三維可視化技術(shù)在計(jì)算機(jī)體層成像中的應(yīng)用

薛俊玲

摘 要：三維可視化技術(shù)是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形和圖像處理技術(shù)，將一系列二維圖像數(shù)據(jù)（圖像或圖形模型）經(jīng)過計(jì)算重建為三維圖像模型，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行直觀顯示、處理。計(jì)算機(jī)體層成像是將X線成像檢查技術(shù)與數(shù)學(xué)計(jì)算、計(jì)算機(jī)后處理技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的斷層成像方法。文章對(duì)三維可視化技術(shù)在計(jì)算機(jī)體層成像中的應(yīng)用進(jìn)行研究，其能夠把一系列連續(xù)的二維斷層圖像重建為可以任意角度觀察的三維圖像，從而幫助醫(yī)生對(duì)病灶進(jìn)行定性判斷和定量分析。

關(guān)鍵詞：三維可視化；計(jì)算機(jī)體層成像；重建

科學(xué)計(jì)算可視化（Visualization in Scientific Computing），是20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)的一種新的研究方法，即運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺及人機(jī)交互等多種技術(shù)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換的方法使數(shù)據(jù)信息得以直觀顯示并進(jìn)行交互處理的一系列理論、方法和技術(shù)，廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、核科學(xué)、氣象預(yù)報(bào)、地質(zhì)勘探等相關(guān)領(lǐng)域。

1969年，英國的計(jì)算機(jī)和圖像處理工程師Housfield設(shè)計(jì)并于1971年制造出世界第一臺(tái)頭部計(jì)算機(jī)體層成像（Computed Tomography，CT）機(jī)，他由此獲得1979年諾貝爾生物醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。與傳統(tǒng)的X線攝影相比，CT具有更高的密度分辨率，不但對(duì)器官的顯示更加直觀，還可以進(jìn)行量化分析，其出現(xiàn)使得醫(yī)學(xué)圖像實(shí)現(xiàn)了立體化與數(shù)字化[1]。

隨著醫(yī)療設(shè)備性能的提高和圖像后處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，可視化技術(shù)在CT中的應(yīng)用日趨廣泛且深入。本文總結(jié)相關(guān)文獻(xiàn)，就三維可視化技術(shù)與CT的關(guān)聯(lián)進(jìn)行綜述，以期增加對(duì)三維可視化技術(shù)臨床應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。

1 CT的基本原理

CT的基本原理是以不同方向發(fā)出的X線束對(duì)三維物體的選定層面進(jìn)行掃描，由探測器測定透射出來的X射線量，將其轉(zhuǎn)換為可見光，通過光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)換為電信號(hào)，再經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog/Digital Converter）將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算得出該層面組織各單位體積（即體素）的吸收系數(shù)，采集到與物體截面相關(guān)的參數(shù)值，最后運(yùn)用逆運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中重建出灰度解剖圖像的一種檢查方法。

CT的主要組成：（1）掃描裝置。由能發(fā)出X線的X線球管和能測量透過組織的X射線量的探測器組成。（2）計(jì)算機(jī)。作用是把探測器收集到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)運(yùn)算，計(jì)算成像層面每一體素的X線衰減系數(shù)，通過?！獢?shù)及數(shù)—模轉(zhuǎn)換重建解剖圖像。（3）顯示器。作用是顯示圖像以供觀察和分析。（4）快速打印機(jī)和光學(xué)攝影機(jī)。作用是將檢查出的圖像輸出保存。

CT圖像是斷層圖像，由一定數(shù)目由黑到白不同灰度的像素按矩陣排列所構(gòu)成，常用的是橫斷面，得到圖像像素的灰度反映了相應(yīng)體素的X線衰減系數(shù)。為了顯示整個(gè)檢查器官，需要多個(gè)連續(xù)的層面圖像。通過CT圖像重建工作站后處理軟件的使用，還可重建冠狀面和矢狀面甚至任意層面的斷層圖像，從而可以多角度查看器官和病變的關(guān)系[2]。

2 三維可視化技術(shù)的原理與主要算法

CT圖像三維可視化的過程如圖1所示。對(duì)CT采集的一組二維斷層原始圖像，首先進(jìn)行圖像濾波、去噪、增強(qiáng)等預(yù)處理，這些處理可以改善圖像質(zhì)量；然后對(duì)圖像進(jìn)行分割，即按照灰度、頻譜、紋理或者色彩等特征將圖像分割成一系列子區(qū)域。最后，根據(jù)分割好的二維斷層圖像的子區(qū)域進(jìn)行重建處理，得到能夠任意旋轉(zhuǎn)、多角度觀察的三維圖像，從中可以直接觀察成像組織的形態(tài)學(xué)改變或密度的改變 。

根據(jù)繪制過程中數(shù)據(jù)描述方法的不同，三維可視化的主流算法包括面繪制（Surface Rendering）和體繪制（Volume Rendering）兩大類。面繪制和體繪制算法的應(yīng)用都比較廣泛，分別針對(duì)類型不同的體數(shù)據(jù)以及應(yīng)用需求。

面繪制方法對(duì)被檢查組織的一組連續(xù)二維圖像進(jìn)行分割并建立其三維模型，采用等值面提取及圖形模型化表達(dá)，以表面再現(xiàn)的方式呈現(xiàn)圖像，在輔助診斷、手術(shù)仿真以及引導(dǎo)治療等方面有重要作用。面繪制處理的是整個(gè)數(shù)據(jù)場中的一小部分?jǐn)?shù)據(jù)，優(yōu)點(diǎn)是速度較快，并且可以靈活地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或者交換光照效果，適合于繪制表面特征分明的組織和器官，缺點(diǎn)是繪制出的圖形并不能反映體數(shù)據(jù)的真實(shí)表面及內(nèi)部細(xì)節(jié)，邊界不銳利，形態(tài)變化較小的軟組織，效果不如意。從而限制了面繪制的應(yīng)用。面繪制的經(jīng)典算法有剖分立方體和移動(dòng)立方體及其一系列改進(jìn)算法等。

體繪制依據(jù)視覺成像原理，對(duì)三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換為離散的二維數(shù)據(jù)，利用圖像合成技術(shù)進(jìn)行處理，進(jìn)而合成具有三維效果的圖像。體繪制必須進(jìn)行三維空間數(shù)據(jù)場的重新采樣，應(yīng)該考慮三維空間中每一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)二維圖像的貢獻(xiàn)，必須實(shí)現(xiàn)圖像的合成。所以體繪制是三維離散數(shù)據(jù)場的重采樣的圖像合成技術(shù)。體繪制對(duì)形狀特征模糊不清的組織和器官顯示較好，但由于計(jì)算量大，成像速度相對(duì)較慢，因此交互顯示不及時(shí)。

體繪制的經(jīng)典的算法有光學(xué)投射法、足跡法，斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的錯(cuò)切—變形法，頻域體繪制法以及基于小波的體繪制法的小波域光線透射法和小波足跡法等。

3 三維可視化技術(shù)在臨床CT成像中的應(yīng)用

三維可視化技術(shù)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，現(xiàn)已滲透到多個(gè)學(xué)科中，如地理學(xué)、測繪學(xué)、資源環(huán)境學(xué)、建筑學(xué)到生物醫(yī)學(xué)等。在臨床醫(yī)學(xué)中也有了廣泛應(yīng)用。1989年，美國國家醫(yī)學(xué)圖書館（National Library of Medicine，NLM）開始實(shí)施可視化人體計(jì)劃（Visible Human Projec，VHP），這一項(xiàng)目正是醫(yī)學(xué)CT圖像可視化領(lǐng)域的著名案例。該項(xiàng)目建立起一男一女的全部解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)集的出現(xiàn)，標(biāo)志計(jì)算機(jī)三維重構(gòu)圖像和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，從而大大促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展和普及。

CT以及其他醫(yī)學(xué)圖像三維可視化技術(shù)不僅可以仿真顯示病灶的立體形態(tài)，無需醫(yī)生憑借空間想象力在大腦中建立抽象的三維形態(tài)，還可進(jìn)行圖像指導(dǎo)治療技術(shù)輔助醫(yī)生治療。醫(yī)學(xué)圖像三維可視化系統(tǒng)（MedicalImage Three-Dimensional Visualization System，MI3DVS）可以真實(shí)模擬人體環(huán)境，在醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)以及模擬解剖等領(lǐng)域都得到應(yīng)用。遠(yuǎn)程醫(yī)療和遠(yuǎn)程手術(shù)的基礎(chǔ)核心之一就是可視化的醫(yī)學(xué)模型和圖像，遠(yuǎn)程會(huì)診和手術(shù)依賴于三維可視化技術(shù)向分布式協(xié)同可視化的發(fā)展[3]。

3.1 三維可視化技術(shù)在肝膽胰外科疾病精準(zhǔn)診斷和治療中的應(yīng)用

原發(fā)性肝癌、肝內(nèi)膽管結(jié)石、胰腺癌三維可視化診治平臺(tái)的構(gòu)建，包括個(gè)體化肝血管分型及個(gè)體化的肝臟分段、三維可視化肝臟3D打印、肝癌術(shù)前個(gè)體化的仿真手術(shù)等，在術(shù)前通過三維可視化技術(shù)對(duì)肝臟的儲(chǔ)備功能和肝臟的體積進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估和計(jì)算，可以有效評(píng)估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)選擇最佳手術(shù)方式、增加手術(shù)成功率、降低手術(shù)風(fēng) 險(xiǎn)和并發(fā)癥的發(fā)生率具有十分重要的意義。

3.2 骨骼三維可視化技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)骨科而言，術(shù)前通過對(duì)重建后的三維模型進(jìn)行相關(guān)的有限元分析，能幫助醫(yī)生全面了解擬手術(shù)骨骼的形態(tài)、病變的部位，掌握術(shù)中內(nèi)植骨是否造成應(yīng)力形成過程及術(shù)后有無骨吸收、骨折不愈風(fēng)險(xiǎn)，通過術(shù)前模擬手術(shù)，更改內(nèi)植物大小、形狀、位置來取得最好的手術(shù)效果。

3.3 血管三維可視化技術(shù)的臨床應(yīng)用

血管病變?nèi)鐒?dòng)脈瘤、動(dòng)脈狹窄、動(dòng)靜脈畸形、靜脈畸形、靜脈曲張等需要在治療前獲得準(zhǔn)確診斷，然而血管相對(duì)其他組織纖細(xì)狹長，走行復(fù)雜，常規(guī)術(shù)前檢查手段難于直觀顯示。通過注射造影劑，借助于三維可視化技術(shù)，可將血管三維形態(tài)與走行清晰顯示。此外，對(duì)于全身各部位手術(shù)區(qū)域血管的顯示，三維可視化技術(shù)也具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語

目前，三維可視化在CT成像中已開發(fā)出了可以實(shí)際應(yīng)用的醫(yī)學(xué)處理系統(tǒng)，取得很大的發(fā)展，為醫(yī)療方面提供了不同于傳統(tǒng)診斷方法，現(xiàn)在圖像指導(dǎo)治療技術(shù)、手術(shù)計(jì)劃和導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)及其相關(guān)技術(shù)得到應(yīng)用，有廣泛的發(fā)展前景。隨著醫(yī)學(xué)影像設(shè)備、計(jì)算機(jī)后處理技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，三維可視化技術(shù)必將在醫(yī)療方面發(fā)揮越來越重要的作用。

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