Dreidimensionale Visualisierung und morphologische Analyse der tubul ̈aren Struktur der Lunge

Abstract

Die interaktive Visualisierung von tubulären Verzweigungsstrukturen wird in zahlreichen medizinischen Anwendungen gefordert, zum Beispiel im Bereich der Diagnose, der Planung von operativen Eingriffen oder der radiologischen und anatomischen Ausbildung. Moderne bildgebende Verfahren wie die hochauflösende Computertomografie (HRCT) erlauben die nichtinvasive Erforschung komplexer Geometrien wie Blutgefäßsystemen oder hochstrukturierten Organen, etwa Leber und Lunge. Diese Arbeit befasst sich mit der Repräsentation des Bronchialbaums der Lunge in silico, mit einem Schwerpunkt auf der Erfassung morphologischer Parameter und der Visualisierung dynamischer Daten aus numerischen Simulationen.

HRCT-Scans von präparierten Ausgussmodellen oder in vivo Lungen liefern dreidimensionale Daten mit einer Auflösung im Millimeterbereich. Durch eine Reihe bildverarbeitender Techniken werden diese Daten in eine Graphenstruktur überführt, welche die Geometrie des Verzweigungsbaums repräsentiert. Diese Datenstruktur erlaubt eine automatisierte Erfassung morphometrischer Daten, z.B. mittlere Längen und Durchmesser in einer gegebenen Tiefe des Baumes. Außerdem ist eine numerische Simulation des Atmungsvorgangs auf Grundlage der Graphenstruktur möglich. Auf Basis dieser Daten wurde in der vorliegenden Arbeit eine Software-Applikation entworfen, die es erlaubt, Bronchialbäume als 3D-Oberflächenmodelle in verschiedenen Detail- und Abstrahierungsgraden darzustellen. Im Basismodell wird jeder Bronchus durch ein einzelnes konisches Segment approximiert; in einem erweiterten Modell wird eine hohe räumliche Auflösung erreicht, indem alle verfügbaren Daten zum Astdurchmesser verwendet werden und jeder einzelne Bronchus durch eine Vielzahl verketteter konischer Segmente modelliert wird (Die Datenstrukturen der beiden Modelle sind identisch). In allen Fälle kann jedes Segment individuell identifiziert und visualisiert werden; dies ermöglicht die Darstellung farbkodierter Ergebnisse aus der numerischen Simulation sowie die interaktive Selektion beliebiger Teile des Baums. Morphologische Parameter aller Segmente können extrahiert, gruppiert und zur weiteren Analyse exportiert werden. Die Applikation wurde in C++ und OpenGL implementiert und ist unter Windows und auf Unix-Systemen lauffähig. Sie wurde im Hinblick auf eine Echtzeitdarstellung auf nicht-spezialisierter Hardware entworfen, wie man sie in heutigen PCs vorfindet.