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标题: 2D/3D影像数据分析于影像辅助处理之3D呈像 [打印本页]

作者: aceglobal 时间: 2007-8-9 15:38
标题: 2D/3D影像数据分析于影像辅助处理之3D呈像

2D/3D影像数据分析于影像辅助处理之3D呈像

对于许多医疗过程而言，特别是涉及病患健康及临床诊断，三度空间影像描绘扮演着关键的角色。本篇文章审视目前3D影像呈现方法的差异、临床医师的需求，以及期许呈像技术的持续发展。
Kenneth R. Hoffmann, Stephen Rudin, Hui Meng, Anant Gopal, Alan Walczak, Minsuok Kim, Sebastian Schafer, Peter B. Noel, Snehal Kasodekar, 及 L. Nelson Hopkins
目前医疗以数字系统撷取影像最为广泛。大型二维空间 (2D) 影像撷取设备用于取得胸腔及各种器官的2D投射影像。断层扫描疗程 [即：计算局部断层扫描(CT)、核磁共振造影(magnetic resonance imaging；MRI)及超音波]产生病患检测影像的三度空间(3D)数据。所有数据储存在1–10-terabyte档案夹供临床医师读取。然而，该影像分析保有原本的性质，以计算机为辅助装置供视觉影像检查之诊断。该分析技术被局限在分析任务上，所以在处置上以解剖及影像估算检测物目标相关位置，例如：辅助网(guidewires)、气囊(balloons)或支架(stents)位置。在3D影像侦测任务中，原本的断层扫描影像所产生的3D数据主要以连续的2D影片供临床医师浏览病患数据。因此，在诊断及治疗上无法将数据全数字化。
由于数字数据在医疗上的普及性，一群研究员及相关研发公司针对临床医师的需求而发展出影像处理工具，以协助临床工作及病症判定。三度空间影像数据以表面及实体呈像(volume-rendering)技术呈现。计算机辅助-诊断技术协助检测工作。影像分析工具为临床医师产生新的信息，而这些信息是无法单由解剖学评估获得。藉由这方面的影像信息，对于病患、疾病、诊疗和早期诊断将有新的认知与了解，这将可更为了解及判断病患。因此，医学数据呈现的角度可藉由想象、量化以至于信息甚至知识。
当影像数据处理需求更为复杂时，显示器制造商确实帮了医学工业很大的忙，在阅览3D影像数据功能的改善确实显著，且让临床医师能更为精准在患部插入支架(stents)、评估动脉的血小板形成及动脉瘤与侦测治疗过程。然而各种显示3D影像数据的方法皆存在着瓶颈，这些显像技术可能无法显示动态影像，而需使用眼镜或限制视角；最后，显视内容需要从解剖学的3D影像到机能性/解剖学的nD影像来展示它所增加的空间性，这需要新的显示范例以及能够促进多重空间(multi-D)资料疑问的认知。
本文章检视三个影像分析案例提供我们对于病患及治疗的新知：白血球分布、血管扭曲度及计算流体动力学(computational fluid dynamics；CFD)于患者特异血流计算。藉由这些例子，我们以图解的方式来说明这些方法已经可以提供临床医师使用。对于这些显示技术发展人员而言，这些案例的启发对于发展下一世代医学用显示器是相当重要的─临床医师需要适时且清晰的将影像信息显示出来，并将运用的方法及技术展示出来并呈现出关键数据。
血小板视觉呈像及定量
动脉粥样硬化障碍(白血球)通常会侵犯内腔及阻塞不同角度的血液流通，而导致心脏疾病及中风。在篓管状的血管尺寸及长度上的处理，因为血小板而造成动脉变窄程度需要予以评估，因为它具有实时影像及高空间分辨率，血管X光投射显像(X光血管摄影)保有主要的特征予以评估动脉变窄的程度(尤其在处置的区域)，并提供诊断影像辅助的角色。
血小板的评估是必需，因为它可以决定如何诊疗病患。虽然已有不少的血小板自动量测技术被发展出来，但一般而言，血小板的大小、缩小比例以及它的长度都以手动的方式在影像中量测。然而这些技术却限制了血小板的最佳观测角度，即于投影观测中血管边缘的血小板病变(障碍)位置。即使每一项技术皆专注在血管上(即内腔量测)；无论如何，血小板本身的研究也相当有趣。
在相关技术上已有人提出血管缩放(vessel-sizing) 技术配合挠曲的方式检测侵入的血小 (即：由血管壁进入内腔突出的血小板)。照摄影像取得后，有问题的血管便显现出来。而中心线便会描绘出来，且沿着垂直于血管轴的线条(剖面图)可以得到垂直于中心线的灰阶强度─数据轮廓。剖面图套入椭圆模型，椭圆高度随着宽度和中心线位置最佳化，该方法与其它模型化技术相似。从健康的血管区域剖面图扣除掉在血管病变的部份便是侵入的血小板[图一(a)]，对于每一个剖面图重复上述步骤可得到“血小板影像” [图一(b)]。因此，临床医师可以观测到血小板的影像状态－他们不需要被限制在某个角度观看血小板；除此之外，血小板体积的量测也不受限于观测方式。然而，这方面的数据相当新颖，且无法清楚的将画面呈现给临床医师观测血管。
如果可以额外使用X光检测，则血管诊断(空洞部份)可藉由3D影像重建，诊断人员可以影片重迭的方式重建2D影像进行诊断。藉由初步的椭圆模型与最佳化方法可用于重建复杂且不规则形状的受损组织，但因反复验证所需计算量与时间相当庞大。而延伸血小板影像方式到2D影像诊疗相当容易，且过程不繁复；重建健康血管的截面上，且在两种观测方法中的血小板影像一致的前题下，首先在简单的椭圆形中的内腔移除侵入的血小板，配合该方法，整个诊断影像只要从两个影像就可以完成重建，且这些影像处理结果与微断层扫描(micro-CT)剖视图差不多[图一(c)]。
这些影像重建数据提供临床医师更实时且更完整的血管结构诊断信息，这仍属于解剖学的部份，不过从投射影像可以对3D血小板体积及分布进行定量，使临床医师可以做更多的信息选取。信息的呈现在协助病症判定上乃是个关键元素，是否像图一(c)显示3D影像或是以某种方式传达侵入血管的血小板，使临床医师可以看出血小板的不对称位置？同时要如何应用3D影像－仅针对诊断吗？也许不是。藉由已知的3D血小板影像信息，诊断处理的方式可能会因而改变。在未来的影像处理上，辅助网(guidewire)穿越或导管横跨染病的部份将会增加其真实性。因此以多重(多功能)组件(如在解剖信息上)将利用测定物的各种透明度进行显像，而2D影像窗口是否能满足医疗处理上视觉信息或是立体甚至3D影像观测才是所需要的呢?
在影像诊断处理的方式及目的除了提供关键的视觉信息，也确保更完整的血管定量分析。藉由3D血小板影像的分布可进行额外的分析，诸如血管经度的研究、诊疗处置规划、血小板型态的评估以及血管扭曲度的计算。
血管扭曲度
一般而言，各种重要的血管可能扭曲成不同的形状；举例来说，冠状血管在收缩期间会改变形状，而内部颈动脉具有多重U形急转弯道；因此，辅助组件装置通常不易穿过血管，且困难度会随着血管的缩窄而增加。
首先能协助临床医师的部分乃是提供3D血管路径影像及血管诊断。3D血管路径影像及血管诊断可藉由计算机断层扫描血管造影(CTA)、核磁共振血管造影(MRA)、双平面显影或多重投射显像检视。在CTA或MRA技术中，欲检测的血管的部份必须先予以确认，并由3D影像实体进行分割，接着血管及血管诊断会予以参数化。
对于X光投射影像来说，检测的血管部份也必须予以确认，也就是由手动操作确认[图二(a)]，而取得的影像几何形状需要再最佳化，因为提供的数据不精确加上机械变异性(例如台架下陷)，使得机台显示的讯息不准。“呈像几何”是一套连结全部”世界”系统转换的独立截取位置，有效地包括用世界系统测定每个相对应投影图的旋转及转化。
在我们实验室的技术发展中，并不需要使用到目标物影像校正程序。反的，我们仅使用图片本身的参数来校正呈像几何，并将计算过的3D影像的一致性予以最佳化，因此可视为自动校正技术。我们的技术可以套用在一般诊断处理程序所得到的影像，所以能提供最好的3D影像，因此该技术不需要额外的配件。藉由几何呈像，三角检测(triangulation)技术可以套用在血管中心线点的3D影像位置的检测。血管收缩或重建技术可用来重建血管内腔，当检测3D血管影像信息时，3D呈像[图二(b)]、增加影像真实性、操作训练及触觉(haptics)应用都可以列入诊疗处置程序。
在选择仪器及特性方面，3D信息也许可以帮助临床医师来决定进一步的诊疗动作，通常血管处理包括辅助网(guidewire)导入血管，接着导入扩张术气囊(angioplasty balloon)或气囊/支架装置。我们发现有时候临床医师在血管中移动检测装置相当困难，尤其是遇到弯曲的血管时更为艰难。虽然计算血管扭曲度的方法已经被开发了，然而，我们相信该检测装置的特性需结合3D影像讯息来评估末梢易受影响的部分，以及在沿着路径到检测位置可能遇到的困难点。该结合动作将会提供“外部扭曲度”的检测，这将关系到量测或特殊组件操作是否容易上手，亦或是检测位置置入的困难度。
在提供沿着血管轴上较为困难区域的信息，我们可以用色彩更新(color wash)标示计算出的血管扭曲度。在图二(c)中，我们对一个血管有特别扭曲度的病患导入10-mm坚硬支架，而扭曲度以绿色路径为容易通过，而红色为无法通过。因为是3D呈像，3D血管路径和扭曲度可以在选取的角度观测，并且可检测视中心线的3D扭曲与转动情况，如同观测扭曲度一般，此血管扭曲的结果与藉由3D血管影像数据所得之高曲率区域视觉感受一致。藉由血管扭曲度的呈现，临床医师能够察觉导入各种长度支架时可能遭遇的困难。因此，我们相信该技术提供处置诊疗人员一种迅速的评估与检视血管中心线的3D影像路径或是处置位置的方法，因此可增加检查处置时的精确性。
血管的旋转及色彩更新(color wash)显像可以突显出血管3D影像的复杂性以及可能发生问题的区域。但是经由更多相互作用的显示，当组件装置持续与血管作用的过程中(当扭曲度已经评估时)被显现出来，可能对于诊断处置人员来说更有价值。因此，如同在血小板状态下显示各种装置之处理程序将能帮助其诊断过程。此显示内容也能告知诊断处置人员如何进行接下来的评估。在这个过程中，影像模型会显现诊断路径，接着显示潜在的病状问题或医疗人员会对病患进行错误的诊治，甚至由影像回馈(feedback)影像触觉(haptics)效果，就如同血小板显示的影像一样，这类形的影像呈现将会冲击到影像信息的传达。
3D动脉瘤影像分析
另一种血管异常则是动脉瘤，常以计算机断层扫描血管造影(CTA)及磁振血管摄影(MRA)进行诊断，而通常动脉瘤的发生是没有症状的。计算机分析动脉瘤型态可以提供动脉瘤体积及结构大小的变化评估，并可提供判断是否需要进一步处理。当然，在3D血管几何影像中，患者的流体动力学计算(CFD)值及医疗处置异常结果可提供更多的临床诊疗依据。
在初步的处理过程乃是动脉瘤影像位置的分割。假设动脉瘤的位置已知，那么可由动脉瘤源发点开始，以区域成长(region-growing)技术进行肿瘤分割。为了成长区域的一致性，建议以三直线(tri-linear)插入或其它插(interpolation)技术完成等向实体(isotropic volume)影像。藉由分割动脉瘤及病患的病变血管的方式，可以完成病患特殊血流分析及动脉瘤血流处置的冲击性评估。未经插入处理的血管以剪裁平面移除，藉由成长体积大小的改变或利用平面修剪可以增长或缩短输送的血管，使用Navier-Stokes方程式为主的CFD软件(StarCDR，CD-adapco，Melville，NY)完成血液流量计算，而边界值条件可以用典型的颈动脉流速及压力波形设定，研究稳定的脉动流量条件。
图三为CFD计算动脉瘤血管影像中的流速分布以及三星状(Tristar)或管壁状支架处理结果。两个支架的流量差异可以在图中清楚看到；特别的是：经由低多孔性支架进入动脉瘤的血液流速较高，这可能是支架的几何形状所造成的。图四中的血管几何形状也影响动脉瘤的血液流量。当血管曲率增加时，进入血管的流速及流量增加。CFD计算可以提供这方面的基础洞悉流量图及治疗路径，以达到最佳的病症治疗。
技术挑战
医疗显像正由2D影像朝向3D影像解剖数据，甚至迈向多重空间影像数据发展，内容包括空间、时间、功能信息以及影像变化的观察或冲击性。但临床医师仍持续使用2D影片检视3D影像数据，藉由3D表面呈像通常可以提供3D透视图，但临床医师并未用它来评估3D形态的影像数据－而无法快速提供影像解析及评估诊断病患。然而，3D影像数据的普及性及随之而后的分析(如上面所述)可以利用新的多重空间数据显示或传达必要的医疗信息。
显示科技的更新使得3D影像数据检视的功能越来越强。2D显示器提供高重迭速率(每秒72画面)，而使2D投影或断层扫描影片数据得以实时观测。3D影像数据通常经由表面呈像(surface-rendering)技术(需要做部分分割)显像以供检视，然而实体呈像(volume rendering)使用率不高的原因在于反应速度─虽然某些仪器商针对实体呈像(volume rendering)提供合理的处理速度，但处理速度仍受限于影像数据的大小。藉由移动呈像结构，临床医师可以察觉各种结构间的几何形状关系。多数的立体检视装置可以提供非移动式3D视觉(所以能再次了解运动中的3D影像)，但对于大多数的显示技术仍需使用到特殊眼镜，这有助于离线时浏灠数据，但不清楚这种立体影像观测(尤其使用特殊眼镜) 在治疗临床方面是否可行。由单一窗口提供3D影像读取的先进显示器将可以取得，这些显示器不再需要特殊眼镜，但视角会被局限住。利用科技的多变性－旋转式屏幕、振动式镜子、多重式投射平面等等─三度空间显示器将可以发展出更大视角，而这些3D显示器也可以用来浏览3D影像数据。然而，当观测立体图形时，这些3D影像观测者在临床使用范围是否有帮助则仍不清础。
临床医师需要诊断的影像能实时显示、快速移动检视数据以及侦测位置对焦，但这些需求是在医师知道他们检测目标的前提下才能达成。然而3D影像数据(例如断层扫描及核磁共振)在每个3D影像观测点都有对应的数值；因此，需要发展相对应的方法使相关的影像数据能达到迅速感测，而透明度及覆盖图将促使该目的更为切和，使临床医师能透过投影墙观看立体像素(voxel，volume pixel)之影像数据。因此，快速移动的空间数据需要搭配透明度及实体呈像(volumes rendered)快速移动调整，使临床医生可以在侦测区域及对应之影像数据定位并对焦。
数据的疑问将与数据分析紧紧相扣。从解剖学上的3D影像以至于机能性/解剖学上的nD影像，分析数据结果将有效地增加数据维度，而剩余的问题为：我们要如何使用最佳化影像表面对实体呈像(volume rendering)关系、透明度/暗度、移动/时间的改变及点密度/尺寸大小来传达关键讯息给临床医师呢?目前的4D影像是以动态、3D影像显示器以及色彩更新(color wash)方式呈现，短暂性的3D影像改变或色彩更新(color wash)方法可以提供5D或是6D视觉感受。移动或改变色彩更新(color-washed)结构可以感受到7D影像。这些方法或许足以应付影像处理需求，但似乎仍需要新的影像显示案例及疑问才能促进对多重空间显示器的了解。
整体而言，医学显像技术乃是将2D影像转换成3D影像(甚至nD)、nD呈像、定量、信息提供、病状认知以至于得到症状的见解─这些见解不但使得病患诊断及治疗获得改善，也可以改善对病患后续症状的预测。
原文链接：
http://csot.acesuppliers.com/meg/meg_1.asp?mgzid=8069932120072329298456958&idxid=7849

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