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第 1章概論

1.1 引言

對醫(yī)學(xué)影像的觀測分析是醫(yī)學(xué)診斷中最基本的手段之一。自從 1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn) X射線以來，醫(yī)學(xué)診斷方式發(fā)生了翻天覆地的變化。各種醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的臨床應(yīng)用飛速發(fā)展，使得影像技術(shù)已成為不可或缺的診斷工具。近 40年來，先后出現(xiàn)了超聲、計(jì)算機(jī)斷層成像( Computed Tomography，CT)、磁共振成像( Magnetic Resonance Imaging，MRI)、數(shù)字式 X射線攝影(Digital Radiography，DR)，以及各種功能成像技術(shù)，如放射性核素成像、磁共振功能成像等。尤其是 CT、MRI等成像技術(shù)，為真正的三維醫(yī)學(xué)診斷提供了數(shù)據(jù)源。同時(shí)，信息處理領(lǐng)域不少新技術(shù)獲得突破，各種影像后處理系統(tǒng)和應(yīng)用軟件不斷被開發(fā)并投入應(yīng)用，使得醫(yī)學(xué)影像分析和處理方式不斷改進(jìn)，有力地促進(jìn)了醫(yī)學(xué)診斷和治療技術(shù)水平的發(fā)展。

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)能夠直接獲得的是二維投影圖像(如 X射線成像)或斷層圖像(如 CT或 MRI)。醫(yī)生通過觀察不同成像角度獲取的投影圖像或者觀察一組斷層圖像，對影像進(jìn)行定性分析，來發(fā)現(xiàn)病變體或評估組織結(jié)構(gòu)的畸形。由于人體的解剖結(jié)構(gòu)是三維的，醫(yī)生需要具備較強(qiáng)的讀片能力，才能從二維影像上作出正確診斷，所以診斷結(jié)果依賴于醫(yī)生的讀片經(jīng)驗(yàn)。要地確定病變體或畸形的空間位置、大小、幾何形狀以及和周圍組織結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，僅僅依靠醫(yī)生的主觀分析判斷是很困難的。因此，目前的臨床診斷應(yīng)用迫切需要將醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)直接以三維圖像的形式直觀地顯示給醫(yī)生，并且讓醫(yī)生能夠?qū)θS圖像進(jìn)行任意縮放、對比、旋轉(zhuǎn)，從不同角度進(jìn)行觀察分析或進(jìn)行相關(guān)測量。應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)重建和可視化，幫助醫(yī)生從三維角度進(jìn)行的觀察分析，以設(shè)計(jì)的治療方案，進(jìn)而提高醫(yī)療診治水平，這無疑可大大提高影像數(shù)據(jù)的醫(yī)學(xué)利用價(jià)值。

三維數(shù)據(jù)重建和可視化的目標(biāo)就是把科學(xué)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測量中產(chǎn)生的大量非直觀的、抽象的或不可見的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成人的視覺可以直接感觀的三維圖像，使人們能夠直接觀察數(shù)據(jù)的全局分布和三維數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)和層次關(guān)系[1]。三維數(shù)據(jù)重建和可視化涉及圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖形交互技術(shù)等相對獨(dú)立的學(xué)科領(lǐng)域。醫(yī)學(xué)圖像通常數(shù)據(jù)量很大，而臨床應(yīng)用方面不少場合需要快速甚至實(shí)時(shí)顯示，多年來不少研究者致力于對醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的真實(shí)、快速可視化技術(shù)的研究，并已取得豐碩的成果，不斷提出新的、有針對性的理論和方法。近年來隨著計(jì)算機(jī)的處理速度和內(nèi)存容量的大幅度提高，以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，使得數(shù)據(jù)量巨大的醫(yī)學(xué)圖像的可視化以及交互處理得以快速實(shí)現(xiàn)。著名的可視人項(xiàng)目就是其中一個(gè)例子，該項(xiàng)目的研究者對人體標(biāo)本從頭到腳進(jìn)行了全身掃描，獲得了 3種數(shù)字圖像數(shù)據(jù)：CT、MRI和組織切片照相圖像。圖像是以分層形式組織的，通過可視化技術(shù)，由這些圖像數(shù)據(jù)重建并顯現(xiàn)人體各種組織結(jié)構(gòu)，為人們研究人體組織器官提供了重要信息。

三維數(shù)據(jù)重建和可視化對臨床醫(yī)學(xué)發(fā)揮著巨大的促進(jìn)作用，不少研究機(jī)構(gòu)致力于這一領(lǐng)域的研究工作，開發(fā)出一些三維可視化系統(tǒng)并已應(yīng)用于實(shí)際臨床診斷。醫(yī)學(xué)影像三維可視化也是科學(xué)計(jì)算可視化快速發(fā)展的方向之一，但由于醫(yī)學(xué)對象的復(fù)雜性和廣泛性，這個(gè)領(lǐng)域還有不少方面有待提出新的方法，很多潛在的應(yīng)用有待進(jìn)一步深入研究和開發(fā)。本書針對醫(yī)學(xué)圖像三維重建和可視化的基本方法以及軟件設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行介紹，并給出 VC++實(shí)現(xiàn)實(shí)例。

1.2 醫(yī)學(xué)成像模式

近代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)被認(rèn)為起源于倫琴在 1895年發(fā)現(xiàn)的 X射線，之后相繼出現(xiàn)了 CT、MRI、超聲成像、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像( Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)和正電子發(fā)射斷層成像(Positron Emission Tomography，PET)等技術(shù)。這些成像技術(shù)為臨床上診斷組織器官形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能信息提供了有效手段，成為醫(yī)學(xué)診斷和治療中不可缺少的重要工具。一般來說，醫(yī)學(xué)圖像按其成像方式和功用可以分為解剖圖像和功能圖像兩大類[1]。本節(jié)重點(diǎn)介紹解剖圖像的基本成像原理。

1.2.1 解剖圖像

解剖圖像顯示人體組織器官的空間形態(tài)和組織密度信息，即解剖結(jié)構(gòu)信息，常用的解剖圖像成像方式有 X射線成像、計(jì)算機(jī)斷層成像、磁共振成像和超聲成像等。

1.X射線成像

X射線也稱為倫琴射線，倫琴本人也因?yàn)榘l(fā)現(xiàn) X射線這項(xiàng)偉大貢獻(xiàn)獲得及時(shí)屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。X射線是肉眼看不見的一種電磁波。 X射線成像是應(yīng)用 X射線的穿透特性，把穿透人體后的 X射線記錄在膠片上成像[2]。由 X射線管產(chǎn)生的射線是一束波長長短不一的混合射線，其中波長較短的穿透力強(qiáng)，波長長的容易被其他物質(zhì)吸收。由于組成人體不同組織器官的物質(zhì)密度不同，所以對 X射線的吸收存在差異，把穿透人體后強(qiáng)度不同的 X射線記錄在膠片上就可以反映人體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)。由于 X射線圖像是 X射線通路上人體對 X射線吸收的累積效果，所以 X射線成像會(huì)出現(xiàn)影像重疊。也就是說，大小和密度相同的組織不論在人體內(nèi)前、中或后部，其在 X射線圖像上呈現(xiàn)的結(jié)果是一樣的，如圖 1-1所示。因此，X射線成像不能得到人體斷層圖像，一幅 X射線圖像不能反映組織結(jié)構(gòu)的三維空間信息。

2.計(jì)算機(jī)斷層成像

計(jì)算機(jī)斷層成像(CT)成功地解決了 X射線成像的影像重疊問題，能夠獲得人體斷層圖像。 CT過程實(shí)質(zhì)是個(gè)數(shù)學(xué)問題 [3]。假設(shè)有一個(gè) 22矩陣，矩陣中的元素位置如圖 1-2所示，元素的數(shù)值未知。如果知道矩陣及時(shí)行元素的和為 4，第二行元素的和為 3，及時(shí)列元素的和為 5，第二列元素的和為 2，則求解

. x1 + x2 = 4 .

x + x = 3

.34

.

x1 + x3 = 5

. .x + x = 2

.24

就可得到矩陣元素為 x1 = 2，x2 = 2，x3 = 3，x4 = 0。

圖 1-1 X射線成像圖 1-2 22矩陣

矩陣元素的每一行的和、每一列的和的概念可推廣為射線的投影數(shù)據(jù)。X射線管發(fā)出 X射線經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后成為一窄束 X射線，該 X射線對人體的某一特定層面從各個(gè)角度進(jìn)行投射，如圖 1-3所示。透過人體的射線由探測器接收后進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓怆娔?數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由探測器接收到的強(qiáng)度值即投影數(shù)據(jù)推算出圖像像素對應(yīng)的密度值，從而實(shí)現(xiàn)對人體的斷層成像。因此，這種成像方式被稱為計(jì)算機(jī)斷層成像。通過逐層對人體某一部位器官掃描獲得一系列斷層圖像，對這些斷層圖像進(jìn)行三維重建和可視化即可獲得該器官結(jié)構(gòu)的三維圖像。美國物理學(xué)家 Cormack證明了投影數(shù)據(jù)獲得斷層圖像的可能性，并提出了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方法，英國電子工程師 Hounsfield設(shè)計(jì)出 CT裝置，實(shí)現(xiàn)了人體斷層成像，他們共同獲得了 1979年的諾貝爾圖 1-3 CT 醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

3.磁共振成像

1946年美國斯坦福大學(xué)的 Bloch和哈佛大學(xué)的 Purcell發(fā)現(xiàn)具有奇數(shù)個(gè)核子(包括質(zhì)子和中子)的原子核置于磁場中，再施加特定頻率的射頻場，就會(huì)發(fā)生原子核吸收射頻場能量而發(fā)生能級躍遷的現(xiàn)象，即磁共振現(xiàn)象。兩位物理學(xué)家因而獲得了 1952年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨后經(jīng)過幾十年的研究，到 20世紀(jì) 70年代，對人體的磁共振成像 (MRI)獲得成功。

磁共振成像需要人為制造一個(gè)和空間位置相對應(yīng)的磁場分布，人體在未進(jìn)入磁場之前，體內(nèi)質(zhì)子的排列方向是任意的，做自旋運(yùn)動(dòng)，其磁矩互相抵消，故宏觀上人體不顯磁性。當(dāng)人體進(jìn)入這個(gè)外加磁場時(shí)，人體內(nèi)的質(zhì)子受外加磁場的影響，呈有序化排列。此時(shí)質(zhì)子除了自旋外，還圍繞外磁場的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)方式稱為進(jìn)動(dòng)。這樣宏觀上將產(chǎn)生一個(gè)沿外磁場方向的磁矩，再在與外磁場磁矩垂直的方向上加入射頻脈沖，當(dāng)其頻率與質(zhì)子進(jìn)動(dòng)頻率一致時(shí)，就發(fā)生磁共振現(xiàn)象。此時(shí)，質(zhì)子吸收射頻脈沖的能量躍遷到較高的能級，磁矩發(fā)生偏轉(zhuǎn)，整個(gè)自旋系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)。當(dāng)射頻脈沖去除后，自旋系統(tǒng)逐漸恢復(fù)平衡狀態(tài)，這個(gè)過程稱為弛豫過程。恢復(fù)到平衡狀態(tài)所需的時(shí)間稱為弛豫時(shí)間，包括縱向弛豫時(shí)間 T1(反映自旋核把吸收的能量傳給周圍晶格所需要的時(shí)間)和橫向弛豫時(shí)間 T2(反映質(zhì)子磁矩進(jìn)動(dòng)的相位由有序恢復(fù)至雜亂無章的狀態(tài)所需要的時(shí)間)。恢復(fù)過程中質(zhì)子將所吸收的能量以射頻脈沖的方式釋放，此射頻脈沖就是磁共振信號，該信號的強(qiáng)度跟共振核子密度以及兩個(gè)弛豫時(shí)間有關(guān)。而人體不同器官的正常組織與病理組織的弛豫時(shí)間是相對固定的，而且有一定的差別，這種組織間弛豫時(shí)間上的差別是 MRI診斷的基礎(chǔ)。通過線圈接收 MRI信號，獲得選定層面中各種組織的 T1和 T2值，進(jìn)行空間編碼，將每個(gè) T值轉(zhuǎn)為模擬灰度，就可以獲得該層面中各種組織的影像。相比 CT而言，MRI的突出優(yōu)勢是對人體無電離輻射傷害。MRI同樣能夠獲得斷層圖像，而且能較容易地對人體的不同組織斷面(冠狀面、矢狀面、橫截面)成像。

4.超聲成像

頻率超過 20 kHz時(shí)，人的感覺器官感受不到的聲波稱為超聲波，它可以在固體、液體和氣體中傳播。與一般聲波不同，超聲波具有束射性，可集中向一個(gè)方向傳播。采用超聲波對人體掃描，當(dāng)超聲波進(jìn)入人體后，如果遇到聲特性有差異的界面，且界面直徑大于超聲波波長，則會(huì)發(fā)生反射形成反射回波。同時(shí)，對于直徑遠(yuǎn)小于超聲波波長的介質(zhì)微粒，大部分超聲波繼續(xù)向前傳播，小部分超聲波能量被微粒向四面八方輻射，即發(fā)生散射，形成散射回波。反射回波主要攜帶的是組織器官的位置信息，而散射回波則攜帶了被測介質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。通過換能器將回波接收，被接收的回波經(jīng)高頻放大器、檢波器和視頻放大器處理后，顯示在顯示器上。

其中輝度調(diào)節(jié)( Brightness，B)型超聲是目前超聲診斷應(yīng)用最廣泛的成像模式。 B超的回波信號對應(yīng)圖像上的一個(gè)個(gè)光點(diǎn)，光點(diǎn)的亮度由回波幅度線性控制。B超采用多聲束連續(xù)掃描，故相應(yīng)圖像表現(xiàn)為二維圖像，可顯示臟器的二維切面圖像，并可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)觀察。

上述醫(yī)學(xué)成像技術(shù)都需要由外部向人體發(fā)射某種形式的能量，通過檢測能量和人體相互作用釋放的信息進(jìn)行成像。

1.2.2 功能圖像

功能圖像反映人體組織器官的功能和代謝情況，這類圖像的成像方式主要有放射性核素成像、磁共振功能成像等。

放射性核素成像是使用核素示蹤技術(shù)，有選擇地向人體內(nèi)注入含有放射性核素的示蹤藥物。示蹤劑根據(jù)人體的生理代謝規(guī)律進(jìn)入人體的組織或器官，在此過程中核素發(fā)生衰變，將輻射 γ射線。通過體外對射線的測量估計(jì)核素在人體內(nèi)的分布，從而實(shí)現(xiàn)對人體器官或組織的結(jié)構(gòu)和功能成像。常用技術(shù)包括 γ照相機(jī)、SPECT和 PET等。

磁共振功能成像是磁共振技術(shù)的一項(xiàng)新發(fā)展，是目前應(yīng)用最廣泛的一種腦成像技術(shù)。磁共振功能成像應(yīng)用磁振造影對組織活動(dòng)功能進(jìn)行成像。其狹義概念主要是指血氧水平依賴性成像，用于進(jìn)行腦功能的研究。廣義概念還包括：灌注加權(quán)成像或彌散加權(quán)成像，用于測量水分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和區(qū)域腦血流；磁共振波譜成像用于非侵入地測量一些腦內(nèi)代謝產(chǎn)物；磁共振彌散張量成像用于對腦內(nèi)白質(zhì)包括纖維走行的研究。

相比解剖圖像，功能圖像既可以表現(xiàn)組織器官的功能信息，又可以表現(xiàn)形態(tài)信息，但其圖像分辨率比解剖圖像分辨率低。本書介紹的三維重建和可視化方法主要用于反映組織器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)，因此所涉及的圖像僅限于解剖圖像。

因篇幅限制，醫(yī)學(xué)成像的詳細(xì)內(nèi)容這里不再贅述，感興趣的讀者可參考清華大學(xué)高上凱[4]的著作。

1.3 醫(yī)學(xué)圖像三維可視化系統(tǒng)的組成

醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)三維重建和可視化過程如圖 1-4所示，由原始的二維圖像數(shù)據(jù)(如 CT、X射線投影圖像)出發(fā)，根據(jù)不同的應(yīng)用目的，在對二維圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，經(jīng)過三維重建生成各種方式的數(shù)據(jù)表達(dá)，包括體積表示、表面表示、特征表示等，在屏幕上形象化地顯示三維圖像。因此，醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)主要包括圖像數(shù)據(jù)采集、二維圖像處理分析和三維重建顯示三部分。

原始數(shù)據(jù)可由測量儀器或計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬獲得或產(chǎn)生，例如，對人體脊柱成像可以是由 CT或 MRI掃描獲得的二維斷層圖像，也可以是通過 X射