多层面螺旋CT图像后处理技术

1第三章多层面螺旋CT图像后处理技术中国医科大学第一临床学院放射科朱玉森CT图像后处理是80年代末伴随螺旋CT的应用而出现的图像综合分析和处理技术，是将原始横轴位图像以二维或三维图像形式再现的过程。图像后处理需要局域网络、图像工作站、图像后处理软件和相应的后处理图像输出设备。图像后处理技术包括二维（多平面重建）、三维（容积重建、表面重建）和CT仿真内窥镜等多种重建方法。后处理图像的质量主要取决于原始数据的采集和原始图像的重建质量，以及图像后处理软件的算法。图像后处理的临床意义在于它从多方位、多角度为影像专业和临床医生提供了更完整、更直观和更易读的反映人体内部组织器官解剖结构和病变情况的影像学信息。与普通螺旋CT后处理图像不同的是，多层面螺旋CT后处理图像具有更高的图像品质和更广的图像范围，为临床诊断和治疗提供的影像信息更精确、更可靠。随着影像数据采集和后处理设备以及软件技术的不断发展和完善,图像后处理技术在医学影像学诊断领域会发挥越来越重要的作用。第一节图像后处理工作站大多数螺旋CT制造商如：GE、Siemens、Toshiba、Marconi等公司都开发了专用的图像后处理工作站和图像后处理软件。以Toshiba的SGIO2（ImagesPost-ProcessingWork-StationSGIO2）工作站为例，它是以Toshiba协议或DICOM标准通过以太网络与CT、MR等系统进行数据传输并通过软件系统进行二维和三维图像重建的计算机辅助医学影像诊断系统，它由硬件系统和软件系统两部分组成。一、硬件系统部分为了快速获得高质量的后处理图像，多层面螺旋CT通常以1.0-3.0mm的层厚采集原始数据，并以0.5-1.0mm的间隔对其进行重叠重建，从而产生大量的（一般为100-600幅）原始横轴面图像。因此，工作站硬件系统的配置水平就决定了图像后处理的能力和速度。SGIO2硬件系统的配置为：（一)中央处理器：R1000064bitRISC1,270MHz（二)主存储器容量：1Gb（三)数据高速缓冲存储器容量：32Kb（四)硬盘容量：27Gb（512×512矩阵的图像大约可存储22,500幅，256×256矩阵的图像大约可存储900,000幅）（五)图像监视器：21英寸彩色监视器，视频输出1280×1024，7503Hz（六)磁光盘驱动器：5英寸，可驱动0.6/2.6Gb的可读写磁光盘（0.6Gb磁光盘：512×512矩阵的图像大约可存储2,200幅；256×256矩阵的图像大约可存储8,800幅，2.6Gb磁光盘：512×512矩阵的图像大约可存储9,000幅；256×256矩阵的图像大约可存储36,000幅）（七)彩色打印机：通过以太网连接的彩色打印机可输出高质量的彩色图片（八)视频输出：支持NTSC和PAL两种标准，可以将正在处理中的屏幕图像以视频信号的方式输出二、软件系统部分图像后处理的目的是为临床诊断和治疗提供完整、丰富、和直观、易读的影像信息。软件系统为此通过先进的算法（Algorithm）提供了对原始图像的处理、分析和输出等功能。（一)系统软件：IRIX版本6.52（二)应用软件：Alatoview版本1.42。它是一种可以将CT、MR、NM（NuclearMedicine）和数字X-ray设备采集和重建的断层图像处理成各种二维和三维图像的医学图像后处理应用软件系统。主要功能包括图像文件管理、二维图像后处理、三维图像后处理、仿真内窥镜、后处理图像输出等。Alatoview支持通过以太局域网络用Toshiba协议和DICOM标准与Toshiba或非Toshiba的CT和MR等影像数据采集设备进行数据通讯。第二节图像后处理方法常规横轴面图像仅显示人体横断面解剖的影像信息。诊断时，需要由有经验的影像专业医生对大量的图像进行逐层面的分析，同时要将观察到的连续影像在大脑中建立起组织器官的立体和空间关系概念才能判断病变的位置、范围和与周围组织器官之间的关系。但是，对于复杂的部位和器官（如：腹部和盆腔，以及微细的血管结构）往往会给分析带来困难，甚至造成错误的判断。图像后处理方法则通过对原始图像的二维和三维重建，以任意平面和任意角度的立体图像为影像专业医生和临床医生提供了完整、直观和易于精确定位的影像信息。不同厂商开发的图像后处理软件功能各异，Alatoview应用软件系统的主要图像后处理功能见表1。表1多层面螺旋CT图像后处理软件Alatoview功能分类二维图像后处理1.多平面重建（MultiPlanarReconstruction-MPR）2.冠状面（CoronaryPlanarReconstruction）3.矢状面（SagittalPlanarReconstruction）4.横轴面（TransverseaxialPlanarReconstruction）5.斜面（ObliquePlanarReconstruction-OPR）6.曲面（CurvedPlanarReconstruction-CPR）7.计算容积重建（ComputedVolumeReconstruction-CVR）三维图像后处理三维容积重建（Three-dimensionalvolumereconstruction）1.遮盖容积重建（Shadedvolumereconstruction-SVR）2.密度容积重建（Intensityvolumereconstruction-IVR）3.最大密度投影（MaximumIntensityprojection-MIP）4.最小密度投影（MinimumIntensityprojection-Min-IP）5.X-线模拟投影（X-rayprojection-X-rayProj）6.透明化X-线模拟投影（TransparencyX-rayprojection-4D）三维表面重建（Three-dimensionalsurfacereconstruction）1.遮盖表面重建（Shadedsurfacedisplay-SSD）2.Texture-All3.Texture-Exp仿真内窥镜1.仿真内窥镜（Fly-through）2.腔器官铸型（Fly-around）一、二维图像后处理（TwoDimensionalImagesPost-Processing）（一)多平面重建（MPR）MPR是从原始横轴位图像获得人体相应组织器官任意层面的冠状、矢状、横轴面和斜面的二维图像的后处理方法。图3-2-1所示为生成冠状、矢状、横轴和斜面二维图像的操作屏幕界面。在冠状、矢状和横轴面框内均有相互垂直的两条光标线（冠状面框内还有一条斜面光标线），用鼠标拖动光标线至不同的位置即可得到相应方位和平面的图像。点击鼠标右键可以将冠状面框内的斜面光标线移至其它框内，通过调整斜面光标线的位置和角度则可以图3-2-1MPR重建屏幕3得到任意斜面的图像。MPR适用于显示全身各个系统组织器官的形态学改变，尤其是对判断颅底、颈部、肺门、纵隔、腹部、盆腔内、动静脉血管等解剖结构复杂部位和器官的病变性质、侵及范围、毗邻关系和小的骨折缝隙及骨折碎片和动脉夹层破口及胆道、输尿管结石的定位诊断具有明显的优势（图3-2-2,3）（图3-2-2,3-2-3）。国外文献作者认为横轴位图像是CT影像诊断的“金标准”，而多层面螺旋CT以0.5mm的薄层采集容积数据大大提高了沿躯体长轴方向的分辨率，重建后的MPR图像具有各向同性（Isotropic）的特点，即各方位不同层面的图像具有完全（几乎）相同的空间分辨率和信噪比。所以，多层面螺旋CT的MPR图像均可以作为CT图像诊断的“金标准”。但是，前提是采用薄层采集数据、选用适当的螺距、重叠重建、滤过重建函数（软组织或骨函数）和去除骨伪影的参数（RASP）等。图3-2-2髂总动脉瘤MPR图像图3-2-3曲面重建（CPR）是MPR的一种特殊方式。图3-2-4所示为生成曲面图像的操作屏幕界面。可选择在冠状、矢状和横轴面框内按靶器官走行方向用鼠标追踪点击划出一条通过该器官轴线的曲线，即可将曲线所经过层面的体元数据重建成一幅拉直展开的图像。曲面重建适用于展示人体曲面结构的器官（如：颌面骨、骶骨、走行迂曲的动脉血管、支气管和胰腺等）的全貌（图3-2-5,6）（图3-2-5,3-2-6）。重建后的曲面图像同样具有各向同性（Isotropic）的特点。但是，曲面图像的客观性和准确性受操作者点划曲线的准确性影像较大。特别是用该方法测量的直径和长度等结果有一定的误差。图3-2-44曲面重建屏幕图3-2-5上颌埋伏牙曲面重建图像图3-2-6右肾动脉狭窄曲面重建图像计算容积重建（CVR）是MPR的另一种特殊方式。它主要是通过适当地增加冠状、矢状、横轴面和斜面图像的重建层厚，以求能够较完整地显示与该平面平行走性的组织器官结构的形态，如：血管、支气管等等（图3-2-7,8）（图3-2-7,3-2-8），同时也可以增加图像的信/噪比。但是，过分增加重建层后（厚）也会（因降低空间分辨率而）掩盖小的病灶或（病变或正常组织的微细构造）结构。采采集数据要求：1）摆正体位；2）头颈部器官和骨骼采集层厚≤1.0mm/每层，胸腹部器官采集层厚≤3.0mm/每层，重叠50%重建；3）重建函数选用FC10（软组织）/FC30（骨骼）；4）对手、脚掌骨及关节等部位在确保扫描范围足够的情况下，尽量采用小视野放大扫描；5）胸锁关节、肩关节及髋关节等部位重建图像时须选用RASP参数以除去伪影干扰；6）对（欲了解）骨骼肿瘤需了解周围软组织受侵及范围和程度时须注射对比剂。图像后处理技术要点：1）根据要显示的靶器官（诊断目的）适当调整窗宽、窗位；2）采用小间隔（2mm）生成轴位预览图像以找出病变所在位置和范围；3）针对已确定的病变范围根据需要调整层间隔、层厚和图像帧数（，）分别生成轴位、冠状位和矢状位图像；4）如果采集数据时病人体位不正，须用斜面重建方式进行调整以获得对称图像（；5）要提高图像信噪比或是强调病变与周围血管等关系时，制作CVR图像；如有特殊需要，如要追踪血管或输尿管等时，制作CPR图像。）（二)图像滤过处理（ImagesFilteringProcessing）图像滤过处理是改变图像重建算法以提高后处理图像空间分辨率和密度分辨率的计算机软件技术（图9-10）。根据滤过效果可以分为平滑、平均和边缘锐化三种方式。对原始横轴位图像滤过处理的（图像显示）效果与使用相应的滤过重建函数对原始数据（滤过处理再）重建后的图像（显示）效果等同。但是，前者可以大大缩短主机的图像重建时间，并节省对同一病人的数据用不同滤过重建函数生成的多组图像所占用的硬盘存储空间。滤过可以针对某一幅图像，也可以对一组图像进行批处理。图3-2-7前颅窝底脑膜瘤CP(V)R图像（左下图）图3-2-8(肺转移瘤的CVR图像)5图3-2-9滤过前（左）图3-2-10滤过后（右）（三）自动电影图像生成（AutomaticMovieImagesGeneration）自动电影图像生成是二维图像后处理中的一个重要功能。虽然MPR图像可以为诊断提供任意方位的影像信息，但是其中任一幅仅能反映人体局部某一方位一个层面的解剖图像。所以，需要观察和分析检查部位范围内连续层面的图像特征才能全面、准确地判断病变以及与周围组织器官的毗邻关系，自动电影图像生成就提供了这样的功能。生成自动电影图像前，要根据需要确定生成电影图像的范围、层厚和层间隔，并调整好窗宽和窗位。生成后可以适当的速度回放和通过激光相机打印出胶片，也可以保存到硬盘或磁光盘中。（四）图像注释和测量（ImagesAnnotationandMeasurementProcessing）注释和测量是图像分析的辅助功能。它可以在图像上做文字、直线、折线、箭头、圆、椭圆、矩形框等标注和在适当的位置插入刻度标尺；可以做长度、角度和直径的测量；也可以测量图像中某一点或某一兴趣区的CT值，兴趣区的大小可以任意调整，形状可以选择圆形、椭圆形、矩形或任意形状，可以在图像的任意位置设置一个或多个兴趣区。测