摘  要： 利用二维血管内超声图像序列重建三维血管模型，并对三维模型进行虚拟剖切，可以方便地看到内部组织，便于观察和诊断。针对血管内超声图像亮度变化小、形状特征不明显和图像分割效果不好等问题，基于MITK平台，采用光线投射算法对二维超声图像序列进行体绘制三维重建。对重建模型进行旋转、缩放和任意平面裁剪等交互操作，裁剪掉一部分无关体素，有助于医生观察血管的内部结构和细节信息。此外，通过调节体素的阻光度值，可以得到层次清晰的三维血管模型。
关键词： 血管内超声； MITK； 三维重建； 体绘制； 光线投射算法

   每一帧血管内超声图像能够显示当前位置血管的平面图，详细描述血管壁、内腔和斑块的组织成分[1]。但临床中，对于某段血管的血管内超声IVUS(Intravascular Ultrasound)图像序列，常常不仅限于单独观察每一帧图像，而需要构造出血管的三维视图，以便帮助理解血管及病变的空间毗邻关系,从而有助于对患者病情做出客观准确的判断。
    早期的血管三维重建是基于X射线的血管造影图像，能为医生提供形象、直观的三维血管形状，并且可以对血管的有关参数(如血管长度、曲率和挠率等)进行定量测量[2]。但是X射线血管造影是投影成像，无法显示管腔横截面的具体形状，因而无法判断斑块的具体形态和位置，而且在重建过程中一般假设管腔横截面为圆或椭圆，重建出的血管腔并不是血管的真实形态。参考文献[3]基于X射线血管造影和IVUS图像融合的血管三维重建，将由IVUS图像序列获得的血管横截面信息和由造影图像获得的血管及超声导管的空间几何信息结合起来,可克服分别独立采用二者重建血管时的不足[3]。但是冠状动脉的融合数据来源于两次不同的操作过程，首先是未注射造影剂时导引丝的冠脉造影和血管内超声图像，其次是注射造影剂后血管骨架的造影图像。由于获取数据的时间不同，因此需要结合ECG选取心动周期同相位处进行分析,研究过程比较复杂，成本消耗也比较大，距临床应用还有一段距离[4]。最早由BIRGELENC V[5]提出的基于IVUS图像序列的血管三维重建，采用面绘制或者体绘制的方法获得三维可视化效果。这种方法简单易行而且能重构出血管的三维表面，但是该方法重建的血管腔与真实的血管形态存在较大差异，只能为临床上医生对病情的分析及诊断提供一定的参考。本文在MITK平台[6]的基础上，采用光线体绘制算法实现了血管三维重建，并对重建模型进行旋转、缩放和任意平面裁剪等交互操作，帮助医生直观、定量地对血管内部结构进行察看。另外，对不同体素赋予不同的透明度，可以得到层次清晰的三维立体图像。
1 体绘制光照模型
    医学图像三维重建的方法大致可以分为面绘制和体绘制两大类[7]。与面绘制相比，体绘制利用的是全部体数据，在合成三维图像之前先对各数据进行处理，保留每一个细节，清晰地将数据间的特征和层次关系表现出来，对于形状特征模糊不清的组织和器官(如软组织及血管等)进行三维显示时具有较好的效果[8]。
    体绘制的基础是光照模型，为了更好地揭示体数据中的有用信息，需要有多种光照方式供选择以满足各种不同的需求。体光照模型研究的内容是光线穿过体素时的光强变化，可用体绘制积分方程进行数学表示[9]。



    本文利用IVUS成像设备，以0.5 mm/s的速度匀速回拉导管，获得图像分辨率大小为480×480的IVUS横断面图像序列，如图1(a)所示。取彼此相邻的1 098帧图像作为实验图像,基于MITK平台实现三维重建以及对重建模型的交互剖切，效果如图1(b)所示。由绘制结果可以看出，医学三维数据场中包含了丰富的体数据信息，运用三维重建技术重建得到的三维模型能够显示血管的三维形态。利用交互剖切技术能够裁剪掉一部分无关体素而显示感兴趣的区域，同时可以实时地对感兴趣部分进行旋转，便于多角度清晰直观地观察血管的内部结构。

　另外，调节体素的阻光度值，能够改变三维重建图像的透明度，从而形成层次清晰的立体图像。如图2所示，血管三维模型的透明度随着体素阻光度值的变化而变化。当阻光度α=0.000 1时，即对血管外膜以外体素分配较小的不透明度值，这样处理后的三维图像，其外膜以外对患者病情诊断意义不大的部分在绘制图像中不可见，而医生感兴趣的外膜以内区域则突出显示。随着α不断增大，外膜以外部分也随之变得清晰，当α=1.0时,外膜以外部分在图中突出显示，不利于医生对感兴趣区域的观察。
　本文在Visua1 C++6.0编译环境下,基于MITK平台实现了血管的体绘制三维重建，显示效果较好，克服了血管内超声图像亮度变化小、形状不明显以及图像分割效果不好的局限。通过旋转、缩放和任意平面裁剪等交互操作，裁剪掉一部分无关体素而显示感兴趣区域，便于从多角度清晰直观地观察血管的内部结构。另外，通过设置不同的阻光度值，可以调节血管外膜以外区域的不透明度，将外膜以内区域突出显示，形成层次清晰的立体图像。本文是进行初步研究工作的阶段成果，从体绘制的结果中可以看出，重建模型没能很好地反映血管的曲率信息，在今后的实践中还需要继续研究探索。
参考文献
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