Karl Heinz Höhne

Segmentation of the Visible Human for high-quality volume-based visualization

This article describes a combination of interactive classification and super-sampling visualization algorithms that greatly enhances the realism of 3-D reconstructions of the Visible Human data sets. Objects are classified on the basis of ellipsoidal regions in RGB space. The ellipsoids are used for super-sampling in the visualization process.

Visualization blackboard: visualizing the visible human

Visualization of the human body and its inner structure has challenged artists and scientists for centuries. For 500 years, since Leonardo da Vinci, drawings have been the main resource for learning anatomy because they allow the mixture of realism and abstraction suitable for didactic purposes. With the discovery of X-rays 100 years ago, it became possible to look into the living body. Only since the 1970s have computer tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) made it possible to acquire image data in three dimensions. Based on these techniques, 3D computer graphics generated the first models of the living body. These represent a tremendous advance for diagnosis and surgical planning, but the resolution is still poor when viewed from an anatomists point of view. The National Library of Medicines Visible Human Project provided much more realistic data-the Visible Human data set, created at the University of Colorado School of Medicine. This project produced transverse cross sectional photographic images of a male cadaver with a resolution of 0.33 mm and slice distance of 1 mm.

Realistic haptic interaction in volume sculpting for surgery simulation

Realistic haptic interaction in volume sculpting is a decisive prerequisite for successful simulation of bone surgery.We present a haptic rendering algorithm, based on a multi-point collision detection approach which provides realistic tool interactions. Both haptics and graphics are rendered at sub-voxel resolution, which leads to a high level of detail and enables the exploration of the models at any scale. With a simulated drill bony structures can be removed interactively. The characteristics of the real drilling procedure like material distribution around the drill are considered to enable a realistic sensation. All forces are calculated at an extra high update rate of 6000 Hz which enables rendering of drilling vibrations and stiff surfaces. As a main application, a simulator for petrous bone surgery was developed. With the simulated drill, access paths to the middle ear can be studied. This allows a realistic training without the need for cadaveric material.

Segmentation of the Visible Human for High Quality Volume Based Visualization

This article describes a combination of interactive classification and super-sampling visualization algorithms that greatly enhances the realism of 3-D reconstructions of the Visible Human data sets. Objects are classified on the basis of ellipsoidal regions in RGB space. The ellipsoids are used for super-sampling in the visualization process.

3D-visualization of tomographic volume data using the generalized voxel-model

Multi-slice images obtained from computer tomography and magnetic resonance imaging represent a 3D image volume. For its visualization we use a raycasting algorithm working on a gray-scale voxel data model. This model is extended by additional attributes such as membership to an organ or a second imaging modality (“generalized voxel model”). It is shown that the combination of different surface-rendering algorithms together with cutting and transparent display allow a realistic visualization of the human anatomy.

Interactive 3D-Segmentation of Tomographic Image Volumes

Segmentation is a prerequisite for 3D visualization of image volumes. It has turned out to be extremely difficult to formalize for automatic computation. We describe an interactive segmentation method that circumvents this difficulty by using low level segmentation tools, which are interactively controlled by a human user via 3D display. Segmentation tools implemented so far are simple thresholding and morphological operations. The method has been implemented on a workstation under UNIX using an X-Window interface based on the OSF/MOTIF toolkit. It is shown with examples from different applications that this simple approach delivers good results in only a short amount of time.

Volume Visualization in Medicine: Techniques and Applications

Three-dimensional visualization of medical objects from tomographic volume data is increasingly considered useful in various fields. This paper reviews methods for all steps of the 3D imaging pipeline from data preprocessing to object definition and display, with Special emphasis on advanced segmentation methods and surface- and voxel-based rendering techniques. Furthermore, multimodality matching, data manipulation, and aspects of image fidelity and implementation are discussed. Methods are illustrated with applications in craniofacial surgery, traumatology, neurosurgery, radiotherapy, and medical education.

3-D Segmentation von Kernspin-Tomogrammen

In diesem Artikel wird die dreidimensionale Erweiterung des Marr-Hildreth Operators zur Segmentation von Volumendaten der Kernspintomographie vorgestellt. Es wird gezeigt, das die Nulldurchgange in dem vom Marr-Hildreth Operator berechneten Konturvolumen anatomisch relevanten Oberflachen entsprechen. Weist man den gefundenen Regionen semantische Bedeutungen zu und benutzt diese bei der Oberflachendarstellung, lassen sich sehr gute Ergebnisse erzielen.

Virtuelle Simulation dentoalveolärer Eingriffe in einem dreidimensionalen Computermodell mit Kraftrückkopplungssystem

Das gezielte Abtragen knöcherner Strukturen, ohne darin verlaufende Strukturen zu verletzen, ist essenzieller Bestandteil operativer Maßnahmen, besonders im Bereich der dentoalveolären Chirurgie. Mithilfe eines neuen Simulators können diese Bohr- und Fräsvorgänge virtuell trainiert werden, was am Beispiel von Wurzelspitzenresektionen demonstriert werden soll. Mit dem VOXEL-MAN-System wurden aus den Schichtdaten eines Schädels ein virtuelles, dreidimensionales Modell erstellt und Nervi alveolares inferiores sowie apikale Granulome der Zähne 23, 25, 36 und 35 modelliert. Um ein realistisches Bohrgefühl über das angebundene Kraftrückkopplungsgerät zu erhalten, wurden in das VOXEL-MAN-System Methoden integriert, die eine Kollisionserkennung mit hoher Auflösung ermöglichen. Zusätzlich wurden auf die berechnete Kraft Schwingungen aufmoduliert, die das Bohrgefühl verstärken sollten. Durch eine stereoskopische Darstellung mit Shutterbrillen wurde die räumliche Wahrnehmung weiter verbessert. Mit dem hier vorgestellten Modell ist es möglich, beliebig komplexe, volumenbasierte Modelle visuell und haptisch zu „begreifen“ und mit diesen Modellen bohrend und fräsend zu interagieren. Das haptische Gefühl ist aufgrund der speziellen Kollisionserkennung, der Berücksichtigung wichtiger Parameter des Bohrvorgangs und des Aufmodulierens von Bohrgeräuschen auf das Werkzeug sehr überzeugend. Durch die postoperative Rekonstruktion beliebiger Schnittebenen ist eine mehrdimensionale Kontrolle der durchgeführten Bohrvorgänge möglich. Am Beispiel von Wurzelspitzenresektionen konnte gezeigt werden, dass mit dem hier vorgestellten System eine sehr realistische bohrende und fräsende Interaktion auch mit komplexen anatomischen Modellen durchzuführen ist. Grundsätzlich können durch das Einfügen virtueller Pathologien in vorhandene Bilddaten verschiedenartige Operationen simuliert werden. Selective reduction of bone without injuring inner structures is an essential part of surgical techniques, especially during dental surgery. Virtual drilling is possible using a new simulator. The following illustrates simulation of an apicectomy. Using the VOXEL-MAN system, a virtual three-dimensional model of a skull was created based on CT data. Both inferior alveolar nerves and apical inflammations of teeth 23, 25, 36, and 35 were virtually simulated. To achieve a realistic drilling effect with the force feedback system, special tools were integrated into VOXEL-MAN to obtain a high resolution of collision recognition. Adding drilling noises further improved the simulation. Spatial 3D perception was possible with the help of shutter glasses. The presented computer model enabled the visual and haptic observation of complex volume-based models and virtual interaction with them. The haptic feeling proved to be convincing because of collision recognition, consideration of drilling parameters, and addition of drilling noises. Via postoperative reconstructions, polydimensional verification of performed drilling routes is possible. Using apicectomies as examples, realistic simulation of dental surgical procedures, even in complex anatomical models, is possible. Generally, it is possible to add virtual pathologies in data sets and/or to use anonymous patient data sets to extend the range of simulated surgical procedures.

Ein virtuelles Trainingssystem für endoskopische Longitudinal-Ultraschalluntersuchungen

Der endoskopische Ultraschall (EUS) dient zur Untersuchung des Magen-Darm-Traktes und angrenzender Organe. Mit Longitudinalscannern werden gute Ergebnisse bei der Charakterisierung und Einstufung von Tumoren erzielt. Diese Technik ist jedoch sehr schwierig zu erlernen, da durch die Flexibilitat des Schallkopfes fur den Mediziner ungewohnte Schnittbilder erzeugt werden. Mit dem hier vorgestellten EUS-Trainingssystem, das auf dem Visible Human Datensatz basiert, soll der Lernaufwand dieser Technik reduziert werden. Es konnen EUS-Untersuchungen in Speiserohre, Magen und Zwolffingerdarm erprobt werden. Mittels der integrierten Wissensbasis kann die Anatomie so gelernt werden, wie sie auf dem Ultraschallbildern erscheint. Diese Kenntnisse sind fur die Interpretation der Bilder und somit fur einen sinnvollen Einsatz der Technik unerlasslich.