基于高性能计算的子宫CT三维重建技术应用

沈映娜

（广东省科技基础条件平台中心，广州　510033）

基于高性能计算的子宫CT三维重建技术应用

沈映娜

（广东省科技基础条件平台中心，广州510033）

0　引言

2012年子宫内膜癌的发病率已居妇科恶性肿瘤第1位，如何方便快捷地提高子宫内膜癌的术前诊断准确率以提供选择具有个体化设计的治疗方案，已成为妇科领域亟待解决的问题，而为子宫内膜治疗效果更优和副损伤更低，也成为临床医师追求的目标［1］。数字化三维重建技术的出现为提高子宫内膜癌治疗效果，降低副损伤提供了手段和方法。但目前腹盆腔的三维重建技术仍未得到充分的应用开发［2］。同时，由于盆腔空间狭小，瓮腔内脏器前后重叠，髂内动脉分支起源复杂，分支丰富等因素，且子宫动脉的解剖变异较大，导致子宫动脉开口隐匿、多变，因而针对其进行三维重建具有一定的难度［3］。因此，研究子宫三维重建技术将为子宫内膜癌的诊断、手术治疗及预后评估提供一种新的诊疗途径，具有重要的社会意义。

目前三维重建所面临的一个关键问题就是所需处理的数据量大，因此需要利用高性能计算机处理，三维图像可视化部分采用高性能计算机器进行渲染，将三维重建的粗模型转换为精细模型，在保证观看效果的同时，也平衡了系统实时渲染的负载。

本文着力于研究三维重建技术在女性子宫盆腔器官CT中的应用，可对其进行全方位或各部位的详细观察并进行数字化比对，提供临床医师更多的信息以用于诊断；以及将高性能计算机系统应用于三维重建技术中，提高三维建模的速度以及并行渲染，有效减轻了三维建模过程中的计算负载，对提高三维重建处理图像速度以及数据存储有着其重要的意义。

1　医学图像三维重建技术的研究

三维重建是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型，它是计算机视觉领域中非常重要且应用广泛的关键技术，通过计算机环境中对二维物体（一般指图像）进行处理、操作和分析，然后实现三维场景的再现，三维重建技术可以在计算机表达客观世界，属于虚拟现实的一种关键技术［4］。三维重建是一个复杂的过程，如果对于单视图的图像进行三维重建，由于信息不完全，往往需要重建者的经验知识加以补充。现阶段我们通常采用双视图或者多视图的图像进行三维重建，获取图像后需标识图像的坐标与世界坐标系的关系，因此，在获取图像之前需要先对摄像机进行标定，然后再利用获取的二维图像重建三维信息［5］。

计算机断层扫描（CT）正被广泛应用于疾病诊断，但CT仪器只能提供人体组织和器官的二维图像。三维重建技术根据CT的层片图像，重构出人体组织或器官的三维形体，用于三维医学图像分割，能够帮助医生有效快速地分割出想要的区域，对需要诊断的区域进行三维的具体的直观的观察，便于医生诊断、手术治疗等。医学图像三维重建流程如下图1所示。

图1　医学图像三维重建流程图

2　三维重建在女性子宫CT的应用

2.1CT获取原始图像

如果采用数字化虚拟及灌注标本的数据进行实验，容易因为器官外形的变化或失真，导致实验数据不准确，影响三维重建。本实验运用于三维重建技术的数据，由本项目合作的医院提供。

实验采用64排螺旋CT技术进行采集，数据来源子宫内膜癌患者的活体，对患者进行盆腔64CT薄层（0.64mm）平扫及增强扫描，获取了患者的盆腔扫描图像，并记录子宫盆腔器官的具体数据，因此数据更加全面和真实，利用该数据进行重建的三维影像将更加细腻、逼真。

2.2图像信息预处理

医学图像数据在获取、传输和转换的过程中，图像质量会有所下降，例如灰度值变化、噪声污染、细节损失、几何畸变等，使得图像的信息量减少甚至产生错误。因此，在进行图像分析和处理前，需要对降质的图像进行一定的预处理［6］。预处理的目的是最大限度地降低图像获取过程中引入的空间和曝光误差、去除冗余数据、降低后期图像处理的难度［7］。

图像信息预处理常用手段主要包括图像格式转换、图像校正、配准与融合、图像滤波、图像增强、图像插值等。本实验采用的是存储格式为DICOM的医学CT图像，DICOM即医学数字成像和通信，是医学图像和相关信息的国际标准。

2.3图像分割

图像分割是构建三维结构数据集的基础，是将图像中区域、边缘等有意义的特征部分提取出来。图像分割方法包括基于区域的方法、边缘分割的方法等。而基于区域分割方法中的阈值分割方法在针对不同类物体灰度值或其他特征值相差很大时，能有效地对图像进行分割，本实验将采用该方法。

2.4三维重建

本实验利用ITK-SNAP医学图像分割软件，将二维图像直接转化成三维模型，重建的女性子宫盆腔器官模型外形逼真，可任意角度旋转、平面切割、缩放、平移等。通过三维重建后的子宫盆腔器官可达到清淅效果，清楚地显示女性子宫的三维立体形态，能很好地区分正常女性子宫与病患女性子宫的差异，为子宫内膜癌的诊断提供有力的帮助。

2.5三维图像可视化

可视化（visualization）是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来的过程，它常常结合图形交互、立体显示等技术［7］。因ITK不提供图像数据显示与可视化功能，本实验还需VTK可视化包，与编程软件VC++2010。

三维医学图像可视化利用一组完整的二维切片进行技术处理，重新还原出被检组织或器官的三维图像，进行定性和定量分析，并从二维图像中获取三维结构信息。常用的绘制方法有面绘制法和直接体绘制法，本实验采用了混合绘制，结合两种常用的绘制方法，既可呈现组织或器官的层次结构，直观地定性分析观察；又保留内部的细节信息，实现定量的数据测定。有助于医生的临床诊断，更准确、快速地判断病人的病情。

2.6三维重建女性子宫盆腔器官

本实验基于ITK-SNAP医学图像分割软件、VTK可视化包，与编程软件VC++。读取一组完整的女性子宫64排螺旋CT图像的DICOM格式数据，CT平扫窗宽为200-300Hu，窗位为40-50Hu；增强窗宽为200-300 Hu，窗位为60-80 Hu。软件功能模块包括定位、调节、边界编辑、三维分割等，为医生提供逼真的显示手段和定量分析工具，在辅助医生诊断、手术仿真、引导治疗等方面发挥重要作用。

（1）定位：确定某一固定点的位置和像素信息。

（2）调节：可以对图像大小和对比度进行调节。

（3）边界编辑：在划线模式下，可以在图像上绘制边界，为下一步的分割做准备，在各图层中为需要分割的图像设定边界。

（4）三维分割：根据设定的模糊边界对目标体进行分割，选择目标区域，调节滤波器阈值过滤区域内像素值，过滤后选择生长气泡的位置和大小，对目标结构体进行染色分割，分割后的图像显示在3D视图窗口。

三维重建女性子宫盆腔器官界面图如下图2所示，左上图为矢状面，右上图为冠状面，右下图为横断面，左下图为3D视图。

图2　三维重建女性子宫盆腔器官界面图

3　高性能计算集群在三维图像重建的应用

三维医学图像具有庞大的数据量，对普通PC而言都是超大承受的负载。医学CT三维重建，需要处理很多层的CT二维断层数据，海量数据的处理是三维建模中的主要困难，这些数据目前主要是利用高性能计算机处理技术，项目采用高性能、大容量、适合处理医学图像的高性能计算平台。高性能计算集群在三维图像重建的流程图如图3所示。

本项目采用的高性能计算集群，采用基于刀片架构的HPP体系架构，同时支持32位和64位系统。配置多核计算节点，每节点配置4颗AMD Opteron 8425六核CPU，并配备了20GB/s Infiniband数据交换机，可提供万亿次级别的计算；平台配备了GPU节点，最大程度地发挥CPU+GPU混合计算能力，为三维重建技术所需要的科学计算、图形图像处理带来显著的提升效果。

图3　高性能计算集群在三维图像重建的流程图

本项目采用的高性能计算集群，采用光纤阵列（DS6310FE）作为主要的存储系统，提供4Gb/s FC连接链路，可以扩展到SAN存储系统。系统存储介质采用SATA存储，可根据三维医学图像的实际需要实现持续扩展，预计单阵列柜可扩展到26TB-80TB之间。同时配置了机群安全网关，实现了高处理能力与高性能、高安全性的有机结合。

4　结语

本文着力于研究基于高性能计算的子宫CT三维重建技术应用。首先介绍了子宫内膜癌的高发性和三维重建技术的重要性；然后介绍了三维重建技术在女性子宫盆腔器官CT的应用，根据实际的实验案例，展现了女性子宫盆腔器官的三维重建过程，证明了三维重建技术有利于子宫内膜癌的诊断；最后介绍高性能计算集群在三维图像重建的应用。医学图像的三维重建可提供临床医师更多的信息以用于诊断，高性能计算对提高三维重建处理图像速度以及数据存储有着其重要的意义。

［1］Thabet A，Kalva S P，Liu B，et a1.Interventional radiology in pregnancy complications：indications，technique，and methods for minimizing radiation exposure.Radiographics，2012，32（1）：255-74.

［2］夏红.64层螺旋CT三维重建盆腔动脉的形态学研究及临床应用［D］.南方医科大学.2013.

［3］Deschamps F，Solomon SB.Thornton RH Computed analysis of three-dimensional cone-beam computed tomography angiography for determination of tumor-feeding vessels during chemoembolization of liver tumor:a pilot study 2010.

［4］康 来.基于图像点特征的三维重建方法研究［D］.国防科学技术大学，2013.

［5］王剑，周国民.图像三维重建中的特征点匹配方法研究［J］.计算机工程与应用，2009，45（2）：10-12.

［6］门怀宇.医学图像三维重建技术的研究与应用［D］.电子科技大学，2008.

［7］李安安，刘谦，曾绍群，唐雷，钟世镇，骆清铭.高分辨数字人体三维结构数据集的构建与可视化［J］.科学通报.2008（10）：1189-1195.

Three-Dimensional Reconstruction；Endometrial Cancer；High Performance Computing；Medical Images

Application of 3D Reconstruction for Uterus CT Based on High Performance Computing

SHEN Ying-na
（Guangdong Science&Technology Infrastructure Center，Guangzhou 510033）

1007-1423（2015）19-0012-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.19.003

沈映娜（1980-），女，广东汕头人，本科，工程师，研究方向为信息系统设计、研发工作

2015-05-25

2015-06-26

2012年子宫内膜癌的发病率已居妇科恶性肿瘤第1位，数字化三维重建技术的应用改善了子宫内膜癌治疗效果。基于CT技术所采集数据，应用三维重建技术，创建分割子宫盆腔器官的三维模型，利用高性能计算对医学图像三维重建数据进行处理，有助于医生进行临床诊断，提高子宫内膜癌治疗效果，降低副损伤。

三维重建；子宫内膜癌；高性能计算；医学图像

广东省科技计划项目（No.2013B010401011）

The incidence rate of endometrial cancer ranks first in a gynecological malignancies at 2012，the application of digital three-dimensional reconstruction technology improves the therapeutic effect of endometrial cancer.Based on CT technology data，creates the application of 3D reconstruction technology to collect a 3D model of the uterus and pelvic organ segmentation，and processes the use of high-performance computing for 3D reconstruction of image data，which helps physicians for clinical diagnosis，improves endometrial cancer treatment and reducing side damage.