CT圖像三維重建及其在腰椎病診斷中的應(yīng)用研究

劉 靜，仇大偉

（山東中醫(yī)藥大學(xué)，山東濟(jì)南 250355）

在醫(yī)療診斷中，常規(guī)CT是通過(guò)觀察人體的某一切片圖像來(lái)進(jìn)行診斷，這種二維切片丟失了大部分三維空間信息，難以完整地表現(xiàn)人體內(nèi)的組織結(jié)構(gòu)及病變形態(tài)。醫(yī)生只能推測(cè)或想象觀察對(duì)象的立體形態(tài)，從而作出判斷。受多種因素的影響，這樣的判斷難以客觀、準(zhǔn)確，有時(shí)甚至可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。因此，僅憑醫(yī)生“在他頭腦中進(jìn)行重建”是十分困難的。

運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形、圖像處理技術(shù)，將一系列二維CT切片重建為立體的三維圖像，可以更完整、直觀、真實(shí)地再現(xiàn)各種組織形態(tài)及其相對(duì)位置，使醫(yī)生能夠從三維圖像中直觀地觀察出病灶區(qū)和周圍組織器官的關(guān)系，更好地進(jìn)行疾病的診斷和治療。

1 醫(yī)學(xué)三維重建技術(shù)

醫(yī)學(xué)圖像三維重建 （three dimensions reconstruction，3D）于20世紀(jì)80年代逐漸應(yīng)用于臨床，它是指通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描（computerized tomography）、磁共振成像 （magnetic resonance imaging）和超聲波掃描（ultrasonography）等成像設(shè)備，按某種物理學(xué)原理，對(duì)從人體器官采樣得到的單張或序列圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，從而恢復(fù)器官的三維表面形狀，重建出直觀的立體圖像[1]。

1.1 主要技術(shù)對(duì)比

醫(yī)學(xué)圖像三維重建的主要技術(shù)包括：

1.1.1 表面遮蓋顯示（surface shaded display，SSD）

SSD是通過(guò)計(jì)算被觀察物體表面所有相關(guān)像素的最高和最低CT值并保留其影像，但超過(guò)限定CT域值的像素被當(dāng)作透明處理后重組成三維圖像。此技術(shù)用于骨骼系統(tǒng)、空腔結(jié)構(gòu)、腹腔臟器和腫瘤的顯示，其空間立體感強(qiáng)，解剖關(guān)系清晰，有利于病灶的定位[2]。

1.1.2 多層面重建（multi plane reconstructions，MPR）

MPR是在橫斷面CT圖像上按需要任意畫(huà)線，然后將一系列橫斷面重建、重組，即可獲得該畫(huà)線平面的三維重建圖像，包括冠狀面、矢狀面和任意角度斜位面圖像。可較好地顯示組織器官內(nèi)復(fù)雜的解剖關(guān)系，有利于病變的準(zhǔn)確定位。

1.1.3 多層面容積重建（multi plane volume reconstructions，MPVR）

MPVR是將不同角度或某一平面選取的原始容積資料，采用最大密度投影（MIP）、最小密度投影（MinIP）或平均密度投影（AIP）方法進(jìn)行運(yùn)算所得到的重組二維圖像的方法，這些二維圖像可從不同角度觀察和顯示。

1.1.4 曲面重建（curved planar reconstruction，CPR）

CPR是指在容積數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，沿感興趣器官劃一條曲線，計(jì)算指定曲面的所有像素的CT值并以二維圖像形式顯示出來(lái)。它將扭曲、重疊的結(jié)構(gòu)伸展拉直，顯示在同一平面上，較好地顯示其全貌，是MPR的延伸和發(fā)展[3]。

1.2 三維重建的一般過(guò)程

1.2.1 進(jìn)行CT圖像三維重建的一般過(guò)程 見(jiàn)圖1。

圖1 三維重建流程

1.2.2 本研究所用重建過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.2.1 獲取斷層圖像數(shù)據(jù) 要進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像三維重建，首先必須得到清晰的二維斷層圖像。由于不同廠家CT機(jī)的主控計(jì)算機(jī)型各異，且不同的CT設(shè)備具有不同的數(shù)據(jù)格式。另外，由于技術(shù)保密和其他方面的原因，數(shù)據(jù)往往還經(jīng)過(guò)了壓縮和加密，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的獲取需考慮以上不同。

1.2.2.2 圖像分割 圖像分割是三維重建的基礎(chǔ)，分割效果直接影像三維重建的精確度。圖像分割是將圖像分割成有意義的子區(qū)域，將醫(yī)學(xué)影像中感興趣的物體（一般是病灶區(qū)）提取出來(lái)，由于醫(yī)學(xué)圖像的各區(qū)域沒(méi)有清楚的邊界，為解決在醫(yī)學(xué)圖像分割中遇到不確定性的問(wèn)題，可以引入模糊理論予以解決[4]。

1.2.2.3 切片重組、內(nèi)插 目前，CT三維成像的主要方法是通過(guò)多幅等間隔的相繼斷層圖像重建三維目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)人體組織器官的立體顯示、操作和分析。由CT掃描儀得到的斷層圖像序列在空間三個(gè)正交的方向上分辨率通常不同，斷層內(nèi)像素空間分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各斷層間的空間分辨率。直接用這種圖像進(jìn)行分析、處理和顯示，由于三個(gè)方向空間分辨率不一致，使顯示結(jié)果呈階梯狀。因此，要實(shí)現(xiàn)物體的三維顯示和處理必須形成等分辨率的數(shù)據(jù)，而內(nèi)插是三維重建中必不可少的環(huán)節(jié)，內(nèi)插效果直接影響重建的質(zhì)量。

斷層插值方法大體上可分為兩類：一類是基于圖像灰度值的插值方法，如最鄰近法、線性插值、樣條插值等，它是在原始灰度斷層圖像序列中，補(bǔ)充若干“缺少”的切片。另一類是基于形狀的目標(biāo)插值，只需對(duì)目標(biāo)物體的輪廓進(jìn)行插值。這種方法的插值精度較好，但只適用于二值化的切片圖像。

1.2.2.4 圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和壓縮 體數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的快速存取是研究較多的問(wèn)題，它要求結(jié)合數(shù)據(jù)的特點(diǎn)、主機(jī)內(nèi)存容量和所采用的顯示方法統(tǒng)一考慮。

1.2.2.5 圖像的處理和顯示 三維圖像的顯示可以采用OpenGL函數(shù)庫(kù)。OpenGL是SGI公司提供的開(kāi)放式圖形庫(kù)，是目前應(yīng)用最廣泛的二維和三維圖形程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。由于有硬件（3D圖形加速卡）的支持，使用OpenGL可以方便的進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放和光照模型設(shè)置等等，可以讓醫(yī)生方便地從各個(gè)角度觀察三維圖像。

2 三維重建技術(shù)在腰椎病診斷中的應(yīng)用

腰椎病是指因脊柱急慢性損傷及椎間盤(pán)退變、骨質(zhì)增生等原因所引起，在臨床上表現(xiàn)為以腰腿痛和腰部活動(dòng)受限為主要癥狀的疾病，是當(dāng)前臨床上難以治療的病癥之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上有60%～80%的成年人發(fā)生過(guò)腰腿痛。常見(jiàn)的腰椎病有：

2.1 椎間盤(pán)退變

實(shí)驗(yàn)表明，CT常規(guī)掃描有10%～20%的漏診或誤診，主要因?yàn)镃T常規(guī)掃描的節(jié)段性，不能區(qū)別韌帶下型或穿韌帶型椎間盤(pán)突出，不能發(fā)現(xiàn)游離于椎管內(nèi)硬膜囊外的髓核碎塊；而采用CT三維重建技術(shù)可以彌補(bǔ)CT常規(guī)掃描的不足，MPR冠狀位可以清晰顯示椎管內(nèi)容物和雙側(cè)神經(jīng)根，矢狀位在椎體層面可發(fā)現(xiàn)椎間盤(pán)脫出的髓核以及脊髓或馬尾神經(jīng)的致壓物。因此，不但能解決CT常規(guī)掃描對(duì)椎間盤(pán)的診斷，還能發(fā)現(xiàn)特殊的椎間盤(pán)脫出，減少漏診，對(duì)臨床確定治療方案有很大幫助[5]。

2.2 腰椎小關(guān)節(jié)病

腰椎小關(guān)節(jié)病是由于腰椎小關(guān)節(jié)退行性變，引起腰椎節(jié)段性不穩(wěn)、神經(jīng)根受壓、韌帶與肌肉勞損等所致一系列臨床癥狀。CT常規(guī)掃描圖像顯示的只是腰椎小關(guān)節(jié)橫斷面，難以顯示椎小關(guān)節(jié)冠狀面與矢狀面，不能同時(shí)在一幅圖像上顯示多個(gè)節(jié)段椎小關(guān)節(jié)[6]。曲面后處理成像（planar reconstruction，CPR）是MPR的一種改進(jìn)算法，它能在一個(gè)平面上完全顯示走行迂曲的組織結(jié)構(gòu)。采用多方位CPR，圖像清晰，與CT常規(guī)軸位圖像相比較，在顯示腰椎小關(guān)節(jié)病的各種異常征象方面，CPR顯示效果好，并且全面、具體。尤其是能在一幅圖像上任意角度觀察每一個(gè)椎小關(guān)節(jié)全貌、椎小關(guān)節(jié)上下關(guān)系、關(guān)節(jié)突變形和椎小關(guān)節(jié)脫位。

2.3 腰椎峽部裂

腰椎峽部裂由于峽部在三維空間與人體的矢狀位、冠狀位、橫斷位均不平行，一般影像檢查困難，尤其不伴滑脫的腰椎峽部裂，X線平片及CT常規(guī)椎間盤(pán)掃描技術(shù)很容易造成漏診，有文獻(xiàn)報(bào)道腰椎峽部裂漏診率高達(dá)30%[7]。采用CT三維重建技術(shù)可提高診斷率，MPR后處理圖像上表現(xiàn)為峽部裂與小關(guān)節(jié)間的骨片影。對(duì)伴滑脫的腰椎峽部裂，SSD價(jià)值更大，尤其經(jīng)矢狀位切割，可觀察到骨性椎管在矢狀位拉長(zhǎng)的程度，為滑脫分度提供三維、直觀、清晰圖像。

2.4 脊柱骨折

脊柱胸腰段是脊柱骨折的好發(fā)區(qū)域，CT檢查是常用的檢查方法，但有一定的局限性，對(duì)伴有突入椎管的碎骨片整體大小及精確位置，與上下椎體的相互關(guān)系等顯示欠佳。實(shí)驗(yàn)表明，CT重建技術(shù)可提供高質(zhì)量的三維處理圖像，較好地解決了這個(gè)問(wèn)題[8]。MPR冠狀面及矢狀面圖像可以顯示突入椎管內(nèi)碎骨片的大小和精確位置，對(duì)硬膜囊和神經(jīng)根的壓迫情況，同時(shí)對(duì)伴有的椎弓等附件骨折及椎體的滑脫程度也能清晰顯示。SSD可以顯示椎體骨折后壓縮程度，特別有利于多椎體壓縮骨折的觀察。

3 討論

CT數(shù)據(jù)三維重建技術(shù)能在較短的時(shí)間內(nèi)完成容積數(shù)據(jù)的采集，從而實(shí)現(xiàn)大范圍無(wú)間斷連續(xù)掃描，快速成像，獲得完整的容積分辨率，達(dá)到仿生圖像的效果。作為一種新的影像學(xué)技術(shù)，它能直觀、立體、多角度清晰地顯示病變部位，為臨床提供清晰而豐富的立體診斷，與傳統(tǒng)的二維成像技術(shù)相比，其圖像更直觀、更精確。

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