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Repräsentation und Visualisierung von 3D-Formvariationen von Organen in einem interaktiven anatomischen Atlas
Problemstellung:
Dreidimensionale anatomische Atlanten spielen in der medizinischen Ausbildung, Therapieplanung und Diagnostik eine zunehmend wichtigere Rolle und haben inzwischen eine hohe Qualität erreicht. Gegenüber der statischen Darstellung in Büchern ermöglichen sie eine interaktive Explorierbarkeit der menschlichen Anatomie und machen dadurch räumliche Zusammenhänge für einen Betrachter anschaulicher und begreifbarer. In der Regel basieren solche Atlanten jedoch nur auf einem Individuum und sind nicht repräsentativ für die menschliche Anatomie im Allgemeinen. Anatomische Strukturen weisen jedoch zum Teil große inter- und intra-individuelle Unterschiede bezüglich ihrer Form und Größe auf, zum einen aufgrund natürlicher Variabilität und zum anderen in Abhängigkeit von Faktoren wie z.B. Alter, Geschlecht, Krankheiten und Lebensgewohnheiten.
Im Rahmen dieses Projektes soll die Grundstruktur für die Repräsentation und Visualisierung von Formvariabilität in einem volumenbasierten Atlas entwickelt und auf der Basis des Systems VOXEL-MAN implementiert werden.
Methode:
Für die Modellierung der anatomischen Formen und deren Variabilität werden die M-reps ("Mediale Repräsentationen") verwendet, die eine parametrisierte Beschreibung von Objekten auf der Basis ihrer Mittelachsen bzw. -flächen ermöglichen. Eine genaue Beschreibung des Konzeptes und der Anwendung von M-reps findet sich in der unten angegebenen Literatur. Die M-reps besitzen ein figurenbezogenes Koordinatensystem, auf dessen Basis eine geometrische Korrespondenz zwischen verschiedenen Formvarianten definiert werden kann.
Die Entwicklung der Methodik zur Integration der Formmodelle in den Atlas erfolgt beispielhaft anhand eines statistischen Nierenmodells, das auf 48 verschiedenen Nieren basiert. Für die Verknüpfung der Nierenmodelle mit dem Volumenmodell haben wir auch ein M-rep-Modell der Visible Human Niere erstellt, welches als Referenz dient und die gleiche Struktur aufweist wie die übrigen Nierenmodelle (d.h. die medialen Graphen sind äquivalent), so dass eine geometrische Korrespondenz zwischen den M-rep-Modellen gewährleistet werden kann.
Abb. 1: M-rep-Modell einer Niere. Links ist die Skelettstruktur zu sehen und rechts die zugehörige Oberflächendarstellung.
Durch die Integration der M-rep-Formbeschreibung in den VOXEL-MAN-Atlas wird es möglich, innerhalb des Atlasses verschiedene Ausprägungen eines Organs, in unserem Beispiel der Niere, abzufragen und zu visualisieren. Neben der Darstellung individueller Formvarianten lässt sich z.B. auch die mittlere Form eines Kollektivs von Objekten anzeigen (siehe Abb. 2).
Neben einer oberflächenbasierten Darstellung ist auch eine volumenbasierte Darstellung der Formvarianten der Niere möglich, die sich durch eine Verformung der Referenzniere aus dem Volumenmodell nach Maßgabe der M-rep-Formbeschreibung ergibt. Hiermit werden eine realistische visuelle Darstellung der Formvarianten sowie die Visualisierung von Texturen des Organinneren, z. B. durch das Setzen von Schnitten, ermöglicht. Sinnvoll ist dies natürlich nur, wenn es sich hierbei nicht um eine pathologische Variante handelt, die sich in ihrer Struktur von einer gesunden Niere wesentlich unterscheidet.
Über die Darstellung einzelner Formvarianten hinaus sollen auch Visualisierungsverfahren für die Variabilität innerhalb von Kollektiven und die zeitliche Veränderung von Formen untersucht und implementiert werden.
Abb. 2: Visualisierung von Formvarianten der Niere im VOXEL-MAN-Atlas. Die linken Nieren (in den Bildern rechts) werden durch Oberflächendarstellungen auf der Basis von M-rep-Modellen repräsentiert. Oben: linke Niere des Visible Human. Unten: mittlere Form eines Kollektivs von 48 Nieren.
Ausgewählte Publikationen:
- Silke Hacker, Heinz Handels: Representation and Visualization of Variability in a 3D anatomical Atlas using the Kidney as an Example. In: Cleary, K.R., Galloway, R.L. (eds.), Visualization, Image-Guided Procedures, and Display, SPIE Medical Imaging 2006, San Diego, SPIE Vol. 6141, 61410B-1-61410B-7, 2006
- Silke Hacker, Heinz Handels, (2006): Repräsentation und Visualisierung von 3D-Formvarianten von Organen für die medizinische Ausbildung:
In: Handels, H., Erhardt, J., Horsch, A., Meinzer, H.P., Tolxdorff, T. (Hrsg.), Bildverarbeitung für die Medizin 2006, Informatik aktuell, Springer Verlag, Berlin, 276-280.
- Silke Hacker, Ulf Tiede, Heinz Handels: Repräsentation von Variabilität in einem dreidimensionalen anatomischen Atlas am Beispiel der Niere.
50. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie, Freiburg, Tagungsband, 16-18, 2005 .
- Pizer S M, Fletcher P T, Joshi S C, Stough J, Thall A, Chen J Z, Fridman Y, Fritsch D S, Gash G, Glotzer J M, Jiroutek M R, Lu C, Muller K E, Tracton G, Yushkevich P A, Chaney E L. Deformable M-reps for 3D Medical Image Segmentation. IJVC, vol. 55, 2003.
Projektteam:
Silke Hacker
Heinz Handels
Kooperationspartner:
Stephen M. Pizer,
Medical Image Display and Analysis Group (MIDAG), University of North Carolina in Chapel Hill, NC, USA
Die Nierendaten wurden uns freundlicherweise von der Radioonkologie der University of North Carolina in Chapel Hill, NC, USA zur Verfügung gestellt.
