enthaltenen Informationen zum Zwecke einer Oberflächendarstellung zu maximieren.
• Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein System und ein Verfahren zu schaffen, das in einer herkömmlichen elektronischen Hardware herstellbar ist, insbesondere in einer in CAD/CAM-Systemen verwendeten Hardware.
• Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, praktischen Ärzten die Möglichkeit zu geben, chirurgische Eingriffe graphisch zu emulieren, bevor invasive Maßnahmen ergriffen werden.
• Zusätzlich besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, mehrere dreidimensionale Oberflächenansichten aus einem einzigen Satz von Sammeldaten zu liefern.
• Letztendlich, aber nicht hierauf beschränkt, besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein System und Verfahren zum Anzeigen dreidimensionaler Bilder von inneren Oberflächenstrukturen verfügbar zu machen, bei denen der spezifische Betrachtungswinkel und die Betrachtungsebene im Querschnitt durch den Benutzer auf eine interaktive Art und Weise ausgewählt werden können.
• Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 3 angegeben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält ein System zum Anzeigen dreidimensionaler Oberflächenstrukturen eine Einrichtung zum Speichern dreidimensionaler Signalmuster, die den Wert von wenigstens einer physikalischen Eigenschaft darstellen, die einem dreidimensionalen Körper an in regelmäßigen Abständen angeordneten Gitterplätzen zugeordnet ist, die Volumenelemente in dem Körper definieren. Das System umfaßt eine Einrichtung zum Rückgewinnen der zweiunddreißig dreidimensionalen Signalmusterwerte, die jedem Satz von acht kubisch benachbarten Gitterplätzen zugeordnet sind. Diese enthalten vierundzwanzig zusätzliche Gitterplätze, die zu den acht kubisch benachbarten Eckpunkten benachbart sind, wobei jeder der kubisch benachbarten Eckpunkte drei zusätzlichen Gitterplätzen zugeordnet ist. Der hierin und in den beigefügten Ansprüchen benützte Ausdruck "kubisch benachbart" bezieht sich auf Gitterplätze, die in den acht Ecken oder Eckpunkten eines Kubus oder, allgemeiner ausgedrückt, eines Parallelepipeds existieren. Das System enthält ferner eine Einrichtung zum Vergleichen der Signalwerte, die den acht benachbarten Gitterplätzen zugeordnet sind, die ein Volumenelement oder Voxel definieren, mit einem vorbestimmten Schwellenwert, um diejenigen Volumenelemente zu ermitteln, für die wenigstens einer der acht Vergleiche zu einem Wert führt, der sich von den anderen sieben Vergleichswerten unterscheidet. Diese erste Vergleichsoperation dient dazu, diejenigen Volumenelemente zu identifizieren und auszuwählen, durch die die gewünschte Oberfläche hindurchführt. Die Oberfläche selbst ist durch den Schwellenwert bestimmt und kann durch den Benutzer ausgewählt werden. Das System enthält ferner eine erste Einrichtung zum Generieren von Normalvektoren aus den zweiunddreißig Signalmusterwerten, die jedem Voxel zugeordnet sind. Diese Normalvektoren bestimmen zusammen mit einem vom Benutzer wählbaren Betrachtungswinkel (Elevation und Rotation), die Schattierung für das angezeigte Bild. Es ist ferner eine zweite Generatoreinrichtung vorgesehen, die für jedes ausgewählte Volumenelement mehrere zusätzliche Signalwerte generiert, die zusätzlichen räumlichen Plätzen zugeordnet sind, die entlang den Kanten und in dem Inneren der ausgewählten Volumenelemente definiert sind. Tatsächlich unterteilt diese Generatoreinrichtung das Volumenelement und erhöht die Auflösung und die Glattheit des resultierenden Bildes. Die Volumenunterteilung benutzt vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, einen Faktor von zwei oder eine Potenz davon, um die notwendige Unterteilung auszuführen. Diese Generatoreinrichtung ist ein wichtiger Bestandteil der Erfindung, da sie die Konstruktion von Bildern erlaubt, in denen die physikalische Auflösung der gesammelten Daten der Pixelauflösung auf der Anzeigeeinrichtung nahe kommt. Dies ist ein sehr wünschenswertes Merkmal der Erfindung, da dadurch eine optimale Ausnutzung der verfügbaren Daten durch die verwendete Anzeigeeinrichtung möglich ist. Es ist ferner besonders vorteilhaft, daß dadurch Zoom- und Vergrößerungsoperationen erleichtert werden. Das System nach der Erfindung enthält ferner eine zweite Komparatoreinrichtung zum Vergleichen der Signalwerte, die jedem unterteilten Voxel mit dem gleichen vorbestimmten Schwellenwert zugeordnet sind, um so eine Folge ausgewählter Werte zu erzeugen, die Gitterplätze und zusätzliche räumliche Plätze identifizieren, die zumindest näherungsweise auf der Oberfläche liegen, die durch den Schwellenwert bestimmt ist. Es ist weiter eine dritte Einrichtung enthalten, die Normalvektoren generiert, die den oben beschriebenen zusätzlichen räumlichen Plätzen zugeordnet sind. Die den zusätzlichen räumlichen Plätzen zugeordneten Signalwerte werden unter Anwendung linearer oder anderer Interpolationsmethoden berechnet. Es wurde allerdings herausgefunden, daß die lineare Interpolation für das hierin offenbarte Verfahren und System ausreichend schnell und genau ist. Die Einrichtung zum Generieren von Normalvektoren, die den zusätzlich definierten räumlichen Plätzen zugeordnet sind, wendet vorteilhafterweise auch die lineare Interpolation an. Die hier beschriebene Generatoreinrichtung ist derart ausgebildet, daß die ursprünglich ausgewählten Gitterplätze und die zusätzlich ausgewählten räumlichen Plätze ihren entsprechenden Vektoren für diese Plätze zugeordnet sind. Dementsprechend stellt bei einer Ausführungsform der Erfindung das erzeugte Ausgangssignal Gitterkoordinatenplätze für Punkte dar, die so ausgewählt werden, daß sie auf einer gegebenen Oberfläche liegen, wobei diese Punkte den Normalvektoren zugeordnet sind, die von einem Anzeigeverarbeitungssystem benutzt werden, um das gewünschte Bild zu erzeugen. Derartige Anzeigeverarbeitungssysteme empfangen Informationen in Formaten, die den Fachleuten auf dem Gebiet der elektronischen, graphischen Anzeigetechnik bekannt sind. Derartige Systeme benutzen Normalvektorinformationen, um den gewünschten Grad an Schattierung und/oder Farbe zu bestimmen, die für jeden Pixelplatz angewendet wird. Ein Verfahren zum Ausführen der oben genannten Speicher-, Rückgewinnungs-, Generierungs- und Vergleichsoperationen ist ebenfalls hierin offenbart.
• Bei der Anzeige dreidimensionaler Oberflächenbilder, z. B. auf einem Kathodenstrahl-Bildschirm, ist es sehr wichtig, dem menschlichen Auge optische Informationen bezüglich der Ausrichtung jedes Teils der Oberfläche zu liefern. Diese optischen Informationen erhält man durch Schattierung der verschiedenen, angezeigten Bildelemente. Beispielsweise gilt, je näher die Normalrichtung zur Oberfläche zur Blickrichtung des Betrachters ist, desto heller ist die eingesetzte Schattierung (zumindest eher für Positiv- als für Negativ-Bilder). Oberflächenausschnitte, die Normalrichtungen mit Komponenten aufweisen, die von der Blickrichtung weggerichtet sind, stellen Oberflächenstrukturen dar, die nicht sichtbar sind, und diese Normalrichtungen bilden daher einen Mechanismus zum Eliminieren dieser Oberflächenpixel aus der Blickrichtung eines besonderen Betrachtungswinkels. Oberflächenelemente, die Normalvektoren mit wesentlichen Komponenten in einer orthogonalen Richtung zur Betrachtungsrichtung aufweisen, werden durch deutlich dunklere Schatten-Pixelelemente dargestellt.
• Nach medizinischen Gesichtspunkten der Erfindung kann ein Unterscheidungsschwellenwert oder ein Wertebereich gewählt werden, um so verschiedene Körperstrukturen selektiv darzustellen. Wenn man beispielsweise Knochenstrukturen zeigen möchte, wird ein bestimmter Schwellenwert gewählt. Wenn man jedoch Oberflächenstrukturen eines weicheren Gewebes zeigen möchte, wird ein anderer Schwellenwert durch die Bedienungsperson ausgewählt. Auf jeden Fall sollte das System zum Anzeigen derartiger dreidimensionaler Oberflächenstrukturen eine genau arbeitende Einrichtung zum Bestimmen örtlichen Oberflächen-Normalrichtungen enthalten, da gerade diese Richtungen die Fähigkeit des Betrachters erheblich steigern, Schatteninformationen einer echten dreidimensionalen Darstellung zu erkennen.
Beschreibung der Figuren
• Der Gegenstand, der als Erfindung betrachtet wird, ist besonders ausgeführt und in den Ansprüchen der Patentschrift deutlich beansprucht. Allerdings kann die Erfindung bezüglich des Aufbaus und des Verfahrens zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstanden werden. Es zeigen:
• Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Voxel- Elements, das durch acht Gitterplätze definiert und von vierundzwanzig zusätzlichen Datenpunkte umgeben ist,
• Fig. 2 ein Schaltbild der Vorrichtung und des Verfahrens nach der Erfindung,
• Fig. 3 ein Schaltbild, das ausführlich die verschiedenen Funktionalitäten erläutert, die in einem in der Erfindung verwendeten Anzeigeprozessor benützt werden können,
• Fig. 4 eine perspektivische Ansicht von Oberflächen-Normalvektoren, die jedem Voxel-Scheitelpunkt zugeordnet sind,
• Fig. 5 eine der Fig. 4 ähnliche perspektivische Ansicht, die noch deutlicher das Generieren von zusätzlichen Normalvektoren zeigt, die einem unterteilten Voxel zugeordnet sind,
• Fig. 6 eine der Fig. 4 ähnliche perspektivische Ansicht, die insbesondere die Tatsache erläutert, daß Unterteilungsoperationen derart ausgeführt werden können, daß das Volumenelement in unterschiedlich große Unterelemente entlang verschiedener Gitter-Achsenrichtungen verteilt werden können,
• Fig. 7 die Photographie einer medizinischen Anwendung der Erfindung, die wiedergibt, daß sowohl Haut- als auch Knochenschwellenwerte für verschiedene Bereiche der Datenanzeige ausgewählt werden können.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
• Nach dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung wird eine Folge von Volumenelementen untersucht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Daten von vier aufeinanderfolgenden MR- oder CT-Abtastscheiben gleichzeitig analysiert. Der Grund, warum es wünschenswert ist, vier Datenscheiben zu verwenden, ist in Fig. 1 gezeigt, die ein einzelnes Volumenelement mit Eckpunkten V1 bis V8 zeigt. Jedes Volumenelement umfaßt zwei Scheiben von Bildinformation. Jedem Eckpunkt ist ein Signalmusterwert zugeordnet, der ein Maß für wenigstens eine physikalische Eigenschaft darstellt, die einem dreidimensionalen Körper an in regelmäßigen Abständen angeordneten Gitterplätzen in dem Körper zugeordnet ist. Die Gitterplätze definieren Volumenelemente oder Voxels. Aus einem praktischen Gesichtspunkt der Erfindung ist zusätzlich jeder Voxel-Eckpunkt V1 bis V8 drei benachbarten Gitterplätzen zugeordnet. Bei diesen benachbarten Gitterplätzen handelt es sich um diejenigen, die entlang den Gitter-Koordinatenlinien liegen und nicht speziell in dem Voxel selbst enthalten sind. Es gibt vierundzwanzig derartiger Datenpunkte. Beispielsweise ist ersichtlich, daß der Eckpunkt V1 den Gitterplätzen W1, W5 und W12 zugeordnet ist. Auf ähnliche Weise ist der Eckpunkt-Platz V7 den Gitterplätzen W16, W17 und W23 zugeordnet. Diese anderen zusätzlichen Gitterplätze sind in Fig. 1 als offene Kreise dargestellt. Die Voxel-Gitterplätze selbst sind als ausgefüllte Kreise dargestellt. Man kann deshalb erkennen, daß jeder Voxeleckpunkt-Gitterplatz drei benachbarten Gitterplätzen zugeordnet ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind diese zusätzlichen Gitterplätze mit W1 bis W24 bezeichnet. Es ist daher ersichtlich, daß es vierundzwanzig zusätzliche Gitterplätze gibt, die vier Datenscheiben besetzen. Bei dem System und Verfahren nach der Erfindung werden die Datenwerte an diesen zusätzlichen Gitterplätzen zusammen mit den Datenwerten an den Voxeleckpunkt-Plätzen benützt, um Datenwert-Tripels zu erzeugen, die Normalvektoren darstellen, die jedem Eckpunkt V1 bis V8 zugeordnet sind. Die verschiedenen Normalvektorkomponenten werden mit Hilfe des Endlichen-Differenz-Verfahrens, insbesondere dem Zentralen-Differenz-Verfahren, berechnet. Um beispielsweise die x-Komponente des Normalvektors im Eckpunkt V1 zu berechnen, werden die Datenwerte in dem Eckpunkt V4 und dem Gitterplatz WS differenziert. Auf ähnliche Weise wird die z-Komponente des dem Eckpunkt V1 zugeordneten Normalvektors unter Benutzung der Datenwerte in den Gitterplätzen V5 und W1 berechnet. Schließlich wird die y-Komponente des dem Eckpunkt V1 zugeordneten Normalvektors unter Benutzung der den Gitterplätzen V2 und W12 zugeordneten Datenwerten erzeugt. Die Reihenfolge, in der die Differenzen berechnet werden, ist so ausgewählt, daß sie mit der Ausrichtung eines Koordinatensystems (siehe Achsen) übereinstimmt, wobei das Verfahren einheitlich auf alle anderen Voxels angewendet wird. Auf diese Weise erkennt man, wie Daten aus vier Schnittbildern benützt werden, um die Normalvektoren zu erzeugen, die jedem Voxeleckpunkt-Platz zugeordnet sind. Der resultierende Vektor, der aus den Differenzen gebildet wird, wird anschließend auf eine Einheitsgröße normiert.
• Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Flußdiagramm und eine Hardwarebeschreibung eines Systems gemäß der Erfindung. Bei einer Ausführungsform nach der Erfindung werden dreidimensionale Signaldaten von einem MR- oder CT-Abtastsystem 10 bereitgestellt. Diese Daten werden typischerweise in einem geeigneten Speichersystem 15 abgelegt. In typischer Weise umfaßt dieses Speichersystem irgendein magnetisches Speichermedium, beispielsweise eine Magnetdiskette, ein Festplattenlaufwerk oder ein Band. Die Daten sind in einem Format strukturiert, das eine Zuordnung jeder physikalischen Eigenschaft zu einem entsprechenden Gitterplatz, der dieser Eigenschaft zugeordnet ist, ermöglicht.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird ein Vier-Schnittbild (Scheiben)-Puffer 20 verwendet. Dieser Puffer enthält Ebenen Nr. 1, Nr. 2, Nr. 3, und Nr. 4, wobei jede Speicherebene Darstellungen für die Signalmusterwerte in den verschiedenen Gitterplätzen enthält. Jede Ebene enthält vorzugsweise die Daten für ein vollständiges zweidimensionales Schnittbild eines abzubildenden Körpers. Ein Schnittbildscanner wird benützt, um die Daten entlang einer der Achsenrichtungen abzutasten. Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besteht eine unmittelbare Korrelation zwischen den Puffer-Adreßwerten und den Gitterplätzen in dem Körper. Man sollte im Gedächtnis behalten, daß, wenn man die Daten in einer Achsenrichtung mit Hilfe eines Schnittbildscanners abtastet, es lediglich notwendig ist, ein einzelnes zusätzliches Schnittbild von Informationen zur gleichen Zeit zurückzugewinnen. Kurz erläutert, kann der Scanner derart betrieben werden, daß lediglich Daten einer einzigen Bildebene zu einem Zeitpunkt zurückgewonnen werden müssen. Wie in Fig. 2 gezeigt, erfolgt eine zusätzliche Abtastung in den Ebenen Nr. 2 und Nr. 3 des Puffers 20. Es sind genau diese Zwischenebenen, die Gitterplätze in Voxel-Eckpunkten enthalten. Vier Signalwerte aus einer Voxelfläche werden von der Ebene 2 geliefert und zur gleichen Zeit werden vier Signalwerte von der Ebene 3 auf ähnliche Weise zu einem Voxel-Register 25 übertragen. Die vier Signalwerte der Ebene Nr. 3 entsprechen den vier Eckpunkten, die dem Voxelschnittbild gegenüberliegen, das aus der Ebene Nr. 2 ausgewählt worden ist. Deshalb wird jedes Volumenelement durch vier Gitterplätze der Ebene Nr. 2 sowie vier Gitterplätzen der Ebene Nr. 3 des Puffers 20 festgelegt. Wie durch den horizontalen, zweiseitigen Pfeil auf den Flußpfadlinien von den Ebenen Nr. 2 und Nr. 3 zum Register 25 gezeigt ist, wird die Operation nach der Erfindung von Voxel zu Voxel durch eine Einrichtung zum Abtasten von Operationen, die in den Ebenen Nr. 2 und Nr. 3 ausgeführt werden, durchgeführt. Entsprechend der Auswahl jedes Volumenelements werden daher insgesamt acht Werte an das Voxelregister 25 angelegt. Zum gleichen Zeitpunkt werden vierundzwanzig zusätzliche Informationen an ein Voxel-Nachbar-Register 30 angelegt. Es sind gestrichelte Linien gezeigt, die die Register 25 und 30 verbinden, um anzudeuten, daß in der Praxis diese Register tatsächlich ein einziges zweiunddreißig-Zellenregister bilden können. Jede Zelle des Registers enthält die entsprechende physikalische Eigenschaft in einem geeigneten und entsprechend gegenständlichen Format. Auf diese Weise werden für jedes Volumenelement die den Eckpunkten V1 bis V8 zugeordneten Werte an das Register 25 angelegt. Auf eine ähnliche Art und Weise werden die physikalischen Eigenschaftswerte, die den zusätzlichen Gitterplätzen W1 bis W24 zugeordnet sind, an das Register 30 angelegt.
• Jeder der acht Signalwerte vom Register 25 wird an einen Komparator 35 angelegt. Der Komparator 35 vergleicht jeden der acht angelegten Werte mit einem vom Benutzer vorgegebenen Schwellenwert. Wenn alle acht Vergleichswerte gleich sind, ist klar, daß die durch den Schwellenwert ausgewählte Oberfläche nicht durch das besondere, zu analysierende Voxel hindurchgeht. In diesem Fall verhindert die Freigabeleitung am Ausgang die Erzeugung dieses Voxels. Wenn jeder der Vergleichswerte, die vom Komparator 35 erzeugt werden, sich von den anderen Vergleichswerten unterscheidet, wird eine Normalvektorerzeugung ausgelöst. Die Erzeugung von Normalvektoren wird in einem Funktionsblock 40 verwirklicht, der mit den acht Signalwerten vom Voxelregister 25 und den vierundzwanzig Signalwerten vom Nachbar-Register 30 versorgt wird. Kurz erläutert, werden die physikalischen Eigenschaftswerte, die den Eckpunkten V1-V7 zugeordnet sind, vom Register 25 und die entsprechenden physikalischen Eigenschaftswerte, die den zusätzlichen Gitterplätzen W1-W24 zugeordnet sind, vom Register 30 geliefert. Wenn der Normalgenerator 40 für ein gegebenes Volumenelement freigegeben wird, erzeugt er acht, den Eckpunkten V1-V8 zugeordnete Normalvektoren. Diese Normalerzeugung wird durch das oben beschriebene Differenzverfahren ausgeführt. Obwohl es in diesem Prozeßstadium nicht notwendig ist, kann der Normalgenerator 40 auch die Größe der Normalvektoren einstellen, die derart erzeugt werden, daß jeder eine Einheitsgröße besitzt.
• Eine wichtige Funktion der Erfindung wird durch einen Teiler/Interpolator 45 bereitgestellt. Diese Operation wird auch durch die Ergebnisse des Komparators 35 freigegeben. Insbesondere wenn ein Voxel gefunden wird, das einen Oberflächenabschnitt enthält, der durch den Schwellenwert festgelegt ist, werden zusätzliche Operationen freigegeben. Diese zusätzlichen Operationen erzeugen zusätzliche Datenwerte, die zusätzlichen Gitterplätzen in einem ausgewählten Volumenelement zugeordnet sind. Darüber hinaus werden Normalvektoren für jeden zusätzlichen Gitterplatz, der durch eine Voxel-Unterteilung und Interpolation gebildet wird, erzeugt. Beispielsweise verarbeitet der Funktionsblock 45 die acht Signalwerte des Registers 25, um einen Satz zusätzlicher interpolierter Eigenschaftswerte zu erzeugen, und zwar vorteilhafterweise durch eine lineare Interpolation. Beispielsweise kann der Gitterplatz in der Mitte zwischen zwei Voxel-Eckpunkten einem Meß- bzw. Eigenschaftswert zugewiesen werden, der gleich der Hälfte der Summe der Eigenschaftswerte in den beiden benachbarten Voxelplätzen ist. Auf ähnliche Weise kann ein Gitterplatz, der in der Mitte einer Voxelfläche liegt, einem Meß- bzw. Eigenschaftswert zugewiesen werden, der gleich einem Viertel der Summe der Eigenschaftswerte ist, die jedem der Eckpunkt-Gitterplätze zugewiesen sind, die der Fläche zugeordnet sind. Auf ähnliche Weise kann ein Gitterplatz, der im Zentrum des Voxels enthalten ist, einem Eigenschaftswert zugewiesen werden, der gleich einem Achtel der Summe der Eigenschaftswerte ist, die allen acht Voxeldatenwerten zugeordnet sind. Deshalb wird für jedes ausgewählte Voxel eine Unterteilungsoperation ausgeführt. Man beachte, daß es vorteilhaft ist, das Volumenelement entlang den verschiedenen Gitterachsen, die derselben Potenz von zwei entsprechen, in Unterteilungen zu zerlegen. Beispielsweise ist eine Unterteilung mit einem Faktor von ein Halb ein praktischer Fall der Erfindung. Allerdings ist eine Unterteilung durch andere Ganzzahlen ebenso möglich, wie die Verwendung unterschiedlicher Unterteilungseinheiten in verschiedenen Koordinatenrichtungen. Siehe Fig. 6. Auf genau die gleiche Art und Weise erzeugt der Normalgenerator 50 Normalvektoren, die jedem Gitterplatz für die unterteilten Voxels zugeordnet sind. Beispielsweise wird der Normalvektor, der einem Eckpunkt zwischen zwei Voxeleckpunkten zugeordnet ist, als die Hälfte der Vektorsumme der Normalvektoren erzeugt, die der besonderen Kante zugeordnet sind. Analoge Ergebnisse erhält man für zusätzliche Normalvektoren, die den kubischen Flächen und den Innenbereichen zugeordnet sind. Der Funktionsblock 50 kann vorteilhafterweise jeden der erzeugten Normalvektoren normieren, um die Größe jedes erzeugten Vektors einheitlich festzustellen. Kundenspezifische Chips mit integrierten Schaltungen zur Durchführung solcher Quadratwurzeloperationen, die zur Normierung der Größe der erzeugten Normalvektoren notwendig sind, sind erhältlich. (Man beachte, daß hier die Normierung in zweifacher Hinsicht verwendet wird, einmal um die Größe des Vektors zu beschreiben und andererseits um anzuzeigen, daß der Vektor zumindest näherungsweise senkrecht zur Oberfläche ist, die durch den Schwellenwert festgelegt ist). Demgemäß erzeugt der Teiler/Interpolator 45 für jedes Voxel, das als Ergebnis des durch den Komparator 35 ausgeführten Vergleichs ausgewählt ist, einen Satz interpolierter Eigenschaftswerte, die einem sehr fein unterteilten Volumenelement entsprechen. Auf die gleiche Art und Weise liefert der Normalgenerator 50 Signalwerte, die Normalvektoren darstellen, die in Voxel-Eckpunkten und auch in dazwischen liegenden und inneren Gitterplätzen auftreten. Für jedes ausgewählte Volumenelement gibt es eine feste Anzahl von erzeugten Unter-Volumenelementen. Wie durch den zweiseitigen horizontalen Pfeil zwischen dem Teiler/Interpolator 45 und einem Komparator 55 angedeutet ist, wird jedes Untervoxel abgetastet und mit dem gleichen Schwellenwert wie oben verglichen. Diese Vergleichsoperation wird durch den Komparator 55 für jedes Unter-Volumenelement ausgeführt. Die Vergleichsoperation ist im wesentlichen gleich der oben beschriebenen. Wenn Vergleiche mit dem Schwellenwert bezüglich eines einzelnen unterteilten Volumenelements ausgeführt werden, und wenn verschiedene Vergleichsergebnisse für mindestens zwei der acht ausgeführten Vergleiche erhalten werden, erfolgt eine Ausgabe eines geeigneten Platzes und von Normalvektor-Richtungen. In diesem Fall gibt der Ausgang des Komparators 55 die Gatter 56 und 57 frei, um Signalwerte an ein Ausgangsregister 60 anzulegen. Dementsprechend werden für jedes ausgewählte Unter-Volumenelement in einem ausgewählten Volumenelement ein Satz von Gitterplatzwerten x, y und z zusammen mit den Komponenten eines Normalvektors an diesem Platz zum Register 60 übertragen. Obwohl in Fig. 2 nicht spezifisch gezeigt, benützt der Teiler/Interpolator 45 auch Schnittbild- und Voxel-Abtastdaten, um x-, y- und z-Platzwerte zu durchdringen, die jedem Normalvektor in dem Register 60 zugeordnet werden sollen. Demgemäß enthält das Register 60 Gitterplätze entlang den x-, y-, und z-Achsen und Normalvektorkomponenten, die dem Oberflächen-Normalvektor an diesem Platz entsprechen. Genau diese Information wird zu einem herkömmlichen Anzeigeprozessor übertragen.
• Ein solcher Prozessor ist in Fig. 3 dargestellt. Es ist wichtig, in Erinnerung zu behalten, daß die Ausgangssignale vom Register 60 für eine Zeitperiode in einer Zwischeneinrichtung, z. B. auf einem magnetischen Medium oder in einem Speicher, gespeichert werden können, bevor diese Information an einen Anzeigeprozessor angelegt wird. Fig. 3 erläutert einen im wesentlichen herkömmlichen Anzeigeprozessor, der Positions- und Normalvektor-Informationen empfängt. Diese geben den Prozessor frei, damit er Pixelinformationen mit einer geeigneten Schattierung auf einem Bildschirm erzeugen kann. Beispielsweise kann ein Benutzer einen Betrachtungswinkel und eine Vertikalansicht als Teil einer Matrix-Multiplikationsfunktion, die durch Block 70 ausgeführt wird, vorgeben. Ähnlich wie bei herkömmlichen Anzeige-Verarbeitungssystemen kann eine Abschneidefläche (Clip-Fläche) ausgewählt werden, um Datenpunkte auf einer ihrer Seiten zu eliminieren. Dies ist beim Erzeugen von Querschnittsbildern sinnvoll. Diese Funktion wird in Block 75 ausgeführt. Ferner ist es möglich, überlappende Bilder in einem oder mehreren Rahmenpuffern, wie z. B. der oder die Puffer 80, zu speichern. Einer dieser Puffer kann mit Informationen basierend auf einem besonderen Schwellenwert, z. B. auf dem Schwellenwert, der durch die Haut festgelegt ist, versorgt werden, wobei der Inhalt der anderen Rahmenpuffer mit den Bilddaten geladen wird, die durch einen anderen Schwellenwert bestimmt werden, z. B. durch den dem Knochen zugeordneten Wert. Dadurch wird ermöglicht, Informationen gleichzeitig anzuzeigen, oder tatsächlich einen Teil der Anzeige freizugeben, um einen Gewebetyp darzustellen, und einen anderen Teil der Anzeige freizugeben, um einen zweiten Gewebetyp darzustellen. Es kann ferner eine Schattierungsteuerung durch die Einrichtung einer Nachschlagetabelle 85 (LUT, lookup table) bereitgestellt werden, die dazu dient, Farben (Rot, Grün, Blau) für jedes angezeigte Pixel in Abhängigkeit von der Position, dem Gewebetyp (Schwellenwert) und einer Normalvektorinformation auszuwählen. Die Pixel werden auf einem Monitor 90 angezeigt. Da der Anzeigeprozessorteil nach der Erfindung herkömmliche und allgemein bekannte Hardwarekomponenten aufweist, sind diese Elemente derart ausgebildet, daß sie gemeinsam mit der Auswahl eines Schwellenwertes und verschiedenen anderen auswählbaren Parametern zusammenwirken, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.
• Bei dem in Fig. 3 dargestellten Anzeigeprozessor wird das Bild durch Berechnen der Intensität aus der Normalkomponente erzeugt, die senkrecht zur Blickebene steht. Verborgene Oberflächen werden durch den Maler-Algorithmus entfernt, d. h. die weiter entfernten Oberflächen werden durch die näheren Oberflächen überstrichen, während das Bild von vorne nach hinten abgetastet wird. Durch Permutieren der Normalkomponenten und der Reihenfolge der Abtastung können sechs Ansichten des dreidimensionalen Bildes erzeugt werden. Die Operationen des Testens, Unterteilens und Auffindens der Normalen können schnell mit Hilfe einer speziellen Hardware ausgeführt werden, die auf dem Gebiet der elektronischen Graphik allgemein bekannt ist.
• Fig. 4 zeigt ein einzelnes Voxel mit den Eckpunkten V1-V8. In jedem Eckpunkt ist ein Normalvektor definiert. Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung werden allerdings nur bestimmte Eckpunkte oder Gitterplätze ausgewählt. Jedem ausgewählten Eckpunkt ist jedoch immer ein Normalvektor zugeordnet. Jedes Volumenelement enthält Kanten E1-E12, wie dies gezeigt ist. Zusätzlich enthält jedes Volumenelement Flächen F1-F6, wie dies gezeigt ist. Noch deutlicher ausgeführt, wird gemäß der Erfindung jedes ausgewählte Volumenelement in Richtung der drei Achsen unterteilt, die den verschiedenen Gitterplätzen entsprechen. Beispielsweise stellt Fig. 5 eine Unterteilung dar, in der jede Voxelkante durch einen Zwischenpunkt in zwei gleiche Teile zerlegt ist. Beispielsweise weist die Kante E1 einen Zwischenpunkt U1 und einen dazu zugeordneten berechneten Normalvektor auf. Auf ähnliche Weise enthält die Fläche F2 einen flächenzentrierten Punkt S2 und einen dazu zugeordneten Normalvektor. Auf eine Weise, die oben für die Berechnung der Normalvektoren beschrieben worden ist, entsprechen die Normalvektoren oder Punkte S1-S6 den Flächen F1-F6. Wie zuvor beschrieben, werden ferner zusätzliche Vektoren in den Punkten U1-U12 definiert, die den Kanten E1-E12 entsprechen. Für die in Fig. 5 gezeigte Unterteilung ist ein zusätzlicher innerer Punkt (nicht gezeigt) ebenfalls definiert und einem Normalvektor zugeordnet, der als arithmetischer Mittelwert benachbarter Vektoren gebildet ist. Deshalb wird das in Fig. 4 gezeigte einzelne Voxel in acht Untervolumenelemente nach Fig. 5 unterteilt, denen 27 Gitterplätze und 27 Normalvektoren zugeordnet sind. Dies steht im Gegensatz zu Fig. 4, die lediglich acht Gitterplätze und acht zugeordnete Normalvektoren zeigt. Es wird vermutet, daß diese Unterteilungsoperation zumindest teilweise verantwortlich ist für die glatten Bilder hoher Auflösung, die durch das System nach der Erfindung erzeugt werden. Es wird weiter allerdings festgestellt, daß das System nach der Erfindung derart flexibel ist, daß es nicht immer notwendig ist, die Kanten jedes Voxels zu zerlegen, um Unterteilungen zu erzeugen, deren Anzahl eine Potenz von zwei ist. Insbesondere zeigt Fig. 6, daß Voxel-Unterteilungen bezüglich jeder praktischen Ganzzahl von Unterteilungen erfolgen kann. Außerdem kann jede Koordinatenrichtung eine andere Anzahl von Unterteilungen umfassen. Das ist besonders in Situationen sinnvoll, in denen die Auflösung nicht in allen Richtungen gleich ist. Für den in Fig. 6 gezeigten Fall werden vierundzwanzig Unterteilungen vorgenommen. Beim System nach der Erfindung ist die Anzahl von Unterteilungen, die für jedes Voxel erfolgen, für das gesamte Bild die gleiche. Die Anzahl und das Wesen der Unterteilung kann jedoch zu Beginn der Bildgenerierung ausgewählt werden. Dies ist ein besonders sinnvoller Gesichtspunkt der Erfindung, da dadurch der Bedienungsperson ermöglicht wird, die Bildschirmauflösung des Monitors 90 der in den Daten selbst gefundenen Auflösung noch genauer anzupassen. Das ist besonders sinnvoll für Zoom-Operationen.
• Graphische Bilder von medizinischen Daten wurden gemäß der Erfindung erzeugt. Ein besonderes Ergebnis einer derartigen Verarbeitung ist in Fig. 7 dargestellt. Neben einer Darstellung der exzellenten und erreichbaren Auflösung zeigt Fig. 7 ferner den Fall, daß sowohl Haut- als auch Knochenoberflächen in demselben graphischen Bild angezeigt werden können. Fig. 7 zeigt ferner, daß der Benutzer den Rahmenbereich, der einen Gewebetyp anzeigt, zusammen mit einem anderen Rahmenbereich, der einen anderen Gewebetyp darstellt, auswählen kann. In Fig. 7 handelt es sich bei dem Gewebetyp um Haut und Knochen. Dies sind verhältnismäßig einfache Operationen für den Anzeigeprozessor, um, sobald die Gitterplätze gewählt sind, zusätzliche definierte Gitterpunkte und Normalvektoren auszuführen, die sowohl für die ursprünglichen als auch für die zusätzlichen Gitterplätze generiert worden sind.
• Aus dem oben gesagten sollte erkannt werden, daß das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung dreidimensionale Bilder hoher Auflösung von jedem Darstellungssystem erzeugt, das eine Darstellung einer physikalischen Eigenschaft liefert, die einem dreidimensionalen Feld von Gitterplätzen zugeordnet ist, die einen zu untersuchenden Bereich definieren. Obwohl die oben genannte Beschreibung hauptsächlich auf die Erzeugung von Bildern gerichtet ist, wie sie dem menschlichen Auge erscheinen würden, wenn sie sichtbar wären, wird festgehalten, daß, da das System auf der Darstellung von physikalischen Eigenschaften beruht, einige der Bilder, die erzeugt werden könnten, beispielsweise die Verteilung chemischer Zusammensetzungen darstellen könnten, wie sie z. B. in einem Körper verteilt sein könnten. Obwohl Bilder dieser Verteilung für das menschliche Auge nicht sichtbar wären, lassen sich solche Bilder trotzdem ohne weiteres durch die Erfindung erzeugen. Es ist ferner ersichtlich, daß die Ziele der Erfindung insbesondere dadurch erreicht worden sind, daß die Bildschirmauflösung durch eine wohlüberlegte Vorauswahl eines angemessenen Grads an Unterteilungsverarbeitung leicht angepaßt werden kann. Man kann weiter sehen, daß das Verfahren nach der Erfindung aufgrund der Beseitigung von Volumenelementen und Unter-Volumenelementen, die keine Oberflächenzwischenabschnitte enthalten, schnell ausführbar ist.

Claims (4)

1. System zum Anzeigen dreidimensionaler Oberflächenstrukturen, enthaltend:

eine Einrichtung (15) zum Speichern dreidimensionaler Signalmuster, die den Wert von wenigstens einer physikalischen Eigenschaft darstellen, die einem dreidimensionalen Körper an in regelmäßigen Abständen angeordneten Parallelepiped-Gitterplätzen zugeordnet ist, die Volumenelemente in dem Körper definieren, wobei das System gekennzeichnet ist durch:

eine Einrichtung (20, 25, 30) zum Rückgewinnen der zweiunddreißig dreidimensionalen Signalmusterwerte, die jedem Satz von acht kubisch benachbarten Gitterplätzen zugeordnet sind, und der vierundzwanzig zusätzlichen Gitterplätze benachbart zu den acht kubisch benachbarten Gitterplätzen, wobei jeder der kubisch benachbarten Gitterplätze drei der zusätzlichen Gitterplätze zugeordnet ist,

eine erste Komparatoreinrichtung (35) zum Vergleichen der Signalwerte, die den acht benachbarten Gitterplätzen zugeordnet sind, mit einem vorbestimmten Schwellenwert, um diejenigen Volumenelemente zu ermitteln, für die wenigstens eines der acht Vergleichsresultate von den übrigen Vergleichsresultaten unterschiedlich ist, um so gewählte Volumenelemente zu identifizieren, durch die eine Oberfläche, die durch den Schwellenwert bestimmt ist, hindurchführt,

eine erste Generatoreinrichtung (40) zum Generieren von Normalvektoren aus den zweiunddreißig Signalmusterwerten für jeden der acht kubisch benachbarten Gitterplätze, die jedem gewählten Volumenelement zugeordnet sind,

eine zweite Generatoreinrichtung (45) zum Generieren, für jedes gewählte Volumenelement, das durch die acht kubisch benachbarten Gitternetze definiert ist, einer Anzahl von zusätzlichen Signalwerten, die zusätzlichen räumlichen Plätzen zugeordnet sind, die entlang den Kanten und in dem Inneren des gewählten Volumenelements definiert sind, wobei die zusätzlichen räumlichen Plätze einer Unterteilung des Volumenelements entsprechen, wobei die zusätzlichen Werte durch Interpolation auf der Basis der acht kubisch benachbarten Gitterplätze generiert sind, eine zweite Komparatoreinrichtung (55) zum Vergleichen der Signalwerte, die jedem Satz von acht kubisch benachbarten räumlichen Plätzen zugeordnet sind, die jedem der Volumenelement-Unterteilungen zugeordnet sind, mit dem vorbestimmten Schwellenwert, um diejenigen unterteilten Volumenelemente zu ermitteln, für die wenigstens eines der Unterteilungs-Vergleichsresultate von den übrigen Vergleichsresultaten unterschiedlich ist, um so eine Sequenz von Werten zu generieren, die gewählte Gitterplätze und zusätzliche räumliche Plätze identifizieren, die wenigstens angenähert auf einer Oberfläche liegen, die durch den Schwellenwert bestimmt ist,

eine dritte Generatoreinrichtung (50) zum Generieren von Normalvektoren, die den zusätzlichen räumlichen Plätzen zugeordnet sind, wobei die gewählten Gitterplätze und zusätzlich gewählte räumliche Plätze generiert werden, um so den entsprechenden Normalvektoren für die Plätze zugeordnet zu werden, und

eine Display-Prozessoreinrichtung (Fig. 3) zum Empfangen der zugeordneten Platzwerte und Normalvektoren und zum Liefern eines Schattenbildes auf einem Schirm, wobei das Bild die durch den Schwellenwert bestimmte Oberfläche darstellt.

2. System nach Anspruch 1, wobei die erste Generatoreinrichtung (40) die Größe der Normalvektoren einstellt, die jedem gewählten Volumenelement zugeordnet sind, so daß jeder Einheitsgröße besitzt.

3. Verfahren zum Anzeigen dreidimensionaler Oberflächenstrukturen, enthaltend die Schritte:

Speichern dreidimensionaler Signalmuster, die den Wert von wenigstens einer physikalischen Eigenschaft darstellen, die einem dreidimensionalen Körper an in regelmäßigen Abständen angeordneten Parallelepiped-Gitterplätzen zugeordnet ist, die Volumenelemente in dem Körper definieren, wobei das Verfahren durch die weiteren Schritte gekennzeichnet ist:

Rückgewinnen der zweiunddreißig dreidimensionalen Signalmusterwerte, die jedem Satz von acht kubisch benachbarten Gitterplätzen und den vierundzwanzig zusätzlichen Gitterplätzen benachbart zu den acht kubisch benachbarten Gitterplätzen zugeordnet sind, wobei jeder der kubisch benachbarten Gitterplätze drei der zusätzlichen Gitterplätze zugeordnet ist,

Vergleichen der Signalwerte, die den acht benachbarten Gitterplätzen zugeordnet sind, mit einem vorbestimmten Schwellenwert, um diejenigen Volumenelemente zu ermitteln, für die wenigstens eines der acht Vergleichsresultate von den übrigen Vergleichsresultaten unterschiedlich ist, um so gewählte Volumenelemente zu identifizieren, durch die eine Oberfläche, die durch den Schwellenwert bestimmt ist, hindurchführt,

Generieren von Normalvektoren aus den zweiunddreißig Signalmusterwerten für jeden der acht kubisch benachbarten Gitterplätze, die jedem gewählten Volumenelement zugeordnet sind,

Generieren, für jedes gewählte Volumenelement, das durch die acht kubisch benachbarten Gitterplätze definiert ist, einer Anzahl von zusätzlichen Signalwerten, die zusätzlichen räumlichen Plätzen zugeordnet sind, die entlang den Kanten und in dem Inneren des gewählten Volumenelements definiert sind, wobei die zusätzlichen räumlichen Plätze einer Unterteilung des Volumenelements entsprechen, wobei die zusätzlichen Signalwerte durch Interpolation auf der Basis der acht kubisch benachbarten Gitterplätze generiert werden,

Vergleichen der Signalwerte, die jedem Satz von acht kubisch benachbarten räumlichen Plätzen zugeordnet sind, die jedem der acht Volumenelement-Unterteilungen zugeordnet sind, mit dem vorbestimmten Schwellenwert, um diejenigen unterteilten Volumenelemente zu ermitteln, für die wenigstens eines der Unterteilungs-Vergleichsresultate unterschiedlich ist von den übrigen Vergleichsresultaten, um so eine Sequenz von Werten zu genieren, die gewählte Gitterplätze und zusätzliche räumliche Plätze identifizieren, die wenigstens angenähert auf einer durch den Schwellenwert bestimmten Oberfläche liegen,

Generieren von Normalvektoren, die den zusätzlichen räumlichen Plätzen zugeordnet sind, wobei die gewählten Gitterplätze und zusätzlich gewählte räumliche Gitterplätze generiert werden, um so den entsprechenden Normalvektoren für die Plätze zugeordnet zu sein, und

Empfangen der zugeordneten Platzwerte und Normalvektoren in einem Display-Prozessor, der auf einem Schirm ein Schattenbild liefert, das die durch den Schwellenwert bestimmte Oberfläche darstellt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei in dem Schritt des Generierens von Normalvektoren, die jedem gewählten Volumenelemente zugeordnet sind, die Größe der Normalvektoren so eingestellt wird, daß jeder eine Einheitsgröße besitzt.