三維可視化技術在計算機體層成像中的應用

薛俊玲

摘 要：三維可視化技術是指運用計算機圖形和圖像處理技術，將一系列二維圖像數據（圖像或圖形模型）經過計算重建為三維圖像模型，在計算機上進行直觀顯示、處理。計算機體層成像是將X線成像檢查技術與數學計算、計算機后處理技術結合產生的斷層成像方法。文章對三維可視化技術在計算機體層成像中的應用進行研究，其能夠把一系列連續的二維斷層圖像重建為可以任意角度觀察的三維圖像，從而幫助醫生對病灶進行定性判斷和定量分析。

關鍵詞：三維可視化；計算機體層成像；重建

科學計算可視化（Visualization in Scientific Computing），是20世紀80年代后期出現的一種新的研究方法，即運用計算機圖形學、圖像處理技術、計算機輔助設計、計算機視覺及人機交互等多種技術，通過數模轉換的方法使數據信息得以直觀顯示并進行交互處理的一系列理論、方法和技術，廣泛應用在醫學、核科學、氣象預報、地質勘探等相關領域。

1969年，英國的計算機和圖像處理工程師Housfield設計并于1971年制造出世界第一臺頭部計算機體層成像（Computed Tomography，CT）機，他由此獲得1979年諾貝爾生物醫學獎。與傳統的X線攝影相比，CT具有更高的密度分辨率，不但對器官的顯示更加直觀，還可以進行量化分析，其出現使得醫學圖像實現了立體化與數字化[1]。

隨著醫療設備性能的提高和圖像后處理技術的不斷進步，可視化技術在CT中的應用日趨廣泛且深入。本文總結相關文獻，就三維可視化技術與CT的關聯進行綜述，以期增加對三維可視化技術臨床應用的認識。

1 CT的基本原理

CT的基本原理是以不同方向發出的X線束對三維物體的選定層面進行掃描，由探測器測定透射出來的X射線量，將其轉換為可見光，通過光電轉換器將光信號換為電信號，再經模擬/數字轉換器（Analog/Digital Converter）將其轉化成數字信號，由計算機對數字信號進行處理，計算得出該層面組織各單位體積（即體素）的吸收系數，采集到與物體截面相關的參數值，最后運用逆運算在計算機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）計算機。作用是把探測器收集到的信息進行存儲運算，計算成像層面每一體素的X線衰減系數，通過?！獢导皵怠＾D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）快速打印機和光學攝影機。作用是將檢查出的圖像輸出保存。

CT圖像是斷層圖像，由一定數目由黑到白不同灰度的像素按矩陣排列所構成，常用的是橫斷面，得到圖像像素的灰度反映了相應體素的X線衰減系數。為了顯示整個檢查器官，需要多個連續的層面圖像。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系[2]。

2 三維可視化技術的原理與主要算法

CT圖像三維可視化的過程如圖1所示。對CT采集的一組二維斷層原始圖像，首先進行圖像濾波、去噪、增強等預處理，這些處理可以改善圖像質量；然后對圖像進行分割，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域。最后，根據分割好的二維斷層圖像的子區域進行重建處理，得到能夠任意旋轉、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學改變或密度的改變 。

根據繪制過程中數據描述方法的不同，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用都比較廣泛，分別針對類型不同的體數據以及應用需求。

面繪制方法對被檢查組織的一組連續二維圖像進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，以表面再現的方式呈現圖像，在輔助診斷、手術仿真以及引導治療等方面有重要作用。面繪制處理的是整個數據場中的一小部分數據，優點是速度較快，并且可以靈活地進行旋轉或者交換光照效果，適合于繪制表面特征分明的組織和器官，缺點是繪制出的圖形并不能反映體數據的真實表面及內部細節，邊界不銳利，形態變化較小的軟組織，效果不如意。從而限制了面繪制的應用。面繪制的經典算法有剖分立方體和移動立方體及其一系列改進算法等。

體繪制依據視覺成像原理，對三維體數據進行采樣，轉換為離散的二維數據，利用圖像合成技術進行處理，進而合成具有三維效果的圖像。體繪制必須進行三維空間數據場的重新采樣，應該考慮三維空間中每一個數據對二維圖像的貢獻，必須實現圖像的合成。所以體繪制是三維離散數據場的重采樣的圖像合成技術。體繪制對形狀特征模糊不清的組織和器官顯示較好，但由于計算量大，成像速度相對較慢，因此交互顯示不及時。

體繪制的經典的算法有光學投射法、足跡法，斯坦福大學計算機系統實驗室的錯切—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 三維可視化技術在臨床CT成像中的應用

三維可視化技術基于計算機技術，現已滲透到多個學科中，如地理學、測繪學、資源環境學、建筑學到生物醫學等。在臨床醫學中也有了廣泛應用。1989年，美國國家醫學圖書館（National Library of Medicine，NLM）開始實施可視化人體計劃（Visible Human Projec，VHP），這一項目正是醫學CT圖像可視化領域的著名案例。該項目建立起一男一女的全部解剖結構數據庫。該數據集的出現，標志計算機三維重構圖像和虛擬現實技術進入了醫學領域，從而大大促進了醫學的發展和普及。

CT以及其他醫學圖像三維可視化技術不僅可以仿真顯示病灶的立體形態，無需醫生憑借空間想象力在大腦中建立抽象的三維形態，還可進行圖像指導治療技術輔助醫生治療。醫學圖像三維可視化系統（MedicalImage Three-Dimensional Visualization System，MI3DVS）可以真實模擬人體環境，在醫學計算機輔助教學以及模擬解剖等領域都得到應用。遠程醫療和遠程手術的基礎核心之一就是可視化的醫學模型和圖像，遠程會診和手術依賴于三維可視化技術向分布式協同可視化的發展[3]。

3.1 三維可視化技術在肝膽胰外科疾病精準診斷和治療中的應用

原發性肝癌、肝內膽管結石、胰腺癌三維可視化診治平臺的構建，包括個體化肝血管分型及個體化的肝臟分段、三維可視化肝臟3D打印、肝癌術前個體化的仿真手術等，在術前通過三維可視化技術對肝臟的儲備功能和肝臟的體積進行準確的評估和計算，可以有效評估手術風險，對選擇最佳手術方式、增加手術成功率、降低手術風 險和并發癥的發生率具有十分重要的意義。

3.2 骨骼三維可視化技術的應用

對骨科而言，術前通過對重建后的三維模型進行相關的有限元分析，能幫助醫生全面了解擬手術骨骼的形態、病變的部位，掌握術中內植骨是否造成應力形成過程及術后有無骨吸收、骨折不愈風險，通過術前模擬手術，更改內植物大小、形狀、位置來取得最好的手術效果。

3.3 血管三維可視化技術的臨床應用

血管病變如動脈瘤、動脈狹窄、動靜脈畸形、靜脈畸形、靜脈曲張等需要在治療前獲得準確診斷，然而血管相對其他組織纖細狹長，走行復雜，常規術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，可將血管三維形態與走行清晰顯示。此外，對于全身各部位手術區域血管的顯示，三維可視化技術也具有獨到的優勢。

4 結語

目前，三維可視化在CT成像中已開發出了可以實際應用的醫學處理系統，取得很大的發展，為醫療方面提供了不同于傳統診斷方法，現在圖像指導治療技術、手術計劃和導航、醫學虛擬現實及其相關技術得到應用，有廣泛的發展前景。隨著醫學影像設備、計算機后處理技術以及虛擬現實技術的進一步發展和完善，三維可視化技術必將在醫療方面發揮越來越重要的作用。

[參考文獻]

[1]常旖旎，魯雯，聶生東.醫學圖像三維可視化技術及其應用[J].中國醫學物理學雜志，2012（2）：3254-3258.

[2]方馳華，蔡偉，范應方，等.從數字虛擬人到三維可視化肝臟3D打印[J].中國實用外科雜志，2016（1）：47-50.

[3]張遠華，黃潮桐.月骨血管三維可視化[J].中國實用醫藥雜志，2013（32）：20-21.