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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Bearbeitungsverfahren für
einen Volumendatensatz, der mindestens ein röhrenartiges Gefäß und dessen
Umgebung beschreibt.
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Derartige Bearbeitungsverfahren werden insbesondere
im medizinischen Bereich zur Untersuchung von Stenosen eingesetzt.
Im Stand der Technik wird hierzu von einem Anwender ein Polygonzug gelegt,
entlang dessen dann eine Arbeitsschnittebene verschoben wird. Die
Arbeitsschnittebene verläuft dabei
senkrecht zum momentan betrachteten Abschnitt des Polygonzugs. Ein
beliebiges Navigieren entlang der Gefäßhauptachse in einer Gefäßstruktur ist
dadurch stark eingeschränkt
und bedarf einer Neuauswahl eines Polygonzugs entlang der Gefäßstruktur.
Die Interaktivität
zwischen automatisierter Messung und manueller Korrektur, mittels
der die visuelle Auswertung den Bedürfnissen des Arztes angepasst
wird, ist sehr beschränkt.
Ein derartiger Workflow ist im klinisch interventionellen Umfeld
inakzeptabel.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, ein Bearbeitungsverfahren für einen Volumendatensatz zu
schaffen, mittels dessen eine erheblich komfortablere Navigation
durch das Gefäß möglich ist.
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Die Aufgabe wird durch ein Bearbeitungsverfahren
mit folgenden Schritten gelöst:
- – Es
wird ein Arbeitspunkt bestimmt,
- – von
einem Rechner werden den Arbeitspunkt enthaltende Schnittebenen
ermittelt,
- – vom
Rechner wird für
jede der Schnittebenen eine in der jeweiligen Schnittebene enthaltene, vom
Gefäß eingeschlossene
Schnittfläche
ermittelt,
- – vom
Rechner wird die Schnittebene mit der minimalen Schnittfläche ermittelt,
und
- – vom
Rechner wird anhand der Schnittebene mit der minimalen Schnittfläche eine
Arbeitsschnittebene ermittelt.
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Denn dadurch verläuft die Arbeitsschnittebene
unabhängig
vom vorgegebenen Pfad stets im wesentlichen senkrecht zur lokalen
Gefäßhauptachse.
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Wenn vom Rechner der Schwerpunkt
der minimalen Schnittfläche
ermittelt wird und anhand des Schwerpunkts innerhalb der Arbeitsschnittebene
ein neuer Arbeitspunkt bestimmt wird, ist der Arbeitspunkt vom Rechner
automatisch zum Schwerpunkt hin korrigierbar. Dabei liegt vorzugsweise
der neu bestimmte Arbeitspunkt zwischen dem alten Arbeitspunkt und
dem Schwerpunkt. Denn durch diese nur teilweise Korrektur ist das
Bearbeitungsverfahren stabiler gegen Rauschen und kleinere Schwankungen
der Gefäßkontur.
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Wenn dem Rechner von einem Anwender Kippbefehle
vorgegeben werden und die Arbeitsschnittebene vom Rechner entsprechend
den vorgegebenen Kippbefehlen um Kippachsen verkippt wird, ist eine
manuelle Nachkorrektur der vom Rechner ermittelten Arbeitsschnittebene
möglich.
Vorzugsweise werden dem Rechner die Kippbefehle dabei über einen
Joystick, eine Maus oder Cursortasten einer Tastatur vorgegeben.
Lediglich der Vollständigkeit
halber sei ferner erwähnt,
dass die Kippachsen vorzugsweise senkrecht zueinander verlaufen.
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Wenn dem Rechner von einem Anwender Verschiebebefehle
vorgegeben werden, der Arbeitspunkt vom Rechner entsprechend den
vorgegebenen Verschiebebefehlen neu bestimmt wird, wobei eine Verbindungslinie
zwischen dem vorherigen Arbeitspunkt und dem neu bestimmten Arbeitspunkt senkrecht
zur Arbeitsschnittebene verläuft,
und vom Rechner die Arbeitsschnittebene entsprechend den in Anspruch
1 angegebenen Schritten neu ermittelt wird, ist es auf einfache
Weise möglich,
durch Verschieben der Arbeitsschnittebene sich durch das Gefäß hindurch
zu arbeiten. Die Verschiebebefehle können dabei analog zur Vorgabe
der Kippbefehle über Cursortasten
einer Tastatur, eine Maus oder einen Joystick vorgegeben werden.
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Wenn vom Rechner eine von einem Projektionszentrum
ausgehende perspektivische Projektion des Volumendatensatzes in
eine Bildebene ermittelt und auf einem Sichtgerät dargestellt wird, ist der
Bedeutungsinhalt des Volumendatensatzes von einem Anwender besonders
einfach und intuitiv begreifbar.
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Der Volumendatensatz ist noch leichter
auswertbar, wenn die Arbeitsschnittebene vom Rechner in der perspektivischen
Projektion mit dargestellt wird.
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Wenn vom Rechner auf dem Sichtgerät auch ein
durch die Arbeitsschnittebene bestimmter Schnitt durch den Volumendatensatz
mit dargestellt wird, ist die Auswertung des Volumendatensatzes
noch einfacher.
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Die Bestimmung des Arbeitspunkts
ist besonders einfach und für
einen Anwender besonders komfortabel, wenn
- ––dem Rechner
von einem Anwender ein Bildpunkt der Bildebene vorgegeben wird,
- – vom
Rechner anhand des Projektionszentrums und des Bildpunktes ein Projektionsstrahl
ermittelt wird,
- – vom
Rechner ein Schnittpunkt des Projektionsstrahles mit dem Gefäß ermittelt
wird und
- – der
Arbeitspunkt vom Rechner anhand des Schnittpunktes bestimmt wird.
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Die Vorgabe des Bildpunkts ist dabei
besonders einfach, wenn er dem Rechner durch Positionieren eines
Cursors und Eingabe eines Bestätigungsbefehls
vorgegeben wird.
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Alternativ zur Vorgabe des Arbeitspunkts durch
einen Anwender ist es auch möglich,
dass vom Rechner für
eine Vielzahl von möglichen
Arbeitspunkten entsprechend den in Anspruch 1 angegebenen Schritten
jeweils die Schnittebene mit minimaler Schnittfläche bestimmt wird, vom Rechner
für jede dieser
minimalen Schnittflächen
ein charakteristischer Wert ermittelt wird und vom Rechner anhand eines
Beurteilungskriteriums für
die charakteristischen Werte einer der möglichen Arbeitspunkte als Arbeitspunkt
bestimmt wird. Der charakteristische Wert kann dabei z. B. das Flächenmaß selbst,
eine Minimalerstreckung oder eine Maximalerstreckung der minimalen
Schnittflächen
sein.
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Vorzugsweise wird derjenige der möglichen Arbeitspunkte
als Arbeitspunkt ermittelt, bei dem der charakteristische Wert der
korrespondierenden minimalen Schnittfläche minimal ist.
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Das Bearbeitungsverfahren kann dadurch noch
verbessert werden, dass vom Rechner die ermittelten charakteristischen
Werte als Funktion des vorläufigen
Arbeitspunktes auf dem Sichtgerät
mit dargestellt werden.
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Die Bestimmung des Arbeitspunktes
kann dabei beschleunigt werden, wenn dem Rechner von einem Anwender
ein Startpunkt und ein Endpunkt derart vorgegeben werden, dass die
minimale Schnittfläche
einer bezüglich
des Startpunkts ermittelten Schnittebene mit dem Gefäß mit minimaler Schnittfläche an einem
anderen Ort angeordnet ist als die minimale Schnittfläche einer
bezüglich
des Endpunkts ermittelten Schnittebene mit dem Gefäß mit minimaler
Schnittfläche
und die möglichen
Arbeitspunkte bezüglich
des Gefäßes zwischen
dem Startpunkt und dem Endpunkt liegen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
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1 einen
Rechner mit seinen wesentlichen Komponenten,
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2 schematisch
eine perspektivische Darstellung eines Volumendatensatzes,
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3 eine
weitere perspektivische Darstellung des Volumendatensatzes,
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4 schematisch
die Bestimmung einer Arbeitsschnittebene,
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5 die
Darstellung von 3 zusammen mit
einer Arbeitsschnittebene,
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6 einen
Ausschnitt von 5,
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7 eine
ergänzende
Darstellung zu 5,
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8 eine
weitere perspektivische Darstellung eines Volumendatensatzes und
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9 einen
funktionalen Verlauf eines charakteristischen Wertes.
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Gemäß 1 weist ein Rechner einen Datenspeicher 1 und
einen Arbeitsspeicher 2 auf, die mit einer Recheneinheit 3 verbunden
sind. Mit der Recheneinheit 3 sind ferner ein Sichtgerät 4,
z. B. ein Monitor 4, sowie Eingabeeinheiten 5 bis 7 verbunden.
Die Eingabeeinheiten 5 bis 7 umfassen beispielsweise
eine Maus 5, einen Joystick 6 und eine Tastatur 7.
Die Tastatur 7 umfasst insbesondere Cursortasten 8.
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Die Recheneinheit 3 arbeitet
ein Computerprogrammprodukt 9 ab, mit dem der Rechner programmiert
ist. Im Rahmen der Abarbeitung des Computerprogrammprodukts 9 greift
die Recheneinheit 3 dabei unter anderem auf den Datenspeicher 1 und den
Arbeitsspeicher 2 zu, nimmt von den Eingabeeinheiten 5 bis 7 Eingaben
entgegen und liefert über
das Sichtgerät 4 Ausgaben.
Die Eingaben erfolgen von einem Anwender 10, die Ausgaben
erfolgen an den Anwender 10.
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Im Datenspeicher 1 ist ein
Volumendatensatz abgespeichert. Der Volumendatensatz weist eine
Vielzahl von Volumendatenelementen 11 auf. Jedem Volumendatenelement 11 sind
drei Koordinaten x, y, z eines Koordinatensystems und ein Datenwert
d zugeordnet. Das Koordinatensystem ist typischerweise ein rechtshändiges,
rechtwinkliges kartesisches Koordinatensystem. Eines der Volumendatenelemente 11 ist
beispielhaft in 2 dargestellt.
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Der Rechner ist in der Lage, eine
zweidimensionale perspektivische Projektion in eine Bildebene 12 zu
ermitteln und auf dem Sichtgerät 4 darzustellen.
Dies ist schematisch in 2 angedeutet.
Die perspektivische Projektion geht dabei von einem Projektionszentrum 13 aus.
Anhand von vom Projektionszentrum 13 ausgehenden Projektionsstrahlen 14 ermittelt
der Rechner für
eine Vielzahl von Bildpunkten 15 die zugehörigen Bilddatenwerte.
Die so ermittelte perspektivische Projektion wird dann auf dem Sichtgerät 4 dargestellt.
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Gemäß 3 beschreibt der Volumendatensatz ein
Gefäßsystem
mit röhrenartigen
Gefäßen 24 und
deren Umgebung 25. Verfahren zum Auffinden der Gefäße 24 in
der Umgebung 25 anhand der Datenwerte d der Volumendatenelemente 11 sind
dabei allgemein bekannt. Ebenfalls bekannt sind Verfahren, mittels
derer das Gefäßsystem
selbst aus der Umgebung 25 hervorhebbar bzw. die Umgebung 25 ausblendbar
ist.
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Vom Anwender 10 wird nun
dem Rechner ein Bildpunkt 15 der Bildebene 12 vorgegeben.
Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass der Anwender 10 einen
Cursor 16 positioniert und dann einen Bestätigungsbefehl
eingibt. Der Cursor 16 kann beispielsweise mittels der
Cursortasten 8 positioniert werden und dann eine Enter-Taste
der Tastatur 7 gedrückt
werden. Alternativ kann der Cursor 16 z.B. mit der Maus 5 positioniert
werden und dann durch Betätigen
einer Maustaste die Position bestätigt werden. In ähnlicher
Weise ist auch eine Positionierung und Bestätigung mittels des Joysticks 6 möglich.
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Das Projektionszentrum 13 und
der ausgewählte
Bildpunkt 15 definieren einen Projektionsstrahl 14.
Der Rechner ermittelt daher anhand des Projektionszentrums 13 und
des Bildpunkts 15 diesen Projektionsstrahl 14 und
verfolgt ihn in das Volumen hinein, bis er auf ein Gefäß 24 trifft.
Wenn der Projektionsstrahl 14 auf ein Gefäß 24 trifft,
entspricht dies einem Schnittpunkt 17 des Projektionsstrahls 14 mit
dem Gefäß 24.
Anhand dieses Schnittpunkts 17 wird dann vom Rechner ein
Arbeitspunkt 18 bestimmt. Der Arbeitspunkt 18 kann
dabei insbesondere mit dem Schnittpunkt 17 identisch sein.
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Ausgehend vom Arbeitspunkt 18 bestimmt der
Rechner nunmehr eine Vielzahl von Richtungen innerhalb einer Halbkugel.
Ein Teil dieser Richtungen ist beispielhaft in 4 eingezeichnet. Sodann bestimmt der
Rechner die zu den Richtungen senkrechten Schnittebenen durch den
Arbeitspunkt 18. Für jede
dieser Schnittebenen ermittelt der Rechner dann eine Schnittfläche. Die
Schnittfläche
ist dabei dadurch definiert, dass sie in der jeweiligen Schnittebene
enthalten ist und vom Gefäß 24 eingeschlossen ist.
Durch Vergleich der Schnittflächen
miteinander ermittelt der Rechner dann eine Arbeitsschnittebene 19.
Die Arbeitsschnittebene 19 ist dabei diejenige der Schnittebenen,
welche die minimale Schnittfläche aufweist.
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In der Praxis hat es sich als hinreichend
genau erwiesen, die einzelnen Richtungen, bezüglich derer die Schnittebenen
ermittelt werden, wie folgt festzulegen: Eine Richtung verläuft parallel
zur z-Achse. Vier Richtungen schließen mit der z-Achse einen Winkel
vom 22,5° ein
und sind auf einem so definierten Kreisring gleich verteilt. Acht
Richtungen schließen
mit der z-Achse einen Winkel von 45° ein und sind auf einem so definierten
Kreisring ebenfalls gleich verteilt. Gleiches gilt bezüglich zwölf Richtungen,
die mit der z-Achse einen Winkel von 67,5° einschließen. Ebenso sind sechzehn Rich tungsvektoren,
die senkrecht zur z-Achse verlaufen, jeweils um 22,5° in der xy-Ebene
gegeneinander versetzt.
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Mittels diesen Richtungsvektoren
wird im Regelfall mit hinreichender Genauigkeit die Arbeitsschnittebene 19 ermittelt.
Gegebenenfalls kann aber auch in einem zweiten Durchlauf eine genauere
Optimierung erfolgen.
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Der aufgrund der Vorgabe des Bildpunktes 15 ermittelte
Arbeitspunkt 18 liegt in der Regel am Rand des Gefäßes 24.
Um diesen Arbeitspunkt 18 besser zu zentrieren, wird vom
Rechner der Schwerpunkt 20 der minimalen Schnittfläche ermittelt.
Anhand des Schwerpunkts 20 wird dann vom Rechner innerhalb
der Arbeitsschnittebene 19 ein neuer Arbeitspunkt 18' bestimmt.
Dabei liegt aus Stabilitätsgründen vorzugsweise
der neu bestimmte Arbeitspunkt 18' zwischen dem alten Arbeitspunkt 18 und dem
Schwerpunkt 20.
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Wie aus der Darstellung gemäß 5 hervorgeht, wird die Arbeitsschnittebene 19 vom
Rechner in der perspektivischen Projektion mit dargestellt. In 5 sind ferner zwei Richtungspfeile 21 eingezeichnet.
Diese Richtungspfeile 21 verlaufen senkrecht zur Arbeitsschnittebene 19.
In die durch die Richtungspfeile 21 angegebenen Richtungen
kann die Arbeitsschnittebene 19 verschoben werden. Dies geschieht
wie folgt:
Dem Rechner wird vom Anwender 10 ein Verschiebebefehl
vorgegeben. Die Vorgabe des Verschiebebefehls erfolgt dabei wahlweise
durch die Cursortasten 8, die Maus 5 oder – vorzugsweise – über den Joystick 6.
Eine Eingabe eines Bestätigungsbefehls ist
möglich,
aber nicht zwingend erforderlich.
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Aufgrund des Verschiebebefehls bestimmt der
Rechner – je
nach Verschieberichtung – einen neuen
Arbeitspunkt 18. Eine Verbindungslinie zwischen dem vorherigen
Arbeitspunkt 18 bzw. 18' und dem neu bestimmten
Arbeitspunkt 18 verläuft
dabei entlang der Richtungspfeile 21, also senkrecht zur Arbeitsschnittebene 19.
Für den
nunmehr neu bestimmten Arbeitspunkt
18 wird erneut entsprechend dem
in Verbindung mit 4 erläuterten
Verfahren die Arbeitsschnittebene 19 bestimmt. Auch hierbei wird
gegebenenfalls wieder der Arbeitspunkt 18 auf den Schwerpunkt 20 der
neu ermittelten minimalen Schnittfläche zu verschoben. Dadurch
nähert
sich der Arbeitspunkt 18 nach und nach der Gefäßhauptachse.
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Wie besonders deutlich aus 6 ersichtlich ist, ist die
Arbeitsschnittebene 19 um Kippachsen 22, 23 kippbar.
Die Kippachsen 22, 23 schneiden sich dabei in
einem rechten Winkel im Arbeitspunkt 18. Die in 6 dargestellten Kippachsen 22, 23 werden dabei
vorzugsweise nur dann eingeblendet, wenn der Anwender 20 dem
Rechner einen Kippwunsch anzeigt. Das Anzeigen eines Kippwunsches
kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Anwender 10 einen
bestimmten Vorbefehl eingibt. Betätigt der Anwender 10 beispielsweise
eine bestimmte Taste der Maus 5, des Joysticks 6 oder
der Tastatur 7, so wird dies vom Rechner dahingehend interpretiert, dass
eine nachfolgende Betätigung
der Cursortasten 8, der Maus 5 oder des Joysticks 6 nicht
zur Verschiebung der Arbeitsschnittebene 19 herangezogen werden
soll, sondern zu deren Verkippung. Auch die Kippbefehle selbst werden
dem Rechner daher vom Anwender 10 über den Joystick 6,
die Maus 5 oder die Cursortasten 8 der Tastatur 7 vorgegeben.
Entsprechend den vorgegebenen Kippbefehlen verkippt der Rechner
dann die Arbeitsschnittebene 19 um die Kippachsen 22, 23.
Ein Verschieben des Arbeitspunktes 18 nach einem Verkippen
der Arbeitsschnittebene 19 findet aber nicht statt.
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Wie aus 7 ersichtlich ist, kann zusammen mit
der perspektivischen Projektion vom Rechner auf dem Sichtgerät 4 auch
ein Schnitt durch den Volumendatensatz mit dargestellt werden, der
durch die Arbeitsschnittebene 19 bestimmt ist. Diese Darstellung
zeigt dabei vorzugsweise nicht nur das Gefäß 24 selbst, sondern
auch dessen Umgebung 25. Ferner sind in diesen Darstellungen
vorzugsweise ein minimaler Radius 26 und ein maximaler
Radius 27 zum Gefäß 24 eingezeichnet.
Die Radien 26, 27 gehen dabei vom Schwerpunkt 20 aus.
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Bei dem oben stehend beschriebenen
Bearbeitungsverfahren wird der Arbeitspunkt 18 vom Rechner
aufgrund einer eindeutigen Vorgabe durch den Benutzer 10 bestimmt.
Der Arbeitspunkt 18 wird zwar gegebenenfalls nochmals innerhalb
der aufgefundenen Arbeitsschnittebene 19 korrigiert, nicht aber
vom Rechner selbsttätig
ermittelt. Es ist aber auch möglich,
dass der Rechner den Arbeitspunkt 18 ausschließlich anhand
des Gefäßes 24 selbst
ermittelt. Dies wird nachstehend in Verbindung mit 8 näher
erläutert.
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Gemäß 8 werden dem Rechner vom Anwender 10 zunächst ein
Startpunkt 28 und ein Endpunkt 29 vorgegeben.
Bezüglich
dieser beiden Punkte 28, 29 ermittelt der Rechner
dann eine Startschnittebene 30 und eine Endschnittebene 31.
Ferner korrigiert er innerhalb der Startschnittebene 30 den Startpunkt 28 in
Richtung des Schwerpunkts der Schnittfläche der ermittelten Startschnittebene 30 mit dem
Gefäß 24.
Ebenso korrigiert er den Endpunkt 29 in Richtung auf den
Schwerpunkt der Schnittfläche der
Endschnittebene 31 mit dem Gefäß 24 zu. Die Vorgabe
des Startpunkts 28, die Ermittlung der Startschnittebene 30 sowie
die Korrektur des Startpunkts 28 innerhalb der Startschnittebene 30 erfolgen
völlig analog
zur Vorgabe des Arbeitspunkts 18, dem Bestimmen der Arbeitsschnittebene 19 und
der Korrektur des Arbeitspunkts 18 gemäß 4. Die Startschnittebene 30 weist
somit bezüglich
des Startpunkts 28 die minimale Schnittfläche mit
dem Gefäß 24 auf.
Gleiches gilt für
die Endschnittebene 31 und den Endpunkt 29. Die
minimalen Schnittflächen
dieser Ebenen 30, 31 sind gemäß 8 ersichtlich an voneinander verschiedenen
Orten angeordnet. Durch die Vorgabe von Startpunkt 28 und
Endpunkt 29 wird somit ein Bereich des Gefäßsystems
vorselektiert. Innerhalb dieses Bereichs wird dann vom Rechner selbsttätig der
Arbeitspunkt 18 ermittelt.
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Wie in 8 durch
Pfeile 32 schematisch angedeutet ist, werden vom Rechner
innerhalb dieses Bereichs nacheinander eine Vielzahl von möglichen
Arbeitspunkten und für
jeden dieser möglichen Arbeitspunkte
entsprechend dem in Verbindung mit 4 beschriebenen
Verfahren die korrespondierende mögliche Arbeitsschnittebene
bestimmt. Die möglichen
Arbeitspunkte liegen also bezüglich
des Gefäßes 24 zwischen
dem Startpunkt 28 und dem Endpunkt 29.
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Auch wird jeweils die Schnittebene
mit minimaler Schnittfläche
bestimmt. Für
jede dieser minimalen Schnittflächen
ermittelt der Rechner einen charakteristischen Wert. Der charakteristische
Wert kann beispielsweise die Größe der Schnittfläche selbst
sein. Alternativ kann sie auch mit einem der Radien 26, 27 für die jeweilige
Schnittfläche
korrespondieren. Anhand eines Beurteilungskriteriums für die charakteristischen
Werte ermittelt der Rechner dann einen der möglichen Arbeitspunkte als Arbeitspunkt 18.
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Das Bearbeitungsverfahren wird im
medizinischen Bereich vorzugsweise zum Auffinden und Diagnostizieren
von Stenosen, also Gefäßverengungen, verwendet.
Vorzugsweise wird daher derjenige der möglichen Arbeitspunkte als Arbeitspunkt 18 ermittelt,
bei dem der charakteristische Wert der korrespondierenden minimalen
Schnittfläche
selbst wiederum minimal ist.
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Wie in 9 schematisch
dargestellt ist, können
die ermittelten charakteristischen Werte vom Rechner als Funktion
des vorläufigen
Arbeitspunktes auf dem Sichtgerät 4 mit
dargestellt werden. Vorzugsweise wird dabei der tatsächliche
Arbeitspunkt 18 durch eine Markierung 33 hervorgehoben.
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Mittels des vorstehend beschriebenen
Bearbeitungsverfahrens ist somit auf einfache Weise eine automatische
Bestimmung der lokalen Gefäßorientierung
(Gefäßachse)
trotz Vorgabe nur eines einzigen Punktes, nämlich des Schnittpunktes 17 eines Projektionsstrahls 14 mit
dem Gefäß 24,
bestimmbar. Dadurch kann die Benutzerschnittstelle zum Anwender 10 erheblich
ver einfacht werden. Insbesondere kann halbautomatisch (interaktiv)
oder sogar vollautomatisch auf einfache Weise eine Stenose ermittelt und
dargestellt werden. Auch ein Navigieren vor und zurück ist erheblich
vereinfacht. Sogar eine Korrektur der Arbeitsschnittebene 19 durch
Verkippen um die Kippachsen 22, 23 ist auf einfache
Weise möglich. Insbesondere
die Akzeptanz eines derartigen rechnergestützten Bearbeitungsverfahrens
im klinischen Umfeld kann dadurch erheblich vergrößert werden.