Curved planar reformation for vessel visualization

Abstract

The main focus of this work is the clinical relevant visualization of vascular structures form computed tomography angiography data. Different methods for visualizing the vessel lumen by means of curved planar reformation are proposed. The appropriate center line extraction for the vessel is discussed. In addition to that a complex volumetric data set is presented and evaluated by different visualization algorithms. Based on the deduced central axis different visualization techniques are proposed. One way to display tubular structures for diagnostic purposes is to generate longitudinal cross-sections in order to show their lumen, wall, and surrounding tissue in a curved plane. This process is called curved planar reformation(CPR). Three different methods to generate CPR images are described: Projected CPR, stretched CPR, and straightened CPR. A tube-phantom was scanned with Computed Tomography (CT) to illustrate the properties of the different CPR methods. Targeting the drawbacks of visualizing tubular structures using CPRs three enhancements to the basic methods are introduced. The thick-CPR method improves the tolerance of imprecise vessel centerlines. A rotating-CPR covers the complete vessel cross section. The multi-path-CPR displays entire vascular trees. A further improvement of CPR techniques is accomplished by the relaxation of spatial coherence. Two advanced methods for efficient vessel visualization, based on the concept of CPR, are introduced. A helical CPR visualizes the interior of a vessel in a single image. The curved plane extraction is no longer based on a generating line, but on two interleaved spirals. Furthermore, a method to display an entire vascular tree without mutually occluding vessels is presented. Minimal rotations at the bifurcations avoid occlusions. The final part of this work reports on using computed tomography as a model acquisition tool for complex objects in computer graphics. For demonstration purposes a Christmas tree is scanned.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die klinisch relevante Visualisierung von kontrastierten Blutgefäßen in Computer-Tomographie-Angiograpie-Daten. Verschiedene Methoden zur Darstellung des Gefäßquerschnittes durch Curved Planar Reformation (CPR) werden vorgeschlagen. Ein robustes Verfahren zur Extraktion der Gefäßzentralachse wird erläutert. Des weiteren werden verschiedene Visualisierungs-Algorithmen anhand eines komplexen Volumsdatensatz untersucht. Basierend auf der abgeleiteten Gefäßachse werden verschiedene Visualisierungsansätze vorgeschlagen. Eine Möglichkeit röhrenartige Strukturen darzustellen ist die Extraktion und Darstellung einer längsverlaufenden Schnittebene entlang der Zentralachse. Dadurch werden Durchmesser (z.B. das Gefäßlumen) und mögliche Anomalien(z.B. Verkalkungen) in dieser Schnittebene sichtbar. Dieses Verfahren wird als Curved Planar Reformation (CPR) bezeichnet. Es werden drei CPR-Methoden beschrieben: die Projizierende CPR, die Gestreckte CPR und die Ausgerichtete CPR. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Darstellungen werden anhand eines Phantom Datensatzes gezeigt. Schwachpunkte des CPR Verfahrens konnten durch die Einführung von Erweiterungen verbessert werden. Die Schicht CPR erhöht die Toleranz gegenüber ungenauen Gefäßachsen. Mittels rotierbarer CPR kann der gesamte Querschnitt des Gefäßes erfasst werden. Die Multiple Gefäß CPR erlaubt die Darstellung ganzer Gefäßbäume. Eine weitere Verbesserung des CPR Verfahrens kann durch die Auflösung räumlicher Beziehungen erreicht werden. Es werden zwei neue CPR Methoden vorgestellt, welche dadurch eine effiziente Darstellung von Gefäßen erlauben. Die Spiralförmige CPR stellt das gesamte Gefäßvolumen in einem einzelnen Bild dar. Die Extraktion der Schnittebene basiert nicht mehr auf einer erzeugenden Geraden sondern auf zwei ineinander verschachtelten Spiralen. Die zweite Methode bietet die Möglichkeit den gesamten Gefäßbaum überschneidungsfrei darzustellen. Dies wird durch geringe Rotationen an den Bifurkationen realisiert. Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der generellen Akquisition komplexer Strukturen mittels Computer Tomographie. Die Vorteile dieses Modellierungsverfahren werden anhand eines Christbaum Modells demonstriert, welches die Charakteristika eines komplexen Objektes erfüllt.