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第 1章概論

1.1 引言

對醫學影像的觀測分析是醫學診斷中最基本的手段之一。自從 1895年德國物理學家倫琴發現 X射線以來，醫學診斷方式發生了翻天覆地的變化。各種醫學成像技術的臨床應用飛速發展，使得影像技術已成為不可或缺的診斷工具。近 40年來，先后出現了超聲、計算機斷層成像( Computed Tomography，CT)、磁共振成像( Magnetic Resonance Imaging，MRI)、數字式 X射線攝影(Digital Radiography，DR)，以及各種功能成像技術，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，為真正的三維醫學診斷提供了數據源。同時，信息處理領域不少新技術獲得突破，各種影像后處理系統和應用軟件不斷被開發并投入應用，使得醫學影像分析和處理方式不斷改進，有力地促進了醫學診斷和治療技術水平的發展。

傳統的醫學影像技術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，對影像進行定性分析，來發現病變體或評估組織結構的畸形。由于人體的解剖結構是三維的，醫生需要具備較強的讀片能力，才能從二維影像上作出正確診斷，所以診斷結果依賴于醫生的讀片經驗。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構的空間關系，僅僅依靠醫生的主觀分析判斷是很困難的。因此，目前的臨床診斷應用迫切需要將醫學數據直接以三維圖像的形式直觀地顯示給醫生，并且讓醫生能夠對三維圖像進行任意縮放、對比、旋轉，從不同角度進行觀察分析或進行相關測量。應用計算機實現三維數據重建和可視化，幫助醫生從三維角度進行的觀察分析，以設計的治療方案，進而提高醫療診治水平，這無疑可大大提高影像數據的醫學利用價值。

三維數據重建和可視化的目標就是把科學計算或實驗測量中產生的大量非直觀的、抽象的或不可見的數據轉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據的全局分布和三維數據間的關聯和層次關系[1]。三維數據重建和可視化涉及圖像處理、計算機圖形學和圖形交互技術等相對獨立的學科領域。醫學圖像通常數據量很大，而臨床應用方面不少場合需要快速甚至實時顯示，多年來不少研究者致力于對醫學數據的真實、快速可視化技術的研究，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。近年來隨著計算機的處理速度和內存容量的大幅度提高，以及計算機圖形學等領域的蓬勃發展，使得數據量巨大的醫學圖像的可視化以及交互處理得以快速實現。著名的可視人項目就是其中一個例子，該項目的研究者對人體標本從頭到腳進行了全身掃描，獲得了 3種數字圖像數據：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，由這些圖像數據重建并顯現人體各種組織結構，為人們研究人體組織器官提供了重要信息。

三維數據重建和可視化對臨床醫學發揮著巨大的促進作用，不少研究機構致力于這一領域的研究工作，開發出一些三維可視化系統并已應用于實際臨床診斷。醫學影像三維可視化也是科學計算可視化快速發展的方向之一，但由于醫學對象的復雜性和廣泛性，這個領域還有不少方面有待提出新的方法，很多潛在的應用有待進一步深入研究和開發。本書針對醫學圖像三維重建和可視化的基本方法以及軟件設計技術進行介紹，并給出 VC++實現實例。

1.2 醫學成像模式

近代醫學成像技術被認為起源于倫琴在 1895年發現的 X射線，之后相繼出現了 CT、MRI、超聲成像、單光子發射計算機斷層成像( Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT)和正電子發射斷層成像(Positron Emission Tomography，PET)等技術。這些成像技術為臨床上診斷組織器官形態、結構和功能信息提供了有效手段，成為醫學診斷和治療中不可缺少的重要工具。一般來說，醫學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]。本節重點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和組織密度信息，即解剖結構信息，常用的解剖圖像成像方式有 X射線成像、計算機斷層成像、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，倫琴本人也因為發現 X射線這項偉大貢獻獲得及時屆諾貝爾物理學獎。X射線是肉眼看不見的一種電磁波。 X射線成像是應用 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，波長長的容易被其他物質吸收。由于組成人體不同組織器官的物質密度不同，所以對 X射線的吸收存在差異，把穿透人體后強度不同的 X射線記錄在膠片上就可以反映人體內部的組織結構。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射線成像會出現影像重疊。也就是說，大小和密度相同的組織不論在人體內前、中或后部，其在 X射線圖像上呈現的結果是一樣的，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構的三維空間信息。

2.計算機斷層成像

計算機斷層成像(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過程實質是個數學問題 [3]。假設有一個 22矩陣，矩陣中的元素位置如圖 1-2所示，元素的數值未知。如果知道矩陣及時行元素的和為 4，第二行元素的和為 3，及時列元素的和為 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據。X射線管發出 X射線經準直器準直后成為一窄束 X射線，該 X射線對人體的某一特定層面從各個角度進行投射，如圖 1-3所示。透過人體的射線由探測器接收后進行適當的光電模/數轉換，將模擬信號轉換成數字信號后送到計算機進行數據處理。由探測器接收到的強度值即投影數據推算出圖像像素對應的密度值，從而實現對人體的斷層成像。因此，這種成像方式被稱為計算機斷層成像。通過逐層對人體某一部位器官掃描獲得一系列斷層圖像，對這些斷層圖像進行三維重建和可視化即可獲得該器官結構的三維圖像。美國物理學家 Cormack證明了投影數據獲得斷層圖像的可能性，并提出了相應的實現方法，英國電子工程師 Hounsfield設計出 CT裝置，實現了人體斷層成像，他們共同獲得了 1979年的諾貝爾圖 1-3 CT 醫學獎。

3.磁共振成像

1946年美國斯坦福大學的 Bloch和哈佛大學的 Purcell發現具有奇數個核子(包括質子和中子)的原子核置于磁場中，再施加特定頻率的射頻場，就會發生原子核吸收射頻場能量而發生能級躍遷的現象，即磁共振現象。兩位物理學家因而獲得了 1952年的諾貝爾物理學獎。隨后經過幾十年的研究，到 20世紀 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和空間位置相對應的磁場分布，人體在未進入磁場之前，體內質子的排列方向是任意的，做自旋運動，其磁矩互相抵消，故宏觀上人體不顯磁性。當人體進入這個外加磁場時，人體內的質子受外加磁場的影響，呈有序化排列。此時質子除了自旋外，還圍繞外磁場的磁矩轉動，這種運動方式稱為進動。這樣宏觀上將產生一個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，當其頻率與質子進動頻率一致時，就發生磁共振現象。此時，質子吸收射頻脈沖的能量躍遷到較高的能級，磁矩發生偏轉，整個自旋系統偏離平衡狀態。當射頻脈沖去除后，自旋系統逐漸恢復平衡狀態，這個過程稱為弛豫過程。恢復到平衡狀態所需的時間稱為弛豫時間，包括縱向弛豫時間 T1(反映自旋核把吸收的能量傳給周圍晶格所需要的時間)和橫向弛豫時間 T2(反映質子磁矩進動的相位由有序恢復至雜亂無章的狀態所需要的時間)。恢復過程中質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，該信號的強度跟共振核子密度以及兩個弛豫時間有關。而人體不同器官的正常組織與病理組織的弛豫時間是相對固定的，而且有一定的差別，這種組織間弛豫時間上的差別是 MRI診斷的基礎。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，進行空間編碼，將每個 T值轉為模擬灰度，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，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，可集中向一個方向傳播。采用超聲波對人體掃描，當超聲波進入人體后，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，則會發生反射形成反射回波。同時，對于直徑遠小于超聲波波長的介質微粒，大部分超聲波繼續向前傳播，小部分超聲波能量被微粒向四面八方輻射，即發生散射，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的結構信息。通過換能器將回波接收，被接收的回波經高頻放大器、檢波器和視頻放大器處理后，顯示在顯示器上。

其中輝度調節( Brightness，B)型超聲是目前超聲診斷應用最廣泛的成像模式。 B超的回波信號對應圖像上的一個個光點，光點的亮度由回波幅度線性控制。B超采用多聲束連續掃描，故相應圖像表現為二維圖像，可顯示臟器的二維切面圖像，并可以進行實時的動態觀察。

上述醫學成像技術都需要由外部向人體發射某種形式的能量，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，有選擇地向人體內注入含有放射性核素的示蹤藥物。示蹤劑根據人體的生理代謝規律進入人體的組織或器官，在此過程中核素發生衰變，將輻射 γ射線。通過體外對射線的測量估計核素在人體內的分布，從而實現對人體器官或組織的結構和功能成像。常用技術包括 γ照相機、SPECT和 PET等。

磁共振功能成像是磁共振技術的一項新發展，是目前應用最廣泛的一種腦成像技術。磁共振功能成像應用磁振造影對組織活動功能進行成像。其狹義概念主要是指血氧水平依賴性成像，用于進行腦功能的研究。廣義概念還包括：灌注加權成像或彌散加權成像，用于測量水分子的隨機運動和區域腦血流；磁共振波譜成像用于非侵入地測量一些腦內代謝產物；磁共振彌散張量成像用于對腦內白質包括纖維走行的研究。

相比解剖圖像，功能圖像既可以表現組織器官的功能信息，又可以表現形態信息，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結構，因此所涉及的圖像僅限于解剖圖像。

因篇幅限制，醫學成像的詳細內容這里不再贅述，感興趣的讀者可參考清華大學高上凱[4]的著作。

1.3 醫學圖像三維可視化系統的組成

醫學圖像數據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據(如 CT、X射線投影圖像)出發，根據不同的應用目的，在對二維圖像數據進行預處理后，經過三維重建生成各種方式的數據表達，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，醫學數據三維可視化系統主要包括圖像數據采集、二維圖像處理分析和三維重建顯示三部分。

原始數據可由測量儀器或計算機數值模擬獲得或產生，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