For internal use only / © Siemens AG 2010. All rights reserved. Effiziente Darstellung von Konturdaten zur Visualisierung von Gefäßstrukturen in CT-Daten.

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1 For internal use only / © Siemens AG 2010. All rights reserved. Effiziente Darstellung von Konturdaten zur Visualisierung von Gefäßstrukturen in CT-Daten Diplomverteidigung Martin Miethe Dresden, 02.09.2010 Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ Fakultät Informatik Institut für Software- und Multimediatechnik, Professur für Computergraphik und Visualisierung

2 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 2 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Gliederung Motivation und Anforderung Verwandte Arbeiten Problematiken Entwurf und Realisierung Ergebnisse und Anwendungen Ausblick Vorführung Oberflächennetze

3 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 3 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Motivation der Gefäßvisualisierung Diagnose von Erkrankungen des Blutkreislaufsystems o Hervorhebung von Pathologien Unterstützung bei der Planung von chirurgischen Eingriffen, beispielsweise einer Leberresektion o Untersuchung der Gefäßtopologie Segmentierung der Blutgefäße ist notwendig für o Vermessung und Extraktion der Gefäßgeometrien o Ermittlung der Gefäßtopologie Leberblutgefäßbaum Arterielles Blutgefäßsystem mit Aneurysma

4 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 4 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Anforderung an die Gefäßvisualisierung Vermeidung von inneren Geometrien Schließung der Gefäßenden Arterielles Blutgefäßsystem Exakte Darstellung der segmentierten Gefäßgeometrie Möglichkeit der farblichen Hervorhebung von pathologischen Veränderungen Leberblutgefäßbaum Natürlich und organisch wirkende Darstellung der Gefäßoberfläche Möglichkeit zur Glättung des Gefäßverlaufs und Gefäßradien

5 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 5 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Verwandte Arbeiten Voxel-basierte Visualisierungsverfahren Marching Cube [1] und Multi-level Partition of Unity Implicits [2] Gefäß-Modell-basierte Visualisierungsverfahren Verwendung von Primitiven wie Zylindern [3] oder Kegelstümpfen [4] zur Gefäßvisualisierung Subdivision Surfaces [5] Convolution Surfaces [6] Simplex Meshes [7] MPU Implicits [8] Gefäßvisualisierung mit Kegelstümpfen [9] Convolution Surfaces [9]

6 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 6 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Gefäß-Modell Gefäß-Modell speichert in einer Graph-Struktur o geordnete Listen von Stützstellen zur Beschreibung der Centerlines o zu jeder Stützstelle lokale Gefäßkonturinformationen (Gefäßquerschnitte) Arterielles Blutgefäßsystem -Konturpunkte zur Beschreibung des Gefäßquerschnittes Leberblutgefäßbaum -Lokaler Radius Centerline-Datenstruktur Arterielles Blutgefäßsystem Gefäßquerschnitt arterielles Blutgefäßsystem

7 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 7 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Problematiken Überschneidung von Gefäßoberflächenabschnitten im Verzweigungsbereich Sich paarweise schneidende Gefäßquerschnitte entlang eines Gefäßabschnitts

8 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 8 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Entwurf Erzeugung eines Oberflächennetzes aus einem Gefäß-Modell Vermeidung von inneren Geometrien durch Volumenmodellierung o Beschreibung komplexer Objekte als Volumen o Anwendung von booleschen Operatoren Anwendung eines booleschen Vereinigungsoperator Lösungsansatz

9 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 9 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Entwurf Volumenmodellierung nur im Verzweigungsbereich Vorverarbeitung für Oberflächennetzgenerierung o Behandlung von sich schneidenden Querschnitten o Ermittlung der Verzweigungsbereiche Nachbearbeitung: Berechnung der Oberflächennormalen Verarbeitungspipeline

10 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 10 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Entwurf Nicht-verzweigte Gefäßabschnitte Generierung von Oberflächennetzen zwischen benachbarten Querschnitten mit Triangle Strip Sets (TSS) Schließung der Gefäßenden mit planaren Flächen Generierung des Oberflächennetzes Schema zur Oberflächennetzerzeugung für nicht-verzweigte Bereiche Oberflächennetz eines Gefäßendes

11 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 11 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Entwurf Identifizierung mit mehrstufigen Querschnitt-Querschnitt-Schnitttest (QQ-Schnitttest) Schnitttest zwischen jeweils zwei Querschnitten entlang eines Gefäßabschnittes Identifizierung sich schneidender Querschnitte

12 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 12 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Entwurf Entfernung sich schneidender Querschnitte mittels Greedy-Algorithmus o Basiert auf ungerichteten Graphen Knoten entsprechen den Gefäßquerschnitten Kanten verbinden sich schneidende Querschnitte Behandlung sich schneidender Querschnitte Ausgangssituation Sequentielles Entfernen paarweise schneidender Querschnitte Greedy-Algorithmus

13 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 13 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Entwurf Funktionsweise des Greedy-Algorithmus Knoten zum Graphen hinzufügen Kanten zwischen sich schneidenden Querschnitten hinzufügen o Identifizierung mit QQ-Schnitttest Entfernung der Knoten mit höchster Anzahl anliegender Kanten Wiederholung der Knotenentfernung, bis der Graph keine Kanten mehr enthält Behandlung sich schneidender Querschnitte Überschneidungsgraph des Greedy-Algorithmus

14 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 14 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Entwurf Verzweigungsbereich mit Kugel-Kugel-Schnitttest identifizieren o Approximation der Querschnitte durch Kugeln o Alle Querschnitte der angrenzenden Gefäßabschnitte werden gegeneinander getestet Identifizierung eines Verzweigungsbereichs Identifizierter Verzweigungsbereich blau hervorgehoben

15 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 15 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Entwurf Volumenmodellierung Definition der Gefäßabschnitte als Volumen o Erzeugung eines geschlossenen Oberflächennetz Zusammenfügen der Oberflächennetze mit booleschem Vereinigungsoperator o Entfernung der inneren Geometrien Öffnen der Gefäßenden im Verzweigungsbereich Generierung des Oberflächennetzes Definition und Zusammenfügen der Gefäßvolumen Vereinigtes Oberflächennetz mit offnen Gefäßenden

16 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 16 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Entwurf Berechnung einer Oberflächennormale für jeden Knoten Nicht-verzweigte Bereiche Berechnung aus den Querschnittspunkten Verzweigungsbereich Mittelung der Normalen der anliegenden Dreiecke Gleiche Richtung der Oberflächennormalen an Übergängen zwischen verzweigten und nicht-verzweigten Bereichen Berechnung der Oberflächennormalen Oberflächennetz ohne Anpassung der Oberflächennormalen Oberflächennetz mit Anpassung der Oberflächennormalen

17 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 17 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Entwurf Anwendung nur bei Leberblutgefäßbaum Glättung der Gefäßverlaufs mit Gauß-Filter o Für jeden Centerline-Punkt wird eine neue Position berechnet Grad der Glättung kann variiert werden durch o Standardabweichung der Gauß- Funktion o Größe der Umgebung o Anzahl an Wiederholungen Glättung des Gefäßverlaufs Schema Gefäßverlaufsglättung

18 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 18 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Entwurf Gefäßverlaufsglättung über Verzweigungspunkt hinweg o organisch wirkende Gefäßverzweigungen o Geringe Verschiebung des Verzweigungspunkts Glättung des Gefäßverlaufs

19 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 19 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Entwurf Glättung der Gefäßradien mit Gauß-Filter o Für jeden Centerline-Punkt wird ein neuer Radius berechnet o analog zur Gefäßverlaufsglättung Glättung der Gefäßradien

20 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 20 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Realisierung Umsetzung des Visualisierungsverfahrens mit der Entwicklungsumgebung MeVisLab 3D-Visualisierung mit Open Inventor Grafikbibliothek Verwendung der Open Source Bibliothek CGAL für Volumenmodellierung Programmierwerkzeuge Implementiertes MeVisLab-Modul

21 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 21 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Realisierung Erzeugung eines Open Inventor Szenengraphen Jeweils ein Indexed Triangle Strip Set Knoten für ein nicht-verzweigten Gefäßabschnitt Berechnung des Oberflächennetzes im Verzweigungsbereich mittels CGAL o Konvertierung der Oberflächennetze für das Einfügen in den Szenengraphen Darstellung des Oberflächennetzes Nahansicht des Verzweigungsinneren Innenansicht Gefäßverzweigung

22 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 22 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Ergebnisse Arterielles Blutgefäß- system Leberblut- gefäßbaum Anzahl Gefäßabschnitte26164 Anzahl Querschnitten3565132 Anzahl Querschnittspunkte 8301112363 Rechenzeit Dateneinlesen (s) 0,5570,797 Rechenzeit Oberflächen- netzerzeugung (mm:ss) 28:1612:10 Anzahl der Dreiecke20985219527

23 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 23 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Anwendungen der Gefäßvisualisierung Leberblutgefäßsystem Hervorhebung der Blutgefäßsysteme Arterielles Blutgefäßsystem Einfärbung der Abweichungen des minimalen und maximalen Radius jedes Gefäßquerschnitts vom statistischen Referenzmodell

24 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 24 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Ausblick Netzvereinfachung nach jeder Anwendung des booleschen Vereinigungsoperator Parallelisierung der Oberflächennetzerzeugung im Verzweigungsbereich

25 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 25 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Vorführung Oberflächennetze

26 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 26 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Quellen [1]LORENSEN,William E. ; CLINE, Harvey E.: Marching cubes: A high resolution 3D surface construction algorithm. In: SIGGRAPH Computer Graphics 21 (1987), Nr. 4, S. 163–169 [2]SCHUMANN, Christian ; OELTZE, Steffen ; BADE, Ragnar ; PREIM, Bernhard: Visualisierung von Gefäßsystemen mit MPU Implicits. In: Bildverarbeitung für die Medizin, Springer, 2007 (Informatik Aktuell), S. 207–211 [3]GERIG, Guido ; KOLLER, Thomas ; SZÉKELY, Gábor ; BRECHBÜHLER, Christian ; KÜBLER, Olaf: Symbolic Description of 3-D Structures Applied to Cerebral Vessel Tree Obtained from MR Angiography Volume Data. In: IPMI 93: Proceedings of the 13th International Conference on Information Processing in Medical Imaging. London, UK : Springer-Verlag, 1993, S. 94–111 [4]HAHN, Horst K. ; PREIM, Bernhard ; SELLE, Dirk ; PEITGEN, Heinz O.: Visualization and interaction techniques for the exploration of vascular structures. In: VIS 01: Proceedings of the conference on Visualization. Washington, DC, USA : IEEE Computer Society, 2001, S. 395–402

27 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 27 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved. Quellen [5]FELKEL, Petr ; WEGENKITTL, Rainer ; BUHLER, Katja: Surface Models of Tube Trees. In: CGI 04: Proceedings of the Computer Graphics International. Washington, DC, USA : IEEE Computer Society, 2004, S. 70–77 [6]OELTZE, Steffen ; PREIM, Bernhard: Visualization of vasculature with convolution surfaces: method, validation and evaluation. In: IEEE Trans. Med. Imaging 24 (2005), Nr. 4, S. 540–548 [7]BORNIK, Alexander ; REITINGER, Bernhard ; BEICHEL, Reinhard: Simplex-Mesh Based Surface Reconstruction and Representation of Tubular Structures. In: Bildverarbeitung für die Medizin, Springer, 2005 (Informatik Aktuell), S.143-147 [8]SCHUMANN, Christian: Visualisierung baumartiger anatomischer Strukturen mit MPU Implicits, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Masters thesis, 2006. [9]OELTZE, Steffen: Visualisierung baumartiger anatomischer Strukturen mit Convolution Surfaces, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Masters thesis, 2004. [10] DELAUNAY, Boris N.: Sur la sphère vide. In: Bulletin of Academy of Sciences of the USSR (1934), Nr. 6, S. 793–800

28 TU Dresden, 2.9.2010 Folie 28 von 28 For internal use only © Siemens AG 2010. All rights reserved.