三維重建技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

高輝 邱兆文

摘 要：以前醫(yī)生在手術(shù)中無法將3D顯示的人體結(jié)構(gòu)與病人真實(shí)解剖部位進(jìn)行對應(yīng)，難以實(shí)施精準(zhǔn)手術(shù)。隨著科技的發(fā)展，智能醫(yī)療技術(shù)不斷提高，三維重建技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角，無論在臨床還是醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域都能看到三維重建技術(shù)的身影，而且應(yīng)用效果顯著，成功案例層出不窮。三維重建技術(shù)以獨(dú)有的三維重現(xiàn)視角，將平面難懂的醫(yī)學(xué)檢查結(jié)果變得通俗易懂，為醫(yī)生提供了更加清晰準(zhǔn)確的病灶體現(xiàn)，醫(yī)生據(jù)此能作出更加合理的診療方案，同時(shí)還能便利醫(yī)患溝通。該技術(shù)的實(shí)施，可為我國醫(yī)聯(lián)體和分級診療制度提供高效、低成本、簡易的最優(yōu)解決方案。

關(guān)鍵詞：CT圖像；三維重建；精準(zhǔn)醫(yī)療

DOI：10.11907/rjdk.181594

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）006-0170-03

Abstract：With the development of science and technology， intelligent medical technology is also improving at the same pace. In the past there was lack of accuracy in surgeries in that doctors were not able to get the 3D structure of the anatomical part of the patients in operation. 3D reconstruction technology comes into prominence in the medical field with the continuous technological development and it has become indispensible in both the clinical and teaching application and achieved remarkable effects in practice. Because it simplifies the obscure planar medical examination results into clear and understandable data for doctors to make more reasonable disgnosis and treatment plans， which facilitats communication between doctors and patients. The application of 3D reconstruction technology offers a highly efficient， low-cost and simple solution for the medical union and classification system in China.

Key Words：CT image； 3-D rconstruction； precise medical

0 引言

以前醫(yī)生在大多數(shù)臨床診療中都要依賴平面二維檢查結(jié)果為病人提供診斷，例如傳統(tǒng)的CT、核磁和超聲檢查的平面圖像依據(jù)等。從這些檢查結(jié)果斷定疾病的屬性，要求醫(yī)生有豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)，但如果遇到罕見的疑難病癥，很難通過經(jīng)驗(yàn)判別。三維重建技術(shù)應(yīng)用到病灶檢測，能讓病灶全息立體展示，結(jié)果更加直觀清晰，彌補(bǔ)了平面檢測結(jié)果對復(fù)雜、罕見病例難以診斷的不足。

圖像的三維可視化指利用斷層掃描（CT）、核磁共振（MRI）等技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)，通過軟件算法實(shí)現(xiàn)三維立體效果表現(xiàn)[1-2]。醫(yī)學(xué)圖像的立體可視化可在電腦上顯示出人體組織結(jié)構(gòu)，有利于醫(yī)生和病患溝通，可實(shí)現(xiàn)虛擬手術(shù)，為醫(yī)生和患者帶來便利。

國外該領(lǐng)域研究起步較早，取得了很大成績。早在1991年，美國國家圖書館便開始了可視人計(jì)劃。2000年，韓國開始可視人計(jì)劃。2002年，日本開始了虛擬人計(jì)劃[3-4]。德英法等歐洲國家也相繼開展了虛擬人研究，這些都是基于醫(yī)學(xué)圖像三維可視化技術(shù)。

我國近年在三維重建研究領(lǐng)域也有了很大進(jìn)步，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及可視化技術(shù)研究組研發(fā)了人體斷面解剖圖像三維重構(gòu)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二維圖像預(yù)處理、三維重建、模型旋轉(zhuǎn)與剖切等功能，雖然重建軟組織的效果不是很理想，但這已經(jīng)表明我國的研究不斷在追趕世界前沿。此外，第三軍醫(yī)大學(xué)“可視人”數(shù)據(jù)研究及相應(yīng)系統(tǒng)的開發(fā)也推動(dòng)了這項(xiàng)研究的進(jìn)步。

1 三維重建基本理論

臨床醫(yī)學(xué)中的圖像三維可視化要經(jīng)過圖像預(yù)處理、分割以及三維重建實(shí)現(xiàn)。圖像預(yù)處理指將醫(yī)學(xué)圖像DICOM的格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)識別的格式并對其去噪。醫(yī)學(xué)圖像的分割是將圖像中感興趣的區(qū)域分割出來，以便于對器官進(jìn)行分析，為臨床診療提供可靠的數(shù)據(jù)[5-7]。圖像的三維重建指借助計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，將分割后得到的人體部分圖像重建成三維立體模型，醫(yī)生可對重建模型進(jìn)行不同角度觀察并對病灶區(qū)進(jìn)行診斷。

實(shí)現(xiàn)重建的專業(yè)軟件庫及平臺很多，如VTK（Visualization Toolkit），一個(gè)開源的跨平臺軟件[8，13]；C++類庫，主要有計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、圖像可視化H方面的功能；ITK（Insight Segmentation and Registration Toolkit） [9，14]，由美國國家醫(yī)學(xué)圖書館出資贊助研發(fā)的一個(gè)醫(yī)學(xué)影像分割與配準(zhǔn)算法平臺。

三維重建技術(shù)以曲線和曲面理論為基礎(chǔ)，根據(jù)不同的重建算法要求進(jìn)行立體模型創(chuàng)建。自由曲線曲面指空間延伸形式自由，這種曲面自由度高，不能使用簡單的基本函數(shù)進(jìn)行擬合，通常采用分段或高階曲線的方法進(jìn)行處理[10]。

研究Nurbs曲線曲面理論的形成，熟悉其思想的形成發(fā)展過程，對加深理解很有必要。該理論涉及到的詞匯很多，主要有：

1.1 參數(shù)曲線

使用參數(shù)方程表示的曲線即為參數(shù)曲線。參數(shù)曲線只含一個(gè)自變量，曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)為該曲線參數(shù)，若取參數(shù)為t，則曲線的參數(shù)表達(dá)式為：

1.2 有理

由于h（t）函數(shù)的存在，有理函數(shù)多項(xiàng)式比多項(xiàng)式曲線的表示自由度大大增加，表示能力也相應(yīng)地大大增強(qiáng)，當(dāng)h（t）=1時(shí)，R（t）退化為多項(xiàng)式曲線。

1.3 B樣條

根據(jù)給定的點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算曲線曲面有插值法和擬合法，其中插值法有插值樣條函數(shù)、參數(shù)樣條曲線和曲面、Coons曲面，都要求所生成的曲線曲面通過給定的點(diǎn)，這樣生成的曲線曲面往往不夠平滑，容易受到個(gè)別壞點(diǎn)影響。因此，人們更多地使用擬合的方法生成曲線曲面，常用的方法有Bezier曲線曲面和B樣條曲線曲面。

Bezier曲線是多項(xiàng)式曲線，其展開形式為多項(xiàng)式，Bezier曲線也是設(shè)計(jì)中常用的曲線，矢量圖設(shè)計(jì)軟件Coreldraw使用的曲線即為Bezier曲線，Bezier曲線方程可描述為式（3）：

一條Bezier曲線被表示為它的n1個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)與Bernstein基函數(shù)的乘積。Bezier曲線性質(zhì)由Bernstein基函數(shù)性質(zhì)確定，主要包括端點(diǎn)位置、端點(diǎn)切矢量、對稱性、仿射不變性、凸包性、平面曲線保型性和擬局部性[11]。

此外，在體繪制方法中還涉及如下基礎(chǔ)技術(shù)算法：

移動(dòng)立方體算法即MC算法。該算法的基本原理是將二維數(shù)據(jù)看成一個(gè)立體的數(shù)據(jù)場，將數(shù)據(jù)場中的每個(gè)像素點(diǎn)逐個(gè)處理，將每個(gè)頂點(diǎn)的值與指定的閥值進(jìn)行對比，使這個(gè)像素集合內(nèi)部等值面逐漸構(gòu)建形成連續(xù)的面，最終得到由各個(gè)像素等值面連接起來形成的整體等值面，即物體表面。

MC算法步驟：①通過閾值尋找邊界像素集合，確定構(gòu)建形式。將一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)集劃分為多個(gè)小的立方體，每個(gè)立方體有8個(gè)頂點(diǎn)，這些頂點(diǎn)可在物體的內(nèi)部或外部；②得出等值面與邊界像素集合中的交點(diǎn)。設(shè)像素集合的一條邊的兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)分別為M-i（x-i，y-i，z-i ），M-j（x-j，y-j，z-j ），q-i，q-j，是一一對應(yīng)的灰度值，c是等值面的閾值。當(dāng)滿足（q-i-c）（q-j-c）≤0這一條件時(shí)， M-0（x-0，y-0，z-0）是這條邊上存在的等值點(diǎn)；③求解邊界像素集合交點(diǎn)的法向量。因?yàn)榈戎得媸且粋€(gè)二次曲面，等值面上每1個(gè)點(diǎn)按曲面軌跡的切線方向的梯度值是零，滿足該屬性的前提下使用三角面擬合曲面，所以等值面在此點(diǎn)的法向量也是該點(diǎn)梯度矢量的方向。通常，會(huì)利用哥羅德著色模型去解決各三角面之間明暗度不連續(xù)變化的問題。利用上述方法可獲得交點(diǎn)的法向量。

2 三維重建技術(shù)應(yīng)用

三維重建技術(shù)可集成在醫(yī)學(xué)影像處理系統(tǒng)中應(yīng)用。在重建病灶可視化立體模型過程中，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)去骨、自動(dòng)提取心臟、主動(dòng)脈等病變器官的全息模型，具有高度的智能化；將CT、核磁和超聲的二維數(shù)據(jù)精準(zhǔn)融合，將人工智能算法和傳統(tǒng)三維重建算法結(jié)合，還原出真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療[12]。

（1）在肺部疾病診斷中的應(yīng)用。該重建系統(tǒng)采用黑龍江拓盟科技有限公司的拓盟醫(yī)療影像處理系統(tǒng)，系統(tǒng)重建肺部圖像如圖1所示。

在進(jìn)行肺部疾病診斷過程中，將CT數(shù)據(jù)重建后，醫(yī)生根據(jù)重建結(jié)果作出準(zhǔn)確判斷，圖2為二維的CT圖像，圖3為三維重建后的立體圖像，可以清晰判斷出病灶所在。

（2）在主動(dòng)脈疾病中的應(yīng)用。主動(dòng)脈夾層是主動(dòng)脈疾病中復(fù)雜病癥的代表，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大，技術(shù)要求高。三維重建技術(shù)能為醫(yī)生精準(zhǔn)判斷病灶形態(tài)提供準(zhǔn)確的可視化數(shù)據(jù)，并為醫(yī)生制定合理有效的手術(shù)方案提供保障。手術(shù)前病灶重建結(jié)果如圖4所示，手術(shù)后重建結(jié)果如圖5所示。

3 三維重建技術(shù)前景

根據(jù)病灶的平面數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，能夠真實(shí)反映病變位置與器官的解剖結(jié)構(gòu)，并能實(shí)現(xiàn)全方位立體展示。對立體數(shù)據(jù)中的病灶進(jìn)行精準(zhǔn)觀察判斷，為醫(yī)生提供手術(shù)方案的決策支持，醫(yī)生和患者之間能進(jìn)行直觀的溝通，對術(shù)后觀察及效果評估有重要意義。為臨床提供合理準(zhǔn)確的診斷依據(jù)，對臨床診療方法選擇起到?jīng)Q定性作用，在醫(yī)學(xué)研究和解剖應(yīng)用方面也具有重要意義。

國外醫(yī)學(xué)儀器及三維重建技術(shù)發(fā)展較早，水平也很先進(jìn)，但價(jià)格非常高。國內(nèi)也有較多研究，拓盟科技公司開發(fā)的軟件打破了國外的技術(shù)壟斷。隨著科技的進(jìn)步，未來的醫(yī)療儀器以及三維重建技術(shù)定會(huì)普及，價(jià)格也會(huì)降低。

4 結(jié)語

計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用就是醫(yī)學(xué)圖像的三維重建，它能將平面二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的三維虛擬模型，有利于對病灶區(qū)域進(jìn)行分析并給出準(zhǔn)確的診療方案，提升醫(yī)療診斷的準(zhǔn)確性與科學(xué)性?？蓪?shí)現(xiàn)術(shù)前模擬，對醫(yī)生進(jìn)行準(zhǔn)確的診療起到很好的輔助作用。三維重建技術(shù)在醫(yī)療診斷領(lǐng)域的應(yīng)用，解決了醫(yī)生思維局限性難題，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供保障，能夠提升醫(yī)療機(jī)構(gòu)的整體服務(wù)能力。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）