医学影像三维重建体系的设计

1.1课题研究背景和意义

从上个世纪70年代开始,医学影像获得了飞速的发展,医学成像方法越来越多,成像设备也在不断改善。人们还发明了很多新的技术,如单光子发射计算机断层显像(SPECT) , X射线计算机断层扫描(CT),磁共振成像(MRI),正电子发射计算机断层显像(PET),超声成像和先进的成像技术等⑴。这些新的成像技术给人们观察组织和器官的功能和结构提供了各种非常有效的手段,它们也因此成为重要的医疗诊断工具。传统医学成像技术是通过X射线或者其他手段获得人体的一个断面的图像数据,通过屏幕或胶片进行显示并观察和诊断的。但不管是通过屏幕或胶片来显示,医生都只能够观察到二维的图像,并只能在固定的图像上观察。通过二维图像,医生只能对病情作定性分析,因此诊断的结果主要取决于医生的读片经验和对医学影像的主观理解,不同医生诊断相同的疾病有时却会得出不同的诊断结果。显然,这种诊断技术远远不能满足患者的需求。进入20世纪90年代后,计算机图形和图像处理技术迅速发展,日渐成熟的图形图像处理分析技术开始逐步渗透到医疗领域。

人们幵始利用计算机对二维切片进行分析和处理,比如分割提取,三维重建,显示等。这种技术便于医生从多角度,多层次对人体器官,软组织和病变体进行观察和分析,可以帮助医生对人体的病变部位或感兴趣区域做出定性甚至准确的定量分析,这大大提高了医疗诊断的正确性和准确性。这些变化大大的提高了影像数据的应用价值,具有十分深远的意义。随着传统的医学影像处理技术和计算机图形处理技术的融合,逐渐产生了专门研究医学影像三维可视化技术的新学科。所谓的医学影像三维可视化技术[2],是指使用一系列通过二维图像重建成三维模型同时进行定性,定量分析的技术。该技术可以从二维图像得到三维的结构信息,为医生提供更逼真的显示和定量分析工具和手段,能够弥补成像设备在成像方面的不足,为医生提供了一个更有真实感的三维医学影像,而且可以使医生可以直接参与到数据的处理和分析中,便于医生从多个角度,多层次进行观察和分析。

这种技术在模拟手术,引导治疗中都可以发挥重要的作用。但是,重建出医学影像的三维模型并不是人们追求的最终目标,人们不仅仅要“看”到三维模型,还需要能够和三维模型进行交互,如旋转,缩放和平移等,使得医生们可以获得更好的视角,以便对疾病做出正确的判断。医学影像的三维重建和交互应用是当前的两个研究热点,它在医学上具有重要的意义。首先,它能够提高医生的诊断准确率和医院的效率。因为将二维数据重建成三维模型,能够方便医生观察人体内部的结构,使医生获得感兴趣的器官的定量描述,比如大小,形状和空间位置等,这将提高医生的诊断水平。第二,由于现在大多数医院仍使用传统形式的胶片来帮助医生诊断,这些胶片不仅有存储的问题,而且本身就是一笔不小的开支。实现数字化医院,可以将这些胶片保存成电子文档,这将大大的节省医院的支出。因此,展开医学影像的三维重建研究具有十分重要的意义。

1.2医学影像三维重建的临床应用

临床医学应用是可视化技术应用得最早最成功的领域之一,过去医生主要根据CT图像,磁共振成像和超声图像对病人做出诊断。但这些图像都是2维的图像序列,只有经过培训的医生才能通过这些图像获得器官或组织的整体认知。所以可视化的任务是揭示物体内部的复杂结构,让人们可以看到通常看不到的内部结构。由于三维可视化技术的日渐成熟,医学图像三维重建技术在临床医学中应用越来越广泛,具体概括如下:

一、 在检测诊断中的应用

在对病人身体的检测过程中,CT图像、磁共振图像和超声波图像一直都是一种十分重要的医疗诊断手段。而三维可视化技术可以对图像进行处理,构造出三维的几何模型,而且对重建出的模型能够从不同的方向进行观察,使得医生对感兴趣的部位的大小、形状和空间位置不仅有定性的认识,也能够得到定量的认识,这样可以极大的提局医生的诊断水平。

第二章医学图像和医学图像的预处理技术

在三维医学影像重建中,首先需要获得二维的医学图像即医学体数据,才能在此基础上进行三维重处理,本章将侧重于介绍各种医学体数据的采集方法和医学影像的预处理方法,及对比各方法的优缺点。

2.1医学体数据来源

医学体数据是一个数据场,人们通过医疗成像设备扫描器官和软组织得到断层图像后,将这些图像叠加在空间中的同一个方向,这样便构成一个立体的数据场,这个数据场就称为体数据。目前,医学影像数据的采集主要通过以下途径:X射线断层扫描(CT),磁共振成像(MRI),超声成像(UI),正电子发射计算机断层扫描(PET)等,其中两个最常用的医学影像来源是CT和MRI图像[5]。

2.1.1 CT (Computed Tomography)图像

一、 CT图像产生原理以及特性

CT (计算机断层扫描)图像,是计算机和X射线机组合的一种新的诊断技术。其主要特点是高密度的分辨率,比普通X射线照片高出10-20倍。可以精确地测量出器官之间的福射衰减的微小差异,能够极其精细的区分各种软组织密度。X射线机不能区分头颜的脑组织和脑脊液,而计算机断层扫描不仅能够显示脑颇系统,而且还能告诉人们灰质和白质等脑实质的区别。如果引入造影剂,以提高对比度,那么CT的分辨率将进一步增加,因此获取CT图像能扩大对疾病的诊断领域,提高诊断的准确率。