DE102005040438A1

DE102005040438A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Embolieanalyse

Info

Publication number: DE102005040438A1
Application number: DE102005040438A
Authority: DE
Inventors: Atilla Peter Kiraly; Carol L. Novak; Lutz Gundel
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corporate Research Inc
Current assignee: Siemens AG; Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2006-05-18
Also published as: US7583829B2; US20060056685A1; JP2006081906A

Abstract

Es wird ein automatisiertes Verfahren zur Analyse des durch eine in einem Organ vorliegende Embolie betroffenen Bereichs offenbart. Ein segmentiertes Bild der Organvaskulatur wird unter Verwendung von Bildvolumendaten erzeugt, die beispielsweise von einem Computertomographen (CT) erhalten werden. Anschließend wird ein Embolus (entweder manuell oder automatisch) innerhalb des segmentierten Bildes identifiziert und das Volumen des durch die Embolie betroffenen Organs automatisch bestimmt. Das Volumen des durch die Embolie betroffenen Organs kann durch Erstellung eines Teilastes innerhalb des segmentierten Bildes bestimmt werden, der zu dem identifizierten Emboluspunkt distale Gefäße aufweist. In einer Ausführungsform wird der Teilast durch Bestimmung einer zu einem Gefäß an dem Emboluspunkt senkrecht verlaufenden Ebene erzeugt, so dass der Teilast einen zu dieser Ebene distalen Abschnitt der Vaskulatur umfasst. Unerwünschte überlappende Äste werden identifiziert (z. B. durch Analyse der Gabelungswinkel) und aus dem Teilast entfernt. Das Volumen des durch die Embolie betroffenen Organs wird durch Berechnung eines durch den Teilast durchbluteten Volumens dieses Organs bestimmt. Das betroffene Volumen kann durch Skalierung des Volumens auf Basis der prozentualen Obliterierung durch einen partiellen Embolus entsprechend errechnet werden.

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 13. September 2004 eingereichten US Provisional Application Nr. 60/609,521, die hiermit durch Verweis aufgenommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft generell die Analyse von Emboli und spezifischer die automatische Analyse des durch eine in einem Organ vorliegende Embolie betroffenen Bereichs.

Bei einer Embolie handelt es sich um den Verschluss eines Blutgefäßes durch eine Fremdsubstanz. Die häufigste Ursache für eine Embolie stellen Blutgerinnsel dar. Bei einem Lungenembolus handelt es sich um ein durch den Blutstrom in eine Lungenarterie (sich vom Herzen in die Lunge erstreckende Blutgefäße) geschwemmtes Blutgerinnsel, das das Gefäß teilweise oder vollständig verschließt. Der Begriff „Embolus" bezeichnet den das Blutgefäß obliterierenden Pfropf, wohingegen sich Embolie auf den herbeiführenden Vorgang bezieht.

Obgleich eine Lungenembolie häufig zum plötzlichen Tod führt, kann sie doch oft vermeidbar sein. Die umgehende Behandlung mit Antikoagulantien ist für die Rettung von Leben wesentlich. Jedoch birgt jede Behandlung auch Gefahren, weshalb sich die richtige Diagnosestellung als kritisch erweist. Computertomographie-gestützte Angiographie (CTA) findet immer weitläufigere Anerkennung als Diagnoseverfahren, die gegenüber alternativen Methoden wie Lungenangiographie und Ventilations-Perfusions-Scans vergleichbare oder überlegene Sensitivität und Spezifität bietet. CTA stellt ein rasches und nichtinvasives Verfahren dar und unterstützt zudem in vielen Fällen noch eine alternative Diagnose zur Abklärung der Symptome eines Patienten.

Mittels 16-Zeilen-Computertomographen (CT) an Patienten nach Kontrastmittelgabe erhobene Bilder liefern Hochauflösungsdaten, die den besseren Nachweis von in subsegmentalen Arterien lokalisierten Emboli gewähren. Diese dreidimensionalen Hochauflösungsdaten bieten die Möglichkeit der präzisen Analyse der Auswirkungen von Lungenembolien auf die Lunge, wenngleich derartige Beurteilungen ohne Automatisierung möglicherweise nicht durchführbar sind.

Gegenwärtige Verfahren zur automatisierten Analyse von Lungenembolien in Kontrastmittel-verstärkten CT-Bildern stützen sich auf den direkten Nachweis der Gerinnsel in den Arterien oder auf den indirekten Rückschluss der Lage des Gerinnsels durch Visualisierung der Durchblutungsstörungen in dem betroffenen Lungenareal bzw. den betroffenen Lungenarealen. Im ersteren Fall ist generell zur präzisen Ortung einer Lungenembolie eine hinreichende Segmentierung der Arterien erforderlich. Der Nachweis der Gerinnsel kann danach mittels Visualisierungsverfahren oder computergestütztem Nachweis (Computer Aided Detection, CAD) erfolgen.

Bei einem anderen Verfahren zur automatisierten CTA-Analyse wird zur direkten Visualisierung von Durchblutungsstörungen die mittlere Dichte von Lungenarealen berechnet und ausgegeben. Eine unterdurchschnittliche Dichte in Lungenarealen kann auf ein diesem Areal vorgelagertes Gerinnsel hinweisen. Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt in der graphischen Darstellung von Ausmaß und Schweregrad der Erkrankung. Allerdings ist von Nachteil, dass zur adäquaten Messung der Durchblutung zwei Scans, nämlich vor und nach Kontrastmittelgabe, nötig sind, was die Erhebung verkompliziert und die doppelte Strahlendosis erfordert. Zudem bedarf es zum Abgleich der beiden Scans einer mühsamen und zeitaufwändigen nicht-rigiden Registrierung. Bei dem derzeit in der klinischen Praxis anerkannten Bewertungsprozedere an Patienten mit Verdacht auf Lungenembolie erfolgt nur ein Scan nach Kontrastmittelgabe.

Daher besteht Bedarf an einem automatisierten Verfahren zur Analyse des Ausmaßes einer ein Organ betreffenden Embolie anhand eines einzigen Scans.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt ein automatisiertes Verfahren zur Analyse des durch eine in einem Organ vorliegende Embolie betroffenen Bereichs bereit. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein segmentiertes Bild der Organvaskulatur unter Verwendung von Bildvolumendaten erzeugt, die beispielsweise von einem Computertomographen (CT) stammen. Ein Embolus wird danach innerhalb des segmentierten Bildes identifiziert. Die Identifikation des Embolus kann durch Eingabe des Emboluspunktes (z.B. bei dessen manueller Identifikation) erfolgen. Alternativ dazu kann die Identifikation des Emboluspunktes automatisch erfolgen. Auf diesen Daten basierend wird das Volumen des durch die Embolie betroffenen Organs automatisch bestimmt.

Das Volumen des durch die Embolie betroffenen Organs kann durch Erstellung eines Teilastes innerhalb des segmentierten Bildes bestimmt werden, der zu dem identifizierten Emboluspunkt distale Gefäße aufweist. In einer Ausführungsform wird der Teilast durch Bestimmung einer zu einem Gefäß an dem Emboluspunkt senkrecht verlaufenden Ebene erzeugt, so dass der Teilast einen zu dieser Ebene distalen Abschnitt der Vaskulatur umfasst. Da das Bild des Teilastes unerwünschte überlappende Äste umfassen kann, werden derartige überlappende Äste identifiziert (z.B. durch Analyse der Gabelungswinkel) und aus dem Teilast entfernt. An dieser Stelle kann das Volumen des durch die Embolie betroffenen Organs durch Berechnung eines durch den Teilast durchbluteten Volumens dieses Organs bestimmt werden. Da aber auch die Möglichkeit besteht, dass die Embolie in einer Arterie eine nur partielle Obliterierung herbeiführt, kann weiterhin durch Skalierung des Volumens auf Basis der prozentualen Obliterierung durch einen partiellen Embolus das betroffene Volumen entsprechend errechnet werden. Da Patienten auch mehr als einen Embolus aufweisen können, kann der Prozess wiederholt werden, indem weitere Emboli identifiziert, der Prozentanteil des von dem jeweiligen Teilast durchbluteten Organs berechnet und diese zum Erhalt des Gesamtprozentanteils des durch alle Emboli betroffenen Organs addiert werden.

Diese und weitere Vorteile ergeben sich für den Durchschnittsfachmann unter Bezugnahme auf die nachstehende detaillierte Beschreibung und beigefügten Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein Übersichtsblockschaltbild für einen Computer, auf dem die vorliegende Erfindung realisiert werden kann;
2 ein Flussdiagramm der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführten Schritte;
3 eine Segmentierung der Lungenvaskulatur S;
4 ein Flussdiagramm der während der Analyse des durch eine Lungenembolie betroffenen Arterienteilastes ausgeführten Schritte;
5 die Organvaskulatur mit der identifizierten, sich mit dem ausgewählen Lungenemboliepunkt senkrecht schneidenden Ebene;
6 ein Modell einer Verästelung (Astmodell);
7 eine Segmentierung des distalen Abschnitts der ausgewählten Vaskulatur;
8 einen Gabelungswinkel;
9 ein Verfahren zur Bestimmung einander schneidender Äste mittels Gabelungswinkelanalyse;
10 ein Astmodell mit Segmentierung nach Entfernen von Überschneidungen;
11 die Verlängerung von Astausläufern; und
12 eine Darstellung des betroffenen Volumens des Organs.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung stellt die vorliegende Erfindung hinsichtlich der für die Realisierung einer Ausführungsform der Erfindung erforderlichen Verfahrensschritte dar. Diese Schritte sind durch einen entsprechend programmierten Computer mit in der Technik hinreichend bekannter Konfiguration durchführbar. Die Implementierung eines entsprechenden Computers kann beispielsweise mittels bekannter Computerprozessoren, Speichereinheiten, Speichermedien, Computersoftware und anderer Komponenten erfolgen. Ein derartiger Computer ist in 1 als Übersichtsblockschaltbild dargestellt. Computer 102 enthält einen Prozessor 104, der durch Ausführung der diese Operation definierenden Computerprogramminstruktionen die Gesamtoperation des Computers 102 steuert. Die Computerprogramminstruktionen können auf einem Speichermedium 112 (z.B. einer Magnetplatte) gespeichert und gewünschtenfalls zur Ausführung in den Speicher 110 geladen werden. Computer 102 umfasst auch eine oder mehrere Schnittstelle(n) 106 zur Verbindung mit anderen Geräten (z.B. lokal oder über Netzwerk). Computer 102 umfasst weiterhin Eingang/Ausgang 108 für dem Benutzer die Möglichkeit zum Interagieren mit Computer 102 bietende Geräte (z.B. Anzeige, Tastatur, Maus, Lautsprecher, Buttons). Der Fachmann wird erkennen, dass die praktische Realisierung eines Computers auch weitere Komponenten umfasst und dass 1 eine beispielhafte Übersichtsdarstellung einiger der Komponenten eines derartigen Computers ist. Der Fachmann wird außerdem erkennen, dass die hier beschriebenen Verarbeitungsschritte auch unter Verwendung zweckgebundener Hardware, deren Schaltkreis spezifisch zur Ausführung derartiger Verarbeitungsschritte konfiguriert ist, realisiert werden kann. Alternativ dazu können die Verarbeitungsschritte unter Verwendung verschiedener Kombinationen aus Soft- und Hardware implementiert werden.
2 zeigt ein Flussdiagramm der gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführten Schritte. Zu Beginn steht eine kurze Übersicht über die Schritte. Der allgemeinen Beschreibung folgen dann weitere Einzelheiten zu den einzelnen Schritten in 2. Zuerst gehen in Schritt 202 Bildvolumendaten (I) ein. Nach Eingang der Bildvolumendaten in Schritt 202 werden in Schritt 204 die Segmentierung und Analyse der Lungenvaskulatur durchgeführt. Im darauffolgenden Schritt 206 wird die Lungenembolie innerhalb der segmentierten Lungenvaskulatur geortet. Die Stelle einer Lungenembolie kann entweder durch manuelle Eingabe nach eingehender Betrachtung eines Bildes der segmentierten Lungenvaskulatur oder automatisch identifiziert werden. In Schritt 208 wird zwecks Bestimmung eines Volumens der durch die Lungenembolie betroffenen Lunge der von der Lungenembolie betroffene Gefäßteilast analysiert.
Die Schritte in 2 werden nunmehr eingehender im Detail unter Verwendung der folgenden Bezeichnungen beschrieben. Die ursprünglichen Bilddaten werden durch I dargestellt. Der Fundort der Lungenembolie wird durch p = (x, y, z) wiedergegeben, mit (x, y, z) als dessen 3 Dimensionskoordinaten. S bezieht sich auf das die segmentierte Vaskulatur innerhalb der Lunge umfassende Volumen. Und S' bezieht sich schließlich auf das segmentierte Teilastvolumen.
Schritt 202 stellt die Bildvolumendaten als Eingabe für die Verarbeitungsschritte dar. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei diesen Bildvolumendaten um mittels Mehrschicht-CT an Patienten nach Kontrastmittelgabe erhobene Bilder. Diese Daten können beispielsweise über eine Verbindung (z.B. direkt oder über Netzwerk) bei dem CT über eine Schnittstelle 106 eingehen, oder über ein entfernbares Datenspeichermedium (z.B. CD-ROM, Magnetplatte, Flash-Memory oder ein andersartiges solches Medium). Alternativ dazu kann die vorliegende Erfindung als ein in einem CT integriertes System implementiert werden, wobei dann die hier beschriebene Verarbeitung innerhalb des CT selbst ablaufen würde.
In Schritt 204 erfolgen Segmentierung und Charakterisierung der Lungenvaskulatur. In einer Ausführungsform wird der Schritt gemäß der Beschreibung von Pichon E, Novak CL, Kiraly AP, Naidich DP, „A novel method for pulmonary emboli visualization from highresolution CT images", Proceedings of the SPIE Medical Imaging 2004, Band 5367, S. 161–170 (2004), die hiermit durch Verweis aufgenommen wird, durchgeführt. Bei diesem Verfahren wird wie folgt vorgegangen. Zunächst wird eine Maske der Lunge generiert. Zu Beginn wird in der Trachea ein Startpunkt ausgewählt. An diesem Startpunkt wird dann solange ein Region-Growing-Verfahren durchgeführt, bis die gesamte Lunge segmentiert ist. Dieses Region-Growing-Verfahren wird mit einem hohen Schwellenwert durchgeführt, um die Lunge von den Luftwegen her zu füllen. Danach wird an dem segmentierten Bild eine Dilatation mit darauffolgender Erosion durchgeführt, um die durch flüssigkeitsgefüllte Bereiche wie Gefäße hervorgerufenen Leerräume aufzufüllen. Der Erosionsoperator ist geringfügig größer als der Dilatationsoperator, um den Einschluss von Rippen und anderen thoraxwandnahen Strukturen in die Maske zu verhindern. Die Segmentierung der Lungengefäße erfolgt danach durch Einschluss aller über einem Schwellenwert liegender Voxel in die Lungenmaske. Der Schwellenwert wird so gewählt, dass nicht nur kontrastmittelhaltige Gefäße eingeschlossen werden, sondern auch kontrastmittelfreie Gefäße, da der Kontrastmittelfluss zu einigen Gefäßen durch die vorhandene Lungenembolie unterbunden ist. Danach werden die segmentierten Strukturen einer Connected-Component-Analyse unterzogen. Strukturen kleinen Volumens werden eliminiert. Das Ergebnis ist eine Segmentierung der Lungenvaskulatur S. Eine Einschränkung dieses Prozesses stellt der mit dem Einschluss der Arterien einhergehende mögliche Einschluss von Pulmonalvenen oder anderen dichten Strukturen dar. Es ergibt sich die in 3 als 300 dargestellte Segmentierung S. Die Segmentierung 300 zeigt den Umriss der Lungenflügel 302 sowie die Vaskulatur 304.
Zur Erzeugung der Segmentierung können gleichermaßen andere bekannte Verfahren eingesetzt werden. Beispielsweise kann auch ein wie bei Sato Y, et al.; „Three-dimensional multi-scale line filter for segmentation and visualization of curvilinear structures in medical images", Medical Image Analysis, Bd. 2, Nr. 2, S. 143–168 (1988) beschriebenes Zeilenfilter verwendet werden. Zusätzlich kann zur Steigerung der Präzision an der Zeilenfilter-Ausgabe eine Baumanalyse durchgeführt werden.
Nach Erzeugung der Segmentierung wird für die Lungengefäße eine Distanzen D_S aufzeigende Abbildung erstellt. D_S steht für die Distanz jedes Voxel innerhalb von S zu dem nächsten Oberflächenpunkt. Größere Arterien weisen an ihren Mittelpunkten größere D_S-Werte auf, da diese größere Radien aufweisen. Diese Informationen dienen zur Erstellung des Teilastes wie nachstehend eingehender erläutert wird.
Schritt 206 (2) stellt die Identifizierung der Lage der Lungenembolie p innerhalb der segmentierten Lungenvaskulatur dar. Eine derartige Fundstelle einer Lungenembolie ist in 3 als Punkt 306 gezeigt. Dieser Punkt kann manuell (z.B. von einem Arzt) oder anhand der Ausgabe eines automatischen Detektionsalgorithmus identifiziert und angezeigt werden. In beiden Fällen ist Schritt 206 dafür bezeichnend, dass der Lungenemboliepunkt p in die Verarbeitungsschritte eingegeben wird. Diese Eingabe kann beispielsweise über E/A 108 (bei manueller Identifikation) oder über Schnittstelle 106 (bei automatischer Identifikation) erfolgen.
An dieser Stelle des Prozessablaufs sind folgende Daten verfügbar:

a) das ursprüngliche Kontrastmittel-verstärkte CT-Bild I;
b) die Distanzkennzahlen Ds enthaltende Segmentierung der Lungengefäße S; und
c) Punkt p innerhalb des segmentierten Bildes zur weiteren Analyse.

Hier kann der Prozess nunmehr mit Schritt 208 fortgesetzt werden, der Analyse des durch die Lungenembolie betroffenen Arterienteilastes. In diesem Schritt wird der durch die Lungenembolie betroffene Teilast zur Bestimmung des Volumens der von der Lungenembolie betroffenen Lunge analysiert. Der Prozessablauf gemäß Schritt 208 wird im Zusammenhang mit dem Flussdiagramm in 4 weiter dargelegt. Der Schritt der Teilastanalyse umfasst die vier in 4 gezeigten Schritte 402–408. Zunächst wird in Schritt 402 eine am Punkt p zu der Ausrichtung des Gefäßes senkrecht verlaufende winkelhalbierende Ebene bestimmt. Diese Ebene dient zur Durchführung eines restringierten Region-Growing-Verfahrens in Schritt 404 zur Isolation des distalen Abschnittes des Astes, der als Teilast bezeichnet wird. In Schritt 406 wird mittels Skelettisierung aus dem Teilast ein Astmodell errechnet, das zur Eliminierung überschneidender Gefäße analysiert wird. In Schritt 408 wird das betroffene Lungenvolumen bestimmt. Nachstehend folgt die eingehende Beschreibung jedes der Schritte in 4.
Schritt 402 bestimmt eine sich mit dem ausgewählten Lungenemboliepunkt auf dem Gefäß senkrecht schneidende Ebene. Diese Ebene ist in 5 als Ebene 502 dargestellt, mit dem als 504 dargestellten Lungenemboliepunkt. Gemäß diesem Schritt wird unter Berücksichtigung des gewählten Punktes p 504, um p herum ein größenmäßig festgelegtes Teilvolumen der Segmentierung S erzeugt. Hier ist zu beachten, dass dieses Teilvolumen fixer Größe nur die örtlich darauf beschränkte Aststruktur umfasst, nicht aber den gesamten Ast, weder in proximaler noch in distaler Richtung. Die segmentierte Vaskulatur innerhalb dieses Teilvolumens wird dann mit einem bekannten auf Skelettisierung basierenden Verfahren zur Erstellung des Astmodells bearbeitet. Die Einzelheiten dieses Verfahrens werden in A.P. Kiraly, et al. „Three-Dimensional Path Planning for Virtual Bronchoscopy", IEEE Transactions on Medical Imaging, Bd. 23, Nr. 9, S. 1365–1379, September 2004, hiermit durch Verweis aufgenommen, beschrieben. In der vorliegenden Beschreibung wird dieses Verfahren generell wie folgt dargestellt.
Basierend auf einem segmentierten Bild einer Vaskulatur und einem Ursprungspunkt wird anhand obigen Verfahrens ein Astmodell erstellt. Ein einfaches Astmodell ist in 6 dargestellt. Der Ast wird durch eine Reihe von Verzweigungen gebildet. Die kleineren Äste setzen sich wiederum jeweils aus einer Reihe von Punkten zusammen. Der Ursprungspunkt definiert den Ursprung des Hauptastes und legt das Verhältnis von Hauptast zu allen Seitenästen fest. Der Gabelungspunkt bezeichnet den Punkt, an dem sich zwei Äste gabeln. Endständige Punkte befinden sich an den Enden von keine Seitenäste aufweisenden Ästen. Alle anderen Punkte werden schließlich als Betrachtungspunkte bezeichnet.
Zur Bestimmung des Astmodells wird wie folgt vorgegangen. Bei Vorliegen einer segmentierten Struktur wird zunächst deren 3D-Gerüst erstellt. Durch diese Operation wird die Segmentierung in eine aus sich verzweigenden 3D-Linien zusammengesetzte Struktur von 1 Voxel Dicke umgewandelt. Das Gerüst wird dann im Format eines Astmodells mit Verzweigungen und Gabelungspunkten gespeichert. Der Ursprungspunkt legt den Ursprung des Astes fest. Die kleineren Äste werden jeweils von der Lage der sie bildenden Voxel festgelegt. Dieses erste Astmodell weist höchstwahrscheinlich aufgrund der unzusammenhängenden Daten und der groben Segmentierung falsche Äste auf. Zur Verfeinerung des Modells werden falsche Äste unter Verwendung von größenbezogenen Kriterien eliminiert. Die Lagen der Punkte werden ebenfalls auf Subvoxelniveau verfeinert. Letztendlich wird auch jedem Punkt auf den übrigen Verzweigungen ebenfalls auf der Grundlage der Lage der benachbarten Punkte eine zur Verlaufsrichtung des Astes senkrechte Ausrichtung zugewiesen.
Das oben beschriebene Verfahren wird auf das um den Punkt p erhaltene Teilvolumen angewandt. Von Interesse ist hier der Erhalt der an der Stelle p senkrecht verlaufenden Ebene.
Der Ursprungspunkt wird einfach als der innerhalb der Segmentierung am weitesten von p entfernte Punkt gewählt. Hier ist zu beachten, dass dieser Ursprung hinsichtlich der distalen und proximalen Abschnitte des Astes nicht unbedingt korrekt sein muss. Der wahre Ursprungspunkt sollte auf dem proximalsten Astteil liegen. Allerdings beeinflusst die Lage des Ursprungspunkts nicht die an der Stelle p berechnete senkrecht verlaufende Ebene. Bei dem erstellten Modell wird der zu p nächstgelegene Punkt herangezogen und die Betrachtungsrichtung dieses Punkts als zu der Ebene als senkrecht verlaufend angenommen.
Im nächsten Schritt (404 4) wird diese definierte Ebene dazu verwendet, den Seitenast von dem restlichen Ast abzutrennen. In Schritt 404 wird wie folgt vorgegangen. Da die Ebene 502 das Gefäß in zwei Abschnitte unterteilt, bleibt die Frage, auf welcher Seite des Astes der interessierende Teilast liegt und auf welcher Seite die in Herzrichtung proximalen Gefäße liegen. Dieser Schritt dient zur Erzeugung der Segmentierung des distalen Abschnitts der gewählten Vaskulatur, bezeichnet mit S'. Die segmentierte Struktur S wird an der Stelle p zu beiden Seiten der Ebene jeweils einem regelbasierenden Region-Growing-Verfahren unterzogen. Ein standardmäßiges, zweierlei restringiertes 3D-Region-Growing-Verfahren wird durchgeführt. Einerseits muss es durch die in S definierte Segmentierung abgegrenzt sein. Andererseits darf der Bereich nicht die zuvor definierte Ebene 502 überschreiten. Der kleinere der beiden Bereiche wird als der distale Ast angenommen. Somit wird nunmehr der distale Teilast S' ⊂ S bestimmt, was die Grundlage für das weitere Vorgehen darstellt. Dieser distale Teilast S' wird in 7 als 700 dargestellt. Es ist zu beachten, dass in Folge eines Partialvolumeneffekts dieser Teilast zusätzliche, scheinbar überschneidende Gefäße 704 umfassen kann. Mit diesen überschneidenden zusätzlichen Gefäßen beschäftigt sich der nächste Schritt.
In Schritt 406 wird über Skelettisierung (wie oben angewiesen) aus dem Teilast ein Astmodell errechnet und zur Eliminierung überschneidender Gefäße analysiert. Für den Teilast S' 700 wird die Aststruktur unter Anwendung eines wie zuvor im Zusammenhang mit Schritt 402 beschriebenen auf Skelettisierung basierenden Verfahrens zur Erstellung des Astmodells bestimmt. Dieser durch Skelettisierung erhaltene Ast ist in 7 als eine Linie innerhalb der Gefäße (z.B. 706) dargestellt. Wie bereits vorstehend ausgeführt, errechnete Schritt 402 nur die Aststruktur um den gewählten Punkt p, nicht den gesamten Teilast. Schritt 406 zielt auf die Bereitstellung eines Modells des Teilastes ab. Der dem ausgewählten Punkt p am nächsten liegende Astendpunkt wird automatisch als Ursprungspunkt für das Modell gewählt. Jedoch geht das Verfahren zur Erstellung des Astmodells davon aus, dass die eingegebene segmentierte Röhrenstruktur einen authentischen Gefäßast bildet und keine überlappenden Strukturen enthält. Dies ist nicht bei allen Teilästen der Fall, da die Gefäße der Lunge aufgrund von Partialvolumeneffekten apparente Überlappungen aufweisen können. Daher werden sich in dem errechneten Modell immer falsche Äste in die daneben liegenden Gefäßäste erstrecken, wenn sich derartige Äste in S' überkreuzen.
An dem Astmodell der Segmentierung ist die Bestimmung von Gefäßüberschneidungen aufgrund in der Nähe befindlicher Gefäße möglich. Zunächst werden, wie in 8 gezeigt, die Gabelungswinkel 802 jedes Astes bestimmt. 9 illustriert ein Verfahren zur Identifizierung und Eliminierung von kreuzenden Gefäßen. Der distale Arterienast 902 weist eine Gabelungsstruktur mit Gabelungwinkeln zum Hauptast von generell über 90 Grad auf. Beispielsweise hat Seitenast 904 einen Gabelungswinkel 906 von mehr als 90 Grad. Berücksichtigt man Gefäß 908 von Teilast 910, sieht man dass es sich mit S' schneidet und daher in der Aststruktur erfasst ist. Diese Überschneidung führt zu einem Gabelungswinkel 912 von weniger als 90 Grad, und weiterhin zu einem gleichwertigen Seitenast 914 mit einem supplementären Gabelungswinkel 916 (ein Fehlerbereich ist für als supplementär zu erachtende Winkel zulässig). Daher erfolgt gemäß Schritt 406 die Identifizierung von überschneidenden Gefäßen anhand 1) eines Seitenastes mit einem zum Hauptast spitzen Gabelungswinkel und 2) eines gleichwertigen Seitenastes mit einem supplementären Gabelungswinkel. Somit werden gemäß dieser Prüfung Äste 908 und 914 als ein überschneidendes Gefäß identifiziert. Derartige Äste werden aus dem Modell eliminiert. Hier ist zu beachten, dass bei der Eliminierung einer Verzweigung aus dem Astmodell auch alle als deren Ausläufer in dem Modell erfassten Äste zu eliminieren sind. Folglich wird in dem Beispiel von 9 sowohl Hauptast 908 als auch Seitenast 918 eliminiert, da diese mit Bezug auf den Ursprungspunkt von der Aststruktur als Ausläufer von Ast 908 abgebildet werden. Identifizierung und Löschen werden so lange wiederholt, bis die gesamte dem überschneidenden Gefäß anhängige Aststruktur aus dem Modell eliminiert ist.
Das endgültige Astmodell mit Segmentierung und ohne Überschneidungen ist in 10 als 1002 dargestellt und kann zur Verfeinerung des in S' definierten Gefäßteilastes verwendet werden. Jedem Punkt in jedem Ast wird ein Distanzwert durch D_S zugewiesen. Wie zuvor beschrieben geben die Distanzwerte den Wert des kürzesten Wegs zwischen einem bestimmten segmentierten Voxel und der Gefäßoberfläche an. Der Wert steht daher für den Radius der größten Kugel, die innerhalb der Segmentierung an einer spezifischen Voxelposition hineinpasst. Das Astmodell ist daher aufgrund dieser verfügbaren Distanzwerte in der Lage, durch Platzieren adäquat großer Kugeln an jedem Punkt in dem Astmodell und durch Erfassen des sich mit diesen Kugeln schneidenden Abschnittes von S S' neu zu generieren. Die aus dem Modell eliminierten überschneidenden Äste werden daher in diesem neugenerierten S' nicht mehr erscheinen. Der endgültige S' enthält dann ausschließlich den Gefäßteilast ohne Überschneidungen, wie in 10 dargestellt. Daher ist diese erste Bestimmung von S' nicht endgültig und wird durch von dem Astmodell bereitgestellte High-Level-Informationen weiter verbessert.
An dieser Stelle kann in Schritt 408 zur Quantifizierung des von der Lungenembolie betroffenen Lungenvolumens fortgeschritten werden. Bei diesem Quantifizierungsschritt 408 wird der von dem Teilast durchblutete Bereich des Lungenvolumens bewertet. Zur präziseren Bewertung dieses Bereichs wird ein in allen Einzelheiten und unter Einschluss der thoraxwandnahen Gefäße dargestellter Teilast benötigt. Wenngleich hochauflösende CT die Extrahierung kleiner Gefäße gestattet, so reicht der segmentierte Ast in den meisten Fällen nicht bis zur Thoraxwand. Jedoch reicht die Segmentierung ausreichend nahe bis zur Wand hin, um eine gute Annäherung an das betroffene Volumen zu erzielen.
Wie in 11 dargestellt, wird jeder Astausläufer (d.h. ein Ast ohne Seitenäste) (1102, 1104) in dem Verzweigungsmodeel linear verlängert, bis er den Rand des Lungenflügels an der Thoraxwand 1106 berührt. Jeder Punkt weist wie zuvor beschrieben eine zugewiesene Betrachtungsrichtung auf, die die Ausrichtung des Gefäßes an dieser Stelle definiert. Die Betrachtungsrichtung an jedem endständigen Punkt (1108, 1110) jedes Astausläufers bestimmt die Richtung der Verlängerung.
Zur Bestimmung des betroffenen Lungenvolumens wird eine dreidimensionale konvexe Hülle 1112 des verlängerten Astes in bekannter Art und Weise berechnet. Diese konvexe Hülle 1112 definiert das betroffene Lungenvolumen. Das Volumen dieses Bereichs wird dann gemessen (durch Zählen der Voxelanzahl in der konvexen Hülle) und durch das Volumen der gesamten Lunge (durch Zählen der Voxelanzahl innerhalb der Lungenmaske errechnet) dividiert, um den Prozentanteil der betroffenen Lunge zu erhalten. Die wie oben dargestellte Verlängerung der Äste ist aufgrund ihrer bereits thoraxwandnahen Lage für die Bewertung zulässig. Eine weitere Verästelung außerhalb der konvexen Hülle ist höchst unwahrscheinlich.
Die durch das oben ausgeführte Verfahren erzeugten Bilder können einem Benutzer über E/A 108 (1) (z.B. Computerbildschirm) als graphisches Feedback der Ergebnisse von Segmentierung und Quantifizierung angezeigt werden. In einer wie in 12 gezeigten vorteilhaften Ausführungsform können die segmentierten Arterien 1202 transparent farbig dargestellt werden, und die konvexe Hülle 1204 des subsegmentierten Astes visualisiert den betroffenen Bereich. Weiterhin wird durch eine transparente Ansicht der Lunge 1206 das betroffene Volumen der Lunge optisch hervorgehoben.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde die oben behandelte Ausführungsform im Zusammenhang mit einem einzigen Lungenembolus und dem extrahierten Teilast beschrieben. Manche Patienten leiden jedoch an mehreren Emboli. Die oben erläuterten Schritte können für weitere ausgewählte Lungenemboli wiederholt werden, wobei für jede Stelle ein neuer Teilast extrahiert wird. Die den jeweiligen Teilästen entsprechenden Volumen können zur Angabe des gesamten betroffenen Lungenvolumens addiert werden. Falls ein angezeigter Lungenembolus direkt nach einem anderen Lungenembolus gelagert ist, wird ein Teilast komplett von einem anderen eingeschlossen sein. Dieser Sachverhalt wird aus der Errechnung des Astmodells ersichtlich sein. In diesem Fall wird das Volumen des kleineren Astes bei der Berechnung des betroffenen Gesamtbereichs nicht zu dem größeren Ast hinzugezählt.
In einigen Fällen obliteriert ein Lungenembolus eine Arterie nur teilweise. Das Blut kann dann noch an dem Gerinnsel vorbeifließen und eine teilweise Durchblutung des betroffenen Teilbereichs ermöglichen. In diesen Fällen ist es besonders hilfreich, das Ausmaß, in dem die Lunge durch den Embolus betroffen ist, errechnen zu können. Die folgende Ausführungsform bewertet die Auswirkungen teilweise obliterierender Emboli. An der Stelle der Lungenembolie in dem segmentierten Gefäß wird das Gerinnsel zur Errechnung seines zu dem segmentierten Gefäß senkrechten Querschnitts A_C aus der Arterie segmentiert. Der Querschnitt A_C des mit dem Gerinnsel behafteten Gefäßes wird ebenfalls aus der Gefäßsegmentierung errechnet. Die prozentuale Obliterierung wird als der Maximalwert von A_C/A_V errechnet. Das Wirkausmaß auf die Lunge entspricht dem durch die prozentuale Obliterierung skalierten betroffenen Teilbereich. In dem in 12 gezeigten Beispiel ist das Wirkausmaß auf die Lunge bei einer prozentualen Obliterierung von 80% 4,6%, d.h. 80% von 5,7%.
Die obige ausführliche Beschreibung ist in jeder Hinsicht als veranschaulichend und beispielhaft und keinesfalls als einschränkend anzusehen, und der Umfang der hier offenbarten Erfindung wird nicht durch die ausführliche Beschreibung, sondern vielmehr durch die breiteste durch das Patentrecht zulässige Auslegung der Ansprüche festgelegt. Es versteht sich, dass die hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen nur die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und dass der Fachmann verschiedene Modifikationen vornehmen kann, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Der Fachmann kann verschiedene andere Merkmalskombinationen realisieren, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde beispielsweise Lungenembolie zur Veranschaulichung einer Ausführungsform herangezogen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf Lungenembolie beschränkt, sondern kann auf jede Art von Embolie Anwendung finden. Weiterhin wurden zur Veranschaulichung einer Ausführungsform CT-Daten verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf jede Art dreidimensionaler medizinischer Bilddaten, wie z.B. Magnetresonanz, anwendbar.

Claims

Automatisiertes Verfahren zur Analyse des durch eine in einem Organ vorliegende Embolie betroffenen Bereichs, mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines segmentierten Bildes der Organvaskulatur unter Verwendung von Bildvolumendaten; Identifizieren eines Emboluspunktes innerhalb des segmentierten Bildes; und automatische Bestimmung eines Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Organ um einen Lungenflügel handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei dem Schritt des Identifizierens eines Emboluspunktes der Emboluspunkt durch Benutzereingabe erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Identifizierens eines Emboluspunktes die automatische Identifizierung des Emboluspunktes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem es sich bei den Bildvolumendaten um computertomographische Daten handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der automatischen Bestimmung eines Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs weiterhin folgenden Schritt umfasst: Skalierung des Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs auf Basis der prozentualen Obliterierung durch einen partiellen Embolus.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der automatischen Bestimmung eines Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs weiterhin folgendes umfasst: Erstellen eines Teilastes innerhalb des segmentierten Bildes.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Erstellens eines Teilastes innerhalb des segmentierten Bildes folgenden Schritt umfasst: Identifizieren von zu dem Emboluspunkt distalen Gefäßen.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Erstellens eines Teilastes innerhalb des segmentierten Bildes weiterhin folgenden Schritt umfasst: Bestimmen einer zu einem Gefäß an dem Emboluspunkt senkrecht verlaufenden Ebene; wobei der Teilast einen zu dieser Ebene distalen Abschnitt der Vaskulatur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei in dem Bild des Teilastes mehrere Äste in Folge von in der Nähe abgebildeter Gefäße überlappen, das weiterhin folgende Schritte umfasst: Identifizieren der überlappenden Äste; und Entfernen der überlappenden Äste aus dem Teilast.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Identifizierens der überlappenden Äste weitherhin folgenden Schritt umfasst: Analysieren der Gabelungswinkel innerhalb des Bildes des Teilastes.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Schritt des Identifizierens der überlappenden Äste weitherhin folgenden Schritt umfasst: Identifizieren überlappender Gefäße bei Vorliegen eines im spitzen Gabelungswinkel verlaufenden Seitenastes und eines im supplementären Winkel verlaufenden gleichwertigen Seitenastes.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Bestimmens eines Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs weiterhin folgenden Schritt umfasst: Berechnen eines durch den Teilast durchbluteten Volumens dieses Organs.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt des Berechnens eines durch den Teilast durchbluteten Volumens des Organs weiterhin folgende Schritte umfasst: Erzeugen eines verlängerten Teilastes durch Verlängern der Ausläufer dieses Teilastes bis zu einem Rand des Organs; und Errechnen einer konvexen Hülle des verlängerten Teilastes.
Vorrichtung zur Analyse des durch eine in einem Organ vorliegende Embolie betroffenen Bereichs, umfassend: Mittel zur Erzeugung eines segmentierten Bildes der Organvaskulatur unter Verwendung von Bildvolumendaten; Mittel zum Identifizieren eines Emboluspunktes innerhalb des segmentierten Bildes; und Mittel zur automatischen Bestimmung eines Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der das Mittel zum Identifizieren eines Emboluspunktes Mittel zum Erhalt des Emboluspunktes durch Benutzereingabe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der das Mittel zum Identifizieren eines Emboluspunktes Mittel zur automatischen Identifizierung des Emboluspunktes umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei es sich bei den Bildvolumendaten um computertomographische Daten handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der das Mittel zur automatischen Bestimmung eines Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs weiterhin folgendes umfasst: Mittel zur Skalierung des Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs auf Basis der prozentualen Obliterierung durch einen partiellen Embolus.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der das Mittel zur automatischen Bestimmung eines Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs weiterhin folgendes umfasst: Mittel zur Erstellung eines Teilastes innerhalb des segmentierten Bildes.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der das Mittel zur Erstellung eines Teilastes innerhalb des segmentierten Bildes weiterhin folgendes umfasst: Mittel zum Identifizieren von zu dem Emboluspunkt distalen Gefäßen.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der das Mittel zur Erstellung eines Teilastes innerhalb des segmentierten Bildes weiterhin folgendes umfasst: Mittel zur Bestimmung einer zu einem Gefäß an dem Emboluspunkt senkrecht verlaufenden Ebene; wobei der Teilast einen zu dieser Ebene distalen Abschnitt der Vaskulatur umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei in dem Bild des Teilastes mehrere Äste in Folge von in der Nähe abgebildeter Gefäße überlappen, die weiterhin folgendes umfasst: Mittel zum Identifizieren der überlappenden Äste; und Mittel zum Entfernen der überlappenden Äste aus dem Teilast.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der das Mittel zum Identifizieren der überlappenden Äste weitherhin folgendes umfasst: Mittel zum Analysieren der Gabelungswinkel innerhalb des Bildes des Teilastes.
Vorrichtung nach Anspruch 24, bei der das Mittel zum Identifizieren der überlappenden Äste weitherhin folgendes umfasst: Mittel zum Identifizieren überlappender Gefäße bei Vorliegen eines im spitzen Gabelungswinkel verlaufenden Seitenastes und eines im supplementären Winkel verlaufenden gleichwertigen Seitenastes.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der das Mittel zur Bestimmung eines Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs weiterhin folgendes umfasst: Mittel zur Berechnung eines durch den Teilast durchbluteten Volumens dieses Organs.
Vorrichtung nach Anspruch 26, bei der das Mittel zur Berechnung eines durch den Teilast durchbluteten Volumens des Organs weiterhin folgendes umfasst: Mittel zur Erzeugung eines verlängerten Teilastes durch Verlängern der Ausläufer dieses Teilastes bis zu einem Rand des Organs; und Mittel zum Errechnen einer konvexen Hülle des verlängerten Teilastes.
Computerlesbares Medium, umfassend einen abgespeicherten Computerprogrammcode zur Analyse des durch eine in einem Organ vorliegende Embolie betroffenen Bereichs, der bei Ausführung durch einen Prozessor die folgenden Schritte definiert: Erzeugen eines segmentierten Bildes der Organvaskulatur unter Verwendung von Bildvolumendaten; Identifizieren eines Emboluspunktes innerhalb des segmentierten Bildes; und automatische Bestimmung eines Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 28, bei dem der den Schritt des Identifizierens eines Emboluspunktes definierende Computerprogrammcode einen den Schritt des Erhalts des Emboluspunktes durch Benutzereingabe definierenden Computerprogrammcode umfasst.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 28, bei dem der den Schritt des Identifizierens eines Emboluspunktes definierende Computerprogrammcode einen den Schritt der automatischen Identifizierung des Emboluspunktes definierenden Computerprogrammcode umfasst.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 28, wobei es sich bei den Bildvolumendaten um computertomographische Daten handelt.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 28, bei dem der den Schritt der automatischen Bestimmung eines Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs definierende Computerprogrammcode weiterhin einen den folgenden Schritt definierenden Computerprogrammcode umfasst: Skalieren des Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs auf Basis der prozentualen Obliterierung durch einen partiellen Embolus.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 28, bei dem der den Schritt der automatischen Bestimmung eines Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs definierende Computerprogrammcode weiterhin einen den folgenden Schritt definierenden Computerprogrammcode umfasst: Erstellen eines Teilastes innerhalb des segmentierten Bildes.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 33, bei dem der den Schritt des Erstellens eines Teilastes innerhalb des segmentierten Bildes definierende Computerprogrammcode weiterhin einen den folgenden Schritt definierenden Computerprogrammcode umfasst: Identifizieren von zu dem Emboluspunkt distalen Gefäßen.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 33, bei dem der den Schritt des Erstellens eines Teilastes innerhalb des segmentierten Bildes definierende Computerprogrammcode weiterhin einen den folgenden Schritt definierenden Computerprogrammcode umfasst: Bestimmen einer zu einem Gefäß an dem Emboluspunkt senkrecht verlaufenden Ebene; wobei der Teilast einen zu dieser Ebene distalen Abschnitt der Vaskulatur umfasst.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 33, wobei in dem Bild des Teilastes mehrere Äste in Folge von in der Nähe abgebildeter Gefäße überlappen, das weiterhin einen die folgenden Schritte definierenden Computerprogrammcode umfasst: Identifizieren der überlappenden Äste; und Entfernen der überlappenden Äste aus dem Teilast.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 36, bei dem der den Schritt des Identifizierens der überlappenden Äste definierende Computerprogrammcode weitherhin einen den folgenden Schritt definierenden Computerprogrammcode umfasst: Analysieren der Gabelungswinkel innerhalb des Bildes des Teilastes.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 37, bei dem der den Schritt des Identifizierens der überlappenden Äste definierende Computerprogrammcode weitherhin einen den folgenden Schritt definierenden Computerprogrammcode umfasst: Identifizieren überlappender Gefäße bei Vorliegen eines im spitzen Gabelungswinkel verlaufenden Seitenastes und eines im supplementären Winkel verlaufenden gleichwertigen Seitenastes.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 33, bei dem der den Schritt des Bestimmens eines Volumens des durch die Embolie betroffenen Organs definierende Computerprogrammcode weiterhin einen den folgenden Schritt definierenden Computerprogrammcode umfasst: Berechnen einee durch den Teilast durchbluteten Volumens dieses Organs.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 39, bei dem der den Schritt des Berechnens eines durch den Teilast durchbluteten Volumens des Organs definierende Computerprogrammcode weiterhin einen die folgenden Schritte definierenden Computerprogrammcode umfasst: Erzeugen eines verlängerten Teilastes durch Verlängern der Ausläufer dieses Teilastes bis zu einem Rand des Organs; und Errechnen einer konvexen Hülle des verlängerten Teilastes.