基于超聲圖像的血管重構(gòu)技術(shù)研究

王 輝 劉 崢 侯書鵬

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安710021）

冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病（冠心?。┮殉蔀閲?yán)重危害人類生命健康的非傳染性慢性疾病。根據(jù)中國心血管病報(bào)告2017的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，截止到2015 年，我國心血管的患者大約有1100 萬人，每十萬人中就有近三百的人死于心血管疾病[1]。早期明確冠心病患者冠狀動(dòng)脈（冠脈）病變特征，對臨床制定有針對性干預(yù)方案具有重要意義[2]。

在三維重構(gòu)的技術(shù)提出之后便吸引了大量研究人員投入該領(lǐng)域的研究。文獻(xiàn)[3]提出一種基于圖像灰度的關(guān)鍵幀提取的門控方法,用于減少血管內(nèi)超聲（IVUS）圖像序列縱切方向上的運(yùn)動(dòng)偽影。文獻(xiàn)[4]通過融合邊緣特征和區(qū)域特征，并且依據(jù)一定的特征來選擇種子點(diǎn)，盡量避免種子點(diǎn)選擇在邊緣區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)提高圖像分割的效果。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于醫(yī)學(xué)圖像的改進(jìn)的移動(dòng)立方體（MC）算法，改善了傳統(tǒng)MC 算法在醫(yī)學(xué)圖像重建中速度慢、組織分離困難等問題。隨著面繪制算法的不斷發(fā)展，人們又提出了體繪制算法，文獻(xiàn)[6]提出了基于體繪制的交互算法，解決了體繪制中缺乏有效的交互問題。隨著研究人員的不斷探索，醫(yī)學(xué)圖像的三維重構(gòu)技術(shù)日漸成熟。

本文通過對血管三維重構(gòu)過程所需用的技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，選擇適用的圖像處理和三維重構(gòu)的方法，利用冠心病血管的二維切片序列圖，重構(gòu)了冠狀動(dòng)脈血管的三維模型。幫助年輕醫(yī)生在介入術(shù)之前進(jìn)行術(shù)前模擬，降低實(shí)際操作過程中產(chǎn)生的各種問題，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，緩解病人痛苦。

1 血管部位三維重構(gòu)

1.1 圖像采集和預(yù)處理

血管內(nèi)超聲（Intravascular ultrasound，IVUS）通過回撤預(yù)先放入血管的導(dǎo)管，獲取血管的截面圖數(shù)據(jù)。在超聲圖像采集的過程中，由于設(shè)備所處的環(huán)境，信號傳輸過程中受到的干擾以及轉(zhuǎn)換時(shí)的數(shù)據(jù)丟失等原因，使得超聲圖像質(zhì)量較差，識別、定位和分割的難度增大。因此需要對超聲圖像進(jìn)行平滑增強(qiáng)處理。

為獲取高質(zhì)量的超聲圖像，便于分割血管輪廓，本文集合各種濾波方法的優(yōu)勢，采用混合濾波算法。由于原始數(shù)據(jù)中含有光標(biāo)點(diǎn)、攝像頭偽影等比較明顯的干擾因素，因此第一步先采用中值濾波方法去除掉圖像中比較明顯的干擾，然后對圖像進(jìn)行小波分解，由于噪聲大多處于高頻部分，因此對高頻區(qū)域采用均值濾波，保持低頻信號不變，實(shí)現(xiàn)降噪，這種混合降噪的方法可以更好地去除圖像的噪聲。

算法的步驟如下：

（1）讀取圖像A，對圖像A 做中值濾波獲得圖像B；

（2）對圖像B 做小波變化，得到低頻部分B1保持不變，對高頻部分H1，V1，D1做均值處理，得到處理后的高頻部分H2，V2，D2；

（3）對B1，H2，V2，D2做小波逆變化得到濾波后的圖像C。

通過對比可以看出，單獨(dú)濾波降噪處理效果一般。本文的混合濾波算法在去除干擾的時(shí)候還能較好的保留細(xì)節(jié)，并且色調(diào)明亮，從視覺上要優(yōu)于其他算法。

醫(yī)學(xué)圖像的分割是進(jìn)行三維重建最為關(guān)鍵的一步，同時(shí)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像處理和分析。由于人體器官的復(fù)雜多樣，不論是圖像的獲取，還是對圖像分析的難度都遠(yuǎn)大于一般圖像的處理。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，雖然一階微分算子都可以提取出血管的輪廓，但是在細(xì)節(jié)方面有所區(qū)別，分割的效果還是不理想；而區(qū)域生長法可以比較好的分割出血管的輪廓，因?yàn)閰^(qū)域生長法開始的過程中，種子點(diǎn)在圖像中心，以種子點(diǎn)為基點(diǎn)向外擴(kuò)散，將符合條件的點(diǎn)并入種子內(nèi)，當(dāng)?shù)竭_(dá)邊界就停止計(jì)算，因此可以有效的將血管輪廓外的區(qū)域剔除，獲取比較好的分割輪廓。因此選擇本文采用區(qū)域生長法提取血管輪廓用于血管模型的三維重構(gòu)。

1.2 血管部位三維重構(gòu)

現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的醫(yī)學(xué)圖像的可視化技術(shù)主要有面繪制和體繪制兩種比較成熟的技術(shù)。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，體繪制利用光線穿過數(shù)據(jù)場，通過對顏色及不透明度等因素的考慮，直接構(gòu)建模型，該算法可以很好地表達(dá)出物體內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)，但由于參與計(jì)算的數(shù)據(jù)量大，模型的處理和顯示都會比較慢；面繪制利用等值面的思想，通過三角面片擬合出物體的表面輪廓，算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)效率高。

本文中的數(shù)據(jù)是冠脈病變部位的血管內(nèi)超聲圖像，三維重構(gòu)的主要對象是血管輪廓，而血管內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較單一，因此選用移動(dòng)立方體算法（Marching Cube）來進(jìn)行血管模型的重構(gòu)，不僅可以滿足實(shí)驗(yàn)的需求，同時(shí)可以提高模型生成的效率。重構(gòu)結(jié)果可以看出，MC 算法在血管重構(gòu)上面的應(yīng)用還是很有效果的，重構(gòu)出的血管模型比較完整。

2 系統(tǒng)框架實(shí)現(xiàn)

三維重構(gòu)系統(tǒng)的搭建涉及到對VTK 各種類庫的調(diào)用，因此在創(chuàng)建好MFC 框架后需要添加VTK 的頭文件和鏈接庫，這樣才能正常的調(diào)用VTK 內(nèi)封裝好的各種算法。這里我使用CMake幫助我來完成程序管理，這樣做可以避免人為配置后出現(xiàn)的各種VTK 類庫的調(diào)用問題，極大提高系統(tǒng)開發(fā)的效率，也便于程序移植。

本文利用VTK 開發(fā)工具包的開源性和較強(qiáng)的兼容性，在在VS 2010 開發(fā)平臺下，基于MFC 的程序框架實(shí)現(xiàn)VTK 類庫的配置，開發(fā)出血管三維重構(gòu)的系統(tǒng)。

本系統(tǒng)最主要的就是中層架構(gòu)的數(shù)據(jù)處理模塊：圖像處理模塊、三維重構(gòu)模塊；而上層架構(gòu)的文件I/O 模塊主要是用來讀取各種格式的文件，并將其顯示在視圖區(qū)；同時(shí)還有輸出文件的功能，將處理好的圖像或三維模型進(jìn)行保存。在主界面的菜單欄中有文件I/O、圖像處理、模型重構(gòu)、模型簡化4 個(gè)菜單。

3 結(jié)論

通過對比各種圖像預(yù)處理方法，提出混合濾波法進(jìn)行濾波處理，選用區(qū)域生長法提取血管輪廓用于血管模型的三維重構(gòu)；研究三維重構(gòu)方法，選用算法簡單，重構(gòu)效率高的MC 面繪制算法完成血管模型的三維重構(gòu)。

在Visual Studio 2010 開發(fā)平臺下，基于MFC 編程框架和可視化工具開發(fā)包VTK，開發(fā)了三維血管模型重建系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對醫(yī)學(xué)序列圖像的讀取、預(yù)處理、三維重構(gòu)等功能。