頸動脈三維重建及臨床應(yīng)用的研究

周志尊 王佳美 胡明成 陳廣新 劉陽 董默 孫強 孫鵬 劉佳維

摘要：采用活體器官的CTA頭部斷層掃描圖像為原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了頸動脈的三維重建及相關(guān)空間參量的測量。這種成像方法可以無創(chuàng)、活體對血管內(nèi)壁進(jìn)行準(zhǔn)確拓?fù)鋵W(xué)建模，清晰觀察頸動脈管壁及外周結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)頸動脈與周圍組織的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系，評價頸動脈狹窄及空間位置、管壁斑塊、血栓或腫瘤的結(jié)構(gòu)特征。該研究成果彌補了目前影像診斷的不足，在模擬仿真手術(shù)及醫(yī)學(xué)影像教學(xué)研究等方面有一定的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：三維重建；頸動脈成像；空間參量；圖像分割

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.006

本文著錄格式：周志尊，王佳美，胡明成，等.頸動脈三維重建及臨床應(yīng)用的研究[J].軟件，2017，38（8）：32-35

引言

腦血管疾病發(fā)病率逐年上升，是威脅生命及健康的重要疾病。頸動脈狹窄甚至栓塞將導(dǎo)致缺血性腦卒。對于頸動脈狹窄與栓塞的成因的研究是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要課題，通過對頸動脈三維重建的研究，可以還原頸動脈的結(jié)構(gòu)，研究頸動脈與其它組織器官的關(guān)系，清晰地顯示血管內(nèi)壁的形態(tài)，對于研究腦血管疾病的成因及臨床診斷與治療有很大的幫助。頸動脈的三維可視化過程可分為三個階段，第一個階段是將一系列的二維CTA或MRI動脈與

靜脈圖像進(jìn)行圖像的預(yù)處理，然后應(yīng)用特定的方法對一系列平面圖像進(jìn)行圖像分割，分割出需要重建的血管，去掉其他圖像信息。第二個階段是將處理好的二維圖像，用特定的成像方法進(jìn)行疊加，實現(xiàn)頸動脈的三維重建，最終建立起三維圖像模型。第三個階段是使用該模型完成頸動脈的定性和定量分析。三維可視化模型彌補了二維CT、MRI圖像直觀性與準(zhǔn)確性差的弱點。三維重建的立體解剖結(jié)構(gòu)可以在任意方位觀察頸動脈的外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。CT與MRI平掃圖像組是頸動脈三維成像的基礎(chǔ)材料，CT圖像通過組織密度的差異來反應(yīng)組織結(jié)構(gòu)的變化，MRI是通過頸動脈中富含的氫原子核的多少成像，因此，他們會反映不同的組織結(jié)構(gòu)，成像的邊界也不盡相同，所以，我們將會在另外一個研究課題中重點研究MRI的頸動脈三維成像方法與特點。在三維成像的過程中，二維圖像的頸動脈邊界分割的精度將會直接影響三維頸動脈模型的質(zhì)量與精度，圖像分割精度與方法非常重要。利用臨床現(xiàn)MRI與CAT數(shù)據(jù)采用現(xiàn)代圖像處理技術(shù)對頸動脈血管的三維重建和可視化研究為人體器官的研究提供了新的方法。

本研究旨在應(yīng)用醫(yī)學(xué)圖像處理與分析技術(shù)手段，采用臨床所提供的頭部CTA與MRI平掃圖像建立頸動脈三維模型，并進(jìn)行定性與定量分析。該研究成果可以彌補目前影像診斷的不足，同時在模擬仿真手術(shù)及醫(yī)學(xué)影像教學(xué)研究等方面有一定的應(yīng)用價值。

1 圖像分割的模型與算法

本實驗的圖像分割采用閾值法，用直方圖加以控制與實施。閾值圖像分割方法實現(xiàn)簡單，計算量小，同時性能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)快速實時得到結(jié)果，是醫(yī)學(xué)圖像分割的首選技術(shù)。

圖像分割模型是基于一維灰度直方圖統(tǒng)計特征的分割方法建立起來的，將所選取的閾值將圖像灰度直方圖分成兩段或多段，同一段內(nèi)的所有像素灰度定義為同一常量。如式（1），設(shè)原始圖像為按照一定的準(zhǔn)則在中找到若干個原始圖像的灰度或彩色特征特征值，Tl，T2，其中，將圖像分割為幾部分，分割后的圖像為：

如果，則圖像被二值化。圖像二值化可以實現(xiàn)初步的頸動脈邊界分割。

閾值的選取是閾值分割技術(shù)的關(guān)鍵。在確定閾值時，如果閾值過高，則過多的目標(biāo)點被誤認(rèn)為是背景，如果選取的閾值過低，則會出現(xiàn)相反的情況。從灰度直方圖上根據(jù)經(jīng)驗可以直接選取頸動脈外表皮邊界的灰度值為閾值點，從而將頸動脈從頭部CTA圖像中精確地分離出來。

2 頸動脈三維重建的材料與實驗設(shè)計

2.1 臨床資料

采集牡丹江醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院一例成人頭頸部CT增強平面連續(xù)掃描圖像數(shù)據(jù)。男性患者，80歲，左側(cè)上下肢遠(yuǎn)端麻木無力。成像設(shè)備為飛利浦Brillian 64CT，CT掃描參數(shù)設(shè)定為電壓120V，電流250mA，斷層厚度0.5rmn，圖像矩陣512x512，掃描方位為冠狀面從頭頂部到肩部，共采集1249張CTA圖像。為了提高頸動脈病變的檢出率及定性診斷的準(zhǔn)確率，靜脈注射60?100ml，濃度為60%的碘造影劑用以增強掃描。

2.2 三維重建設(shè)備

圖像處理硬件：Dell Precision7810圖像處理工作站，參數(shù)為XCTO16GBE5-2609，主頻2133MHz，內(nèi)存為DDR4，RDIMM，圖像處理顯卡為ECC Nvidia Quadro K2200。

圖像處理軟件：MATLAB軟件，用來實現(xiàn)對頸動脈CT圖像的預(yù)處理及三維重建。Dicom Viewer軟件，用以實現(xiàn)對CT原圖像組的格式轉(zhuǎn)化，完成將原圖像DICOM格式轉(zhuǎn)化成TIF格式的任務(wù)。Photoshop軟件，對生成的TIF格式的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理及圖片大小等參數(shù)的調(diào)整，實現(xiàn)頸動脈CAT平掃片中頸動脈的分割。Mimics，用于3D建模與模型參數(shù)分析。

3 頸動脈三維重建的實驗方法

3.1 原始圖像的預(yù)處理

由于圖像中存在各種噪聲干擾，圖像的直方圖往往不能達(dá)到理想雙峰效果，出現(xiàn)不平滑現(xiàn)象，此時需要首先對直方圖曲線進(jìn)行平滑處理，然后再進(jìn)行閾值選取和分割。通?？梢圆捎脤χ狈綀D中每一灰度級處直方圖統(tǒng)計值進(jìn)行修正，這種方法快捷且能有效地平滑直方圖曲線，使得直方圖雙峰特點更加突出和鮮明。

3.2 圖像分割算法的實現(xiàn)

本研究采用一男性患者頭頸部CTA增強掃描斷層數(shù)據(jù)，在1294張頭部斷層圖像中選取443?723系列圖像，共計280幀實施圖像分割，在此范圍內(nèi)的圖像包含了完整、清晰的頸動脈、靜脈信息及必要的骨骼，用以提取椎動脈及頸內(nèi)動脈。首先將原始圖像的DICOM格式由Dicom Viwer逐一轉(zhuǎn)化成TIF格式，應(yīng)用直方圖，選定特定的閾值處理圖像，用Photoshop將圖像中的無用消息去掉，最后米用MATLAB軟件做進(jìn)一步處理，完成頸動脈的三維重建，清晰完整地從不同角度顯示頸動脈各段的結(jié)構(gòu)與形態(tài)的變化。圖1顯示了經(jīng)過了閾值分割后的CTA平掃圖像，圖像中除了包含用于三維成像的頸動脈及腔靜脈信息，也包含了其他不需要的信息，因此需要做進(jìn)一步處理以剔除殘留組織。圖2是在圖3的基礎(chǔ)上應(yīng)用Photoshop軟件做進(jìn)一步處理，僅僅保留了頸動脈及腔靜脈的圖像，該系列圖像應(yīng)用MATLAB做進(jìn)一步疊加與批處理可以實現(xiàn)圖像的三維重建。我們還將嘗試應(yīng)用Mimicsl9完成圖像的自動分割，及三維模型重建與分析。

3.3 圖像重建

本實驗采用活體器官的CTA頭部斷層掃描圖像為原始數(shù)據(jù)，應(yīng)用MATLAB軟件實現(xiàn)頸動脈與腔靜脈三維圖像構(gòu)建，構(gòu)建的三維模型可以快速、便捷及準(zhǔn)確的檢測頸動脈與腔靜脈的直徑、截面及體積等空間參量。應(yīng)用MATLAB的圖像處理功能也可以實現(xiàn)人體其他器官的CT及MRI圖像的三維表面重建及體重建。此方法的最主要的優(yōu)點在于同時可以對人體活體器官與組織進(jìn)行三維表面重建、體重建、測量活體器官的體積與面積等空間參量[11，12]。在1294張頭部斷層圖像中選取443?723系列圖像，分兩部分實施圖像分割，并各自獨立實現(xiàn)三維重建。圖4顯示了第一部分的三維重建圖像，圖5顯示了第二部分的三維重建圖像。二者均清晰地顯示了人體頭部頸動脈及腔靜脈的三維成像模型，并拓?fù)浔憩F(xiàn)了血管內(nèi)壁結(jié)構(gòu)與狀態(tài)以血管外壁形式的直觀展現(xiàn)，即模型呈現(xiàn)的血管外壁實際上是學(xué)管的內(nèi)壁。為了體現(xiàn)血管與周圍骨骼的空間關(guān)系，在成像的過程中保留了部分頭骨與頸骨。

應(yīng)用Mimics19體繪制方法可以在不對被顯示物做分割的前提下完成三維成像，可對體數(shù)據(jù)中單個體素加以處理，完成三維圖像的可透視化重建，Mimics體繪制方法更適用于邊界呈連續(xù)變化的的組織和器官，體繪制透明度的引入可以呈現(xiàn)組織器官的質(zhì)地屬性、形狀特征及層次關(guān)系，從而使三維圖像的信息更加豐富，此種成像方法將會在以后的課題研究中詳細(xì)討論。

4 結(jié)果與分析

本實驗采用活體器官的CTA頭部斷層掃描圖像為原始數(shù)據(jù)，應(yīng)用MATLAB軟件實現(xiàn)頸動脈與腔靜脈三維圖像構(gòu)建，構(gòu)建的三維模型可以快速、便捷及準(zhǔn)確的檢測頸動脈與腔靜脈的直徑、截面及體積等空間參量。CTA頸動脈的三維重建及相關(guān)空間參量的測量方法是評估患者頸動脈解剖結(jié)構(gòu)，分析其狀態(tài)的一種實用而有效的技術(shù)方法，有一定的理論與臨床應(yīng)用價值[13，14]。這種成像方法可以無創(chuàng)、活體對血管內(nèi)壁進(jìn)行準(zhǔn)確拓?fù)鋵W(xué)觀察與測量，清晰的觀察頸動脈管壁及外周結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)頸動脈與周圍組織的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系，評價頸動脈狹窄及空間位置，管壁斑塊、血栓或腫瘤的結(jié)構(gòu)特征，為臨床的進(jìn)一步診斷與治療提供可靠的影像學(xué)支持[15，16]。該研究成果可以彌補目前影像診斷的不足，同時在模擬仿真手術(shù)及醫(yī)學(xué)影像教學(xué)研究等方面有一定的應(yīng)用價值。