高輝 邱兆文

摘 要：以前醫(yī)生在手術中無法將3D顯示的人體結(jié)構(gòu)與病人真實解剖部位進行對應，難以實施精準手術。隨著科技的發(fā)展，智能醫(yī)療技術不斷提高，三維重建技術在醫(yī)學領域已經(jīng)嶄露頭角，無論在臨床還是醫(yī)學教學領域都能看到三維重建技術的身影，而且應用效果顯著，成功案例層出不窮。三維重建技術以獨有的三維重現(xiàn)視角，將平面難懂的醫(yī)學檢查結(jié)果變得通俗易懂，為醫(yī)生提供了更加清晰準確的病灶體現(xiàn)，醫(yī)生據(jù)此能作出更加合理的診療方案，同時還能便利醫(yī)患溝通。該技術的實施，可為我國醫(yī)聯(lián)體和分級診療制度提供高效、低成本、簡易的最優(yōu)解決方案。

關鍵詞：CT圖像；三維重建；精準醫(yī)療

DOI：10.11907/rjdk.181594

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）006-0170-03

Abstract：With the development of science and technology， intelligent medical technology is also improving at the same pace. In the past there was lack of accuracy in surgeries in that doctors were not able to get the 3D structure of the anatomical part of the patients in operation. 3D reconstruction technology comes into prominence in the medical field with the continuous technological development and it has become indispensible in both the clinical and teaching application and achieved remarkable effects in practice. Because it simplifies the obscure planar medical examination results into clear and understandable data for doctors to make more reasonable disgnosis and treatment plans， which facilitats communication between doctors and patients. The application of 3D reconstruction technology offers a highly efficient， low-cost and simple solution for the medical union and classification system in China.

Key Words：CT image； 3-D rconstruction； precise medical

0 引言

以前醫(yī)生在大多數(shù)臨床診療中都要依賴平面二維檢查結(jié)果為病人提供診斷，例如傳統(tǒng)的CT、核磁和超聲檢查的平面圖像依據(jù)等。從這些檢查結(jié)果斷定疾病的屬性，要求醫(yī)生有豐富的臨床經(jīng)驗，但如果遇到罕見的疑難病癥，很難通過經(jīng)驗判別。三維重建技術應用到病灶檢測，能讓病灶全息立體展示，結(jié)果更加直觀清晰，彌補了平面檢測結(jié)果對復雜、罕見病例難以診斷的不足。

圖像的三維可視化指利用斷層掃描（CT）、核磁共振（MRI）等技術獲得的數(shù)據(jù)，通過軟件算法實現(xiàn)三維立體效果表現(xiàn)[1-2]。醫(yī)學圖像的立體可視化可在電腦上顯示出人體組織結(jié)構(gòu)，有利于醫(yī)生和病患溝通，可實現(xiàn)虛擬手術，為醫(yī)生和患者帶來便利。

國外該領域研究起步較早，取得了很大成績。早在1991年，美國國家圖書館便開始了可視人計劃。2000年，韓國開始可視人計劃。2002年，日本開始了虛擬人計劃[3-4]。德英法等歐洲國家也相繼開展了虛擬人研究，這些都是基于醫(yī)學圖像三維可視化技術。

我國近年在三維重建研究領域也有了很大進步，清華大學計算機系計算機圖形學及可視化技術研究組研發(fā)了人體斷面解剖圖像三維重構(gòu)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)二維圖像預處理、三維重建、模型旋轉(zhuǎn)與剖切等功能，雖然重建軟組織的效果不是很理想，但這已經(jīng)表明我國的研究不斷在追趕世界前沿。此外，第三軍醫(yī)大學“可視人”數(shù)據(jù)研究及相應系統(tǒng)的開發(fā)也推動了這項研究的進步。

1 三維重建基本理論

臨床醫(yī)學中的圖像三維可視化要經(jīng)過圖像預處理、分割以及三維重建實現(xiàn)。圖像預處理指將醫(yī)學圖像DICOM的格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算機識別的格式并對其去噪。醫(yī)學圖像的分割是將圖像中感興趣的區(qū)域分割出來，以便于對器官進行分析，為臨床診療提供可靠的數(shù)據(jù)[5-7]。圖像的三維重建指借助計算機圖像處理技術，將分割后得到的人體部分圖像重建成三維立體模型，醫(yī)生可對重建模型進行不同角度觀察并對病灶區(qū)進行診斷。

實現(xiàn)重建的專業(yè)軟件庫及平臺很多，如VTK（Visualization Toolkit），一個開源的跨平臺軟件[8，13]；C++類庫，主要有計算機圖形學、圖像處理、圖像可視化H方面的功能；ITK（Insight Segmentation and Registration Toolkit） [9，14]，由美國國家醫(yī)學圖書館出資贊助研發(fā)的一個醫(yī)學影像分割與配準算法平臺。

三維重建技術以曲線和曲面理論為基礎，根據(jù)不同的重建算法要求進行立體模型創(chuàng)建。自由曲線曲面指空間延伸形式自由，這種曲面自由度高，不能使用簡單的基本函數(shù)進行擬合，通常采用分段或高階曲線的方法進行處理[10]。

研究Nurbs曲線曲面理論的形成，熟悉其思想的形成發(fā)展過程，對加深理解很有必要。該理論涉及到的詞匯很多，主要有：

1.1 參數(shù)曲線

使用參數(shù)方程表示的曲線即為參數(shù)曲線。參數(shù)曲線只含一個自變量，曲線上點的坐標為該曲線參數(shù)，若取參數(shù)為t，則曲線的參數(shù)表達式為：

1.2 有理

由于h（t）函數(shù)的存在，有理函數(shù)多項式比多項式曲線的表示自由度大大增加，表示能力也相應地大大增強，當h（t）=1時，R（t）退化為多項式曲線。

1.3 B樣條

根據(jù)給定的點數(shù)據(jù)計算曲線曲面有插值法和擬合法，其中插值法有插值樣條函數(shù)、參數(shù)樣條曲線和曲面、Coons曲面，都要求所生成的曲線曲面通過給定的點，這樣生成的曲線曲面往往不夠平滑，容易受到個別壞點影響。因此，人們更多地使用擬合的方法生成曲線曲面，常用的方法有Bezier曲線曲面和B樣條曲線曲面。

Bezier曲線是多項式曲線，其展開形式為多項式，Bezier曲線也是設計中常用的曲線，矢量圖設計軟件Coreldraw使用的曲線即為Bezier曲線，Bezier曲線方程可描述為式（3）：

一條Bezier曲線被表示為它的n1個控制點坐標與Bernstein基函數(shù)的乘積。Bezier曲線性質(zhì)由Bernstein基函數(shù)性質(zhì)確定，主要包括端點位置、端點切矢量、對稱性、仿射不變性、凸包性、平面曲線保型性和擬局部性[11]。

此外，在體繪制方法中還涉及如下基礎技術算法：

移動立方體算法即MC算法。該算法的基本原理是將二維數(shù)據(jù)看成一個立體的數(shù)據(jù)場，將數(shù)據(jù)場中的每個像素點逐個處理，將每個頂點的值與指定的閥值進行對比，使這個像素集合內(nèi)部等值面逐漸構(gòu)建形成連續(xù)的面，最終得到由各個像素等值面連接起來形成的整體等值面，即物體表面。

MC算法步驟：①通過閾值尋找邊界像素集合，確定構(gòu)建形式。將一個像素數(shù)據(jù)集劃分為多個小的立方體，每個立方體有8個頂點，這些頂點可在物體的內(nèi)部或外部；②得出等值面與邊界像素集合中的交點。設像素集合的一條邊的兩個端點坐標分別為M-i（x-i，y-i，z-i ），M-j（x-j，y-j，z-j ），q-i，q-j，是一一對應的灰度值，c是等值面的閾值。當滿足（q-i-c）（q-j-c）≤0這一條件時， M-0（x-0，y-0，z-0）是這條邊上存在的等值點；③求解邊界像素集合交點的法向量。因為等值面是一個二次曲面，等值面上每1個點按曲面軌跡的切線方向的梯度值是零，滿足該屬性的前提下使用三角面擬合曲面，所以等值面在此點的法向量也是該點梯度矢量的方向。通常，會利用哥羅德著色模型去解決各三角面之間明暗度不連續(xù)變化的問題。利用上述方法可獲得交點的法向量。

2 三維重建技術應用

三維重建技術可集成在醫(yī)學影像處理系統(tǒng)中應用。在重建病灶可視化立體模型過程中，可實現(xiàn)自動去骨、自動提取心臟、主動脈等病變器官的全息模型，具有高度的智能化；將CT、核磁和超聲的二維數(shù)據(jù)精準融合，將人工智能算法和傳統(tǒng)三維重建算法結(jié)合，還原出真實解剖結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)精準醫(yī)療[12]。

（1）在肺部疾病診斷中的應用。該重建系統(tǒng)采用黑龍江拓盟科技有限公司的拓盟醫(yī)療影像處理系統(tǒng)，系統(tǒng)重建肺部圖像如圖1所示。

在進行肺部疾病診斷過程中，將CT數(shù)據(jù)重建后，醫(yī)生根據(jù)重建結(jié)果作出準確判斷，圖2為二維的CT圖像，圖3為三維重建后的立體圖像，可以清晰判斷出病灶所在。

（2）在主動脈疾病中的應用。主動脈夾層是主動脈疾病中復雜病癥的代表，手術風險大，技術要求高。三維重建技術能為醫(yī)生精準判斷病灶形態(tài)提供準確的可視化數(shù)據(jù)，并為醫(yī)生制定合理有效的手術方案提供保障。手術前病灶重建結(jié)果如圖4所示，手術后重建結(jié)果如圖5所示。

3 三維重建技術前景

根據(jù)病灶的平面數(shù)據(jù)進行三維重建，能夠真實反映病變位置與器官的解剖結(jié)構(gòu)，并能實現(xiàn)全方位立體展示。對立體數(shù)據(jù)中的病灶進行精準觀察判斷，為醫(yī)生提供手術方案的決策支持，醫(yī)生和患者之間能進行直觀的溝通，對術后觀察及效果評估有重要意義。為臨床提供合理準確的診斷依據(jù)，對臨床診療方法選擇起到?jīng)Q定性作用，在醫(yī)學研究和解剖應用方面也具有重要意義。

國外醫(yī)學儀器及三維重建技術發(fā)展較早，水平也很先進，但價格非常高。國內(nèi)也有較多研究，拓盟科技公司開發(fā)的軟件打破了國外的技術壟斷。隨著科技的進步，未來的醫(yī)療儀器以及三維重建技術定會普及，價格也會降低。

4 結(jié)語

計算機圖像處理技術的一個重要應用就是醫(yī)學圖像的三維重建，它能將平面二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的三維虛擬模型，有利于對病灶區(qū)域進行分析并給出準確的診療方案，提升醫(yī)療診斷的準確性與科學性?？蓪崿F(xiàn)術前模擬，對醫(yī)生進行準確的診療起到很好的輔助作用。三維重建技術在醫(yī)療診斷領域的應用，解決了醫(yī)生思維局限性難題，為精準醫(yī)療提供保障，能夠提升醫(yī)療機構(gòu)的整體服務能力。

參考文獻：

[1] 秦斌杰，陳旭，莊天戈.醫(yī)學圖像三維可視化[J].航天醫(yī)學與醫(yī)學工程，2001，14（6）：452-455.

[2] 王文文，王惠群，陸惠玲，等.基于壓縮感知和NSCTPCNN的PET/CT醫(yī)學圖像融合算法[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2016，30（2）：101-108.

[3] 張九化，羅清泉.三維可視化技術及其在醫(yī)學中的應用[J].醫(yī)療裝備，2008，21（12）：187-189.

[4] 鐘世鎮(zhèn).數(shù)字化虛擬人體研究現(xiàn)狀和展望[J].解放軍醫(yī)學雜志，2003，28（5）：16-20.

[5] 何毅，葛延治.螢火蟲群優(yōu)化算法多閾值的腦CT圖像分割[J].激光雜志，2014（12）：97-101.

[6] 陳強強，佟惠軍，王海濤.基于Matlab7.0的電視導引頭圖像分割處理算法[J].四川兵工學報，2015，36（8）：68-70.

[7] 黃建燈.改進自組織特征網(wǎng)絡的醫(yī)學圖像分割算法[J].激光雜志，2015（1）：9-14.

[8] Ultrasound Telemedical Worksstation[EB/OL].http：//www.igd.fhg.de/tleinvivo.

[9] Visualization Tookit[EB/OL].http：www.vtk.org.

[10] 王茹.古建筑數(shù)字化及三維建模關鍵技術研究[D].西安：西北大學，2010.

[11] 孫全良，王宇，趙寶英.MSCTA曲面重建技術診斷腹主動脈瘤的應用研究[J].中國醫(yī)藥導刊，2015（3）：271-276.

[12] 蔡芬王，鴻偉.一種基于CT圖像的主動脈分割及三維重建[J].東莞理工學院學報，2017（5）：8-12.

[13] 孟繁平.三維重建技術在心臟輔助醫(yī)療中的應用研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2016.

[14] 姚增凱.基于逆向工程技術的文物數(shù)字化建模及應用[D].西安：陜西科技大學，2014.

（責任編輯：杜能鋼）