СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СЕКУЩИХ ПЛОСКОСТЕЙ ДЛЯ ИЗОГНУТЫХ ПРОДОЛГОВАТЫХ СТРУКТУР
METHOD OF VISUALISING SECTIONAL PLANES FOR ARCHED OBLONG STRUCTURES

Изобретение в целом относится к области визуализации и обследования продолговатых изогнутых трехмерных (3D) структур. Более конкретно изобретение относится к способу для такой визуализации, предпочтительно из трехмерных (3D) медицинских изображений, делающему возможным улучшенное обследование продолговатых изогнутых структур.
Известно выделение анатомических структур в трехмерных наборах данных из окружающих структур посредством использования способов сегментирования. После выделения объема, который принадлежит анатомической структуре, которая находится под обследованием, он может визуализироваться, например, на дисплее или распечатке, используя некоторую технологию воспроизведения.
Секущие плоскости через объем могут интерполироваться, чтобы показывать распределение измеренных величин в поперечном сечении, где секущая плоскость пересекает интересующую структуру. Когда структура сегментируется, может определяться средняя линия и секущие плоскости могут размещаться перпендикулярно к этой средней линии. Другой вариант выбора состоит в том, чтобы интерполировать секущую плоскость, которая следует по средней линии такой структуры, где эта секущая плоскость визуализируется в выровненной плоскости. См., например, "Armin Kanitsar, CPR - Curved Planar Reformation, IEEE Visualization 2002".
Визуализация трубчатых структур, таких как кровеносные сосуды, является важной темой в медицинском формировании изображений, раскрывающей способ, чтобы отображать трубчатые структуры для диагностических целей посредством генерирования продольных поперечных сечений, чтобы показывать их просвет, стенку и окружающую ткань в изогнутой плоскости.
Трубчатые элементы, которые должны обследоваться, - это, например, кровеносные сосуды, например коронарные сосуды или сонные артерии, или большие сосуды в конечностях, страдающих от стеноза, который должен быть обнаружен для последующего лечения. Другие примеры - это обследование аневризмов аорты или легочных болезней, например, вследствие бронхиальных аномалий. Для этих приложений не является достаточным визуализировать и обследовать поперечные сечения через структуру в направлении, перпендикулярном к средней линии, так как адекватное представление местоположения и природы любых существующих проблем трубчатой структуры не является легкодоступным. Требуется интерпретировать измеренные свойства по отношению к положению вдоль средней линии.
Секущая плоскость, следующая по средней линии, обычно представляется как выровненная плоскость, что имеет результатом неблагоприятную деформацию. Секущая плоскость может дополнительно искажаться 'распрямлением' продолговатой структуры, так что она проходит, например, вертикально через отображаемую секущую плоскость. Это только увеличивает описанные проблемы интерпретации. Проблемы интерпретации также увеличиваются, когда из такой секущей плоскости показывается движущееся изображение во время вращения ее вокруг средней линии интересующей структуры, что часто делается, чтобы производить обследование поперечных сечений в разных направлениях через структуру. Искажение секущей плоскости будет в этом случае переменным как функция направления наблюдения. Плоскость, как показано на фиг.1, является изогнутой в одном направлении и плоской в другом. Фиг.1 показывает, на левой стороне, принцип размещения секущей плоскости, которая является изогнутой в одном направлении и плоской в другом, через среднюю линию сосуда. На правой стороне фиг.1 показывает выровненное представление такой секущей плоскости через сосуды в реальной клинической ситуации. Искажение видимой анатомии в этом выровненном изображении очевидно. Дополнительный недостаток этого состоит в том, что такая плоскость не может следовать по более чем одной изогнутой структуре в одно и то же время. Когда продольные поперечные сечения через две или более изогнутых структур должны быть визуализированы вместе, является возможным изогнуть плоскость таким способом, что она будет следовать по обеим средним линиям. Это может делаться, однако, многими разными способами, и результат чрезвычайно трудно интерпретировать. Иллюстративный пример дан на фиг.2, показывающей изогнутую секущую плоскость через многочисленные средние линии сосудов, которая показана как выровненная плоскость.
Следовательно, текущие технологии визуализации показывают поперечные сечения через продолговатые изогнутые структуры, такие как кровеносные сосуды, как выровненные структуры в изображениях. Дополнительно, изображения часто также распрямлены, так что центральная ось продолговатой изогнутой структуры становится прямой линией в таком изображении. Это означает, что геометрия в показанном плоском/распрямленном изображении является в значительной степени искаженной, что делает интерпретацию видимых анатомических структур на таком изображении в высшей степени трудной. Следовательно, будет предпочтительным улучшенное решение для визуализации поперечных сечений через продолговатые изогнутые структуры без изъяна сильно уменьшенной интерпретируемости из-за геометрического искажения представленной информации. Также будет предпочтительным даже улучшить интерпретируемость посредством улучшенной визуализации продолговатых изогнутых структур и показа трехмерного контекста изогнутых продолговатых структур.
Соответственно, настоящее изобретение предпочтительно ориентировано, чтобы ослабить, смягчить или устранить один или более из идентифицированных выше недостатков в данной области техники и недостатки по одному или в любой комбинации, и решает, по меньшей мере, вышеупомянутые проблемы посредством предоставления способа, медицинской рабочей станции, машиночитаемого носителя, содержащего компьютерную программу, медицинского изображения и использования упомянутого способа согласно приложенной формуле изобретения патента. Согласно первому аспекту этого изобретения предоставляется способ визуализации изогнутой продолговатой трехмерной (3D) структуры, содержащейся в наборе данных 3D, таком как медицинское изображение 3D. Способ содержит предоставление изогнутой секущей плоскости в упомянутом наборе данных 3D, пересекающей, по меньшей мере, частично упомянутую изогнутую продолговатую трехмерную структуру и следующей по траектории, по существу, вдоль упомянутой трехмерной структуры, и воспроизведение изображения из упомянутого набора данных 3D для визуализации упомянутой изогнутой продолговатой трехмерной структуры, так что упомянутое воспроизводимое изображение содержит упомянутую изогнутую секущую плоскость.
Согласно другому аспекту этого изобретения предоставляется медицинская рабочая станция. Рабочая станция конфигурируется для визуализации изогнутой продолговатой трехмерной (3D) структуры, содержащейся в медицинском изображении 3D, и содержит средство для предоставления изогнутой секущей плоскости в упомянутом наборе данных 3D, пересекающей, по меньшей мере, частично упомянутую изогнутую продолговатую трехмерную структуру и следующей по траектории, по существу, вдоль упомянутой трехмерной структуры, и средство для воспроизведения изображения из упомянутого набора данных 3D для визуализации упомянутой изогнутой продолговатой трехмерной структуры, так что упомянутое воспроизводимое изображение содержит упомянутую изогнутую секущую плоскость.
Согласно дополнительному аспекту этого изобретения машиночитаемый носитель, имеющий реализованную на нем компьютерную программу для визуализации изогнутой продолговатой трехмерной (3D) структуры, содержащейся в наборе данных 3D, таком как медицинское изображение 3D, для обработки компьютером, например, содержащимся в вышеупомянутой рабочей станции. Компьютерная программа содержит сегмент кода для предоставления изогнутой секущей плоскости в упомянутом наборе данных 3D, пересекающей, по меньшей мере, частично упомянутую изогнутую продолговатую трехмерную структуру и следующей по траектории, по существу, вдоль упомянутой трехмерной структуры, и сегмент кода для воспроизведения изображения из упомянутого набора данных 3D для визуализации упомянутой изогнутой продолговатой трехмерной структуры, так что упомянутое воспроизводимое изображение содержит упомянутую изогнутую секущую плоскость. Согласно еще другому дополнительному аспекту этого изобретения предоставляется медицинское изображение, которое содержит визуализацию изогнутой секущей плоскости, воспроизводимой согласно способу согласно упомянутому первому аспекту этого изобретения.
Способ согласно одному аспекту этого изобретения может использоваться для компьютеризованного обнаружения, обследования и количественного анализа патологий, планирования и подготовки последующих вмешательств, например для обследования и/или обнаружения стеноза, аневризмов аорты или бронхиальных аномалий, для последующего лечения.
Для более полного понимания настоящего изобретения термин "воспроизведение" объясняется более подробно ниже.
Согласно общеиспользуемому определению воспроизведение определяется как преобразование высокоуровневого базирующегося на объектах описания в графическое изображение для отображения. Это определение воспроизведения применяется к воспроизведению объектов, которые могут быть синтезированными/сгенерированными компьютером или измеренными из реального мира и которые характеризуются геометрическим описанием, например триангулированная поверхность, описывающая форму объекта. Этот тип объекта также используется в медицинском формировании изображений, где такое описание объекта может выводиться из измеренных данных пациента. Эти данные, например, получаются с помощью сканера CT или MRI и состоят из трехмерного массива измерений, относящихся к пространственным положениям на регулярной решетке измерений. Эти измерения называются вокселы, и трехмерный объем, охватываемый матрицей вокселов, соответствует конкретному объему в пространстве реального мира, содержащему часть тела пациентов.
Вместо того чтобы сначала извлекать формы объекта из измеренного объема и описания этих форм с помощью геометрических описаний (триангулированных поверхностей), содержимое измеренного объема также может визуализироваться напрямую из значений вокселов. Первый подход называется воспроизведение поверхностей, и второй называется объемное воспроизведение. Обе технологии распространенно используются во многих вариациях и имеют свои собственные преимущества и недостатки. Однако результат обоих подходов - это воспроизведение, по меньшей мере, части содержимого измеренного объема в виде изображения, в общем, двухмерного, давая представление спроецированной трехмерной сцены, или окно, через которое можно видеть трехмерную сцену внутри измеренного объема. Альтернативный способ отображения воспроизводимого изображения - это, например, использование дисплея 3D. В этом случае воспроизводимое изображение создает представление изображения 3D, например, посредством накладывания нескольких двухмерных изображений, которые располагаются, чтобы давать трехмерное представление. Чтобы получать такой эффект 3D, в общем, необходимо специальное аппаратное обеспечение, такое как очки 3D (например, красные/зеленые или красные/голубые) или дисплей 3D, чтобы видеть изображения 3D должным образом.
Преимущества настоящего изобретения состоят в том, например, что информация секущей плоскости легко интерпретируется в отношении к трехмерной форме и окружению продолговатого объекта, без искажений.
Дополнительное преимущество состоит в том, что секущие плоскости вдоль более чем одной структуры могут визуализироваться и обследоваться вместе в одно и то же время, без проблем интерпретации.
Еще другие преимущества настоящего изобретения состоят в том, что никакие проблемы интерпретации не вызываются визуализацией, так как секущие плоскости геометрически не искажаются.
Более того, может показываться дополнительная информация о трехмерной форме структуры и ее среде.
Настоящее изобретение, в частности, применимо в ситуациях, где должна обследоваться внутренняя часть продолговатой структуры.
Эти и другие аспекты, признаки и преимущества, которые это изобретение способно обеспечить, будут видны и объяснены из последующего описания вариантов осуществления настоящего изобретения, причем будут делаться ссылки на сопровождающие чертежи, на которых
фиг.1 - это схематическая иллюстрация позиционирования изогнутой секущей плоскости (слева) и результирующей визуализации изогнутого поперечного сечения (справа) согласно предшествующему уровню техники;
фиг.2 - это медицинское изображение, показывающее изогнутую секущую плоскость через многочисленные средние линии сосудов, которая показана как выровненная плоскость;
фиг.3A показывает исходную визуализацию 3D сосуда. 3B и 3C показывают - в контексте 3D - изогнутые секущие плоскости, которые имеют разные ориентации и следуют по средней линии. 3D показывает сосуд с вырезанным участком и двумя соответствующими секущими плоскостями на том же изображении;
фиг.4 - это схематическая блок-схема последовательности операций, показывающая этапы способа согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.5 - это схематическая иллюстрация медицинской рабочей станции согласно одному варианту осуществления этого изобретения;
фиг.6 - это схематическая иллюстрация компьютерной программы согласно одному варианту осуществления этого изобретения.
Последующее описание сосредотачивается на иллюстративном варианте осуществления настоящего изобретения. Однако следует принять во внимание, что это изобретение не ограничивается этим приложением, но может применяться ко многим другим продолговатым элементам 3D, например трубчатым элементам, другим, нежели кровеносные сосуды, включая сюда, например, легочное дерево.
Решение согласно настоящим вариантам осуществления состоит в том, чтобы определять и вычислять локальные секущие плоскости, по существу, следующие по средним линиям продолговатых структур 3D, и чтобы визуализировать эти секущие плоскости в 3-мерном контексте даже вместе с другими интересующими структурами, если это требуется. Однако изогнутая секущая плоскость не должна необходимо следовать по средней линии продолговатой структуры 3D. Она может следовать по любой траектории через структуру и даже частично вне структуры. Цель наиболее часто состоит в том, чтобы визуализировать оптимальное сечение через изображаемую анатомию. Поэтому для продолговатых структур часто имеет смысл проводить сечение вдоль их средней линии, но не исключаются другие варианты выбора в контексте некоторых вариантов осуществления этого изобретения. Ориентация секущей плоскости может, например, определяться как всегда перпендикулярная к направлению наблюдения или может быть независимой от этого направления наблюдения. Способ показан на фиг.3, показывающей иллюстративные результирующие изображения визуализаций, достигнутых одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3A показывает схематический кровеносный сосуд, как он может быть визуализирован общими способами воспроизведения, без секущей плоскости, показывая только трехмерную форму сосуда. Имеется много больше или меньше различных вариантов выполнения воспроизведения поверхности или объемного воспроизведения в употреблении, как уже было объяснено выше. Однако внутренняя часть сосуда не видна, что означает, что обследование не возможно. Для иллюстративных целей сосуд, показанный на фиг.3, не показывает представление 'реального' кровеносного сосуда. Более того, предполагается дать представление того, что приложение настоящего изобретения способно производить, когда реализовано подходящим образом. Фиг.3B и 3C показывают тот же сосуд, но теперь при пересечении вдоль средней линии сосуда изогнутой секущей плоскостью. Эта секущая плоскость отображается в трехмерном контексте для кровеносного сосуда. Ориентация секущей плоскости разная для фиг.3B и 3C, как показано стрелками на этих чертежах, и может, например, направляться согласно положению наблюдения. Как показано на фиг.3D, секущая плоскость не должна быть плоской в одном направлении. На фиг.3D форма секущей плоскости относится к ситуации, где четвертная часть вырезана из сосуда, давая результатом две поверхности секущей плоскости.
Со ссылкой на фиг.3, становится очевидно, что настоящее изобретение предоставляет предпочтительный способ визуализации информации на секущих плоскостях через продолговатые изогнутые структуры без искажения и внутри трехмерного анатомического контекста формы. Секущая плоскость, показанная на воспроизведенном изображении, остается изогнутой "плоскостью", так что ориентация секущей плоскости может показывать локальную ориентацию, изменяющуюся над поверхностью секущей плоскости. Таким образом, этим изобретением предоставляется более предпочтительная интерпретация, чем ранее. Слово плоскость обычно предлагает плоский или двухмерный элемент. Однако термин изогнутая плоскость, указывающий на изогнутую секущую плоскость, - это трехмерная "плоскость", пересекающая трехмерный объект. Изогнутая секущая плоскость может рассматриваться как часть трехмерной поверхности, что даже оправдывает термин трехмерная секущая плоскость для изогнутой секущей плоскости.
Объемные данные, используемые как входные данные для настоящего изобретения, могут получаться многими разными подходящими способами, например посредством использования сканера CT или MR, ультразвуковой системы, вращательной рентгеновской системы, сканера PET или SPECT. Результат такого получения и последующая обработка, которая подходит для этого изобретения, состоит в том, что предоставляется некоторый объем измерений.
Согласно одному варианту осуществления способа настоящего изобретения, показанному на фиг.4, из этих данных извлекаются подобъемы, которые представляют некоторые объекты, такие как органы или костные структуры, на этапе 41. Специалист знает о подходящих технологиях извлечения для использования для этого этапа. Впоследствии границы этих подобъемов описываются, на этапе 42, посредством описания поверхностей, например геометрического описания с триангулированной поверхностью. Затем определяется изогнутая секущая плоскость, пересекающая, по меньшей мере, частично упомянутый объект, такой как изогнутые продолговатые трехмерные структуры, и следующая по траектории, по существу, вдоль упомянутого объекта. Наконец, изображение '3D', содержащее изогнутые секущие плоскости, воспроизводится из этого описания подобъема, на этапе 43, посредством проецирования поверхностных элементов на плоскость проекции, которая, например, может быть областью представления на экране компьютера или распечаткой. Область представления является в большинстве случаев плоской. По выбору, например, могут использоваться экраны 3D для представления воспроизводимой визуализации. В этом случае, например, используется специальный экран, такой как экран LCD, который может переключаться между стандартным двухмерным режимом и стереоскопическим режимом 3D, в котором на экране создается трехмерная перспектива. Одно решение, чтобы показывать такие изображения 3D, показывает в этом режиме 3D два перекрывающихся изображения, причем одно показывает перспективу правого глаза и одно показывает перспективу левого глаза. В то же время монитор включает фильтр, который ограничивает угол световых лучей, осуществляющих свечение на экране. Как результат, свет, проходящий через пиксели, отображающие перспективу правой стороны, проецируется в направлении правого глаза наблюдателя, и свет, достигающий пикселей, отображающих перспективу левой стороны, проецируется на левый глаз. Альтернативно, способы голографической проекции могут предоставлять реальные изображения 3D.
Следовательно, получается изображение, которое воспроизводится из набора данных 3D для визуализации изогнутой продолговатой трехмерной структуры. Изображение воспроизводится так, что оно содержит визуализацию изогнутой секущей плоскости.
Альтернативно, оптические свойства, такие как цвет и непрозрачность, назначаются каждому из элементов (вокселов, измерений) в объеме данных. Затем мнимые лучи выбрасываются от пикселей плоскости проекции в объем данных. Цвет пикселей в плоскости проекции затем может связываться с оптическими свойствами, которые соответствующий луч встречает, когда проникает через объем данных. Варианты выбора пользовательского интерфейса могут предоставляться для определения свойств смоделированного объекта, таких как цвет и непрозрачность, геометрии наблюдения, такой как направление, из которого объем данных наблюдается, так же как масштабирования и перспективы, свойств среды, таких как смоделированные источники света, чтобы усиливать восприятие форм объекта, высокоуровневых манипуляций объектами, таких как включение и выключение объектов, слияние геометрически описанных поверхностей, помещение изогнутых секущих плоскостей в требуемых ориентациях, и т.д.
Фиг.5 раскрывает схематическую иллюстрацию медицинской рабочей станции согласно одному варианту осуществления этого изобретения, а именно медицинской рабочей станции 51. Рабочая станция конфигурируется для визуализации изогнутой продолговатой структуры 3D, содержащейся в трехмерном (3D) медицинском изображении, и содержит средство 52 для воспроизведения двухмерного изображения, содержащего, по меньшей мере, одну трехмерную изогнутую секущую плоскость упомянутой изогнутой продолговатой структуры, где упомянутая трехмерная секущая плоскость является изогнутой. Более точно, медицинская рабочая станция 51 конфигурируется для визуализации изогнутой продолговатой трехмерной (3D) структуры, содержащейся в медицинском изображении 3D, и средство 52 конфигурируется для воспроизведения изображения из упомянутого медицинского изображения 3D для визуализации упомянутой изогнутой продолговатой трехмерной структуры, где упомянутое воспроизводимое изображение содержит, по меньшей мере, одну воспроизводимую изогнутую секущую плоскость, пересекающую, по меньшей мере, частично упомянутую визуализируемую изогнутую продолговатую трехмерную структуру.
Более точно, медицинская рабочая станция 51 содержит средство для предоставления изогнутой секущей плоскости в упомянутом наборе данных 3D, пересекающей, по меньшей мере, частично упомянутую изогнутую продолговатую трехмерную структуру и следующей по траектории, по существу, вдоль упомянутой трехмерной структуры, и средство 52 для воспроизведения изображения из упомянутого набора данных 3D для визуализации упомянутой изогнутой продолговатой трехмерной структуры, так что упомянутое воспроизводимое изображение содержит упомянутую изогнутую секущую плоскость.
Фиг.6 - это схематическая иллюстрация компьютерной программы согласно дополнительному варианту осуществления этого изобретения. Машиночитаемый носитель 61 имеет осуществленную на нем компьютерную программу для визуализации изогнутой продолговатой структуры, содержащейся в трехмерном (3D) наборе данных, таком как медицинское изображение 3D, для обработки компьютером 63, например, содержащимся в рабочей станции 51. Компьютерная программа содержит сегмент 62 кода для воспроизведения двухмерного изображения, содержащего, по меньшей мере, одну трехмерную секущую плоскость упомянутой изогнутой продолговатой структуры, где упомянутая трехмерная секущая плоскость является изогнутой. Более точно, сегмент 62 кода конфигурируется для воспроизведения изображения из упомянутого набора данных 3D для визуализации упомянутой изогнутой продолговатой трехмерной структуры, где упомянутое воспроизводимое изображение содержит, по меньшей мере, одну воспроизводимую изогнутую секущую плоскость, пересекающую, по меньшей мере, частично упомянутую визуализируемую изогнутую продолговатую трехмерную структуру. Более точно, программа содержит сегмент кода для предоставления изогнутой секущей плоскости в упомянутом наборе данных 3D, пересекающей, по меньшей мере, частично упомянутую изогнутую продолговатую трехмерную структуру и следующей по траектории, по существу, вдоль упомянутой трехмерной структуры, и сегмент 62 кода для воспроизведения изображения из упомянутого набора данных 3D для визуализации упомянутой изогнутой продолговатой трехмерной структуры, так что упомянутое воспроизводимое изображение содержит упомянутую изогнутую секущую плоскость.
Генерирование этих воспроизводимых изображений, содержащих изогнутые секущие плоскости, может встраиваться в более большие приложения для диагностики, компьютеризованного обнаружения и количественного анализа патологий, планирования и подготовки вмешательств и т.д., где изогнутые секущие плоскости облегчают такие процедуры.
Приложения и использование вышеописанного способа согласно этому изобретению являются различными и включают в себя иллюстративные области, такие как аневризмы аорты или легочные болезни. Другой пример приложения, которое может извлекать выгоду из настоящего изобретения, - это обследование стеноза в кровеносных сосудах, например коронарных сосудах или сонных артериях, или больших сосудах в конечностях. Другие примеры - это обследование аневризмов аорты или легочной болезни.
Другой пример приложения - это визуализация сложной трубки или трубчатой структуры в механическом устройстве.
В общем, при использовании настоящий способ дает результатом изображение, например, видимое на экране, отображающее воспроизводимую визуализацию изогнутой продолговатой структуры в изображении, где воспроизводимое изображение содержит изогнутую секущую плоскость, как подробно описано выше.
Это изобретение может реализоваться в любой подходящей форме, включающей в себя аппаратное обеспечение, программное обеспечение, встроенные программы или любую комбинацию этого. Однако предпочтительно, это изобретение реализуется как компьютерное программное обеспечение, исполняющееся на одном или более устройствах для обработки данных и/или устройствах для обработки цифровых сигналов. Элементы и компоненты одного варианта осуществления этого изобретения могут физически, функционально и логически реализоваться любым подходящим способом. В самом деле, функциональность может реализоваться в единичном устройстве, в множестве блоков или как часть других функциональных блоков. Как таковое это изобретение может реализоваться в единичном блоке или может быть физически и функционально распределенным между разными блоками и устройствами для обработки.
Хотя настоящее изобретение было описано выше со ссылкой на конкретные варианты осуществления, не предполагается, что оно ограничено конкретной формой, здесь изложенной. Скорее, это изобретение ограничивается только сопровождающей формулой изобретения, и другие варианты осуществления, нежели конкретные выше, равным образом возможны в пределах объема этой приложенной формулы изобретения, например другие способы воспроизведения, нежели те, что описаны выше.
В формуле изобретения термин "содержит/содержащий" не исключает присутствие других элементов или этапов. Дополнительно, хотя индивидуально перечислены, множество средств, элементов или этапов способа могут реализоваться посредством, например, единичного блока или устройства для обработки. Дополнительно, хотя индивидуальные признаки могут включаться в разные пункты формулы изобретения, они могут, возможно, предпочтительно комбинироваться, и включение в разные пункты формулы изобретения не влечет, что комбинация признаков является невыполнимой и/или предпочтительной. В дополнение, единичные ссылки не исключают множество. Термины "один", "некоторый", "первый", "второй" и т.д. не устраняют множественность. Знаки ссылочных позиций в пунктах формулы изобретения предоставляются только как делающие понятным пример и не должны толковаться как ограничивающие объем формулы изобретения каким-либо образом.