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三维重构在精准医疗中的应用

更新时间:2017-07-18 10:45   浏览: 次  作者:三维重构在精准医    文章来源:medical research


精准医疗是通过采集、识别、检测患者的个体生物学信息,然后利用这些信息制订临床治疗方案的医疗方式。精准医疗首先需要有精准的诊断,而现代医学是循证医学,由于医学影像学包涵了多种影像检查、治疗手段,使其已成为临床最大的证源。
人体三维重建技术以医学和信息工程学为主要特征,虚拟现实环境下重建人体组织的三维解剖结构。现代医学科研和临床诊疗所获取的医学图像是多种多样的,如CT图像,X线,核医学图像,磁共振(MRI)图像,超声图像以及各种电子内窥镜图像等,但是这些图像在未处理的情况下提供的是二维图像。面对二维图像,临床医生只能凭经验去估计病灶的大小及形状,构想病灶与其周围组织的三维几何关系,这给诊疗的准确和便捷带来了极大的难度。医学图像的三维可视化技术,就是将MRI、CT等数字化成像设备获得的信息数据在计算机上直观地以三维效果展示出来,从而提供用传统手段无法获得的结构信息。在用计算机重建三维图像,并在屏幕上形象逼真地显示出人体器官的立体图像后,临床医生可以方便地对重建图像进行诸如平移、旋转、剖分等操作,也可以完善术前评估甚至可以进行可视化仿真模拟手术。这样医务工作者就能更充分地了解病灶的性质及其周围组织的三维结构关系,从而帮助医务工作者做出准确的诊断和制定正确的手术方案,最终达到提高诊疗准确性与科学性的目的。
 
常用三维重构技术
多平面重建(MPR)应用最为广泛,是指把横断扫描所得的二维图像以像素为单位,重建为以体素为单位的三维数据,再在容积数据的基础上,重建任意平面的冠状位、矢状位、斜位的二维图像。MPR可以较好的显示组织器官复杂的解剖结构,有利于病变的准确定位,可应用于全身所有组织器官。对判断病变的毗邻关系、侵及范围、动脉夹层破口、胆道、输尿管结石定位等具有优势。
曲面重建(CPR)属于MPR的一种特殊方式,在容积数据的基础上,沿感兴趣区划一条曲线,将扭曲的组织显示在同一平面上,较好的显示其全景。适用于展示人体曲面结构的器官,常用于额面股、输尿管、血管、肋骨、腰椎等。
多层面容积重建(MPVR)则是将不同角度或某一平面选取的原始数据,采用最大密度(MIP)或最小密度(Min-IP)投影法进行运算得出图像。MIP是取每一线束的最大密度进行投影,常用于密度较高的组织结构,如注射造影剂的血管、明显强化的组织、骨骼等。Min-IP是取每一线束的最小密度进行投影,常用于观察气道、肺、含气空腔等。
表面遮盖显示(SSD)通过计算被观察物表面所有相关像素的最高和最低值,保留所选阈值范围内像素的影响,将超出限定的阈值的像素透明处理后重组成二维图形。特点是立体感强,能直观的显示骨骼和大血管的全景,有利于病变的定位、测量。
仿真内窥镜成像术(CTVE)是在容积数据的基础上,将表面遮盖显示和容积再现法相结合,模拟出三维立体空间环境。在受检器官的腔内进行计算机数据后处理,显示出图像,与光纤内窥镜效果相似,常用于喉部、支气管、结肠、胆道、胃等官腔脏器等。
容积再现(VRT)特点在于对不同的组织、器官赋予不同的亮度、颜色,以易于区分。透明成像是VRT技术中的一种显示方法,经过透明成像处理后的图像可呈现透明影像,和双对比消化道造影的效果相似。与传统胃钡餐相比,可以根据需要切割掉兴趣区以外的组织结构和相邻器官的重叠影像,而且可任意角度旋转图像,可让病灶充分暴露显示。
 
超声数据三维重构临床应用
三维超声目前已在妇产科、头颈部血管、眼科、泌尿生殖系等疾病的诊断方面广泛应用。最新研发的三维超声工作站软件为普通二维超声仪提供了三维成像途径。动态三维超声造影可在超声造影状态下生成一系列连续的三维图像,实时显示血管三维形态,可观察血流灌注情况及血管空间结构及走行。三维超声能够重建肿瘤与血管的空间位置关系,有助于良恶性肿瘤的诊断及外科手术方案的选择;还可清晰显示胎儿肢体的缓慢活动及表情,对胎儿畸形的筛查和诊断敏感度和特异性较强。
 
在颈动脉与脑的应用中,通过彩色多普勒血流三维重建的颈动脉,能详细显示颈动脉粥样硬化程度,如斑块的质地、部位以及颈动脉狭窄的情况,对临床上评估粥样硬化有帮助。而三维超声在颅脑的应用包括肿瘤和动静脉畸形的定位及其与周围重要结构的比邻关系,术中颅脑的肿瘤三维超声可准确显示肿瘤的大小、范围、空间关系。
 
眼球的生物学特性使之成为超声三维重建的理想部位,三维超声能清楚地显示玻璃体内的条状及膜状病变,如视网膜脱离、玻璃体炎症、玻璃体内机化物、晶体后脱位、脉络膜病变等。视网膜脱离时,三维超声不仅能直观显示网膜脱离的大小、起止部位、范围,而且能显示出视网膜破口的形状、数目。随着高频超声的应用,三维超声对球后的病变也能较好地显示,能准确评价球后病变与眼球视神经及眼外肌之间的关系,对于手术医师选择合适的治疗方案颇为重要。对于眼科,与CT和MRI相比较,三维超声更省时,费用低、无放射性,并可反复检查而不必担心放射线诱发白内障。另外,三维超声能更准确计算眼球后肿瘤的大小、容积,并可能对病变作出较精确的定位以指导手术医师及放射治疗医师的工作。
 
对于肾脏疾病,尤其是孤独肾的患者,临床手术必须保留部分肾脏,因此精确描述肾内病灶与血管树、集合系统和肾包膜的空间关系至关重要。对移植肾的成像,三维超声使得肾脏局部血供可视化,由此进行的移植肾容积的判定及其随时间的变化可能对肾移植排异的诊断有帮助。三维超声还可显示呈菜花状、乳头状或团块状的膀胱肿瘤,能显示肿瘤与壁的空间关系、基底部及表面情况,肿瘤的数目、大小、方位、与输尿管开口的空间关系也能清晰显示。
 
在产科上,传统二维超声只对胎儿结构进行切面观察,因而有许多不足。三维超声不仅可以对胎儿体表结构进行表面重建,还可以用透明成像对胎儿体内结构进行三维成像,可从整体上对胎儿形体结构进行观察,提高胎儿畸形的产前诊断率,确定不同孕龄胎儿正常及病理形态。
通过三维超声三个平面的平行移动,可以清晰显示多囊肾、肾脏发育不良等疾病。三维超声表面成像能直观准确地显示胎儿外生殖器的立体形态,对判断两性畸形等疾病有重要价值。许多学者通过三维超声成像诊断神经管发育畸形(无脑儿、脑脊膜膨出、脉络膜囊肿等),利用血流彩色多谱勒信息建立的三维图像可清晰显示胎儿颅低Willis动脉环结构。胎儿面部观察是高危妊娠超声检查的重要组成部分。面部畸形通常是染色体异常或胎儿其它异常的一个指征。二维成像仅能显示前额、眼、鼻、唇和耳朵,三维成像更能清晰地观察胎儿面部解剖极其相互关系。更全面地观察脊柱和胸廓连续性极其曲率,从不同角度来观察胎儿脊柱和胸廓有无异常,正确诊断脊柱侧弯、脊椎骨缺损、胸廓变形等多种畸形。胎儿心脏的动态三维图像在准确测量射血分数、估计心室容积及其动态变化、判断宫内胎儿心脏先天性复杂畸形等方面可能提供一些有帮助的信息,但与MRI胎儿心脏三维重建相比,尚不成熟,测量的精确性需提高。
 
CT三维重构的临床应用
CT机经历了多次的更新换代。多排CT在国内已经十分普及,越来越广泛地应用于临床对疾病的诊疗工作。多排螺旋CT采集的数据既可作常规二维图像显示,也可进行后期处理,完成三维立体重建、多层面重建、器官表面重建等,并能实时或近于实时显示各层面结构,已成为临床不可或缺的检查方法之一。因此,以像素为表现形式的横断面扫描图像即将成为历史,取而代之的是更直观的多层螺旋CT以体素的形式展现的组织结构,即在原始数据基础上重建的三维立体图像。在影像诊断中,除了传统的横断面图像外,各种三维图像是影像医生重要的诊断线索和依据。CT因其具有无创、低辐射、超快速、伪影少、高效精确等特点,在颅脑、口腔、心血管疾病诊断、急诊全身检查、肺部肿瘤早期确诊等方面具有优越性。由于三维重建图像更为直观,容易被临床医生理解和接受,从而在术前手术方案分析、选择治疗方案、估计预后等方面逐渐显现出优势。
 
在肿瘤领域,多层螺旋CT由于采用更薄的层厚进行检查,在Z轴方向上增加了采样密度,扫描速度快,三维重建图像空间分辨率明显提高,能从不同角度观察病变情况,显示病变位置、大小、范围以及周围结构的位置关系,了解肿瘤内外情况。提高疾病的定位和定性诊断水平。同时克服了超声、普通CT等检查方式的缺点,安全无创。CT仿真胃镜和三维显像对胃癌术前分期及评估有较大的临床应用价值。口服、血管内造影剂、水、气体作为对比剂,联合使用,可形成良好的对比,使胃肠道腔内、腔外及关闭结构显示得更为精细。再者,先进的后处理技术,尤其是仿真内窥镜技术,结肠透明成像技术可以更直观地提供病灶的影像特征。同时,多排螺旋CT在双侧肾上腺肿瘤等疾病诊断中具有较高特异性。
 
在骨骼和牙齿方面,使用三维CT所提供的立体三维影像,可以清晰地反映出骨折线的长度、走形、骨块位移的距离等,这些参数应用于临床,能为临床医师制定手术计划起到积极的帮助作用,使手术计划的制定更加合理、客观,从而减少手术探查创伤及缩短手术时间。micro CT,是一种非破坏性三维成像技术,可在不破坏样本的情况下,了解样本内部显微结构。与普通CT相比,micro CT分辨率高,可达微米级别,在多领域多学科中应用广泛。基于该技术骨骼精细结构的三维重建,骨内微血管造影,在很大程度上取代了破坏组织形态的计量学方法,对骨折、骨坏死、骨肿瘤诊断有重要价值。在口腔医学方面,micro CT可生成高精度的全牙列数字化三维模型,便于测量和储存;在口腔修复领域,micro CT在对指导完成瓷贴面、嵌体修复方面也有重要意义。
 
在代谢疾病方面,正电子发射计算机断层显像(PET-CT)是PET和CT的组合体,由一个工作站控制。PET提供病灶详尽的功能与代谢等信息,而CT提供病灶的精确解剖定位,一次显像可获得全身各方位的断层图像,具有灵敏、准确、特异及定位精确等特点。PET-CT技术的核心是图像融合。图像融合处理系统利用各自成像方式特点对PET和CT图像进行空间配准与结合,利用计算机图像融合软件进行二维、三维的精确融合,融合后的图像同时显示出人体解剖结构和器官的代谢活动。临床主要应用于肿瘤、脑和心脏等重大疾病的早期发现和诊断,但因其价格昂贵,技术复杂等因素限制其广泛应用。
 
在血管疾病中,CT血管造影(CTA)技术无创、几秒钟完成检查,可以从各个角度重建出三维图像,不但能观察、测量管腔的通畅、狭窄情况,而且可以观察到血管壁的影像,通过测量感兴趣区血管最高值和最低值,定出相应的阈值,通过编辑软件减去软组织、骨头、静脉或不相关的动脉,在不同的角度对图像进行观察、分析,辨别斑块的成份、性质。同时,CTA是主动脉瘤、主动脉夹层、先天变异畸形、外伤血肿及肺动脉栓塞等的首选检查方法。主动脉CTA快捷、准确、无创更适合于急诊患者及支架置入后随访的患者。
 
头颈部CTA技术
多层螺旋CT的头颈部CTA检查是一种无创、快速、安全的头颈部血管病变的检查方法,作为头颈部血管病变的筛选手段,可同数字血管造影(DSA)检查相媲美,可在很大程度上取代有创的DSA检查。通过测量感兴趣区血管最高值和最低值,定出相应的阈值,通过编辑软件减去软组织、骨头、静脉或不相关的动脉,在不同的角度对图像进行观察、分析。
 
MRI数据三维重建的临床应用
MRI有高于CT数倍的软组织分辨能力,并可任意作多方向切层,具有无骨性伪影、多方位成像、无电离辐射等优势。对中枢神经系统、关节和肌肉的检查优于CT等其他影像学检查方法。近年MRI血管成像技术发展迅速,衍生出许多可供选择的新技术,如MRI血管成像、功能MRI、灌注成像技术、弥散成像技术、实时内窥镜技术等。这一系列技术分别在心血管疾病无创性诊断,胃肠、胰腺疾病检查,脑组织功能性检查,肺部肿瘤诊断,引导介入治疗等方面具有独特优势。MRI血管造影以其无创性和图像的直观清晰性受到临床研究者的重视,对原发性面肌痉挛、三叉神经痛临床诊断及宫颈癌放疗疗效评估有重要意义。近年来,三维可视化操作的应用进一步提高了MRI评估乳房肿块的准确性,不仅可用于良、恶性肿块的鉴别、肿瘤分期、肿瘤大小和部位的确定;还可用于乳腺癌的治疗,包括乳腺癌辅助化疗疗效的评估、辅助手术方案的制订;通过MRI数据三维重建还可辅助自体组织乳房再造的术前设计。
 
随着科学技术的发展,医学影像正经历着从二维到三维的发展,通过计算机技术的帮助,我们可以在短时间内得到显示目标结构区带有仿真色彩的,甚至以内窥镜的信息模式显示的“直观信息”。精准医疗已经成为全球医学发展的方向,而影像医学也正在面临巨大的挑战与机遇。影像医学必将适应医学模式的改变,从传统的肉眼形态学观察,走向功能成像,进而向计算机智能化的“影像诊组学"发展,全方位地参与医疗模式变革,提供患者个体化诊断信息,助力医生精准、快速地判断病症。

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