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第一節 圖像顯示技術

眾所周知,CT掃描機自20世紀70年代發明后就不斷地更新換代,期間更是歷經了從非螺旋掃描到螺旋掃描,從單排探測器到多排探測器的兩次里程碑式的技術革新。這些飛速發展的技術進步,帶來了薄層快速大范圍采集圖像數據的“量變”,但并沒有改變CT只能得到斷層圖像信息的本質屬性。細小的血管在斷層圖像上通常表現為點狀或條狀影像,往往不夠直觀,有時甚至無法辨認和分析。因此,有必要對斷層圖像進行更直觀地可視化處理和立體化顯示。目前臨床上,CT血管成像后處理中常用的圖像顯示技術包括多平面重組、最大密度投影、容積再現、表面遮蓋顯示以及仿真內鏡等。
一、多平面重組技術
多平面重組(multi-planar reformation,MPR)技術是將一組以像素為單元的斷層圖像通過插值運算,重構為以體素為單元的三維體數據,再根據診斷需要截取得到其他平面的二維重組圖像(圖3-1-1)。MPR后處理的層面厚度、層間距、層數以及截取角度等參數均可由用戶自行設定和調整。CT血管后處理中,MPR常用于顯示血管壁的斑塊、腔內栓子、撕裂的內膜、漏口以及觀察血管與病變的關系等(圖3-1-2)。其缺點是,不能顯示迂曲走行的血管全程,且缺乏空間立體感。
曲面重組(curved planar reformation,CPR)技術,為MPR技術的一種特殊形式,對于彎曲走行的結構可以沿一條既定中心線從三維體數據中截取曲面數據,展開后即得到顯示該彎曲結構全程的平面圖像。標定的中心線可以是手動繪制(圖3-1-3),也可以由計算機通過閾值檢測彎曲物體邊界后,自動繪出與物體邊界等距的中心線(圖3-1-4)。操作者還可以取一定的厚度、從不同的角度沿這條中心線360°展示CPR圖像。自動CPR常見于高級血管分析軟件中,為全程顯示迂曲血管的最佳平面成像技術,能避開骨性結構的遮擋,評價管腔狹窄可靠。其缺點是,一次重組只可顯示單條血管,血管以外的結構出現扭曲變形,且手動CPR的準確性受操作者的人為因素影響較大。
圖3-1-1 多平面重組技術原理示意圖
圖3-1-2 腹主動脈多平面重組圖像
圖3-1-3 腎動脈的手動曲面重組技術
A.在水平面圖像上沿腎動脈走行繪制中心線;B.雙側腎動脈同時顯示的冠狀曲面成像
圖3-1-4 腹主動脈的自動曲面重組技術
A.沿血管走行自動繪制中心線;B.腹主動脈至髂外動脈全程顯示的曲面成像
MPR和CPR圖像中保留了物體的X線衰減特性,反映的是實際的CT值信息,其提供的血管平面圖像可準確地反映血管壁的情況,顯示血管與周圍組織的毗鄰關系,并可用于CT值和徑線的測量。因此二者通常作為評價血管性疾病的不可缺少的基本顯示方法,也是從這個特點上彌補了數字減影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)技術不能顯示血管壁與周圍組織的缺陷,體現出CT血管成像(computed tomography angiography,CTA)的獨特優勢。
二、最大密度投影技術
最大密度投影(maximum intensity projection,MIP)是利用投影成像原理,將由若干源圖像組成的三維體數據朝向任意方向進行投影,設想有許多條平行投影線穿過三維體數據,取每條投影線經過的所有體素中最大的一個體素值作為投影結果圖像的像素值(圖3-1-5)。MIP圖像是對三維信息進行的二維投影顯示,相近密度的組織結構在同一投影方向,會產生前后物體影像的重疊,可通過選擇不同的投影角度,對組織結構進行多方位觀察。MIP技術在血管后處理中的優勢在于,可顯示更多的細小分支血管和管壁鈣化,也用于強化不佳的血管成像(圖3-1-6)。其缺點是,空間立體感不強,易與骨骼等高密度結構重疊顯示等。
圖3-1-5 最大密度投影技術原理示意圖
圖3-1-6 腹主動脈最大密度圖像
三、表面陰影顯示技術
表面陰影顯示(surface shaded display,SSD)是指通過相應的算法和選定的閾值,獲取三維體數據中物體的輪廓表面幾何信息,并用虛擬光源加上明暗陰影,呈現出立體感較強的三維效果。SSD又稱作表面再現或表面繪制,利用中心投影原理,判斷投影線上的體素值是否第一次達到或超過閾值,超過者被保留下來,低于閾值的體素CT值被舍棄。因為SSD技術僅處理物體表面信息,運算量較小、繪制速度較快,在計算機能力有限的早期階段,用于顯示血管開口、分支的空間位置關系(圖3-1-7)。其缺點是,結果圖像顯示準確性受圖像分割參數(即閾值)的影響較大,可能過高或過低估計血管狹窄;且不能顯示物體內部結構,無法區分內膜鈣化和腔內的對比劑。故目前高級CT中,SSD已經逐漸被容積再現技術取代,但仍可用在多對象組合成像、組織器官的體積測量軟件和虛擬內鏡顯示技術中。
圖3-1-7 腹主動脈表面陰影顯示圖像
四、容積再現技術
容積再現(volume rendering,VR)技術利用投影成像原理,將穿過三維體數據后每條投影線上的所有體素值,經傳遞函數加權運算后,以不同的阻光度和顏色表示各CT值區間,繪制在結果圖像中。VR又稱作體積再現或體繪制,無論是從顯示原理還是從性能效果方面都比前述的MIP和SSD具有優勢,它保留了所有體素中的大量細節信息,最大限度地再現了組織結構的空間關系,立體效果逼真。
圖3-1-8 阻光度的調節示意圖
VR的主要特點就是阻光度的調節。阻光度又稱不透明度,反映體素不透明的程度,取值范圍從0~1,0代表完全透明,1代表完全不透明。體素的密度值與阻光度之間的對應關系可由用戶指定,通常用一個可以調節斜邊的梯形來表示(圖3-1-8)。斜邊表示隨著體素值的增高,阻光度逐漸變化,而不像閾值那樣截然的分開,這種調節方法又稱為模糊閾值。它保留了源圖像中的模糊信息,譬如,較薄的面顱骨在SSD顯示為骨缺損的假空洞,在VR中則呈現為半透明的狀態。體素的顏色也用類似的方法調節。一般廠家VR軟件中都預設了各種已經調整好阻光度和顏色等參數的參考模式圖(通常所稱的模板),用戶可以根據不同解剖部位和組織顯示需要選用廠家模板圖,也可自行調整參數并保存為模板圖(圖3-1-9)。
VR技術已經成為臨床上最為常用的一種血管后處理顯示方法,可立體逼真地顯示血管形態、走行及其與周圍組織復雜的空間關系(圖3-1-10)。其缺點是,不能觀察血管壁的情況,血管顯露受閾值調節的影響,且無法區分密度相近的鄰近結構。
圖3-1-9 偽彩色與阻光度的參數圖
圖3-1-10 腹主動脈容積再現圖像
五、CT仿真內鏡技術
仿真內鏡(virtual endoscopy,VE)技術利用源圖像生成的體數據,通過SSD或VR重組得到管道結構內表面的三維成像,再運用計算機空腔導航技術模擬光學纖維內鏡進行腔內觀察。仿真內鏡主要用于呼吸道、充氣的腸道、鼻竇以及增強血管等管狀結構內壁表面的立體觀察,顯示管腔內異物、新生物、鈣化及管腔狹窄較好。還可用于有創檢查或外科手術的模擬導航和教學演示。操作時,將視點置入結構內部,調整視角、景深,旋轉視向,自動或手動進行視點漫游,對視點前方結構進行動態實時顯示(圖3-1-11)。血管后處理時,利用VE技術可從血管腔內立體觀察血管分支開口、管壁鈣化、支架以及管腔狹窄或閉塞等。其缺點是,血管腔外結構無法顯示,且同樣受閾值影響,測量不可靠(圖3-1-12)。
圖3-1-11 仿真內鏡路徑示意圖
圖3-1-12 腹主動脈仿真內鏡圖像
綜上所述,各種圖像顯示技術均有其優勢和不足。在CT血管成像后處理的實際運用中,操作者應根據其各自技術特點,結合具體情況,靈活把握,聯合運用這幾種圖像顯示技術,既有平面展示又有立體顯示。而實際上,大多數廠家的圖像工作站也都具備對同一三維體數據,通過一鍵式操作在幾種不同的圖像顯示技術間即時切換顯示的功能。
(陳 偉)
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