（生物医学工程专业论文）数字减影血管造影图像三维重建技术的研究.pdf

l 海大学t 学硼j 。学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to fd i g i t a lt e c h n i q u ei nt h ee a r l y19 8 0 s s u b t r a c t i o nb e c a m e g e n e r a l l ya v a i l a b l e i nt h ef o r mo fd i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o g r a p h y ( d s a ) a f t e r c o m p u t e rt o m o g r a p h y ( c t ) i ti s an e wm e d i c a li m a g i n gt e c h n i q u ef o rs h o w i n g c o m r a s t f i l l e dv e s s e l sw i t h o ma n yi n t e r f e r i n gb a c k g r o u n d r e c e n t l ya st h em o s td i r e c t a n dc r e d i b l em e t h o df o rv a s c u l a rd i s e a s e sd i a g n o s i so f h e a da n dn e c ko ro t h e rp a r t ，i t h a sb e e nw i d e l yu s e di n c l i n i cd i a g n o s i sa n dt r e a t m e n t i no r d e rt oo v e r c o m et h e p r o b l e mi n c o n v e n t i o n a ld s at h a t p a t h o l o g i c a lv e s s e la n ds u r r o u n d i n gv e s s e l s o v e r l a p ，r e s e a r c h e r su t i l i z et h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) r e c o n s t r u c t i o nt e e l m i q u eo fd s a t o s h o wt h e3 ds p a t i a ls t r u c t u r ei n f o r m a t i o no fv e s s e l s ，h e l p i n gd o c t o r st om a k em o r e p r e c i s ed e c i s i o n f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e3 dr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ed e v e l o p i n gh i s t o r y o fd s aa n di t so v e r s e a sa n dd o m e s t i cr e s e a r c ha c t u a l i t y t h e na n a l y z e ss o m e r e p r e s e n t a t i v e 3 dr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ea n da l g o r i t h m so fd s a w i t ht h e d e v e l o p m e n to fd s ai n s t r u m e n t ，ar o t a t i o n a ld s as y s t e mb e c o m ea v a i l a b l e b a e do n i t ，t h ep a p e rp r o p o s e san o v e la l g o r i t h mt or e c o n s t r u c t3 dd a t as e t s ，n a m e da s l i g h t - c u ta l g o r i t h m i ti sd i f f e r e n tf r o mg e n e r a lm e t h o d s f i s t l yp r o c e s sas e r i e so f t w o - d i m e n s i o n a l ( 2 d ) d s ai m a g e sa n dc h a n gt h e mi n t ob i n a r yo n e s ，s e c o n d l yu s et h e l i g h tt h r o u g hp a r t ( b a c k g r o u n dp a r t ) i nt h e2 db i n a r yi m a g e st oc u ta3 de n t i t y ，a tl a s t a c h i e v et h ed a t as e t so n l yi n c l u d ev e s s e l si m f o r m a t i o n t h ep a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 p r e s e n t a t i o na n da p p r o v a lo f t h en o v e la l o g r i t h m i no r d e rt ov e r i f yt h ee f f i c i e n c ya n df e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m ，m a t l a bi su s e dt o d ot h ee m u l a t i o n a le x p e r i m e n t s i m u l a t i v eb l o o dd a t ai sm a d eb y3 d m a x am a d i m p o r t e dt om a t l a b t h e ng e tt h e3 dd a t as e t s ，r e n d e r i n ga n ds h o w i n go nt h es c r e e n b yc o n t r a s tt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw i t ho r i g i n a ld a t a ，t h ea l g o r i t h mc a nb ep r o v e d c o r r e c t 2v i s u a l i z a t i o no f3 dd a t as e t s a c c o r d i n gt ot h ea c h i e v i n ge x p e r i m e n t3 dd a t as e t s ，r a y c a s t i n ga l g o r i t h mi s c h o o s e nt or e n d e rt h e m f o rt h e3 dd a t as e t si sb i n a r y ，r u n - l e n g t he n c o d i n g ( r l e ) i s u s e dt oe n c o d et h ed a t as e t si no r d e rt os p e e du pt h er e n d e r i n ga l g o r i t h ma n d i m p r o v e e f f i c i e n c yo f t h en o v e la l g o r t h i m 3 d e v e l o p n t m e n to f 3 dr e c o n s t r u c t i o ns y s t e mo f d s a 上二海人学工学硕士学位论史 b a s e do i lt h el i g h t - c u ta l g o r i t h ma n dr a y c a s t i n ga l g o r i t h m ，t h ep a p e rd e v e l o p s a3 dr e c o n s t r u c t i o ns y s t e mo fd s ao np cc h a p t e r5d e s c r i b e st h ed e s i g nf r a m e p r o c e s s i n ga n dp r o g r a m ef r a m eo ft h es y s t e m a tl a s t ，t h ep a p e rl i s t ss e v e r a lp r o s p e c t sf o ra l g o r i t h ma n ds y s t e mb a s e do nt h e s u m m a r yo f t h ew h o l ew o r k k e yw o r d s ：r o t a t i o n a ld i g i t a ls u b t i a c t i o na n g i o g r a p h y ；t h r e e - d i m e n s i o n a ld a t as e t s r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m ；l i g h t - c u ta l g o r i t h m ；r a y - c a s t i n ga l g o r i t h m i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：璇日期堑：望 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有j 灰保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一盟一轹槲蹶掣 卜海大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 内容提要：数字减影血管造影是医学影像学中，继x 线c t 之后的又一项新技 术，也是当前医学影像学中具有突破性的进展，尤其在血管疾惠的t 临床诊断 中具有十分重要的意义。本章综述了d s a 三维重建技术的发展历史及其在临 床方面的应用，介绍了i ) s a 的基本原理和三维重建技术的研究内容，并提出 了本文的主要工作。 1 1 引言 数字减影血管造影( d i g i t a ls u b t r a c t i o na n g i o g r a p h y , d s a ) 是影像增强技术、 电视技术、计算机技术与常规的x 线血管造影相结合的一种新型医学检查方法。 d s a 技术是首先通过软导管将造影剂注射到感兴趣的血管部位进行x 射线 成像，然后将造影剂注入前后得到的相同部位的两幅x 射线图像由a d 转换器 转换成数字信号，然后分别存在两个存储器内。这两个信号由计算机进行相减处 理，经腴人、对比增强等处理后再由d a 转换器成模拟信号，结果去除掉非感 兴趣器官对x 射线吸收形成的背景图象，以得到清晰的血管造影图像，从而大 大提高了分辨率及对比度，也大幅度降低了造影剂的量。 d s a 的简单原理框图如图1 1 1 ”1 所示： 图1 1 1 1 1 id s a 原理框图 19 8 0 年，世界首台d s a 系统由美国威斯康星大学的m i s t r e t t a 小组和亚利桑 纳大学的n a d e l m a n 小组首先研制成功并投入临床使用，这就是第一代d s a ，它 的特点是侵入性小，简便安全、影像清晰。第一代d s a 虽然与传统的血管造影 相比具有很多的优点，但仍存在许多不足，比如图像采集速度慢，存储图像张数 少，图像分辨率不高，不能用于心脏等快速运动部位的检查等。随着科学技术的 进步，特别是计算机技术的进步，2 0 世纪8 0 年代中后期出现以西门子d i g i t r o n2 ， d i g i t r o n3 等为代表的第二代d s a 。在此后的几年里，d s a 在很多放射学会议上 都受到高度重视，不少厂家投入力量研制，不少医院开展临床研究。我国也于 1 9 8 4 年引进首台d s a ，同年北京医用射线机厂开始进行d s a 系统的研制。2 0 世纪9 0 年代国际上出现以西门予p o l y t r o n1 0 0 0 ，h i c o r 等为标志的现代d s a ，随 着d s a 在医院的普及，国内d s a 电有了长足的发展，甚至出现了具有自动设置 最什曝光条件、能脉冲采样、图像分辨率为1 0 2 4 * 1 0 2 4 、采样速度达3 0 张干少 的等具有国际先进水平的d s “。 经过二十多年的发展，目前d s a 的主要发展趋势是：力图获取包括微细血 管在内的更为清晰的图像；进一步提高系统的检查效率；进一步提高图像分辨率： d s a 心功能检测的研究；开展三维d s a 研究；神经外科放射学领域的应用，作 为伽马刀、x 刀的三维定位手段等。 1 2 国内外研究现状 三维重建技术已广泛应用于c t 、m m 图像的重建，现在该技术也扩展到 d s a 图像，为医生制定最佳介入治疗方案或手术治疗方案提供了一个新手段。 1 2 1 国内研究现状 圈1 211 东大阿派公司推出的n s x 6 0 0 0 国内d s a 的研究大部分是针对图像对比度增强、图像配准2 1 等方面，很少 对d s a 三维重建技术进行研究。因此，国产d s a 都不具有图像的三维重建功能。 如东大阿派公司推出的大型c 型臂血管造影及介入治疗系统n s x 6 0 0 0 ( 如图 1 2 ，1 1 ) ，采集的图像是t 0 2 4 + 1 0 2 4 分辨率，1 2 位、3 0 幅秒，但是该系统并没 有提供d s a 图像三维重建功能。 【。瀚凡学丁学坝f 1 学位论文 图1 2 i - 2 北京万东医疗器械的c g o - 2 1 0 0 北京万东医疗器械也有相关产品，如大型血管造影及介入治疗数字系统 c g o 一2 1 0 0 ( 如图1 2 1 2 ) ，具有实时数字图像采集功能，适应心脏手术的需要，大 功率丰机，高频8 0 千瓦，满足介入治疗需要，硬盘能存储周围血管2 1 0 0 幅数字 摄影图像，采用高分辨率的电荷耦台器( c h a r g e c o u p l e d d e v i c e ，c c d ) 摄像机，3 0 帧秒，1 0 2 4 1 0 2 4 逐行数字采集，高品质图像，显示1 0 0 超高图像质量，大型 c 形臂机械设计，操作简单，安全可靠。但也没有d s a 图像三维重建功能。 可见，国内d s a 三维重建技术的研究仍然处于起步阶段，还有很多工作需要 做。 1 2 2 国外研究现状 2 0 世纪8 0 年代，国外文献中就有针对树型结构三维重建技术1 3 1 的研究报道， 它是通过从两个垂直方向获取的二维投影图像进行三维重建。该方法是早期d s a i 维重建技术的基础。到了2 0 世纪9 0 年代，发展到从3 个互相垂直的方向获取 投影进行三维重建”。 西门子在2 0 世纪8 0 年代生产出了首台d s a 系统，并投入临床应用，先后 研究生产如a t o 、p u c k 、d i g i t r o n 、p o l y t r o n 和h i c o r 系列d s a 系统。国外其 它著名的医疗器械生产厂商还有岛津、东芝、通用、飞利浦等，他们也有自行研 发的d s a 系统。与国内不同的，这些国外厂商都有具有三维重建功能的d s a 系 统，下面重点介绍几款国外先进d s a 系统。 图1 2 1 2 北京万东医疗器械的c g o - 2 1 0 0 北京万东医疗器械也有相关产品，如大型血管造影及介入治疗数字系统 c g 0 - 2 1 0 0 ( 如图12 】一2 ) ，具有实时数字图像采集功能，适应心脏手术的需要，大 功率主机，高频8 0 千瓦，满足介入治疗需要，硬盘能存储周围血管2 1 0 0 幅数字 疆影图像，采用高分辨率的电荷耦台器( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，c c d ) 摄像机，3 0 i 帧秒，1 0 2 4 1 0 2 4 逐行数字采集，高品质图像，显示1 0 0 超高图像质量，大型 c 形臂机械没计，操作简单，安全可靠。但也没有d s a 图像三维重建功能。 可见，国内d s a 三维重建技术的研究仍然处于起步阶段，还有很多工作需要 做。 1 2 2 国外研究现状 2 0 世纪8 0 年代，国外文献中就有针对树型结构三维重建技术1 3 1 的研究报道， 它是通过从两个垂直方向获取的_ 二维投影图像进行三维鼋建。该方法是早期d s a = i 维重建技术的基础。到了2 0 世纪9 0 年代，发展到从3 个互相垂直的方向获取 投影进行三维重建”。 西门子在2 0 世纪8 0 年代生产；= l 了首台d s a 系统并投入临床应用，先后 研究生产如a ：e o 、p u c k 、d i g i t m n 、p o l y t r o n 和h i e o r 系列d s a 系统。国外其 它著名的医疗器械生产厂商还有岛津、东芝、通用、飞利浦等，他们也有自行研 发的d s a 系统。与圈内不同的。这些国外厂商都有具有三维重建功能的d s a 系 统，f 面重点介绍几款国外先进d s a 系统。 统，下面重点介绍几款国外先进d s a 系统。 上海人学工学硕士学位论义 德崮西门子的双c 臂脑皿管造影及介入治疗系统a x i o ma r t i sb a ( 如图 1 22 1 ) ，其满足临床对全身血管造影及介入治疗的各种要求，特别适合脑血管 造影及介入治疗。高速旋转d s a 采集，高达3 0 幅秒的采集速度保证高分辨率的 i 维重建，角度触发的旋转d s a 为三维重建和最佳剧像质量提供保证。 图1 2 2 - 1 德国话门子的a x i o m a r t i s b a 岛津公司的全新落地式c 型臂系统m h 一3 0 0 ( 如图1 2 2 - 2 ) ，此款机器是创新 的侧向运动方式，便于手术操作，是世界第一高速旋转d s a ，6 0 度秒，独有的 三维运动模式，全面支持临床复杂应用。 图1 2 2 - 2 岛泽公司的m h - 3 东芝公司的全能型血管造影介入系统( 如图1 2 2 3 ) ，此系统有完全独立的外 刷血管介入操作系统，1 0 2 4 + 1 0 2 4 分辨率的d s a 图像，体贴入微的透视备份技 术，完全独立的心血管介入操作系统，最高6 0 帧秒的超高速数字电影采集，全 新概念的剂量管理技术，d i c o m 标准的c d - r 、d v d 系统以及全屏三维重建技 术。 上海大学t 学坝卜学位论史 图1 2 2 3 东芝公司的全能型血管造影介入系统 通用公司的l r l n o v a r m 4 1 0 0 平板式全数字化血管造影大兼容机( 如图1 2 2 - 4 ) ， 采用成熟可靠的数字平板技术，4 1 c m * 4 1 c m 超大面积的探测器，矩阵高达 2 0 4 8 + 2 0 4 8 像素，超大阳极热容量的栅控球管，球管的三焦点设计 ( o 3 0 6 1 o m m ) ，保证了全身不同大小血管的分辨率，其中o 3 m m 的微焦点，大 大提高了微小血管的造影分辨率，满足了外周血管造影的要求，高级图像处理工 作站的配备，除了实时d s a ，路图等常规介入软件外，更将支持目前代表血管 造影机最高软件水平的三维血管重建，提高了诊治的准确率，将彻底改变现有神 经介入，外周介入以及心血管介入的珍治方式，为医院的临床诊治和科研提供了 绝佳的工具。 图t 2 2 - 4 通用公司的i n r n o v a t m 4 1 0 0 j 由管造影大兼容机 毪利清公司的i n t e g r i sv 5 0 0 0 数字减影全身血管造影机( 如图1 2 2 5 ) ，适用 于全身各部位血管造影与介入治疗，更适用于冠状动脉和脑血管造影与介入治 疗，而且可进行旋转脑d s a ，下肢步进d s a 。在诊断性造影的基础上，利用该 机器迎司进行全身非血管系统的介入治疗。出于采用脉冲透视，可降低x 线剂 量7 0 l 址，对保护患者和医生的身体健康十分有利。 图1 2 2 - 5 飞利浦公司的i n t e g r i sv5 0 0 0 数字减影全身血管造影机 可见，d s a 三维重建技术在国外已经是成熟技术，并且被广泛应用到d s a 系统中，投入临床使用。而国内仍然处在实验阶段，浙江大学、清华大学、东南 大学、中科院自动化所等做了大量研究，开发了一些实验系统，但目前国内尚无 成熟的商用系统。因此，开展d s a 三维重建技术的研究，具有十分重要的意义。 1 3 综述 传统d s a 的缺点之一是当有些部位血管分布错综复杂时，容易发生重叠， 病变血管就不能被清楚辨认，妨碍医生诊断。例如颅内的大脑前动脉和大脑中动 脉，无论在正位和侧位片子上，都有一部分血管分支互相重叠，尤其在前天变异 或病理情况下，很难做出正确的诊断。 d s a 三维重建技术的应用使d s a 技术上了一新台阶，该技术在血管的定位 以及血管三维空间结构信息的显示等方面起着越来越重要的作用，尤其在病理情 况下，占位性病变造成血管移位、变形，d s a 三维重建技术更能发挥作用。 1 3 1 发展历史 早期，人们利用双熏焦点型x 射线交替曝光，同时获得2 个角度的减影图 像，利用立体视觉原理获取这两幅图像的深度信息，然后观察者戴上一种类似观 看立体电影那样的特制眼镜来获得具有立体感的血管影像。该技术是基于双平面 血管造影( b i p l a n ea n g i o g r a p h y ，b a ) 系统的，并被广泛应用，例如心血管的三维重 建n 脑血管的三维重建吼冠状咖管的三维重建1 7 1 1 8 等。 上海大学t 学耐! 卜学位论文 尽管双平面系统可以提供d s a 图像的深度信息，但是在检查脑动脉瘤的过 程中，神经外科医牛1 不光要捡查一个或几个血管畸形，还要根据动脉颈部 减影幽像的分辨率以及它和周围i 的拓扑关系来对它们进行分析和选择，以便 选择合适的介入治疗( i n t e r v e n t i o n a lr a d i o l o g y ，i r ) 路线，制定最佳的外科手术计 划或血管内治疗( e n d o v a s c u l a rt r e a t m e n t ，e t ) 的方法。因此，为了改善血管结构 的拓扑表达，从2 0 世纪7 0 年代开始，出现了更多关于d s a 三维重建技术的研 究。 1 9 7 2 年，c o m e l i u s 【1 2 i 等人首次提出了脑部旋转x 线造影( r o t a t i o n a lc e r e b r a l r o e n l g e n o g r a p h y ) 技术，1 9 7 5 年，v o i g t t l 3 1 将该技术应用于i 临床，通过x 射线管 绕头部中心旋转并利用立体视觉原理获取图像的深度信息。随后，t h r o n l l 4 1 在 1 9 8 3 以及s c h u m a c h e r i 培l 在1 9 8 9 年分别公丌发表了旋转造影技术在渗断中的应用 和改进方法。1 9 9 4 年，h o 捌1 6 1 和他的同事给常规d s a 配上旋转造影技术，进行 血管造影，在血管分支剖析和动脉颈的评估方面有着积极的意义。1 9 9 7 年， f a h r i g l i 7 1 利用计算机技术结合旋转造影技术，通过对原始的c c d 投影数据进行 重建，得到了分辨率各向同性的三维数据集，从而真正获得了具有临床诊断价值 的血管三维图像。 d s a 三维重建技术可以提供血管的三维重建，该技术一般由d s a 所配备的 图像处理工作站来完成，医生还可以通过工作站进行人机交互式操作，可以旋转 三维血管模型，从任意角度观察血管三维图像，清楚了解血管空间结构信息| 1 8 i 。 i 3 2 研究内容 d s a 三维重建技术的研究内容包括对输入图像的预处理、三维重建算法以 及可视化绘制技术。 1 ) 图像的预处理 d s a 图像预处理分为减影前和减影后2 部分，减影前的预处理主要包括对 数变换处理、图像配准、时间滤波处理、对比度增强处理。减影后的预处理主要 包括图像滤波、图像平滑。减影后的图像处理是三维重建的前提条件，它直接影 响着三维重建的效果，因此，在进行三维重建前，必须对d s a 图像进行预处理。 x 线人体造影图像在进行减影处理之前，常常需要作对数变换，这是因为x 线的强度在人体内是以指数关系衰减的。因此，直接减影的同一血管在与骨组织 上海大学工学硕士学位论史 有重叠与无重叠时所得的对比度是不一样的，所以在减影之前，应先进行对数变 换，这样在减影后就得到一致的血管图像。 由于在成像过程中，病人存在各种可能的运动，其中有些运动是不可避免的 例如呼吸、肌肉收缩、心脏运动、病人对注入的造影剂产生反应引起的局部运动 等等，不仅会造成减影图象质量卜降，并会产生伪影”i ，为此需要对造影前后 的图像进行配准，就是在减影处理f j i 需要对掩膜 ( m a s ki m a g e ) 年t l 造影图( l i v e i m a g e ) 进行配准。 在减影图像中，由于对比度大的人体组织，如骨、肌肉、软组织等已被消除， 只剩下相对对比度小的血管像，一般相减处理后的数值比较小，为了便于观察， 必须做增强对比度处理。 减影图像还需要进行滤波( f i r e r i n g ) 或平滑处理( s m o o t h i n g ) ，以实现抑制噪 声，增强图像特征，提高信噪比的功能。 减影前后的预处理对d s a 三维数据场重建和可视化起着非常重要的作用。 耍实现图像的三维重建，其首要任务就是将图像数据进行证确、合理的处理，从 而实现对这些被提取出的器官、组彭 或病变体进行三维重建，以达到辅助诊断与 手术规划的目的。 2 ) 三维重建算法 在介绍d s a 三维重建算法之前，先简单介绍下r a d o n 变换和c t 图像重 建的原理。关于r a d o n 变换，早在1 9 1 7 年德国数学家r a d o n 研究了如何由函数 在所有直线上的积分值确定这个函数的问题。h o u n s f i e l d 和c o r m a c k 将r a d o n 变 换成功应用于c t ，于1 9 7 9 获得了诺贝尔( n o b e l ) 医学奖。c t 的基本原理是根据 人体内不同组织对射线的吸收率不同，射线衰减与吸收成负指数关系，利用雷当 ( r a d o n ) ) 叵投影算法，可以重建出c t 图像原来的几何信息。但是由于反投影图像 重建时，是把各方向获得的投影值反投加回到矩阵中去，投影值叠加的结果是出 现图像的边缘失锐现象，产生“星”状伪影。 d s a 图像与c t 图像有所不同，早期的d s a 三维重建技术都是基于双平面 血管造影系统所获得的投影数据1 2 0 l l l l l l 2 2 1 1 2 3 1 ，这些方法都是基于标准的x 射线投 影几何规则，对2 个投影图进行标记或者预先估计血管的形状进行反复识别和匹 配的方法进行三维重建；还有一种基于运动和多投影图的重建方法，i 圳这个方 l 海尺学f 。学倾f + 学位论文 法是通过单平面的血管荧光电影记录法( c i n e a n g i o g r a m s ) 所获得的投影数据来进 行重建。随着技术的不断进步，一种新的血管成像技术出现了，它就是三维旋转 血管造影1 2 5 1 1 2 6 1 ( t h r e e d i m e n s i o n a lr o t a t i o n a la n g i o g r a p h y , 3 d r a ) 技术。该技术使 用标准的c 型臂成像系统，当x 线源探头旋转1 8 0 度，并伴随着造影剂的注入， 从获得的多幅二维x 线血管造影图中重建出高分辨率各向同性的三维数据场， 再利用呵视化绘制技术在二维屏幕平面上形象直观地显示出具有生动性和立体 感的三维图像，医生就可以从任意角度观察感兴趣的血管结构。 3 ) 可视化绘制技术 通过三维重建获得的数据场，需要通过绘制技术对数掘进行可视化1 2 “。目 前，可视化绘制技术主要有三大类：第一类是通过几何单元拼接拟合物体表面来 描述物体三维结构，称为面绘f 6 l j ( s u r f a c er e n d e r i n g ，s r ) ，又称为间接绘制；第二 类是直接将体素投影到显示平面，称为体绘$ 1 j ( v o l u m er e n d e r i n g ，v r ) ，又称为 直接绘制。第三类是混合绘制，即前两类技术兼而有之，以绘制表面为目标，又 采用了体绘制原理、或者以反映数据整体信息为目标又以几何造型作为显示单元 的方法。 面绘制的最大的特点是采用曲面造型技术，生成数据场等值面的曲面表示， 再采剧面光照模型计算出绘制图像。与面绘制相比较，体绘制的一个特点就在于 放弃了传统图形学中体出面构造的这一约束，采用体绘制光照模型直接从三维数 据场中绘制出各类物理量的分布情况。等值面、等势面、等数据场的几何面表示 方法是研究人员为了适应图形显示，人为地提出的一种数据场表示形式。体绘制 的根本点就在于放弃了这一做法，直接研究光线穿过三维体数据场时的变化，得 到最终的绘制结果，所以有时体绘制也被称为誊接绘制。由于体绘制的这种直接 性，非常符合人的视见过程，因此保留了大量的细节信息，大大地提高了图像的 质量和保真度一这时图像质量也不再依赖于面分割的如何，而是集中在光照模型 和绘制过程上( 如图1 3 2 1 1 。 从图像质量来看，体绘制要优r 面绘制。而单从交互性能和算法效率匕看， 趸少在目前的硬件平台上，面绘制还是要优于体绘制的。可见，这两种绘制方法 各有优势，可以根据对具体图像的绘制质量以及绘制速度的要求，来进行选择。 9 湘人学丁学倾十学位论义 - p m 丽表， 体数据 图1 3 2 1 两种绘制方法的绘制过程 离散图像 1 3 3 临床应用 d s a 目前已广泛应用于临床，主要应用于血管疾病的诊断与疗效的观察。 随着计算机技术的不断发展，d s a 三维重建技术的不断被深化，三维重建 算法不断改进，使得d s a 应用领域也不断扩大，特别是应用于介入放射学领域。 d s a 三维重建技术不仅为疾病诊颐服务，而且为疾病治疗提供了先进的手段， 它还可以用于外科手术操作方案练习、医学教学与训练、远程医疗等诸多医学课 题的基础环节。 据困内外流行病学调查表明，脑血管病是一类严重威胁人类健康和寿命的常 见病。据北京市1 9 9 4 年统计资料表明，脑血管病发病率居首位。脑血管病是目 前世界卜导致人类死亡的三大主要疾病之一。据我国1 9 9 1 年统计资料报道，每 年脑卒中发病数达1 5 0 万之众，是r l ：多地区人口死亡的第一位原因。对于复杂的 脑血管，常规d s a 已经不能满足临床诊断的要求，需要借助d s a 三维重建技术， 浚技术对脑皿管病比如颅脑肿瘤等疾病的诊断具有非常重要意义，特别是对颅内 ，4+一一“。_p_-1。 i 左图足常规d s a ，只硅一再j 两个动脉瘌 1 右图是= 维d s a 多角度寝示出r3 个动脉痴，把常规d s a 尤 上i 娃示的那个也表现出来r o 一， 圈1 3 3 - 1 1a o l 动脉痛( 如图1 3 3 一i i l o i ) 的评估非常有利1 2 9 1 1 3 叭。脑血管疾病中，动脉瘤为岛危 险性的疾病，以往的治疗方法皆以外科手术为主要的治疗方式，但是动脉瘤的位 置、患者年龄以及外科技术层面等问题，都会影响外科手术的可行性，为了降低 危险性，可以通过经血管颅内动脉瘤栓塞术来解决外科手术可行性的问题。由于 动脉瘤的破裂造成蛛网膜下腔出血( s u b a r a c h n o i dh e m o r r h a g e ，s a h ) 将会危及生 命。列丁_ 那些曾经有过s a h 但存活下来的病人，必须通过阻塞动脉瘤这一手段 来阻止再次的出血。人们原来希望通过气泡阻塞这种方法来阻塞动脉瘤。认为那 样会比外科手术安伞，但事实上，早期的治疗效果与微型手术相比，相对要筹些。 在1 9 9 1 年g u g l i e l m i l 3 l l 等人发明了种血管内拴塞治疗颅内动脉瘤的方法，浚方 法使用电解可脱性弹簧圈( g u g l i e l m id e t a c h a b l ec o i l ，g d c ) 来栓塞破裂动脉瘤。这 个发明出现以后的8 年中，世界上3 5 0 0 名以上的病人使用了g d c 。该方法的广 泛应用推动了d s a 三维重建技术的发展，因为d s a 三维重建技术可以使医生更 准确地了解动脉瘤的位置及大小，再由微细导管到达动脉瘤所在处之后，依动脉 瘤的大小选择g d c 的尺寸，将弹簧圈充填入动脉瘤，确认位置无误再施加电力 进行分离，而如果位置不合适，则在施加电力进行分离前，将弹簧圈抽回再重新 放置一次，直到成功将动脉瘤栓塞，防止动脉瘤破裂出血。此治疗方法的高成功 率及安全性，有效地解决了外科手术的不适应症。 可见，d s a 三维重建技术对于脑血管疾病的诊断，如动脉瘤( a n e u r y s m ) * 【l 动 静脉畸形( a r t e r i o v e n o u sm a l f o r m a t i o n s ，a v m s ) ，以及血管内治疗方案的舰划，如 血管支架( s t e n t ) 的放置等有着非常重要的临床价值，因此，近年来被广泛应用以 下几个方面i 札1 1 3 3 1 1 m l l 3 5 1 。 1 ) 血管系统的检查 年图足旋转d s a 侧面投影社示出颈动脉内部的轻微血管狭窄现象( 红箭头) ，忸不清晰。 右图足通过表面阴影显示的三维d s a ，它更清除娃示了左图中的血管狭窄现象。 圈1 3 3 - 2 t 3 q 上淘人学t 学顿一l 学位论文 对头颈部、胸部、腹部以及p u 肢血管进行造影，各自具有不同的优势。对肿 瘤染色有独到之处，广泛麻用于颈动脉( 如图1 3 3 2 川) 与椎动脉起始部、颈内、 颈外及椎一基底动脉系统的检查，其渗断灵敏度、特异性和正确性都很高，达 9 5 1 0 0 ；对心脏及大血管的显示相当令人满意，能清楚显示主动脉弓、升主动 脉及降主动脉，对主动脉夹层动脉瘤具有很好的诊断价值，对大动脉炎可以很好 地显示病变范围；还能清楚显示肺动脉，对主动脉狭窄、主动脉瘤的形态的诊断 也具有重要价值；还可以诊断四肢动脉及其干支的狭窄和闭塞：对于很难用动脉 插管的腹部动脉狭窄，尤其有严重的动脉粥样硬化狭窄的部位，采用d s a 三维 重建技术，更能显示该技术的优越性。 2 ) 介入放射学的应用 在介入放射学中，利用d s a 三维重建技术作引导管方式，能实时显示导管 或导丝m i 在血管内推进的情况，并清楚地观察其与血管的关系。使导管头部的 定位更为精确，加速选择性或超选择性插管的操作。d s a 三维重建技术也有助 于各种介入性操作，如对出血病灶和畸形血管的栓塞，对肿瘸血管的栓塞或局部 注入化学药物。采用气囊导管对狭窄的斑管施行腔内成形术等。 3 ) 其它方面的应用 d s a 三维重建技术对于观察肿瘤的血供情况，肿瘤的良、恶性鉴别和手术 疗法的选择有很大帮助；它还能清楚地显示移植妞管与原来血管相吻合的情况以 及血管问的相互关系；肾移植后可用具有三维重建功能的d s a 系统来鉴别急性 。肾小管坏死，急性排斥和手术并发症。 1 4 论文的研究意义及主要工作 1 4 1 论文的研究意义 人类的生存空间是三维的，人体也是三维物体，所以如果仅参考一般二维的 d s a 图像，则所能得到的信息相对就会有所不足，一些病灶可能就无法被发现。 因此，有许多的研究人员致力于d s a 三维重建技术的研究，正如1 - 3 3 节所述， d s a 三维重建技术具有非常重要的临床价值，它可以减轻医生的负担、提高诊 断的效率和准确率，还能提供血管三维空间的解剖结构，医生再也不需要进行凭 空想象来构建三维血管图，而只需要借助d s a 图像处理工作站的三维重建软件 埘感兴趣的部位进行三维重建，就可以从各个角度，放大或缩小的观察血管更 上海大学工学硕卜学位论文 直观地看到血管二三维空间的解剖结构。因此，d s a 三维重建技术对血管三维空 叫解剖结构的理解、脑血管疾病的诊断以及介入放射治疗等方面有着十分重要的 意义。 从1 2 节介绍的国内外研究现状，可以了解到国外仪器的三维重建系统都是 基r 号用的图像处理工作站，没备自i 贵，操作复杂，并且其软件的接口是保密的， 想进一步丌发很困难。虽然d s a 三维重建技术在国外已经成熟，但是在国内对 它的研究还比较少。因此，本文对d s a 三维重建技术的研究是非常有实用价值 的，对推进我国d s a 技术的发展，降低d s a 系统的成本起着积极的作用。 国际大的医疗器械生产厂商所研制的d s a 系统从数字减影血管造影设备的 设计到生产，走的是一体化设计的道路，从x 射线机到数字图形处理系统都由 同一公司提供，并且所提供设备的各部分之间是预先经过统一规划和设计考虑 的，而国产机大多是采用为x 射线机加装d s a 系统，通过改造使得x 射线机具 有d s a 功能，这样虽然投资小，但是图像质量比不上一体化设计的系统好。 因此，研制国产一体化设备无疑是十分重要的。 自上海市科委基会资助， 海爱中科技发展股份有限公司和上海大学合作，共同研制医用多功能数字x 光 机，取代传统的单一功能的x 光机，实现x 线技术的升级换代，该产品将成为 国内第一台多功能数字式x 线产品，并达到国际九十年代末的先进水平，同时 申请发明专利和实用新型专利各两项，可望在项目实施期内获得授权实用新型专 利两项以及d s a 处理软件知识产权保护项，还将提出该类产品的国家标准草 案。本论文所研究的d s a 三维重建技术就是该项目中d s a 图像处理工作站的三 维重建模块，是非常有用的部分。 本文对d s a 三维重建技术的研究主要是对三维数据场的重建算法进行研 究。提出了一种新算法，命名为光线切割算法( l i g h t c u ta l g o r i t h m ) 。该算法是对 旋转d s a 系统所采集的一系列二维投影图像进行处理，重建出三维数据场。 1 4 2 论文的主要工作 本文的章节如下安排： 第一章综述了d s a 三维重建技术的发展历史及其在临床方面的应用，介绍 了d s a 的基本原理和三维重建技术的研究内容，并提出了本文的主要工作。 第二章为了能够全面的了解d s a 三维重建技术，本章首先介绍了血管造影 的发展，描述d s a 系统的整体结构及主要组成部分，并对两类d s a 系统及具有 三维重建功能的旋转d s a 系统做了详细的介绍，最后给出了三维重建的过程以 及咳技术的优点。 第i 章在介绍和分析了常用的典型d s a 三维重建算法的基础上，提出一种 新的d s a 三维数据场重建算法，并给出详细的算法思路、公式和框图以及新算 法的优缺点的说明。最后，用m a t l a b 软件对模拟数据进行仿真实验，证明了该 算法的有效性和可行性。 第四章先从三维数据场的类型、可视化方法以及过程三方面概述了三维数据 场的可视化，随后分析了各类可视化的典型算法以及它们的基本原理，在此基础 上，根据本文所获的的三维数据场类型和特点，提出本文所采用的可视化绘制方 法，并采用行程编码对三维数据场进行编码，来加速可视化绘制算法。 第五章设计了基于p c 的d s a 三维熏建系统，对整个系统的模块和功能作 了详细的说明，以及给出了程序的框图。本系统利用光线切割算法作为三维数据 场重建的算法，使用光线投射算法进行可视化显示。为了加快绘制算法的速度， 本文使用行程编码对三维数据场的巾空区域进行了精确的编码进而减少了数据 存储量，最后还给出了本系统运行f | 勺结果。 第 章在前面五章的基础上，详细总结了全文的工作，并且针对算法的优化 以及系统的完善提出了建设性的建议，对于d s a 三维重建技术这一领域作了进 一步的展望。 询凡# 厂学坝l ，学位论殳 第2 章d s a 三维重建技术 内容提要：为了能够全面的了解d s a 三维重建技术，本章首先介绍了血 管造影的发展，描述d s a 系统的整体结构及主要组成部分，并对两类d s a 系 统及具有三维重建功能的旋转d s a 系统做了详细的介绍，最后给出了三维重 建的过程蹦及该技术的优点。 2 1 血管造影的发展 在介绍d s a 三维重建技术之时，先来了解一f 血管造影，它是用来研究血管 结构的技术，人体血管造影可咀追溯到2 0 世纪初期，下面按照不同的造影方法 介绍血管造影的发展： 血管造影( a n g i o g r a p h y ) ：给血管注射造影剂之后，当造影剂充盈血管时进行 x 射线造影获得图像，此时获得的图像因为造影剂的缘故，加强了对皿管结 构的显示，但是同时也显示了骨和软组织结构。 减影血管造影(