专利名称：三维成像装置、可视化方法及操作检查设备和定位的方法
技术领域：
本发明涉及一种在三维数据组可视化中定向的输入装置以及一种用于可视化三维数据组数据点的方法，本发明还涉及一种用于显示这种可视化三维数据组的显示装置，此外还涉及一种用于操作成像医学检查设备的方法以及一种图形定位预测量三维数据组中的、借助于成像医学检查设备待测量的层的方法。
背景技术：
利用现代计算机不断增强的计算能力对三维数据组进行纪录、显示和处理非常重要，因为现在也能够对于更高数据密度的空间数据、即更高分辨率的数据进行记录、显示和处理。正是在现代成像医学检查设备中，这种设备发展中的进步伴随着对医学数据进行相应的显示和分析处理的可能性。这种情况例如出现在大型医疗设备中，如在计算机断层造影或磁共振断层造影中，或在超声波探测造影中。因此这例如首先是高分辨率血管造影数据的获得使得能够采取有针对性的医疗措施。
迄今，对这种三维数据组的显示是以不同的方式实现的。一种方法是，在常规显示器上显示两维截面图像，而第三维则通过显示不同层(翻阅)的可能性间接地显示。另一种方法是，存在透视显示的可能性，其中，这些显示须从三维数据组计算出。以这种方式显示的虚拟三维物体然后可以通过计算机控制的旋转、即改变透视的出发点，从不同的方向加以观察。这种类型的三维显示可以传送到投影系统中。
另一类显示基于所谓的3D眼镜，其为观察者突显三维图像。一种进一步的进展是在所谓的赛博空间(Cyberspace)中进行三维显示，其中，三维数据被置于带有数据眼镜的数据头盔中。观察者得到接近实际的空间印象，其通过计算观察者在三维数据组显示中的位置(由头盔的位置给出)得到。
立体显示器采用特殊的设置。一个例子是Actuality Systems公司的3D监视器，其产生待成像对象的真实三维图像。在此，将一两维计算出的图像投影到一旋转面上，由此为观察者产生一三维图像。这种三维监视器的潜在应用在于例如在显示利用医学成像设备获得的数据的领域，或显示复杂三维结构的领域，例如显示分子。立体显示器首先具有两个优点，其一是在显示器的大环境范围内的图像可视，因此，可以同时有多个观察者来观看所显示的对象。这尤其对于培训来说是具有优点的。另一优点是，3D显示器使观察者可以聚焦在对象的任一点上，并分别获得清晰的图像。
对于用户来说重要的是，如何用户友好地访问虚拟透视显示信息或真实三维显示信息。在此有意义的首先是输入装置，利用其可选择数据组中的数据点，其次是操纵这些数据点的可能性，第三是尽可能优选地显示所操纵的3D数据组。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种在三维数据组可视化中用于定向的输入装置，一种用于可视化三维数据组的方法，一种用于显示三维数据组可视化的显示装置，以及一种用于操作成像医学检查设备的方法以及一种图形定位预测量三维数据组中的、借助于成像医学检查设备待测量的层的方法，以改进在三维数据组中的定向和对其的处理以及可视性。
本发明的技术问题是通过一种输入装置解决的，其用于在对三维数据组可视化时进行定向，其具有用于选择参照点的部件、用于确定方向的部件，以及用于调节距离量的部件。按照本发明的输入装置使观察者能够输入可视化定向参数(如参照点、方向或距离量)，其中，输入优选地由手动进行。应尽可能避免对观察者在可视化上的观察和自由度的妨碍。这样的输入装置一方面具有这样的优点，即提供了按照自然的过程设置定向参数的可能性感兴趣的点或区域与哪一点、在哪一方向上相距有多远。另一方面，按照本发明，该输入装置提供了顺序上的灵活性，利用其可以设置定向参数。例如，可以首先确定参照点，然后确定方向，最后确定距离，或者也可以几乎同时设置所有定向参数。
此外，本发明的目的还通过一种用于可视化三维数据组数据点的方法实现，在该方法中，首先在显示器上显示数据组，然后在显示器的显示区域内选择一点，为此，借助于上述输入装置输入三个定向参数。一方面选择一虚拟平面上的参照点，该虚拟平面的几何排列与显示器的显示区域的关系已知。另一方面，设置一个方向，其指示从参照点出发至显示器显示区域中待选择的点的方向。此外，设置确定待选择的点与参照点之间的距离的距离量。然后，对其与选出的点的几何关系是可调的显示区域以其显示方式进行操作。
在该方法中有意义的是，将可借助输入装置调节的定向参数传送到显示可视化的显示区域。例如，利用输入装置在一平面上选择一个点，该平面与输入装置直接接触。这种平面例如为输入装置在其上运动的衬垫。在将这些点传送到虚拟平面上时，该虚拟平面应一方面与显示器的显示区域相关，另一方面与观察者相关。前者是由虚拟平面在显示区域中选出点的前提，后者则通过三维显示以及对其的观察来确定例如视角。例如，在透视显示时具有优点的是，使该平面位于对象和观察者之间，而在立体显示器的情况下，具有优选地是使该面包围显示器。然后，求解利用输入装置设置的点与虚拟平面上的参照点之间的差，这只有当其被认为重要时才会执行，因为一点到另一点的传送是确定的。该方法的优点同样在于其与实际三维对象打交道的自然方式。
此外，本发明的技术问题还通过一种显示装置来解决，该显示装置用于按照上述用于可视化数据点的方法来显示三维数据组的可视化。该显示装置具有一同样如上所述的、用于在可视化中定向的输入装置，以及一可视化单元，该可视化单元借助由输入装置输入的定向参数产生一种可视化的显示方式，一显示器对这种可视化进行显示。该显示装置的优点在于，其使得可以直观的方式在可视化中进行定向并对其进行处理。
此外，本发明的技术问题还通过一种操作成像医学检查设备的方法来解决，其利用上述可视化数据点的方法。该用于操作检查设备的方法的优点在于，一方面由于改进的显示而使得从医学检查中获得信息可以更容易，并可以将其用于诊断，另一方面可将这些信息用于优化由成像医学检查设备所进行的其它测量中，其中，例如有针对性地限定待检查的区域。
再有，本发明的技术问题还通过一种在三维数据组中图形定位由成像医学检查设备待测量的层的方法来解决。该数据组通过预测量以较低的分辨率获得，并在显示器上进行显示。利用前述可视化数据点的方法，选择一个数据点并确定待测量的层，该层是通过相对于该数据点的几何关系定义的。优选地，该层通过该数据点延伸。该方法的优点在于，借助于输入装置在预测量中进行定向，并由此简化了对待检查层的选择。
在用于在可视化中定向的输入装置的一种优选的构造中，用于选择参照点的部件这样构成，即使得能够在两维平面上定位参照点，并能识别在该平面上的该位置。其优点为，在两维平面上，而不是在三维平面上定位参照点，但其前提是，该两维平面过后要与可视化在空间上相关。
在输入装置的一种特别优选的实施方式中，用于选择参照点的部件是常规鼠标，其例如在平面上的两维运动被记录。该鼠标优选地与计算单元连接，由鼠标获得的数据被传送到该计算单元中。这种实施方式的优点是其可以利用现有技术。
在输入装置的一种特殊的构造中，用于确定方向的部件具有一可向一个方向转动的操纵杆和一传感器，该传感器记录该操纵杆在该方向上的转动。这种操纵杆可以是可转动的操纵杆(Joystick)，其中，例如通过确定偏转角或偏转过程的时长来监控转动，并将其换算为一个角度。从两维平面上参照点的位置出发，在两个不同的方向对两个角进行取向，以在空间中唯一地确定一个方向。
在输入装置的一种特别优选的实施方式中，操纵杆与常规鼠标在结构上相连接，以构成多功能鼠标。其优点在于，可将使用者常用的两种输入装置组合在一起。
在输入装置的另一种优选的构造中，该输入装置包括一优选为可自由运动的指示棒，其与可能需要的单元例如没有连接电缆。该指示棒既是用于选择参照点的部件又是用于确定方向的部件。要将指示棒用作输入装置，需要一个能够在空间中确定该指示棒位置以及确定其在空间的取向的部件。然后，将该位置和取向与可视化相关联，以确定参照点和方向。
在输入装置的一种特别优选的实施方式中，利用超声波运行时间测量来测量指示棒的位置和取向。超声波运行时间测量的优点在于，可对分辨率、在这种情况下为位置分辨率进行足够精细地调节，以唯一地确定位置和方向。
在一种扩展中，指示棒至少具有两个超声波发射器，它们优选安装在指示棒的两端。由超声波发射器发出的信号由输入装置的接收单元记录。如果接收单元相对于可视化的位置已知，且超声波发射器和接收单元通过同步部件(例如通过无线连接)在时间上同步，则可以利用超声波发射器和接收单元之间的运行时间计算指示棒的位置和取向。这种扩展的优点在于，使利用了简单而公知的超声波运行时间测量的形式。
在另一种扩展中，指示棒至少具有两个超声波反射器，其也优选地安装在指示棒的两端。位置已知的超声波发射器发出信号，这些信号由反射器以不同的强度和特征脉冲波形反射。这种编码的反射超声波信号由相对于可视化的位置同样已知的接收单元接收，并通过与已知的反射模式进行信号比较，与各超声波反射器相对应。这种扩展的优点在于，在指示棒的被动工作方式下，其仅起超声波反射器的作用，因此在指示棒中只需较低廉的电子元件。
在输入装置的另一种优选实施方式中，用于调节距离量的部件包括一可旋转小轮和一个用于测取这种旋转的传感器。这种小轮的优点在于，其既可以设置在指示棒中，也可以设置在多功能鼠标中。通过小轮的旋转而产生的信号将通过例如无线通信传递给处理单元。
在输入装置的另一优选实施方式中，所述输入装置附加地具有用于触发信号的按键。一个或多个这样的按键可以产生控制信号，这些信号被传送至计算单元。按键的优点在于，其具有操作优势，并可简单地集成在指示棒或多功能鼠标中。
在输入装置的另一优选实施方式中，该输入装置附加地具有用于输出参照点、方向和距离量的部件。该输出部件例如可以安装在中央计算机中，该中央计算机例如还包括同步单元和/或接收单元，并对它们进行控制。该输出部件可与本文开始所述的3D显示系统连接。
在用于可视化数据点方法的一种优选实施方式中，将数据点显示在3D显示器上。如果这样的显示器例如具有半球形的显示区域，则参照点投影到其上的虚拟平面优选地同样为环绕显示区域的半球形。
在用于可视化的方法的另一实施方式中，将对象透视地显示在2D显示器上。优选地将显示器屏幕选作虚拟平面，在其上利用选择参照点的部件来选择参照点。
在该方法的该实施方式以及前述实施方式中，虚拟平面相对于显示区域的几何排列是已知的。在一种扩展中，利用输入装置输入两个用于给出方向的角。这些角位于参照点的位置，并确定待选择的点所在显示区域中的方向。角的底边优选位于与正切平面垂直的、不平行的平面内，其中，正切平面在参照点处正切于虚拟半球或显示器屏幕面。作为另一种选择，角的底边也可位于正切平面内。
在用于可视化的方法的一种特别优选的实施方式中，利用第一坐标系例如以经度和纬度来分割虚拟平面。如果是在第二坐标系中选择参照点，则将由选择参照点部件确定的参照点传送给虚拟平面是通过从第一坐标系到第二坐标系的传送实现的。
在用于可视化的方法的一种优选实施方式中，在调节定向参数时，一箭头连续地标示出各当前由定向参数确定的数据点，其中箭头的尖峰位于所述数据点上，而箭头的箭身示出参照点的方向。
在一种扩展中，只要示出箭头，定向参数就会改变。首先通过按压输入装置的按键来确定定向参数，并实现对显示方式的操作。
在用于可视化的方法的一种特别优选的实施方式中，通过选择参照点同时也选择一个区域，其体积和/或形状可以预先设置，或是可改变的。其优点在于，不仅可以操作一个点，而且可以操作通过该点确定的、根据需要进行匹配的区域。
在一种优选扩展中，操作一个位于参照点和所选择的点之间的区域，其中，待操作的区域圆锥形地朝向所选出的点。该区域随着选出的点的变化而连续运动。其优点在于，观察者的视线可沿着在所选出点上的圆锥体进行操作，以便例如避免妨碍对所选择的区域的视线。
在用于可视化方法的一种特别优选的实施方式中，三维数据组和/或选择的区域的显示可以按不同的方式进行，例如骨架式，不透明、透明、或部分透明。不透明显示例如仅示出3D对象的表面。骨架式显示仅对特定的数据点进行不透明显示，因此例如在血管造影中，在血管中以及在血管表面，在其连网中以栅格的形式显示。在对数据点的透明和部分透明的显示中，数据点是不可见的或其不完全遮盖位于其后的数据点。
在部分透明显示中，为数据点分配影响对各数据点显示的透明度。例如，对背景数据点、即在观察方向上位于一数据点之后的数据点的透视进行控制。这在特殊的体积测量的3D显示器中可以通过各数据点的显示强度来起作用。以这种方式可以产生透视效应。透明度的分配例如由数据点关于信号强度的频率分布来实现。依据信号强度来对数据点进行操作使得可以例如将位于一强度间隔之外的数据点透明地显示。以这种方式，可抑制可视化中不需要的强度范围。
在用于可视化的方法的另一优选实施方式中，待选择的区域具有一形状，例如球或四面体。通过一个圆锥，其内容在这种情况下是透明显示的，观察者可以例如首先定位该四面体，然后看到该四面体内，其中，该四面体的内容例如骨架式地显示。此外，还可将该四面体的内容和以圆锥为界的侧面透明地显示。该四面体剩下的侧面构成了穿过3D对象的相应的定位截面图像。其优点在于，可借助于此对内诊介入进行模拟。
在本方法的一种优选的扩展中，通过选出的点设置一截面，其中，在该截面的一面上数据点是透明显示的，在另一面上的数据点是不透明显示的。这相当于通常的截面图像的3D显示。
在用于可视化方法的另一种实施方式中，除了三维显示之外，还在一2D显示器上产生两维显示。除了对截面图像的两维显示之外，还在三维显示中示出该截面的位置，例如以框架的形式。这使得能够在三维显示中进行截面图像的概略定向和定位，以及在2D显示器上以高分辨率显示截面图像。
在用于可视化方法的另一种优选实施方式中，选出的区域是这样确定的选出其在一个窗口范围内的特征量值位于选出的点的值附近的点。特征量例如是选出的点的信号强度。该实施方式的优点是，可得到具有相似特征量值的点的骨架式显示。
在用于显示三维数据组可视化的显示装置的一种优选实施方式中，可视化单元具有将参照点、方向和距离与虚拟平面相关联的部件。在此，该部件可以包括一计算单元，其利用计算机程序计算定向参数、虚拟平面和可显示体积之间的几何关系。
在用于图形定位的方法的一种优选实施方式中，在借助于预运行的测量选出层并定位之后，利用成像医学检查设备进行高分辨率的测量并在显示器上显示。
以下借助图1至13对本发明的多种实施方式进行说明。图中，图1示出了一个用于显示三维数据组可视化的显示装置，
图2示出了一个具有多个功能部件的多功能鼠标，图3示出了说明指示棒的使用的示意图，图4为在利用2D显示器进行透视的3D显示时，选择虚拟平面的一个例子，图5为用于说明可借助输入装置输入的定向参数的示意图，图6示出了第一测量构造，其允许确定指示棒的位置和取向，图7示出了第二测量构造，其允许确定指示棒的位置和取向，图8为说明图7所用的编码反射的示意图，图9为可操作的体积的截面显示，图10为由磁共振断层造影设备拍摄的3D血管造影，图11为由计算机断层造影设备拍摄的3D膝关节图像，图12示出了数据点的强度频率分布以及其借助于窗口设置的透明度分布，图13示出了说明在显示空间中选择层的示意图，图14示出了说明在磁共振断层造影中定位层的图像。
具体实施例方式
图1示出了用于显示三维数据组可视化显示装置1。数据组借助于磁共振断层造影设备3(即成像医学检查设备)获得。这里，所拍摄的患者头部5的三维图像借助3D显示器7显示出来。3D显示器7在此是真实的3D显示器，其将对象，在此即患者头部5在其立体的显示空间8中作为空间图像(在此为头部图像9)显示出来。此外，3D显示器7还可以是常规显示器，即具有两维显示空间的显示器，其利用空间透视对头部成像。
利用输入装置11、13，例如多功能鼠标11或指示棒13，可以在显示空间8中、并由此在三维可视化(即头部图像9)中定向。为此所需的参数将例如被数字化，并通过电缆或红外线接口送至计算和产生可视化的单元。
如果例如利用输入装置11、13在头部图像9中选择一点14，则可以例如沿着透明圆锥15观察围绕该点14的虚拟截面。附加地，还可将该截面成像在一2D常规显示器17上。在图1中，例如对穿过头部5平衡器官的截面图像19进行成像。
观察者可借助输入装置11、13在3D显示器7的成像空间中的任何位置上对圆锥15进行取向，即在显示空间8中可从每个方向来观察各个点14。
显示装置1的3D显示器7还附加地具有一计算单元21，该计算单元21将由输入装置输入的各参照点23、方向以及距离与虚拟平面关联起来，该虚拟平面相对于显示空间8的几何排列是已知的。该计算单元21还具有用于将3D数据与由输入装置11、13输入的参数之间的几何关系以高效率的计算时间进行组合和计算的部件。换言之，该计算单元21将输入的参照点23与虚拟平面上的一个点相对应，由该点出发，沿输入的方向，以输入的距离，在三维数据组中选出点14，或围绕其的区域。该计算例如是通过对图形关系优化的处理器以尽可能快的速度实施的。
图2示出了一个具有多个不同功能部件的多功能鼠标11。多功能鼠标11的基础是基座31，其功能相当于普通的PC鼠标。借助于球33，将测量在衬垫上两个方向的运动，它们在图2中用X方向和Y方向表示。该多功能鼠标11在衬垫上的运动导致X和Y坐标的变化，这被记录并借助计算单元21传递到虚拟平面坐标系中的运动。作为另一种选择，也可光学地采集多功能鼠标11在衬垫上的运动(光学鼠标)。
在图1所示3D显示器的例子中，显示了例如穿过显示空间8的半球形表面虚拟平面，该虚拟平面例如可按经度和纬度分布。例如，相应于基座31沿X方向的运动有一个在纬度上的运动，而相应于基座31沿Y方向的运动有一个在经度上的运动。
作为另一种选择，以鼠标形式的基座31是追踪球或追踪垫系统。在这种情况下，坐标的改变直接通过球的旋转或通过追踪垫的接触被记录。
在基座31上有一个操纵杆35，其允许记录在两个例如正交方向上的偏转。在一个方向上的偏转可以例如通过偏转度或通过偏转时长确定一个角。借助于计算单元21将一个以这种方式输入的角换算成一个确定一个方向的角，该方向从参照点出发在虚拟平面中被显示出。该操纵杆35的向前及向后偏转例如又相应于图1中参照点经度平面内的角度变化，而其向两侧的偏转相应于垂直于经度平面以及垂直于显示空间8半球形表面上在参照点处的正切平面的平面内的角度变化，其中，所有平面均通过参照点。
此外，多功能鼠标11还具有三个按键37、38、39，其操作及功能与常规鼠标的左、右和中间键相似。利用这些按键可以进行附加的输入，以便例如固定角度或参照点，或将它们设置到一输出值。中间鼠标按键39附加地被制作成小轮，其旋转被记录，并通过计算单元21将其换算成距离量，例如从参照点出发的箭头的长度。
图3示出了说明指示棒13在选择显示空间8中的点14a时的使用的示意图。由于指示棒13可以自由运动，使用者可以从各个期望的位置显示显示空间8中的任何一个区域。在图3中，使用者使用指示棒13指向3D对象41。在该指示棒13被使用期间，其位置和取向与显示空间8的关系将被测量。显示装置1的计算单元21利用该量计算直线42，该直线沿指示棒13的期望延长线延伸。
为了能在显示空间8中标示箭头43，计算单元21计算该直线42与显示空间8表面45的交汇点23a。交汇点23a相应于由指示棒13输入的参照点23。参照点23在其上定位的虚拟平面，在这种情况下将通过显示空间8的表面45构成。如果借助指示棒13中的小轮47附加地输入距离量，则该量确定待选择的点14a沿直线42与交汇点23a之间的距离。作为另一种选择，该距离还可通过指示棒13沿直线42的平移运动来调节，其中，在按压按键49时对该平移运动进行记录。
如果以这种方式在3D对象中确定了点14a，则沿直线42标示出箭头43，其中，箭头的尖峰指示待选择的点14a。箭头43随着点14a的变化而连续运动，而点14a的变化是由指示棒13的运动引起的。通过选择点14a，3D对象41中围绕该点14a的区域的显示也将变化。优选地，根据需要预先设置要改变的区域，或者例如借助输入装置11、13来确定。
借助安装在指示棒13上的按键49，可以对在显示空间8中3D对象41的选择过程以及显示方式施加影响。因此，例如可以利用它们在不同的显示方式之间进行转换。
为了抑制由于操作指示棒13时的抖动而对显示和选择过程产生的干扰，将对参照点23的计算放缓，以便使参照点23在表面45上的位置变化仅仅是延迟或衰减。此外，可以例如借助按键49将参照点23固定在其位置上，由此仅需对指示棒13的取向进行控制和测量，以对直线的方向以及由此对箭头43进行计算。
为了加速计算，计算单元21可例如将显示空间8的表面45在一坐标系中利用经度和纬度51和53来分割。
图4示出了在利用平面显示器57上的透视3D显示时，选择虚拟平面55的例子。虚拟平面55在此位于图像显示屏表面，因此其总是处于观察者和显示之间。利用多功能鼠标11扫描的平面，例如鼠标垫58，可以一种标度传递到虚拟平面55上。如果将笛卡儿坐标59、59a用于两个平面，即用于鼠标垫58和用于虚拟平面55，来确定多功能鼠标11和参照点23b的位置，则标度尤其简单。
图5示出了可以借助输入装置11，13输入的定向参数。在此，图5示出了两个例子，其中，用于确定方向的角度输入不是在经度和纬度平面上进行的，而是角度输入与通过参照点的正切平面法线的偏差相关。在这些例子中，借助输入装置11，13输入参照点61，61a。它们位于显示空间8表面45上的不同位置上。此外，在图5中示出了距离量63，63a，它们确定参照点61，61a至选出的点的距离，选出的点位于箭头64，64a的尖峰处。此外，在图5中还示出了在表面45上分别通过参照点61，61a的正切平面65，65a。在图5的第一个例子中，箭头64位于垂直在正切平面65上的平面内。在这种情况下，至少对于一个方向不输入角偏差。在第二个例子中，借助操纵杆35或者指示棒13的取向输入角67，该角确定箭头64a的方向与一个方向上正切平面65a上的法线68a的偏差。
图6示出了允许确定指示棒13的位置和取向的测量构造，在指示棒13中有两个超声波发射器S1，S2。这两个发射器交替地发射超声波脉冲，这些超声波脉冲在一定的运行时间U1，U2，U3，Un之后由至少三个接收器E1，E2，E3，En接收。从该运行时间U1，U2，U3，Un、借助声速，计算出超声波发射器S1，S2和接收器E1，E2，E3，En之间的距离。由该距离和接收器E1，E2，E3，En已知的位置可以确定超声波发射器S1和S2的位置。由此，指示棒13的位置和它的取向都在空间中被唯一地定义，并可以很容易地与显示空间8相关。
借助于计算单元21可以计算出期望的指示棒的延长，并在显示空间8中标示出。
为了确定运行时间U1，U2，U3，Un，发射器S1，S2必须与接收器E1，E2，E3，En同步。这通过同步单元S以及所属的同步路径TE1，TE2，TE3，Ten，TS，TS1，TS2实现，这些同步路径在指示杆13中将同步单元S、例如无线发射器与接收器E1，E2，E3，En和发射器S1，S2相连接。此外，还借助同步单元S确定，超声波发射器S1，S2以什么样的顺序进行发射。
利用小轮39a也可如上所述地调节参照点与选择的点或体积的距离。
为了可以围绕3D显示无干扰地操作指示杆13，为避免通过3D显示器的屏蔽效应，设置了多于三个超声波接收器E1，E2，E3，En。
图7示出了第二种测量方法。利用这种方法，借助于指示杆13中的超声波反射器R1，R2，可以确定指示杆13相对于显示空间8的位置和取向。借助于超声波发射器S3发射一超声波脉冲序列。该超声波脉冲序列由各具有固定振幅和频率的短脉冲序列构成。这些脉冲被反射到反射器R1和R2，并然后由接收器E1，E2，E3，En记录。发射器S3与接收器E1，E2，E3，En又通过同步单元S同步。两个反射器R1，R2与图6中的两个发射器S1，S2一样，在指示杆13的端部以距离L设置。
反射器具有这样的特性它们可以以不同的频率在超声波脉冲序列中产生不同的谐振，即，以不同的强度反射超声波脉冲。以这种方式，通过反射器R1，R2对超声波脉冲编码，以便接收器E1，E2，E3，En可以将它们相互区别，另一方面，可以与杂质的反射相区别。由运行时间又可以计算反射器和接收器之间的距离，因此，借助计算单元21可以计算指示棒13相对于显示空间8的位置和取向。
图8以在反射器R1和杂质上的反射为例说明了编码的反射的作用。图8中示意地示出了在编码时，信号发射序列SP的每个脉冲，以及其振幅A1，A2，…，An在频率f1，f2，…，fn下关于时间t的变化，每个脉冲分别以确定的反射系数在反射器R1上反射。由此产生了振幅为B1，B2，…，Bn的反射回波信号脉冲序列EP1。在此，还可以通过发射脉冲SP在R1上的反射改变接收脉冲序列EP1的脉冲宽度和脉冲形状的特征。在杂质上的反射是不可控制的，并同样产生一回波信号脉冲序列EPF，其中，如图8的例子所示，杂质上反射的振幅曲线是几乎不变的。在图8中，同时示出了回波信号脉冲序列EP1和回波信号脉冲序列EPF的振幅关于时间t的变化。
与反射器相关，反射回波信号脉冲序列的振幅变化和脉冲形状是不同的，理想地是通过反射器专用的回波信号、例如图8所示回波信号EE1来确定。借助接收信号和所期望的反射器专用回波信号EE1的相关K，可以将信号与反射器R1，R2或杂质相对应。当接收信号例如包含回波信号脉冲序列EP1时，从与回波信号EE1的相关K中获得相关值K1。该相关值K1大于由杂质反射回波信号脉冲序列EPF与回波信号EE1的相关K中获得相关值KF。如果相继接收了回波信号脉冲序列EP1和回波信号脉冲序列EPF，则产生如图8所示的接收信号和回波信号EE1的相关在时间上的变化。
为了计算反射器R1，R2的空间位置，测量相应的脉冲序列从发射时刻开始至由接收器E1，E2，…，En接收的运行时间。由该运行时间来计算具有焦点S3，E1，E2，E3，En的旋转椭圆体。由至少三个椭圆体的交点标记出反射器R1，R2的位置。为了改善位置确定的精确性，可以在计算中考虑反射器R1，R2的已知距离L。此外，反射器R1，R2的谐振频率可以是不同的。
用于显示三维数据组可视化的显示装置1在例如医学以及特别是三维数据的放射显示中允许有多种显示方式以及相应的应用。正是在这种实际的3D显示器中，可以由显示装置来实现借助虚拟手术器械的手术模拟和培训。然后，可以将模拟的手术数据传送给手术机器人。
在第一种显示方式中，应能借助输入装置11，13穿入不透明的3D对象，其中，该3D对象在箭头的周围是透明的。由此，使得位于箭头尖峰的待检查的体积可从外边看到。该透明的体积的形状和大小例如可在一球形上加以设置。可选择的是，箭头本身是透明显示的，以使其不会遮盖显示对象的区域。
在这种显示方式的一种变化中，借助箭头在3D对象中设置任何定形的透明体积(如球或立方体)。该体积相对于箭头的位置和取向同样是可调节的。例如可以利用显示空间8中的虚拟空间或笼子来表示该体积，并利用输入装置11，13将其穿过该3D对象移动并定位。在此，该3D对象例如可在边框的一侧被透明显示。
定义这种体积的另一种可能性在于，借助输入装置11和13标记多个点，它们分布在整个体积上或该体积的部分区域上，例如在一平面上。
在一种显示方式中，将体积中的数据点例如显示为透明的。
以这种方式，例如可以进行主动的数据处理，如在成像中去除干扰的骨骼。
图9中以截面的形式示出了例如这种可透明变换的体积的优选实施方式。为了能够沿直线42a观察箭头尖峰71所在区域的体积，可将该体积构成构成圆锥73的形式。该圆锥73的端部位于箭头尖峰区域，即位于所选择的点14a的区域，其形状例如为平面74，或者半球75。
另一种显示方式为栅格显示76。为了说明，在图10中示出了利用磁共振断层造影设备拍摄的3D血管造影图像，图11示出了利用计算机断层造影设备拍摄的3D膝关节图像。栅格显示76所需的数据组例如可以通过窗口(Fensterung)产生。
在一种简单的窗口中，只显示具有相似强度I的数据点。为此，将具有强度I的数据点的数目N记入频率分布H，见图12。除了强度I，还可以选择其它特征量的频率分布H，如流量或扩散的频率分布H。在该频率分布H中选择一个中心值77和一个在中心值77附近的窗口宽度79。位于如此定义的窗口之外的数据点，被例如透明显示。对该值域内的数据点将在其显示中进行特别地处理，例如，其透明度T随着强度的增长而线性下降(透明度显示80)。这使得在显示中，不能透视观察方向上在该值域中具有高强度值I的点后面的数据点。
通过改变窗口参数，可以对所有强度值范围无级地调节3D对象的透明度。
窗口化过程使得可以例如依据图像的强度标度来选择任意区域并改变地(例如透明或不透明地)进行显示。
在这种过程的第一说明中，在3D对象的代表位置上进行标记。然后，将所有具有相同或至少相似强度的数据点置为透明的。这使得观察者(例如放射学者)可以将与检查无关的数据点置为透明的，例如在磁共振图像中抑制亮的脂肪组织。
在这种过程的第二说明中，将从该代表位置出发具有增强的强度变化的数据点不透明地进行成像。由此产生接近于图10的3D血管造影拍摄的栅格显示。如果将这样选择的区域相反置为透明的，则其接近该层后面区域的部分，如骨骼。
借助于显示装置同样可以在显示空间8中选择层。图13示出了这种过程。在显示空间8中有一3D对象41a，此外，还示出了指向选出的点41c的箭头81。待选择的层83与与箭头81正交的平面例如成45°倾角，并通过框85和在3D对象41a上标出的轮廓线87示出。该选择的层面83然后可以利用3D显示器进行显示，或者当3D显示器与2D显示器共同使用时，也同时在2D显示器上成像。
在很多情况下有利的是，借助输入装置11、13的按键将箭头尖峰固定在任意空间点上，然后例如改变箭头方向或选出的层与箭头81之间的角度。
一种可能的应用是磁共振断层造影中的图形层定位，其中，为了进行准备，实施快速3D测量。所获得的3D数据组包含分辨率较低的待测身体区域，并利用显示装置进行显示。图14示出了一个例子。使用者可以在3D对象中，这里为头部图像91，通过框85标示出下一个待测量的层83，并接近于现实地取向和定位。
权利要求
1.一种输入装置(11，13)，用于在对三维数据组可视化(9，41，41a，91)时进行定向，其具有用于选择参照点(23，23b，61，61a)的部件、用于确定方向的部件，以及用于调节距离量(63，63a)的部件。
2.根据权利要求1所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述用于选择参照点(23，23b，61，61a)的部件具有用于在两维平面(58)上定位点的部件和一个传感器(33)，其中，该传感器(33)将该点记录在该平面(58)上。
3.根据权利要求1或2所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述用于选择参照点(23，23b，61，61a)的部件具有一常规鼠标(31)，其中，由该常规鼠标(31)记录的鼠标(31)的两维运动与参照点(23，23b，61，61a)在平面(45，55)上的运动相对应。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述用于确定方向的部件具有一可向一个方向转动的操纵杆(35)和一传感器，其中，该传感器记录该操纵杆在该方向上的转动。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述用于确定方向的部件具有一可两个方向转动的操纵杆(35)，通过它的转动可唯一地确定两个用于确定方向的角(67)。
6.根据权利要求5所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述操纵杆(35)与所述常规鼠标(31)在结构上相连接。
7.根据权利要求1或2所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述用于选择参照点(23，23b，61，61a)的部件以及所述用于确定方向的部件包括一指示棒(13)，其相对于所述可视化(9，41，41a，91)的位置与取向确定所述参照点(23，23b，61，61a)和方向。
8.根据权利要求7所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述指示棒(13)的位置和/或取向可利用超声波运行时间测量进行测量。
9.根据权利要求8所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述指示棒(13)至少具有两个超声波发射器(S1，S2)，该输入装置(11，13)还具有一附加的用于接收超声波信号的接收单元(E1，E2，E3，En)，以及具有用于同步该超声波发射器(S1，S2)和该接收单元(E1，E2，E3，En)的部件(S)。
10.根据权利要求9所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述用于同步的部件(S)通过无线连接与所述指示棒(13)的超声波发射器(S1，S2)连接。
11.根据权利要求8所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述指示棒(13)至少具有两个超声波反射器(R1，R2)，所述输入装置(11，13)具有一附加的超声波发射器(S3)，一用于接收超声波信号(EP1，EP2)的接收单元(E1，E2，E3，En)，以及具有用于同步该超声波发射器(S3)和该接收单元(E1，E2，E3，En)的部件(S)。
12.根据权利要求11所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述超声波反射器(R1，R2)这样构成，即其依据超声波脉冲(SP)的频率(f1，f2，…，fn)以不同的强度和/或特征脉冲波形反射一超声波脉冲(SP)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述用于调节距离量(63，63a)的部件包括一可旋转小轮(39，39a，47)和一个用于测取这种旋转的传感器。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述输入装置(11，13)附加地具有用于触发信号的按键(37，38，39，47，49)。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的输入装置(11，13)，其特征在于，所述输入装置(11，13)附加地具有用于输出信号的部件，所述信号优选地包括关于参照点(23，23b，61，61a)、方向和/或距离量(63，63a)的信息。
16.一种用于可视化三维数据组数据点的方法，其利用根据权利要求1至15中任一项所述的输入装置(11，13)、在显示器(7，57)上进行可视化，其特征在于-在显示器(7，57)上显示所述数据组，-在该显示器(7，57)的显示区域内选择点(14，14a，14b)，其中，借助于所述输入装置(11，13)选择参照点(23，23b，61，61a)，将其投影到虚拟平面(45，55)上，该虚拟平面(45，55)的几何排列与显示器(7，57)的显示区域(8)的关系已知，其中，借助所述输入装置(11，13)设置一个方向、即指示从虚拟平面(45，55)上的参照点(23，23b，61，61a)出发，至显示器(7，57)的显示区域(8)中待选择的点(14，14a，14b)的方向，以及其中，借助输入装置(11，13)设置确定所述显示区域(8)中待选择的点(14，14a，14b)与参照点(23，23b，61，61a)的距离的距离量(63，63a)，-操作数据组显示区域的显示方式，其中，该区域与选出的点(14，14a，14b)的几何关系是可调的。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，通过按压所述输入装置(11，13)的按键(37，38，39，47，49)来确定参照点(23，23b，61，61a)、方向和距离量(63，63a)。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，在2D显示器(57)上三维透视地、或在3D显示器(7)上在三个空间方向上显示所述数据组。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其特征在于，所述数据组由成像医学检查设备(3)产生。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其特征在于，所述虚拟平面(45)至少部分地球形环绕所述显示区域(8)。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的方法，其特征在于，利用一坐标系分割所述虚拟平面(45，55)。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的方法，其特征在于，所述坐标系按经度和纬度(51，53)来分割所述虚拟平面(45)。
23.根据权利要求16至22中任一项所述的方法，其特征在于，借助两个角(67)来调节方向，其底边在两个垂直于正切平面(65，65a)的平面内，其中，该正切平面(65，65a)在参照点(23，23b，61，61a)正切于所述虚拟平面(45，55)。
24.根据权利要求16至23中任一项所述的方法，其特征在于，利用由一传感器记录的一可旋转小轮(39，47)的旋转来调节距离量(63，63a)。
25.根据权利要求16至24中任一项所述的方法，其特征在于，在所述显示区域内标示一个箭头(43，64，64a)，其尖峰(71)位于所选择的点(14，14a，14b)上。
26.根据权利要求16至25中任一项所述的方法，其特征在于，所述待操作的区域包括一围绕所选择的点(14，14a，14b)的体积。
27.根据权利要求16至26中任一项所述的方法，其特征在于，所述待操作的区域包括一沿参照点(23，23b，61，61a)与所选择的点(14，14a，14b)之间的连接线(42，42a)的体积。
28.根据权利要求16至27中任一项所述的方法，其特征在于，所述体积沿参照点(23，23b，61，61a)与所选择的点(14，14a，14b)之间的连接线(42，42a)圆锥形地朝向所选择的点。
29.根据权利要求16至28中任一项所述的方法，其特征在于，至少一部分三维数据被显示为不透明的对象(91)。
30.根据权利要求16至29中任一项所述的方法，其特征在于，至少一部分三维数据被显示为骨架式栅格。
31.根据权利要求16至30中任一项所述的方法，其特征在于，透明地显示所选择的区域。
32.根据权利要求16至31中任一项所述的方法，其特征在于，在对区域的操作中为所属的数据点分配透明度(T)，该透明度(T)通过三维数据频率分布(H)中每个数据点的位置来确定，其中，数据点的分布用特征量(I)描述。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述频率分布(H)是强度频率分布，其中，数据点分布在信号强度(I)上。
34.根据权利要求16至33中任一项所述的方法，其特征在于，待选择的区域包括一平面(19，83)，数据点在该平面(19，83)的一面上被透明地显示。
35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述平面(19，83)是穿过显示器(7)的显示区域(8)的截面。
36.根据权利要求34或35所述的方法，其特征在于，将所述平面(19，83)的数据点两维地显示在2D显示器(17，57)上。
37.根据权利要求16至36中任一项所述的方法，其特征在于，为每个数据点分配一特征值，所选择的区域包括具有相似特征值的数据点。
38.一种显示装置(1)，用于按照根据权利要求16至37中任一项所述的方法、利用根据权利要求1至15中任一项所述的输入装置(11，13)，显示三维数据组的可视化(9，41，41a，91)，其具有一可视化单元，该可视化单元借助由所述输入装置(11，13)输入的量(61，61a，63，63a)产生一种可视化(9，41，41a，91)的显示方式，并利用显示器(7，57)加以显示。
39.根据权利要求38所述的显示装置(1)，其特征在于，所述显示器为3D显示器(7)。
40.根据权利要求38或39所述的显示装置(1)，其特征在于，所述可视化单元具有部件(21)，其使由所述输入装置(11，13)分别确定的参照点(23，23b，61，61a)、方向和/或距离与所述虚拟平面(45，55)相关，在该部件一侧与可利用显示器(7，17)显示的体积(8)之间存在已知的几何关系。
41.根据权利要求38至40中任一项所述的显示装置(1)，其特征在于，所述可视化单元具有部件(21)，其将输入的参照点(23，23b，61，61a)与所述虚拟平面上的点相对应，从该点出发，该部件(21)沿输入的方向以输入的距离(63，63a)确定三维数据组中的点(14，14a，14b)。
42.一种用于操作成像医学检查设备(3)的方法，其利用根据权利要求16至37中任一项所述的方法。
43.一种用于在预测量的三维数据组中图形定位由成像医学检查设备(3)待测量的层(83)的方法，其特征在于，-利用较低的分辨率实施预测量，并显示数据组，-借助根据权利要求16至37中任一项所述的方法，选择一个点(14c)和待测量的层(83)，该层是通过相对于所选择的点(14c)的几何关系定义的。
44.根据权利要求43所述的方法，其特征在于，在可视化(9，41，41a，91)显示中，将待测量的层(83)作为轮廓线(87)显示。
45.根据权利要求43或44所述的方法，其特征在于，将所属的截面图像两维地显示在2D显示器(17)上。
46.根据权利要求43至45中任一项所述的方法，其特征在于，利用成像医学检查设备(3)测量和显示待测量的层(83)。
全文摘要
本发明涉及一种在三维数据组可视化中定向的输入装置以及一种用于可视化三维数据组数据点的方法，本发明还涉及一种用于显示这种可视化三维数据组的显示装置，此外还涉及一种用于操作成像医学检查设备的方法以及一种图形定位预测量三维数据组中的、借助于成像医学检查设备待测量的层的方法。在显示器(7，57)上显示三维数据组的可视化(9，41，41a，91)的显示装置(1)使得可以利用输入装置(11，13)输入的量(61，61a，63，63a)操作三维显示，其中，这种操作仅限于可视化(9，41，41a，91)的一个区域。
文档编号G06T15/08GK1504965SQ20031011958
公开日2004年6月16日 申请日期2003年12月4日 优先权日2002年12月4日
发明者乔尔格·U·方蒂厄斯, 乔尔格 U 方蒂厄斯 申请人:西门子公司