周志尊 王佳美 胡明成 陳廣新 劉陽(yáng) 董默 孫強(qiáng) 孫鵬 劉佳維

摘要：采用活體器官的CTA頭部斷層掃描圖像為原始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了頸動(dòng)脈的三維重建及相關(guān)空間參量的測(cè)量。這種成像方法可以無(wú)創(chuàng)、活體對(duì)血管內(nèi)壁進(jìn)行準(zhǔn)確拓?fù)鋵W(xué)建模，清晰觀察頸動(dòng)脈管壁及外周結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)頸動(dòng)脈與周圍組織的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系，評(píng)價(jià)頸動(dòng)脈狹窄及空間位置、管壁斑塊、血栓或腫瘤的結(jié)構(gòu)特征。該研究成果彌補(bǔ)了目前影像診斷的不足，在模擬仿真手術(shù)及醫(yī)學(xué)影像教學(xué)研究等方面有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三維重建；頸動(dòng)脈成像；空間參量；圖像分割

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.006

本文著錄格式：周志尊，王佳美，胡明成，等.頸動(dòng)脈三維重建及臨床應(yīng)用的研究[J].軟件，2017，38（8）：32-35

引言

腦血管疾病發(fā)病率逐年上升，是威脅生命及健康的重要疾病。頸動(dòng)脈狹窄甚至栓塞將導(dǎo)致缺血性腦卒。對(duì)于頸動(dòng)脈狹窄與栓塞的成因的研究是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要課題，通過對(duì)頸動(dòng)脈三維重建的研究，可以還原頸動(dòng)脈的結(jié)構(gòu)，研究頸動(dòng)脈與其它組織器官的關(guān)系，清晰地顯示血管內(nèi)壁的形態(tài)，對(duì)于研究腦血管疾病的成因及臨床診斷與治療有很大的幫助。頸動(dòng)脈的三維可視化過程可分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段是將一系列的二維CTA或MRI動(dòng)脈與

靜脈圖像進(jìn)行圖像的預(yù)處理，然后應(yīng)用特定的方法對(duì)一系列平面圖像進(jìn)行圖像分割，分割出需要重建的血管，去掉其他圖像信息。第二個(gè)階段是將處理好的二維圖像，用特定的成像方法進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)頸動(dòng)脈的三維重建，最終建立起三維圖像模型。第三個(gè)階段是使用該模型完成頸動(dòng)脈的定性和定量分析。三維可視化模型彌補(bǔ)了二維CT、MRI圖像直觀性與準(zhǔn)確性差的弱點(diǎn)。三維重建的立體解剖結(jié)構(gòu)可以在任意方位觀察頸動(dòng)脈的外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。CT與MRI平掃圖像組是頸動(dòng)脈三維成像的基礎(chǔ)材料，CT圖像通過組織密度的差異來反應(yīng)組織結(jié)構(gòu)的變化，MRI是通過頸動(dòng)脈中富含的氫原子核的多少成像，因此，他們會(huì)反映不同的組織結(jié)構(gòu)，成像的邊界也不盡相同，所以，我們將會(huì)在另外一個(gè)研究課題中重點(diǎn)研究MRI的頸動(dòng)脈三維成像方法與特點(diǎn)。在三維成像的過程中，二維圖像的頸動(dòng)脈邊界分割的精度將會(huì)直接影響三維頸動(dòng)脈模型的質(zhì)量與精度，圖像分割精度與方法非常重要。利用臨床現(xiàn)MRI與CAT數(shù)據(jù)采用現(xiàn)代圖像處理技術(shù)對(duì)頸動(dòng)脈血管的三維重建和可視化研究為人體器官的研究提供了新的方法。

本研究旨在應(yīng)用醫(yī)學(xué)圖像處理與分析技術(shù)手段，采用臨床所提供的頭部CTA與MRI平掃圖像建立頸動(dòng)脈三維模型，并進(jìn)行定性與定量分析。該研究成果可以彌補(bǔ)目前影像診斷的不足，同時(shí)在模擬仿真手術(shù)及醫(yī)學(xué)影像教學(xué)研究等方面有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 圖像分割的模型與算法

本實(shí)驗(yàn)的圖像分割采用閾值法，用直方圖加以控制與實(shí)施。閾值圖像分割方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，同時(shí)性能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)快速實(shí)時(shí)得到結(jié)果，是醫(yī)學(xué)圖像分割的首選技術(shù)。

圖像分割模型是基于一維灰度直方圖統(tǒng)計(jì)特征的分割方法建立起來的，將所選取的閾值將圖像灰度直方圖分成兩段或多段，同一段內(nèi)的所有像素灰度定義為同一常量。如式（1），設(shè)原始圖像為按照一定的準(zhǔn)則在中找到若干個(gè)原始圖像的灰度或彩色特征特征值，Tl，T2，其中，將圖像分割為幾部分，分割后的圖像為：

如果，則圖像被二值化。圖像二值化可以實(shí)現(xiàn)初步的頸動(dòng)脈邊界分割。

閾值的選取是閾值分割技術(shù)的關(guān)鍵。在確定閾值時(shí)，如果閾值過高，則過多的目標(biāo)點(diǎn)被誤認(rèn)為是背景，如果選取的閾值過低，則會(huì)出現(xiàn)相反的情況。從灰度直方圖上根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以直接選取頸動(dòng)脈外表皮邊界的灰度值為閾值點(diǎn)，從而將頸動(dòng)脈從頭部CTA圖像中精確地分離出來。

2 頸動(dòng)脈三維重建的材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 臨床資料

采集牡丹江醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院一例成人頭頸部CT增強(qiáng)平面連續(xù)掃描圖像數(shù)據(jù)。男性患者，80歲，左側(cè)上下肢遠(yuǎn)端麻木無(wú)力。成像設(shè)備為飛利浦Brillian 64CT，CT掃描參數(shù)設(shè)定為電壓120V，電流250mA，斷層厚度0.5rmn，圖像矩陣512x512，掃描方位為冠狀面從頭頂部到肩部，共采集1249張CTA圖像。為了提高頸動(dòng)脈病變的檢出率及定性診斷的準(zhǔn)確率，靜脈注射60?100ml，濃度為60%的碘造影劑用以增強(qiáng)掃描。

2.2 三維重建設(shè)備

圖像處理硬件：Dell Precision7810圖像處理工作站，參數(shù)為XCTO16GBE5-2609，主頻2133MHz，內(nèi)存為DDR4，RDIMM，圖像處理顯卡為ECC Nvidia Quadro K2200。

圖像處理軟件：MATLAB軟件，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)頸動(dòng)脈CT圖像的預(yù)處理及三維重建。Dicom Viewer軟件，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)CT原圖像組的格式轉(zhuǎn)化，完成將原圖像DICOM格式轉(zhuǎn)化成TIF格式的任務(wù)。Photoshop軟件，對(duì)生成的TIF格式的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理及圖片大小等參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)頸動(dòng)脈CAT平掃片中頸動(dòng)脈的分割。Mimics，用于3D建模與模型參數(shù)分析。

3 頸動(dòng)脈三維重建的實(shí)驗(yàn)方法

3.1 原始圖像的預(yù)處理

由于圖像中存在各種噪聲干擾，圖像的直方圖往往不能達(dá)到理想雙峰效果，出現(xiàn)不平滑現(xiàn)象，此時(shí)需要首先對(duì)直方圖曲線進(jìn)行平滑處理，然后再進(jìn)行閾值選取和分割。通?？梢圆捎脤?duì)直方圖中每一灰度級(jí)處直方圖統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行修正，這種方法快捷且能有效地平滑直方圖曲線，使得直方圖雙峰特點(diǎn)更加突出和鮮明。

3.2 圖像分割算法的實(shí)現(xiàn)

本研究采用一男性患者頭頸部CTA增強(qiáng)掃描斷層數(shù)據(jù)，在1294張頭部斷層圖像中選取443?723系列圖像，共計(jì)280幀實(shí)施圖像分割，在此范圍內(nèi)的圖像包含了完整、清晰的頸動(dòng)脈、靜脈信息及必要的骨骼，用以提取椎動(dòng)脈及頸內(nèi)動(dòng)脈。首先將原始圖像的DICOM格式由Dicom Viwer逐一轉(zhuǎn)化成TIF格式，應(yīng)用直方圖，選定特定的閾值處理圖像，用Photoshop將圖像中的無(wú)用消息去掉，最后米用MATLAB軟件做進(jìn)一步處理，完成頸動(dòng)脈的三維重建，清晰完整地從不同角度顯示頸動(dòng)脈各段的結(jié)構(gòu)與形態(tài)的變化。圖1顯示了經(jīng)過了閾值分割后的CTA平掃圖像，圖像中除了包含用于三維成像的頸動(dòng)脈及腔靜脈信息，也包含了其他不需要的信息，因此需要做進(jìn)一步處理以剔除殘留組織。圖2是在圖3的基礎(chǔ)上應(yīng)用Photoshop軟件做進(jìn)一步處理，僅僅保留了頸動(dòng)脈及腔靜脈的圖像，該系列圖像應(yīng)用MATLAB做進(jìn)一步疊加與批處理可以實(shí)現(xiàn)圖像的三維重建。我們還將嘗試應(yīng)用Mimicsl9完成圖像的自動(dòng)分割，及三維模型重建與分析。

3.3 圖像重建

本實(shí)驗(yàn)采用活體器官的CTA頭部斷層掃描圖像為原始數(shù)據(jù)，應(yīng)用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)頸動(dòng)脈與腔靜脈三維圖像構(gòu)建，構(gòu)建的三維模型可以快速、便捷及準(zhǔn)確的檢測(cè)頸動(dòng)脈與腔靜脈的直徑、截面及體積等空間參量。應(yīng)用MATLAB的圖像處理功能也可以實(shí)現(xiàn)人體其他器官的CT及MRI圖像的三維表面重建及體重建。此方法的最主要的優(yōu)點(diǎn)在于同時(shí)可以對(duì)人體活體器官與組織進(jìn)行三維表面重建、體重建、測(cè)量活體器官的體積與面積等空間參量[11，12]。在1294張頭部斷層圖像中選取443?723系列圖像，分兩部分實(shí)施圖像分割，并各自獨(dú)立實(shí)現(xiàn)三維重建。圖4顯示了第一部分的三維重建圖像，圖5顯示了第二部分的三維重建圖像。二者均清晰地顯示了人體頭部頸動(dòng)脈及腔靜脈的三維成像模型，并拓?fù)浔憩F(xiàn)了血管內(nèi)壁結(jié)構(gòu)與狀態(tài)以血管外壁形式的直觀展現(xiàn)，即模型呈現(xiàn)的血管外壁實(shí)際上是學(xué)管的內(nèi)壁。為了體現(xiàn)血管與周圍骨骼的空間關(guān)系，在成像的過程中保留了部分頭骨與頸骨。

應(yīng)用Mimics19體繪制方法可以在不對(duì)被顯示物做分割的前提下完成三維成像，可對(duì)體數(shù)據(jù)中單個(gè)體素加以處理，完成三維圖像的可透視化重建，Mimics體繪制方法更適用于邊界呈連續(xù)變化的的組織和器官，體繪制透明度的引入可以呈現(xiàn)組織器官的質(zhì)地屬性、形狀特征及層次關(guān)系，從而使三維圖像的信息更加豐富，此種成像方法將會(huì)在以后的課題研究中詳細(xì)討論。

4 結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)采用活體器官的CTA頭部斷層掃描圖像為原始數(shù)據(jù)，應(yīng)用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)頸動(dòng)脈與腔靜脈三維圖像構(gòu)建，構(gòu)建的三維模型可以快速、便捷及準(zhǔn)確的檢測(cè)頸動(dòng)脈與腔靜脈的直徑、截面及體積等空間參量。CTA頸動(dòng)脈的三維重建及相關(guān)空間參量的測(cè)量方法是評(píng)估患者頸動(dòng)脈解剖結(jié)構(gòu)，分析其狀態(tài)的一種實(shí)用而有效的技術(shù)方法，有一定的理論與臨床應(yīng)用價(jià)值[13，14]。這種成像方法可以無(wú)創(chuàng)、活體對(duì)血管內(nèi)壁進(jìn)行準(zhǔn)確拓?fù)鋵W(xué)觀察與測(cè)量，清晰的觀察頸動(dòng)脈管壁及外周結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)頸動(dòng)脈與周圍組織的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系，評(píng)價(jià)頸動(dòng)脈狹窄及空間位置，管壁斑塊、血栓或腫瘤的結(jié)構(gòu)特征，為臨床的進(jìn)一步診斷與治療提供可靠的影像學(xué)支持[15，16]。該研究成果可以彌補(bǔ)目前影像診斷的不足，同時(shí)在模擬仿真手術(shù)及醫(yī)學(xué)影像教學(xué)研究等方面有一定的應(yīng)用價(jià)值。