基于掃描數據的血管內腔三維重構

侯書鵬　劉崢

摘要：針對血管內超聲圖像數據，對血管內腔進行三維重構和可視化處理。建立基于Visualization Toolkit（VTK）和Insight Segmentation and Registration Toolkit（ITK）的三維重構系統，在重建過程中主要采用水平集分割獲取目標區域，利用體繪制方法重構三維模型。實驗結果表明，該系統可以有效的生成血管模型，并可以對模型進行旋轉、縮放等操作，便于對模型的觀察。

關鍵詞：三維重構；VTK；ITK；分割；體繪制

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0099-02

冠心病作為一種常見的心臟病，嚴重危害著患者的身體健康，因此人們對冠心病的研究沒有停止過。冠心病影像學CAG于1970年代發展起來。CAG被認為是冠心病診斷的“金標準”，但隨著科技的發展，傳統的方法和手段具有局限性，臨床醫學十分需要血管內超聲技術來檢測病變特性并指導介入治療。血管內超聲IVUS作為血管內影像學檢測技術，可以幫助醫生更好的診斷病人癥狀。

IVUS通過導管將高頻微型超聲探頭導入血管內進行探測，經電子成像系統顯示血管的截面圖像，但圖像受到聲波的振蕩，血管內雜質的干擾，使得醫生對于圖像的識別，尤其是對于病灶部分的識別變得十分困難。因此本文的目標是利用ITK的圖像處理能力以及VTK的圖像可視化功能，通過VS2010開發的系統將二者集成，實現對冠心病患者血管內腔的三維重構。

1 ITK功能實現

ITK是一個開源的平臺，且具有很好的移植，它以C++為基礎，封裝了大量前沿算法，能夠很好的處理圖像的配準分割等問題。通過CMake編譯軟件，將ITK集成在VS2010所搭建的系統框架平臺，對圖像進行處理。

1.1 圖像濾波

圖像濾波的方法有很多[1]，如閾值、邊緣檢測、投射和亮度映射、梯度、領域濾波等。其中領域濾波是相對成熟的濾波技術，領域濾波又包含均值濾波，中值濾波等。

本文采用的是均值濾波方法。ITK均值濾波器調用itkMean ImageFilter來消除噪聲干擾。其原理是以當前像素點作為中心點設置一個窗口，濾波器則在該像素點的若干個臨近的單位輸入像素值，計算出用該窗口的均值，來代替原來像素值，算法的優點在于可以有效的除去圖像奇異點，計算方法簡單，計算速度。原理公式如（1）式所示。

（1）

式（1）中Smn表示中心為（x，y），M表示m×n的值，尺寸是m×n的某矩形窗口，工程上一般采用3×3的矩形窗口。

1.2 圖像分割

圖像分割一般依據灰度、顏色、紋理等特征，可以將圖像劃分不同的子區域，提取所需要的區域做針對性研究。圖像分割方法主要有區域生長、水平集分割和基于分水嶺的圖像分割等。

水平集分割方法最初應用于流體力學領域，后逐漸應用到圖像科學領域，開始了水平集方法處理圖像的研究。水平集的基本思想是通過設置一個高緯函數，稱為水平集函數，用該函數的零水平集來表示所要提取的輪廓，通過對水平集函數的微分，獲得零水平集的輪廓，完成圖像的分割[2]。在ITK的庫類中，運用FastMarching ImageFilter完成了水平集分割方法的封裝，通過調用該函數完成了圖像分割。

2 VTK功能實現

VTK在三維庫函數OpenGL的基礎上采用面向對象的設計方法發展起來，內核由C++構成，具有眾多的翻譯接口，擁有良好的移植性，且由于其強大的圖像顯示功能，被廣泛應用于醫療、建筑、航天航空等領域。

三維重構：VTK主要的特點就是其強大的三維圖形顯示功能，它既支持面繪制，又支持體繪制。面繪制是一種對物體表面進行建模的繪制方式，但它忽略了物體內部的具體信息，而體繪制更加注重對物體內部結構的描述，由于重構的對象是血管內腔，所以采用體繪制，有利于模型建立后的觀察。

體繪制的基本原理是將體素作為數據處理的基本單位，根據已有三維體數據，將其所有體細節通過二維圖片形式展現出來。體繪制的主要算法有光線投影算法，錯切變形算法，頻域體繪制算法，泡學球算法等[3]。光線投影法作為一種經典的體繪制算法，它是基于圖像序列的算法，從圖像的每一個像素點出發，沿固定方向發射一道光線，對圖像序列進行顏色信息進行采集，依據不同顏色光線的吸收不同，分析不同顏色的吸收率，然后將采集到的顏色值進行不斷疊加，最后完成圖像的繪制。VTK中的vtkVolumeRayCast IsosurfaceFunction類庫封裝了光線投影法的相關算法，通過該函數的調用，完成血管內腔的三維重構。

3 結語

本文基于VS2010提供的系統框架，憑借ITK和VTK良好的移植性，有機的將兩個功能結合，完成了整個實驗過程。對于圖像處理，利用ITK封裝的分割及濾波算法，對血管病灶部位圖像進行處理；依靠VTK的體繪制算法重構三維模型，并將重構的模型顯示在窗口上，可以為后續的支架植入仿真研究提供支持。

參考文獻

[1]何石，潘曉璐，李一民.一種均值濾波的優化算法[J].信息技術，2012，（3）：133-134.

[2]王曉峰.水平集方法及其在圖像分割中的應用研究[D].中國科學技術大學，2009.

[3]孫薇薇，張樺.三種體繪制算法的比較[J].天津理工大學學報，2005，（4）：9-11.