序言：作為思想的載體和知識的探索者，寫作是一種獨特的藝術，我們為您準備了不同風格的5篇醫學圖像重建，期待它們能激發您的靈感。

篇1

核醫學影像設備如單光子斷層掃描儀(Single Positron Emission Compute Tomography，SPECT)、正電子發射斷層掃描儀(Positron Emission Tomo-graphy，PET)融合了當今最高層次的核醫學技術，是目前醫學界公認的極為先進的大型醫療診斷成像設備，在腫瘤學、心血管疾病學和神經系統疾病學研究中，以及新醫藥學開發研究等領域中已經顯示出它卓越的性能。隨著核醫學斷層影像設備的廣泛應用和計算機技術的迅速發展，圖像重建方法作為該類設備中的一個關鍵技術，其研究工作越來越受到人們的重視。本文概述了傳統的圖像重建方法，并詳細介紹了一種具有較高圖像質量和較短計算時間的重建算法—有序子集最大期望值方法(Ord-ered Subsets Expectation Maximization，OSEM)在核醫學影像設備中的應用。

二、傳統的圖像重建方法

在核醫學影像設備中，需要根據物體某一層面在不同探測器上檢測到的投影值來重建該斷層圖像層面，即二維圖像重建。傳統的圖像重建方法主要分為解析法和迭代法。

解析法是以中心切片定理(Central Slice Theorem)為理論基礎的求逆過程。常用的一種解析法稱為濾波反投影法(Filtered Back-Projection，FBP)。FBP法首先在頻率空間對投影數據進行濾波，再將濾波后的投影數據反投影得到重建斷層圖像。濾波器選為斜坡函數和某一窗函數的乘積，窗函數用于控制噪聲，其形狀權衡著統計噪聲和空間分辨。常用的窗函數有Hanning窗，Hamming窗，Butterworth窗以及Shepp-Logan窗。

解析法的優點是速度快，可用于臨床實時斷層重建。但當測量噪聲較大或采樣不充分時，這類算法的成像效果不甚理想，尤其是在核醫學斷層圖像重建中對小尺寸源的成像效果差(即所謂偏體積效應)。在濾波中如果對高頻信號不做抑制，截止頻率高，此時空間分辨最好，但所重建的圖像不平滑，易產生振蕩和高頻偽影; 反之，采用較低截止頻率，過多壓抑高頻成分的低通窗函數會造成重建圖像的模糊，故在變換法中低噪聲和高分辨對濾波器的要求是矛盾的，需折衷選擇。且難以在重建中引入各種校正和約束，如衰減校正等。

迭代法是從一個假設的初始圖像出發，采用迭代的方法，將理論投影值同實測投影值進行比較，在某種最優化準則指導下尋找最優解。迭代求解方法的基本過程是:

(1) 假定一初始圖像f(0);

(2) 計算該圖像投影d;

(3) 同測量投影值d對比;

(4) 計算校正系數并更新f值;

(5) 滿足停步規則時，迭代中止;

(6) 由新的f作為f(0)從(2)重新開始。

該方法最大優點之一是可以根據具體成像條件引入與空間幾何有關的或與測量值大小有關的約束和條件因子，如可進行對空間分辨不均勻性的校正、散射衰減校正、物體幾何形狀約束、平滑性約束等控制迭代的操作。其中實現對比的方法有多種，施加校正系數的方法也有多種。在某些場合下，比如在相對欠采樣、低計數的核醫學成像中可發揮其高分辨的優勢。但是迭代法收斂速度慢，運算時間長，運算量大，而且重建圖像會隨著迭代次數的增加而趨于“老化”甚至發散，出現高頻偽影，這些缺點極大地限制了它在臨床中的應用。

三、OSEM迭代算法

為了加快收斂速度，減少運算時間，提高圖像質量，人們提出了很多快速算法，其中有序子集最大期望值法是很有應用前景的一種快速迭代重建算法，它是在最大似然期望法(Maximum Like-lihood Expectationmaximization，MLEM)的基礎上發展起來的。

MLEM方法旨在尋找與測量的投影數據具有最大似然性(ML)的估計解，其迭代過程是由最大期望值算法(EM)來實現的。由于是以統計規律為基礎，MLEM重建法具有很好的抗噪聲能力，是目前公認為最優秀的迭代重建算法之一，尤其是在處理統計性差的數據時，更能顯示出它相對于解析法的優越性，但是這種方法仍然存在迭代法的運算量大、運算時間長等缺點。MLEM方法在每一次迭代過程中，使用所有的投影數據對重建圖像每一個象素點的值進行校正，重建圖像只被替換一次。 轉貼于

OSEM方法在每一次迭代過程中將投影數據分成N個子集，每一個子集對重建圖像各象素點值校正以后，重建圖像便被更新一次，所有的子集運算一遍，稱為一次迭代過程，它所需要的運算時間與FBP重建的時間基本相等。在ML-EM方法一次迭代過程中，重建圖像被更新一次，而在OSEM方法中重建圖像被更新N次，所以OSEM方法具有加快收斂的作用。OSEM算法中子集的選取和劃分有很多種，在SPECT中投影數據可以根據每個采樣角度實時地進行劃分和重建，在PET中由于各個探測器上測得的投影數據是在符合判選之后同時獲得的，因此可以在全部投影數據采集完成之后劃分子集。不同子集的重建順序也可以有選擇的進行，如可將兩個位于相對垂直的角度上的子集按相鄰順序進行重建，以加快收斂速度。

四、數據模擬與臨床實驗結果

分別采用FBP法、MLEM法和OSEM法對仿真模型和臨床數據進行圖像重建。仿真模型類似Jaszczak模型，在64×64的 Phantom切片中間的圓形區域上分布著大小不等、呈指數衰減的點狀源。選取觀測角度個數為32，探測器單元(Bin)的個數為64，模擬實際投影矩陣，投影數據符合泊松隨機分布。臨床PET的Transmission投影數據由美國密西根大學J.Fessler教授提供，觀測角度為192個，探測器Bin個數為160，PET為CTI ECAT EXACT。圖1為采用不同方法對臨床(人體模型)投影數據的重建結果，其中FBP法選用的濾波器為But-terworth濾波，陡度因子N=2，截止頻率為0.2，OSEM法為N =16一次迭代重建結果; 圖2為不同子集劃分情況下一次迭代 重建結果; 圖3為不同子集劃分情況下經過適當迭代次數的重建結果。

篇2

Abstract: 3D image reconstruction is an attractive field generally in digital image processing techniques, especially in medical imaging. The design and implementation of a 3D medical image reconstruction system VascuView, which can be used to build 3D images from 2D image slice files produced by CT and MRI devices, is introduced. The volume rendering, surface rendering and Multi-Planar rendering are implemented and lots of the 3D operations such as coloring of 3D image based on CLUT can be performed with this software.

關鍵詞：醫學圖像處理；3D圖像重建；VTK；ITK

Key words: medical image processing；3D image reconstruction；VTK；ITK

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2011）24-0161-02

0引言

計算機斷層掃描儀（CT）、核磁共振成像（MRI）和3D-4D超聲波立體影像診斷等3D醫學成像診斷設備已得到廣泛應用。這類設備通常使用切片掃描技術，將所得到的數碼切片圖像系列以DICOM文件格式保存起來，并據之還原為3D圖像。這些設備所生成的數碼圖像數據也可以導出并存放到其他存儲設備如計算機或網絡硬盤中，供醫生和研究人員采用醫學圖像軟件重建其3D圖像進行瀏覽和分析。

醫學3D圖像重建技術是計算機可視化領域的一部分，它使用2D切片圖像系列來重建三維圖像，這些2D切片圖像系列可由不同種類的醫學掃描設備生成，并以DICOM文件格式存放其圖像和各種參數。不同類型的設備有其不同的掃描采樣參數，如CT通常使用高對比度平行掃描切片，MRI使用低對比度平行掃描切片，而超聲波掃描儀一般使用低對比度的平行或散射切片。一般來說，醫學3D圖像重建的基本步驟如下：

第一步：將2D切片圖像系列（以DICOM格式存放的一組文件）讀入內存并還原其位置和排列順序，組成數據體；

第二步：使用某種繪制技術將數據體轉換為3D圖像。

通常用于醫學圖像的繪制技術有多平面繪制（MPR，Multi-Planar Rendering），表面繪制（SR，Surface Rendering）和體繪制（VR，Volume Rendering）等。我們開發的VascuView3D就是一個3D醫學圖像重建系統，該系統可用于將CT和MRI等設備生成的2D病患切片圖像系列轉換成3D圖像。VascuView3D同時集成了體繪制、表面繪制和多平面繪制等3D視圖。

1幾種主要繪制技術

1.1 多平面繪制MPR技術多平面繪制技術用于切片結構重建，即根據垂直軸向掃描的切片系列重建出冠狀軸向平面投影和矢狀軸向平面投影。實際上，VascuView3D所使用的MPR算法并不局限于重構正交方向上的投影，也可以用于重構出三維空間上任意平面方向上的投影圖像。MPR技術的優點是計算量較小，因此可用于配置較低的計算機。

1.2 表面繪制SR技術表面繪制技術是用一組等值面來表現3D對象。在各切片上，同一等值面中各點的密度相同。表面繪制技術用于將一種組織和其他組織區分開來，如從頭部的切片系列中分離骨頭和肌肉，或者從肌肉組織中分離血管等。表面繪制技術通常用于高對比度數據。

在表面繪制技術中，有兩種主要的等值面重建方法：

①基于輪廓的表面繪制：使用從各切片中提取的等值面閾值來重建等值面；

②基于體素的重建：直接從標明等值面閾值的體素來重建等值面。在這類算法中，最好的是移動立方體算法，其他類似的算法還有移動四面體算法和分割立方體算法。

在VascuView3D提供的表面繪制算法中，用戶可以提供一個等高值以得到更好的繪制效果。

1.3 體繪制VR技術體繪制技術使用穿過對象體的投影光束來實現對象體的透明化。沿著每一根光束，對每個體素計算其透明度和顏色，然后再根據沿各光束計算出的數據重整為圖像平面上的像素。體繪制技術所產生的圖像是半透明的立體灰度圖像，也可以根據不同的需要對其進行著色處理。這種3D圖像對理解對象的整體結構非常有用，是醫學3D圖像軟件中最重要的界面視圖。體繪制技術的缺點是計算工作量很大，如果用戶的計算機配置較低，則響應時間很長，它可用于低對比度數據。在實現體繪制技術時，主要用到下面兩種射線投影方法：

①對象順序法：投影光束從對象體的后方向前投射（從對象體到圖像平面）；

②圖像順序或光線投射法：投影光束從前方向后穿過對象體（從圖像平面到對象體）。

此外還有一些其他方法可用于3D圖像合成，在醫學圖像處理中常用的有：最大密度投影、最小密度投影，α合成和非實感體繪制等。在實際的三維圖像軟件中，這些方法通常都和以上各種繪制技術結合起來使用。

在VascuView3D中，同時提供了MPR、VR和SR三種不同的繪制界面供用戶選擇，在不同的繪制界面中，還提供了相應的參數調整手段，以達到最好的顯示效果。

2由平行切片系列重建3D圖像

平行切片數據系列可由計算機斷層掃描儀（CT）或核磁共振（MPR）等設備生成，并以DICOM文件系列的方式存儲。除了2D圖像點陣數據外，存放于DICOM文件中的還有關于患者和設備的有關信息，以及各種掃描參數。

平行切片設備所使用的掃描間距通常在0.5到2.0毫米之間。從CT數據重建3D圖像比較容易，這是因為CT采用高對比度掃描。在使用上節所述的各種繪制方法得到3D圖像之前，首先應在計算機內存中按原來的順序和位置排列好平行切片來組成數據體。由于數據量很大，所以對計算機的內存容量的要求比較高。

3VascuView3D系統的開發

3D醫學圖像重建系統VascuVeiw3D是VascuBase醫學信息管理系統的一個組成部分，用于從病患醫療檔案中存放的CT和MPR圖像系列文件中重建其3D圖像，供醫生和研究人員分析使用。VascuView3D使用Visual C++.NET開發，并使用了可視化工具包VTK（Visualization Toolkit）和ITK（Insight Segmentation and Registration Toolkit）中提供的各種3D算法。

3.1 VTKVTK是一個廣泛應用于3D計算機圖形圖像處理和可視化編程的開源軟件包。它由一組C++類庫和幾種交互式界面接口如Tcl/Tk、Java以及Python組成。VTK支持各種可視化算法，包括標量的、矢量的、張量的研究面向容積的算法；支持高級模型算法如：隱式模型、多邊形裁剪、網格平滑、分割、等值面，以及德洛內三角（Delaunay Triangulation）算法等。VTK有一個內容豐富的信息可視化框架，有一整套3D交互組件，支持并行處理。VTK可運行于多種操作系統平臺上，如Windows、Linux、Unix及Mac。

3.2 ITKITK是一個多平臺的圖像分析工具的開源軟件包，具有強大的醫學圖像分割和配準功能，包括許多高水平的多維圖像分析算法，如用于等值面提取的移動立方體算法。ITK軟件并不提供對圖像界面的直接支持，因此需要和VTK等可視化軟件結合使用。ITK還包含了對DICOM文件的讀取功能，這對提取存放于DICOM文件頭中的各種參數非常有用。

3.3 VasucView3D軟件結構圖1說明了VascuView3D系統的結構。作為醫學信息管理系統VascuBase的一個組件，VascuView3D被設計成內嵌于VascuBase用戶界面的一個OCX控件。

3.4 VascuVeiw3D軟件界面設計VascuVeiw3D的主界面類似某些商業醫學軟件系統，見圖2。左面是2D切片系列瀏覽窗口，右面用于顯示重建的3D圖像。在3D窗口上方有一個工具條，整合了若干常用功能按鈕。VascuView3D還提供了豐富的菜單功能以方便用戶。

3.5 VascuView3D的主要類結構

VascuView3D的主要類有：

clsDicomIOclsImageFileReaderclsImageSeriesReaderclsItkVtkData

clsMetaDataDictionary clsMetaDataObject

clsCastImageFilter；clsExtractImageFilter；clsFlipImageFilter；

clsRescaleIntensityImageFilter

vtkMFCWindow clsVascuView

其中Filter類的結構如圖3所示。

3.6 VascuView3D的主要功能

VascuView3D的主要功能如下：

①讀入2D切片序列文件，從中提取DICOM信息并構造對象數據體；

②選用合適的算法重建3D圖像，可提供體繪制（VR）、表面繪制（SR）和多平面繪制（MPR）等視圖；

③用戶可通過系統界面對生成的3D圖像進行各種操作，如旋轉、平移、縮放、調整對比度和亮度，以及感興趣區操作；

④對于體繪制視圖，還提供了基于顏色對照表CULT（Color look-up table）的3D圖像著色。CLUT是一種將一給定的顏色范圍轉換為另一組顏色的轉換機制，可用于對三維灰度圖像的仿真著色或偽彩色著色，以提高圖像辨識率；

⑤對于表面繪制，可根據用戶給定的輪廓值進行繪制。

4結論

3D醫學圖像重建軟件VascuView3D用于根據CT或MRI輸出的2D醫學切片圖像文件重建其三維圖像，供醫生和研究人員使用。該系統建立在VTK和ITK之上，使用Visual C++編程。該軟件是醫學信息管理系統VascuBase的一個重要組成部分，擁有令人滿意的三維圖像重建速度和方便的用戶界面。

參考文獻：

[1]曾更生.醫學圖像重建入門[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]唐慧，周正東，鮑旭東等.基于GPU的三維醫學圖像混合可視化系統[J].數據采集與處理，2006.

篇3

[關鍵詞] 可視化；醫學圖像；體繪制；面繪制

[中圖分類號]R814.43 [文獻標識碼] B[文章編號] 1673-7210（2009）03（a）-157-02

隨著可視化技術的發展，現代的許多醫學圖像設備都是向提供三維圖像發展，目前三維CT、三維超聲均可提供三維影像，如通用電氣、西門子等成像設備制造商均生產三維CT產品，但是這些設備價格相當昂貴。通過計算機圖像圖形學技術和可視化技術，對二維CT圖像進行后處理，根據輸入的各圖像參數直接在PC機上實現三維影像重建具有十分現實的意義。

1 三維可視化系統技術研究

符合DICOM標準的CT圖像的三維可視化系統必須具有的基本功能是DICOM文件的解析功能，用于提取出重建的數據場和空間信息。針對醫學CT圖像的特殊性，必須具有窗寬/窗位的調節功能，還必須具有體數據場的三維可視化功能。

1.1 DICOM文件的解析功能

DICOM標準的提出使得醫學圖像及各種數字信息在計算機之間的傳遞有了一個統一的規范，DICOM標準不但規定了通訊的標準，也規定了醫學圖像特定的存儲格式。DICOM文件一般由一個DICOM文件頭和一個DICOM數據集構成，在DICOM文件頭中包含了標識數據集合的相關信息，DICOM文件的信息主要集中在數據集部分。DICOM數據集又由數據元素組成，數據元素主要由4個部分組成：標簽、數據長度VL、數據域和數據描述VR。不同的標簽規定了后續數據域中數據對應實體的內容，數據元素按標簽的升序排列構成數據集。DICOM文件解析目的是通過分析符合DICOM標準的CT圖像的文件中各數據元素，從給定的序列文件中按標簽號逐個提取出重建中需要用到的信息，分析判斷各圖片之間的空間關系，構造數據場，作為可視化系統的原始輸入數據。

1.2 窗寬/窗位調節功能

通過DICOM文件解析獲得的CT圖像各象素比特深度一般為12位，存儲位為16位，目前計算機能夠顯示的灰度級只有8位，因此在重建前要完成16位到8位灰度級的映射功能，這在CT圖像的處理中稱為窗寬/窗位的調節。

目前常用窗寬/窗位的調節算法有Linear算法、Gamma算法、Logarithmic算法等。Gamma算法和Logarithmic算法都是非線性的，可以補償人眼對灰度反應的非線性，但是它們的運算量非常大，對于二維圖像處理采用可以產生較為理想的效果，如果直接將其運用到三維數據場，則巨大的計算量將影響實時窗寬/窗位的調節。為了有效地進行窗寬／窗位的調節，筆者采用了計算速度快、可以實時交互的Linear算法，效果理想。

1.3 可視化技術

規則數據場的可視化方法一般分為兩類：一類是表面繪制法，一類是體繪制法。

通過軟件開發，實際比較了表面繪制和體繪制的優劣。發現了表面繪制處理的是整個體數據場中的一小部分數據，具有較快的速度，并且可以快速靈活地進行旋轉和變換光照效果，它適合于繪制表面特征分明的組織和器官。但是，由于表面重建對表面分割的依賴較大，對分割的精確程度要求很高，所以對形狀不明顯、亮度變化小的軟組織，以及血管等組織的三維顯示，效果不盡如人意。體繪制對于形狀特征模糊不清的組織和器官進行三維顯示時具有較好的效果。但是由于在原始的體繪制過程中，一般要遍歷體數據場中的每一個體素，因而計算量較大，圖像成像的速度較慢。當改變光照和視點時，要重新進行投影運算，所以交互的速度較慢。因此，為適應不同的應用要求，系統同時實現了兩種重建方法。

2 系統結構設計和功能

根據系統的功能構想和實現目標，筆者將系統結構設計為4個模塊：

DICOM文件解析模塊：完成由符合DICOM標準的CT圖像輸入序列到體數據的組織和相關信息獲取的功能。該模塊首先逐個解析單個的文件，提取出了關鍵數據，再判斷輸入的圖片是否為同一序列，在空間位置上是否滿足重建的要求，然后將刪去不符合要求的圖片而將符合要求的圖片組成列表，提取逐個列表中各文件的象素和空間信息，將各切片數據組織為空間體數據場。

體數據預處理模塊：完成窗寬/窗位調節和體數據增強等功能。窗寬／窗位調節采用Linear算法；體數據增強主要是為了消除CT圖片中可能存在的噪聲而采用的可選的預處理功能，一般的中值濾波器具有消除噪聲同時對圖像邊緣等信息影響不大的優點，在系統中選用該算法實現圖像濾波。

可視化模塊：設計了表面繪制和體繪制兩種算法。表面繪制使用MC算法提取等值面；體繪制算法采用Ray Casting算法。為了加快開發速度，筆者通過比較分析：作為可視化開發工具，VTK是一個開放式的免費軟件，具有強大的三維功能，它提供目標函數庫，用戶可以利用面向對象的技術和方法對它進行二次開發。

交互顯示模塊：交互顯示模塊主要完成對重建后的三維影像實現旋轉、縮放，獲取冠狀面、矢狀面和實時窗寬/窗位調節的功能。

3 結論

醫學CT圖像三維可視化系統實現了符合DICOM標準的CT圖像的三維顯示，為醫務人員提供了形象、直觀的診斷技術，具有廣泛的臨床應用價值。系統實現了：DICOM文件的解析；交互式Linear算法窗寬/窗位調節；MC表面繪制法和光線投射法重建醫學CT圖像；通過軟件開發，比較了兩種重建方法的優劣；直方圖指示，冠狀面、矢狀面的獲得及其旋轉、縮放等功能。

[參考文獻]

[1]李樹祥.醫學圖像技術的發展與應用[J].中國圖像圖形學報,1996,1(1):281.

[2]唐澤圣.三維數據場可視化[M].北京:清華大學出版社,1999.

[3]姚富光,魏彪．基于醫用X-CT的三維重建系統研究[J].儀器儀表學報,2004,25(4):439.

篇4

關鍵詞:三維重建;改進的光線投射法;自適應改進求交;線性八叉樹;深度;片段;層次包圍盒

中圖分類號:TB811文獻標識碼: A文章編號:1009-3044(2010)10-2470-02

The Overview about 3D Reconstruction of Medical Image Based on RayCCasting Method

WEI Wei, ZHENG Yong-guo

(College of Information Science & Engineering,Shandong University of Science & Technology, Qingdao 266510, China)

Abstract: This paper summarizes some improved algorithm of Ray-casting algorithm apply to current Three-dimensional reconstruction of medical images and compare their merits and demerits.

Key words: 3D reconstruction; improved ray-casting algorithm; adaptive improved-intersecting; linear Oc tree-based; depth-based; segment-based; hierarchical bounding volumes

磁共振(MRI)、計算機斷層(CT)掃描等醫學成像設備能提供醫學序列二維斷面,但是由序列二維斷面想象復雜的三維結構很困難。近幾十年來,人們一直在研究由序列二位斷面重構并顯示三維結構的方法,這一領域被稱為醫學體數據可視化。目前體繪制方法主要分兩類:以圖像空間為序的體繪制方法和以物體空間為序的體繪制方法。光線投射算法是一種基于圖像空間的經典體繪制算法,由Levoy提出。光線投影法是體繪制技術中圖像效果較好的方法,且算法原理簡單易實現。

1 光線投射算法簡介

光線投射算法[1](Ray-Casting)它的基本思想是:從屏幕上的每一像素點發出1條視線,這條視線穿過三維場的體元矩陣,沿這條視線等距設置采樣點,將距離采樣點最近的8個數據點所組成體素的顏色值及不透明度進行三次線形插值,求出該采樣點的不透明度及顏色值。然后可以按從前到后或從后到前的合成公式對所有采樣點的顏色和不透明度進行合成。當對所有像素點都進行以上過程后,就會得到此數據場的體繪制圖像。在醫學上可表現出各組織器官的屬性、特征及層次關系,從而使圖像更加豐富。

2 幾種改進的光線投射算法

2.1 改進求交的自適應光線投射法[2]

利用光線和平面簇相交簡化光線求交過程,確定采樣點,直線和平面族的交點并非是需要的采樣點,采樣是不等間隔的,但仍然可以保證采樣的密度,使直線上的所有體素都能獲得采樣點。在預處理階段確定自適應采樣步長Δt的大小、計算Δt個體元的總不透明度和顏色值。傳統光線投射算法在進行進行三線性插值時的時間復雜度為O(n3)。采用光線快速求交方法的法復雜度略高于O( n2)但低于O(n3);利用自適應采樣確定采樣點能使算法速度能提高30%左右。

2.2 基于線性八叉樹的光線投射體繪制算法[3]

基于線性八叉樹的光線投射體繪制算法具有時間復雜度與數據場基本無關的特點,其基本思想類似于空間跳躍采樣,基于線性八叉樹的光線投射體繪制算法的效率主要取決于兩個操作:1) 計算射線在當前八分體上的出口點;2) 查找沿射線前進方向與當前八分體相鄰的下一個八叉樹葉結點所代表的八分體。

只有當由于減少采樣而節約的時間大于求交計算所耗費的時間時才會產生加速效果。當數據場比較復雜、每個結點都接近于最小分辨率時,運算負擔會相應增加,此時就不能采用八叉樹的方法;當不透明度值很大時也難以取得明顯的加速效果,因此,該改進算法適用條件是:空間物體不同屬性部分的連續性較高、數據場越大,加速效果越明顯。

2.3 基于深度的光線投影體繪制算法[4]

深度是指繪制起始點到目標點的物理距離,一定深度下的圖像是對小于此深度的信息予以透明化的結果。基于深度的光線投影體繪制算法是在繪制過程中引入深度信息,通過觀察角度和深度的交互來有效繪制體數據內部層次的信息,同時將其上下文信息予以繪制和保存。通過基于深度的交互,信息被由外向里地繪制出來,基于深度的光線投影體繪制是把高于目標深度的信息以及上下文信息都保留,對低于目標深度的信息予以忽略。

算法繪制的過程是深度和光線投射兩者的結合。分為以下幾步:

1)數據預處理,把數據進行初步分割,賦予相應的顏色值。

2)基于數據量設定深度函數節點。

3)進行光線投射重采樣,應用深度函數求解透明度值。

4)合成透明度值與強度值,繪制圖像。

5)調整深度函數,重新繪制輸出。

在基于深度的光線投射體繪制算法整個繪制過程中,通過深度的不斷增加,重建圖像內部信息從側面開始逐漸作為整體被繪制出來,保證了對特征的信息的判斷提供幫助。

2.4 基于片段的光線投射算法[5]

基于片段的光線投射算法(segment-based ray-casting, SRC)是利用體數據的數據一致性對傳統的光線投射算法進行簡化從而提高了繪制性能。體數據的數據一致性是指在體數據中,相鄰體素通常具有相似或者相同的值,因此可以認為相鄰的重采樣點之間具有相似或者相同的光學屬性。基于片段的光線投射算法將相似的連續重采樣點合并成片段,并將融合的基本單位由重采樣點擴大為片段,從而減少了融合次數,提高了繪制性能。結合GPU加速技術可以將繪制速度提高數倍,可以實現對中小規模體數據高質量的實時繪制。

基于片段的光線投射算法認為體數據的數據一致性總是存在的,并且密度值相近的體數據總是具有相同的光學屬性,這種假設在某些特殊的情形下會丟失一些細節,如傳遞函數在某一點處發生跳躍有可能就會被忽略,因此為了提高繪制性能,基于片段的光線投射算法在一定程度上要犧牲圖像質量。SRC中有閾值S和片段長度的最大值M兩個重要參數,這兩個參數是決定圖像質量和繪制性能的關鍵。片段相似度閾值S是用來判定連續重采樣點是否屬于同一個片段,片段長度的最大值決定了一個片段可能存在的最大長度,設置片段的最大長度可以適度限制不合理的片段相似度帶來的圖像走樣。

2.5 層次包圍盒與GPU實現相結合的光線投射算法[6]

該算法的基本思想為:根據體數據大小構建包圍盒,令包圍盒的頂點顏色與空間坐標在數值上相等,然后繪制包圍盒的前表面,繪制結果為投射光線進入體數據的起始點坐標。最后繪制包圍盒的后表面,繪制結果為投射光線離開體數據的終點坐標,終點坐標減去起點坐標獲取投射光線的方向向量。該算法避免了復雜的頂點著色程序,通過對體數據分塊構建包圍盒樹來跳過空體素,在不影響圖像繪制質量的情況下,以縮短投射光線在體數據內的有效采樣長度來提高光線積分的效率,從而加快了繪制速度。該算法構造包圍盒樹的處理時間短,不改變原始體數據的存儲方式,與體裁剪操作結合時響應時間快,有較好的應用前景。但是,由于圖形硬件存儲空間的限制,當體數據量過大并且不能一次載入時無法進行處理。

3 比較及結論

用連續的460張基于DICOM標準的空間分辨率為512×512、掃描間隔1 mm的頭部CT圖像做三維重建,比較以上幾種方法發現,采用改進求交的自適應光線投射法繪制出的圖像質量沒受到明顯影響,改進后耗時4.45秒,相對改進前的5.73秒速度提高了30%左右。采用基于線性八叉樹的光線投射體繪制算法,設采樣步長和不透明度為1時,體繪制時間為3.95秒,采樣步長和不透明度越小,加速效果越顯著。缺點是只有當減少采樣節約的時間大于求交計算所耗費的時間時,才會產生加速效果。當不透明度值很大時,也難以取得明顯的加速效果。采用基于深度的光線投影體繪制算法,隨著深度的增加,組織內部逐漸繪制,通過這種深度和觀察角度交互有效地定位目標信息并保存上下文信息。需要改進的是特征信息定位的交互性和實時性及提取效果的再優化。采用基于片段的光線投射算法,由于沒有簡化重采樣操作,對繪制性能的提升十分有限,SRC可以在保持繪制圖像質量的基礎上,提高繪制速度。缺點是與其他幾種方法,繪制速度相對較慢。層次包圍盒方法與八叉樹加速效果相當,但加入體裁剪操作后能快速響應,因此具有更好的實用性。缺點是普遍受圖形硬件存儲空間的限制,當體數據量過大或不能一次載入時無法對體數據進行處理。

參考文獻:

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[2] 樊鵬,郭寶龍.一種改進求交的自適應光線投射體繪制算法[J].計算機工程與應用,2008,44(4):70-72.

[3] 顏輝武,費立凡,馬晨燕.基于線性八叉樹的光線投射體繪制算法改進研究[J].遙感信息,2004(3).

[4] 羅暉,吳百鋒,孫曉光.基于深度的光線投射體繪制算法[J].計算機應用與軟件,2008(1).

篇5

【關鍵詞】 胸部外傷； 多層螺旋CT； 圖像重建

中圖分類號 R826.63 文獻標識碼 B 文章編號 1674-6805（2013）29-0045-02

隨著交通、建筑業的飛速發展，胸部外傷逐漸成為急診科中的常見病、多發病。胸部外傷是臨床常見急診，因胸腔內含有心臟和肺臟兩個重要臟器，故死亡率高，文獻報道可達25%[1]。胸部外傷患者病情危急，如何能夠在短時間內快速、準確地診斷，成為診斷中的重點。多層螺旋CT及三維重建圖像處理軟件的應用，為臨床提供了便捷、快速、直觀的影像檢查方法。筆者回顧性分析本院胸部外傷患者280例，目的在于探討多層螺旋CT及圖像重建處理軟件在胸部外傷中的應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

病例資料來自本院2010年8月-2012年10就診的胸部外傷患者，所有病例均行多層螺旋CT檢查、圖像重建，共280例，男195例，女85例，患者年齡18～75歲。

1.2 方法

使用SIEMENS Sensation多層螺旋CT機，采用容積掃描，掃描參數：螺距1.45：1，層厚7.5 mm，120 kV，200 mAs；重建層厚1.0 mm，間隔0.7 mm。掃描范圍包括整個胸廓范圍。掃描完成后，將圖像發送至Syngo工作站，進行MPR（多平面重建）、CPR（曲面重建）、SSD（表面遮蓋法）、VRT（容積再現）等圖像后處理軟件處理。由兩名資深影像科醫師對所得資料進行評估、診斷。

2 結果

本組資料共280例患者中，多層螺旋CT掃描及圖像重建都發現異常，其中部分為復合外傷，肋骨骨折280例590處，合并肩胛骨骨折54例，液氣胸158例，肺挫傷223例，其他部位骨折共48例（其中胸骨15例，鎖骨26例，胸椎17例）；腹部臟器損傷24例，軟組織損傷80例。

3 討論

在常規胸部外傷患者中，首選檢查為X線平片檢查，以其方便快捷、低廉而被臨床廣泛應用，但是X線平片檢查具有圖像重疊多、定位不準確、密度分辨率低等客觀原因，容易造成漏診、誤診情況的發生。常規CT的推廣應用，在一定程度上解決了X線平片中所遇到的問題，但是也存在定位不準確的問題。多層螺旋CT的應用推廣，為胸外傷患者提供了強有力的檢查技術支撐。有學者通過對比研究論證了多層螺旋CT較單層螺旋CT更具有全方面功能及特定的優越性[2]。多層螺旋CT機的采用真正實現了短時間、大范圍容積掃描，真正實現了各向同性，能夠真實的反映人體的解剖結構；同時配合圖像后處理工作站，能夠直觀、快速、全方位地實現圖像重建，節約了外傷患者的檢查時間，實現了多臟器一站式快速檢查，為及時發現病變，搶救患者生命，提供了保障。同時也為法醫鑒定帶來了一種全新的診斷思路[3]，為鑒定結論的科學性、準確性提供了保障。

胸部外傷患者常用的圖像重建技術及特點。VRT具有立體感強，可多方位、多角度觀察的優點，可以利用容積數據重建出類似立體的圖像，能為判斷肋骨骨折線及移位情況提供幫助。在實際工作中，僅僅依靠MPR來判斷哪一根肋骨骨折是有難度的，通過在VRT多方位、多角度觀察，可以對肋骨骨折的部位進行準確定位。外傷所致的肺內改變（肺挫裂傷、氣胸、軟組織損傷等）在VRT上則往往難以顯示。SSD和VRT均屬于三維成像技術，SSD以經過薄層重建的軸位圖像為基礎，依據預定的CT閾值來取得成像容積以內的2D圖像，并有工作站將CT閾值以上的連續像素3D合成[4]，以顯示目標表面為目標。SSD和VRT均可以實現任意軸向和多角度的觀察，尤其是顯示復雜結構區域的三維關系。由于SSD僅僅是利用的表面數據，所以在成像過程中丟失的信息較多，因此，閾值的設定決定圖像的清晰度，如果閾值設置不當就很容易造成假象。MPR是在薄層重建基礎上進行成像，可以從冠狀位、矢狀位或任意為斜面觀察解剖結構及形態，重復性好。骨折的部位、斷端移位情況及鄰近組織改變都可以通過調整窗寬、窗位直接顯示；對于肺內改變（氣管損傷、肺挫裂傷、胸腔積液等）等情況也都可以全面、清晰顯示。CPR能夠顯示肋骨的全貌，可以進行曲面全景式的重建。有資料統計CPR、MPR的聯合應用對骨折、脫位、骨折片的顯示率達100%[5]。本組病例MPR、CPR對各部位骨折及肺內改變的診斷完全準確。

統計本組資料，肋骨骨折360處、胸骨骨折16例、胸椎骨折13例在軸位圖像上未見異常，但在圖像重建中發現存在骨折；肺野情況的改變，需要調整窗寬、窗位仔細觀察，在軸位圖像、MPR、CPR圖像中均能清晰顯示。軸位像、MPR、CPR在顯示各部位的骨折及肺野、軟組織的改變效果為佳。窗寬、窗位的綜合調整，有利于顯示骨折部位和肺組織損傷情況，常常可顯示X線平片漏診的隱蔽性骨折[6-7]；MPR、VRT重建在顯示各部位骨折具有優勢。因此，在胸部外傷患者中，充分靈活利用多層螺旋CT的圖像重建（MPR、CPR、SSD、VRT）對掃描區進行仔細、全方位、多角度觀察，才能有效檢出病變，從而避免漏診、誤診的發生，為臨床、法醫鑒定提供可靠的依據。

通過本組病例分析，在多層螺旋CT圖像重建中需要注意以下問題：外傷患者的躁動、不配合或金屬等陽性異物，極易在圖像重建中產生偽影及假象，造成病變的高估或假陽性診斷等問題的發生。因此，在工作中要注意甄別區分，通過本組病例分析發現假性骨折常呈多發對稱、骨折線多不銳利，橫斷位圖像不支持，并且與臨床癥狀不相符；調整窗寬、窗位時軟組織可見帶狀偽影。重復檢查時假陽性征象消失。因此，檢查前盡量去除體外異物、取得患者的配合、掌握好掃描時機，是減少偽影、避免漏診、誤診的關鍵。

多層螺旋CT掃描及圖重建的應用，能夠一站式多臟器檢查，快速、直觀、全方位顯示病變部位、程度；為胸部外傷患者診斷、治療及判斷預后提供了可靠、詳實的影像學依據。

參考文獻

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[3]賈應武，蔣兆飛.螺旋CT三維成像在肋骨骨折法醫鑒定中的應用[J].刑事技術，2003，28（2）：34

[4]Rubin C D，Date M D，Napel S A，et al.Three-dimensional spiral CT angiography of the abdomen：initial clinical esperence[J].Radiology，1993，186（1）：147-151.

[5]王廣麗，張成琪.多層螺旋CT在骨關節創傷中的應用[J].醫學影像學雜志，2005，15（7），610-611.

[6]黃崇權，張麗敏，斯洋，等.多層螺旋CT三維重建在胸部外傷骨折中的應用價值[J].醫學影像學雜志，2009，19（3）：278-281.