Repräsentation und Visualisierung von Variabilität in dreidimensionalen anatomischen Atlanten

Da einerseits computerbasierte anatomische Atlanten in der Regel von einem Individuum abgeleitet sind, andererseits die morphologische Variabilität in vielen medizinischen Fragestellungen eine große Rolle spielt, wird langfristig angestrebt, ein Körpermodell zu entwickeln, das die menschliche Anatomie in ihrer ganzen Variationsbreite repräsentiert. Im Rahmen des beantragten Projektes soll auf der Basis des VOXEL-MAN-Systems die Grundstruktur für ein Modell geschaffen werden, das die Varibilität der menschlichen Anatomie in geeigneter Weise repräsentieren kann. Für die Modellierung der anatomischen Formen und deren Variabilität soll die M-rep-Repräsentation verwendet werden, die eine sehr kompakte Beschreibung von anatomischen Objekten auf der Basis ihrer Mittelachsen bietet. So beschriebene Formvarianten sollen mit einem detaillierten Volumenmodell verknüpft werden, derart, dass Organe aus dem Volumenmodell nach Maßgabe der M-rep-Formbeschreibung verformt werden. Hiermit wird eine realistische visuelle Darstellung der Formvarianten sowie die Visualisierung von Texturen des Organinneren, z.B. durch das Setzen von Schnitten, ermöglicht. Darüber hinaus sollen Visualisierungverfahren für die Variabilität innerhalb von Kollektiven und die zeitliche Veränderung von Formen untersucht und implementiert werden. Die Entwicklung der Methodik zur Integration der Formmodelle in den Atlas soll anhand eines statistischen Nierenmodells erfolgen, das auf 30 verschiedenen Nieren basiert. Am Ende soll ein Demonstrationssystem stehen, anhand dessen die entwickelte Methodik erprobt und evaluiert werden kann.

In dem Projekt wurde auf der Grundlage des VOXEL-MAN-Systems ein Framework zur Erstellung von 3D-Variabilitätsatlanten entwickelt, in denen die interindividuelle Variabilität der räumlichen Morphologie von anatomischen Strukturen in einem Kollektiv sowie zeitliche Formveränderungen bewegter Organe repräsentiert und dargestellt werden können. Hierdurch wurden die Darstellungsmöglichkeiten bislang verfügbarer digitaler anatomischer 3D-Atlanten deutlich erweitert, die zumeist von nur einem Individuum abgeleitet sind und keine Informationen über die interindividuelle oder zeitliche intraindividuelle Variabilität der 3D-Organmorphologie enthalten. Für die Modellierung der anatomischen Formen und ihrer Variabilität wird die M-rep-Repräsentation verwendet, die eine kompakte Beschreibung von anatomischen Objekten auf der Basis ihrer Mittelachsen ermöglicht. Für eine Visualisierung der Formvarianten im Kontext der umgebenden Anatomie werden die Formmodelle mit einem volumenbasierten Referenzmodell der inneren Organe verknüpft, welches auf dem Visible Human Datensatz basiert. Das volumenbasierte Referenzorgan wird unter Verwendung der M-rep-Formbeschreibung in die verschiedenen Formvarianten des Organs deformiert, wodurch realistische visuelle Darstellungen der Organformvarianten in einem Patientenkollektiv sowie die Visualisierung des Organinneren, z.B. durch das Setzen von Schnitten, ermöglicht wird. Die Entwicklung der Methodik zur Integration der Formmodelle in den Atlas wurde exemplarisch zum einen anhand von 48 3D-Modellen der Niere vorgenommen, die aus räumlichen CT-Bilddaten gewonnen wurden. Nach Generierung eines m-repbasierten, statistischen Formmodells konnten die mittlere Formrepräsentation der Organe eines Kollektivs sowie deren bevorzugte Formvariationen visualisiert werden. Zum anderen wurden am Beispiel der atmungsbedingten Lungenbewegung auch dynamische Prozesse aus zeitlich hochaufgelösten 4D-Bilddaten modelliert und eine M-rep-basierte Darstellung der dynamischen Formveränderungen im Atlas ermöglicht. Durch die erweiterte integrierte Wissensbasis ist es zudem möglich geworden, Zusatzinformationen über die dargestellte Organe wie z.B. das Alter oder Geschlecht des zugehörigen Patienten sowie morphologische Parameter, die aus der M-rep- Modellierung gewonnen wurden, im Atlas zu hinterlegen und für den Benutzer organbezogen abrufbar zu machen. Im Rahmen des Projektes ist somit ein leistungsfähiges Framework für die Modellierung und Visualisierung von Formvariabilitäten von Organen in anatomischen Atlanten entstanden.