CT图像三维重建及其在腰椎病诊断中的应用研究
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[摘要] ct图像三维重建技术在数据后处理方面引入了多种方法,使得容积数据得以充分和优化显示,对于腰椎疾病的诊断能提供更清晰、更详细的信息。本文简要介绍了三维重建技术、技术进展及一般过程,并阐述了其在腰椎疾病诊断中的应用。
[关键词] CT;三维重建;腰椎病
[中图分类号]R814.42 [文献标识码] B[文章编号] 1673-7210(2010)01(c)-093-02
Research on three-dimensional reconstruction of CT images and its application in the diagnosis of lumbar spondylosis
LIU Jing, QIU Dawei
(Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Ji'nan 250355, China)
[Abstract] 3D reconstruction techniques of CT images introducing a variety of methods in data processing make the volume data displayed fully and provide clear and detailed information for the diagnosis of lumbar spondylosis. The paper presents techniques, technology developments and the common procedures of 3D reconstruction and its applications in lumbar spondylosis diagnosis in detail.
[Key words] CT; 3D reconstruction; Lumbar spondylosis
在医疗诊断中,常规CT是通过观察人体的某一切片图像来进行诊断,这种二维切片丢失了大部分三维空间信息,难以完整地表现人体内的组织结构及病变形态。医生只能推测或想象观察对象的立体形态,从而作出判断。受多种因素的影响,这样的判断难以客观、准确,有时甚至可能导致错误的结论。因此,仅凭医生“在他头脑中进行重建”是十分困难的。
运用计算机图形、图像处理技术,将一系列二维CT切片重建为立体的三维图像,可以更完整、直观、真实地再现各种组织形态及其相对位置,使医生能够从三维图像中直观地观察出病灶区和周围组织器官的关系,更好地进行疾病的诊断和治疗。
1 医学三维重建技术
医学图像三维重建(three dimensions reconstruction,3D)于20世纪80年代逐渐应用于临床,它是指通过计算机断层扫描(computerized tomography)、磁共振成像(magnetic resonance imaging)和超声波扫描(ultrasonography)等成像设备,按某种物理学原理,对从人体器官采样得到的单张或序列图像进行计算机处理,从而恢复器官的三维表面形状,重建出直观的立体图像[1]。
1.1 主要技术对比
医学图像三维重建的主要技术包括:
1.1.1 表面遮盖显示(surface shaded display,SSD)
SSD是通过计算被观察物体表面所有相关像素的最高和最低CT值并保留其影像,但超过限定CT域值的像素被当作透明处理后重组成三维图像。此技术用于骨骼系统、空腔结构、腹腔脏器和肿瘤的显示,其空间立体感强,解剖关系清晰,有利于病灶的定位[2]。
1.1.2 多层面重建(multi plane reconstructions,MPR)
MPR是在横断面CT图像上按需要任意画线,然后将一系列横断面重建、重组,即可获得该画线平面的三维重建图像,包括冠状面、矢状面和任意角度斜位面图像。可较好地显示组织器官内复杂的解剖关系,有利于病变的准确定位。
1.1.3 多层面容积重建(multi plane volume reconstructions,MPVR)
MPVR是将不同角度或某一平面选取的原始容积资料,采用最大密度投影(MIP)、最小密度投影(MinIP)或平均密度投影(AIP)方法进行运算所得到的重组二维图像的方法,这些二维图像可从不同角度观察和显示。
1.1.4 曲面重建(curved planar reconstruction,CPR)
CPR是指在容积数据基础上,沿感兴趣器官划一条曲线,计算指定曲面的所有像素的CT值并以二维图像形式显示出来。它将扭曲、重叠的结构伸展拉直,显示在同一平面上,较好地显示其全貌,是MPR的延伸和发展[3]。
1.2 三维重建的一般过程
1.2.1 进行CT图像三维重建的一般过程
见图1。
图1 三维重建流程
1.2.2 本研究所用重建过程中的关键技术
1.2.2.1 获取断层图像数据要进行医学图像三维重建,首先必须得到清晰的二维断层图像。由于不同厂家CT机的主控计算机型各异,且不同的CT设备具有不同的数据格式。另外,由于技术保密和其他方面的原因,数据往往还经过了压缩和加密,要实现数字图像的获取需考虑以上不同。
1.2.2.2 图像分割图像分割是三维重建的基础,分割效果直接影像三维重建的精确度。图像分割是将图像分割成有意义的子区域,将医学影像中感兴趣的物体(一般是病灶区)提取出来,由于医学图像的各区域没有清楚的边界,为解决在医学图像分割中遇到不确定性的问题,可以引入模糊理论予以解决[4]。
1.2.2.3 切片重组、内插目前,CT三维成像的主要方法是通过多幅等间隔的相继断层图像重建三维目标,实现人体组织器官的立体显示、操作和分析。由CT扫描仪得到的断层图像序列在空间三个正交的方向上分辨率通常不同,断层内像素空间分辨率远远高于各断层间的空间分辨率。直接用这种图像进行分析、处理和显示,由于三个方向空间分辨率不一致,使显示结果呈阶梯状。因此,要实现物体的三维显示和处理必须形成等分辨率的数据,而内插是三维重建中必不可少的环节,内插效果直接影响重建的质量。
断层插值方法大体上可分为两类:一类是基于图像灰度值的插值方法,如最邻近法、线性插值、样条插值等,它是在原始灰度断层图像序列中,补充若干“缺少”的切片。另一类是基于形状的目标插值,只需对目标物体的轮廓进行插值。这种方法的插值精度较好,但只适用于二值化的切片图像。
1.2.2.4 图像数据的存储和压缩体数据在计算机中的快速存取是研究较多的问题,它要求结合数据的特点、主机内存容量和所采用的显示方法统一考虑。
1.2.2.5 图像的处理和显示三维图像的显示可以采用OpenGL函数库。OpenGL是SGI公司提供的开放式图形库,是目前应用最广泛的二维和三维图形程序设计标准。由于有硬件(3D图形加速卡)的支持,使用OpenGL可以方便的进行旋转、移动、缩放和光照模型设置等等,可以让医生方便地从各个角度观察三维图像。
腰椎病是指因脊柱急慢性损伤及椎间盘退变、骨质增生等原因所引起,在临床上表现为以腰腿痛和腰部活动受限为主要症状的疾病,是当前临床上难以治疗的病症之一。据统计,世界上有60%～80%的成年人发生过腰腿痛。常见的腰椎病有:
2.1 椎间盘退变
实验表明,CT常规扫描有10%～20%的漏诊或误诊,主要因为CT常规扫描的节段性,不能区别韧带下型或穿韧带型椎间盘突出,不能发现游离于椎管内硬膜囊外的髓核碎块;而采用CT三维重建技术可以弥补CT常规扫描的不足,MPR冠状位可以清晰显示椎管内容物和双侧神经根,矢状位在椎体层面可发现椎间盘脱出的髓核以及脊髓或马尾神经的致压物。因此,不但能解决CT常规扫描对椎间盘的诊断,还能发现特殊的椎间盘脱出,减少漏诊,对临床确定治疗方案有很大帮助[5]。
2.2 腰椎小关节病
腰椎小关节病是由于腰椎小关节退行性变,引起腰椎节段性不稳、神经根受压、韧带与肌肉劳损等所致一系列临床症状。CT常规扫描图像显示的只是腰椎小关节横断面,难以显示椎小关节冠状面与矢状面,不能同时在一幅图像上显示多个节段椎小关节[6]。曲面后处理成像(planar reconstruction,CPR)是MPR的一种改进算法,它能在一个平面上完全显示走行迂曲的组织结构。采用多方位CPR,图像清晰,与CT常规轴位图像相比较,在显示腰椎小关节病的各种异象方面,CPR显示效果好,并且全面、具体。尤其是能在一幅图像上任意角度观察每一个椎小关节全貌、椎小关节上下关系、关节突变形和椎小关节脱位。
2.3 腰椎峡部裂
腰椎峡部裂由于峡部在三维空间与人体的矢状位、冠状位、横断位均不平行,一般影像检查困难,尤其不伴滑脱的腰椎峡部裂,X线平片及CT常规椎间盘扫描技术很容易造成漏诊,有文献报道腰椎峡部裂漏诊率高达30%[7]。采用CT三维重建技术可提高诊断率,MPR后处理图像上表现为峡部裂与小关节间的骨片影。对伴滑脱的腰椎峡部裂,SSD价值更大,尤其经矢状位切割,可观察到骨性椎管在矢状位拉长的程度,为滑脱分度提供三维、直观、清晰图像。
2.4 脊柱骨折
脊柱胸腰段是脊柱骨折的好发区域,CT检查是常用的检查方法,但有一定的局限性,对伴有突入椎管的碎骨片整体大小及精确位置,与上下椎体的相互关系等显示欠佳。实验表明,CT重建技术可提供高质量的三维处理图像,较好地解决了这个问题[8]。MPR冠状面及矢状面图像可以显示突入椎管内碎骨片的大小和精确位置,对硬膜囊和神经根的压迫情况,同时对伴有的椎弓等附件骨折及椎体的滑脱程度也能清晰显示。SSD可以显示椎体骨折后压缩程度,特别有利于多椎体压缩骨折的观察。
3 讨论
CT数据三维重建技术能在较短的时间内完成容积数据的采集,从而实现大范围无间断连续扫描,快速成像,获得完整的容积分辨率,达到仿生图像的效果。作为一种新的影像学技术,它能直观、立体、多角度清晰地显示病变部位,为临床提供清晰而丰富的立体诊断,与传统的二维成像技术相比,其图像更直观、更精确。
[参考文献]
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(收稿日期:2009-09-14)