CT三維圖像技術(shù)綜述

摘 要：CT三維圖像技術(shù)是近年來科學(xué)計算可視化中最為活躍的研究領(lǐng)域之一。本文對CT三維圖像技術(shù)的方法作了較詳細的歸類，并分別進行了綜述。最后在歸納總結(jié)以前的技術(shù)的基礎(chǔ)上，論文從三維重構(gòu)和三維重建兩個方面展望了CT三維圖像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：CT;三維圖像技術(shù);三維重構(gòu);三維重建

0.引言

二十世紀七十年代初，英國電器工程師Hounsfield發(fā)明CT技術(shù)并用于醫(yī)學(xué)診斷，1979年摩根又將CT從醫(yī)學(xué)界轉(zhuǎn)入工業(yè)界進行工業(yè)無損探傷。自此，CT在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，早期的醫(yī)學(xué)CT圖像和近期的工業(yè)CT圖像基本上是二維斷層圖像。但是二維圖像存在一個很大的缺點--直觀性很差，對于一些人體或工件內(nèi)部的立體細節(jié)，無法得到清楚形象的認識。隨著計算機硬件和可視化技術(shù)的發(fā)展，三維建模變得越發(fā)容易。為了得到目標物體的三維模型，研究者們使用序列斷層CT圖像進行三維重構(gòu)，得到三維的立體顯示和表面顯示。后來，多層螺旋CT和螺旋錐束CT出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨后螺旋錐束工業(yè)CT掃描系統(tǒng)也研制成功，CT三維圖像因此可以由采集數(shù)據(jù)直接進行三維重建而得到。

1.三維重構(gòu)

三維重構(gòu)（3-D Rebinning）是指以序列斷層CT圖線維原始數(shù)據(jù)，通過體繪制或面繪制方法建立三維模型。早期建立三維模型的最簡單方法是序列二維斷層圖線以一定頻率進行逐層顯示，已達到三維圖像的效果。但是這種方法不能十分清晰的再現(xiàn)立體信息，因此具有很大的局限性。后來發(fā)展的體繪制方法和面繪制方法則能彌補上述不足，因此被廣泛應(yīng)用到CT圖像的后處理上，下文將介紹一些常見的體繪制方法和面繪制方法。

1.1.體繪制方法

體繪制方法能夠在不構(gòu)造物體表面幾何描述的情況下直接對體數(shù)據(jù)進行顯示，因此也稱為直接體繪制。根據(jù)不同的處理數(shù)據(jù)的域，體繪制方法主要分為二類：空間域方法和變換域方法。前者又包括以圖線空間為序的體繪制算法（如體光線投射法）和以對象空間為序的體繪制算法（如體單元投射法等），而后者包括頻域體繪制發(fā)和小波域體繪制方法。

1.2.面繪制方法

面繪制法是一種在體元內(nèi)產(chǎn)生等直面的方法。其中，最有代表性的是移動立方體方法、移動四面體方法和剖切立方體方法。面繪制可以有效的繪制三維體的表面，較好的表現(xiàn)空間層次，而且由于處理的輪廓數(shù)據(jù)量小，因此具有較快的繪制速度。但是面繪制方法缺乏內(nèi)部信息的表達，不能清晰顯示無明顯表面邊界的結(jié)構(gòu)。

2.三維重建

三維重建是指CT掃描利用面陣探測器獲得二維投影數(shù)據(jù)，再根據(jù)一定的算法直接重建出被檢測體的三維圖像，因此也稱為直接三維重建。由于在實際應(yīng)用中圖線的重建速度是很重要的，因此通常采用分析的算法。分析的算法又包含精確算法和近似算法。一般認為：如果采集數(shù)據(jù)完整且無噪聲，則選擇精確重建算法;如果采集數(shù)據(jù)有噪聲或有物體運動造成影像的，則采用近似重建算法;而若數(shù)據(jù)不可靠或被截斷時，迭代方法可以有較好的性能。當數(shù)據(jù)嚴重不完整時，無論近似算法還是迭代算法都會產(chǎn)生偽影。

2.1.精確算法

精確算法主要用于擁有垂直雙圓或圓加直線等非平面錐頂軌跡CT的圖像重建。在實際的使用中，得出錐束精確重建的充分條件是：在每個橫截物體的平面上至少存在一個錐束的源點。

2.2.近似算法

近似算法主要用于錐頂軌跡為圓的錐束CT圖像重建。Feldkamp等嘗試性的將傳統(tǒng)的等距扇束重建算法改進為實現(xiàn)圓形掃描軌跡的近似錐束重建算法。這種方法適當?shù)匦拚w素到源點的距離和角度差，然后對不同角度的投影數(shù)據(jù)進行水平濾波并沿著X射線方向進行三錐反投影。其重建的體素值是通過該體素的所有方向水平傾斜的扇束的貢獻之和。Feldkamp方法的本質(zhì)可看作把錐束數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為扇束數(shù)據(jù)，而后用轉(zhuǎn)換后的扇束數(shù)據(jù)來重建圖像。這種方法可以解決小、中錐角效應(yīng)對圖像重建的影響，而且對于重建數(shù)目有限的層面或較小的感興趣區(qū)域效率特別高，因此應(yīng)用比較廣泛。

2.3.迭代算法

非迭代算法有一個顯著的特點，那就是這些方法中隱含著投影數(shù)據(jù)無噪聲、無缺損條件。但是噪聲是投影數(shù)據(jù)的一個固有特征，根本無法消除，又由于CT可看作一個參數(shù)估計問題，所以統(tǒng)計方法可以用于CT的三維圖像重建。迭代算法就是一種基于統(tǒng)計的方法。這種方法的一般過程是：先假設(shè)在三維模型內(nèi)的所有點都具有相同的值，并將假設(shè)值與預(yù)測值比較，進行修正使量者一致，然后一遍遍的重復(fù)，直到假設(shè)值與測量值一樣或在允許的范圍內(nèi)為止。因為迭代算法具有較強的處理噪聲影響和不可改善圖像質(zhì)量的能力，所以在X射線CT中更顯重要。

3.CT三維圖像技術(shù)的展望

CT三維圖像由于其直觀性好的特點，被越來越廣泛的應(yīng)用到醫(yī)學(xué)診斷和工業(yè)檢測中。根據(jù)我們了解的國內(nèi)外的研究動態(tài)，對于三維CT技術(shù)的未來，我們可以作如下展望。

（1）在三維重構(gòu)方法方面，體繪制算法和面繪制算法依然是研究的熱點。特別是在工業(yè)CT領(lǐng)域，對大型工件圖像直接進行三維重建在技術(shù)上還存在一定的困難，因此三維重構(gòu)體繪制算法和面繪制算法的應(yīng)用還會長期存在。對于繪制方法，如何進一步有效、精確的分割圖像，以提高表面的精度的保留完好的細節(jié)是研究的主要方向。

（2）螺旋錐束CT三維重建是未來CT三維成像的主要手段，因為它的效率更高而且可直接得到三維體數(shù)據(jù)，并可根據(jù)這些體數(shù)據(jù)重建物體的表面或立體。在醫(yī)學(xué)診斷和工業(yè)檢測領(lǐng)域，螺旋錐束CT會被更廣泛的應(yīng)用，因此直接三維重建算法包括精確算法、近代算法和迭代算法的研究將會繼續(xù)保持為CT三維圖像技術(shù)領(lǐng)域的一個熱門方向。

參考文獻

[1]Hounsfield G.N.，Computerized transverse axial scanning（tomography）：Part1.Description of system，British Journal of Radiology，1973，46：1016-1022

[2]唐澤圣，孫延奎，鄧俊輝.科學(xué)計算可視化理論與應(yīng)用研究發(fā)展.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2001，41（4/5）：199-202

作者簡介：尹美晨（1989-），女，漢族，甘肅，大專，三維骨重建在創(chuàng)傷性骨折中的應(yīng)用。