三维可视化技术在计算机体层成像中的应用

薛俊玲

摘 要：三维可视化技术是指运用计算机图形和图像处理技术，将一系列二维图像数据（图像或图形模型）经过计算重建为三维图像模型，在计算机上进行直观显示、处理。计算机体层成像是将X线成像检查技术与数学计算、计算机后处理技术结合产生的断层成像方法。文章对三维可视化技术在计算机体层成像中的应用进行研究，其能够把一系列连续的二维断层图像重建为可以任意角度观察的三维图像，从而帮助医生对病灶进行定性判断和定量分析。

关键词：三维可视化；计算机体层成像；重建

科学计算可视化（Visualization in Scientific Computing），是20世纪80年代后期出现的一种新的研究方法，即运用计算机图形学、图像处理技术、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互等多种技术，通过数模转换的方法使数据信息得以直观显示并进行交互处理的一系列理论、方法和技术，广泛应用在医学、核科学、气象预报、地质勘探等相关领域。

1969年，英国的计算机和图像处理工程师Housfield设计并于1971年制造出世界第一台头部计算机体层成像（Computed Tomography，CT）机，他由此获得1979年诺贝尔生物医学奖。与传统的X线摄影相比，CT具有更高的密度分辨率，不但对器官的显示更加直观，还可以进行量化分析，其出现使得医学图像实现了立体化与数字化[1]。

随着医疗设备性能的提高和图像后处理技术的不断进步，可视化技术在CT中的应用日趋广泛且深入。本文总结相关文献，就三维可视化技术与CT的关联进行综述，以期增加对三维可视化技术临床应用的认识。

1 CT的基本原理

CT的基本原理是以不同方向发出的X线束对三维物体的选定层面进行扫描，由探测器测定透射出来的X射线量，将其转换为可见光，通过光电转换器将光信号换为电信号，再经模拟/数字转换器（Analog/Digital Converter）将其转化成数字信号，由计算机对数字信号进行处理，计算得出该层面组织各单位体积（即体素）的吸收系数，采集到与物体截面相关的参数值，最后运用逆运算在计算机中重建出灰度解剖图像的一种检查方法。

CT的主要组成：（1）扫描装置。由能发出X线的X线球管和能测量透过组织的X射线量的探测器组成。（2）计算机。作用是把探测器收集到的信息进行存储运算，计算成像层面每一体素的X线衰减系数，通过模—数及数—模转换重建解剖图像。（3）显示器。作用是显示图像以供观察和分析。（4）快速打印机和光学摄影机。作用是将检查出的图像输出保存。

CT图像是断层图像，由一定数目由黑到白不同灰度的像素按矩阵排列所构成，常用的是横断面，得到图像像素的灰度反映了相应体素的X线衰减系数。为了显示整个检查器官，需要多个连续的层面图像。通过CT图像重建工作站后处理软件的使用，还可重建冠状面和矢状面甚至任意层面的断层图像，从而可以多角度查看器官和病变的关系[2]。

2 三维可视化技术的原理与主要算法

CT图像三维可视化的过程如图1所示。对CT采集的一组二维断层原始图像，首先进行图像滤波、去噪、增强等预处理，这些处理可以改善图像质量；然后对图像进行分割，即按照灰度、频谱、纹理或者色彩等特征将图像分割成一系列子区域。最后，根据分割好的二维断层图像的子区域进行重建处理，得到能够任意旋转、多角度观察的三维图像，从中可以直接观察成像组织的形态学改变或密度的改变 。

根据绘制过程中数据描述方法的不同，三維可视化的主流算法包括面绘制（Surface Rendering）和体绘制（Volume Rendering）两大类。面绘制和体绘制算法的应用都比较广泛，分别针对类型不同的体数据以及应用需求。

面绘制方法对被检查组织的一组连续二维图像进行分割并建立其三维模型，采用等值面提取及图形模型化表达，以表面再现的方式呈现图像，在辅助诊断、手术仿真以及引导治疗等方面有重要作用。面绘制处理的是整个数据场中的一小部分数据，优点是速度较快，并且可以灵活地进行旋转或者交换光照效果，适合于绘制表面特征分明的组织和器官，缺点是绘制出的图形并不能反映体数据的真实表面及内部细节，边界不锐利，形态变化较小的软组织，效果不如意。从而限制了面绘制的应用。面绘制的经典算法有剖分立方体和移动立方体及其一系列改进算法等。

体绘制依据视觉成像原理，对三维体数据进行采样，转换为离散的二维数据，利用图像合成技术进行处理，进而合成具有三维效果的图像。体绘制必须进行三维空间数据场的重新采样，应该考虑三维空间中每一个数据对二维图像的贡献，必须实现图像的合成。所以体绘制是三维离散数据场的重采样的图像合成技术。体绘制对形状特征模糊不清的组织和器官显示较好，但由于计算量大，成像速度相对较慢，因此交互显示不及时。

体绘制的经典的算法有光学投射法、足迹法，斯坦福大学计算机系统实验室的错切—变形法，频域体绘制法以及基于小波的体绘制法的小波域光线透射法和小波足迹法等。

3 三维可视化技术在临床CT成像中的应用

三维可视化技术基于计算机技术，现已渗透到多个学科中，如地理学、测绘学、资源环境学、建筑学到生物医学等。在临床医学中也有了广泛应用。1989年，美国国家医学图书馆（National Library of Medicine，NLM）开始实施可视化人体计划（Visible Human Projec，VHP），这一项目正是医学CT图像可视化领域的著名案例。该项目建立起一男一女的全部解剖结构数据库。该数据集的出现，标志计算机三维重构图像和虚拟现实技术进入了医学领域，从而大大促进了医学的发展和普及。

CT以及其他医学图像三维可视化技术不仅可以仿真显示病灶的立体形态，无需医生凭借空间想象力在大脑中建立抽象的三维形态，还可进行图像指导治疗技术辅助医生治疗。医学图像三维可视化系统（MedicalImage Three-Dimensional Visualization System，MI3DVS）可以真实模拟人体环境，在医学计算机辅助教学以及模拟解剖等领域都得到应用。远程医疗和远程手术的基础核心之一就是可视化的医学模型和图像，远程会诊和手术依赖于三维可视化技术向分布式协同可视化的发展[3]。

3.1 三维可视化技术在肝胆胰外科疾病精准诊断和治疗中的应用

原发性肝癌、肝内胆管结石、胰腺癌三维可视化诊治平台的构建，包括个体化肝血管分型及个体化的肝脏分段、三维可视化肝脏3D打印、肝癌术前个体化的仿真手术等，在术前通过三维可视化技术对肝脏的储备功能和肝脏的体积进行准确的评估和计算，可以有效评估手术风险，对选择最佳手术方式、增加手术成功率、降低手术风 险和并发症的发生率具有十分重要的意义。

3.2 骨骼三维可视化技术的应用

对骨科而言，术前通过对重建后的三维模型进行相关的有限元分析，能帮助医生全面了解拟手术骨骼的形态、病变的部位，掌握术中内植骨是否造成应力形成过程及术后有无骨吸收、骨折不愈风险，通过术前模拟手术，更改内植物大小、形状、位置来取得最好的手术效果。

3.3 血管三维可视化技术的临床应用

血管病变如动脉瘤、动脉狭窄、动静脉畸形、静脉畸形、静脉曲张等需要在治疗前获得准确诊断，然而血管相对其他组织纤细狭长，走行复杂，常规术前检查手段难于直观显示。通过注射造影剂，借助于三维可视化技术，可将血管三维形态与走行清晰显示。此外，对于全身各部位手术区域血管的显示，三维可视化技术也具有独到的优势。

4 结语

目前，三维可视化在CT成像中已开发出了可以实际应用的医学处理系统，取得很大的发展，为医疗方面提供了不同于传统诊断方法，现在图像指导治疗技术、手术计划和导航、医学虚拟现实及其相关技术得到应用，有广泛的发展前景。随着医学影像设备、计算机后处理技术以及虚拟现实技术的进一步发展和完善，三维可视化技术必将在医疗方面发挥越来越重要的作用。

[参考文献]

[1]常旖旎，鲁雯，聂生东.医学图像三维可视化技术及其应用[J].中国医学物理学杂志，2012（2）：3254-3258.

[2]方驰华，蔡伟，范应方，等.从数字虚拟人到三维可视化肝脏3D打印[J].中国实用外科杂志，2016（1）：47-50.

[3]张远华，黄潮桐.月骨血管三维可视化[J].中国实用医药杂志，2013（32）：20-21.