颈动脉三维重建及临床应用的研究

周志尊 王佳美 胡明成 陈广新 刘阳 董默 孙强 孙鹏 刘佳維

摘要：采用活体器官的CTA头部断层扫描图像为原始数据，实现了颈动脉的三维重建及相关空间参量的测量。这种成像方法可以无创、活体对血管内壁进行准确拓扑学建模，清晰观察颈动脉管壁及外周结构，呈现颈动脉与周围组织的解剖学结构关系，评价颈动脉狭窄及空间位置、管壁斑块、血栓或肿瘤的结构特征。该研究成果弥补了目前影像诊断的不足，在模拟仿真手术及医学影像教学研究等方面有一定的应用价值。

关键词：三维重建；颈动脉成像；空间参量；图像分割

中图分类号：TP319文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.l003-6970.2017.08.006

本文著录格式：周志尊，王佳美，胡明成，等.颈动脉三维重建及临床应用的研究[J].软件，2017，38（8）：32-35

引言

脑血管疾病发病率逐年上升，是威胁生命及健康的重要疾病。颈动脉狭窄甚至栓塞将导致缺血性脑卒。对于颈动脉狭窄与栓塞的成因的研究是现代医学的重要课题，通过对颈动脉三维重建的研究，可以还原颈动脉的结构，研究颈动脉与其它组织器官的关系，清晰地显示血管内壁的形态，对于研究脑血管疾病的成因及临床诊断与治疗有很大的帮助。颈动脉的三维可视化过程可分为三个阶段，第一个阶段是将一系列的二维CTA或MRI动脉与

静脉图像进行图像的预处理，然后应用特定的方法对一系列平面图像进行图像分割，分割出需要重建的血管，去掉其他图像信息。第二个阶段是将处理好的二维图像，用特定的成像方法进行叠加，实现颈动脉的三维重建，最终建立起三维图像模型。第三个阶段是使用该模型完成颈动脉的定性和定量分析。三维可视化模型弥补了二维CT、MRI图像直观性与准确性差的弱点。三维重建的立体解剖结构可以在任意方位观察颈动脉的外部及内部结构。CT与MRI平扫图像组是颈动脉三维成像的基础材料，CT图像通过组织密度的差异来反应组织结构的变化，MRI是通过颈动脉中富含的氢原子核的多少成像，因此，他们会反映不同的组织结构，成像的边界也不尽相同，所以，我们将会在另外一个研究课题中重点研究MRI的颈动脉三维成像方法与特点。在三维成像的过程中，二维图像的颈动脉边界分割的精度将会直接影响三维颈动脉模型的质量与精度，图像分割精度与方法非常重要。利用临床现MRI与CAT数据采用现代图像处理技术对颈动脉血管的三维重建和可视化研究为人体器官的研究提供了新的方法。

本研究旨在应用医学图像处理与分析技术手段，采用临床所提供的头部CTA与MRI平扫图像建立颈动脉三维模型，并进行定性与定量分析。该研究成果可以弥补目前影像诊断的不足，同时在模拟仿真手术及医学影像教学研究等方面有一定的应用价值。

1 图像分割的模型与算法

本实验的图像分割采用阈值法，用直方图加以控制与实施。阈值图像分割方法实现简单，计算量小，同时性能稳定，能够实现快速实时得到结果，是医学图像分割的首选技术。

图像分割模型是基于一维灰度直方图统计特征的分割方法建立起来的，将所选取的阈值将图像灰度直方图分成两段或多段，同一段内的所有像素灰度定义为同一常量。如式（1），设原始图像为按照一定的准则在中找到若干个原始图像的灰度或彩色特征特征值，Tl，T2，其中，将图像分割为几部分，分割后的图像为：

如果，则图像被二值化。图像二值化可以实现初步的颈动脉边界分割。

阈值的选取是阈值分割技术的关键。在确定阈值时，如果阈值过高，则过多的目标点被误认为是背景，如果选取的阈值过低，则会出现相反的情况。从灰度直方图上根据经验可以直接选取颈动脉外表皮边界的灰度值为阈值点，从而将颈动脉从头部CTA图像中精确地分离出来。

2 颈动脉三维重建的材料与实验设计

2.1 临床资料

采集牡丹江医学院第一附属医院一例成人头颈部CT增强平面连续扫描图像数据。男性患者，80岁，左侧上下肢遠端麻木无力。成像设备为飞利浦Brillian 64CT，CT扫描参数设定为电压120V，电流250mA，断层厚度0.5rmn，图像矩阵512x512，扫描方位为冠状面从头顶部到肩部，共采集1249张CTA图像。为了提高颈动脉病变的检出率及定性诊断的准确率，静脉注射60?100ml，浓度为60%的碘造影剂用以增强扫描。

2.2 三维重建设备

图像处理硬件：Dell Precision7810图像处理工作站，参数为XCTO16GBE5-2609，主频2133MHz，内存为DDR4，RDIMM，图像处理显卡为ECC Nvidia Quadro K2200。

图像处理软件：MATLAB软件，用来实现对颈动脉CT图像的预处理及三维重建。Dicom Viewer软件，用以实现对CT原图像组的格式转化，完成将原图像DICOM格式转化成TIF格式的任务。Photoshop软件，对生成的TIF格式的图像进行图像预处理及图片大小等参数的调整，实现颈动脉CAT平扫片中颈动脉的分割。Mimics，用于3D建模与模型参数分析。

3 颈动脉三维重建的实验方法

3.1 原始图像的预处理

由于图像中存在各种噪声干扰，图像的直方图往往不能达到理想双峰效果，出现不平滑现象，此时需要首先对直方图曲线进行平滑处理，然后再进行阈值选取和分割。通常可以采用对直方图中每一灰度级处直方图统计值进行修正，这种方法快捷且能有效地平滑直方图曲线，使得直方图双峰特点更加突出和鲜明。

3.2 图像分割算法的实现

本研究采用一男性患者头颈部CTA增强扫描断层数据，在1294张头部断层图像中选取443?723系列图像，共计280帧实施图像分割，在此范围内的图像包含了完整、清晰的颈动脉、静脉信息及必要的骨骼，用以提取椎动脉及颈内动脉。首先将原始图像的DICOM格式由Dicom Viwer逐一转化成TIF格式，应用直方图，选定特定的阈值处理图像，用Photoshop将图像中的无用消息去掉，最后米用MATLAB软件做进一步处理，完成颈动脉的三维重建，清晰完整地从不同角度显示颈动脉各段的结构与形态的变化。图1显示了经过了阈值分割后的CTA平扫图像，图像中除了包含用于三维成像的颈动脉及腔静脉信息，也包含了其他不需要的信息，因此需要做进一步处理以剔除残留组织。图2是在图3的基础上应用Photoshop软件做进一步处理，仅仅保留了颈动脉及腔静脉的图像，该系列图像应用MATLAB做进一步叠加与批处理可以实现图像的三维重建。我们还将尝试应用Mimicsl9完成图像的自动分割，及三维模型重建与分析。

3.3 图像重建

本实验采用活体器官的CTA头部断层扫描图像为原始数据，应用MATLAB软件实现颈动脉与腔静脉三维图像构建，构建的三维模型可以快速、便捷及准确的检测颈动脉与腔静脉的直径、截面及体积等空间参量。应用MATLAB的图像处理功能也可以实现人体其他器官的CT及MRI图像的三维表面重建及体重建。此方法的最主要的优点在于同时可以对人体活体器官与组织进行三维表面重建、体重建、测量活体器官的体积与面积等空间参量[11，12]。在1294张头部断层图像中选取443?723系列图像，分两部分实施图像分割，并各自独立实现三维重建。图4显示了第一部分的三维重建图像，图5显示了第二部分的三维重建图像。二者均清晰地显示了人体头部颈动脉及腔静脉的三维成像模型，并拓扑表现了血管内壁结构与状态以血管外壁形式的直观展现，即模型呈现的血管外壁实际上是学管的内壁。为了体现血管与周围骨骼的空间关系，在成像的过程中保留了部分头骨与颈骨。

应用Mimics19体绘制方法可以在不对被显示物做分割的前提下完成三维成像，可对体数据中单个体素加以处理，完成三维图像的可透视化重建，Mimics体绘制方法更适用于边界呈连续变化的的组织和器官，体绘制透明度的引入可以呈现组织器官的质地属性、形状特征及层次关系，从而使三维图像的信息更加丰富，此种成像方法将会在以后的课题研究中详细讨论。

4 结果与分析

本实验采用活体器官的CTA头部断层扫描图像为原始数据，应用MATLAB软件实现颈动脉与腔静脉三维图像构建，构建的三维模型可以快速、便捷及准确的检测颈动脉与腔静脉的直径、截面及体积等空间参量。CTA颈动脉的三维重建及相关空间参量的测量方法是评估患者颈动脉解剖结构，分析其状态的一种实用而有效的技术方法，有一定的理论与临床应用价值[13，14]。这种成像方法可以无创、活体对血管内壁进行准确拓扑学观察与测量，清晰的观察颈动脉管壁及外周结构，呈现颈动脉与周围组织的解剖学结构关系，评价颈动脉狭窄及空间位置，管壁斑块、血栓或肿瘤的结构特征，为临床的进一步诊断与治疗提供可靠的影像学支持[15，16]。该研究成果可以弥补目前影像诊断的不足，同时在模拟仿真手术及医学影像教学研究等方面有一定的应用价值。