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A. Kanitsar:
"Curved Planar Reformation for Vessel Visualization";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): E. Gröller; Institut für Computergraphik und Algorithmen, 2004.

Die Einf¨uhrung hoch aufl¨osender Computer Tomographen erlaubt die Akquisition
immer feinerer anatomische Details. Dadurch werden neue Untersuchungsmethoden
erm¨oglicht. Die Erfassung von Gef¨aßstrukturen mittels
Computer Tomographie, genannt Computer Tomographie Angiographie (CTA),
ist eine der wichtigsten Anwendungen dieser neuen Verfahren. Die rasante Entwicklung
im Bereich der Akquisitionstechniken erlaubt hoch qualitative und
nahezu isotropische Daten in sehr kurzer Aufnahmedauer (40-70s). Die anschließende
Befundung der Schichtbilder (bis zu 1500 Einzelbilder!) ist jedoch
langwierig. Dies bedeutet, dass die Nachbearbeitung der akquirierten Daten
zum limitierenden Faktor in der klinischen Routine wurde. Computer unterst
¨utzte Nachbearbeitung und Visualisierung wird daher zu einem integralen
Bestandteil dieser Anwendungen.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die klinisch relevante Visualisierung von
kontrastierten Blutgef¨aßen in Computer-Tomographie-Angiograpie-Daten. Verschiedene
Methoden zur Darstellung des Gef¨aßquerschnittes durch Curved Planar
Reformation (CPR) werden vorgeschlagen. Ein robustes Verfahren zur Extraktion
der Gef¨aßzentralachse wird erl¨autert. Des weiteren werden verschiedene
Visualisierungs-Algorithmen anhand eines komplexen Volumsdatensatz untersucht.
Einf¨uhrend werden Untersuchungsverfahren großer Bildserien aus CTA Untersuchungen
der unteren Extremit¨aten vorgestellt. Zwei verschiedene Ans¨atze
zur Diagnose von Gef¨aßanomalien peripherer Gef¨aße (Stenosen, Verschl¨usse,
Aneurysmen und Verkalkungen) werden vorgestellt. Ein semi-automatisches
Verfahren zur Berechnung der Gef¨aßzentralachse wird pr¨asentiert. Weiters
wird eine interaktive Segmentierungsmethode f¨ur die Detektion von Knochen
vorgeschlagen.
Basierend auf der abgeleiteten Gef¨aßachse werden verschiedene Visualisierungsans
¨atze vorgeschlagen. Eine M¨oglichkeit r¨ohrenartige Strukturen
darzustellen ist die Extraktion und Darstellung einer l¨angsverlaufenden Schnittebene
entlang der Zentralachse. Dadurch werden Durchmesser (z.B. das
Gef¨aßlumen) und m¨ogliche 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 Einf¨uhrung von Erweiterungen
verbessert werden. Die Schicht CPR erh¨oht die Toleranz gegen¨uber
ungenauen Gef¨aßachsen. Mittels rotierbarer CPR kann der gesamte Querschnitt
des Gef¨aßes erfasst werden. Die Multiple Gef¨aß CPR erlaubt die Darstellung
ganzer Gef¨aßb¨aume.
Eine weitere Verbesserung des CPR Verfahrens kann durch die Aufl¨osung
r¨aumlicher Beziehungen erreicht werden. Es werden zwei neue CPR Methoden
vorgestellt, welche dadurch eine effiziente Darstellung von Gef¨aßen erlauben.
Die Spiralf¨ormige CPR stellt das gesamte Gef¨aßvolumen 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 M¨oglichkeit den gesamten Gef¨aßbaum ¨uberschneidungsfrei
darzustellen. Dies wird durch geringe Rotationen an den Bifurkationen realisiert.
Die ben¨otigte Deformation wird durch ein rekursives Verfahren bestimmt.
Der letzte Teil dieser Arbeit besch¨aftigt sich mit der generellen Akquisition
komplexer Strukturen mittels Computer Tomographie. Im Gegensatz zu
herk¨ommlichen Modellierungs- und Aufnahmeverfahren ist die geometrische
Komplexit¨at des untersuchten Gegenstandes irrelevant. Hohlr¨aume, L¨ocher,
verschachtelte Strukturen und Oberfl¨achendetails werden korrekt abgebildet.
Lediglich die, sich stetig verbessernde, Aufl¨osung des Computer Tomographen
stellt eine nat¨urliche Einschr¨ankung hinsichtlich der Qualit¨at der akquirierten
Daten dar. Die Vorteile dieses Modellierungsverfahren werden anhand eines
Christbaum Modells demonstriert, welches die Charakteristika eines komplexen
Objektes erf¨ullt. Die Anwendung von bestehenden Volumsvisualisierungstechniken
auf diesen Datensatz ist unmittelbar m¨oglich. Unter anderem wird an
diesem Datensatz die Robustheit der CPR Darstellungen demonstriert.

With the introduction of high-resolution computed tomography modalities the
acquisition of fine anatomical details is made possible. This allows new investigation
procedures. The coverage of vascular structures using computed
tomography, i.e. computed tomography angiography (CTA), is one of the most
important applications in this area. Recent developments in the field of acquisition
techniques provide high-quality, near isotropic data within small acquisition
times (40-70s). The subsequent evaluation of the cross-sectional images
(up to 1500 images!) is a time-consuming process. Therefore post-processing of
acquired data was found out to be the bottleneck in the clinical routine. Computer
aided post-processing and visualization becomes an essential part of this
application.
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.
Investigation methods of large image sequences of the lower extremities are
discussed. Two different approaches for peripheral vessel diagnosis dealing with
stenosis and calcification detection are introduced. A semi-automated vesseltracking
tool for centerline extraction and an interactive segmentation tool for
bone removal is discussed.
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. For each
viewing direction the entire vessel structure is visible. The estimation of the
necessary deformation is done in a recursive manner.
The final part of this work reports on using computed tomography as a model acquisition tool for complex objects in computer graphics. Unlike other
modeling and scanning techniques the complexity of the object is irrelevant in
CT, which naturally enables to model objects with, for example, concavities,
holes, twists or fine surface details. The only limitation of this technique is the
steadily increasing resolution of computed tomography modalities. For demonstration
purposes a Christmas tree is scanned. It exhibits high complexity which
is difficult or even impossible to handle with other techniques. The application
of existing volume visualization methods is straight forward. The robustness of
CPR techniques is demonstrated on this dataset.

http://www.cg.tuwien.ac.at/research/theses/#finished