摘  要： 利用二維血管內(nèi)超聲圖像序列重建三維血管模型，并對三維模型進(jìn)行虛擬剖切，可以方便地看到內(nèi)部組織，便于觀察和診斷。針對血管內(nèi)超聲圖像亮度變化小、形狀特征不明顯和圖像分割效果不好等問題，基于MITK平臺，采用光線投射算法對二維超聲圖像序列進(jìn)行體繪制三維重建。對重建模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放和任意平面裁剪等交互操作，裁剪掉一部分無關(guān)體素，有助于醫(yī)生觀察血管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)信息。此外，通過調(diào)節(jié)體素的阻光度值，可以得到層次清晰的三維血管模型。
關(guān)鍵詞： 血管內(nèi)超聲； MITK； 三維重建； 體繪制； 光線投射算法

   每一幀血管內(nèi)超聲圖像能夠顯示當(dāng)前位置血管的平面圖，詳細(xì)描述血管壁、內(nèi)腔和斑塊的組織成分[1]。但臨床中，對于某段血管的血管內(nèi)超聲IVUS(Intravascular Ultrasound)圖像序列，常常不僅限于單獨(dú)觀察每一幀圖像，而需要構(gòu)造出血管的三維視圖，以便幫助理解血管及病變的空間毗鄰關(guān)系,從而有助于對患者病情做出客觀準(zhǔn)確的判斷。
    早期的血管三維重建是基于X射線的血管造影圖像，能為醫(yī)生提供形象、直觀的三維血管形狀，并且可以對血管的有關(guān)參數(shù)(如血管長度、曲率和撓率等)進(jìn)行定量測量[2]。但是X射線血管造影是投影成像，無法顯示管腔橫截面的具體形狀，因而無法判斷斑塊的具體形態(tài)和位置，而且在重建過程中一般假設(shè)管腔橫截面為圓或橢圓，重建出的血管腔并不是血管的真實(shí)形態(tài)。參考文獻(xiàn)[3]基于X射線血管造影和IVUS圖像融合的血管三維重建，將由IVUS圖像序列獲得的血管橫截面信息和由造影圖像獲得的血管及超聲導(dǎo)管的空間幾何信息結(jié)合起來,可克服分別獨(dú)立采用二者重建血管時(shí)的不足[3]。但是冠狀動脈的融合數(shù)據(jù)來源于兩次不同的操作過程，首先是未注射造影劑時(shí)導(dǎo)引絲的冠脈造影和血管內(nèi)超聲圖像，其次是注射造影劑后血管骨架的造影圖像。由于獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間不同，因此需要結(jié)合ECG選取心動周期同相位處進(jìn)行分析,研究過程比較復(fù)雜，成本消耗也比較大，距臨床應(yīng)用還有一段距離[4]。最早由BIRGELENC V[5]提出的基于IVUS圖像序列的血管三維重建，采用面繪制或者體繪制的方法獲得三維可視化效果。這種方法簡單易行而且能重構(gòu)出血管的三維表面，但是該方法重建的血管腔與真實(shí)的血管形態(tài)存在較大差異，只能為臨床上醫(yī)生對病情的分析及診斷提供一定的參考。本文在MITK平臺[6]的基礎(chǔ)上，采用光線體繪制算法實(shí)現(xiàn)了血管三維重建，并對重建模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放和任意平面裁剪等交互操作，幫助醫(yī)生直觀、定量地對血管內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行察看。另外，對不同體素賦予不同的透明度，可以得到層次清晰的三維立體圖像。
1 體繪制光照模型
    醫(yī)學(xué)圖像三維重建的方法大致可以分為面繪制和體繪制兩大類[7]。與面繪制相比，體繪制利用的是全部體數(shù)據(jù)，在合成三維圖像之前先對各數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保留每一個(gè)細(xì)節(jié)，清晰地將數(shù)據(jù)間的特征和層次關(guān)系表現(xiàn)出來，對于形狀特征模糊不清的組織和器官(如軟組織及血管等)進(jìn)行三維顯示時(shí)具有較好的效果[8]。
    體繪制的基礎(chǔ)是光照模型，為了更好地揭示體數(shù)據(jù)中的有用信息，需要有多種光照方式供選擇以滿足各種不同的需求。體光照模型研究的內(nèi)容是光線穿過體素時(shí)的光強(qiáng)變化，可用體繪制積分方程進(jìn)行數(shù)學(xué)表示[9]。



    本文利用IVUS成像設(shè)備，以0.5 mm/s的速度勻速回拉導(dǎo)管，獲得圖像分辨率大小為480×480的IVUS橫斷面圖像序列，如圖1(a)所示。取彼此相鄰的1 098幀圖像作為實(shí)驗(yàn)圖像,基于MITK平臺實(shí)現(xiàn)三維重建以及對重建模型的交互剖切，效果如圖1(b)所示。由繪制結(jié)果可以看出，醫(yī)學(xué)三維數(shù)據(jù)場中包含了豐富的體數(shù)據(jù)信息，運(yùn)用三維重建技術(shù)重建得到的三維模型能夠顯示血管的三維形態(tài)。利用交互剖切技術(shù)能夠裁剪掉一部分無關(guān)體素而顯示感興趣的區(qū)域，同時(shí)可以實(shí)時(shí)地對感興趣部分進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，便于多角度清晰直觀地觀察血管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　另外，調(diào)節(jié)體素的阻光度值，能夠改變?nèi)S重建圖像的透明度，從而形成層次清晰的立體圖像。如圖2所示，血管三維模型的透明度隨著體素阻光度值的變化而變化。當(dāng)阻光度α=0.000 1時(shí)，即對血管外膜以外體素分配較小的不透明度值，這樣處理后的三維圖像，其外膜以外對患者病情診斷意義不大的部分在繪制圖像中不可見，而醫(yī)生感興趣的外膜以內(nèi)區(qū)域則突出顯示。隨著α不斷增大，外膜以外部分也隨之變得清晰，當(dāng)α=1.0時(shí),外膜以外部分在圖中突出顯示，不利于醫(yī)生對感興趣區(qū)域的觀察。
　本文在Visua1 C++6.0編譯環(huán)境下,基于MITK平臺實(shí)現(xiàn)了血管的體繪制三維重建，顯示效果較好，克服了血管內(nèi)超聲圖像亮度變化小、形狀不明顯以及圖像分割效果不好的局限。通過旋轉(zhuǎn)、縮放和任意平面裁剪等交互操作，裁剪掉一部分無關(guān)體素而顯示感興趣區(qū)域，便于從多角度清晰直觀地觀察血管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。另外，通過設(shè)置不同的阻光度值，可以調(diào)節(jié)血管外膜以外區(qū)域的不透明度，將外膜以內(nèi)區(qū)域突出顯示，形成層次清晰的立體圖像。本文是進(jìn)行初步研究工作的階段成果，從體繪制的結(jié)果中可以看出，重建模型沒能很好地反映血管的曲率信息，在今后的實(shí)踐中還需要繼續(xù)研究探索。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫正.應(yīng)用血管內(nèi)超聲與X射線造影圖像融合的血管三維重建[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2010(1):116-123.
[2] 黃家祥.基于造影圖像的冠狀動脈三維重建和定量分析方法的研究[D].天津:天津大學(xué)，2004.
[3] WAHLE A, MITCHELL S C, OLSZEWSKI M E et al. Accurate visualize quantification of coronary vasculature by 3-D/4-D fusion from angiography and intravascular ultrasound[C].Proceedings of SPIE, 2001,4158:144-155.
[4] 王嶺.基于IVUS圖像分割和CAG三維重建技術(shù)的數(shù)據(jù)融合研究[D].天津:天津大學(xué),2010.
[5] Von Birgelen C, de Very E A, MINTZ G S, et al. ECG-gated three-dimensional intravascular ultrasound feasibility  and reproducibility of the automated analysis of coronary  lumen and atherosclerotic plaque dimensions in humans[J]. Circulation,1997,96(9):2944-2952.
[6] 田捷,薛健,戴亞康.醫(yī)學(xué)影像算法設(shè)計(jì)與平臺構(gòu)建[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.
[7] 田捷,趙明昌,何暉光.集成化醫(yī)學(xué)影像算法平臺理論與實(shí)踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.
[8] 馬婧. 基于MITK的醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011,32(5):21-23.
[9] MAX N.Optical models for direct volume rendering[J].IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，1995，1(2):99-108.
[10] 韓世亮，胡靜，姚海明. 醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)三維重建體繪制技術(shù)研究[J]. 軟件導(dǎo)航，2009，8(7):171-172.
[11] LEVOY M. Display of surfaces from volume data[J].IEEE  Transaction on Computer Graphics and Applications,1988，8(3):29-37.
[12] DREBIN R, CARPENTER L, HANRAHAN P. Volume  rendering[J]. Computer Graphics, 1988，22(4):65-74.
[13] 孫家廣.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.