第一节 图像显示技术

众所周知,CT扫描机自20世纪70年代发明后就不断地更新换代,期间更是历经了从非螺旋扫描到螺旋扫描,从单排探测器到多排探测器的两次里程碑式的技术革新。这些飞速发展的技术进步,带来了薄层快速大范围采集图像数据的“量变”,但并没有改变CT只能得到断层图像信息的本质属性。细小的血管在断层图像上通常表现为点状或条状影像,往往不够直观,有时甚至无法辨认和分析。因此,有必要对断层图像进行更直观地可视化处理和立体化显示。目前临床上,CT血管成像后处理中常用的图像显示技术包括多平面重组、最大密度投影、容积再现、表面遮盖显示以及仿真内镜等。
一、多平面重组技术
多平面重组(multi-planar reformation,MPR)技术是将一组以像素为单元的断层图像通过插值运算,重构为以体素为单元的三维体数据,再根据诊断需要截取得到其他平面的二维重组图像(图3-1-1)。MPR后处理的层面厚度、层间距、层数以及截取角度等参数均可由用户自行设定和调整。CT血管后处理中,MPR常用于显示血管壁的斑块、腔内栓子、撕裂的内膜、漏口以及观察血管与病变的关系等(图3-1-2)。其缺点是,不能显示迂曲走行的血管全程,且缺乏空间立体感。
曲面重组(curved planar reformation,CPR)技术,为MPR技术的一种特殊形式,对于弯曲走行的结构可以沿一条既定中心线从三维体数据中截取曲面数据,展开后即得到显示该弯曲结构全程的平面图像。标定的中心线可以是手动绘制(图3-1-3),也可以由计算机通过阈值检测弯曲物体边界后,自动绘出与物体边界等距的中心线(图3-1-4)。操作者还可以取一定的厚度、从不同的角度沿这条中心线360°展示CPR图像。自动CPR常见于高级血管分析软件中,为全程显示迂曲血管的最佳平面成像技术,能避开骨性结构的遮挡,评价管腔狭窄可靠。其缺点是,一次重组只可显示单条血管,血管以外的结构出现扭曲变形,且手动CPR的准确性受操作者的人为因素影响较大。
图3-1-1 多平面重组技术原理示意图
图3-1-2 腹主动脉多平面重组图像
图3-1-3 肾动脉的手动曲面重组技术
A.在水平面图像上沿肾动脉走行绘制中心线;B.双侧肾动脉同时显示的冠状曲面成像
图3-1-4 腹主动脉的自动曲面重组技术
A.沿血管走行自动绘制中心线;B.腹主动脉至髂外动脉全程显示的曲面成像
MPR和CPR图像中保留了物体的X线衰减特性,反映的是实际的CT值信息,其提供的血管平面图像可准确地反映血管壁的情况,显示血管与周围组织的毗邻关系,并可用于CT值和径线的测量。因此二者通常作为评价血管性疾病的不可缺少的基本显示方法,也是从这个特点上弥补了数字减影血管造影(digital subtraction angiography,DSA)技术不能显示血管壁与周围组织的缺陷,体现出CT血管成像(computed tomography angiography,CTA)的独特优势。
二、最大密度投影技术
最大密度投影(maximum intensity projection,MIP)是利用投影成像原理,将由若干源图像组成的三维体数据朝向任意方向进行投影,设想有许多条平行投影线穿过三维体数据,取每条投影线经过的所有体素中最大的一个体素值作为投影结果图像的像素值(图3-1-5)。MIP图像是对三维信息进行的二维投影显示,相近密度的组织结构在同一投影方向,会产生前后物体影像的重叠,可通过选择不同的投影角度,对组织结构进行多方位观察。MIP技术在血管后处理中的优势在于,可显示更多的细小分支血管和管壁钙化,也用于强化不佳的血管成像(图3-1-6)。其缺点是,空间立体感不强,易与骨骼等高密度结构重叠显示等。
图3-1-5 最大密度投影技术原理示意图
图3-1-6 腹主动脉最大密度图像
三、表面阴影显示技术
表面阴影显示(surface shaded display,SSD)是指通过相应的算法和选定的阈值,获取三维体数据中物体的轮廓表面几何信息,并用虚拟光源加上明暗阴影,呈现出立体感较强的三维效果。SSD又称作表面再现或表面绘制,利用中心投影原理,判断投影线上的体素值是否第一次达到或超过阈值,超过者被保留下来,低于阈值的体素CT值被舍弃。因为SSD技术仅处理物体表面信息,运算量较小、绘制速度较快,在计算机能力有限的早期阶段,用于显示血管开口、分支的空间位置关系(图3-1-7)。其缺点是,结果图像显示准确性受图像分割参数(即阈值)的影响较大,可能过高或过低估计血管狭窄;且不能显示物体内部结构,无法区分内膜钙化和腔内的对比剂。故目前高级CT中,SSD已经逐渐被容积再现技术取代,但仍可用在多对象组合成像、组织器官的体积测量软件和虚拟内镜显示技术中。
图3-1-7 腹主动脉表面阴影显示图像
四、容积再现技术
容积再现(volume rendering,VR)技术利用投影成像原理,将穿过三维体数据后每条投影线上的所有体素值,经传递函数加权运算后,以不同的阻光度和颜色表示各CT值区间,绘制在结果图像中。VR又称作体积再现或体绘制,无论是从显示原理还是从性能效果方面都比前述的MIP和SSD具有优势,它保留了所有体素中的大量细节信息,最大限度地再现了组织结构的空间关系,立体效果逼真。
图3-1-8 阻光度的调节示意图
VR的主要特点就是阻光度的调节。阻光度又称不透明度,反映体素不透明的程度,取值范围从0~1,0代表完全透明,1代表完全不透明。体素的密度值与阻光度之间的对应关系可由用户指定,通常用一个可以调节斜边的梯形来表示(图3-1-8)。斜边表示随着体素值的增高,阻光度逐渐变化,而不像阈值那样截然的分开,这种调节方法又称为模糊阈值。它保留了源图像中的模糊信息,譬如,较薄的面颅骨在SSD显示为骨缺损的假空洞,在VR中则呈现为半透明的状态。体素的颜色也用类似的方法调节。一般厂家VR软件中都预设了各种已经调整好阻光度和颜色等参数的参考模式图(通常所称的模板),用户可以根据不同解剖部位和组织显示需要选用厂家模板图,也可自行调整参数并保存为模板图(图3-1-9)。
VR技术已经成为临床上最为常用的一种血管后处理显示方法,可立体逼真地显示血管形态、走行及其与周围组织复杂的空间关系(图3-1-10)。其缺点是,不能观察血管壁的情况,血管显露受阈值调节的影响,且无法区分密度相近的邻近结构。
图3-1-9 伪彩色与阻光度的参数图
图3-1-10 腹主动脉容积再现图像
五、CT仿真内镜技术
仿真内镜(virtual endoscopy,VE)技术利用源图像生成的体数据,通过SSD或VR重组得到管道结构内表面的三维成像,再运用计算机空腔导航技术模拟光学纤维内镜进行腔内观察。仿真内镜主要用于呼吸道、充气的肠道、鼻窦以及增强血管等管状结构内壁表面的立体观察,显示管腔内异物、新生物、钙化及管腔狭窄较好。还可用于有创检查或外科手术的模拟导航和教学演示。操作时,将视点置入结构内部,调整视角、景深,旋转视向,自动或手动进行视点漫游,对视点前方结构进行动态实时显示(图3-1-11)。血管后处理时,利用VE技术可从血管腔内立体观察血管分支开口、管壁钙化、支架以及管腔狭窄或闭塞等。其缺点是,血管腔外结构无法显示,且同样受阈值影响,测量不可靠(图3-1-12)。
图3-1-11 仿真内镜路径示意图
图3-1-12 腹主动脉仿真内镜图像
综上所述,各种图像显示技术均有其优势和不足。在CT血管成像后处理的实际运用中,操作者应根据其各自技术特点,结合具体情况,灵活把握,联合运用这几种图像显示技术,既有平面展示又有立体显示。而实际上,大多数厂家的图像工作站也都具备对同一三维体数据,通过一键式操作在几种不同的图像显示技术间即时切换显示的功能。
(陈 伟)