Zitat:
Varchola, A. (2012). Live fetoscopic visualization of 4D ultrasound data [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/160613
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Publikationstyp:
Thesis - Dissertation
en
Hochschulschrift - Dissertation
de
Sprache:
Englisch
-
Datum (veröffentlicht):
2012
-
Umfang:
135
-
Keywords:
Visualisierung; Ultraschall
de
visualization; ultrasound
en
Abstract:
Die Ultraschallbildgebung ist aufgrund ihrer Echtzeit-Charakteristik, der niedrigen Kosten, dem nicht-invasiven Naturell, der hohen Verfügbarkeit und vieler weiterer Faktoren ein Standarddiagnoseverfahren während der Schwangerschaft.
Die Qualität der Diagnose hängt von vielen Elementen ab, wie dem Abtastprotokoll, den Datenmerkmalen und den Visualisierungsalgorithmen.
In dieser Arbeit werden verschiedene Probleme der Ultraschall-Datenvisualisierung in der geburtshilflichen Ultraschallbildgebung diskutiert und angesprochen.
Ultraschall-Scanner werden immer leistungsfähiger und moderne Ultraschallgeräte erzeugen große Datenmengen, die in Echtzeit bearbeitet werden müssen.
Das bildgebende Verfahren durch Ultraschall ist im weiteren Sinne eine Pipeline von mehreren Operationen und Visualisierungsalgorithmen.
Individuelle Algorithmen werden üblicherweise in Modulen geordnet, die separat Daten verarbeiten.
Um das erforderliche Maß an Detail und qualitativ hochwertige Bilder mit der Visualisierungspipeline zu erreichen, befassen wir uns mit großen Datenflussmengen auf moderner Computer-Hardware mit begrenzter Kapazität.
Wir entwickelten eine neuartige Architektur der Visualisierungspipeline für die Ultraschallbildgebung.
Diese Visualisierungspipeline kombiniert mehrere Algorithmen, die in dieser Arbeit beschrieben werden, in das integrierte System.
Als möglichen Ansatz für das große Datenflussproblem im Zusammenhang mit dieser Pipeline befürworten wir schnittbasiertes Streaming.
Die Ultraschall-Echtzeituntersuchung des beweglichen Fötus ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die umfangreiche Kenntnisse in der fetalen Anatomie vorraussetzt und eine kompetente Beherrschung des Ultraschallgeräts erfordert.
Der Fötus wird typischerweise durch Strukturen verdeckt, die den Blick auf die generierten 3D Bilder behindern.
Wir entwickelten ein neues Verfahren zur Visualisierung des menschlichen Fötus für die pränatale Sonographie aus 3D/4D Ultraschalldaten.
Es ist ein vollautomatisches Verfahren, das den Fötus ohne Okklusion erkennen und wiedergeben kann, dabei ist die höchste Priorität, ein ungehinderten Blick auf das fetale Gesicht zu erzielen.
Unsere Smart-Visibility-Methode zum pränatalen Ultraschall basiert auf einer Strahlenanalyse in der bildbasierten direkten Volumengrafik (DVR).
Es berechnet automatisch eine Clipping-Oberfläche, die uninteressante Strukturen entfernt und dahinter interessante Strukturen der fetalen Anatomie aufdeckt.
Die Methode kann mit den übertragenen Daten aus dem Ultraschallwandler arbeiten und eine zeitliche Abfolge von rekonstruierten Ultraschalldaten in Echtzeit visualisieren.
Es hat das Potential, die Interaktion des Anwenders zu minimieren und den Komfort des Patienten durch Verringerung der Untersuchungszeit zu verbessern.
Dies kann zu einem höheren Vertrauen in die pränatale Diagnostik mit 3D-Ultraschall führen und schließlich zu einer Verringerung der Untersuchungskosten.
Die Sonografie (Ultraschalluntersuchung) ist bei Eltern sehr beliebt, die an dem Gesundheitszustand ihres Fötus während der Schwangerschaft interessiert sind.
Eltern wollen in der Regel die Ultraschallbilder als Erinnerung für die Zukunft behalten.
Darüber hinaus sind überzeugende Bilder für die vertrauensvolle Kommunikation von Erkenntnissen zwischen Krankenhausärzten und Eltern wichtig.
Aktuelle Ultraschallgeräte bieten erweiterte Bildgebungsfunktionen, jedoch verschaffen gewöhnliche Visualisierungsmethoden für volumetrische Daten nur begrenzt visuelle Glaubwürdigkeit.
Die Standardmethoden erzeugen nur Bilder mit künstlichen Aussehen, die nicht den Föten in Natura entsprechen.
Zum Teil ist dies bedingt durch die dynamische und rauschende Datenbeschaffenheit, die die Anwendbarkeit der Standardvolumen-Visualisierungstechniken begrenzt.
In dieser Arbeit präsentieren wir eine fetoskopische Rendering-Methode, die die Qualität der fetoskopischen Untersuchungen (das heißt die physische Endoskopie der Gebärmutter) von 4D-Sonografie-Daten wiedergeben soll.
Basierend auf den Anforderungen der Fachexperten und den Grenzen der Live-Ultraschallbildgebung, entwickelten wir ein Verfahren für die hochwertige Wiedergabe von pränatalen Untersuchungen.
Wir verwenden ein realistisches Beleuchtungsmodell, dass Schatten, bewegliche Lichtquellen und realistische Darstellung der menschlichen Haut unterstützt, um eine immersive Erfahrung für Ärzte und Eltern gleichermaßen zu bieten.
Neben den ästhetischen Aspekten haben die resultierenden Visualisierungen auch vielversprechende diagnostische Anwendungen. Die vorgestellte fetoskopische Rendering-Methode wurde erfolgreich in den hochmodernen Ultraschallbildgebungssystemen von GE Healthcare als HDlive Bildbearbeitungswerkzeug integriert.
Es wird täglich in vielen pränatalen Diagnosezentren auf der ganzen Welt verwendet.
Die Qualität der Diagnose hängt von vielen Elementen ab, wie dem Abtastprotokoll, den Datenmerkmalen und den Visualisierungsalgorithmen.
In dieser Arbeit werden verschiedene Probleme der Ultraschall-Datenvisualisierung in der geburtshilflichen Ultraschallbildgebung diskutiert und angesprochen.
Ultraschall-Scanner werden immer leistungsfähiger und moderne Ultraschallgeräte erzeugen große Datenmengen, die in Echtzeit bearbeitet werden müssen.
Das bildgebende Verfahren durch Ultraschall ist im weiteren Sinne eine Pipeline von mehreren Operationen und Visualisierungsalgorithmen.
Individuelle Algorithmen werden üblicherweise in Modulen geordnet, die separat Daten verarbeiten.
Um das erforderliche Maß an Detail und qualitativ hochwertige Bilder mit der Visualisierungspipeline zu erreichen, befassen wir uns mit großen Datenflussmengen auf moderner Computer-Hardware mit begrenzter Kapazität.
Wir entwickelten eine neuartige Architektur der Visualisierungspipeline für die Ultraschallbildgebung.
Diese Visualisierungspipeline kombiniert mehrere Algorithmen, die in dieser Arbeit beschrieben werden, in das integrierte System.
Als möglichen Ansatz für das große Datenflussproblem im Zusammenhang mit dieser Pipeline befürworten wir schnittbasiertes Streaming.
Die Ultraschall-Echtzeituntersuchung des beweglichen Fötus ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die umfangreiche Kenntnisse in der fetalen Anatomie vorraussetzt und eine kompetente Beherrschung des Ultraschallgeräts erfordert.
Der Fötus wird typischerweise durch Strukturen verdeckt, die den Blick auf die generierten 3D Bilder behindern.
Wir entwickelten ein neues Verfahren zur Visualisierung des menschlichen Fötus für die pränatale Sonographie aus 3D/4D Ultraschalldaten.
Es ist ein vollautomatisches Verfahren, das den Fötus ohne Okklusion erkennen und wiedergeben kann, dabei ist die höchste Priorität, ein ungehinderten Blick auf das fetale Gesicht zu erzielen.
Unsere Smart-Visibility-Methode zum pränatalen Ultraschall basiert auf einer Strahlenanalyse in der bildbasierten direkten Volumengrafik (DVR).
Es berechnet automatisch eine Clipping-Oberfläche, die uninteressante Strukturen entfernt und dahinter interessante Strukturen der fetalen Anatomie aufdeckt.
Die Methode kann mit den übertragenen Daten aus dem Ultraschallwandler arbeiten und eine zeitliche Abfolge von rekonstruierten Ultraschalldaten in Echtzeit visualisieren.
Es hat das Potential, die Interaktion des Anwenders zu minimieren und den Komfort des Patienten durch Verringerung der Untersuchungszeit zu verbessern.
Dies kann zu einem höheren Vertrauen in die pränatale Diagnostik mit 3D-Ultraschall führen und schließlich zu einer Verringerung der Untersuchungskosten.
Die Sonografie (Ultraschalluntersuchung) ist bei Eltern sehr beliebt, die an dem Gesundheitszustand ihres Fötus während der Schwangerschaft interessiert sind.
Eltern wollen in der Regel die Ultraschallbilder als Erinnerung für die Zukunft behalten.
Darüber hinaus sind überzeugende Bilder für die vertrauensvolle Kommunikation von Erkenntnissen zwischen Krankenhausärzten und Eltern wichtig.
Aktuelle Ultraschallgeräte bieten erweiterte Bildgebungsfunktionen, jedoch verschaffen gewöhnliche Visualisierungsmethoden für volumetrische Daten nur begrenzt visuelle Glaubwürdigkeit.
Die Standardmethoden erzeugen nur Bilder mit künstlichen Aussehen, die nicht den Föten in Natura entsprechen.
Zum Teil ist dies bedingt durch die dynamische und rauschende Datenbeschaffenheit, die die Anwendbarkeit der Standardvolumen-Visualisierungstechniken begrenzt.
In dieser Arbeit präsentieren wir eine fetoskopische Rendering-Methode, die die Qualität der fetoskopischen Untersuchungen (das heißt die physische Endoskopie der Gebärmutter) von 4D-Sonografie-Daten wiedergeben soll.
Basierend auf den Anforderungen der Fachexperten und den Grenzen der Live-Ultraschallbildgebung, entwickelten wir ein Verfahren für die hochwertige Wiedergabe von pränatalen Untersuchungen.
Wir verwenden ein realistisches Beleuchtungsmodell, dass Schatten, bewegliche Lichtquellen und realistische Darstellung der menschlichen Haut unterstützt, um eine immersive Erfahrung für Ärzte und Eltern gleichermaßen zu bieten.
Neben den ästhetischen Aspekten haben die resultierenden Visualisierungen auch vielversprechende diagnostische Anwendungen. Die vorgestellte fetoskopische Rendering-Methode wurde erfolgreich in den hochmodernen Ultraschallbildgebungssystemen von GE Healthcare als HDlive Bildbearbeitungswerkzeug integriert.
Es wird täglich in vielen pränatalen Diagnosezentren auf der ganzen Welt verwendet.
Ultrasound (US) imaging is due to its real-time character, low cost, non-invasive nature, high availability, and many other factors, considered a standard diagnostic procedure during pregnancy.
The quality of diagnostics depends on many factors, including scanning protocol, data characteristics and visualization algorithms.
In this work, several problems of ultrasound data visualization for obstetric ultrasound imaging are discussed and addressed.
The capability of ultrasound scanners is growing and modern ultrasound devices produce large amounts of data that have to be processed in real-time.
An ultrasound imaging system is in a broad sense a pipeline of several operations and visualization algorithms.
Individual algorithms are usually organized in modules that separately process the data.
In order to achieve the required level of detail and high quality images with the visualization pipeline, we had to address the flow of large amounts of data on modern computer hardware with limited capacity.
We developed a novel architecture of visualization pipeline for ultrasound imaging.
This visualization pipeline combines several algorithms, which are described in this work, into the integrated system.
In the context of this pipeline, we advocate slice-based streaming as a possible approach for the large data flow problem.
Live examination of the moving fetus from ultrasound data is a challenging task which requires extensive knowledge of the fetal anatomy and a proficient operation of the ultrasound machine.
The fetus is typically occluded by structures which hamper the view in 3D rendered images. We developed a novel method of visualizing the human fetus for prenatal sonography from 3D/4D ultrasound data.
It is a fully automatic method that can recognize and render the fetus without occlusion, where the highest priority is to achieve an unobstructed view of the fetal face.
Our smart visibility method for prenatal ultrasound is based on a ray-analysis performed within image-based direct volume rendering (DVR).
It automatically calculates a clipping surface that removes the uninteresting structures and uncovers the interesting structures of the fetal anatomy behind.
The method is able to work with the data streamed on-the-fly from the ultrasound transducer and to visualize a temporal sequence of reconstructed ultrasound data in real time.
It has the potential to minimize the interaction of the operator and to improve the comfort of patients by decreasing the investigation time.
This can lead to an increased confidence in the prenatal diagnosis with 3D ultrasound and eventually decrease the costs of the investigation.
Ultrasound scanning is very popular among parents who are interested in the health condition of their fetus during pregnancy.
Parents usually want to keep the ultrasound images as a memory for the future.
Furthermore, convincing images are important for the confident communication of findings between clinicians and parents.
Current ultrasound devices offer advanced imaging capabilities, but common visualization methods for volumetric data only provide limited visual fidelity.
The standard methods render only images with a plastic-like appearance which do not correspond to naturally looking fetuses.
This is partly due to the dynamic and noisy nature of the data which limits the applicability of standard volume visualization techniques.
In this thesis, we present a fetoscopic rendering method which aims to reproduce the quality of fetoscopic examinations (i.e., physical endoscopy of the uterus) from 4D sonography data.
Based on the requirements of domain experts and the constraints of live ultrasound imaging, we developed a method for high-quality rendering of prenatal examinations.
We employ a realistic illumination model which supports shadows, movable light sources, and realistic rendering of the human skin to provide an immersive experience for physicians and parents alike.
Beyond aesthetic aspects, the resulting visualizations have also promising diagnostic applications.
The presented fetoscopic rendering method has been successfully integrated in the state-of-the-art ultrasound imaging systems of GE Healthcare as HDlive imaging tool.
It is daily used in many prenatal imaging centers around the world.
The quality of diagnostics depends on many factors, including scanning protocol, data characteristics and visualization algorithms.
In this work, several problems of ultrasound data visualization for obstetric ultrasound imaging are discussed and addressed.
The capability of ultrasound scanners is growing and modern ultrasound devices produce large amounts of data that have to be processed in real-time.
An ultrasound imaging system is in a broad sense a pipeline of several operations and visualization algorithms.
Individual algorithms are usually organized in modules that separately process the data.
In order to achieve the required level of detail and high quality images with the visualization pipeline, we had to address the flow of large amounts of data on modern computer hardware with limited capacity.
We developed a novel architecture of visualization pipeline for ultrasound imaging.
This visualization pipeline combines several algorithms, which are described in this work, into the integrated system.
In the context of this pipeline, we advocate slice-based streaming as a possible approach for the large data flow problem.
Live examination of the moving fetus from ultrasound data is a challenging task which requires extensive knowledge of the fetal anatomy and a proficient operation of the ultrasound machine.
The fetus is typically occluded by structures which hamper the view in 3D rendered images. We developed a novel method of visualizing the human fetus for prenatal sonography from 3D/4D ultrasound data.
It is a fully automatic method that can recognize and render the fetus without occlusion, where the highest priority is to achieve an unobstructed view of the fetal face.
Our smart visibility method for prenatal ultrasound is based on a ray-analysis performed within image-based direct volume rendering (DVR).
It automatically calculates a clipping surface that removes the uninteresting structures and uncovers the interesting structures of the fetal anatomy behind.
The method is able to work with the data streamed on-the-fly from the ultrasound transducer and to visualize a temporal sequence of reconstructed ultrasound data in real time.
It has the potential to minimize the interaction of the operator and to improve the comfort of patients by decreasing the investigation time.
This can lead to an increased confidence in the prenatal diagnosis with 3D ultrasound and eventually decrease the costs of the investigation.
Ultrasound scanning is very popular among parents who are interested in the health condition of their fetus during pregnancy.
Parents usually want to keep the ultrasound images as a memory for the future.
Furthermore, convincing images are important for the confident communication of findings between clinicians and parents.
Current ultrasound devices offer advanced imaging capabilities, but common visualization methods for volumetric data only provide limited visual fidelity.
The standard methods render only images with a plastic-like appearance which do not correspond to naturally looking fetuses.
This is partly due to the dynamic and noisy nature of the data which limits the applicability of standard volume visualization techniques.
In this thesis, we present a fetoscopic rendering method which aims to reproduce the quality of fetoscopic examinations (i.e., physical endoscopy of the uterus) from 4D sonography data.
Based on the requirements of domain experts and the constraints of live ultrasound imaging, we developed a method for high-quality rendering of prenatal examinations.
We employ a realistic illumination model which supports shadows, movable light sources, and realistic rendering of the human skin to provide an immersive experience for physicians and parents alike.
Beyond aesthetic aspects, the resulting visualizations have also promising diagnostic applications.
The presented fetoscopic rendering method has been successfully integrated in the state-of-the-art ultrasound imaging systems of GE Healthcare as HDlive imaging tool.
It is daily used in many prenatal imaging centers around the world.
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