基于計(jì)算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)的警犬醫(yī)學(xué)圖像三維重建

徐 陶 李 杰 李細(xì)牯 徐 虎 方紹勤 李居?xùn)|

一、警犬醫(yī)學(xué)圖像三維重建的方法

警犬醫(yī)學(xué)圖像三維重建主要有3 個(gè)步驟，分別是二維圖像數(shù)據(jù)的采集，圖像的預(yù)處理以及圖像的三維重建。

（一）二維圖像數(shù)據(jù)的采集

使用CT 掃描儀器對(duì)試驗(yàn)犬進(jìn)行掃描，得到有一定間距的連續(xù)二維圖像，這些二維圖像就是三維重建的原始數(shù)據(jù)。

醫(yī)學(xué)圖像與普通圖像最大的區(qū)別在于圖像的格式有所不同。常用的醫(yī)學(xué)圖像格式包括DICOM、BMP、TIFF 等，目前比較通用的格式是基于DICOM協(xié)議上的標(biāo)準(zhǔn)格式，即DICOM格式。DICOM標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)放射學(xué)會(huì)和美國(guó)電器制造商協(xié)會(huì)共同組織制定的專門(mén)用于醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)和傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。該格式已發(fā)展到DICOM3.0 標(biāo)準(zhǔn)，其特點(diǎn)包括：保護(hù)了存儲(chǔ)資料的原始性，方便了數(shù)字化存儲(chǔ)，方便數(shù)據(jù)調(diào)用，可以遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，有利于網(wǎng)絡(luò)化管理。DICOM 標(biāo)準(zhǔn)的圖像為儲(chǔ)存和傳輸提供了方便，但是不能被普通的圖像處理軟件識(shí)別和操作，需要專門(mén)的軟件將其轉(zhuǎn)換成一般圖像格式進(jìn)行查看。

（二）圖像的預(yù)處理

醫(yī)學(xué)圖像具有一定不均勻性和模糊性，所以需要對(duì)原始的圖像進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理要經(jīng)過(guò)圖像讀取、圖像去噪和圖像分割等幾個(gè)主要流程。預(yù)處理的質(zhì)量直接影響三維重建結(jié)果的質(zhì)量。

1.圖像讀取

圖像讀取是指將DICOM 標(biāo)準(zhǔn)的圖像讀入到VTK 軟件包中。這一步是進(jìn)行三維重建至關(guān)重要的步驟。VTK 是一個(gè)用于三維計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理和可視化等方面的開(kāi)源軟件包。該軟件自帶多種圖片格式的讀取工具，其中vtkDICOMImageReader類支持對(duì)單張DICOM 圖像或序列圖像的直接讀取。

2.圖像去噪

在醫(yī)學(xué)成像過(guò)程中，設(shè)備會(huì)受到環(huán)境中的電磁干擾導(dǎo)致成像中出現(xiàn)不可避免的噪聲。噪聲的存在使得圖像的邊緣和細(xì)節(jié)變得模糊，從而使得其信噪比降低，圖像整體質(zhì)量下降，對(duì)后續(xù)圖形的分割和重建工作都會(huì)造成一定影響，所以需要在盡可能不損失圖像本身信息的情況下盡可能多的消除圖像中的噪聲。

圖像噪聲在理論上可以定義為：不可預(yù)測(cè)，只能用概率統(tǒng)計(jì)方法來(lái)認(rèn)識(shí)的隨機(jī)誤差。一個(gè)整體的圖像信號(hào)在頻域中可以呈現(xiàn)出一定的存在規(guī)律，但是圖像噪聲信號(hào)在圖像中的分布是隨機(jī)的，沒(méi)有規(guī)律的，另外圖像信號(hào)在頻域中主要分布在低頻部分中，而噪聲信號(hào)則主要分布在頻域中的高頻部分，利用這一明顯區(qū)別，可以利用不同的去噪方法來(lái)去除數(shù)字圖像中的噪聲，達(dá)到圖像去噪的目的。

根據(jù)數(shù)字圖像信號(hào)和噪聲信號(hào)的區(qū)別，已經(jīng)研究出了很多種圖像去噪的方法，不同的方法具有不同的特點(diǎn)。但數(shù)字圖形的去噪基本可以歸為兩類：空間域去噪和變換域去噪。最常使用到的是空間域去噪法，其中又以基于偏微分方程的去噪和雙邊濾波最具代表性。偏微分方程的去噪是將準(zhǔn)備處理的圖像設(shè)為方程初始值，用偏微分方程對(duì)初始圖像進(jìn)行求解，方程的解就是想得到的去噪結(jié)果。雙邊濾波是結(jié)合圖像的空間鄰近度和像素值相似度的一種折衷處理，同時(shí)考慮空域信息和灰度相似性，達(dá)到保邊去噪的目的，具有簡(jiǎn)單、非迭代、局部性強(qiáng)的特點(diǎn)。

3.圖像分割

在研究和醫(yī)療中，在得到1 張醫(yī)學(xué)圖像后，一般都只會(huì)對(duì)圖像中的某些特定的部分產(chǎn)生興趣，也只會(huì)對(duì)這些特定的部分進(jìn)行分析和研究，而其它不感興趣的部分則可能造成不必要的影響甚至引起錯(cuò)誤的判斷?；谏鲜鲈?，醫(yī)學(xué)圖像的分割就成為了一個(gè)非常重要的圖像處理步驟，圖像分割的準(zhǔn)確度和分割的質(zhì)量也直接影響后續(xù)三維重建的操作。

常用的醫(yī)學(xué)圖像分割法可以大致分為三大類，分別是基于區(qū)域的分割法、基于閾值的分割法和基于特定理論的分割法。

基于區(qū)域的分割法總體來(lái)說(shuō)就是利用醫(yī)學(xué)圖像的不同灰度特征來(lái)判別目標(biāo)進(jìn)行分割。CT 圖像是由從黑到白不同灰度的像素按矩陣排列構(gòu)成的。根據(jù)圖像中灰度和紋理的特征可以將圖像劃分成不同的空間，即形成了圖像的分割。

基于閾值的分割法總體來(lái)說(shuō)是通過(guò)導(dǎo)數(shù)計(jì)算圖像中的像素是否屬于圖像中某個(gè)區(qū)域的邊緣來(lái)達(dá)到圖像分割的目的。圖像邊緣是指圖像某一區(qū)域和另一區(qū)域的交接處，是區(qū)域程度發(fā)生較大變化的位置。圖像邊緣存在灰度的間斷，而且灰度的變化滿足幅度和方向兩個(gè)要素，即順著邊緣方向的像素值變化慢，垂直于邊緣方向的像素值變化大。通過(guò)一階導(dǎo)數(shù)識(shí)別某個(gè)像素是否是邊緣，通過(guò)二階導(dǎo)數(shù)判斷該像素屬于哪個(gè)區(qū)域，即形成了圖像的分割。

基于特定理論的分割法是圖像分割發(fā)展中出現(xiàn)的新的分割方法。如基于模擬形態(tài)的分割、基于圖論的分割、基于模糊粗糙集的分割、基于小波分析的分割、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分割等。

（三）圖像的三維重建

醫(yī)學(xué)圖像的三維重建又稱為三維可視化，是使用三維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化技術(shù)，將醫(yī)學(xué)影像設(shè)備取得的圖像創(chuàng)建成具有真實(shí)感的三維立體模型。

醫(yī)學(xué)圖像的三維重建的方法有兩種，一種是面繪制，另一種是體繪制。面繪制技術(shù)簡(jiǎn)單的說(shuō)就是設(shè)置一個(gè)特定的閾值，使其接近目標(biāo)組織的表面屬性，然后體數(shù)據(jù)中與設(shè)定值相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)被提取出來(lái)，最后根據(jù)三角刨分將其分為若干個(gè)三角面片集，再參照?qǐng)D形學(xué)中的光照模型完成對(duì)三角面片的可視化渲染，得到三維圖像。常見(jiàn)的面繪制方法有立方塊法、移動(dòng)立方體法、剖分立方體法，最經(jīng)典的面繪制方法是基于體素的移動(dòng)立方體法，該方法自提出以來(lái)一直延用至今，面繪制相關(guān)研究大多也是基于移動(dòng)立方體算法。面繪制只能表現(xiàn)物體表面的信息。體繪制技術(shù)通過(guò)對(duì)體數(shù)據(jù)重新采樣來(lái)直接合成三維圖像，是一種直接基于視覺(jué)原理的三維重建技術(shù)。該方法將每一個(gè)體素都看成是能夠接受或者發(fā)出光線的粒子，然后配置光線強(qiáng)度和不透明度，沿實(shí)現(xiàn)方向積分，最后形成投影圖像。體繪制的常用算法有光線投射法、錯(cuò)切-變形法、拋雪球法和基于紋理映射方法。其中應(yīng)用最廣泛的是光線投射法，該方法繪制出的三維圖像質(zhì)量極高，可以極其真實(shí)的反映物體表面和內(nèi)部的三維信息。體繪制可以反映出物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但缺點(diǎn)是需要處理的數(shù)據(jù)量非常巨大。

二、試驗(yàn)案例分析

（一）試驗(yàn)犬基本信息

試驗(yàn)犬為昆明犬，狼青品系，2 歲，公，體重25.4kg，試驗(yàn)前預(yù)埋留置針并肌肉注射舒泰50 常規(guī)麻醉。留置針接高壓輸液泵，使用350mg/100mL的碘海醇30mL按1.5mL/秒的速度灌注進(jìn)行血管造影（見(jiàn)圖1）。設(shè)置CT 掃描儀電壓為120kV，電流為200mA，對(duì)試驗(yàn)犬進(jìn)行全身薄層平掃，共獲得CT 圖像2370 張。選取第814 至1150張的圖像數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)犬進(jìn)行心臟的三維重建。

（二）原始CT 圖像

讀取第999、第1042 張CT 圖像的效果圖，見(jiàn)圖2。可見(jiàn)，原始CT 圖像存在偽輪廓點(diǎn)，圖像灰度分布也不均勻，需要對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理。

圖1 試驗(yàn)犬麻醉后準(zhǔn)備進(jìn)行CT 掃描

圖2 原始CT 圖像

（三）去噪后結(jié)果圖

對(duì)圖像去噪處理后的圖像結(jié)果，見(jiàn)圖3。可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)去噪處理的圖像灰度明顯更加均勻，組織邊界更加光滑，更加清晰。

圖3 圖像去噪后的效果圖

（四）分割后的效果圖

使用Mimics 軟件對(duì)圖像進(jìn)行分割，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 分割后的效果圖

（五） 三維重建結(jié)果

對(duì)處理后的心臟圖像進(jìn)行體繪制，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 體繪制結(jié)果

三、結(jié)論

基于CT 數(shù)據(jù)的警犬醫(yī)學(xué)圖像三維重建可形成更為直觀的三維模型。該模型空間感、立體感更強(qiáng)，可以按照需求進(jìn)行角度的任意旋轉(zhuǎn)和模型面的切割，可以進(jìn)行模型的放大和縮小以及精確測(cè)量。通過(guò)對(duì)警犬進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像的三維重建可有利于對(duì)警犬器官的形態(tài)學(xué)研究，有利于對(duì)警犬疾病的診斷以及虛擬手術(shù)的實(shí)現(xiàn)，有利于警犬解剖等學(xué)科的教學(xué)工作。

警犬的三維重建也存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在以下方面：一是在三維重建中，部分臟器的輪廓和臟器內(nèi)的血管可能無(wú)法識(shí)別需要手工添加和修改；二是對(duì)CT 圖像的要求較高，需要薄層掃描，數(shù)據(jù)量十分巨大；三是三維重建的軟件價(jià)格高昂且多為國(guó)外引進(jìn)，對(duì)該技術(shù)的推廣造成了困難。