三维重建技术在临床医学中的应用

高辉 邱兆文

摘 要：以前医生在手术中无法将3D显示的人体结构与病人真实解剖部位进行对应，难以实施精准手术。随着科技的发展，智能医疗技术不断提高，三维重建技术在医学领域已经崭露头角，无论在临床还是医学教学领域都能看到三维重建技术的身影，而且应用效果显著，成功案例层出不穷。三维重建技术以独有的三维重现视角，将平面难懂的医学检查结果变得通俗易懂，为医生提供了更加清晰准确的病灶体现，医生据此能作出更加合理的诊疗方案，同时还能便利医患沟通。该技术的实施，可为我国医联体和分级诊疗制度提供高效、低成本、简易的最优解决方案。

关键词：CT图像；三维重建；精准医疗

DOI：10.11907/rjdk.181594

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）006-0170-03

Abstract：With the development of science and technology， intelligent medical technology is also improving at the same pace. In the past there was lack of accuracy in surgeries in that doctors were not able to get the 3D structure of the anatomical part of the patients in operation. 3D reconstruction technology comes into prominence in the medical field with the continuous technological development and it has become indispensible in both the clinical and teaching application and achieved remarkable effects in practice. Because it simplifies the obscure planar medical examination results into clear and understandable data for doctors to make more reasonable disgnosis and treatment plans， which facilitats communication between doctors and patients. The application of 3D reconstruction technology offers a highly efficient， low-cost and simple solution for the medical union and classification system in China.

Key Words：CT image； 3-D rconstruction； precise medical

0 引言

以前医生在大多数临床诊疗中都要依赖平面二维检查结果为病人提供诊断，例如传统的CT、核磁和超声检查的平面图像依据等。从这些检查结果断定疾病的属性，要求医生有丰富的临床经验，但如果遇到罕见的疑难病症，很难通过经验判别。三维重建技术应用到病灶检测，能让病灶全息立体展示，结果更加直观清晰，弥补了平面检测结果对复杂、罕见病例难以诊断的不足。

图像的三维可视化指利用断层扫描（CT）、核磁共振（MRI）等技术获得的数据，通过软件算法实现三维立体效果表现[1-2]。医学图像的立体可视化可在电脑上显示出人体组织结构，有利于医生和病患沟通，可实现虚拟手术，为医生和患者带来便利。

国外该领域研究起步较早，取得了很大成绩。早在1991年，美国国家图书馆便开始了可视人计划。2000年，韩国开始可视人计划。2002年，日本开始了虚拟人计划[3-4]。德英法等欧洲国家也相继开展了虚拟人研究，这些都是基于医学图像三维可视化技术。

我国近年在三维重建研究领域也有了很大进步，清华大学计算机系计算机图形学及可视化技术研究组研发了人体断面解剖图像三维重构系统。该系统实现二维图像预处理、三维重建、模型旋转与剖切等功能，虽然重建软组织的效果不是很理想，但这已经表明我国的研究不断在追赶世界前沿。此外，第三军医大学“可视人”数据研究及相应系统的开发也推动了这项研究的进步。

1 三维重建基本理论

临床医学中的图像三维可视化要经过图像预处理、分割以及三维重建实现。图像预处理指将医学图像DICOM的格式数据转换成计算机识别的格式并对其去噪。医学图像的分割是将图像中感兴趣的区域分割出来，以便于对器官进行分析，为临床诊疗提供可靠的数据[5-7]。图像的三维重建指借助计算机图像处理技术，将分割后得到的人体部分图像重建成三維立体模型，医生可对重建模型进行不同角度观察并对病灶区进行诊断。

实现重建的专业软件库及平台很多，如VTK（Visualization Toolkit），一个开源的跨平台软件[8，13]；C++类库，主要有计算机图形学、图像处理、图像可视化H方面的功能；ITK（Insight Segmentation and Registration Toolkit） [9，14]，由美国国家医学图书馆出资赞助研发的一个医学影像分割与配准算法平台。

三维重建技术以曲线和曲面理论为基础，根据不同的重建算法要求进行立体模型创建。自由曲线曲面指空间延伸形式自由，这种曲面自由度高，不能使用简单的基本函数进行拟合，通常采用分段或高阶曲线的方法进行处理[10]。

研究Nurbs曲线曲面理论的形成，熟悉其思想的形成发展过程，对加深理解很有必要。该理论涉及到的词汇很多，主要有：

1.1 参数曲线

使用参数方程表示的曲线即为参数曲线。参数曲线只含一个自变量，曲线上点的坐标为该曲线参数，若取参数为t，则曲线的参数表达式为：

1.2 有理

由于h（t）函数的存在，有理函数多项式比多项式曲线的表示自由度大大增加，表示能力也相应地大大增强，当h（t）=1时，R（t）退化为多项式曲线。

1.3 B样条

根据给定的点数据计算曲线曲面有插值法和拟合法，其中插值法有插值样条函数、参数样条曲线和曲面、Coons曲面，都要求所生成的曲线曲面通过给定的点，这样生成的曲线曲面往往不够平滑，容易受到个别坏点影响。因此，人们更多地使用拟合的方法生成曲线曲面，常用的方法有Bezier曲线曲面和B样条曲线曲面。

Bezier曲线是多项式曲线，其展开形式为多项式，Bezier曲线也是设计中常用的曲线，矢量图设计软件Coreldraw使用的曲线即为Bezier曲线，Bezier曲线方程可描述为式（3）：

一条Bezier曲线被表示为它的n1个控制点坐标与Bernstein基函数的乘积。Bezier曲线性质由Bernstein基函数性质确定，主要包括端点位置、端点切矢量、对称性、仿射不变性、凸包性、平面曲线保型性和拟局部性[11]。

此外，在体绘制方法中还涉及如下基础技术算法：

移动立方体算法即MC算法。該算法的基本原理是将二维数据看成一个立体的数据场，将数据场中的每个像素点逐个处理，将每个顶点的值与指定的阀值进行对比，使这个像素集合内部等值面逐渐构建形成连续的面，最终得到由各个像素等值面连接起来形成的整体等值面，即物体表面。

MC算法步骤：①通过阈值寻找边界像素集合，确定构建形式。将一个像素数据集划分为多个小的立方体，每个立方体有8个顶点，这些顶点可在物体的内部或外部；②得出等值面与边界像素集合中的交点。设像素集合的一条边的两个端点坐标分别为M-i（x-i，y-i，z-i ），M-j（x-j，y-j，z-j ），q-i，q-j，是一一对应的灰度值，c是等值面的阈值。当满足（q-i-c）（q-j-c）≤0这一条件时， M-0（x-0，y-0，z-0）是这条边上存在的等值点；③求解边界像素集合交点的法向量。因为等值面是一个二次曲面，等值面上每1个点按曲面轨迹的切线方向的梯度值是零，满足该属性的前提下使用三角面拟合曲面，所以等值面在此点的法向量也是该点梯度矢量的方向。通常，会利用哥罗德着色模型去解决各三角面之间明暗度不连续变化的问题。利用上述方法可获得交点的法向量。

2 三维重建技术应用

三维重建技术可集成在医学影像处理系统中应用。在重建病灶可视化立体模型过程中，可实现自动去骨、自动提取心脏、主动脉等病变器官的全息模型，具有高度的智能化；将CT、核磁和超声的二维数据精准融合，将人工智能算法和传统三维重建算法结合，还原出真实解剖结构，实现精准医疗[12]。

（1）在肺部疾病诊断中的应用。该重建系统采用黑龙江拓盟科技有限公司的拓盟医疗影像处理系统，系统重建肺部图像如图1所示。

在进行肺部疾病诊断过程中，将CT数据重建后，医生根据重建结果作出准确判断，图2为二维的CT图像，图3为三维重建后的立体图像，可以清晰判断出病灶所在。

（2）在主动脉疾病中的应用。主动脉夹层是主动脉疾病中复杂病症的代表，手术风险大，技术要求高。三维重建技术能为医生精准判断病灶形态提供准确的可视化数据，并为医生制定合理有效的手术方案提供保障。手术前病灶重建结果如图4所示，手术后重建结果如图5所示。

3 三维重建技术前景

根据病灶的平面数据进行三维重建，能够真实反映病变位置与器官的解剖结构，并能实现全方位立体展示。对立体数据中的病灶进行精准观察判断，为医生提供手术方案的决策支持，医生和患者之间能进行直观的沟通，对术后观察及效果评估有重要意义。为临床提供合理准确的诊断依据，对临床诊疗方法选择起到决定性作用，在医学研究和解剖应用方面也具有重要意义。

国外医学仪器及三维重建技术发展较早，水平也很先进，但价格非常高。国内也有较多研究，拓盟科技公司开发的软件打破了国外的技术垄断。随着科技的进步，未来的医疗仪器以及三维重建技术定会普及，价格也会降低。

4 结语

计算机图像处理技术的一个重要应用就是医学图像的三维重建，它能将平面二维图像转变为直观的三维虚拟模型，有利于对病灶区域进行分析并给出准确的诊疗方案，提升医疗诊断的准确性与科学性。可实现术前模拟，对医生进行准确的诊疗起到很好的辅助作用。三维重建技术在医疗诊断领域的应用，解决了医生思维局限性难题，为精准医疗提供保障，能够提升医疗机构的整体服务能力。

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（责任编辑：杜能钢）