Visualization techniques for virtual endoscopy

Abstract

Virtual Endoscopy is a technique to explore hollow organs and anatomical cavities using 3D medical imaging and Computer graphics. Virtual Endoscopy turns out to be a promising technique to improve, or even in some procedures substitute, real endoscopy. A real endoscopy is invasive and usually implies some risk for the patient. In the last decades, much research has been done in this field. This thesis reflects a piece of this research concentrated on investigating visualization techniques for virtual endoscopy. Most common methods in virtual endoscopy simulate the behavior of a real endoscope. In the first part of this thesis, we concentrate on studying these methods and present a general framework for such a system. We develop a prototype according to this framework. A central path of the organ is used to move the camera through the organ. We improve an existing algorithm to find the central path of the organ. We describe two new techniques to accelerate high quality perspective volume rendering. The first method is a new space leaping acceleration technique for ray casting. The second method uses hardware acceleration (i.e., VolumePro) of orthographic volume rendering to generate perspective volume rendering. Simulating a real endoscopy is not the most suitable visualization technique in many endoscopy procedures. A real endoscopy is restricted due to physical limitations that a virtual endoscopy does not have. The second part of the thesis presents two techniques which virtually unfold the colon to inspect its surface and detect polyps. We concentrate on the colon although these techniques could be used with other organs too. The first technique, locally unfolds the colon and generates an animation sequence from consecutive unfolded regions. The images are generated with a projection technique that allows the physician to visualize most of the surface, and to easily recognize polyps that in an endoscopic view would be hidden by folds or would be hard to localize. The drawback of the local colon unfolding is that the physician has to inspect a video to be able to visualize the whole surface. The goal of the second technique, nonlinear colon unfolding, is to enable the physician to inspect and get as much information as possible of the inner organ surface at a first glance. It obtains a single image of the complete unfolded colon. In this way, the problematic areas can be identified quickly and inspected later in more detail. Every technique have been tested with several data sets to show their feasibility. Although, these tests are not enough to use the methods in the clinical environment, the results show their potential to achieve such an state.

Virtuelle Endoskopie ist eine Technik hohle Organe und anatomische Aushöhlungen mittels Methoden der medizinischen 3D Visualisierung und Verfahren aus der Computergraphik zu erforschen. Virtuelle Endoskopie ist eine vielversprechende Technik, welche die tatsächliche Endoskopie verbessert, der in manchen Anwendungen sogar ersetzen kann. Endoskopie ist eine invasive und für den Patienten risikoreiche Methode. In den letzten Jahrzehnten erfolgte viel Forschungsarbeit in diesem Bereich. Diese Dissertation reflektiert einen Teil dieser Forschung und im speziellen die Untersuchung von Visualisierungstechniken für die virtuelle Endoskopie. Die meisten Methoden der virtuellen Endoskopie simulieren das Verhalten echter Endoskopie. Der erste Teil der Dissertation konzentriert sich auf die Betrachtung dieser Methoden und stellt die Struktur eines solchen Systems vor. Ein Prototyp angelehnt an diese Struktur wird entwickelt. Ein zentrierter Pfad innerhalb der Organe wird verwendet, um eine Kamera durch das Organ zu führen. Wir verbessern einen existierenden Algorithmus, um den entrierten Pfad durch das Organ zu finden. Zwei neue Techniken werden beschrieben, um hochqualitative, perspektivische Darstellungen zu beschleunigen. Die erste Methode ist eine neue Space-Leaping-Technik für Volumsdarstellungen. Die zweite Methode nützt Hardware-Beschleunigung (VolumePro) zur orthographische Volumsdarstellung, um perspektivische Volumsdarstellungen zu erzeugen. Simulationen von wirklicher Endoskopie ist in vielen Anwendungen nicht die am besten geeignete Visualisierungstechnik. Eine Endoskopie ist an gewisse physikalische Beschränkungen gebunden, welche für die virtuelle Endoskopie nicht gelten. Der zweite Teil der Dissertation präsentiert zwei Techniken, welche den Dickdarm virtuell entfalten, um die Oberfläche zu untersuchen, und Polypen entdecken zu können. Wir konzentrieren uns auf den Dickdarm, obwohl diese Techniken auch für andere Organe einsetzbar sind. Die erste Technik entfaltet den Dickdarm lokal und erzeugt eine animierte Abfolge von aufeinanderfolgenden entfalteten Regionen. Die Bilder werden mittels einer Projektionstechnik erzeugt, welche dem Mediziner die Visualisierung eines Großteils der Oberfläche erlauben. Diese Methode erlaubt es Polypen einfach zu erkennen, welche aus dem Blickwinkel einer Endoskopie von Falten verdeckt, oder schwer zu lokalisieren wären. Der Nachteil der lokalen Dickdarmentfaltung ist die Notwendigkeit die Untersuchung anhand eines Films durchführen zu müssen, um die gesamte Oberfläche zu visualisieren. Die zweite Technik --- Nonlinear Colon Unfolding --- erlaubt dem Mediziner in einer einzelnen Darstellung die Oberfläche des Organs zu untersuchen und möglichst viel Information darzustellen. Man erhält ein einzelnes Bild des vollständig entfalteten Dickdarms. Auf diese Weise können problembehaftete Bereiche schnell identifiziert und anschließend genauer untersucht werden. Um die Anwendbarkeit zu zeigen wurde jede Technik wurde an mehreren Datensätzen getestet. Jedoch sind diese Tests nicht ausreichend, um die Methoden bereits in einem klinischen Umfeld einsetzen zu können. Die Resultate zeigen jedoch das Potential der entwickelten Methoden auf.