【《医学图像的三维重建技术研究国内外文献综述》6300字（论文）】

PAGE5医学图像的三维重建技术研究国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u32544医学图像的三维重建技术研究国内外文献综述 1168321.1医学图像分割辅助三维重建的方法 1191931.2Mimics软件应用于医学图像分割辅助三维重建 3112441.3门静脉系统血管三维重建的研究现状 5873参考文献 6CT等医学图像可以为医务工作者显示患者病变部位及病变具体情况等信息。通过这些医学图像信息，医生可做出初步诊断并制定治疗方案。但CT检查图像等仅可以提供二维层面信息，这些信息不能全面展示患者病变信息。而通过对CT等图像重建获得三维结构图，可以定量分析其三维特征，从而为临床医生提供更加全面、精确的病变信息。图像的三维重建是将二维平面图像组合成立体结构图，其能够实现的最重要步骤就是图像分割，图像分割是许多视觉理解系统的重要组成部分。随着计算机技术的发展，现已经开发了许多图像分割算法，应用于科技、医学图像分割等领域。医学图像分割是从生物医学图像中识别出解剖或病理结构的像素或体素，其在计算机辅助诊断、放射诊断治疗、手术模拟、疾病治疗治疗及许多疾病的随访等生物医学应用中具有重要意义。医学图像分割技术已经在医学实践中广泛应用，如脑出血和其肿瘤分割、心脏分割、肝脏及其肿瘤分割、肺和肺结节及多器官分割、细胞和亚细胞结构分割及血管分割等，因此可以提供有关感兴趣对象的关键信息。医学图像的语义分割涉及用语义类标记每个像素或体素，而实例分割(例如细胞分割)中扩展语义分割以区分同一类中的每个实例。传统医学图像分割及重建的方法经历了不断的发展，最初的重建分割算法主要有区域增长、阈值法、基于直方图捆绑法，k-均值聚类法、分水岭法等。随着计算机技术的不断发展，后来出现了比较进步的算法，主要有活动轮廓算法；图切算法和基于稀疏的算法。不同方法对图像分割重建的精确性差异很大。1.1医学图像分割辅助三维重建的方法根据理解分割角度的不同，医学图像分割辅助三维重建的方法可分为能量泛函法，阈值法，基于区域法，图论法和边缘切割的方法。阈值法的理论基础主要是根据医学图像的某种特定属性来分割图像，例如图像的像素值。根据所给医学图像呈现的像素特征来评估、确定对应的阈值，随后将图像的像素与所选定的阈值互相比较，最终我们把图像灰度根据比较结果归类到其本来所属的类型中。然而，我们也能够依照图像的先验知识把目标医学图像分割成若干子区域。阈值法可以直接检测及对目标医学图像进行分割，其方法较为简单。但由于目标图像空间数据较为复杂，其没有考虑目标图像三维空间的特征信息，对灰度值相似或者重叠的复杂图像很难分割精确。上腹部增强CT其由于包含组织较多，灰度值较难区分，阈值法对其分割效果可能会出现一定误差。按照分割目标的不同，基于区域的算法主要分为区域生长法、合并法以及分水岭法。其中区域生长法是是在目标医学图像中根据不同部位其像素点不同的特征，按照特定的生长规律合并周围同类像素点的生长过程。区域生长法主要包含三个步骤：首先，在目标医学图像里，选择适合的像素点作为区域生长的种子点；然后按照特定的生长规律来合并周围同类像素点，例如阈值信息；最后根据生长规律，直至无新的像素点可以合并，我们认为区域生长过程结束。合并法是把医学目标图像随机分割为若干子区域，这些区域相互之间没有重叠。然后按照特定的规律把这些子区域进行合并从而达到对图像分割的目的。分水岭分割的理论基础是拓扑理论，我们可以把医学图像的特定区域当作拓扑结构，在目标医学图像中，特定点的灰度值就代表其所处位置的垂直高度，而把集水盆定义为其局部垂直高度较低或者凹陷的区域，分水岭实际是这些垂直高度相接的区域。分水岭法是实际为模仿洪水从最高点蔓延整个集盆地的经过。依据此规律，直至对整个目标图像完成分割。由于CT图像中混杂噪声，其会对此类算法造成一定的偏差，并且整个目标图像分割过程花费时间很长。基于图论的分割方法是通过将目标图像分为无数子图而实现分割目标。图论分割法其实是将目标图像按照一定的规律进行映射，映射结果为无限加权图。按照映射规律，把目标图像的像素点与加权图进行点对点对应。总而言之，图论法的实质就是去除目标图像中的干扰，把目标图像划分为若干个次级图。GraphCuts是一种较为经典的图论法，其在应用于医学图像分割时，需要我们人为指出目标图像中的某一个点作为其分割的开始点。图论法由于其分割过程较为繁琐，在对医学CT图像进行分割、重建时需要耗费人力、时间。边缘分割是针对目标图像边缘进行分割的方法，目标图像的边缘是指在一个图像中两个像素值不相同的子图之间交界点的集合，在边缘处，由于其像素值差异较大，我们可以利用像素梯度来实现对目标图像的分割。Roberts、Prewitt、Canny及Log等方法为基于边缘分割的常用算法。基于边缘的分割方法具有省时、速度较快且定位较准确等优点，然而由于易受目标医学图像中的噪声干扰，其在对上腹部增强CT这种噪声较为多的图像分割应用中受限。基于能量泛函的分割算法的理论基础为能量最小化的规律，其分割方法中最重要，应用最多的是活动轮廓模型，对于我们特定给予的目标，该算法能够进行曲线拟合，从而达到对目标医学图像分割的目的。具体步骤为：首先需要对目标图像进行轮廓信息初始格式化，接着利用初始化的轮廓信息构建需要的能量模式，通过能量最小化的规律诱导目标图像轮廓进行转变，直至接近目标图像的交界线，进而实现对目标医学图像分割的任务。能量泛函的分割算法中有代表性且广为使用的为Snake模型，能量泛函分割算法能够实现在基于能量的基础上，将轮廓模型融入其中。其分割速度较快，花费时间较短，但由于其应对拓扑结构变化的能力较弱，对于上腹部增强CT这种结构变化多端的图像，其分割能力受限。近年来随着计算机技术的发展，目前出现了如卷积神经网络等的深度学习方法，其可应用于医学图像分割进而实现三维解剖结构的重建。深度学习方法在训练过程中需要大量人工标记的医学图像，由于标记工作繁琐且难度较大，导致可用于深度学习方法训练的医学图像较少。除此之外，深度学习方法对其分割的医学图像成像质量要求高，而医学图像常容易混杂伪影等，导致其分割、重建的准确性较差。1.2Mimics软件应用于医学图像分割辅助三维重建交互式医学图像控制系统（materialise'sinteractivemedicalimagecontrolsystem，Mimics）是一个用于可视化和分割例如X线片、CT和MRI医学图像以及渲染3D对象的软件工具。此软件有两个版本：研究版和医学版。在这些版本的预期用途声明中所描述的限制范围内只有医疗版本可以用作医疗日常工作图像处理，而研究版本的Mimics软件仅供研究者开展日常研究所用。Mimics可支持输入和处理多种格式的2D图像格式，主要包括：Dicom格式、BMP、TIFF、JPG和原始图像等。图像经过其软件处理后，可以应用于测量、设计、建模和三维打印等许多解剖学领域。Mimics软件可以实现其用户控制和纠正CT和MRI扫描医学图像的分割，对其比较熟知的用户可以较为轻松准确地定义三维模型，用于可视化和构建解剖结构。该软件还可以实现以消除由于病人的体内植入金属所造成的图像伪影。Mimics软件可用于定义和计算必要的数据，以在所有快速原型系统中构建所需医疗对象的三维解剖结构。Mimics附加模块提供了更广泛的功能，例如执行CAD操作，用于设计定制例如膝关节、髋关节等假体，也可以实现基于图像数据优化新设备或准备有限元网格的功能。Mimics还开发了单独用于制作医学材料的软件，该软件非常适合为任何医疗模型或设备的3D打印系统做出打印。Mimics软件模拟扫描仪数据（CT、MRI技术扫描）与快速原型、STL文件格式、CAD和有限元分析之间的接口，该软件是一个图像处理软件包，可与所有常见的扫描仪格式进行交互进而实现其3D可视化及重建功能。因此，在医学领域，该软件对目标图像的三维模拟可以用于疾病诊断、手术计划制定及虚拟手术操作演练等。其快速原型系统包括一个非常灵活的界面，以建立特定的分割对象。利用Mimics软件中“计算三维物体位置差”工具，可以测量两个相同几何物体的惯性坐标系的平移和旋转。其中惯性坐标系将以质心为原点拟合到选定的三维对象上。这两个惯性坐标系将在三维视图界面中显示。灰色线连接坐标系的两个原点，表示质心的平移。在坐标系的两个轴之间可以测量旋转角度，在两个轴定义的平面内，可以计算质心沿惯性坐标系中三个轴的平移以及总平移距离（图1-6）。图1-6Mimics软件计算三维物体位置差示意图Mimics软件可以实现在X射线上寻找合适的点，并在X射线这个合适点上放置实体材料。其实现方法主要为在二维视图界面中单击X射线即可创建该点。将该点将作为X射线对象的子实体分组集的集中点，使用显示笔光标功能可以在X光片上的最为合适处标出其放置点，创建的点处有一个可调整的圆，可以用来精确地将点居中。可以通过单击并拖动中心点来移动该点，并拖动圆上的任意点来调整圆的大小（图1-7）。在骨科及相关学科中，了解股骨头内的血供对于治疗股骨颈骨折十分重要，然而传统的方法很少的显示股骨头内血管的精细分布，DeweiZhao等[52]用AMIRA、Mimics软件重建股骨头内的血管分布，采用血管造影方法和显微CT扫描对未受伤的正常人股骨头骨内血供进行图像显示。数据导入AMIRA和Mimics软件程序，重建和量化骨外和骨内动脉(直径、长度)。然后通过数字剪影血管造影的方法，观察股骨颈骨折患者股骨头血供情况，判断支持动脉受损情况，从而勾画出股骨颈骨折后股骨头可能的血液代偿途径。图1-7Mimics软件在X射线片中寻找放置点示意图腰椎区是一个潜在的供区，以穿支为基础的旋转或自由皮瓣，或作为自由皮瓣的接受区，以获得骶骨区缺损的覆盖。由于对该潜在皮瓣部位的微血管解剖缺乏共识，因此需要对该部位进行深入的解剖研究。MaryBethBissell等[53]通过对使用Mimics软件为每对腰椎血管生成腰椎区域微血管的三维重建，记录所有腰动脉及其穿支的直径、行径和椎弓根长度。通过对四组腰动脉的穿支进行对比，发现第一和第四腰动脉的穿支具有合适的直径和其蒂的长度，适合用来作为皮瓣吻合时的血管重建。使用Mimics软件可以对术前患者的医学图像进行分割并重建其三维结构，可以直观地显示目标区域的解剖特征，从而为临床医生提供准确的病变部位、病变范围。临床医生可以根据其准确的病变信息而制定详细、精准、个体化的手术方案，从而给患者带来更大的临床收益。Mimics软件标记的中心线将出现在CAD对象选项卡中，其“标签：中心线”对话框将列出标记的血管、支气管等需要标记中心线的管状结构，通过中心线的建立，我们可以直观地分析管状结构的走形，迂曲、分叉及汇合的情况，同时我们也可以在其上测量管状结构的直径，整体长度、体积等指标（图1-8所示），从而其可以为临床医生提供准确的管状结构信息，Mimics软件可应用于例如慢性支气管炎、脑卒中等疾病诊断及治疗中，并且具有很好的实用性及准确性。图1-8管状结构中心线示意图Mimics软件中肺模块为呼吸系统中气管、支气管的分割和分析提供了专用工具，它可以实现对下呼吸道，肺和肺叶分离裂痕进行快速的自动分割。使用气道分析可以在分支点和末端匹配两个气道，以准确比较体积或表面积（图1-9）。其分割方法主要为阈值及区域增长，在此基础上可以实现三维剪切修改。由于其具备成熟的肺脏模块，Mimics软件在呼吸系统疾病中应用广泛，可以实现肺脏分叶的分割及重建，进而可以准确识别如肺癌发生的部位，大小范围及有无肺内转移等情况，也可以为外科医生手术方式的选择，手术切除病灶定位及范围提供有效的解剖结构信息。同时Mimics软件可应用于支气管系统疾病的诊治，其可以三维重建支气管系统解剖结构，可以应用于呼吸道阻塞等疾病，其重建结果可以显示由于异物引起呼吸道阻塞患者的病变信息：提供准确的阻塞支气管定位及异物大小，评估可否行支气管镜下异物取出还是外科手术协助治疗等。图1-9Mimics软件重建气道三维解剖结构示意图1.3门静脉系统血管三维重建的研究现状近年来随着三维重建的发展，有研究致力于肝脏血管重建中的分割算法研究出现，其主要包括基于阈值的算法、基于区域生长的算法、基于图论及模型的算法。Selle等[54]通过传统的阈值合并区域生长方法对CT图像中的肝脏血管进行重建且取得了一定的效果；Eidheim等[55]利用熵的阈值对PV血管分割，并在得到的血管像素里按照一定的匹配规律获得目标CT图像中的血管三维结构。Beichel[56]将基于区域生长的方法用于肝脏门静脉血管分割中，取得了一定的效果。Sboarina[57]应用了半自动区域生长的方法实现了对肝脏门静脉系统分割较好的效果。Esneault]等人[58]提出了一种能量最小化方法用于分割肝脏血管，其分割的效果尚可。Yang等人[59]对肝门静脉血管进行分割时使用了其它算法，主要是通过贝叶斯概率分割法得以实现，但准确性较一般。Soler等人[60]针对分割血管需要人工参与的问题，其开发出能够实现肝脏门静脉血管全自动分割的方法，其主要的研究思路是通过旋转、平移等方法实现肝脏的分离，接着对门静脉血管进行分割重建，使用的方法为基于直方图的方法。研究结果表明其方法具有一定的准确性但仍需优化。方驰华等[61]利用区域生长法、阀值分割法、三维分割与二维分割相结合的方法对CT图像进行三维重建，重建得到的门静脉系统血管、胆管等效果较好，可用于指导手术方案的选择。上述门静脉分割方法虽然效果尚可，但其仍然存在着很多不足之处：首先这些方法对CT图像中的干扰敏感。上腹部增强CT图像的质量受多方面因素影响，其在检查结果中出现大量干扰，会导致分割的效果较差；其次可能出现分割结果连续性差，门静脉系统血管分割的目标CT图像是二维平面结构，当我们对其结果进行三维重建时就可能会出现血管三维结构连续性差，进而影响我们对其解剖结构特征分析；而且由于肝脏中肝静脉与门静脉相互交叉，可能在其分割结果中出现二者血管结构界限混淆，导致其准确性较差，使其在临床应用中受限。门静脉系统的正常解剖及变异对于外科医生肝脏手术的实施意义重大。Mimics软件可以准确地对重建肝脏、脾脏、门静脉系统血管，可以提供门静脉系统血管三维解剖结构信息。陶文强等人[62]利用mimics软件对64例无肝脏病变患者CT图像数据进行标记、分割，获得门静脉血管的三维结构图，其研究发现重建后的门静脉三维模型能够较好的反映门静脉真实解剖结构，对手术具有一定的指导意义。由此可见，Mimics软件具有强大的功能，其系统中有多种可以实现标记、分割及重建目标的模块及功能，可以使用其强大功能去除上腹部增强CT图像中的噪声干扰信息，同时其个性化设计使得研究人员的可操作性极强。Mimics软件对肝脏、脾脏及门静脉系统血管分割及重建具有较高的准确性及可行性，目前使用其进行分割、重建的结果常作为研究的真实标准，进而评价其它方法的准确性。通过使用Mimics软件对上腹部增强CT图像进行标记及重建，进而对其获得的三维解剖结构进行特征分析，可能提供对某些疾病在临床实践中诊治有价值的指导意义。参考文献WangFS,FanJG,ZhangZ,etal.Theglobalburdenofliverdisease:themajorimpactofChina[J].Hepatology,2014,60(6):2099-2108.BloomS,KempW,LubelJ.Portalhypertension:pathophysiology,diagnosisandmanagement[J].InternMedJ.2015,45(1):16-26.KehlO,BuhlerH,StammB,etal.Endoscopicremovalofalarge,obstructingandbleedingduodenalBrunner'sglandadenoma[J].Endoscopy,1985,17(6):231-232.张莉娟,王小众.液递物质与门静脉高压症[J].世界华人消化杂志,2000,8(11):1280-1281.TurcoL,Garcia-TsaoG.PortalHypertension:PathogenesisandDiagnosis[J].ClinLiverDis.2019,23(4):573-587.WangX,LinSX,TaoJ,etal.StudyoflivercirrhosisovertenconsecutiveyearsinSouthernChina[J].WorldJGastroenterol,2014,20(37):13546-13555.[J]D’AmicoG,Garcia-TsaoG,PagliaroL.NaturalHistoryandPrognosticIndicatorsofSurvivalinCirrhosis:ASystematicReviewof118Studies[J].J.Hepatol.2006,44:217-231.CarbonellN,PauwelsA,SerfatyL,etal.ImprovedSurvivalafterVaricealBleedinginPatientswithCirrhosisoverthePastTwoDecades[J].Hepatology2004,40,:652-659.中华医学会肝病学分会,中华医学会消化病学分会,中华医学会内镜学分会.肝硬化门静脉高压食管胃静脉曲张出血的防治指南（2016年版）[J].中国肝脏病杂志,2016,8(1):1-18.GuturuP,SagiSV,AhnD,etal.CapsuleendoscopywithPILLCAMESOfordetectingesophagealvarices:ametaanalysis[J].MinervaGastroenterolDietol,2011,57:1-11.ColliA,GanaJC,TurnerD,etal,Capsuleendoscopyforthediagnosisofoesophagealvaricesinpeoplewithchronicliverdiseaseorportalveinthrombosis[J].CochraneDatabaseSystRev,2014,10:CD008760.HammoudGM,IbdahJA.Utilityofendoscopicultrasoundinpatientswithportalhypertension[J].WorldJGastroenterol,2014,20:14230-14236.BoschJ,BerzigottiA,Garcia-PaganJC,etal,Themanagementofportalhypertension:rationalbasis,availabletreatmentsandfutureoptions[J].JHepatol2008,48:68-92.DeFranchisR.Expandingconsensusinportalhypertension:ReportoftheBavenoVIConsensusWorkshop:Stratifyingriskandindividualizingcareforportalhypertension[J].JHepatol2015,63:743-752.SinagraE,PerriconeG,D’AmicoM,etal.Systematicreviewwithmeta-analysis:thehaemodynamiceffectsofcarvedilolcomparedwithpropranololforportalhypertensionincirrhosis[J].AlimentPharmacolTher2014,39:557-568.Bañare