Aus dem Institut fur Mathematik und Datenverarbeitung in der Medizin,

Abteilung Informatik in der Medizin (Direktor: Prof. Dr. K. H. Hohne)

des Universitatsklinikums Hamburg-Eppendorf

3D-Atlas des kardiovaskularenSystems des Menschen auf der Basis

des Visible Human

Dissertation

zur Erlangung des Grades eines Doktors der Medizin

dem Fachbereich Medizin der Universitat Hamburg vorgelegt von

Sebastian Gehrmann

geboren in Luneburg

Hamburg 2003

Angenommen durch den Fachbereich Medizin

der Universitat Hamburg am:

Veroffentlich mit Genehmigung des Fachbereichs

Medizin der Universitat Hamburg

Prufungsausschuss, der Vorsitzende:

Prufungsausschuss: 2. Gutachter:

Prufungsausschuss: 3. Gutachter:

.....................

Danksagung

Hiermit danke ich Prof. Dr. K.H. Hohne und Prof. Dr. U. Schumacher fur dieBetreuung meiner Arbeit. Die interdisziplinare Zusammenarbeit zwischen der in-formatischen und medizinischen Seite hat stets luckenlos funktioniert. Ich dankebesonders Dr. A. Pommert, der meine Fragen zum Programm VOXEL–MAN be-antwortet und standig meine Arbeit unterstutzt hat. Dr. U. Tiede und M. Riemerhaben mich in das Computerprogramm VOXEL–MAN eingefuhrt, ebenso meineFragen zum Betriebssystem beantwortet. Prof. Dr. R. Schubert gab mir Hinweisebei medizinischen Fragen und bei der Segmentation. Durch die Arbeit von A. Pe-tersik und B. Pflesser ist die Operationssimulation erst ermoglicht worden. Auchallen anderen Mitarbeitern des IMDM danke ich fur die freundliche Arbeitsat-mosphare. Erst durch die am Institut fur Mathematik und Datenverarbeitung inder Medizin der Universitat Hamburg entwickelten Methoden zur 3–D Visualisie-rung, einschließlich dem Programm VOXEL–MAN konnte diese Arbeit durch-gefuhrt werden.

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Aufgabenstellung

Das Herz-Kreislauf-System des Menschen ist von besonderer Bedeutung fur dieHumanmedizin. Es ist durch die hohe Anzahl an Gefaßen und ihre komplexenVerlaufe gekennzeichnet und damit fur den Studierenden schwer zu erlernen. Mitdieser Arbeit soll ein computerbasierter Atlas des Herz-Kreislauf-Systems desThorax und des Abdomens erzeugt werden, in dem die Blutgefaße dreidimen-sional in einer verstandlichen und einpragsamen Form dargestellt sind, so daß sievon den Studierenden leichter erlernt werden konnen.

Als Ursprungsdaten sollen Schnittbilder aus dem Visible Human Project ver-wendet werden, bei dem ein menschlicher Leichnam vollstandig geschnitten undabfotografiert wurde. Mit Hilfe dieser Schnittbilder kann das Herz-Kreislauf-Sys-tem rekonstruiert werden. Zu diesem Zweck wird ein Computerprogramm ver-wendet, das im Institut fur Mathematik und Datenverarbeitung in der Medizin derUniversitat Hamburg (IMDM) entwickelt wurde und als VOXEL–MAN Autoren-system benannt worden ist.

Zur Anwendung als Atlas fur den Personal-Computer sollen Filmszenen ent-wickelt werden, die sich interaktiv durch den Anwender steuern lassen. Die Film-szenen werden anschließend in das Programm VOXEL-MAN 3D-Navigator ein-gebunden, das ebenfalls am IMDM entwickelt worden ist. Die darin enthaltenendreidimensionalen Anatomieszenen konnen gedreht, Organgruppen entfernt, ana-tomische Strukturen beschriftet, gefarbt und in ihrem topografischen oder syste-matischen Kontext eingeordnet werden. Der Atlas und die daraus entstandenenFilmszenen sollen zur Demonstration der makroskopischen Anatomie im Medi-zinstudium geeignet und ebenso fur interessierte Laien verstandlich sein.

Mit der Integration der Blutgefaße in den computerbasierten Atlas werden an-schließend weitere Anwendungsgebiete eroffnet, so z.B. sollen virtuelle chirur-gische Operationen durch die Erzeugung des Herz-Kreislauf-Systems ermoglichtwerden. Insbesondere sollen Operationssimulationen durchfuhrbar sein, bei denendie Identifizierung, Unterbindung oder Schonung von Blutgefaßen eine zentraleRolle einnehmen. Zukunftig konnen virtuelle Simulationen auf dem Computer andem dreidimensionalen Korpermodell wesentlich realistischer ausgefuhrt werden,weil das Modelluber ein detailliertes Herz-Kreislauf-System verfugt.

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Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Blutgefaße in Lehrmitteln der Anatomie 32.1 Atlanten und Lehrbucher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Computerbasierte Darstellung des Herz-Kreislauf-Systems . . . . 82.3 Vorlagen zur Rekonstruktion des Herz-Kreislauf-Systems . . . . . 9

3 Material und Methoden 103.1 Visible Human Male . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2 VOXEL-MAN Autorensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.3 Segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.4 Bereits segmentierte Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.5 Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.6 Wissensbasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.7 VOXEL–MAN 3D-Navigator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4 Ergebnisse 294.1 Anatomische Besonderheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.2 Segmentierte Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.3 Gefaßmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.3.1 Halsregion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.3.2 Obere Extremitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.3.3 Brust- und Bauchwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.3.4 Brusthohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.3.5 Bauchhohle und Becken . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.4 Szenenbearbeitung fur den VOXEL–MAN 3D-Navigator . . . . . 434.5 Tabelle der erzeugten Organe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5 Anwendungen 545.1 Anwendungen in der medizinischen Ausbildung . . . . . . . . . . 545.2 Klinische Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6 Diskussion 606.1 Wahl der Schnittbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606.2 Identifizierung der Gefaße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616.3 Wahl des Rekonstruktionsverfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . 616.4 Vollstandigkeit des Herz-Kreislauf-Systems . . . . . . . . . . . . 63

7 Zusammenfassung 64

A Literatur 65

B Lebenslauf 69

C Erkl arung 70

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1 Einleitung

Die Kenntnisuber den Aufbau des menschlichen Korpers gehort zum Grundwis-sen eines Arztes. Das detaillierte Wissenuber Lage und Funktion von Blutgefaßenist erst mit der Verbreitung von anatomischen Atlanten in der medizinischen Fach-welt gestiegen. Anatomische Atlanten und andere Sammlungen von Schautafelnsind aber erst eine relativ spate Entwicklung, da es lange auf Ablehnung stieß,den sezierten menschlichen Korper abzuzeichnen. Galen dienten so Sektionen anHunden zur Deutung der anatomischen Verhaltnisse beim Menschen.Uber tau-send Jahre pragte Galen die Anatomie und Physiologie mit der Saftelehre undseiner falschen Deutung des Herz-Kreislauf-Systems. Es bedurfte einer langenund schließlich erfolgreichen wissenschaftlichen Debatte, Galens Irrtumer zu be-seitigen.

Besonders Vesalius ist zu verdanken, daß das Wissenuber das Herz-Kreislauf-System berichtigt wurde. Er war einer der ersten Anatomen, der die menschli-che Anatomie auf Tafeln zeichnete und diese im Unterricht einsetzte. Die ers-ten drei Lehrtafeln von Vesalius aus dem Jahre 1538 zeigten das Adernetz desMenschen (siehe Abbildung 1). Seine Leistung bestand darin, daß er das Ader-netz so realitatsnah wie moglich abbildete. Leider konnte er seine Beobachtun-gen nicht korrekt deuten und die Funktionsweise des Blutflusses daraus ablei-ten, was aber schließlich durch William Harvey um 1628 gelang. Auch Harveyerwarb seine Kenntnisse durch Sektionen, die er hauptsachlich aber an Tierendurchfuhrte. Durch Vesalius Zeichnungen wurde das Medizinstudium anschau-licher und authentischer, weil Mediziner damals selten die Gelegenheit hatten,das Herz-Kreislauf-System an der Leiche zu studieren. Aber auch heute unter-liegt das Studium an der Leiche Beschrankungen. So ist der Praparierkursus nurden Medizinern vorbehalten. Er ist zeitlich begrenzt, außerdem mangelt es haufigan fachlich geschulten Betreuern und an Praparaten. Dennoch ist dieser Kursusder zentrale Teil der Anatomielehre und wird auch in Zukunft noch lange seinenhohen didaktischen Wert behalten.

Gerade das Wissenuber das Herz-Kreislauf-System ist von herausragenderBedeutung, dennuber die Halfte der Todesfalle in den Industrienationen durch Er-krankungen dieses Systems verursacht werden. Degenerative Erkrankungen spie-len eine große Rolle, da sie zu Herzinfarkten und Schlaganfallen fuhren konnen.Ein Arzt muß daher zu allererst die Morphologie des Herz-Kreislauf-Systems er-lernt haben, bevor er diagnostisch und therapeutisch tatig werden kann. Aus demmorphologischen Wissen kann zum Teil auf Funktionen geschlossen werden. Erstdann konnen Fehlfunktionen erkannt und moglicherweise therapiert werden.

Um die Anatomie zu studieren, bedarf es neben Vorlesungen zusatzlicher In-formationsquellen. Dazu bieten sich Lehrbucher und anatomische Atlanten an.Jedoch sind die Bucher nicht geeignet, den dreidimensionalen Verlauf von Blut-gefaßen abzubilden. Deshalb wird ein neues Medium zur Vermittlung auch dieserInhalte gefordert.

Neue Methoden der medizinischen Computergrafik und Bildverarbeitung er-moglichen, auf dieser Basis einen neuartigen anatomischen Atlas desHerz-Kreislauf-Systems zu erzeugen. Der Atlas soll computerbasiert das Herz-Kreislauf-System dreidimensional darstellen. Der Atlas wird in Form eines Com-puterprogramms erstellt, das einen virtuellen menschlichen Korper zeigt. Das

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Abbildung 1:Die ersten gedruckten anatomischen Szenen von Vesalius zeigtendas Herz-Kreislauf-System. Diese Tafel hat neue Maßstabe fur die medizinischeAusbildung gesetzt, da man nun auch außerhalb des Sektionssaals professionellgezeichnete Blutgefaße erlernen konnte. Sektionen wurden damalsoffentlich vonungelernten Badern durchgefuhrt und hatten einen geringen Stellenwert in dermedizinischen Ausbildung.

Computerprogramm soll im Rahmen des Projekts VOXEL-MAN des Institutsfur Mathematik und Datenverarbeitung in der Medizin (IMDM) der UniversitatHamburg entstehen. Das Programm richtet sich in erster Linie an Medizinstuden-ten undArzte, die ihr Wissenuber das menschliche Blutgefaßsystem vertiefenwollen. Der Atlas ist in ein bestehendes Modell menschlicher Organe integriertworden. Das entstandene Modell des Menschen zeigt nun nahezu vollstandig diemakroskopische Anatomie. Der Atlas soll fur die Lehre in der Anatomie geeignetsein, virtuelle anatomische Sektionen sollen durchgefuhrt werden konnen, fernersollen chirurgische operative Simulationen ermoglicht werden.

Auch der heutzutage durchgefuhrte Sektionskursus hat Elemente chirurgischerOperationen. Falls zukunftig der Computer realistisch virtuelle Operationen zulaßt,konnte auf Teile des Praparierkurses im Medizinstudium verzichtet werden. Denk-bar ware ein Sektionsprogramm auf der Basis des Atlas des Herz-Kreislauf-Sys-tems, bei dem der Anwender wiederholbare Sektionen simulieren kann.

Bevor jedoch eine realistische Operationssimulation begonnen werden kann,benotigt man einen detaillierten virtuellen Korper. In dieser Arbeit soll der Grund-stein dafur gelegt werden.

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2 Blutgefaße in Lehrmitteln der Anatomie

In diesem Kapitel soll einUberblickuber die derzeit vorhandenen Lehrmittel derAnatomie gegeben werden. Lehrbucher und Atlanten werden im ersten Abschnittbehandelt. Die neueren Lehrmittel, computerbasierte Atlanten, sind der Gegen-stand des Kapitels 2.2. Das letzte Unterkapitel widmet sich den Vorlagen, die beider Erstellung von anatomischen Bildern notwendig sind.

2.1 Atlanten und Lehrbucher

In der Regel basiert die medizinsche Ausbildung auf Lehrbuchern und anato-mischen Atlanten. Im universitaren Studium wird Anatomie außerdem in Vor-lesungen, anhand von Kunststoffmodellen, an der Leiche und daraus hergestelltenPraparaten und Plastinaten, sowie am lebenden Menschen gelehrt. Bisher domi-nieren von allen beschriebenen Medien das Lehrbuch und der anatomische Atlas.

Ausfuhrliches Wissenuber die anatomische Morphologie, Lage und Funktionist in Lehrbuchern, wie z.B. [Benninghoff, 1985], [Fricket al., 1996] und[Schiebleret al., 1995] zu finden. Atlanten geben in erster Linie Bildinformatio-nen in Form von Praparierszenen oder Korperschnitten wieder. Diese Trennungvon Bild und ausfuhrlichem Wissen ist bei gedruckten Medien zwarublich, je-doch kann man auch in Lehrbuchern einige Abbildungen finden.

Abbildungen konnen in vier Grundtypen klassifiziert werden, in Schemata,Halbschemata, gezeichnete Abbildungen und Fotografien.

• Schemata des Herz-Kreislauf-Systems verzichten auf die Darstellung um-liegender Organe und realer Lagebeziehungen, stattdessen stehen Nomen-klatur und Versorgungsprinzipien im Vordergrund. Die Reihenfolge derAsteund Gefaßkreislaufe ist ebenfalls dargestellt. Abbildung 2 zeigt ein solchesSchema des Herz-Kreislauf-Systems.

• Halbschemata sind dagegen zur Darstellung von Lagebeziehungen geeig-net. Die Organe werden auf wesentliche Strukturen reduziert, Details ver-nachlassigt, Gefaßverlaufe werden besonders hervorgehoben. WichtigeStrukturen werden farblich gekennzeichnet, unwichtige in grau als Hinter-grund dargestellt. Abbildung 3 zeigt ein solches Halbschema.

• Anatomieatlanten kann man in gezeichnete und in fotografische Atlanteneinteilen. Gezeichnete Bilder deuten starker auf den wesentlichen Teil hin,da der Zeichner die ihm wichtig erscheinenden Strukturen zeichnerischstarker betonen kann, als es auf einer Fotografie moglich ist. Das Herz-Kreislauf-System, dessen Gefaße auf einer Fotografie unubersichtlich er-scheinen, werden auf einem gezeichneten Bild anschaulicher und leichternachvollziehbar dargestellt. Jedoch verliert das gezeichnete Bild stets anInformation. Ein fotografisches Bild vermag die Wirklichkeit des Objektsdurch dessen exakte Proportionen und raumliche Dimensionen wesentlichgenauer und realistischer darzustellen als die meist vereinfachte Zeichnung.Diese Genauigkeit der Darstellung ist hingegen in einigen Situationen not-wendig, beispielsweise im Sektionskursus. Praparate weisenahnliche For-men und Farben wie die Fotografien im Atlas auf, so daß der Student sich

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Abbildung 2: Schematische Darstellung der Blutgefaße [Lippert, 1994]. DieSchemata der Leitungsbahnen sind geeignet zum Studieren der Namen und Zweigevon Arterienstammen. Da raumliche Aspekte zu Nachbarorganen vernachlassigtwerden und auch die Großenrelationen der Gefaße zueinander nicht der Realitatentsprechen, werden diese Tafeln hauptsachlich zum Studium der Systematik ver-wendet.

wahrend des Kurses besser an den Fotos orientieren kann. FormalinfixiertePraparate weisen nicht mehr die ursprunglich vitalen Farben auf und drif-ten in Grautone, die in fotografischen Atlanten ebenso abgebildet werden,deshalb ist die fotografische Form realitatsnah.

In Abbildung 4 ist ein Ausschnitt der oberen Bauchorgane aus dem Pernkopf-Atlas [Platzer, 1989] zu erkennen. Dieser Atlas zeigt ausschließlich gezeichneteBilder. Gleichwohl gibt es gezeichnete Atlanten, die neben den Zeichnungen Bil-der aus der radiologischen Diagnostik enthalten. Ein bekanntes Beispiel dafur istder Atlas von Sobotta [Putz and Pabst, 1993].

Abbildung 5 zeigt einen Ausschnitt aus dem Atlas von Thiel. DiesesBild zeichnet sich durch Farben aus, die den Farben beim Lebendenahneln.Die Farben kommen durch ein spezielles Praparationsverfahren zustande.Die fotografischen Atlanten von [Rohen and Yokochi, 1982], [Vajda, 1989] und[McGrath and Mills, 1984] stellen die Organe hingegen nach Formalinfixierungin grau dar. Diese Atlasbilder zeigen Organe nach filigraner und handwerklichmeisterhafter Praparation.

Bei beiden Atlantentypen, sowohl den gezeichneten als auch den fotografi-schen, ist die Einheitlichkeit der Beschriftung wichtig, die der Sprachauswahlund der Vollstandigkeit. Je mehr Beschriftungen eingezeichnet sind, desto unuber-sichtlicher wird die Szene. In den vorliegenden Atlanten sind die Beschriftungenfest in die Bilder eingezeichnet und konnen nicht entfernt werden. Denkbar waredie geteilte Darstellung in Bild und darubergelegter beschrifteter Folie. Beschrif-tungen der Atlanten zeigen keine Langenausdehnungen von Organen, sondernweisen in Form von dunnen Markierungslinien auf das Organ hin. Die meisten

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Abbildung 3: Halbschematisches Bild [Rohen, 2000]. Dieses Halbschema derBlutgefaße des Abdomens veranschaulicht die Lagebeziehung ausgewahlterNachbarorgane zum Herz-Kreislauf-System. Es wird auf detaillierte Zeichnungzugunsten derUbersichtlichkeit verzichtet, allerdings ist damit der dreidimensio-nale Eindruck herabgesetzt. Wichtige Strukturen, hier die Hauptstamme des Abdo-mens, sind bunt eingefarbt, der Rest ist grau und teilweise transparent dargestellt.Die wichtigsten Lagebeziehungen kommen dennoch zur Geltung.

deutschsprachigen Atlanten benennen die Organe in lateinischer Sprache, anglo-amerikanische in Englisch. Mehrsprachige Atlanten, die offensichtlich von Vorteilwaren, werden selten publiziert.

Im Folgenden werden Beispiele fur fotografische Atlanten genannt und ihreVor- und Nachteile kurz abgehandelt.

Die Praparationsmethode von W. Thiel [Thiel, 1992] verbessert wesentlich dieFarbgebung seines fotografischen Atlas [Thiel, 1996b], der von herausragenderBildqualitat ist. Die Baucheingeweide sind in naturlicher Farbung zu sehen. Sei-ne kurzgefaßten Begleittexte sind auf der gegenuberliegenden Seite abgedruckt.Die Objekte sind nicht beschriftet und deshalb fur den Studierenden der Anato-mie schwer zu begreifen. Es existiert jedoch ein Begleitband, in dem die Organebeschriftet sind [Thiel, 1996a]. In diesem Band sind die Bilder in schwarz-weißdargestellt, die Namen der Organe ebenfalls auf der gegenuberliegenden Seite ab-gedruckt.

Der fotografische Atlas von Janos Vajda [Vajda, 1989] ist im Vergleich dazu

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Abbildung 4:Pernkopf Atlas der Anatomie des Menschen [Platzer, 1989]. Diesedetailliert gezeichnete Szene ist von ihrer Umgebung herausgelost, verdeutlichtdennoch die Lage der dargestellten Organe zu ihren Gefaßen. Großenverhaltnis-se sind korrekt wiedergegeben, ebenso der Verlauf der Gefaße. Die arteriellenGefaße sindublicherweise rot gefarbt, venose blau.

nicht gefarbt, jedoch sehr detailliert. Eine Organfarbung nach Praparation ist hiernicht durchgefuhrt worden.

Der”Atlas of Sectional Anatomy“[McGrath and Mills, 1984] zeigt beschrif-

tete Kryotomschnitte durch das Abdomen. Die Schnitte sind mit hohem Aufwandangefertigt worden, sind aber von geringerer Qualitat als beispielsweise die vomVisible Human Project : Der Abstand der Schnitte ist großer, die Fotografien sindschwarz-weiß, was die Farbinformation ungenutzt laßt. Die Fixierung geschahauch hier nach der traditionellen Formalin-Methode.

”Grants Anatomie“ [Agur, 1999] enthalt hauptsachlich Halbtonzeichnungen,

Schemata, Rontgenbilder, MRT-Schnitte, kurze Texte und Fotos. Seine Intentionist die Anwendung im Praparierkurs, er dient hier am besten zur Identifikationder Strukturen. Seine Farbgebung ist in der aktuellen Auflage durch Nachkolorie-rung der schwarz-weißen Halbtonzeichnungen verbessert worden. Damit wurdenOrganausdehnungen und -grenzen besser erfaßt.

Ausfuhrliche Lehrbucher verfolgenahnliche Konzepte: Sie ordnen die Infor-mationenuber Organe entweder nach Korperregionen oder Funktion. Illustriertwerden die Kapitel mit Schemata und Halbschemata. Im Folgenden werden eini-ge Titel aufgefuhrt und ihre Besonderheiten in Hinblick auf das Herz-Kreislauf-System geschildert.

Das haufig verwendete Lehrbuch”Gray´s Anatomy“ ist nach funktionel-

len Gesichtspunkten geordnet. Hierbei ist das Thema Angiologie ausfuhrlich

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Abbildung 5:Fotografisches Atlasbild [Thiel, 1996b]. Die Farbe der bereits fixier-ten Gefaße ist durch Nachinjektion von rotem Farbstoff in die Arterien verbessertworden. Dadurch unterscheidet sich dieser fotografische Atlas von denubrigen.Die schwarzen Striche im oberen Bildteil sind Haltefaden. Es existiert keine Be-schriftung der Bilder, jedoch ist ein Begleittext und ein beschrifteter Bildband inschwarz-weiß vorhanden, die beide hier nicht abgebildet sind.

[Willams, 1989] abgehandelt und wird durch Schemata, Rontgenangiografien undZeichnungen anschaulich illustriert. Das Kapitel ist neben

”Splanchnology“ und

”Neurology“ das umfangreichste des gesamten Lehrbuches.

Das Lehrbuch [Rohen, 2000] ist nach topografischen Gesichtspunkten geord-net. Seine zahlreichen Halbschemata sind gut fur das Studium geeignet. Der Be-gleitband [Rohen, 1998] ist nach Organfunktion geordnet und erganzt das Lehr-buch.

Fur das Studium ist es notwendig, sowohl ein ausfuhrliches Lehrbuch, als aucheinen anatomischen Atlas zu verwenden, da nur durch die Kombination aus beidenein vollstandigerUberblickuber Morphologie, Lage und Funktion gewonnen wer-den kann. Bei den bisherigen Atlanten und Lehrbuchern finden sich diese Ansatzeder Verschmelzung von Atlas und Lehrbuch nicht oder unvollstandig.

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2.2 Computerbasierte Darstellung des Herz-Kreislauf-Systems

Die Anatomie des menschlichen Korpers mit Computerunterstutzung darzule-gen ist eine neue Moglichkeit. Durch die Entwicklung leistungsfahiger Computerkonnte dieser Schritt erst unternommen werden. Atlanten und Lehrbucher werdenum die neuen Medien in zunehmendem Maße erganzt.

Die elektronischen Medien lassen sich in solche der popularen und derfachspezifischen Anatomie einteilen: Zu popularwissenschaftlichen Programmender Anatomie gehoren

”BodyWorks“ [Tewi-Verlag, 1997],

”Erlebnis Mensch“

[MAD, 2000] und”Der Mensch - glasklar“ [MegaSystems, 2000]. Diese Anato-

mieprogramme sind interaktiv, leicht verstandlich durch multimediale Szenen, diemit Gesundheitstips und Vorsorgeunterweisungen angereichert sind. Diese Pro-gramme enthalten auch modellierte dreidimensinonale Organe, die fur den Laieneindrucklich beschrieben werden. Fur Medizinstudenten reichen die Informatio-nen in diesen Medien jedoch nicht aus.

Zu den fachspezifischen Programmen zahlen Anatomieatlanten in abgescann-ter Form, z.B. von Sobotta [Putz and Pabst, 1993]. Sie bieten die Bilder der kon-ventionell gedruckten Atlanten fur den Computer an ohne multimediale Zusatze.Demgegenuber gibt es Programme, die die multimedialen Fahigkeiten des Com-puters nutzen. Schnittbildanatomie ist das Thema mehrerer interaktiver Compu-terprogramme wie z.B.

”Body Voyage“ [Systhema, 1998], das mit einem Lexikon

fur Anatomie ausgerustet ist und ungefahr 2000 Schnittbilder des Visible HumanMale aufweist, darunter auch einige dreidimensionale Szenen.

Das Programm”Schnittbildanatomie“ [Denker and Hiltner, 1997] zeigt 50

Bandsagenschnitte mit korrespondierenden CT- und MRT-Schnitten und kon-kurriert dadurch mit den

”Scheringatlanten“ [Kueper, 2000a] [Kueper, 2000b],

die als Trainingsprogramme fur angehende Radiologen gelten. Der ScheringSchnittbildanatomie-Atlas enthalt ungefahr 3000 Bilder mit konturierten Struktu-ren ohne dreidimensionale Szenen, der Schering Rontgenanatomie-Atlas konven-tionelle Rontgenbilder. Ein Vorteil der Programme ist die hohe Detailgenauigkeitder Beschriftungen, außerdem lassen die Programme ausgedehntes Suchen zu.

Keines der Programme ist in der Lage, anatomische Strukturen aus Schnitt-bildern zu markieren und fur spatere Studien abzuspeichern, was fur Lernzweckewunschenswert ist. Das Herz-Kreislauf-System spielt eine untergeordnete Rolle,es wird nicht in seiner Systematik, allenfalls in der Topographie erklart. Durcheine hohere Detailtiefe sind die gedruckten Atlanten und Lehrbucher den Com-puterprogrammen bisher weituberlegen. Jedoch ist die virtuelle raumliche Dar-stellung der Organe bei computerbasierten Modellen der wesentliche Vorteil ge-genuber dem zweidimensional gedruckten Buchatlas. Selbst bei fachspezifischenProgrammen sind ausgiebigere Organbeschreibungen und reichhaltigere Begleit-texte zu fordern. Die Anbindung der Programme ans Internet wurde auch eineAktualisierung der Texte und Literaturrecherchen ermoglichen. Alle diese Pro-gramme sind prinzipiell fur das Studium der Medizin geeignet, jedoch genugensie hierfur nur Spezialinteressen, wie z.B. der Radiologie. Außerdem stehen sie inihrem Detailreichtum weit hinter gedruckten Atlanten und Lehrbuchern zuruck.

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2.3 Vorlagen zur Rekonstruktion des Herz-Kreislauf-Systems

Um die Anatomie des Menschen abzubilden benotigt man eine Vorlage und Kennt-nisseuber den ausgewahlten Bereich. Die anatomischen Zeichner und Fotografenbenutzen normalerweise den realen Menschen als Vorlage, sowohl den lebenden,als auch die Leiche.

Es existieren direkte und indirekte Darstellungsmethoden des Herz-Kreislauf-Systems. Beim Einsatz direkter Methoden werden die Gefaße unmittelbar frei-gelegt, wie es bei der Praparation der Leiche und bei chirurgischen Operatio-nen der Fall ist. Bei indirekten Verfahren konnen die Gefaße durch Messen vonBlutstromungen oder anderer gefaßeigener Phanomene dargestellt werden. Dieseindirekten Verfahren eignen sich fur die Gefaßdarstellung beim lebenden Men-schen, dessen Gefaße andere morphologische Eigenschaften haben als die vonLeichen. Bei Leichen werden große Gefaße, sogenannte Kapazitatsgefaße durchden fehlenden Innendruck vom umliegenden Gewebe zusammengepreßt, was sichals Nachteil bei einer Rekonstruktion erweist. Trotzdem dienen die Leichen haufigals Vorlage, weil sie den großen Vorteil mit sich bringen, daß die Gefaße hierbeiim Zusammenhang mit den umliegenden Organen dargestellt werden konnen. Beider indirekten Methode ist dies nicht in der gleichen Weise moglich.

Zu den selten verwendeten Vorlagen gehoren Korrosionspraparate, die selektivdie Gefaße zeigen. Die Gefaße sind mit Kunststoff ausgefullt, der parenchymatoseTeil um die Gefaße herum ist durch Mazeration oder chemische Auflosung ent-fernt. Solche Praparate sind wenigen zuganglich, da sie schwer herzustellen sind.

Fur bestimmte Anforderungen an die Darstellung von Gefaßen existieren alsounterschiedliche Vorlagen. Die Wahl des Verfahrens beeinflußt das Ergebnis derRekonstruktion vom Herz-Kreislauf-System.

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3 Material und Methoden

Fur diese Arbeit bestand zum ersten Mal die Moglichkeit, das Herz-Kreislauf-System aus detaillierten fotografischen Schnittbildern zu rekonstruieren. DerSchnittbilddatensatz wird im folgenden Abschnitt vorgestellt, anschließend wirddas bei der Arbeit verwendete Computerprogramm VOXEL–MAN erlautert.

3.1 Visible Human Male

Der erarbeitete Atlas des menschlichen Herz-Kreislauf-Systems ist anhand vonSchnittbildern modelliert worden, die von der National Library of MedicineColorado am 28.11.1994 als Visible Human Project veroffentlicht worden sind[Ackerman, 1991]. Das Ziel des Projektes war die Schaffung einer allgemeinenReferenz fur die Studie der menschlichen Anatomie und die Entwicklung ei-ner Verknupfung zwischen textbasierten Daten und den bildhaften Strukturen.Wahrend des Projekts entstanden Schnittbilder, die auf verschiedene Art anhandeines einzigen Leichnams gewonnen wurden. Dadurch bot die Verwendung dieserBilder mehrere Vorteile. Die Schnitte erfolgten in geringem raumlichen Abstand,kongruente Bilder aus CT und MRT wurden ebenfalls aufgenommen. Die An-fertigung der Schnittbilder des Visible Human Project wird im Folgenden nahererlautert.

Der beim Visible Human Project vorgestellte Leichnam stammte von einemMann, der seinen Korper der medizinischen Forschung zur Verfugung gestellt hat-te [Ackerman, 1991]. Der 38-jahrige Mann wurde nach einer Verurteilung zur To-desstrafe mittels einer Giftinjektion hingerichtet. Anschließend wurde der Leich-nam gerongt um die Eignung des Korpers zu bestatigen, danach computertomo-graphisch aufgenommen und der Magnetresonanztomographie unterzogen. Dar-aufhin fror man den Leichnam ein und unternahm weitere computertomographi-sche Aufnahmen in einem engen Schichtabstand.

Das Visible Human Project wahlte gerade diesen Korper, da er besonders gutdie physiologische Anatomie eines gesunden Erwachsenen wiedergibt. Dennochergaben sich einige Abweichungen von der normalen durchschnittlichen Anato-mie, die z.T. erst nach der Segmentation auffielen. Als Besonderheiten ergabensich eine Appendektomie und eine linksseitige Orchiektomie.

Die Idee einer Ganzkorperkryotomographie war eine Neuheit und erwies sichals erfolgreich fur die erreichte Auflosung der Schnittbilder. Eine Fixierung derLeiche in eine stabile Lage war zwingende Voraussetzung fur die deckungsglei-che Abbildung der verschiedenen Aufnahmetechniken. So ergab sich ein minima-ler Abbildungsfehler durch Verschiebungen unter den verschiedenen Datensatzenaus CT, MRT und Kryotomie. Nachfolgend werden verschiedene Datensatze desVisible Human Project mit ihren Eigenschaften dargestellt.

• Im Kryotomschnitt wurden 24-Bit-Fotografien in transversaler Richtung miteiner Auflosung von 0,32 mm bei einem Schichtabstand von 1 mm digitalhergestellt. Durch diese Auflosung werden Organgrenzen sehr gut abge-bildet, und Gefaße sind bis in kleine Verzweigungen gut zu erkennen. Jehoher die Auflosung gewahlt wird, desto großer ist die Datenmenge, diedann hohere Recherkapazitaten benotigt. Bei einer Auflosung von 2048 *

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1216 Pixel in 1878 Schichten betragt die Datengroße 15 GB und ist selbstmit heutiger Technologie schwer zu bearbeiten. Aus diesem Grund wurdendie Fotografien auf 330 * 573 Bildpunkte pro Schnitt reduziert bei einerAnzahl von 1049 Schichten. Ein Voxel ist die kleinste Volumeneinheit desKorpers.

Beim Zersagen des Leichnams traten Verarbeitungsfehler auf, die auf denKryotomschnitten sichtbar werden und einige Schichten unbrauchbar ma-chen. Die beim Schnitt zerfallenen Organstrukturen sind ganz oder teilwei-se entfernt worden, was die Qualitat der Bilder verbesserte. Im Hinblick aufeine rechnergestutzte Verarbeitung fullte man die Korperhohlen mit blau-gefarbtem Kunststoff an (siehe Abbildung 6). Dadurch wurde die schwell-wertgesteuerte Segmentation der Aorta mit abzweigenden Gefaßen in Hals-und Abdomenbereich und des aboralen Magendarmtrakts von der Kardia,sowie der Herzklappen wesentlich verbessert.

Die hohe Aufnahmequalitat der Schnittbilder hat wesentlich dazu beigetra-gen, daß dieser Datensatz zur Rekontruktion der Gefaße in dieser Arbeiteingesetzt wird.

Abbildung 6:Dargestellt ist eine Fotografie der Schnittflachen des Visible-HumanKorpers. Die entstandenen Schnittbilder eignen sich hervorragend fur die Rekon-struktion des Herz-Kreislauf-Systems. Der eingebettete gefrorene Korper wurdemit einem speziellen Gefrierhobel, einem sogenannten Kryotom, bearbeitet. DieDarme und Arterien wurden nach dem Anschnitt mit dem Kryrotom teilweise mitblauem Latex ausgefullt, um so den computergesteuerten Rekonstruktionsvorgangzu erleichtern. Neben der blauen Einbettungsmasse kann man das blaue Latexge-misch im Dickdarm und der Aorta erkennen.

• Die CT-Aufnahmen erhielten im gefrorenen Zustand (frozen CT) eine Auf-losung von 512 * 512 Pixel bei einem Schichtabstand von 1 mm in 12 BitPixeltiefe. Die Auflosungen des frozen CT-Datensatzes betragt damit 1 mmBildpunktgroße. Bei der Erstellung der CT-Aufnahmen traten Artefakte inden Schnittbildern auf, da beide Arme seitlich am Korper anlagen und mit

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ihren rontgendichten Knochen Schattenartefakte entstehen ließen und weilder gefrorene Korper ein anderes Dichteverhalten im CT aufwies.

Der Grund fur die Wahl dieses Datensatzes liegt in seinem engen Schicht-abstand, der vom postmortalen Datensatz (fresh CT) nicht erreicht wird.Der frozen CT-Datensatz ist zur Erstellung des Skeletts geeignet und erfulltdafur die notige Auflosung.

• Die Auflosung des MRT-Datensatzes (T1-Sequenz) betragt 256 * 256 Pixel.Die Bildpunktgroße liegt bei ca. 2 mm bei einem Schichtabstand von 5 mm.Das war zur Segmentation der Organstrukturen zu weit auseinander liegend,da die Koharenz durch Interpolation erhalten wird und sich hieraus ein zugroßer systematischer Fehler ergibt. Außerdem ist die Auflosung zu niedrig.Im Ergebnis hatte ein rekonstruiertes Organ an der Oberflache eine zu großeund auffallige Stufenbildung erhalten. Trotz der hohen Grauwertabstufungder einzelnen Organe kann deshalb der MRT-Datensatz des Visible HumanProject in der Arbeit keine Verwendung finden.

Zusammenfassend kann man feststellen, daß der Kryotomdatensatz des Visi-ble Human Project sehr gut als Basis fur die in dieser Arbeit angestrebte Erstel-lung eines 3-D-Computermodells des Herz-Kreislauf-Systems geeignet ist (sieheAbbildung 7).

Abbildung 7: Die vier Schnittbilddatensatze werden hier nebeneinander dar-gestellt. Der CT-Datensatz im gefrorenen Zustand oben links zeigt eindeuti-ge Mangel an Weichteilkontrast im Vergleich zum nativen ungefrorenen CT-Datensatz oben rechts. Der MRT-Datensatz unten links ist von geringererAuflosung als dieubrigen. Fur die Rekonstruktion der Blutgefaße eignet sich derKryotomiedatensatz unten rechts. Dieser Datensatz bietet die hochste Auflosungbei gleichzeitig großtem Weichteilkontrast, so daß besonders die Blutgefaße her-vorragend abgebildet werden.

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3.2 VOXEL-MAN Autorensystem

Fur die Erstellung des Modells des Herz-Kreislauf-Systems wurde das VOXEL-MAN Autorensystem aus dem Institut fur Mathematik und Datenverarbeitung inder Medizin (IMDM) verwendet [Hohneet al., 1990], [Hohneet al., 1995]. Es istin der Lage, beliebige Schnittbilddatensatze verschiedener Modalitaten zu einemBildvolumen zu fusionieren. Aus diesem Volumen konnen mit Modulen zur Seg-mentation und Modellierung dreidimensionale Objekte erzeugt werden. Zu denProgrammteilen gehort eine Modul, das die Anbindung von beschreibendem Wis-sen an die Objekte ermoglicht.

Das Programm besitzt eine intuitive Benutzeroberflache, die im Menu dieWerkzeuge zur Manipulation der Objekte zur Verfugung stellt. Die aus Schnitt-bildern rekonstruierten Objekte und dreidimensionalen Szenen werden in mehre-ren Bildschirmfenstern angezeigt. Neben den Fenstern, die Koronar-, Transversal-und Sagittalschnittbildbrowser enthalten, bietet der VOXEL–MAN ein Fenster zurDarstellung der Objekte im virtuellen Raum. In allen diesen Fenstern lassen sichdie enthaltenen Organe beschriften, farben, entfernen und schneiden (siehe Abbil-dung 8).

Mit dem Programm VOXEL–MAN ist es moglich, einen multimodalen Da-tensatz aus CT und Kryotomie, wie z.B. den des Visible Human Project, zu ver-arbeiten [Pommertet al., 2001]. Zuerst werden dafur die Schnittbilder des VisibleHuman Project in das IMDM-eigene Format fur Volumendatenuberfuhrt. DurchInterpolation zwischen den Schnittbildern werden isotrope Volumina mit kubi-schen Volumenelementen (Voxeln) erzeugt. Jedes einzelne Voxel in diesem Vo-lumen enthalt einen diskreten Farbwert aus dem Kryotomdatensatz, bzw. einenGrauwert aus dem CT-Datensatz. Aus diesem Volumen kann nun mit den in denfolgenden Abschnitten beschriebenen Verfahren der Segmentation bzw. Model-lierung das 3-D-Modell des Herz-Kreislauf-Systems erzeugt werden.

Das Programm VOXEL–MAN Autorensystem ist in der ProgrammierspracheANSI-C geschrieben und wird im Betriebssystem UNIX verwendet. Wegen dergroßen Datenmenge der Schnittbilder werden Hauptspeicher bis 1,5 GB RAMeingesetzt, die arbeitsfahige Prozessorgeschwindigkeit belauft sich auf 500 Mhz,und eine Truecolour-Grafikkarte wird eingesetzt. Eine ausreichend hohe Arbeits-geschwindigkeit kann durch diese Konfiguration erwartet werden. Der Einsatz desBetriebssystems LINUX erlaubt es auch, einen handelsublichen Prozessor, z.B.der Firma Intel, zu verwenden. Der benotigte Festplattenspeicher zur Sicherungder Objekte in der Segmentationsmethode muß mehrere Gigabyte betragen.

3.3 Segmentation

Um Objekte wie Blutgefaße isoliert dreidimensional darstellen zu konnen, muß-ten die zu ihm gehorenden Volumenelemente identifiziert und markiert werden.Diesen Vorgang nennt man Segmentation. Man unterscheidet daher das manuelle,halbautomatische und automatische Verfahren. Die manuellen Verfahren konnenbei dem Kryotomdatensatz nur mit großem Zeitaufwand durchgefuhrt werden, dadie Anzahl der Voxel des Datensatzes der Kryotomie sehr hoch ist: bei 1049 Kryo-tomschichten, einer Schichtbreite von 330, einer Schichtlange von 573 Pixeln er-

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Abbildung 8:Das VOXEL–MAN Autorensystems wird mit Hilfe einer graphischenOberflache bedient. Die Benutzung der drop down Menus, in denen sich ver-schiedenen Werkzeuge zur Rekonstruktion des Korpers befinden, ist intuitiv. DieSchnittbildbrowser zeigen den RGB-Schnittbilddatensatz an, im Service-Fensterfinden sich Werkzeuge zur Manipulation der Objekte. Diese konnen hinzugefugtoder entfernt werden, gefarbt und in wahlbarer Sprache beschriftet werden.

gibt sich eine Anzahl von 198.355.410 Voxeln. Das macht eine manuelle Seg-mentation der Organe zeitaufwendig. Die verwendete halbautomatische Segmen-tationsmethode nach dem Prinzip der Farbschwellwertberechnung kann hingegenOrgane schnell klassifizieren und laßt genugend manuelle Eingriffsmoglichkei-ten in den Segmentationsvorgang zu. Die farbschwellwertbasierte Methode nutztdie unterschiedlichen Farbschattierungen der Organe, um diese in Schnittbildernvoneinander zu trennen [Hohne and Hanson, 1992].

Die meisten Organe sind durch unterschiedliche Farbwerte in den RGB-Schnitt-bildern oder Grauabstufungen in CT- und MRT-Schnittbildern voneinander un-terscheidbar, z.B. sticht die dunkelbraune Leber vom umliegenden hellbraunenFettgewebe hervor. Die Zuordnung

”zum Organ gehorend“ geschieht durch die

Wahl derjenigen Farbmenge, die das Organ im Schnittbild haupsachlich aufweist[Schiemannet al., 1996]. Bei der Segmentation markiert man diejenigen Bild-punkte des Organs in den Schnittbildern, die vom Farbwert das Organ am bestenreprasentieren, z.B. im Fall der Leber moglichst typische dunkelbraune Bildpunk-te. Der Computer berechnet im virtuellen RGB-Raummodell anhand der markier-

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ten Werte ein Ellipsoid (siehe Abbildung 9), das alle diese manuell gewahltenFarbwerte enthalt. Das Ellipsoid beinhaltet die Teilmenge der RGB-Werte, diezum Organ gerechnet werden. Anschließend werden alle Volumenelemente desDatensatzes berechnet, die von ihrem Farbwert dieser Teilmenge angehoren (Ab-bildung 10). Im Idealfall sind dann nur diejenigen Bildpunkte markiert, die dasbetreffende Organ reprasentieren. In der Regel sind allerdings auch andere Bild-punkte falschlicherweise markiert, die ans Organ angrenzen oder entfernt von die-sem liegen. Um dieses Problem zu umgehen, bietet das Segmentationsprogrammdes VOXEL–MAN eine sogenannte Komponentenanalyse als nachsten Schritt.Die Komponentenanalyse kann zusammenhangende Voxelgruppen als Teilmen-gen klassifizieren. Man wahlt die Teilmengen aus, die das Organ reprasentierenund verzichtet auf dieubrigen Cluster. Durch die Komponentenanalyse werdenunpassende Voxelgruppen damit ausgeschlossen und auf diese Weise die Organ-grenze approximiert.

Abbildung 9:Das Bild zeigt den sichtbaren Farbraum, in dem diskrete Volumi-na den verschiedenen Organfarben zugeordnet sind [Pommertet al., 2001]. ZurSegmentationsanalyse werden den farblichen Merkmalen der Organe die Formenvon Ellipsoiden gegeben. Alle im Ellipsoid enthaltenen Farbwerte sind der Mus-kulatur zugeordnet und werden anschließend auf den Schnittbildern automatischmarkiert.

Nach der Komponentenanalyse ist die Voxelmenge des Organs meist vollstan-dig klassifiziert und kann als dreidimensionales Organ visualisiert werden. Mit dergleichen Methode konnen einzelne Teile eines Organs mit heterogener Helligkeitsegmentiert und schließlich zu einem einzigen Organ zusammengefugt werden,beispielsweise wurde der Arcus aortae aus drei Fraktionen zusammengesetzt. Beivielen Organen ist durch die stuckweise Segmentation erst die Rekonstruktionmoglich geworden. Jedoch kommt es manchmal dazu, daß Teile des Organs kei-ne homogene, sondern kantige, stufige Organgrenze bilden. Zur Fraktionierungist hinzuzufugen, daß den Organteilen Kennziffern, sogenannte

”Unique Identifi-

cation Numbers“(UID), zugewiesen sind. Der Arcus aortae umfaßt also drei Or-

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Abbildung 10:Nach der Farbschwellwertanalyse im Farbraum werden alle demOrgan zugeordneten Farbwerte auf den Schnittbildern grun markiert. Alle grunenPixel im Schnittbildbrowser rechts kennzeichnen den Organbereich. Die kolla-bierte Aorta erscheint zwischen dem Wirbelkorper und dem Zwerchfell grun mar-kiert. Zwei unpassende nicht zugehorige Voxelgruppen sind am oberen Bildrandlinks und am unteren Rand rechts ebenfalls grun markiert. In einem weiteren Ar-beitsschritt werden nur die jeweils passenden Voxelgruppen selektiert, so daß dieunpassenden Voxelgruppen weggelassen werden. Das Fenster links erlaubt dieAnderung der Parameter des Ellipsoides im Farbraum. Durch dieses Vorgehenkonnen Organe prazise segmentiert werden.

ganteile mit unterschiedlicher UID. Das Kombinieren der Organteile geschieht ineiner Wissensbasis und bleibt fur den Anwender unsichtbar. Ihm bietet sich nurdas Bild eines vollstandigen Organs.

Fur die Segmentation werden nur solche Objekte ausgewahlt, die sich durchausreichende Große und Farbkonsistenz vom Hintergrund hervorheben. Zu die-sen gehoren insbesondere das venose System mit dunkleren Schattierungen. Eserscheint kontrastreich zum abdominalen hellen Fettgewebe, weil sich hier derGroßteil des Blutes koagulierte. Auch die Aorta ist gut segmentierbar, weil siedurch Injektion des Kunststoffs marineblau eingefarbt ist, ihre Abgange am Arcus-und Abdominalbereich sind ebenfalls gefarbt. So wurde unter Zuhilfenahme desBlauwertes eine Schwellwertanalyse durchgefuhrt und die Segmentation der Aor-ta einschließlich ihrer großen Gefaßabgange ermoglicht. Bestimmte Teile des ar-teriellen Systems sind trotz ihrer Große mit der Segmentationsmethode schlechtzu erfassen: Die Aorta abdominalis weist grobschollige Verkalkungen auf, die imBereich der Bifurkation liegen und mit der Segmentationsmethode schwer dar-stellbar sind. In solchen Bereichen wurde die Methode der Modellierung vorge-zogen.

Nach der Segmentation werden die Organe im dreidimensionalen Raum dar-gestellt. Diesen Vorgang nennt man Visualisierung. Zur Visualisierung werdensogenannte Ray-Casting-Algorithmen verwendet. Parameter wie z.B. Farbe des

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Voxels im Schnittbild, Helligkeit der Beleuchtung und Neigung der Objektober-flachen werden verwendet, um dem segmentierten Organ im virtuellen Raum eineGestalt zu verleihen. Die Organoberflache wird mit einer raumlichen Auflosungdargestellt, die großer ist als der ursprungliche Datensatz. Dies geschieht dadurch,daß das Volumen mit hoherer Auflosung abgetastet wird und die Zwischenwertedurch Interpolation angenahert werden (

”Subvoxelauflosung“), so entstehen nahe-

zu stufenlose Oberflachen. Es ist auch moglich, das Organ nachtraglich in seinemAussehen zu verandern. Das Objekt kann beispielsweise gefarbt oder aus unter-schiedlichen Richtungen beleuchtet werden. Außerdem sind im virtuellen Raumunterschiedliche Blickwinkel und Vergroßerungsfaktoren frei wahlbar. Die Orga-ne konnen auf diese Weise gedreht und von unterschiedlichen Richtungen betrach-tet werden.

Zusammenfassend kann man sagen, daß die farbschwellwertbasierte Segmen-tations- und Visualisierungsmethode mehrere Vorteile bietet. Sie ist relativ schnelldurchfuhrbar und kann großere Gefaße detailliert und realistisch rekonstruieren.Folglich ist sie die Methode der Wahl fur ausgedehnte Organe und großere Gefaße.

3.4 Bereits segmentierte Strukturen

Der bereits vorhandene 3-D-Atlas der inneren Organe enthielt zu Beginn der Ar-beit bereits mehrere Organsysteme, in die das Herz-Kreislauf-System integriertwerden konnte. Dadurch wurde das bestehende Korpermodell erweitert. Zu denbereits segmentierten Organen des Hals- und Thoraxbereiches gehoren das respi-ratorische System mit Trachea, Bronchien und Lungenflugeln. Im Abdomen sinddas Verdauungssystem mit Magen, Darmkonvolut, Leber und Gallenblase, Bauch-speicheldruse, das Harnsystem mit Nieren und Blase, das lymphatische Systemmit der Milz und das muskuloskeletale System segmentiert worden (siehe Ab-bildung 11). Ferner sind Bindegewebe wie Fettgewebe im Thorax- und Abdomi-nalbereich rekonstruiert worden. Das venose System und Teile des Herzens sinddargestellt. Diese wurden jedoch in dieser Arbeit neu segmentiert, weil sie vorherzu grob dargestellt worden sind.

3.5 Modellierung

Fur kleine Objekte wie kleinere Gefaße, die auf den Schnittbildern nur als wenigeVoxel erscheinen, eignet sich die Segmentation nicht. Hierfur wird das Verfahrender Modellierung angewendet. Der Benutzer setzt Landmarken auf Schnittbildernoder einer 3-D-Ansicht, aus denen das Programm kunstliche durch Polygonenapproximierte Oberflachenobjekte erzeugt. Auf diese Weise vereinfachen polygo-nale Rohren die Gefaßstruktur, weil lediglich die Gefaßhulle abgebildet wird. Umzu zeigen, daß diese Vereinfachung kein Nachteil fur die realistische Abbildungder Gefaße ist, wird im folgenden der mikroskopische Gefaßaufbau erklart.

Die Gefaßwand setzt sich aus drei Schichten zusammen, namlich aus innerenIntima, der Media undaußerer Adventitia. Ein einschichtiges Endothel kleidet dasGefaß zur Blutseite aus und ist auf einer Basalmembran befestigt. Das Endothelbildet zusammen mit dem subendothelialen Raum die Intima. Die Media besteht

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Abbildung 11:Vor der Modellierung der Herz-Kreislauf-Systems wurden bereitsOrgangruppen segmentiert. Links sind die Muskeln des Visible Human zu erken-nen, die mit dem Programm VOXEL-MAN Autorensystem segmentiert wurden.Rechts ist ein Ausschnitt der Leber mit dem Darmkonvolut zu erkennen. In dasbestehende Modell des menschlichen Korpers ist das neu segmentierte Gefaßmo-dell integriert worden.

aus glatter Muskulatur und Elastingewebe, sowie den Vasa vasorum. Zur Adventi-tia laßt sie sich durch die Elastica externa und zur Intima durch die Elastica internaabgrenzen. Die bindegewebige Adventitia beeinhaltet vegetative Nervenfasern zurTonussteuerung. Dank des regelmaßigen Sagittalaufbaus ist eine Vereinfachungzu einer einschichtigen Rohrenstruktur gerechtfertigt. Doch auch der Longitudi-nalaufbau unterscheidet die Arterien voneinander, wie Arterien des elastischenTyps von denen des muskularen Typs. Bei herznahen Arterienuberwiegen elasti-sche Membranen, und als solcheuben sie die physiologische Windkesselfunktionaus. Herzferne Arterien sind großtenteils mit einer dickeren glattmuskularen Tu-nica media ausgestattet. Die unterschiedlichen Typen lassen sich nicht mit einerderartigen Modellierung unterscheiden, nur eine Wissensbasis kann eine Einord-nung treffen.

Die Modellierung erfolgt mittels des Tree–Editors (siehe Abbildung 12). Er istein Programm zur Erzeugung von polygonalen Objekten. Dieses Modellierungs-werkzeug ist am IMDM entwickelt worden und ist ein Modul des VOXEL–MANAutorensystems [Rheinwald, 1996]. Der Tree–Editor wird zur manuellen Kontu-rierung anatomischer Hohlstrukturen in Schnittbildern verwendet (siehe Abbil-dung 13). Die damit erstellten Objekte sind stets schlauchformig. Zur Modellie-rung werden Markierungspunkte im Schnittbild gesetzt, die den Weg des Gefaßesabstecken. Jeder dieser Wegpunkte gibt auch den Durchmesser des Gefaßabschnit-tes vor. Der Durchmesser wird so gewahlt, daß das zu modellierende Gefaß imSchnittbild durch den kreisformigen Wegpunkt genau konturiert wird. Die Datenwerden zuerst in Form einer ASCII-Textdatei abgespeichert, in der der Durchmes-ser und die Koordinaten jedes einzelnen Wegpunktes, sowie der Name, die Farbe,

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Abbildung 12:Die Erzeugung polygonaler Hohlorgane ist mit dem Tree-Editormoglich. Auf dem Schnittbild rechts kann das Gefaß gut identifiziert und eine Weg-marke in das Lumen des Gefaßes eingebracht werden. Das Fenster in der Mitteandert die Parameter des Polygons, also Durchmesser, Farbe und Anzahl der Po-lygonen. Außerdem dient es zum Abspeichern des erzeugten Polygonenstranges.Das Fenster rechts dient zur Manipulation der gesetzten Wegpunkte, die man imSchnittbild einbringt. Die moglichen Operationen sind Wegpunkt setzen, entfernenund Polygonenstrange miteinander verbinden.

die Radial- und Axialauflosung des gesamten Objektes angegeben sind.Der folgende Textauszug einer ASCII-Datei beschreibt ein solches Objekt und

dient zur Modellierung der”left axillar artery“, die im darzustellenden Modus

weiß erscheinen soll. Die einzelnen Wegpunkte, die als”Point Position‘“ vermerkt

sind, werden hier derUbersicht halber auf zwei Wegpunkte reduziert.

UI_COMMAND=TE: DEFINE SEGMENTNAME="left axillar artery"VISIBLECOLOR=(1.0,1.0,1.0)AXIALRESOLUTION=3RADIALRESOLUTION=8POINT POSITION=(277.0,149.0,66.0) RADIUS=2.510...POINT POSITION=(338.0,130.0,119.0) RADIUS=1.710

END

Diese Daten werden vom Visualisierungsprogramm eingelesen und auf denSchnittbildern in Form von Kreisen (orthogonal angeschnitten) oder Ellipsen

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Abbildung 13:Die Konturierung der A. mesenterica superior mit dem Tree–Editorist in allen drei Schnittbildbrowsern moglich. Die nachtragliche Veranderung mitder Maus geschieht durch Anwahlen des gewunschten Wegpunktes. Die erzeugtenGefaßstrange werden in das auf den Schnittbildern erkennbare Gefaß eingebrachtund nachtraglich in ihrem Verlauf mehrfachuberpruft, um Verlaufe jenseits derGefaßgrenzen zu vermeiden.

(schrag angeschnitten) angezeigt (siehe Abbildung 13). Im Fenster fur die dreidi-mensionale Projektion ist der modellierte Ast als Polygonenobjekt sichtbar (sieheAbbildung 14) . In allen Darstellungen ist es moglich, nachtraglich Veranderun-gen durchzufuhren, in dem man den zu verandernden Wegpunkt anwahlt und seineParameter modifiziert.

Der Modellierungsvorgang geschieht durch ein einfaches grafisch orientier-tes Bedienelement des Tree–Editors, welches lediglich die BefehlePunkt setzen,loschen, neuen Strang beginnen, Strange verbinden, Verlauf berechnen und bear-beitenausfuhrt. DieAnderung der ParameterFarbeandern, Radius des Wegpunk-tes verandern, Polygonanzahl wahlenerfolgt durch ein separates Bedienelement,das auch die Abspeicherung des ASCII-Textes in Form einer Datei auf Festplatteermoglicht. Durch den Tree–Editor gelingt die Modellierung eines Arterienasts inwenigen Arbeitsschritten und ist damit schneller durchfuhrbar als die semiauto-matische Segmentation mit Farbschwellwertanalysen.

Wie gut sich ein Gefaß mit dem Tree-Editor modellieren laßt, hangt von derGroße und Farbung im Schnittbild ab. Betragt die Große einer Arterie mehr als1mm im Querschnitt, soubersteigt sie die vorliegende Rasterauflosung des Daten-satzes. Damit ist das Gefaß gut sichtbar, falls seine Farbe sich vom umliegendenBindegewebe, meist Fettgewebe, unterscheidet.

Arterien sind stets in Bindegewebe eingebettet und im Gegensatz zu Venenfarblich schwerer davon zu trennen. Besteht Bindegewebe jedoch aus hellfarbi-gem Fettgewebe, so ist der Verlauf der Arterien gut auszumachen. Durch diedrei unterschiedlichen Schnittbildansichten (coronal, sagittal, transversal) wirddas Auffinden der Richtung wesentlich erleichtert. Die im Verlauf tangential an-geschnittenen Arterien sind besser zu identifizieren als orthogonal angeschnittene.

Ist das Gefaß kleiner als 1mm im Querschnitt, so kann die Identifizierung nichtmehr eindeutig erfolgen, da das Gefaß insgesamt an Kontrast im Raster durchden sogenannten Partialvolumeneffekt verliert. Dann ist die Modellierung schwerdurchfuhrbar.

Streifen Arterien drusige Organe wie z.B. das Pankreas, so ist ihr Verlauf nur

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Abbildung 14:Das im Schnittbild modellierte Gefaß wird auch in der dreidimen-sionalen Darstellung auf seine Lageuberpruft. Die hier modellierte Gefaßstrukturist die A. mesenterica superior. Sie ist noch ohne die Oberflachen des Polygo-nennetzes dargestellt, welches das Gefaß undurchsichtig erscheinen laßt. In derAbbildung sind auch segmentierte Gefaße sichtbar. Die Kombination von model-lierten und segmentierten Abschnitten bei einem Gefaß ist moglich.

bei einer Mindestdicke von 2-3 mm sichtbar, da sie sich farblich nicht gut vonihnen differenzieren. Auch bei dicht zusammenliegenden Leitungsbahnen ist eingroßerer Arterienquerschnitt zur Unterscheidung der Gefaße voneinander erfor-derlich.

Nachdem nun polygonale Objekte mit dem Tree-Editor modelliert wordensind, werden sie mit Hilfe eines kurzen Scripts konvertiert und ins VOXEL–MAN Autorensystem integriert. Die konvertierten Objekte sind in ihren Parame-tern nicht mehr mit dem Tree-Editor zu modifizieren. Mehrere polygonale Objektekonnen auch als ein einziges Objekt konvertiert werden, was sich bei Gefaßbaum-en wie denAsten der A. hepatica propria anbietet. Die konvertierten Objekte ent-halten keine Farbattribute. Fur Objekte, die den Arterien zugeordnet werden, istdie Farberot automatisch zugewiesen (siehe Abbildung 15). Im Kapitel Ergebnis-se sind alle Objekte, die in dem Volumendatensatz des VOXEL–MAN Autoren-systems gefunden und modelliert wurden, in einer Tabelle aufgelistet.

Es existieren auch Gefaße, die mit der Methode der Modellierung nicht realis-tisch rekonstruiert werden konnen. Wenn das Gefaß im Querschnitt oval erscheint,

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Abbildung 15:Die polygonalen Gefaße konnen mit den bereits segmentierten Or-ganen des VOXEL–MAN Autorensystem gleichzeitig abgebildet werden. Darausergibt sich eine realistische und detaillierte Darstellung des menschlichen Herz-Kreislauf-Systems. Alle rot gefarbten Objekte sind Arterien, die im Korpervolu-men an passender Stelle modelliert und segmentiert worden sind. Dargestellt sinddie Gefaße der Schulterregion.

kann das Rohrenmodell das Gefaß nicht passend mit dem Tree-Editor konturie-ren. Daher sollten solche Gefaßabschnitte nicht modelliert werden. Insbesonderekollabierte Gefaße gehoren dazu. Solche Gefaße wurden mit der bereits beschrie-benen farbschwellwertbasierten Segmentationsmethode rekonstruiert.

Neben den Objekten, die Blutgefaße reprasentieren, wurden in dieser ArbeitderOsophagus, die Samenleiter und die Harnleiter modelliert.

3.6 Wissensbasis

Es ist eine besondere Eigenschaft der VOXEL-MAN Atlanten, daß sie nicht nurrein visuelle Modelle darstellen, sondern daß in einer Wissensbasis beschrei-bende Informationenuber die anatomischen Objekte gespeichert werden konnen[Pommertet al., 1994], [Schubertet al., 1993]. Dabei handelt es sich zum einenum technische Informationen, wie z.B. die Zusammensetzung von Organen ausbei der Segmentation entstandenen technischen Objekten, oder kunstliche Far-ben, die den Organen zugeordnet werden sollen. Zum anderen handelt es sich

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um Informationenuber Bedeutung und Struktur von Organen, die dem spaterenBenutzer Funktionen ermoglicht, wie

• Erfragung von Namen durch Maus-Klick

• Erfragung der strukturellen Information (zweigt ab, wird versorgt von,...)

• Aufsuchen einer optimalen Ansicht eines Organs durch Mausklick auf Ob-jekte oder Namen.

Die segmentierten und modellierten Gefaße dieser Arbeit sind alle in der Wis-sensbasis enthalten. Die Wissensbasis ist ein Modul des VOXEL–MAN Autoren-systems, dasuber einen Menupunkt aufgerufen werden kann.

Die Wissensbasis muß nun in folgender Weise gefullt werden: Nach der Seg-mentation oder Modellierung wird das erzeugte Organ in einem Script beschrie-ben, in dem die

”Domain“, der

”Generic“, die

”Relation“ und der

”View“ des

Organs zu berucksichtigen sind. Die Domain bezieht sich auf die verschiedenenSystemata der Anatomie: hier stehen die

”Systematische“ und die

”Topographi-

sche“ Anatomie, sowie die”Peritonealverhaltnisse“ zur Verfugung. Als Generic

wird der Objektname eingetragen, der außerdem in verschiedene Sprachenuber-setzt werden kann. Hier werden die Organnamen in Latein, Deutsch und Englischangegeben. Die Relation ordnet die Komponente in das symbolische Netzwerkein und kann auch Attribute wie Schattierungen oder Farben vonubergeordnetenObjekten vererben. So wird ein Gefaß durch die Relation zumubergeordnetenTeil (z.B. Arterien) automatisch die Farbe rot zugewiesen bekommen. Die Rela-tioneneinordnung kann noch weiter klassifiziert werden, z.B. kann das Organ einTeil vomubergeordneten Objekt sein, oder es kann eine Ast-Beziehung vorliegen(siehe Abbildung 16).

Die Darstellung und interaktive Benutzung der Wissensbasis im ProgrammVOXEL–MAN wird durch das

”Knowledge Base Navigation Tool (KNT)“ er-

moglicht. Das dazugehorige”Knowledge Base Display Tool (KDT)“ zeigt die Or-

gannamen in einem Fenster an. Hier ist die Darstellung aller Objekte und Modell-komponenten im Modus

”Index“ und die Darstellung der Hierarchie der Objekte

im”Tree“-Modus moglich. Zweidimensionale Histologieschnitte konnen mit den

makrokopischen Organen verknupft werden. Dies erfolgt durch die HyperImage-Funktion der Wissensbasis.

Eine direkte Abfrage des Organnamens im Schnittbild oder im Camera-Fensterist durch

”Popup-menues“ moglich, die auch die Hierachie des gewahlten Objek-

tes anzeigen. Beispielsweise wird beim Klicken auf ein Blutgefaß mit der rech-ten Maustaste der Organname angezeigt, wobei dieses in den unterschiedlichen

”Aspekten“ in der Systematik aus einem anderen Blutgefaß entspringen kann oder

in der Topografie zu einer Organregion gehort.Die Zuordnung der Organe in eine Hierarchie geschieht durch einfache modu-

lar aufgebaute Relationen, die in ASCII-Dateien abgespeichert werden. Sie wer-den als Teil des Programms VOXEL–MAN beim Programmstart eingelesen unddargestellt.

Das folgende Beispiel zeigt eine Teilbeziehung der Tochterobjekte”Aa. inter-

costales“ bis”A. subclavia sinistra“ zum Mutterobjekt

”Aa. thoracicae“. Diese Re-

lationen werden zur Topographischen Anatomie gezahlt, sie gelten also z.B. nicht

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Abbildung 16:Das Schema zeigt die Funktionsweise der Wissensbasis. Jedem Vo-xel sind die Attribute Dichtewert, Struktur, Funktion und Versorgung zugewiesen.Befragt man die Wissensbasis nach der Struktur Jejunum, gibt sie Auskunftuberdie anderen Attribute, wie Versorgung und Funktion. Im virtuellen Raum kanndie ausgewahlte Struktur angezeigt werden. Dies ist auch aus anderen Perspek-tiven moglich, also konnen beispielsweise alle diejenigen Organvoxel angezeigtwerden, die von der A. mesenterica superior versorgt werden.

fur die Systematische Anatomie. Die hier verwendete Syntax gestaltet einerseitsdie Relationenubersichtlich, andererseits ist sie in Bezug auf ihre Abhangigkei-ten eindeutig. Dies ist eine idealisierte Darstellung der in der Natur vorkommen-den Lage- und Objektbeziehungen. Die Objekte sind noch nicht luckenlos vomMakroskopischen ins Mikroskopische erschlossen. Bisher jedoch kommt es dernaturlichen Mereologie am nachsten, da ein komplexes Netzwerk bereits aufge-baut wurde, das unabhangig von der Objektmorphologie existieren kann.

KB: Define RelationType=PartOfDomain=("Regional Anatomy")

("Aa. intercostales","Aa. bronchiales dextrae","Aa. bronchiales sinistrae","A. thoracic interna dextra","A. thoracic interna sinistra","Truncus brachiocephalicus","A. subclavia sinistra")

"Aa. thoracicae"End

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Die Mutter-Tochterbeziehungen von Gefaßen werden in Form von”PartOf“,

”HiddenPartOf“ und

”BranchingFrom“ realisiert. Im vorangehenden Beispiel ist

der Typ”PartOf“ verwendet worden. Das bedeutet, daß die in der Klammer auf-

gezahlten Gefaße (”Aa. intercostales“ bis

”A. subclavia sinistra“) dem nachfol-

genden Objekt”Aa. thoracicae“ als Teilmenge untergeordnet sind. Bei dem Typ

“HiddenPartOf“ bleiben diese Beziehungen dem Anwender verborgen. Die un-tergegordneten Objekte tauchen namentlich nicht in der Wissensbasis auf. Siewerden bei Organen eingesetzt, die aus mehreren Unterobjekten bestehen, wel-che keine eigenen anatomischen Namen tragen. Beispielsweise geschah das beiden bereits genannten drei Teilen des arcus aortae. Sie wurden einzeln segmen-tiert und zu dem Organ arcus aortae zusammengefuhrt. Der Typ

”BranchingFrom“

wird immer dann eingesetzt, wenn ein Gefaß aus einem anderen Gefaß entspringt.Als Beispiel kann hier die A. thoracica interna angefuhrt werden, die aus der A.subclavia entspringt.

Bisher sind uber 1860 Relationen definiert, darunter 1300 PartOf-, 332HiddenPartOf- und 228 BranchingFrom-Typen.

Zusatzlich kann man Beschreibungen in Form von kurzen Texten mit den Or-ganen unter dem Befehl

”Define Description“ verknupfen, um den Nutzer ausfuhr-

lich uber die Organe zu informieren.

3.7 VOXEL–MAN 3D-Navigator

Um die Modellierungs- und Segmentationsergebnisse auf einem handelsublichenPersonalcomputer demonstrieren zu konnen, werden mit dem VOXEL–MAN Au-torensystem

”Quicktime Virtual Reality“ Szenen entwickelt. Diese Filmszenen

haben Eingang in das Programm VOXEL-MAN 3D-Navigator gefunden[Hohneet al., 2000]. Die neuartigen interaktiven Szenen enthalten alle segmen-tierten und modellierten anatomischen Strukturen des VOXEL–MAN Autoren-systems. Insgesamt wurden 27 Filme zusammengestellt (siehe Abbildung 17), diedie Themengebiete Radiologie und Anatomie beinhalten.

Die dreidimensionalen Szenen konnen derart gestaltet sein, daß der Korper beiMausbewegung in horizontaler Ebene rotiert und die Gefaßgruppen bei senkrech-ter Mausbewegung entfernt werden konnen. Szenen konnen auch so beschaffensein, daß eine transversale RGB-Schicht des Ausgangsdatensatzes durchgehendvon kranial nach kaudal durch den Korper bei senkrechter Mausbewegung wan-dert. Es konnen auch die Schnitte aus dem RGB-Datensatz gleichzeitig nebendem CT-Datensatz und dem rekonstruierten Korper dargestellt werden (siehe Ab-bildung 18). Da die Steuerung der interaktiven Szenen mittels der Maus durch-gefuhrt wird, sind jeweils zwei Prozeduren in einer Szene ausfuhrbar.

Um den raumlichen Eindruck zu verstarken, sind einige der Szenen als”rot-

grune Szenen“ abrufbar (siehe Abbildung 19). Mit einer gleichsinnig getontenBrille erscheint solch eine Szene auf dem Bildschirm dreidimensional. Als weitereEntwicklung konnen durch eine

”Shutter-Brille“ die Bilder des Monitors ein drei-

dimensionales Bild erscheinen lassen. Die jeweils getrennten Bilder fur das rechteund linke Auge werden vom Monitor in einer bestimmten Frequenz nacheinanderdargestellt. Die mit dem Computer verbundene Brille dunkelt in der gleichen Fre-quenz die Augen einzeln ab und vermittelt ein nahezu perfektes perspektivischesBild des menschlichen Korpers. Der dreidimensionale Eindruck ist besser als bei

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Abbildung 17:Das Hauptauswahlfenster des VOXEL–MAN 3D-Navigator zeigt27 Bildsymbole [Hohneet al., 2000]. Jedes Symbol ist anwahlbar undoffnet eineFilmszene, die einzelne Organgruppen vorstellt. Die Filmszenen zeigen anatomi-sche Lagebeziehungen in einpragsamer Form. Sie bieten durch die dreidimensio-nale Ansicht der Organe die einzigartige Moglichkeit, komplexe Gefaßverlaufeplastisch darzustellen.

Verwendung der rot-grun Brille, da mit der Shutter-Brille die Organfarben korrektwiedergegeben werden.

Durch ein spezielles Gerat, das sogenannte”Phantom Device“, ist es moglich

geworden, die Oberflache vom rekonstruierten virtuellen Korper”fuhlbar“ zu ma-

chen [Petersiket al., 2002]. Das haptische Zeigegerat Phantom Device ist ein Ein-gabegerat, mit dem man einen kolbenartigen Stab im virtuellen Raum in alle dreiRaumrichtungen bewegen kann. Das Gerat hat die Form eines Stiftes, der mitbeweglichen Armen die Kraftinformation an den Computer weitergibt. Das hap-tische Gerat liefert Kraftinformationen vom Computer an den Benutzer (

”force

feedback“), da in den Armen kleine Servomotoren eingebaut sind. Mit einer spe-ziell dafur entwickelten Software konnte so der virtuelle Korper

”fuhlbar gemacht

werden“: Wenn man das virtuelle Werkzeuguber die Oberflache des virtuellenKorpers fuhrt, spurt man den Druck auf dem haptischen Phantom Device.

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Abbildung 18: Der rekonstruierte dreidimensionale Korper wird neben denAusgangsschnittbildern dargestellt. Die vom Anwender durchgefuhrte vertikaleMausbewegung verandert die Hohe der Schnitte auf beiden Bildern gleichsin-nig zum Korpermodell. Grun dargestellt ist der linke Lungenflugel, wobei dieSchnitthohe das Zwerchfell tangiert.

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Abbildung 19:Die Rot-Grun-Darstellung des Herz-Kreislauf-Systems vermitteltmit einer entsprechend gefarbten Brille einen noch besseren dreidimensionalenEindruck. Insbesondere feine Gefaße und Nerven konnen mit der Technik einfa-cher in ihrer Lagebeziehung und ihrem Verlauf erfaßt werden. Im VOXEL-MAN3D-Navigator Inner Organs werden 8 Szenen wahlweise mit oder ohne rot-grunenStereoeffekt gezeigt.

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4 Ergebnisse

Mit den zuvor beschriebenen Methoden wurde ein Computermodell des Herz-Kreislauf-Systems bestehend aus 223 Einzelobjekten entwickelt. Sein Zustande-kommen und sein Umfang wird im Folgenden beschrieben.

4.1 Anatomische Besonderheiten

Bei der Modellierung der Aa. renales zeigten sich Variationen, die als Arteriaepolares renales inferiores bezeichnet werden konnen, eventuell auch als Kapselar-terien identifiziert werden konnen. Sie verlaufen aus der Aorta abdominalis un-terhalb des 4. Lumbalwirbels nach kranial lateral zu den unteren Nierenpolenund dienen als akzessorische Blutversorgung der Nieren. Es finden sich athero-matose Plaques in der Aorta abdominalis im Bereich der Bifurkation, die sichgelblich, wandadharent darstellen (siehe Abbildung 20). Eine Hemiorchidektomieist durchgefuhrt worden. Zu diesen Befunden kommen noch postmortal entstan-dene Veranderungen hinzu. Die Kapazitatsgefaße sind mit Ausnahme der Venaehepaticae, der Vena cava inferior auf Hohe der Leber und der Venae pulmonaleskollabiert. Dazu kollabierten auch die Aorta thoracica et abdominalis, die Arte-riae iliacae und femorales. Die Nebennieren unterlagen der Autolyse und warenschwer zu segmentieren.

Abbildung 20:Die Aorta abdominalis weist im Bereich der Aortenbifurkationatheromatose Plaques auf. Innerhalb des rot markierten Bereiches findet sich ei-ne derartige Stelle. Da hier der Farbschwellwert zurubrigen Aorta variiert, kanndiese Stelle nicht segmentiert werden.

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4.2 Segmentierte Objekte

Die großen Gefaße wurden mit der Methode der Segmentation erzeugt. Dafurwird im Schnittbild zuerst derjenige Bereich markiert, der das jeweilige Gefaßausfullt und farblich von anderen Organen hervorhebt. Das Modul des VOXEL–MAN Autorensystems klassifiziert anschließend alle farblichubereinstimmendenBildpunkte auf denubrigen Schnittbildern. Im Abdomen sind viele Arterien blaugefarbt, da bei der Praparation der Leiche diese Gefaße mit blauem Latex angefulltwurden. Dadurch ergibt sich ein guter Farbkontrast zu demubrigen perivaskularenGewebe. So werden die großen Arterien mit einer hohen Zuverlassigkeit in denSchnitten automatisch markiert und rekonstruiert. Teilweise ist durch die post-mortal aufgetretene intravasale Agglutination eine diskontinuierliche Verteilungvon blauem Kunststoff aufgetreten, so daß eine einheitliche schwellwertbasier-te Segmentation in solchen Bereichen unmoglich ist. Dennoch weisen auch dieseThromben einen Farbton auf, der die sequentielle Segmentation ermoglicht. Stuckfur Stuck werden die Gefaßteile zu einem einzigen Gefaß zusammengesetzt. Aufdiese Weise konnen die Aorta ascendens, der Arcus aortae, die Aorta descendensmit der Aorta abdominalis segmentiert werden. Auch die Gefaßstumpfe des Trun-cus coeliacus, der Aa. mesentericae superior et inferior und die Aa. renales wer-den mit der Methode segmentiert. Die Aortenbifurcation ist atheromatos verdich-tet, das Restlumen kollabiert und deshalb polygonenbasiert modelliert. Segmen-tiert wird der Truncus brachiocephalicus, der als erster Gefaßhauptstamm nachden Koronararterien die Aorta verlaßt. Im Halsbereich ist die Segmentation nichtmoglich, daher werden diese Gefaße modelliert, insbesondere die Aa. subclaviae.

Die großen Venen sind durch homogene dunkle Farbwerte leichter zu segmen-tieren als die großen Arterien in dem selben Bereich. In diesem Abschnitt ist derdunkle Farbschwellwert durch geronnenes Blut bedingt. Da die Vena subclaviadurch bindegewebige Verwachsungen mit der ventral von ihr verlaufenden Cla-vicula offengehalten wird, ist ein Kollabieren bei ihr nicht moglich. Ihr dunklerSchwellwert laßt eine problemlose Segmentation zu. Auch die Mesenterialvenensind großtenteils mit einer einzigen Klassifizierung bis in die dritte Verzweigungerfaßbar und schnell zu rekonstruieren. Die Vv. lienalis, gastricae, mesentericaesuperior und inferior, die Vv. renales und der Plexus venosus rectalis sind darge-stellt. Insbesondere die Vena portae, die mit ihrenAsten in die Leber hineinfuhrt,ist segmentiert, gleiches gilt fur die Vv. hepaticae. Es wurde auf eine genaue Klas-sifikation der Lebervenen zu den einzelnen Segmenten verzichtet, ebenso sinddie Aste der A. hepatica propria nicht naher bezeichnet. Die großen Venen desKorperstamms enden bei der Bifurcation der Aorta, da hier die Venen so starkkollabiert sind, daß die anderen Leitungsbahnen der Region, die A. iliaca inter-na und das Nervengeflecht diese Strukturen verdrangen. Diese Teile der Venenwerden nicht polygonenbasiert modelliert, da es sonst zu einer kunstlichen Verla-gerung der Venen ins umliegende Fettgewebe gekommen ware.

Als weiteres Teil des Herz-Kreislauf-Systems konnte der Herzmuskel segmen-tiert werden, der sich in je rechten und linken Vorhof und Ventrikel einteilen laßt(siehe Abbildung 25). Der Wandaufbau von innen nach außen in Endokard, Myo-kard und Epikard ist kaum segmentierbar, da das Endo- und Epikard aus ein-schichtigem Plattenepithel bestehen und makroskopisch nicht auf den Schnittbil-dern sichtbar sind.

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4.3 Gefaßmodellierung

Diejenigen Hohlorgane, die nicht mit der Segmentation erfaßt werden konn-ten, wurden durch das Verfahren der Modellierung dargestellt. Die Arterien-modellierung ist in diesem Kapitel in die Regionen Hals, obere Extremitat,Brust- und Bauchwand, Brusthohle einschließlich Herz und Bauchhohle ein-schließlich Becken eingeteilt. Nach der Identifizierung einer gesuchten Arte-rie im Schnittbild wird mit dem Tree-Editor diese modelliert (siehe Abbildung15). Ist eine Arterie oder ein Arteriennetz in allen drei Schnittbildbrowsernnicht auffindbar, aber von besonderer anatomischer Wesentlichkeit, wird sie ander Stelle modelliert, wo sie wahrscheinlich liegt. Als Referenz gelten die At-lanten und Lehrbucher der Anatomie [Fricket al., 1996] [Putz and Pabst, 1993][Benninghoff, 1985] [Rohen and Yokochi, 1982]. Falls nicht anders angegeben,wurden die aufgefuhrten Arterien gefunden und zur Darstellung gebracht. Man-che kleinere Arterien werden nicht beidseitig zur Darstellung gebracht.

4.3.1 Halsregion

Die Gefaße der Region Hals sind bis auf die Unteraste leicht auffindbar und prazi-se modellierbar. In der Regio cervicalis anterior ist die Arteria carotis communiszusammen mit der Vena jugularis interna, dem Nervus vagus und dem Lymph-gefaßgeflecht langs der V. jugularis interna zu einem Gefaß-Nervenbundel vomRumpf zum Kopf zusammengeschlossen. Die rechte und linke Arteria carotiscommunis sind modelliert, liegen aber auch als schwellwertbasiertes Segmen-tationsobjekt vor. Die Modellierungsmethode kann sie durch ihre geraden kau-dokranialen Verlaufe gut rekonstruieren. Die astlose rechte A. carotis communisentspringt aus dem Truncus brachiocephalicus (siehe Abbildung 21), die ebenfallsastlose linke aus dem Arcus aortae.

Die beiden Aa. carotes gabeln sich im Trigonum caroticum in die Aa. carotisexterna und interna. Diese beiden Hauptarterien des Kopfes sind nicht Gegenstanddieser Arbeit, wohl aber die Gefaße kaudal des Kehlkopfes, welche hauptsachlichaus der A. subclavia und ihrenAsten bestehen.

Der Truncus brachiocephalicus entlaßt neben der A. carotis communis dextradie A. subclavia dextra. Im folgenden Teil wird ihre Modellierung beschrieben,da sie zu den wichtigsten Gefaßen der Region zahlt.

Die Arteria subclavia dextra verlauft in drei Streckenabschnitten und versorgteinen Teil des Halses, die vordere Brust- und Bauchwand, den Schultergurtel undden Arm, das Halsmark und den okzipitalen Teil des Gehirns. IhreAste gehorenzu den am schwierigsten identifizierbaren Gefaßen und sind kompliziert model-lierbar. Die A. subclavia verlauft ventrokaudal der noch nicht modellierten Wur-zeln des Plexus brachialis durch die Skalenuslucke zwischen den Musculi scale-nus anterior und medius. Die A. subclavia verlauft dann im Sulcus arteriae sub-claviaeuber die erste Rippe zum Trigonum clavipectorale. Dort verlauft sie unterdem Schlusselbein hindurch und tragt ab dem Unterrand der ersten Rippe den Na-men A. axillaris. Der Nameandert sich aufs Neue bei Eintritt in den Arm in A.brachialis (siehe Abbildung 22).

Die wichtigstenAste der A. subclavia sind die A. vertebralis, sowie die A. tho-racica interna, die noch vor der A. vertebralis aus der Konkavitat der A. subclavia

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Abbildung 21:Der eroffnete Thorax laßt den Blick auf die großen Halsschlag-adern fallen. Im Jugulum ist der Truncus brachiocephalicus zu erkennen, in dentransparent erscheinenden Lungenflugeln die Lungenarterien und -venen. DieUberlappung der rechten Unterfelder der Lunge mit den oberen Lebersegmen-ten, die ebenfalls transparent erscheinen, zeigt deutlich die Lagebeziehungen vonBrust- und Bauchhohle.

entspringt, der Truncus costocervicalis und der Truncus thyrocervicalis. Nicht alleihre Aste konnten modelliert werden, darunter auch die A. vertebralis. Besonde-ren Wert wurde auf die Modellierung der A. thoracica interna gelegt, die durcheine Anastomosenbildung eine Kollateralisierung der Aorta bewirkt.

Der Truncus costocervicalis gibt die A. cervicalis profunda ab, die nach dor-sal verlauft und an der Hinterseite des nicht naher segmentierten M. semispinalisnach kranial biegt. Der zweite wichtige Ast des Truncus ist die A. intercostalissuprema, die die Aa. intercostales posteriores prima und secunda fur die erstenZwischenrippenraume abgibt. Da dieseAste hochst variabel verlaufen und nichtim Datensatz identifiziert werden konnten, wurde auf die Modellierung der Aa.intercostales prima und secunda verzichtet.

Der Truncus thyrocervicalis versorgt die untere Zungenbeinmuskulatur undden unteren Teil des Kehlkopfes, die Mm. scalenus anterior, constrictor pharyn-

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Abbildung 22:Die A. subclavia erhalt im Verlauf die Bezeichnung A. axillarisund A. brachialis. Ihre dorsale Lage zur Vena subclavia wird hier besonders deut-lich. Die rechte Lungenspitze ist nur wenige Zentimeter von dem Gefaßbundelentfernt, was klinisch von besonderer Bedeutung ist bei Anlage eines Subclavia-Venenkatheters, wobei man auf eine Eroffnung des Thoraxraumes achten muß.

gis und longus colli, Teile des Ruckenmarks, die Schilddruse, dorsale Muskelndes Schultergurtels, obere Anteile des M. trapezius und lange Nackenmuskeln.Aufgrund dieses reichhaltigen Versorgungsmusters wurde dieser Ast der A. sub-clavia dargestellt. Nicht modelliert wurde die A. cervicalis ascendens als Ast derA. thyroidea inferior. Der bedeutendste Ast des Truncus thyrocervicalis, die A.transversa cervicis, ist in ihrem Verlauf nicht einheitlich, dennoch unverzichtbarfur die Schultergurtelversorgung. Ein großer Ast des Truncus thyrocervicalis istdie A. suprascapularis (siehe Abbildung 23).

Sie wurdeuber den M. scalenus anterior unduber dem Plexus brachialis mo-delliert und verlauft weiteruber das Ligamentum transversum scapulae superius.Von dort zweigt diese Arterie in die Fossa supraspinata ab und zieht am Collumscapulae unter dem Lig. transversum scapulae inferius in die Fossa infraspinata.Dort anastomosiert sie mit ihrenAsten mit der A. circumflexa scapulae aus derA. subscapularis. Diese Schulterblattanastomose ist besonders gut auf der rech-ten Korperhalfe identifiziert und modelliert worden. Die A. suprascapularis gibtweiterhin den Ramus acromialis ab.

Die A. thyroidea inferior entspringt aus dem Truncus thyrocervicalis nach me-dial und wurde hinter dem großen Gefaß-Nervenstrang bogenformig zum Schild-drusenlappen abwarts modelliert. Sie gibt neben den Rami glandulares auch dienicht identifizierte und deshalb nicht modellierte A. laryngealis inferior ab.

Die A. axillaris setzt sich am lateralen Rand der ersten Rippe aus der A. sub-

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Abbildung 23:Die Ansicht von dorsal auf einen Frontalschnitt durch den Men-schen zeigt die grun markierte Scapula und die die Muskulatur versorgenden Ar-terien, die A. circumflexa scapulae und die A. suprascapularis.

clavia fort. Sie ist die wichtigste Ader zur Versorgung der oberen Extremitat. Siesetzt sich als A. brachialis fort, die diese Bezeichnung am Unterrand des M. pec-toralis major erhalt. DieAste der A. axillaris sind hoch variabel, deshalb konntennicht alleAste gefunden und modelliert werden. Der A. axillaris entspringt die A.thoracoacromialis am Oberrand des Musculus pectoralis minor als zweiter Ast.Sie tritt durch die Fascia clavipectoralis und gibtAste zum Acromion und demRete acromialis, zum M. deltoideus, zur Clavicula und zu den Mm. pectoralesab. ZweiAste der A. axillaris, die Aa. thoracica superior und lateralis, wurdennicht modelliert. Sie sind variable, kleine Gefaße zur Versorgung der Muskeln desSchultergurtels, die nicht modellierte A. thoracica lateralis versorgt die Brustdruseder Frau mit Rr. mammarii laterales.

Die modellierte A. subscapularis als weiterer Ast der A. axillaris teilt sich imkaudalen Verlauf in die A. thoracodorsalis und die A. circumflexa scapulae auf,die nach ihrem Durchtritt durch die mediale Achsellucke mit der A. suprascapu-laris anastomosiert (siehe Abbildung 24). Zusammenfassend kann die Modellie-

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rung der Schultergurtelarterien als arbeitsintensiv und zeitaufwendig bezeichnetwerden. Nicht alle Arterien konnten aufgefunden oder eindeutig identifiziert wer-den. Dennoch wurden alle wesentlichen Gefaße und Anastomosen dargestellt. Imfolgenden Abschnitt werden die Modellierungsergebnisse der oberen Extremitatbeschrieben.

Abbildung 24:Die A. thoracodorsalis ist ein Ast der A. axillaris. Die Lage die-ses Asts ist von hochstem Interesse fur die rekonstruktive Chirurgie, die Lappen-plastiken aus dem M. latissimus dorsi verwendet. Die anastomosenbildenden Aa.circumflexae humeri sind fur die Versorgung des Caput humeri bedeutend. Sie bil-den Kollateralen zur A. brachialis. In der Tiefe ist die Lagebeziehung von oberemNierenpol, der Milz und den basalen linken Lungensegmenten sichtbar.

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4.3.2 Obere Extremitat

Die beiden den Humerus umschließenden Gefaße, die Aa. circumflexa anteriorund posterior humeri, sind dunn, aber bedeutend fur die Anastomosen in dem Be-reich, sowie die Versorgung der Gelenkkapsel und des M. deltoideus. Das Reteacromiale wurde nicht eindeutig identifiziert, aber dennoch an vermuteter Stellemodelliert. Die Schwierigkeit beim Rete acromiale liegt einerseits am Durchmes-ser des Arteriengeflechts allgemein, andererseits an der Armstellung des Prapa-rats: die Arme sind nach ventral, medial positioniert worden, was die Arteriencranial des Articulatio humeri zwischen den Musculi deltoideus und Caput long-um musculi bicipitis brachii am os humerale und dem Acromion zusammenpresst.Dadurch werden deren Lumina stark komprimiert und unterschreiten die Mindest-große, die zur Identifizierung auf Schnittbildern notig ist. Es wurde bewußt nichtauf diese Gefaße verzichtet, da dies anatomisch nicht nur unvollstandig ware, son-dern dem Rete acromiale, dem eine besondere Bedeutung als Kollateralkreislaufzur A. brachialis zukommt, nicht gerecht wurde. Die bereits segmentierten Knor-pelabschnitte im Bereich der Articulatio humeri stimmen mit der Lage des Retearticulare gutuberein. Da die Capsula articularis aus den noch nicht segmentier-ten Ligg. coracohumerale, glenohumerale superius, medius und inferius besteht,und die Sehnen der Muskeln in diesem Bereich (Mm. infraspinatus, supraspina-tus und subscapularis) noch nicht hinreichend differenziert segmentiert sind, kannman die exakte Lage des Rete acromiale nur durch Abschatzung vermuten. Dadie Farbwerte der Muskeln sich von denen der Sehnen stark unterscheiden undauf den Schnittbildern sichtbar sind, ist diese Abschatzung aber nur mit geringemFehler behaftet.

Die Hauptarterien der oberen Extremitat sind fur den rechten Arm modelliertworden. Obwohl diese Arterien nicht Gegenstand der Arbeit sind, werden sie dar-gestellt. Die Gefaße des linken Arms sind auf den Schnittbildern schwerer identi-fizierbar, da der linke Arm schlechter auf den Kryotomschnitten dargestellt ist alsder rechte.

Die A. brachialis dextra geht, wie bereits beschrieben, aus der A. axillaris her-vor und gibt die A. profunda brachii ab. Im folgenden Teil wird die Modellierungder Brust- und Bauchwand beschrieben.

4.3.3 Brust- und Bauchwand

Fur die Brust- und Bauchwand sind die Aa. intercostales anteriores et posterio-res, die Aa. thoracicae internae und die Aa. epigastricae superiores et inferioresmodelliert worden. Es sind die variablen Rami dorsales aa. intercostarum nichtmodelliert worden. Sie entsprechen ebenso regelmaßig der Metamerie der Lei-beswand wie die Aa. intercostales. Die Modellierung der Aa. intercostales ist in-sofern kompliziert, als diese Gefaße in einem regelmaßigen Abstand zu den Nn.intercostales und Vv. intercostales verlaufen. Da die Nn. intercostales bereits vor-bestanden und in ihrer Lage korrekt dargestellt sind, mußten die Aa. exakt parallelzu ihnen modelliert werden. Nun wird auf die Modellierung der Brusthohlenarte-rien eingegangen.

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4.3.4 Brusthohle

Der Truncus pulmonalis entlaßt aus der Strombahn des rechten Ventrikels, demConus arteriosus, nach einer Bifurkation die beiden Aa. pulmonales. DieAste derPulmonalarterien verlaufen als Lobusarterien und nachfolgend als Segmentarteri-en zu den Lungensegmenten.

Die rechte und linke Aa. pulmonales aus dem rechten Ventrikel sind nebenden vier in den linken Vorhof mundenden Vv. pulmonales (V. pulmonalis sinis-tra inferior et superior, V. pulmonalis dextra inferior et superior) sichtbar (sieheAbbildung 26).

Alle diese konnten aufgrund ihrer Große und Farbe segmentiert werden, mus-sen aber vollstandigkeitshalber an dieser Stelle noch einmal erwahnt werden.

Als klinische wichtigste modellierte Arterien der Brusthohle sind die Ko-ronararterien als ersteAste des Arcus aortae dargestellt. Sie lassen sich in dieGefaßstamme der Aa. coronaria dextra und sinistra untergliedern. Alle folgendenArterien sind modelliert. Die A. coronaria dextra verzweigt sich zum Sinuskno-ten, der am rechten Vorhof gelegen ist, als R. nodi sinuatrialis, zum rechten Ven-trikel verlaufend in die Rr. ventriculares, zur Hinterwand verlaufend in den R.interventricularis posterior und zum Atrioventrikularknoten verlaufend in den R.atrioventricularis kurz nach dem Eintritt in den Sulcus interventricularis posterior.Alle Koronarien verlaufen dicht unter, bzw. an der Myokard-Epikardgrenze. Da-her sind sie an entsprechender Stelle zu identifizieren, jedoch ist ihr Durchmessersehr klein. Dennoch sind alle Gefaße aufgefunden und modelliert worden.

Die linke Herzkranzarterie teilt sich auf in den R. interventricularis anteriorzur Vorderwand des linken Ventrikels, in den R. circumflexus, der die Rr. atrio-ventriculares zum Vorhof und der Kammer des linken Ventrikels abgibt, und denR. marginalis sinister zur Facies pulmonalis des linken Ventrikels abgibt (sieheAbbildung 25).

Abbildung 25:Die Koronararterien sind im epikardialen Fettgewebe eingebet-tet und nur abschnittsweise auf der Herzoberflache sichtbar. In den Transversal-schnittbildern sind sie eindeutig identifizierbar. Im linken Bild ist die A. interven-tricularis anterior dargestellt, im rechten der Ramus circumflexus.

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Abbildung 26:Durch die transparenten Lungenflugel sind die Aa. und Vv. pulmo-nales sichtbar. Paravertebral ist der Grenzstrang dargestellt. Die Lage der großenHalsgefaße in Abhangigkeit zur Hals- und Brustwirbelsaule wird hier anschaulichdargestellt.

Die Aa. bronchiales, die aus der Aorta abzweigen, folgen den Segmentbron-chien. Im folgenden Abschnitt werden die Modellierungsergebnisse der Abdomi-nalarterien beschrieben.

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4.3.5 Bauchhohle und Becken

Der Truncus coelicus zweigt als großer Ast aus der Aorta abdominalis ab undteilt sich in die A. splenica, die A. gastrica sinistra und die A. hepatica commu-nis. Diese teilt sich in die A. gastroduodenalis und die A. hepatica propria (sieheAbbildung 27). Der Truncus selbst ist mit blauem Latex angefullt und konnte seg-mentiert werden. Er wurde dennoch modelliert, da aus ihm die beschriebenenAsteabzweigen, die polygonenbasiert modelliert wurden.

Abbildung 27:Der tief gelegene Truncus coeliacus befindet sich dorsal des Ma-gens und gibtAste zur Milz, Leber, Magen, Pankreas, großem Netz und Zwolffin-gerdarm ab. Die rechte Niere gibt aus dem Nierenbecken den Ureter ab. Medi-al davon liegt die Vena cava inferior. Ventral ist der Pankreaskopf sichtbar. Dasarterielle Wundernetz der Leber ist ebenfalls modelliert und entspringt aus demTruncus coeliacus. Links im Bild sind Milz und linke Niere zu erkennen

Die A. splenica zur Versorgung der Milz gibt die Aa. gastricae breves zumMagen und die Aa. pancreatica major zur Versorgung der Bauchspeicheldruse ab(siehe Abbildung 28). Die A. hepatica communis verzweigt sich in die Aa. hepati-ca propria und die A. pancreaticoduodenalis, welche einen doppelten Gefaßkranzum die Bauchspeicheldruse legt.

In der vorliegenden Arbeit sind auch die Funiculi spermatici und die beidenUretheren modelliert (siehe Abbildung 29). Sie sind eigentlich nicht Gegenstandder Arbeit gewesen.

Die Lage dieser Strukturen sind in Schnittbildern sichtbar und deshalb exaktzu modellieren.

Das Lumen der Arterien ist bei der Aorta, den Aa. mesentericae sup. et inf.durch eine blaue, deckende Farbe gut sichtbar. Diese kunstlich in die im Kryotom

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Abbildung 28:Zur Versorgung des Magens dienen dieAste des Truncus coeliacus,die Aa. gastrica dextra, sinistra und gastricae breves. Eine großlumige A. splenicaversorgt die Milz. Zu erkennen sind ebenfalls die Ureteren, die den Nierenbeckenentspringen.

in angeschnittene Korperoffnungen unter Druck applizierte Flussigkeit war vonden Praparatoren der University of Colorado School of Medecine zum Zweck derStabilisierung und Kontrastierung benutzt worden. Außerdem wurde die relativeEntfernung zum Herzen fur die Beurteilung der Wanddicke hinzugezogen. Dieswurde durch eine andere Methode, der Segmentation durch Farbschwellwertana-lyse, wesentlich vereinfacht.

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Abbildung 29:Die beiden Harnleiter verlaufen zum dorsalen Abschnitt der Harn-blase. Sie verlaufen schrag uber den Musculus psoas und werden bei abdominal-chirurgischen Operationen auch dort dargestellt. Sie munden dorsal in die Harn-blase ein, umgeben von den Samenblaschen. Ebenfalls modelliert sind die beidenFuniculi spermatici.

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Abbildung 30:Alle bereits segmentierten Organe lassen sich mit den modelliertenGefaßen dieser Arbeit in einem einzigen Korpermodell darstellen. So werden dieArterien zusammen mit ihren zu versorgenden Organen gezeigt.

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4.4 Szenenbearbeitung fur den VOXEL–MAN 3D-Navigator

Die Szenen des VOXEL–MAN 3D-Navigator [Hohneet al., 2000] zeigen dasvom VOXEL–MAN Autorensystem rekonstruierte Korpermodell des Menschenin Form von interaktiven

”Quicktime Virtual Reality“ Szenen [Frederking, 2001].

Im Programm wird die menschliche Anatomie in den Themengebieten”Anato-

mie“ und”Radiologie“ behandelt. In dieser Arbeit wurden die Szenen zum Blut-

gefaß- und Nervensystem und zur Leber konzipiert.Die Blutgefaßszene laßt den Korper bei horizontaler Mausbewegung in der

Transversalebene rotieren. Bei vertikaler Mausbewegung werden stufenweise Or-gangruppen entfernt, um auf diese Weise die Blutversorgung der Organe offenzu-legen. Bei Anwahl der Szene aus dem Hauptmenu (siehe Abbildung 17) wird dieBauch- und Brustwandmuskulatur einschließlich der Hautnerven [Noster, 2001]gezeigt. Die erste Stufe bei vertikaler Mausbewegung laßt die Muskulatur voll-standig verschwinden. Der knocherne Thorax mit den Gefaßen, den Nerven undden Viszeralorganen wird sichtbar. Als nachste Stufe verschwinden die Rippeneinschließlich der Gefaße und Nerven der Brust- und Bauchwand. Hier erkenntman die Topographie der Gefaße des Halses und der Axilla im Zusammenhangmit den Schlusselbeinen und der Scapula. Die nachste Stufe laßt die Lungen unddie Leber transparent erscheinen. So kann die Gefaßarchitektur der beiden Organedargestellt werden. Als nachste Stufe werden die beiden Organe ganz entfernt, au-ßerdem verschwindet das Darmkonvolut, und der Herzbeutel wird tranparent. DerBlick f allt hierbei auf die Gefaße des Halses im Zusammenhang mit der Schild-druse, die Abgange der großen Gefaße des Herzens und die Nierenlager. Das Wun-dernetz der Leber wird erkennbar. Als letzte Stufe verschwinden die Nerven derunteren Extremitat, der Herzbeutel wird entfernt, der Herzmuskel wird transparentdargestellt.

Die Leberszene weist die gleichen interaktiven Eigenschaften wie die Blut-gefaßszene auf. Bei Anwahl der Szene aus dem Menu werden die Viszeralorga-ne des Oberbauches gezeigt. Die erste Stufe laßt die Lungen, das Herz und diePsoasmuskulatur verschwinden. Der Blick fallt nun auf die Zwerchfellmuskula-tur und laßt die Lagebeziehung der Leber zu den retroperitonealen Organen beimBlick von dorsal erkennen. Die nachste Stufe entfernt die Leber und das Zwerch-fell. Nun werden die Gefaße des Magens, der Leber und die Lage der Gallenblasesichtbar. Die nachste Stufe fugt die Leber wieder hinzu, laßt jedoch den Dickdarmverschwinden. Der Blick fallt auf die sekundar peritonealen Organe Pankreas undDuodenum, sowie auf die versteckte Lage des Truncus coeliacus. Die weiterenStufen entfernen sukzessiv den Dunndarm ohne Duodenum, den Magen und dieUreteren, die Milz und das Pankreas, die Nieren und den Dunndarm, sowie alsletzten Schritt die Leber.

Die Nervensystemszene laßt sich wie die beiden vorhergehenden bedienen.Beim Start wird die gleiche Einstellung wie bei der Blutgefaßszene verwen-det. Die Hautnerven sind im Zusammenhang mit der Rumpfmuskulatur abgbil-det. In der ersten Stufe verschwinden die Muskeln, wobei die Iliopsoasmuskula-tur sichtbar bleibt. Die nachste Stufe entfernt die Viszeralorgane aus Brust- undBauchhohle. Der Blick fallt auf das Skelett, die Iliopsoasmuskulatur und das Ner-vensystem. Die nachste Stufe entfernt Die Rippen und das Sternum. Der Blickfallt auf den Grenzstrang. Als nachsten Schritt werden die Iliopsoasmuskulatur

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und jeder zweite Wirbelkorper entfernt (C7, Th2, Th4,...). So wird die Medullasichtbar, sowie das Lenden- und Kreuzbeingeflecht.

Alle in den drei Szenen jeweils sichtbaren Organe sind durch Anwahl mit derrechten Maustaste beschriftbar. Die drei Szenen sind auch als rot-grun Szenenabrufbar, um den dreidimensionalen Aspekt des Korpers zu verstarken.

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4.5 Tabelle der erzeugten Organe

Die nachfolgenden Tabellen beinhalten diejenigen Organe und Gefaße, die imVerlauf dieser Arbeit entstanden sind. Darunter finden sich

• Objekte mit anatomischem Korrelat segmentierter Art

• Objekte mit anatomischem Korrelat modellierter Art

• Objekte, die Organeubergeordnet zusammenfassen

Zu den letzteren gehort beispielsweise das Objekt”arteries - Arterien - Arte-

riae“. Es ist an sich keine Struktur, sondern umfaßt andere Objekte.Es wurde neben dem Herz-Kreislauf-System auch derOsophagus, die Urete-

ren und dıe Funiculi spermatici modelliert. Die Nebennieren wurden segmentiert.Die Namen der Organe und Gefaße sind in Englisch, Deutsch und Latein wie-

dergegeben, wobei sich die deutsche Bezeichnung bei einigen Gefaßen nicht we-sentlich von der lateinischen unterscheidet. Daher werden solche Bezeichnungennicht abgedruckt.

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Englisch Deutsch Lateinischabdominal aorta Abdominalaorta Aorta abdominalisabdominal arteries Abdominalarterien Arteriae abdominalesabdominal veins Abdomenvenen Venae abdominalesanterior inferior pancreatico- Arteria pancreatico-duodenal artery duodenalis anterior inferioranterior superior pancreatico- Arteria pancreaticoduo-duodenal artery denalis anterior superioraorta Aorta Aortaappendicular artery Wurmfortsatzarterie Arteria appendicularisarch of aorta Aortenbogen Arcus aortaearteries Arterien Arteriaearteries of lower limb Arterien der Arteriae membri inferioris

unteren Extremitatarteries of neck Halsarterien Aa. cervicalesarteries of upper limb Arterien der Arteriae membri superioris

oberen Extremitatascending aorta aufsteigende Aorta Pars ascendens aortaeazygos vein hintere Langsvene Vena azygosbrachiocephalic trunk Arm-Hals-Arterienstamm Truncus brachiocephalicusbrachiocephalic vein Arm-Hals-Venenstamm Vena brachiocephalicabranch of left anterior inter- Zweig der linken vorderen Arteria intercostalis an-costal artery T6 Zwischenrippenarterie T6 terior sinistra, ramuscardiovascular system Herz-Kreislauf-System Systema cardiovascularecoeliac trunk Truncus coeliacuscommon hepatic artery gem. Leberarterie Arteria hepatica communisdescending aorta absteigende Aorta Pars descendens aortaeexternal iliac artery außere Beckenarterie Arteria iliaca externagastric arteries Magenarterien Arteriae gastricaegastroduodenal artery Arteria gastroduodenalisgreat pancreatic artery Arteria pancreatica majorheart Herz Corhepatic arteries Leberarterien Arteriae hepaticaehepatic artery Leberarterie Arteria hepaticahepatic veins Lebervenen Vv. hepaticaeileal arteries Krummdarmarterien Arteriae ilealesileocolic artery Arteria ileocolicailiac arteries Beckenarterien Arteriae iliacaeinferior mesenteric artery Arteria mesenterica inferiorinferior mesenteric vein Vena mesenterica inferiorinferior vena cava untere Hohlvene Vena cava inferiorintercostal arteries Interkostalarterien Arteriae intercostalesinternal iliac artery innere Beckenarterie Arteria iliaca internajejunal arteries Gekrosearterien Arteriae jejunalesleft anterior humeral Arteria circumflexacircumflex artery anterior humeri

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left anterior inter- linke vordere Inter- Arteria inter-costal artery T10 kostalarterie T10 costalis anterior sinistra T10left anterior inter- linke vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T11 kostalarterie T11 anterior sinistra T11left anterior inter- linke vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T3 kostalarterie T3 anterior sinistra T3left anterior inter- linke vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T4 kostalarterie T4 anterior sinistra T4left anterior inter- linke vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T5 kostalarterie T5 anterior sinistra T5left anterior inter- linke vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T6 kostalarterie T6 anterior sinistra T6left anterior inter- linke vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T7 kostalarterie T7 anterior sinistra T7left anterior inter- linke vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T8 kostalarterie T8 anterior sinistra T8left anterior inter- linke vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T9 kostalarterie T9 anterior sinistra T9left articular network Arteriennetz der Rete articularisof shoulder linken Schulter humeri sinistraleft atrium linker Vorhof Atrium sinistrumleft axillar artery linke Achselarterie Arteria axillaris sinistraleft brachial artery linke Armarterie Arteria brachialis sinistraleft bronchial arteries linke Bronchialarterien Arteriae bronchiales sinistraeleft circumflex linke umfahrende Arterie Arteria circumflexaartery of scapula des Schulterblatts scapulae sinistraleft colic arteries linke Dickdarmarterien Arteriae colicae sinistraeleft collateral radial Arteria collateralisartery radialis sinistraleft common carotid linke gemeinsame Arteria carotis communisartery Kopfarterie sinistraleft common iliac artery linke gemeinsame Arteria iliaca

Beckenarterie communis sinistraleft coronal arteries linke Herzkranzarterie Arteria coronaria sinistraleft costocervical trunk Arteria costocervicalis sinistraleft deep cervical Arteria cervicalisartery profunda sinistraleft external iliac artery linke OberschenkelarterieArteria iliaca externa sinistraleft femoral artery linke OberschenkelarterieArteria femoralis sinistraleft gastroomental artery Arteria gastroomentalis

sinistraleft iliac artery linke Iliacalarterie Arteria iliaca sin.left inferior epigastric linke untere Ober- Arteria epigastricaartery baucharterie inferior sinistra

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left inferior phrenic linke untere Arteria phrenicaartery Zwerchfellarterie inferior sinistraleft inferior polar artery linke untere Polarterie Arteria polaris renalis

inferiorleft inferior suprarenal linke untere Neben- Arteria suprarenalisartery nierenarterie inferiorleft inferior thyroid artery linke untere Schild- Arteria thyroidea inferior

druesenarterie sinistraleft internal iliac artery Arteria iliaca interna sinistraleft internal - linke innere BrustkorbarterieArteria thoracica -thoracic artery interna sinistraleft jugular vein linke Drosselvene V. jugularis sinistraleft lumbal artery L2 Arteria lumbaris L2left lumbal artery L3 Arteria lumbaris L3left lumbal artery L4 Arteria lumbaris L4left medial suprarenal artery Arteria suprarenalis medialisleft posterior humeral Arteria circumflexacircumflex artery humeri posteriorleft posterior inter- linke hintere Inter- Arteria inter-costal artery T10 kostalarterie T10 costalis posterior sinistra T10left posterior inter- linke hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T11 kostalarterie T11 posterior sinistra T11left posterior inter- linke hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T3 kostalarterie T3 posterior sinistra T3left posterior inter- linke hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T4 kostalarterie T4 posterior sinistra T4left posterior inter- linke hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T5 kostalarterie T5 posterior sinistra T5left posterior inter- linke hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T6 kostalarterie T6 posterior sinistra T6left posterior inter- linke hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T7 kostalarterie T7 posterior sinistra T7left posterior inter- linke hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T8 kostalarterie T8 posterior sinistra T8left posterior inter- linke hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T9 kostalarterie T9 posterior sinistra T9left profund brachial artery linke tiefe Armarterie Arteria profunda brachii sinistraleft profund circumflex Arteria circumflexailiac artery iliaca profunda sinistraleft radial artery linke Speichenarterie Arteria radialis sinistraleft recurrent Arteria radialisradial artery recurrens sinistraleft renal arteries linke Nierenarterien Arteriae renales sinistraeleft renal vein V. renalis sin.left subclavian artery linke Schluesselbeinarterie Arteria subclavia sinistraleft subclavian vein V. subclavia sin.left subcostal artery Arteria subcostalis sinistra

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left subscapular artery Arteria subscapularis sinistraleft superficial Arteria circumflexa iliacacircumflex iliac artery superficialis sinistraleft superior Arteria epigastricaepigastric artery superior sinistraleft superior Arteria glutealisgluteal artery superior sinistraleft supreme inter- linke oberste Inter- Arteria intercostaliscostal artery kostalarterie suprema sinistraleft superior Arteria vesicalisvesical artery superior sinistraleft suprascapular Arteria suprascapularisartery superiorleft thoraco- Arteria thoraco-acromial artery acromialis sinistraleft thoraco- Arteria thoraco-dorsal artery dorsalis sinistraleft thyro- Truncus thyro-cervical trunk cervicalis sinistraleft umbilical artery Arteria umbilicalis sinistraleft ureter Ureter sinisterleft ventricle linker Ventrikel Ventriculus sinisterleft vertebral artery Arteria vertebralis sinistralowest sigmoidal artery Arteria sigmoidalis inferiorlumbal arteries Lendenarterien Arteriae lumbalesmiddle colic artery mittlere Dickdarmarterie Arteria colica mediamyocardium Myocard Myocardiumpelvic arteries Beckenarterien Aa. pelvicalespelvic veins Beckenvenen Vv. pelvicalespericardium Pericard Pericardiumportal vein Pfortader Vena portaeposterior inferior Arteria pancreaticoduo-pancreaticoduodenal artery denalis posterior inferiorposterior superior pancreatico- Arteria pancreatico-duodenal artery duodenalis posterior superiorproper hepatic artery Arteria hepatica propriapulmonary arteries A. pulmonalisright anterior humeral A. circumflexa humericircumflex artery anterior dextraright anterior inter- rechte vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T10 kostalarterie T10 anterior dextra T10right anterior inter- rechte vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T11 kostalarterie T11 anterior dextra T11right anterior inter- rechte vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T3 kostalarterie T3 anterior dextra T3right anterior inter- rechte vordere Inter Arteria intercostaliscostal artery T4 kostalarterie T4 anterior dextra T4

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right anterior intercostal arteryrechte vordere Inter- Arteria intercostalisT5 kostalarterie T5 anterior dextra T5right anterior inter- rechte vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T6 kostalarterie T6 anterior dextra T6right anterior inter- rechte vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T7 kostalarterie T7 anterior dextra T7right anterior inter- rechte vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T8 kostalarterie T8 anterior dextra T8right anterior inter- rechte vordere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T9 kostalarterie T9 anterior dextra T9right anterior inter- Arteria interosseaosseus artery anterior dextraright articular Rete articularisnetwork of shoulder dextraright atrium rechter Vorhof Atrium dextrumright axillar artery rechte Achselarterie Arteria axillaris dextraright brachial artery rechta Armarterie Arteria brachialis dextraright carotid artery A. carotis dext.right circumflex Arteria circumflexaartery of scapula scapulae dextraright colic arteries rechte Dickdarmarterie Arteria colica dextraright collateral Arteria collateralisradial artery radialis dextraright common Arteria carotiscarotid artery communis dextraright common A. iliaca communisiliac artery dextraright coronal arteries rechte HerzkranzarterieArteria coronaria dextraright costo- Truncus costo-cervical trunk cervicalis dexterright external A. iliaca externailiac artery dextraright femoral artery rechte Oberschenkel- Arteria femoralis dextra

arterieright gastro- Arteria gastro-omental artery omentalis dextraright iliac artery Arteria iliaca dextraright inferior Arteriae epigastricaeepigastric arteries inferiores dextraeright inferior rechte untere Arteria polaris renalispolar artery Polarterie inferiorright inferior supra- A. suprarenalisrenal artery inferior dextra

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right inferior Arteria thyroideathyroid artery inferior dextraright internal Arteria iliacailiac artery interna dextraright internal Arteria thoracicathoracic artery interna dextraright jugular vein Vena jugularis dextraright lumbal artery L1 A. lumbaris dextra L1right lumbal artery L2 A. lumbaris dextra L2right lumbal artery L3 A. lumbaris dextra L3right lumbal artery L4 A. lumbaris dextra L4right medial Arteria collateraliscollateral artery medialisright medial supra A. suprarenalis medialisrenal artery dextraright middle rectal artery A. rectalis medialis dextraright obliterated A. umbilicalis dextraumbilical arteryright posterior humeral Arteria circumflexacircumflex artery humeri posterior dextraright posterior inter- rechte hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T10 kostalarterie T10 posterior dextra T10right posterior inter- rechte hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T11 kostalarterie T11 posterior dextra T11right posterior inter- rechte hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T3 kostalarterie T3 posterior dextra T3right posterior inter- rechte hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T4 kostalarterie T4 posterior dextra T4right posterior inter- rechte hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T5 kostalarterie T5 posterior dextra T5right posterior rechte hintere Inter- Arteria intercostalisintercostal artery T6 kostalarterie T6 posterior dextra T6right posterior inter- rechte hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T7 kostalarterie T7 posterior dextra T7right posterior inter- rechte hintere Inter- Arteria intercostaliscostal artery T8 kostalarterie T8 posterior dextra T8right posterior inter- rechte hintere Inter Arteria intercostaliscostal artery T9 kostalarterie T9 posterior dextra T9right posterior Arteria interosseainterosseus artery posterior dextraright profund brachial recht tiefe Armarterie Arteria profundaartery brachii dextraright profund cervical Arteria cervicalis profundaartery dextraright profund circumflex Arteria circumflexa iliacailiac artery profunda dextra

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right profund palmar rechter tiefer Hohlhandbogen Arcus palmarisarch profundus dexterright proper volar Arteriae digitalesdigital arteries propriaeright radial artery rechte Speichenarterie Arteria radialis

dextraright radial recurrent Arteria radialis recurrensartery dextraright recurrent Arteria interossea recurrensinterosseus artery dextraright renal arteries recht Nierenarterien Arteriae renales dextraeright renal vein rechte Nierenvene V. renalis dext.right subclavian artery rechte Schluesselbein- Arteria

arterie subclavia dextraright subclavian vein rechte Schluesselbeinvene V. subclavia dext.right subcostal artery A. subcostalis dextraright subscapular Arteria subscapularisartery dextraright superficial circumflex Arteria circumflexa iliacailiac artery superficialis dextraright superficial palmar rechter oberflaechlicher Hohl-Arcus palmarisarch handbogen superficialis dexterright superior collateral Arteria collateralis ulnarisulnar artery superior dextraright superior gluteal Arteria glutealis superiorartery dextraright superior vesical artery A. vesicalis sup. dextraright suprarenal gland rechte Nebenniere Glandula suprarenalis dext.right suprascapular artery Arteria suprascapularis dextraright thoracoacromial Arteria thoracoartery acromialis dextraright thyrocervical trunk Truncus thyrocervicalis dexterright transverse artery Arteria cervicalisof neck transversa dextraright transverse cervical A. cervicalis transveraarteryright ulnar artery rechte Ellenarterie Arteria ulnaris dextraright ulnar metacarpal rechte Mittelhand- Arteriae metacarpalesarteries arterien palmaresright ureter rechter Harnleiter Ureter dexterright ventricle rechter Ventrikel Ventriculus dexterright vertebral artery A. vertebralis dextrashort gastric arteries Aa. gastricae brevessigmoidal arteries Arteriae sigmoidalessplenic arteries Milzarterien Arteriae splenicaesplenic vein Milzvene Vena lienalis

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stem of inferior Stamm der unteren A. mesentericamesenteric artery Mesenterialarterie inferiorstem of superior A. mesentericamesenteric artery superiorstem of superior Stamm der oberen Arteria rectalisrectal arteries Enddarmarterien superiorissuperior mesenteric vein obere Mesenterialvene V. mesenterica sup.superior rectal arteries obere Enddarmarterien Aa. rectales superioressuperior suprarenal arteryobere NebennierenarterieA. suprarenalis superiorsuperior vena cava obere Hohlvene Vena cava superiorsuprarenal arteries Nebennierenarterien Arteriae suprarenalessuprarenal glands Nebennieren Glandulae suprarenalesthoracic aorta Brustaorta Pars thoracica aortaethoracic arteries Aa. thoracicaethoracic veins Vv. thoracicae

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5 Anwendungen

Das in dieser Arbeit entstandene computerbasierte virtuelle Korpermodell desHerz-Kreislauf-Systems wurde in ein Gesamtmodell integriert, das nunuber 650dreidimensionale Objekte enthalt. Im folgenden wird beschrieben, welche An-wendungen mit dieser Vielzahl an Objekten moglich geworden sind. Im erstenAbschnitt werden Anwendung des Korpermodells in der medizinischen Ausbil-dung erlautert. Im nachsten Schritt wird auf klinische Anwendungen eingegangen,wie z.B. die Verwendung des Modells im chirurgischen Aufklarungsgesprach. An-schließend werden virtuelle Operationssimulationen vorgestellt, die mit Hilfe desModells erzeugt werden.

5.1 Anwendungen in der medizinischen Ausbildung

Abbildung 31:Die Darstellung des dreidimensional rekonstruierten Korpers undder entsprechend projizierten virtuellen Rontgenaufnahme fuhrt zu einem bes-seren Verstandnis der Grundlagen der Rontgenanatomie. In diesem Bildbeispielwerden die Lageverhaltnisse der großen Halsgefaße deutlich, welche sich auf derRontgenaufnahme ebenso beschriften und farblich kennzeichnen lassen, wie in derdreidimensionalen Szene rechts.

Der VOXEL–MAN 3D-Navigator Innere Organe zeigt durch seine neuartigenMethoden neue Wege der Wissensvermittlung in der Medizin auf. Die vielfaltigeninteraktiven Explorationsmoglichkeiten bieten den Studierenden ein neues Lehr-medium fur das Medizinstudium an. Vergleichbar mit einer echten Sektion konnenOrgansysteme freigelegt und hochaufgelost auf dem Bildschirm dargestellt wer-den. Informationenuber alle Teilobjekte konnen abgerufen werden. Insbesonderedie Gefaße werden mit Namen, Ursprung und topographischer Zugehorigkeit um-fassend beschrieben. Die Nomenklatur ist wahlbar in Latein, Deutsch oder Eng-lisch. Der VOXEL–MAN 3D-Navigator stellt auf diese Weise eine ideale Ergan-zung zum Praparierkurs dar. Da das Gefaßsystem in seiner Lage und dem kom-

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plizierten Verlauf auf Lehrbuchseiten schwer zu verdeutlichen ist, bietet das drei-dimensionale Korpermodell eine sinnvolle Anwendung wahrend des Anatomie-studiums. Durch Rot-Grun-Szenen werden die Gefaße in einer plastischen Weisedargestellt. Da es dem Medizinstudenten wahrend des Studiums der Anatomie anhinreichend detaillierten plastischen Modellen zum Selbststudium fehlt, kann derVOXEL–MAN 3D-Navigator dies ausgleichen. Zwar ist den Studenten der Zu-gang zu anatomischen Sammlungen erlaubt, jedoch zeigen die Praparationen nureinen Blickwinkel auf die Organe, sind nicht beschriftet und unterliegen denubli-chen Farbverlusten durch alkoholische Konservierungsmittel. Dadurch werdenGefaße besonders schwer sichtbar, und nur bei wenigen Praparaten der Samm-lungen werden Gefaße durch Farbinstillation deutlich sichtbar.

Neben dieser Anwendung als Referenz zum Praparierkursus ermoglicht dasKonzept des VOXEL–MAN 3-D Navigators neue Lehranwendungen in der Ra-diologie. Das Themengebiet

”Radiologie“ enthalt Szenen zu virtuellen Rontgen-

aufnahmen, die neben den segmentierten Organen kombiniert dargestellt werden(siehe Abbildung 31 und 32). Der Bereich

”Tomographie“ ist eine Kombination

aus Schnittbildern des Ausgangsdatensatzes und dem segmentierten Korpermo-dell. Durch diese Lehrszenen kann der Studierende der Radiologie Gefaßsilhou-etten im konventionellen Rontgenbild erkennen lernen. Auch die CT-Aufnahmenkonnen so insbesondere auf ihre Gefaßstrukturen untersucht werden, so daß derStudierende das Korrelat zum rekonstruierten Korper erkennen kann.

Abbildung 32:In der seitlichen Projektion werdenUberlappungsphanomene derHals- und Thoraxgefaße sichtbar.

Auch nach dem universitaren Studium kann das Programm VOXEL–MAN3D-Navigator als Referenzwerk fur die genannten Lehranwendungen benutzt wer-den. Im folgenden Teil werden Anwendungsmoglichkeiten beschrieben, die imklinischen Alltag eine Rolle spielen.

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5.2 Klinische Anwendungen

Neben speziellen anatomischen Anwendungen in der medizinischen Ausbildungist auch die Vermittlung von anatomischem Wissen dem medizinischen Laien oderdem Patienten ein weiteres Anwendungsgebiet. Denkbar ist folgende Situation:Viele Patienten auf chirurgischen Stationen wollen wahrend des Aufklarungsge-spraches nahere Informationenuber ihre Erkrankung wissen und werden vom be-handelnden Arztuber die anatomischen Verhaltnisse instruiert. Normalerweisewerden Skizzen am Krankenbett angefertigt, die die komplexe Anatomie starkvereinfacht darstellen. Es werden in einigen Institutionen auch vorgedruckte Auf-klarungsbogen eingesetzt, die anhand von wenigen, oft unzureichend erlautertenBildern die Anatomie abbilden. Der aufklarende Arzt kann nun mit dem vorlie-genden Programm dem Patienten, der das wunscht, schnell und prazise Auskunftuber den geplanten Eingriff geben. Dabei kann der Arzt die Anatomie skaliertvermitteln: Entweder detailreich anhand der vorbereiteten Szenen, oder aber de-tailarm auf eine leicht verstandliche Weise.

Eine andere denkbare Variante ist der Einsatz des Programms durch einenchirugisch tatigen Arzt. Neben den bereits erzeugten Lehrszenen ist es moglich,speziell angepaßte Szenen fur die Chirurgie zu entwickeln. Der Chirurg ist selbstin der Lage, chirurgische Eingriffe an dem erzeugten Korpermodell vorzubereiten.Dieser Einsatz erfordert im Augenblick noch eine relativ lange Einarbeitung vonSeiten des Chirurgen und wird am VOXEL-MAN Autorensystem durchgefuhrt.Das VOXEL-MAN Autorensystem laßt simulierte operative Eingriffe am Hals,an der oberen Extremitat, am Thorax, am Abdomen und an Brust- und Bauch-wand zu. So konnen komplexe Eingriffe mit einem haptischen Gerat in Verbin-dung mit dem Autorensystem geplant werden, Zugangswege und Strategien ge-nau untersucht werden. Um nun diese Simulationen Kollegen oder eventuell demPatienten mitzuteilen, konnen interaktive Filmszenen generiert werden, die dieseVorgange zeigen. Auch daraus konnen Lehranwendungen vom Operateur abgelei-tet werden. Derartige Lehrszenen konnen dann wahrend Vorlesungen der Chirur-gie gezeigt und den Studenten zur Nachbereitung der Vorlesung auf Datentragernausgehandigt werden. Damit schließt sich der Kreis der Anwendungsmoglichkei-ten: Vom Laienuber den Studierenden der Anatomie, den Chirurgen, bis wiederzum Studierenden der Chirurgie laßt sich das Programm mit Erfolg einsetzen. Imfolgenden Abschnitt soll naher auf die Moglichkeit der Operationsplanung ein-gegangen werden, auf die in dieser Arbeit ein besonderer Schwerpunkt gelegtworden ist.

Mit dem VOXEL–MAN Autorensystem ist es moglich, chirurgische Operatio-nen am dreidimensionalen Modell des Menschen durchzufuhren. Der Operateurkann in den virtuellen Korper schneiden und die Organe unabhangig voneinandermanipulieren. Es ist moglich, Schnittabfolgen einzustudieren und anschließendals Quick-Time-VR-Szenen auf dem PC zu kontrollieren. In dieser Arbeit wurdenvirtuelle Laparotomien durchgefuhrt. Nach der Modellierung der Blutgefaße undweiterer Organsysteme wurden nun Eingriffe an anderen Korperregionen realis-tisch simulierbar. Durch die Modellierung und Segmentation wesentlicher Gefaßekonnen Operationen am menschlichen Modell beliebig oft wiederholt und ein-studiert werden. Durch die Exploration der dreidimensionalen Ansicht mit derShutter-Brille wirkt der Operationssitus in realistischer Tiefe.

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Im folgenden Teil wird ein Schneidewerkzeug, das im VOXEL–MAN Auto-rensystem aufrufbar ist, mit dem haptischen Phantom Device fur grundlegendeSchneideoperationen probiert. In den Abbildungen 33 und 34 wird eine einfacheLaparotomie dargestellt. Das Phantom Device wird hierbei als Werkzeug fur dieSchneideoperation verwendet.

Die Verwendung des VOXEL–MAN Autorensystems als Ausgangsbasisfur operative Studien ist bereits fur den kraniofazialen Bereich erprobt wor-den [Leuweret al., 2002] [Pflesseret al., 2000] [Fuhrmannet al., 1997]. In die-sen Beispielen wurden Daten aus der CT rekonstruiert und fur virtuelle Opera-tionen am Schadelknochen eingesetzt. Die nachfolgende Operation am Patientenkonnte die Ergebnisse der virtuellen Operation bestatigen. Ein Patient mit schwe-ren Gesichtsschadelmißbildungen wurde auf diese Weise vor der eigentlichenOperation virtuell behandelt. Ein anderes Beispiel ist die Operation am Mittelohr,das ebenfalls aus CT-Daten rekonstruiert wurde. Die Gehorknochel im Mittelohrlassen sich im CT gut abbilden. Die Korperstelle eignet sich gut fur virtuelle Ope-rationsimulationen, weil das Hauptaugenmerk bei der Operationsplanung in derErhaltung der Nervenbahnen und Gehorknochelchen liegt.

Abbildung 33:Diese virtuelle Operation soll anhand einer szenischen Bilder-sammlung dokumentiert werden. Das linke Bild zeigt den Oberbauch mit Schnitt inHaut und das Unterhautfettgewebe. Der abgebildete Rundkolben dient als Schnei-dewerkzeug, deruber einen Knopf am Phantom Device ausgefuhrt werden kann.Die Beruhrung des Korpers mit dem Rundkolben wirduber das Phantom Devicegefuhlt. So wird der Schnitt ausgeweitet.

Operative Eingriffe an kunstlich erzeugten Tumoren des Magens in dieser Ar-beit wurden in dieser Arbeit erprobt. Als Ausgangsbasis diente der segmentier-te und modellierte Korper des Visible Human Project. Fur die Magenoperationwurde in die Magenwand ein polygonales rundes Objekt mit dem Tree–Editoreingefugt, was dem Modell eines polypos wachsenden Tumors entspricht. Dervirtuelle Bauch wurde laparotomiert und in der Schnittfuhrung einer realen Ope-ration angepaßt. Hierbei kam die Entfernung des tumoros durchsetzten Magenge-webes einer Billrothschen Operation Typ I nahe, da der Restmagen mit Hilfe einerRekonstruktion an den Zwolffingerdarm terminoterminal angeschlossen wurde.Die Rekonstruktion geschah mit einem polygonalen Objekt, das vom Magen biszum Zwolffingerdarm angepaßt wurde. Die entstandenen Filmszenen geben al-

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Abbildung 34:Die Faszie und die Bauchwandmuskulatur werden durchtrennt,das freigelegte Querkolon kann nun unterfahren werden. Im rechten Bild kannanschließend das Duodenum angeschnitten werden. Diese kurze Szene soll dieDarstellbarkeit von Operationszugangen verdeutlichen.

lerdings nur einen geringen Teil der Moglichkeiten mit den Schneidewerkzeugenwieder. Die Form und Große der Werkzeuge sind interaktiv veranderbar, ebensodie Schnittrichtung und -tiefe. Die freigeschnittenen Objekte sind jederzeit be-schriftbar und lassen sich anfarben, so daß der Operateur auf diese Weise freige-schnittene Teile kontrollieren kann.

Als weitere Operationssimulation ist eine duodenumerhaltende Pankreasre-sektion im Sinne einer v-shape excision des Pankreas versucht worden. Dabeiist das Pankreas langsinzidiert und mit einem kunstlich modellierten Jejunum-abschnitt adaptiert worden. Als Ergebnis wurde eine Bilderserie dokumentiert,die die wichtigsten Wegpunkte der virtuellen Operation zeigt (siehe Abbildung35).

Der Korper des Visible Human Project eignet sich fur simulierte Operationenan der oberen Extremitat, am Thorax und insbesondere am Herzen, am Abdo-men und an Organen des kleinen Beckens. Fur chirurgische Simulationen sindkeine weiteren Organsegmentationen notwendig, um Prinzipien der Resektionendarzustellen. Voraussetzung fur realistische Operationen sind differenziert darge-stellte Bindegewebe wie Knochen, Muskeln und Fettgewebe, sowie Nervengewe-be, Blutgefaße, parenchymatose Organe wie Leber und Nieren und Hohlorganewie Magen und Darm. Alle aufgefuhrten Gewebe sind im Atlas enthalten undermoglichen Eingriffe in diesen Bereichen. Die notigen Dateien zur Manipulationder Organe sind im Programm des VOXEL–MAN Autorensystems integrierbarund frei anzupassen.

Wahrend der Vorbereitung der virtuellen Operationen wurden neue Methodenentwickelt, die die Bearbeitung erleichterten: Mit Hilfe des haptischen Gerateskonnte ein hohes Maß an Interaktivitat erreicht werden und die Geschwindigkeitder Simulation im Vergleich zur Navigation mit der Maus erhoht werden. Hapti-sche Gerate konnen damit die interaktive Maussteuerung ersetzen und fuhren zumehr intuitiver Bedienung. Das stiftartige Gerat ist mit einem Druckknopf aus-gestattet, der prazise den Schneidepunkt steuern kann. Es konnen Organgruppenauch wahrend der Operation entfernt, eingefarbt oder beschriftet werden.

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Abbildung 35:Die Bilder zeigen eine virtuelle v-shape-Resektion des Pankreas.Das Pankreas wird im linken Bild langsinzidiert und mit einer mobilisierten Dunn-darmschlinge adaptiert, die im rechten Bild als polygonales Objekt in den Korperhineinmodelliert wird. Auch Arterien, wie beispielsweise die A. pancreaticoduo-denalis anterior inferior, werden dargestellt, womit bei virtuellen Operationen ei-ne hohere Realitatsnahe erreicht wird.

Im Gegensatz zu anderen Vorgehensweisen verlauft die Entwicklung der Me-thoden zur Operationssimulation zeitlich nach der Erzeugung eines fast vollstandi-gen Korpermodells. So wird zuerst ein Modell in hoher Detailtiefe erstellt, an-schließend werden Operationen wesentlich realitatsnaher ausfuhrbar. Ware derumgekehrte Weg eingeschlagen worden und hatte man die Algorithmen zur Ope-rationssimulation vor der Erzeugung eines Modells entwickelt, waren unerwunsch-te Nebeneffekte nach der Anwendung an einem detaillierten Modell die Folge ge-wesen. Durch die vorgezogene Modellentwicklung werden unvorhersehbare Ne-beneffekte sofort erkennbar und konnen beseitigt werden. Deshalb wird die wei-tere Entwicklung der Algorithmen rasch voranschreiten.

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6 Diskussion

Im Rahmen dieser Arbeit ist ein computerbasiertes Modell des Herz-Kreislauf-Systems entwickelt worden, das bezuglich der Ausgangsmaterialien, der Metho-den und der Ergebnisse neuartig ist. Sie werden im folgenden diskutiert.

6.1 Wahl der Schnittbilder

Zur Rekonstruktion des vorliegenden Korpermodells ist der Datensatz des VisibleHuman Project verwendet worden, weil viele Grunde gegen die Verwendung einesdiagnostischen Schnittbilddatensatzes aus der Radiologischen Klinik sprechen.Erstens genugen die diagnostischen Schnittbilder aus CT und MRT nicht den gra-fischen Anforderungen, da die Auflosung des MRT-Scanners zu niedrig ist. Mitder Auflosung ist eine Identifizierung kleiner Gefaßaste nicht moglich und stortdie Segmentationsmethode. Zweitens differenziert das CT-Schnittbild Weichteilenur sehr gering, so daß ohne eine Kontrastmittelapplikation das Herz-Kreislauf-System von z.B. der Muskulatur schwer abgrenzbar ist. Die Verwendung einesdiagnostischen Datensatzes, der kontrastmittelunterstutzte CT-Schnittbilder zeigt,erlaubt zwar eine gute Rekonstruktion der Arterien, jedoch nicht der Venen. Einsolcher Datensatz zeigt nie das gesamte Gefaßsystem des Menschen. Drittens er-fassen diagnostische Schnittbildserien sehr selten vollstandig den gesamten Korpermit beiden Aufnahmearten aus CT und MRT im minimalen Schichtabstand. DerVorteil des Visible Human Schnittbilddatensatz ist die große Anzahl an Schnitt-bildern bei geringer Schichtdicke. Der Datensatz besteht aus 2 CT-, einem MRT-und einem Kryotomiedatensatz. Die Organe bilden sich auf korrespondierendenSchichten der unterschiedlichen Aufnahmen mit nur geringem Versatzfehler auf-einander ab. Ein diagnostischer Datensatz bietet keinen RGB-Schnittbilddatensatz,der Organe in naturlichen Farben wiedergibt und fur die Farbgebung der rekon-struierten Daten einsetzbar ist.

Zusammenfassend bietet der Visible Human Datensatz folgende Vorteile:

• hohe Auflosung einzelner Bilder,

• geringe Schichtdicke,

• geringer Schichtabstand,

• vollstandige Erfassung des gesamten Korpers,

• unterschiedliche Aufnahmemodalitaten in gleicher Ebene

• vorbereitete Hohlorgane mit farblicher Kunststoffausfullung

Die hohe Auflosung des RGB-Datensatzes zeigt sogar kleinere Gefaße des Vi-sible Human, was besonders wichtig zur Modellierung ist. Im folgenden Abschnittwerden Probleme der Arterienidentifizierung erlautert.

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6.2 Identifizierung der Gefaße

Die meisten Gefaße, die segmentiert und modelliert werden, konnen durch ihreLage im Korper identifiziert werden. So entspringen die Interkostalarterien in re-gelmaßigem Abstand aus der Aorta und verlaufen am Unterrand der Rippen. DieArterien sind unter den Rippen leicht auffindbar, jedoch ergeben sich Probleme beider Abgrenzung gegenuber den begleitenden Venen und Nerven. Die Leitungs-bahnen liegen in einer regelmaßigen Anordnung, aber sehr dicht beeinander. Einefehlerhafte Modellierung fuhrt leicht zuUberschneidungen dieser Leitungsbah-nen, so daß sich im rekonsturierten Korpermodell die Leitungsbahnen kreuzen.

Im Abdomen entspringen die drei Arterienhauptstamme gut sichtbar aus derAorta. Durch ihren Urprung und die Große werden die Arterien sicher identifi-ziert, hohere Aufzweigungen hingegen sind weniger durch ihre Lage im Bauch-raum, als vielmehr durch ihre Versorgung bestimmter Organe identifizierbar. Bei-spielsweise fuhrt der Verlauf eines geschlungenen Asts des Truncus coeliacus zurMilz zur richtigen Zuordnung des Gefaßes. Die Dunndarmarterien hingegen sindnicht sicher in Aa. jejunales und ileales einteilbar, da die Grenzziehung zwischenden zu versorgenden Dunndarmabschnitten Jejunum und Ileum fließend ist. DieGefaße des kleinen Beckens sind nicht nur schwer gegenuber Faszien und Fett-gewebe abgrenzbar. Ihre Lage hinter der Blase an der Beckenwand macht eineZuordnung außerordentlich schwierig. Aber auch hier werden die Arterienuberden Urprung aus Aorta oder A. iliaca communis und den Verlauf zu den Organenidentifiziert.

Zusammenfassend konnen die Gefaßeuber ihren Ursprung oder Abgang ausgroßen Gefaßen identifiziert werden,uber ihren charakteristischen Verlauf an Kno-chen unduber ihre Versorgung von Organen. Große segmentierte Gefaße konnenan ihrer Lage identifiziert werden.

6.3 Wahl des Rekonstruktionsverfahrens

Zur Rekonstruktion von Blutgefaßen aus Schnittbildern wird die schwellwert-basierte Segmentation verwendet. Dieses Verfahren unterliegt dem Problem ei-nes geeigneten Farbschwellwertes, der die gewunschten Organe im Schnittbildmarkiert. Ist der Kontrast der Organe zum Hintergrund hoch, kann ein festerSchwellwert mit gutem Resultat verwendet werden. Das gilt fur die Segmenta-tion der Knochen im CT und der Arterien mit blauer Kunststoffausfullung imRGB-Datensatz. Wenn Objekte mitahnlichen Grau- bzw. Farbbereichen anein-ander grenzen, treten Fehler auf, weil der Schwellwert sowohl das gewunschteOrgan als auch den Hintergrund markiert. Beispielsweise gilt das fur Weichteilein der CT-Darstellung.

Es existieren mehrere Segmentationsmethoden, die sich in die Kategorien au-tomatisch, halbautomatisch und manuell einordnen lassen. Keine derzeitig ver-fugbare Segmentationsmethode kann automatisch Organe in RGB-Schnittbildernmarkieren. Automatische Verfahren differenzieren nicht genau genug Organrandervon umliegendem Gewebe. So werden z.B. parenchymatose Organe nicht voll-standig vom umliegenden Bindegewebe hervorgehoben. Fur die manuelle Metho-de ist die Anzahl aller zu bearbeitenden Voxel in dem vorliegenden Datensatz zuhoch. Deshalb bietet sich nur das halbautomatische Verfahren an, das eine manu-

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elle Nachbearbeitung erlaubt.Die in dieser Arbeit verwendete halbautomatische Segmentationsmethode er-

zeugt im virtuellen RGB-Farbraum Ellipsoide aus den manuell gewahlten Farb-bereichen im Schnittbild. Die anschließende Klassifikation der im Ellipsoid ein-geschlossenen Farbwerte wird auf die Schnittbilder angewendet, so daß alle Pi-xel mit entsprechenden Farbwerten automatisch markiert werden. Da die meis-ten anatomischen Objekte auf dem Schnittbild inhomogen gefarbt sind, benotigtman mehrere Klassifikationsergebnisse, um die Organe zu rekonstruieren. Die Or-gane setzen sich dann aus mehreren Teilobjekten zu einem Gesamtojekt zusam-men. Stets ist auf die Grenzen zu umliegenden Nachbarstrukturen zu achten, dennein zu groß markierter Bereich fuhrt zumUberschreiben eines bereits segmen-tierten Organs. So wurde z.B. die Aorta Teile von Wirbelkorpern enthalten. Istdas gewunschte Organvolumen jedoch zu klein rekonstruiert, entstehen unklassi-fizierte Bereiche. Bei zusammengesetzten Organen wie Aorta und V. cava konnendie Unterobjekte zu Stufenbildungen fuhren, weil die einzelnen Klassifikationenunterschiedliche Grenzlinien demarkieren. Durch manuelle Verkleinerung oderVergroßerung kann die Stufenbildung vermieden werden. Ein weiteres Problembei der Segmentation tritt bei zu nahe beeinander liegenden Gefaßbaumen auf.Das Segmentationsprogramm markiert solche Objekte als ein einziges zusam-menhangendes Objekt. Beispielsweise liegen die Pulmonalarterien und -venen imSchnittbild dicht nebeneinander und weisen den gleichen Schwellwert auf, eben-so die Lebervenen und dieAste der Pfortader, so daß bei der Segmentation aufdie strikte Trennung jeweils beider Bereiche besonders geachtet werden muß. Dienachtragliche Trennung der beiden Gefaßnetze ist mit hohem Aufwand verbundenund fuhrt zu sichtbaren Gefaßabbruchen und Stufen.

Die Venen des Beckens sind großtenteils kollabiert, so daß hier die Segmen-tation nicht moglich ist. Die Iliacalarterien weisen in einigen Bereichen storendeVerkalkungen auf, so daß auch sie nicht vollstandig segmentiert werden konnen.Gefaßkalk stellt sich im RGB-Schnittbild als inhomogen gefarbte weiß-gelb-brau-ne Auflagerung dar und ist schwer klassifizierbar, weil das umliegende Fettge-webe einenahnlichen Schwellwertbereich aufweist. Fur solche Falle muß eineandere Rekonstruktionsmethode verwendet werden. Die Modellierung durch po-lygonale Rohren kann hier auf manuelle Weise solche Gefaße darstellen. Das zurModellierung eingesetzte Programm Tree-Editor vermag nur kreisformige Objek-te im Querschnitt zu erzeugen. Im Schnittbild ovale Gefaße konnen nur unzu-reichend mit kreisformigen Polygonen modelliert werden, weil so entweder un-klassifizierte Bereiche entstehen oder angrenzende Organeuberschrieben werden.Der Vorteil der Methode liegt in der schnellen Erzeugung von Gefaßbaumen undeinfachen Bedienung des zur Modellierung eingesetzten Tree-Editors.

Die Darstellung der erzeugten Gefaße im dreidimensionalen Raum erscheintbei den Rekonstruktionsmethoden unterschiedlich. Die segmentierten Gefaße er-halten den naturlichen Farbton aus Schnittbildern, die arteriellen modelliertenGefaße hingegen werden in einem kunstlichen Rot abgebildet. Im Vergleich zuden gedruckten Atlanten ist diese Darstellung jedoch nicht von Nachteil, weilauch bei gedruckten Atlanten arterielle Gefaße rot erscheinen. Die segmentier-ten, in naturlichen Farben abgebildeten Gefaße werden jedoch anschließend roteingefarbt werden, damit ein einheitlicher Farbton fur die Gefaße erreicht wird.Lediglich fur realistische Operationsplanungen, die farblich ebenfalls real erschei-

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nen sollen, muß die rote Farbe der Gefaße angepaßt werden. Bei Operationen kanndie rote unnaturliche Farbe der Gefaße storend wirken.

6.4 Vollstandigkeit des Herz-Kreislauf-Systems

Abschließend wird die Frage nach der Vollstandigkeit gestellt. Vollstandig be-deutet einerseits, daß alle Voxel des Volumendatensatzes als Organe klassifiziertsind und keine Voxel unbenannt bleiben, andererseits daß alle fur weitergehen-de Anwendungen bereitgestellten Objekte vorhanden sein mussen. Es ist nichtmoglich, beim vorhandenen Ausgangsdatensatz und damit festgelegter Auflosungeine vollstandige Rekonstruktion aller bekannten Gefaße des menschlichen Herz-Kreislauf-Systems zu erreichen, denn mit den gewahlten Methoden konnen nichtalle Gefaße rekonstruiert werden. Im folgenden werden rekonstruierte und nicht-rekonstruierte Bereiche zusammenfassend dokumentiert.

Die großen Gefaße und ihre Hauptstamme sind vollstandig im vorgegebenenBereich dargestellt. DieAste der Hauptstamme sind außer wenigen Variationenzusammen mit ihren Abzweigungen modelliert worden, wobei die Arterien desrechten Armes weit weniger detailliert dargestellt werden als die des linken Ar-mes. Die Rekonstruktion der Gefaße ist aber eigentlich nicht Gegenstand dieserArbeit. Das venose System wurde deshalb in der oberen Extremitat nicht darge-stellt. Die thorakalen großen Venen sind rekonstruiert ohne die variationsreichenkleineren Venen zu berucksichtigen. Das gleiche gilt fur die kleineren Venen desAbdomens.

Die Gefaße, die fur die medizinische Ausbildung wesentlich sind, konnten re-konstruiert werden. Fur chirugische Operationssimulationen allerdings reicht daserzeugte Gefaßsystem in einigen Korperabschnitten nicht aus. Fur eine realisti-sche Simulation z.B. am Pankreas mussen noch mehr kleine bis kleinste Gefaßerekonstruiert werden. Gerade sie machen das Operieren zu einer außergewohn-lich schwierigen und gefahrlichen Disziplin, denn dabei treten wegen Verletzungschwer sichtbarer Gefaße regelmaßig Blutungen auf.

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7 Zusammenfassung

In dieser Arbeit entstand ein computerbasierter anatomischer Atlas des Herz-Kreislauf-Systems. Als Ursprungsdatensatz wurden die Schnittbilder des VisibleHuman Project eingesetzt. Die Schnittbilder wurden mit dem ComputerprogrammVOXEL–MAN Autorensystem rekonstruiert, das im Institut fur Mathematik undDatenverarbeitung in der Medizin der Universitat Hamburg (IMDM) entwickeltwurde. Das Ziel, die klinisch wesentlichen Blutgefaße des Menschen dreidimen-sional darzustellen, wurde fur den Thorax, das Abdomen und die obere Extremitaterreicht.

Als Methoden zur Erzeugung der Gefaße wurden die farbschwellwertbasier-te Segmentation und die Modellierung verwendet. Die Segmentation wurde beifarbahnlichen, dickeren Gefaßabschnitten angewendet, die Modellierung bei fei-neren Gefaßarkaden und Gefaßnetzen. Die Segmentation erfolgte halbautoma-tisch, indem der Farbschwellwert aus einzelnen im Schnittbild angewahlten Bild-punkten berechnet wurde. Die Modellierung hingegen wurde mit einem sogenann-ten Tree-Editor des VOXEL–MAN Autorensystems durchgefuhrt, der Gefaße alspolygonale Rohren runden Querschnittes erzeugt. Alle entstandenen Gefaße wur-den in einer interaktiv explorierbaren Datenbank des Programms zusammenge-faßt. Mit Hilfe dieser Datenbank sind nun die Gefaßnamen und Zugehorigkeitenam virtuellen Modell abrufbar. Die Gefaße wurden so auch in einen topografi-schen und systematischen Zusammenhang eingeordnet. Die bereits vorhandenenOrgane aus Thorax, Abdomen und den Extremitaten konnen nun zusammen mitden Gefaßen in einem gemeinsamen Modell gleichzeitig dargestellt werden. DerAtlas wurde so in das bereits bestehende Organmodell integriert, so daß ein de-tailliertes Gesamtmodell der menschlichen Anatomie erzeugt werden konnte. Erstdurch die Erzeugung des Herz-Kreislauf-Systems wurde der Weg fur weiterge-hende Anwendungen geebnet.

Als erste Anwendung wurden in dieser Arbeit dreidimensionale Filmszenenkonzipiert, die fur Lehranwendungen hervorragend geeignet sind. Mit diesen Sze-nen ist nun zum ersten Mal ein detaillierts Modell des Herz-Kreislauf-Systemsverfugbar, das im Gegensatz zu gedruckten Medien den raumlichen Aspekt derGefaßverlaufe einzigartig wiederzugeben vermag. Da das Programm in seinerDetailtiefe skalierbar ist, kann das Programm nun auch dem Nicht-Medizinerdie menschliche Anatomie des Herz-Kreislauf-Systems verstandlich nahebringen.Die erzeugten Lehrszenen sind besonders fur Studierende der Humanmedizin ge-eignet, da sie die dreidimensional dargestellten Blutgefaße besser in ihrem Verlauferlernen konnen.

Als weitere Anwendung wurden in dieser Arbeit auch ausgewahlte virtuelleOperationssimulationen am Abdomen durchgefuhrt. Damit konnte bewiesen wer-den, daß sich das Modell fur simulierte Eingriffe am Thorax und am Abdomenhervorragend eignet. Nun konnen neben den Organen auch die Blutgefaße ma-nipuliert werden. Erst durch die Rekonstruktion der Blutgefaße konnen virtuelleEingriffe realistisch unternommen werden. Auch die rekonstruktiven Verfahrenbei Darmoperationen konnten erfolgreich simuliert werden, wobei hier die poly-gonenbasierte Modellierung eine herausragende Rolle bei der Erzeugung kunstli-cher Darmabschnitte spielte.

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B Lebenslauf

Sebastian GehrmannGeschwister-Scholl-Str. 13020251 Hamburg

geboren am 22.11.1977 Eltern Dr. jur. Ludwig Gehrmann,in Luneburg Brigitte Gehrmann, zwei Schwestern

1984 bis 1996 Schulzeit in Oedeme, Luneburg

22.07.1994 Prufung fur nebenberuflichen Organistendienstder Landeskirche Hannover

01.07.1996 bis 07.04.1997 Wehrdienst im deutsch-franzosischenVersorgungsbataillon in Muhlheim

07.04.1997 Aufnahme des Studiums an der Universitat Hamburg

WS 98/99 Vorpraparand am Institut fur Anatomie

06.04.1999 Arztliche Vorprufung

13.04.2000 Erster Abschnitt derArztlichen Prufung

10.04.2002 Zweiter Teil derArztlichen Prufung

29.04.2002 bis 30.03.2003 Praktisches Jahr im UKE

Hamburg, den 29.04.03

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C Erkl arung

Ich versichere ausdrucklich, dass ich die Arbeit selbstandig und ohne fremde Hilfeverfasst, andere als die von mir angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutztund die aus den benutzten Werken wortlich oder inhaltlich entnommenen Stelleneinzeln nach Ausgabe (Auflage und Jahr des Erscheinens), Band und Seite desbenutzten Werkes kenntlich gemacht habe.Ferner versichere ich, dass ich die Dissertation bisher nicht einem Fachvertreteran einer anderen Hochschule zurUberprufung vorgelegt oder mich anderweitigum Zulassung zur Promotion beworben habe.

Sebastian Gehrmann

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