Medizinische Visualisierung

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1 Mediziniche Viualiierung Vorleung Univeriä Koblenz-Landau Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH

2 Agenda Wiederholung Darellung von Volumendaen DICOM-Sandard und -daeiforma Prai Themenüberblick Wiederholung/Grundlagen Compuergrafik OpenGL-Pipeline Mahemaiche Grundlagen Tranformaionen Kameramodelle Organiaoriche opional) Themen für Maer-Zuazleiungen MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 2

3 NEU: Gebäude M Höraal M Veranalunghinwei MTI-Kolloquium WS 22/23 Di 8:-9: Uhr M

4 Wiederholung Volumen-Viualiierung DICOM

5 Praibeipiele OiriX nur für Mac klinicher DICOM/PACS-Viewer MeViLab al modulare plaformunabhängige Tool Beipiele: Modaliäen CR XA CT MR PET Side-b-Side CT+MR Fuion CT+PET 3D-Volumenrendering... MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 5

6 Einführung In Compuergrafik üblich: polgonale Oberflächen ohne Inhal Viualiierung von oliden 3D-Srukuren eigene Verarbeiungpipeline: Akquiiion der Daen Bildgebende Verfahren z.b. CT MR) Simulaionen Eerne Seme Tranferfunkion Applikaion/Hardware Sampling Filerung Klaifikaion Shading Compoiing Anzahl/Aband der Slice oder Sample enlang Sehrahl Inerpolaion der vorhandenen Daen für Sample Zuweiung von Farbe und Opaziä/ Tranparenz Auwerung von Beleuchung-modellen Inegraion zu Endbild Darellung MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 6

7 Daenrukuren Biher geomeriche Oberflächen: Dreieckneze mi/ohne Topologie Parameriche Flächen Bézier NURBS ec.) Oberflächen reichen nich daher: Punkewolken) Volumenelemene Zuäzlich ind den Elemenen mei Aribue zugeordne: Skalare z.b. Temperaur Druck Gewebediche) Vekoren z.b. Gechwindigkei Gradienen DTI 7D)) MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 7

8 Grundlagen DICOM DICOM-Infrarukur Bilddaen und Befunde al fir-cla ciizen Nezwerk zum Auauch der digialen Daen inkl. Archiv PACS) Abgrenzung zu HL7 HL7 = Healh Level 7 vgl. ISO/OSI-Schichmodell) Sandard für Geundheieme im Allgemeinen Abrechnungen Paienenmanagemen Labordaen ec. Überblick DICOM/HL7-Infrarukur MedInfo Wiki) RIS üblicherweie Schnielle MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 8

9 Daenrukur Hierarchicher Aufbau mi Paien al Wurzel Sudien) Serien) Bilder)/Inanzen) Paienendaen: Name Geburdaum Vericherungnummer Sau ec. Beipiel DICOM-Daenrukur MedInfo Wiki) Eindeuige Zuordnung durch einmalige ID-Nummer Unique Idenifier ) Grundlage: DICOM-Modelle MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 9

10 DICOM-Daeiforma DICOM-Daeien inegrieren Mea- Informaionen Header) in Daei fee Schema für Kompaibiliä binäre Forma: Meadaen zuammen mi den Bilddaen Beipiel: Daenaz bi pro Voel Tranfer Sna UID: Raw daa Eplici VR Lile endian Iorope Voel 222 mm) MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH

11 Wiederholung Prai

12 Aufgabe Schlagen Sie für die folgenden klinichen Fallbeipiele geeignee Bildgebungverfahren Modaliäen) vor und begründen Sie Ihre Auwahl kurz. Bandcheibenvorfall Heenchu ) Gefäßverengung am Unerchenkel: Darellung und Quanifizierung der Bluzirkulaion Krebpaien Schilddrüe): Konrolluneruchung der beroffenen Regionen) MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 2

13 Aufgabe 2 Skizzieren bzw. bechreiben Sie für folgende Siuaionen die DICOM-Hierarchie im PACS Paien A 998: Unfall Überich-CT 2 Röngen-Aufnahmen) 29: Check-up Laborbefunde Belaung-EKG Haucreening) Paien B 2: Verdach auf Schlaganfall MRT EKG 2 Angiographien Konroll-MRT) MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 3

14 Themenüberblick Mediziniche Grundlagen Anaomiche Grundlagen Bildgebende Verfahren Daenrepräenaion Seme Compuergrafik Wiederholung Grundlagen Rendering GPU-Programmierung uw.) Viualiierungpipeline Weierführende Algorihmen Viualiierung z) imporance volume enr poin map 2 coefficien vecor +2 Spezielle Renderingverfahren Verarbeiung großer Daenmengen z z Kliniche Anwendungen MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 4

15 Wiederholung/Grundlagen Compuergrafik

16 Grundlagen: OpenGL Open Graphic Librar Low-Level Bibliohek zur Darellung von 3D Objeken Herellerunabhängige Sem ei ca. 992 gegenüber anderen Seme eablier OpenGL Archiecure Review Board ARB) regel Neuerungen eenion ) heue im Prinzip nur noch DirecX und OpenGL relevan Konequene ae-machine -Konzep ab jez alle ro mi der Roaion uw. bi wieder geänder wird effiziener al jede Mal Informaionen zu übergeben neuee Verionen gehen zunehmend in Richung Objekorienierung Akuelle Verion: OpenGL 4.2 MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 6

17 Grundlagen: OpenGL Codebeipiel: glclearcolor....); glcleargl_color_buffer_bit); glcolor3f...); glorho ); glbegingl_polygon); glvere3f ); glvere3f ); glvere3f ); glvere3f ); glend); glfluh); weiere Kommando/Biblioheken nöig für Fener Haupprogramm uw. je nach Programmierumgebung/-prache weiegehend unabhängig von Beriebem... mehr dazu bei Bedarf päer bzw. iehe weiere Vorleungen MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 7

18 OpenGL: Primiive Verchiedene Primiivpen in OpenGL auf Reihenfolge achen) GL_POINTS GL_LINE_STRIPLINE GL_LINE_LOOPLINE LOOP GL_POLYGON ehrfachprimiive GL_LINES GL_TRIANGLES GL_QUADS MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 8

19 OpenGL: Primiive 2 Nachrag: weierführende Primiive GL_TRIANGLE_STRIP GL_TRIANGLE_FAN GL_QUAD_STRIP Redundanzen werden durch mehrfach verwendee Veredaen reduzier Heuige Weierenwicklungen: Vere-Arra/-Buffer elb rukurierbare Vere-Informaionen höhere Performanz durch opimieren Daenranfer MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 9

20 OpenGL Pipeline Verarbeiung der Daen in verchiedenen Schrien vergleichbar mi Saionen am Fließband verchiedene Varianen je nach Hardware-Generaion) allgemeine Tendenz: zunehmende Fleibiliä durch Programmierbarkei og. Shader ) Ideal für Paralleliierung: Daen unabhängig verarbeibar MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 2

21 Grundlagen: Mahemaik... Viualiierung/Compuergrafik i viel Mahemaik lineare Algebra Vekoren Marizen uw.) Geomerie/Trigonomerie Numerik Ein paar Grundlagen zum Einieg ;) a Gegeben ein Vekor a = z z z Dreieck Wa i der Berag de Vekor? Wie wird ein Vekor normaliier? MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 2

22 Grundlagen: Mahemaik Gegeben ei ein rechwinklige Dreieck: reieck h a Der in ) i? Folgende Szenario: b b Kamera chau enkrech auf Bildchirmmie Aband Augpunk - Bildchirm ei 2cm Bildchirmgröße i 2 2 cm Wie groß i der horizonale Öffnungwinkel der Kamera? d h MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 22

23 Grundlagen: Mahemaik Weiere häufig benöige Berechnungen Skalarproduk Kreuzproduk Vekor-Mari-Muliplikaion Koordinaeneme KOS) im Prinzip egal in welchem KOS gerechne wird......nur konien verwenden Beipiel: Kreuzproduk F E.>?G79H@?=9CBA7D I.>?GBBCBA7DJ C C E F 7KLA79H@?=9CBA7D I7KLABBCBA7DJ Anwendungbeipiel: Berechnung der Normale eine Polgon in einem Rechem n a E D C A b B MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 23

24 Grundlagen Marizenrechnung Marizenmuliplikaion: aoziaiv nich kommuaiv -> Reihenfolge wichig b2 a2 a22 a23 b22 c22 & & b32 & Tranponiere Mari: a a 2 a 3 a a 2 a 3 A a2 a22 a23 A T a2 a22 a32 & a 3 a32 a33 & a3 a23 a33 üblich: Pomuliplikaion p p & A p p & MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 24

25 Tranformaionen Tranlaion M M ) void Polgon2D::ranlaeVecor2D offe) { for in i=; i<mpoin.ize); i++) mpoin[i] += offe; } Skalierung void Polgon2D::calefloa facor) { for in i=; i<mpoin.ize); i++) mpoin[i] *= facor; } //Geamkalierung voi { Roaion } fl fo void Polgon2D::roaefloa angle) MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH { } floa mp; for in i= ; i<mpoin.ize) ; i++) { mp = mpoin[i].) * coangle) - mpoin[i].) * inangle); mpoin[i].ey mpoin[i].) * inangle) + mpoin[i].) * coangle)); mpoin[i].exmp); } 25

26 MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH Affine Tranformaion und Invere Affine Tranformaionen 26 Invere ) ); ); z R R R ) ); z z T S Inverion bei Skalierungfakor nich möglich & co in in co ) R & ) z S ) co in in co ) z & co in in co ) R & ) z T ) co in in co ) z & co in in co ) R z ) ); ); z R R R Invere: ) ) ); z z T S ben alleine eh happ +) ) & ) z S ) z & ) z T ) co in in co ) z & co in in co ) z ) ); ); z R R R Invere: ) ) ); z z T S Inverion bei Skalierungfakor nich möglich alleine eh pp +) U N I V E R S I T Ä T KOBLENZ LANDAU S. Müller Allgemein Tranformaionmari Tranformaionmari b Tranlaion Skalierung Roaionen f d c b a h f e d z i h g

27 Tranformaionen fl fo M M ) voi { } Tranlaion Skalierung Roaion Allgemein Reihenfolge der Tranformaionen i relevan Skalierung Roaionen Tranlaion a b d e c g h f i z gltranlaef.2); glroaef3); glroaef3); gltranlaef.2); ); MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 27

28 OpenGL - Kamera und Projekion

29 Kameramodell Rendering in OpenGL mi Kameramodell: Welkoordinaenem: Szene Kameradefiniion: Augpunk A Cener C up -Vecor u Berechnung de Kamera- Koordinaenem Felegen eine Abbildungprinzip : orhografich perpekivich z w w z CA w u z u z z C A A C C u A z MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 29

30 Projekion Modelview -Tranformaion al Grundlage: p V T & S T R p Kameraranformaion al ere Kommando M MODELVIEW beliebige affine Tranformaionen folgen Felegung der Abbildung: orhografich perpekivich eigener Mariack: glmarimodegl_projection); komplee Tranformaiongleichung: p M M M ORTHO PERSP R L M PROJECTION V T & S T R M MODELVIEW p MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 3

31 Projekionen im Vergleich r-f) - lb-n) -f r) -n z z - lb) View Fruum glorholrbnf); glfruumlrbnf); MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 3

32 Perpekiviche Projekion 2 Alernaive zu glfruum: gluperpecivehea apec n f) aber: nur mmeriche Fruum möglich... Nur mmeriche Fruum -far -near w apec h h z gluperpecive GLdouble apec near far) MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 32

33 Praibeipiel: Farbwürfel Gegeben: Klae Vecor3D Klae ColorCube Geuch: Würfel mi farbigen Seienflächen Roaiongechwindigkei per Pfeilaen euern Umchalen von orhografich und perpekivich koninuierliche Rendern per idle-funkion MedVi - Vorleung Dr. Mahia Rape SOVAmed GmbH 33