李玲，程正喜，羅新，徐杰，陳光達(dá)，劉畢

(湖北科技學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北咸寧437100)

醫(yī)學(xué)影像診斷技術(shù)中，最常見的為斷層圖像，主要是根據(jù)本身各自物理學(xué)原理然后從人體器官采樣，把采樣所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重建為二維圖像。醫(yī)學(xué)圖像的三維重建越來越重要。而醫(yī)學(xué)影像要想顯示三維圖像，一般方法則是對所得的一個序列的橫斷層圖像或者其它斷層圖像進(jìn)行計算機(jī)處理，有三維重建算法重建所得來的，三維重建圖像可以達(dá)到原來器官的三維表面形式，也可以同時重建出其它未得到截面圖像。隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)三維重建圖像能夠為后期醫(yī)學(xué)治療提供更精確的數(shù)據(jù)和直觀的依據(jù)。

目前，計算機(jī)輔助診斷技術(shù)在迅速的發(fā)展，各種更多先進(jìn)的算法被利用，更高科技的計算機(jī)技術(shù)被實現(xiàn)，而這些相關(guān)的技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都能夠得到異常廣泛應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)影像技術(shù)當(dāng)中，其中CT(ComputedTomography，CT)技術(shù)根據(jù)自身的特點，僅能得到橫斷面圖像。而臨床醫(yī)生在治療之前，要想準(zhǔn)確的確定病灶的大小、形狀，還有其所在的空間關(guān)系，以及病灶本身與周圍組織之間的空間關(guān)系和信息情況，只有三維圖像能夠更直觀的顯示和測量。CT圖像要想得到三維圖像，就必須利用計算機(jī)三維重建技術(shù)進(jìn)行人體器官和病灶的重建，三維重建技術(shù)可以重建出矢狀面和冠狀面，也可以重建出三維立體結(jié)構(gòu)，CT技術(shù)本身無法達(dá)到的技術(shù)，就可以經(jīng)過后期處理和重建得到直接所得圖像無法達(dá)到的信息。

而本論文以腹部CT橫斷面圖像為例，利用重建算法實現(xiàn)重建出腹部的矢狀面和冠狀面，并重建出三維結(jié)構(gòu)。本算法可以直接重建醫(yī)院常用圖像格式，用一系列的腹部橫斷面的CT圖像，重建出CT技術(shù)無法直接得到的矢狀面、冠狀面和三維立體結(jié)構(gòu)。

一、三維重建算法

目前，代表性算法是基于等值面的繪制，又叫移動立方體法(MarchingCubes)。

本文主要應(yīng)用MarchingCubes算法，由于其比較容易實現(xiàn)，所以是三維重建中常用的方法。

MarchingCubes算法是一種面顯示算法，其過程是從一個三維數(shù)據(jù)場當(dāng)中提取一個等值面。在這個等值面上，函數(shù)的值是其中一個給定值。從這個給定的采樣點中找出等值面，由采樣點恢復(fù)出連續(xù)函數(shù) ，等值面是由連續(xù)函數(shù)和某一給定的閾值得出來的，這就是所謂的等值面提取算法。等值面提取算法誤差大又復(fù)雜，所以本文主要利用的是隱式的等值面提取方法。這種算法就是在數(shù)據(jù)體中8個相鄰的體素組成一個cube，所謂cube，就是我們常說的立方體，然后，用圖像的灰度界限值來把每個體素區(qū)分為對象外和對象內(nèi)兩類。我們可以根據(jù)這種方法對立方體進(jìn)行編碼。最后，我們就可以把這些切點連接成相鄰的三角形，這樣就可以表達(dá)這個立方體內(nèi)對象的表面，然后要求得該表面的方向，可以通過計算灰度梯度值。

圖1立體示意圖

從圖1我們可以得出，分別由相鄰的圖像f1(x，y，z)及f2(x，y，z)兩個大小為M*N的所構(gòu)成在M*N個cube中。而我們只將那些所要抽取的等值面的閾值小于立方體的頂點的灰度值標(biāo)記為黑色。每個cube都是有8個頂點所組成，每個頂點都是有兩種狀態(tài)存在的，所以說，等值面的分布加起來共有256種可能。我們在計算過程中將256種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總結(jié)成了15種基本cube。我們可以記錄所有情況下的等值面連接方式。最后，我們所要做的就是得出這個立方體在那條邊上的等值點，把這些等值點連接起來形成等值面。

二、實驗結(jié)果

本文方法的流程圖如圖2所示，其中包括輸入、輸出、圖像預(yù)處理、三維重建和三維顯示等。

圖2CT圖像三維重建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中輸入圖像可以為DICOM格式的醫(yī)學(xué)圖像，也可以為其它常見的格式。圖像預(yù)處理主要對原始所得圖像進(jìn)行平滑濾噪和調(diào)整窗寬窗位等預(yù)處理。三維重建主要是利用三維重建算法進(jìn)行軟件的實現(xiàn)，三維圖像顯示可以顯示利用CT橫斷面重建得到的矢狀面、冠狀面和三維立體結(jié)構(gòu)的圖像，同時還可以對圖像進(jìn)行測量和方向轉(zhuǎn)換，簡單的圖像分割。

1．輸入的原始CT腹部橫斷面圖像

以下是直接輸入DICOM格式的一系列腹部CT圖像，其中部分圖像如圖3所示。

圖3原始的腹部CT圖像

可以根據(jù)需要顯示某一幅圖像，并對圖像按要求調(diào)整窗寬窗位，對顯示的圖像進(jìn)行測量。

2．重建后的腹部CT圖像

三維重建后，可以依次根據(jù)需要顯示圖像的矢狀面、冠狀面和三維立體圖像。

以下是由二維CT橫斷面圖像重建所得的矢狀面和冠狀面，如圖4所示。

圖4重建所得圖像的矢狀面和冠狀面

重建所得的矢狀面和冠狀面可以根據(jù)個人需要著重顯示病變部位，或者根據(jù)需要轉(zhuǎn)換方向和查看重點位置，對圖5所示為轉(zhuǎn)換方向重點顯示的病變位置(其中肝臟中的低密度區(qū)為病變)。

圖5轉(zhuǎn)換方向后的矢狀面和冠狀面圖像

本算法重建出的立體三維圖像只能顯示其表面結(jié)構(gòu)，不能通過透明化顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以下圖像為一系列橫斷面CT圖像三維重建后的立體結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6三維重建后的立體結(jié)構(gòu)

相比二維CT橫斷面圖像，三維重建后，成像質(zhì)量提高了，對病變部位能多方位清晰顯示出來。對于組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，可以清晰可辨，對病變部位可多剖面觀察。

醫(yī)生可以整體看圖像，也可以每個層面順序觀察，更有利于醫(yī)生診斷病情和確定病變的具體位置和形狀特征。

本算法的實現(xiàn)，不僅實現(xiàn)了圖像的三維重建，三維顯示，還可以對圖像進(jìn)行切割和旋轉(zhuǎn)。

三、討論

本研究不需要圖像格式的轉(zhuǎn)換，可以直接輸入醫(yī)院常用格式DICOM格式，也可以選用其它常用格式，一般會先對圖像進(jìn)行預(yù)處理和測量，然后根據(jù)三維重建算法實現(xiàn)三維圖像的重建，二維CT橫斷面圖像進(jìn)行三維可視化方便快捷，重建效果較好。同時還可以根據(jù)需要，對重建圖像實現(xiàn)冠狀面及矢狀面的顯示，并根據(jù)病灶所處位置和特點對冠狀面和矢狀面圖像分層顯示，幾種顯示圖像綜合以后，對病變可以全方位觀察和診斷，并具有更重要的意義。此研究還能實現(xiàn)對圖像的切割、旋轉(zhuǎn)、縮放和測量等的操作，為影像醫(yī)生的診斷和臨床醫(yī)生的后期治療提供了更為直觀和形象的醫(yī)學(xué)圖像。

此研究由于本人所具備的計算機(jī)性能有限，重建效果和速度還有待提高。以后隨著計算機(jī)的性能的提高，立體三維成像速度會更快，形態(tài)更加逼真。

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