医学图像重建精选(五篇)

序言：作为思想的载体和知识的探索者，写作是一种独特的艺术，我们为您准备了不同风格的5篇医学图像重建，期待它们能激发您的灵感。

篇1

核医学影像设备如单光子断层扫描仪(Single Positron Emission Compute Tomography，SPECT)、正电子发射断层扫描仪(Positron Emission Tomo-graphy，PET)融合了当今最高层次的核医学技术，是目前医学界公认的极为先进的大型医疗诊断成像设备，在肿瘤学、心血管疾病学和神经系统疾病学研究中，以及新医药学开发研究等领域中已经显示出它卓越的性能。随着核医学断层影像设备的广泛应用和计算机技术的迅速发展，图像重建方法作为该类设备中的一个关键技术，其研究工作越来越受到人们的重视。本文概述了传统的图像重建方法，并详细介绍了一种具有较高图像质量和较短计算时间的重建算法—有序子集最大期望值方法(Ord-ered Subsets Expectation Maximization，OSEM)在核医学影像设备中的应用。

二、传统的图像重建方法

在核医学影像设备中，需要根据物体某一层面在不同探测器上检测到的投影值来重建该断层图像层面，即二维图像重建。传统的图像重建方法主要分为解析法和迭代法。

解析法是以中心切片定理(Central Slice Theorem)为理论基础的求逆过程。常用的一种解析法称为滤波反投影法(Filtered Back-Projection，FBP)。FBP法首先在频率空间对投影数据进行滤波，再将滤波后的投影数据反投影得到重建断层图像。滤波器选为斜坡函数和某一窗函数的乘积，窗函数用于控制噪声，其形状权衡着统计噪声和空间分辨。常用的窗函数有Hanning窗，Hamming窗，Butterworth窗以及Shepp-Logan窗。

解析法的优点是速度快，可用于临床实时断层重建。但当测量噪声较大或采样不充分时，这类算法的成像效果不甚理想，尤其是在核医学断层图像重建中对小尺寸源的成像效果差(即所谓偏体积效应)。在滤波中如果对高频信号不做抑制，截止频率高，此时空间分辨最好，但所重建的图像不平滑，易产生振荡和高频伪影; 反之，采用较低截止频率，过多压抑高频成分的低通窗函数会造成重建图像的模糊，故在变换法中低噪声和高分辨对滤波器的要求是矛盾的，需折衷选择。且难以在重建中引入各种校正和约束，如衰减校正等。

迭代法是从一个假设的初始图像出发，采用迭代的方法，将理论投影值同实测投影值进行比较，在某种最优化准则指导下寻找最优解。迭代求解方法的基本过程是:

(1) 假定一初始图像f(0);

(2) 计算该图像投影d;

(3) 同测量投影值d对比;

(4) 计算校正系数并更新f值;

(5) 满足停步规则时，迭代中止;

(6) 由新的f作为f(0)从(2)重新开始。

该方法最大优点之一是可以根据具体成像条件引入与空间几何有关的或与测量值大小有关的约束和条件因子，如可进行对空间分辨不均匀性的校正、散射衰减校正、物体几何形状约束、平滑性约束等控制迭代的操作。其中实现对比的方法有多种，施加校正系数的方法也有多种。在某些场合下，比如在相对欠采样、低计数的核医学成像中可发挥其高分辨的优势。但是迭代法收敛速度慢，运算时间长，运算量大，而且重建图像会随着迭代次数的增加而趋于“老化”甚至发散，出现高频伪影，这些缺点极大地限制了它在临床中的应用。

三、OSEM迭代算法

为了加快收敛速度，减少运算时间，提高图像质量，人们提出了很多快速算法，其中有序子集最大期望值法是很有应用前景的一种快速迭代重建算法，它是在最大似然期望法(Maximum Like-lihood Expectationmaximization，MLEM)的基础上发展起来的。

MLEM方法旨在寻找与测量的投影数据具有最大似然性(ML)的估计解，其迭代过程是由最大期望值算法(EM)来实现的。由于是以统计规律为基础，MLEM重建法具有很好的抗噪声能力，是目前公认为最优秀的迭代重建算法之一，尤其是在处理统计性差的数据时，更能显示出它相对于解析法的优越性，但是这种方法仍然存在迭代法的运算量大、运算时间长等缺点。MLEM方法在每一次迭代过程中，使用所有的投影数据对重建图像每一个象素点的值进行校正，重建图像只被替换一次。 转贴于

OSEM方法在每一次迭代过程中将投影数据分成N个子集，每一个子集对重建图像各象素点值校正以后，重建图像便被更新一次，所有的子集运算一遍，称为一次迭代过程，它所需要的运算时间与FBP重建的时间基本相等。在ML-EM方法一次迭代过程中，重建图像被更新一次，而在OSEM方法中重建图像被更新N次，所以OSEM方法具有加快收敛的作用。OSEM算法中子集的选取和划分有很多种，在SPECT中投影数据可以根据每个采样角度实时地进行划分和重建，在PET中由于各个探测器上测得的投影数据是在符合判选之后同时获得的，因此可以在全部投影数据采集完成之后划分子集。不同子集的重建顺序也可以有选择的进行，如可将两个位于相对垂直的角度上的子集按相邻顺序进行重建，以加快收敛速度。

四、数据模拟与临床实验结果

分别采用FBP法、MLEM法和OSEM法对仿真模型和临床数据进行图像重建。仿真模型类似Jaszczak模型，在64×64的 Phantom切片中间的圆形区域上分布着大小不等、呈指数衰减的点状源。选取观测角度个数为32，探测器单元(Bin)的个数为64，模拟实际投影矩阵，投影数据符合泊松随机分布。临床PET的Transmission投影数据由美国密西根大学J.Fessler教授提供，观测角度为192个，探测器Bin个数为160，PET为CTI ECAT EXACT。图1为采用不同方法对临床(人体模型)投影数据的重建结果，其中FBP法选用的滤波器为But-terworth滤波，陡度因子N=2，截止频率为0.2，OSEM法为N =16一次迭代重建结果; 图2为不同子集划分情况下一次迭代 重建结果; 图3为不同子集划分情况下经过适当迭代次数的重建结果。

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.

关键词：医学图像处理；3D图像重建；VTK；ITK

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

中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）24-0161-02

0引言

计算机断层扫描仪（CT）、核磁共振成像（MRI）和3D-4D超声波立体影像诊断等3D医学成像诊断设备已得到广泛应用。这类设备通常使用切片扫描技术，将所得到的数码切片图像系列以DICOM文件格式保存起来，并据之还原为3D图像。这些设备所生成的数码图像数据也可以导出并存放到其他存储设备如计算机或网络硬盘中，供医生和研究人员采用医学图像软件重建其3D图像进行浏览和分析。

医学3D图像重建技术是计算机可视化领域的一部分，它使用2D切片图像系列来重建三维图像，这些2D切片图像系列可由不同种类的医学扫描设备生成，并以DICOM文件格式存放其图像和各种参数。不同类型的设备有其不同的扫描采样参数，如CT通常使用高对比度平行扫描切片，MRI使用低对比度平行扫描切片，而超声波扫描仪一般使用低对比度的平行或散射切片。一般来说，医学3D图像重建的基本步骤如下：

第一步：将2D切片图像系列（以DICOM格式存放的一组文件）读入内存并还原其位置和排列顺序，组成数据体；

第二步：使用某种绘制技术将数据体转换为3D图像。

通常用于医学图像的绘制技术有多平面绘制（MPR，Multi-Planar Rendering），表面绘制（SR，Surface Rendering）和体绘制（VR，Volume Rendering）等。我们开发的VascuView3D就是一个3D医学图像重建系统，该系统可用于将CT和MRI等设备生成的2D病患切片图像系列转换成3D图像。VascuView3D同时集成了体绘制、表面绘制和多平面绘制等3D视图。

1几种主要绘制技术

1.1 多平面绘制MPR技术多平面绘制技术用于切片结构重建，即根据垂直轴向扫描的切片系列重建出冠状轴向平面投影和矢状轴向平面投影。实际上，VascuView3D所使用的MPR算法并不局限于重构正交方向上的投影，也可以用于重构出三维空间上任意平面方向上的投影图像。MPR技术的优点是计算量较小，因此可用于配置较低的计算机。

1.2 表面绘制SR技术表面绘制技术是用一组等值面来表现3D对象。在各切片上，同一等值面中各点的密度相同。表面绘制技术用于将一种组织和其他组织区分开来，如从头部的切片系列中分离骨头和肌肉，或者从肌肉组织中分离血管等。表面绘制技术通常用于高对比度数据。

在表面绘制技术中，有两种主要的等值面重建方法：

①基于轮廓的表面绘制：使用从各切片中提取的等值面阈值来重建等值面；

②基于体素的重建：直接从标明等值面阈值的体素来重建等值面。在这类算法中，最好的是移动立方体算法，其他类似的算法还有移动四面体算法和分割立方体算法。

在VascuView3D提供的表面绘制算法中，用户可以提供一个等高值以得到更好的绘制效果。

1.3 体绘制VR技术体绘制技术使用穿过对象体的投影光束来实现对象体的透明化。沿着每一根光束，对每个体素计算其透明度和颜色，然后再根据沿各光束计算出的数据重整为图像平面上的像素。体绘制技术所产生的图像是半透明的立体灰度图像，也可以根据不同的需要对其进行着色处理。这种3D图像对理解对象的整体结构非常有用，是医学3D图像软件中最重要的界面视图。体绘制技术的缺点是计算工作量很大，如果用户的计算机配置较低，则响应时间很长，它可用于低对比度数据。在实现体绘制技术时，主要用到下面两种射线投影方法：

①对象顺序法：投影光束从对象体的后方向前投射（从对象体到图像平面）；

②图像顺序或光线投射法：投影光束从前方向后穿过对象体（从图像平面到对象体）。

此外还有一些其他方法可用于3D图像合成，在医学图像处理中常用的有：最大密度投影、最小密度投影，α合成和非实感体绘制等。在实际的三维图像软件中，这些方法通常都和以上各种绘制技术结合起来使用。

在VascuView3D中，同时提供了MPR、VR和SR三种不同的绘制界面供用户选择，在不同的绘制界面中，还提供了相应的参数调整手段，以达到最好的显示效果。

2由平行切片系列重建3D图像

平行切片数据系列可由计算机断层扫描仪（CT）或核磁共振（MPR）等设备生成，并以DICOM文件系列的方式存储。除了2D图像点阵数据外，存放于DICOM文件中的还有关于患者和设备的有关信息，以及各种扫描参数。

平行切片设备所使用的扫描间距通常在0.5到2.0毫米之间。从CT数据重建3D图像比较容易，这是因为CT采用高对比度扫描。在使用上节所述的各种绘制方法得到3D图像之前，首先应在计算机内存中按原来的顺序和位置排列好平行切片来组成数据体。由于数据量很大，所以对计算机的内存容量的要求比较高。

3VascuView3D系统的开发

3D医学图像重建系统VascuVeiw3D是VascuBase医学信息管理系统的一个组成部分，用于从病患医疗档案中存放的CT和MPR图像系列文件中重建其3D图像，供医生和研究人员分析使用。VascuView3D使用Visual C++.NET开发，并使用了可视化工具包VTK（Visualization Toolkit）和ITK（Insight Segmentation and Registration Toolkit）中提供的各种3D算法。

3.1 VTKVTK是一个广泛应用于3D计算机图形图像处理和可视化编程的开源软件包。它由一组C++类库和几种交互式界面接口如Tcl/Tk、Java以及Python组成。VTK支持各种可视化算法，包括标量的、矢量的、张量的研究面向容积的算法；支持高级模型算法如：隐式模型、多边形裁剪、网格平滑、分割、等值面，以及德洛内三角（Delaunay Triangulation）算法等。VTK有一个内容丰富的信息可视化框架，有一整套3D交互组件，支持并行处理。VTK可运行于多种操作系统平台上，如Windows、Linux、Unix及Mac。

3.2 ITKITK是一个多平台的图像分析工具的开源软件包，具有强大的医学图像分割和配准功能，包括许多高水平的多维图像分析算法，如用于等值面提取的移动立方体算法。ITK软件并不提供对图像界面的直接支持，因此需要和VTK等可视化软件结合使用。ITK还包含了对DICOM文件的读取功能，这对提取存放于DICOM文件头中的各种参数非常有用。

3.3 VasucView3D软件结构图1说明了VascuView3D系统的结构。作为医学信息管理系统VascuBase的一个组件，VascuView3D被设计成内嵌于VascuBase用户界面的一个OCX控件。

3.4 VascuVeiw3D软件界面设计VascuVeiw3D的主界面类似某些商业医学软件系统，见图2。左面是2D切片系列浏览窗口，右面用于显示重建的3D图像。在3D窗口上方有一个工具条，整合了若干常用功能按钮。VascuView3D还提供了丰富的菜单功能以方便用户。

3.5 VascuView3D的主要类结构

VascuView3D的主要类有：

clsDicomIOclsImageFileReaderclsImageSeriesReaderclsItkVtkData

clsMetaDataDictionary clsMetaDataObject

clsCastImageFilter；clsExtractImageFilter；clsFlipImageFilter；

clsRescaleIntensityImageFilter

vtkMFCWindow clsVascuView

其中Filter类的结构如图3所示。

3.6 VascuView3D的主要功能

VascuView3D的主要功能如下：

①读入2D切片序列文件，从中提取DICOM信息并构造对象数据体；

②选用合适的算法重建3D图像，可提供体绘制（VR）、表面绘制（SR）和多平面绘制（MPR）等视图；

③用户可通过系统界面对生成的3D图像进行各种操作，如旋转、平移、缩放、调整对比度和亮度，以及感兴趣区操作；

④对于体绘制视图，还提供了基于颜色对照表CULT（Color look-up table）的3D图像着色。CLUT是一种将一给定的颜色范围转换为另一组颜色的转换机制，可用于对三维灰度图像的仿真着色或伪彩色着色，以提高图像辨识率；

⑤对于表面绘制，可根据用户给定的轮廓值进行绘制。

4结论

3D医学图像重建软件VascuView3D用于根据CT或MRI输出的2D医学切片图像文件重建其三维图像，供医生和研究人员使用。该系统建立在VTK和ITK之上，使用Visual C++编程。该软件是医学信息管理系统VascuBase的一个重要组成部分，拥有令人满意的三维图像重建速度和方便的用户界面。

参考文献：

[1]曾更生.医学图像重建入门[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]唐慧，周正东，鲍旭东等.基于GPU的三维医学图像混合可视化系统[J].数据采集与处理，2006.

篇3

[关键词] 可视化；医学图像；体绘制；面绘制

[中图分类号]R814.43 [文献标识码] B[文章编号] 1673-7210（2009）03（a）-157-02

随着可视化技术的发展，现代的许多医学图像设备都是向提供三维图像发展，目前三维CT、三维超声均可提供三维影像，如通用电气、西门子等成像设备制造商均生产三维CT产品，但是这些设备价格相当昂贵。通过计算机图像图形学技术和可视化技术，对二维CT图像进行后处理，根据输入的各图像参数直接在PC机上实现三维影像重建具有十分现实的意义。

1 三维可视化系统技术研究

符合DICOM标准的CT图像的三维可视化系统必须具有的基本功能是DICOM文件的解析功能，用于提取出重建的数据场和空间信息。针对医学CT图像的特殊性，必须具有窗宽/窗位的调节功能，还必须具有体数据场的三维可视化功能。

1.1 DICOM文件的解析功能

DICOM标准的提出使得医学图像及各种数字信息在计算机之间的传递有了一个统一的规范，DICOM标准不但规定了通讯的标准，也规定了医学图像特定的存储格式。DICOM文件一般由一个DICOM文件头和一个DICOM数据集构成，在DICOM文件头中包含了标识数据集合的相关信息，DICOM文件的信息主要集中在数据集部分。DICOM数据集又由数据元素组成，数据元素主要由4个部分组成：标签、数据长度VL、数据域和数据描述VR。不同的标签规定了后续数据域中数据对应实体的内容，数据元素按标签的升序排列构成数据集。DICOM文件解析目的是通过分析符合DICOM标准的CT图像的文件中各数据元素，从给定的序列文件中按标签号逐个提取出重建中需要用到的信息，分析判断各图片之间的空间关系，构造数据场，作为可视化系统的原始输入数据。

1.2 窗宽/窗位调节功能

通过DICOM文件解析获得的CT图像各象素比特深度一般为12位，存储位为16位，目前计算机能够显示的灰度级只有8位，因此在重建前要完成16位到8位灰度级的映射功能，这在CT图像的处理中称为窗宽/窗位的调节。

目前常用窗宽/窗位的调节算法有Linear算法、Gamma算法、Logarithmic算法等。Gamma算法和Logarithmic算法都是非线性的，可以补偿人眼对灰度反应的非线性，但是它们的运算量非常大，对于二维图像处理采用可以产生较为理想的效果，如果直接将其运用到三维数据场，则巨大的计算量将影响实时窗宽/窗位的调节。为了有效地进行窗宽／窗位的调节，笔者采用了计算速度快、可以实时交互的Linear算法，效果理想。

1.3 可视化技术

规则数据场的可视化方法一般分为两类：一类是表面绘制法，一类是体绘制法。

通过软件开发，实际比较了表面绘制和体绘制的优劣。发现了表面绘制处理的是整个体数据场中的一小部分数据，具有较快的速度，并且可以快速灵活地进行旋转和变换光照效果，它适合于绘制表面特征分明的组织和器官。但是，由于表面重建对表面分割的依赖较大，对分割的精确程度要求很高，所以对形状不明显、亮度变化小的软组织，以及血管等组织的三维显示，效果不尽如人意。体绘制对于形状特征模糊不清的组织和器官进行三维显示时具有较好的效果。但是由于在原始的体绘制过程中，一般要遍历体数据场中的每一个体素，因而计算量较大，图像成像的速度较慢。当改变光照和视点时，要重新进行投影运算，所以交互的速度较慢。因此，为适应不同的应用要求，系统同时实现了两种重建方法。

2 系统结构设计和功能

根据系统的功能构想和实现目标，笔者将系统结构设计为4个模块：

DICOM文件解析模块：完成由符合DICOM标准的CT图像输入序列到体数据的组织和相关信息获取的功能。该模块首先逐个解析单个的文件，提取出了关键数据，再判断输入的图片是否为同一序列，在空间位置上是否满足重建的要求，然后将删去不符合要求的图片而将符合要求的图片组成列表，提取逐个列表中各文件的象素和空间信息，将各切片数据组织为空间体数据场。

体数据预处理模块：完成窗宽/窗位调节和体数据增强等功能。窗宽／窗位调节采用Linear算法；体数据增强主要是为了消除CT图片中可能存在的噪声而采用的可选的预处理功能，一般的中值滤波器具有消除噪声同时对图像边缘等信息影响不大的优点，在系统中选用该算法实现图像滤波。

可视化模块：设计了表面绘制和体绘制两种算法。表面绘制使用MC算法提取等值面；体绘制算法采用Ray Casting算法。为了加快开发速度，笔者通过比较分析：作为可视化开发工具，VTK是一个开放式的免费软件，具有强大的三维功能，它提供目标函数库，用户可以利用面向对象的技术和方法对它进行二次开发。

交互显示模块：交互显示模块主要完成对重建后的三维影像实现旋转、缩放，获取冠状面、矢状面和实时窗宽/窗位调节的功能。

3 结论

医学CT图像三维可视化系统实现了符合DICOM标准的CT图像的三维显示，为医务人员提供了形象、直观的诊断技术，具有广泛的临床应用价值。系统实现了：DICOM文件的解析；交互式Linear算法窗宽/窗位调节；MC表面绘制法和光线投射法重建医学CT图像；通过软件开发，比较了两种重建方法的优劣；直方图指示，冠状面、矢状面的获得及其旋转、缩放等功能。

[参考文献]

[1]李树祥.医学图像技术的发展与应用[J].中国图像图形学报,1996,1(1):281.

[2]唐泽圣.三维数据场可视化[M].北京:清华大学出版社,1999.

[3]姚富光,魏彪．基于医用X-CT的三维重建系统研究[J].仪器仪表学报,2004,25(4):439.

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关键词:三维重建;改进的光线投射法;自适应改进求交;线性八叉树;深度;片段;层次包围盒

中图分类号:TB811文献标识码: A文章编号: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)、计算机断层(CT)扫描等医学成像设备能提供医学序列二维断面,但是由序列二维断面想象复杂的三维结构很困难。近几十年来,人们一直在研究由序列二位断面重构并显示三维结构的方法,这一领域被称为医学体数据可视化。目前体绘制方法主要分两类:以图像空间为序的体绘制方法和以物体空间为序的体绘制方法。光线投射算法是一种基于图像空间的经典体绘制算法,由Levoy提出。光线投影法是体绘制技术中图像效果较好的方法,且算法原理简单易实现。

1 光线投射算法简介

光线投射算法[1](Ray-Casting)它的基本思想是:从屏幕上的每一像素点发出1条视线,这条视线穿过三维场的体元矩阵,沿这条视线等距设置采样点,将距离采样点最近的8个数据点所组成体素的颜色值及不透明度进行三次线形插值,求出该采样点的不透明度及颜色值。然后可以按从前到后或从后到前的合成公式对所有采样点的颜色和不透明度进行合成。当对所有像素点都进行以上过程后,就会得到此数据场的体绘制图像。在医学上可表现出各组织器官的属性、特征及层次关系,从而使图像更加丰富。

2 几种改进的光线投射算法

2.1 改进求交的自适应光线投射法[2]

利用光线和平面簇相交简化光线求交过程,确定采样点,直线和平面族的交点并非是需要的采样点,采样是不等间隔的,但仍然可以保证采样的密度,使直线上的所有体素都能获得采样点。在预处理阶段确定自适应采样步长Δt的大小、计算Δt个体元的总不透明度和颜色值。传统光线投射算法在进行进行三线性插值时的时间复杂度为O(n3)。采用光线快速求交方法的法复杂度略高于O( n2)但低于O(n3);利用自适应采样确定采样点能使算法速度能提高30%左右。

2.2 基于线性八叉树的光线投射体绘制算法[3]

基于线性八叉树的光线投射体绘制算法具有时间复杂度与数据场基本无关的特点,其基本思想类似于空间跳跃采样,基于线性八叉树的光线投射体绘制算法的效率主要取决于两个操作:1) 计算射线在当前八分体上的出口点;2) 查找沿射线前进方向与当前八分体相邻的下一个八叉树叶结点所代表的八分体。

只有当由于减少采样而节约的时间大于求交计算所耗费的时间时才会产生加速效果。当数据场比较复杂、每个结点都接近于最小分辨率时,运算负担会相应增加,此时就不能采用八叉树的方法;当不透明度值很大时也难以取得明显的加速效果,因此,该改进算法适用条件是:空间物体不同属性部分的连续性较高、数据场越大,加速效果越明显。

2.3 基于深度的光线投影体绘制算法[4]

深度是指绘制起始点到目标点的物理距离,一定深度下的图像是对小于此深度的信息予以透明化的结果。基于深度的光线投影体绘制算法是在绘制过程中引入深度信息,通过观察角度和深度的交互来有效绘制体数据内部层次的信息,同时将其上下文信息予以绘制和保存。通过基于深度的交互,信息被由外向里地绘制出来,基于深度的光线投影体绘制是把高于目标深度的信息以及上下文信息都保留,对低于目标深度的信息予以忽略。

算法绘制的过程是深度和光线投射两者的结合。分为以下几步:

1)数据预处理,把数据进行初步分割,赋予相应的颜色值。

2)基于数据量设定深度函数节点。

3)进行光线投射重采样,应用深度函数求解透明度值。

4)合成透明度值与强度值,绘制图像。

5)调整深度函数,重新绘制输出。

在基于深度的光线投射体绘制算法整个绘制过程中,通过深度的不断增加,重建图像内部信息从侧面开始逐渐作为整体被绘制出来,保证了对特征的信息的判断提供帮助。

2.4 基于片段的光线投射算法[5]

基于片段的光线投射算法(segment-based ray-casting, SRC)是利用体数据的数据一致性对传统的光线投射算法进行简化从而提高了绘制性能。体数据的数据一致性是指在体数据中,相邻体素通常具有相似或者相同的值,因此可以认为相邻的重采样点之间具有相似或者相同的光学属性。基于片段的光线投射算法将相似的连续重采样点合并成片段,并将融合的基本单位由重采样点扩大为片段,从而减少了融合次数,提高了绘制性能。结合GPU加速技术可以将绘制速度提高数倍,可以实现对中小规模体数据高质量的实时绘制。

基于片段的光线投射算法认为体数据的数据一致性总是存在的,并且密度值相近的体数据总是具有相同的光学属性,这种假设在某些特殊的情形下会丢失一些细节,如传递函数在某一点处发生跳跃有可能就会被忽略,因此为了提高绘制性能,基于片段的光线投射算法在一定程度上要牺牲图像质量。SRC中有阈值S和片段长度的最大值M两个重要参数,这两个参数是决定图像质量和绘制性能的关键。片段相似度阈值S是用来判定连续重采样点是否属于同一个片段,片段长度的最大值决定了一个片段可能存在的最大长度,设置片段的最大长度可以适度限制不合理的片段相似度带来的图像走样。

2.5 层次包围盒与GPU实现相结合的光线投射算法[6]

该算法的基本思想为:根据体数据大小构建包围盒,令包围盒的顶点颜色与空间坐标在数值上相等,然后绘制包围盒的前表面,绘制结果为投射光线进入体数据的起始点坐标。最后绘制包围盒的后表面,绘制结果为投射光线离开体数据的终点坐标,终点坐标减去起点坐标获取投射光线的方向向量。该算法避免了复杂的顶点着色程序,通过对体数据分块构建包围盒树来跳过空体素,在不影响图像绘制质量的情况下,以缩短投射光线在体数据内的有效采样长度来提高光线积分的效率,从而加快了绘制速度。该算法构造包围盒树的处理时间短,不改变原始体数据的存储方式,与体裁剪操作结合时响应时间快,有较好的应用前景。但是,由于图形硬件存储空间的限制,当体数据量过大并且不能一次载入时无法进行处理。

3 比较及结论

用连续的460张基于DICOM标准的空间分辨率为512×512、扫描间隔1 mm的头部CT图像做三维重建,比较以上几种方法发现,采用改进求交的自适应光线投射法绘制出的图像质量没受到明显影响,改进后耗时4.45秒,相对改进前的5.73秒速度提高了30%左右。采用基于线性八叉树的光线投射体绘制算法,设采样步长和不透明度为1时,体绘制时间为3.95秒,采样步长和不透明度越小,加速效果越显著。缺点是只有当减少采样节约的时间大于求交计算所耗费的时间时,才会产生加速效果。当不透明度值很大时,也难以取得明显的加速效果。采用基于深度的光线投影体绘制算法,随着深度的增加,组织内部逐渐绘制,通过这种深度和观察角度交互有效地定位目标信息并保存上下文信息。需要改进的是特征信息定位的交互性和实时性及提取效果的再优化。采用基于片段的光线投射算法,由于没有简化重采样操作,对绘制性能的提升十分有限,SRC可以在保持绘制图像质量的基础上,提高绘制速度。缺点是与其他几种方法,绘制速度相对较慢。层次包围盒方法与八叉树加速效果相当,但加入体裁剪操作后能快速响应,因此具有更好的实用性。缺点是普遍受图形硬件存储空间的限制,当体数据量过大或不能一次载入时无法对体数据进行处理。

参考文献:

[1] Harvey R H P.Raycasting architectures for volume visualization[J].IEEE Trans on Visualization and Computer Graphics,1999,5(3):210-223.

[2] 樊鹏,郭宝龙.一种改进求交的自适应光线投射体绘制算法[J].计算机工程与应用,2008,44(4):70-72.

[3] 颜辉武,费立凡,马晨燕.基于线性八叉树的光线投射体绘制算法改进研究[J].遥感信息,2004(3).

[4] 罗晖,吴百锋,孙晓光.基于深度的光线投射体绘制算法[J].计算机应用与软件,2008(1).

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【关键词】 胸部外伤； 多层螺旋CT； 图像重建

中图分类号 R826.63 文献标识码 B 文章编号 1674-6805（2013）29-0045-02

随着交通、建筑业的飞速发展，胸部外伤逐渐成为急诊科中的常见病、多发病。胸部外伤是临床常见急诊，因胸腔内含有心脏和肺脏两个重要脏器，故死亡率高，文献报道可达25%[1]。胸部外伤患者病情危急，如何能够在短时间内快速、准确地诊断，成为诊断中的重点。多层螺旋CT及三维重建图像处理软件的应用，为临床提供了便捷、快速、直观的影像检查方法。笔者回顾性分析本院胸部外伤患者280例，目的在于探讨多层螺旋CT及图像重建处理软件在胸部外伤中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

病例资料来自本院2010年8月-2012年10就诊的胸部外伤患者，所有病例均行多层螺旋CT检查、图像重建，共280例，男195例，女85例，患者年龄18～75岁。

1.2 方法

使用SIEMENS Sensation多层螺旋CT机，采用容积扫描，扫描参数：螺距1.45：1，层厚7.5 mm，120 kV，200 mAs；重建层厚1.0 mm，间隔0.7 mm。扫描范围包括整个胸廓范围。扫描完成后，将图像发送至Syngo工作站，进行MPR（多平面重建）、CPR（曲面重建）、SSD（表面遮盖法）、VRT（容积再现）等图像后处理软件处理。由两名资深影像科医师对所得资料进行评估、诊断。

2 结果

本组资料共280例患者中，多层螺旋CT扫描及图像重建都发现异常，其中部分为复合外伤，肋骨骨折280例590处，合并肩胛骨骨折54例，液气胸158例，肺挫伤223例，其他部位骨折共48例（其中胸骨15例，锁骨26例，胸椎17例）；腹部脏器损伤24例，软组织损伤80例。

3 讨论

在常规胸部外伤患者中，首选检查为X线平片检查，以其方便快捷、低廉而被临床广泛应用，但是X线平片检查具有图像重叠多、定位不准确、密度分辨率低等客观原因，容易造成漏诊、误诊情况的发生。常规CT的推广应用，在一定程度上解决了X线平片中所遇到的问题，但是也存在定位不准确的问题。多层螺旋CT的应用推广，为胸外伤患者提供了强有力的检查技术支撑。有学者通过对比研究论证了多层螺旋CT较单层螺旋CT更具有全方面功能及特定的优越性[2]。多层螺旋CT机的采用真正实现了短时间、大范围容积扫描，真正实现了各向同性，能够真实的反映人体的解剖结构；同时配合图像后处理工作站，能够直观、快速、全方位地实现图像重建，节约了外伤患者的检查时间，实现了多脏器一站式快速检查，为及时发现病变，抢救患者生命，提供了保障。同时也为法医鉴定带来了一种全新的诊断思路[3]，为鉴定结论的科学性、准确性提供了保障。

胸部外伤患者常用的图像重建技术及特点。VRT具有立体感强，可多方位、多角度观察的优点，可以利用容积数据重建出类似立体的图像，能为判断肋骨骨折线及移位情况提供帮助。在实际工作中，仅仅依靠MPR来判断哪一根肋骨骨折是有难度的，通过在VRT多方位、多角度观察，可以对肋骨骨折的部位进行准确定位。外伤所致的肺内改变（肺挫裂伤、气胸、软组织损伤等）在VRT上则往往难以显示。SSD和VRT均属于三维成像技术，SSD以经过薄层重建的轴位图像为基础，依据预定的CT阈值来取得成像容积以内的2D图像，并有工作站将CT阈值以上的连续像素3D合成[4]，以显示目标表面为目标。SSD和VRT均可以实现任意轴向和多角度的观察，尤其是显示复杂结构区域的三维关系。由于SSD仅仅是利用的表面数据，所以在成像过程中丢失的信息较多，因此，阈值的设定决定图像的清晰度，如果阈值设置不当就很容易造成假象。MPR是在薄层重建基础上进行成像，可以从冠状位、矢状位或任意为斜面观察解剖结构及形态，重复性好。骨折的部位、断端移位情况及邻近组织改变都可以通过调整窗宽、窗位直接显示；对于肺内改变（气管损伤、肺挫裂伤、胸腔积液等）等情况也都可以全面、清晰显示。CPR能够显示肋骨的全貌，可以进行曲面全景式的重建。有资料统计CPR、MPR的联合应用对骨折、脱位、骨折片的显示率达100%[5]。本组病例MPR、CPR对各部位骨折及肺内改变的诊断完全准确。

统计本组资料，肋骨骨折360处、胸骨骨折16例、胸椎骨折13例在轴位图像上未见异常，但在图像重建中发现存在骨折；肺野情况的改变，需要调整窗宽、窗位仔细观察，在轴位图像、MPR、CPR图像中均能清晰显示。轴位像、MPR、CPR在显示各部位的骨折及肺野、软组织的改变效果为佳。窗宽、窗位的综合调整，有利于显示骨折部位和肺组织损伤情况，常常可显示X线平片漏诊的隐蔽性骨折[6-7]；MPR、VRT重建在显示各部位骨折具有优势。因此，在胸部外伤患者中，充分灵活利用多层螺旋CT的图像重建（MPR、CPR、SSD、VRT）对扫描区进行仔细、全方位、多角度观察，才能有效检出病变，从而避免漏诊、误诊的发生，为临床、法医鉴定提供可靠的依据。

通过本组病例分析，在多层螺旋CT图像重建中需要注意以下问题：外伤患者的躁动、不配合或金属等阳性异物，极易在图像重建中产生伪影及假象，造成病变的高估或假阳性诊断等问题的发生。因此，在工作中要注意甄别区分，通过本组病例分析发现假性骨折常呈多发对称、骨折线多不锐利，横断位图像不支持，并且与临床症状不相符；调整窗宽、窗位时软组织可见带状伪影。重复检查时假阳性征象消失。因此，检查前尽量去除体外异物、取得患者的配合、掌握好扫描时机，是减少伪影、避免漏诊、误诊的关键。

多层螺旋CT扫描及图重建的应用，能够一站式多脏器检查，快速、直观、全方位显示病变部位、程度；为胸部外伤患者诊断、治疗及判断预后提供了可靠、详实的影像学依据。

参考文献

[1]刘蓓蒂.胸部创伤的X线和CT诊断价值分析[J].南通医学院学报，2003，23（1）：100.

[2]王敏君，周志坚，龚洪翰.多层螺旋CT三维重建在骨关节损伤中的应用[J].实用放射学杂志，2004，20（1）：562-564.

[3]贾应武，蒋兆飞.螺旋CT三维成像在肋骨骨折法医鉴定中的应用[J].刑事技术，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]王广丽，张成琪.多层螺旋CT在骨关节创伤中的应用[J].医学影像学杂志，2005，15（7），610-611.

[6]黄崇权，张丽敏，斯洋，等.多层螺旋CT三维重建在胸部外伤骨折中的应用价值[J].医学影像学杂志，2009，19（3）：278-281.