基于高性能計算的子宮CT三維重建技術應用

沈映娜

（廣東省科技基礎條件平臺中心，廣州　510033）

基于高性能計算的子宮CT三維重建技術應用

沈映娜

（廣東省科技基礎條件平臺中心，廣州510033）

0　引言

2012年子宮內膜癌的發病率已居婦科惡性腫瘤第1位，如何方便快捷地提高子宮內膜癌的術前診斷準確率以提供選擇具有個體化設計的治療方案，已成為婦科領域亟待解決的問題，而為子宮內膜治療效果更優和副損傷更低，也成為臨床醫師追求的目標［1］。數字化三維重建技術的出現為提高子宮內膜癌治療效果，降低副損傷提供了手段和方法。但目前腹盆腔的三維重建技術仍未得到充分的應用開發［2］。同時，由于盆腔空間狹小，甕腔內臟器前后重疊，髂內動脈分支起源復雜，分支豐富等因素，且子宮動脈的解剖變異較大，導致子宮動脈開口隱匿、多變，因而針對其進行三維重建具有一定的難度［3］。因此，研究子宮三維重建技術將為子宮內膜癌的診斷、手術治療及預后評估提供一種新的診療途徑，具有重要的社會意義。

目前三維重建所面臨的一個關鍵問題就是所需處理的數據量大，因此需要利用高性能計算機處理，三維圖像可視化部分采用高性能計算機器進行渲染，將三維重建的粗模型轉換為精細模型，在保證觀看效果的同時，也平衡了系統實時渲染的負載。

本文著力于研究三維重建技術在女性子宮盆腔器官CT中的應用，可對其進行全方位或各部位的詳細觀察并進行數字化比對，提供臨床醫師更多的信息以用于診斷；以及將高性能計算機系統應用于三維重建技術中，提高三維建模的速度以及并行渲染，有效減輕了三維建模過程中的計算負載，對提高三維重建處理圖像速度以及數據存儲有著其重要的意義。

1　醫學圖像三維重建技術的研究

三維重建是指對三維物體建立適合計算機表示和處理的數學模型，它是計算機視覺領域中非常重要且應用廣泛的關鍵技術，通過計算機環境中對二維物體（一般指圖像）進行處理、操作和分析，然后實現三維場景的再現，三維重建技術可以在計算機表達客觀世界，屬于虛擬現實的一種關鍵技術［4］。三維重建是一個復雜的過程，如果對于單視圖的圖像進行三維重建，由于信息不完全，往往需要重建者的經驗知識加以補充。現階段我們通常采用雙視圖或者多視圖的圖像進行三維重建，獲取圖像后需標識圖像的坐標與世界坐標系的關系，因此，在獲取圖像之前需要先對攝像機進行標定，然后再利用獲取的二維圖像重建三維信息［5］。

計算機斷層掃描（CT）正被廣泛應用于疾病診斷，但CT儀器只能提供人體組織和器官的二維圖像。三維重建技術根據CT的層片圖像，重構出人體組織或器官的三維形體，用于三維醫學圖像分割，能夠幫助醫生有效快速地分割出想要的區域，對需要診斷的區域進行三維的具體的直觀的觀察，便于醫生診斷、手術治療等。醫學圖像三維重建流程如下圖1所示。

圖1　醫學圖像三維重建流程圖

2　三維重建在女性子宮CT的應用

2.1CT獲取原始圖像

如果采用數字化虛擬及灌注標本的數據進行實驗，容易因為器官外形的變化或失真，導致實驗數據不準確，影響三維重建。本實驗運用于三維重建技術的數據，由本項目合作的醫院提供。

實驗采用64排螺旋CT技術進行采集，數據來源子宮內膜癌患者的活體，對患者進行盆腔64CT薄層（0.64mm）平掃及增強掃描，獲取了患者的盆腔掃描圖像，并記錄子宮盆腔器官的具體數據，因此數據更加全面和真實，利用該數據進行重建的三維影像將更加細膩、逼真。

2.2圖像信息預處理

醫學圖像數據在獲取、傳輸和轉換的過程中，圖像質量會有所下降，例如灰度值變化、噪聲污染、細節損失、幾何畸變等，使得圖像的信息量減少甚至產生錯誤。因此，在進行圖像分析和處理前，需要對降質的圖像進行一定的預處理［6］。預處理的目的是最大限度地降低圖像獲取過程中引入的空間和曝光誤差、去除冗余數據、降低后期圖像處理的難度［7］。

圖像信息預處理常用手段主要包括圖像格式轉換、圖像校正、配準與融合、圖像濾波、圖像增強、圖像插值等。本實驗采用的是存儲格式為DICOM的醫學CT圖像，DICOM即醫學數字成像和通信，是醫學圖像和相關信息的國際標準。

2.3圖像分割

圖像分割是構建三維結構數據集的基礎，是將圖像中區域、邊緣等有意義的特征部分提取出來。圖像分割方法包括基于區域的方法、邊緣分割的方法等。而基于區域分割方法中的閾值分割方法在針對不同類物體灰度值或其他特征值相差很大時，能有效地對圖像進行分割，本實驗將采用該方法。

2.4三維重建

本實驗利用ITK-SNAP醫學圖像分割軟件，將二維圖像直接轉化成三維模型，重建的女性子宮盆腔器官模型外形逼真，可任意角度旋轉、平面切割、縮放、平移等。通過三維重建后的子宮盆腔器官可達到清淅效果，清楚地顯示女性子宮的三維立體形態，能很好地區分正常女性子宮與病患女性子宮的差異，為子宮內膜癌的診斷提供有力的幫助。

2.5三維圖像可視化

可視化（visualization）是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來的過程，它常常結合圖形交互、立體顯示等技術［7］。因ITK不提供圖像數據顯示與可視化功能，本實驗還需VTK可視化包，與編程軟件VC++2010。

三維醫學圖像可視化利用一組完整的二維切片進行技術處理，重新還原出被檢組織或器官的三維圖像，進行定性和定量分析，并從二維圖像中獲取三維結構信息。常用的繪制方法有面繪制法和直接體繪制法，本實驗采用了混合繪制，結合兩種常用的繪制方法，既可呈現組織或器官的層次結構，直觀地定性分析觀察；又保留內部的細節信息，實現定量的數據測定。有助于醫生的臨床診斷，更準確、快速地判斷病人的病情。

2.6三維重建女性子宮盆腔器官

本實驗基于ITK-SNAP醫學圖像分割軟件、VTK可視化包，與編程軟件VC++。讀取一組完整的女性子宮64排螺旋CT圖像的DICOM格式數據，CT平掃窗寬為200-300Hu，窗位為40-50Hu；增強窗寬為200-300 Hu，窗位為60-80 Hu。軟件功能模塊包括定位、調節、邊界編輯、三維分割等，為醫生提供逼真的顯示手段和定量分析工具，在輔助醫生診斷、手術仿真、引導治療等方面發揮重要作用。

（1）定位：確定某一固定點的位置和像素信息。

（2）調節：可以對圖像大小和對比度進行調節。

（3）邊界編輯：在劃線模式下，可以在圖像上繪制邊界，為下一步的分割做準備，在各圖層中為需要分割的圖像設定邊界。

（4）三維分割：根據設定的模糊邊界對目標體進行分割，選擇目標區域，調節濾波器閾值過濾區域內像素值，過濾后選擇生長氣泡的位置和大小，對目標結構體進行染色分割，分割后的圖像顯示在3D視圖窗口。

三維重建女性子宮盆腔器官界面圖如下圖2所示，左上圖為矢狀面，右上圖為冠狀面，右下圖為橫斷面，左下圖為3D視圖。

圖2　三維重建女性子宮盆腔器官界面圖

3　高性能計算集群在三維圖像重建的應用

三維醫學圖像具有龐大的數據量，對普通PC而言都是超大承受的負載。醫學CT三維重建，需要處理很多層的CT二維斷層數據，海量數據的處理是三維建模中的主要困難，這些數據目前主要是利用高性能計算機處理技術，項目采用高性能、大容量、適合處理醫學圖像的高性能計算平臺。高性能計算集群在三維圖像重建的流程圖如圖3所示。

本項目采用的高性能計算集群，采用基于刀片架構的HPP體系架構，同時支持32位和64位系統。配置多核計算節點，每節點配置4顆AMD Opteron 8425六核CPU，并配備了20GB/s Infiniband數據交換機，可提供萬億次級別的計算；平臺配備了GPU節點，最大程度地發揮CPU+GPU混合計算能力，為三維重建技術所需要的科學計算、圖形圖像處理帶來顯著的提升效果。

圖3　高性能計算集群在三維圖像重建的流程圖

本項目采用的高性能計算集群，采用光纖陣列（DS6310FE）作為主要的存儲系統，提供4Gb/s FC連接鏈路，可以擴展到SAN存儲系統。系統存儲介質采用SATA存儲，可根據三維醫學圖像的實際需要實現持續擴展，預計單陣列柜可擴展到26TB-80TB之間。同時配置了機群安全網關，實現了高處理能力與高性能、高安全性的有機結合。

4　結語

本文著力于研究基于高性能計算的子宮CT三維重建技術應用。首先介紹了子宮內膜癌的高發性和三維重建技術的重要性；然后介紹了三維重建技術在女性子宮盆腔器官CT的應用，根據實際的實驗案例，展現了女性子宮盆腔器官的三維重建過程，證明了三維重建技術有利于子宮內膜癌的診斷；最后介紹高性能計算集群在三維圖像重建的應用。醫學圖像的三維重建可提供臨床醫師更多的信息以用于診斷，高性能計算對提高三維重建處理圖像速度以及數據存儲有著其重要的意義。

［1］Thabet A，Kalva S P，Liu B，et a1.Interventional radiology in pregnancy complications：indications，technique，and methods for minimizing radiation exposure.Radiographics，2012，32（1）：255-74.

［2］夏紅.64層螺旋CT三維重建盆腔動脈的形態學研究及臨床應用［D］.南方醫科大學.2013.

［3］Deschamps F，Solomon SB.Thornton RH Computed analysis of three-dimensional cone-beam computed tomography angiography for determination of tumor-feeding vessels during chemoembolization of liver tumor:a pilot study 2010.

［4］康 來.基于圖像點特征的三維重建方法研究［D］.國防科學技術大學，2013.

［5］王劍，周國民.圖像三維重建中的特征點匹配方法研究［J］.計算機工程與應用，2009，45（2）：10-12.

［6］門懷宇.醫學圖像三維重建技術的研究與應用［D］.電子科技大學，2008.

［7］李安安，劉謙，曾紹群，唐雷，鐘世鎮，駱清銘.高分辨數字人體三維結構數據集的構建與可視化［J］.科學通報.2008（10）：1189-1195.

Three-Dimensional Reconstruction；Endometrial Cancer；High Performance Computing；Medical Images

Application of 3D Reconstruction for Uterus CT Based on High Performance Computing

SHEN Ying-na
（Guangdong Science&Technology Infrastructure Center，Guangzhou 510033）

1007-1423（2015）19-0012-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.19.003

沈映娜（1980-），女，廣東汕頭人，本科，工程師，研究方向為信息系統設計、研發工作

2015-05-25

2015-06-26

2012年子宮內膜癌的發病率已居婦科惡性腫瘤第1位，數字化三維重建技術的應用改善了子宮內膜癌治療效果。基于CT技術所采集數據，應用三維重建技術，創建分割子宮盆腔器官的三維模型，利用高性能計算對醫學圖像三維重建數據進行處理，有助于醫生進行臨床診斷，提高子宮內膜癌治療效果，降低副損傷。

三維重建；子宮內膜癌；高性能計算；醫學圖像

廣東省科技計劃項目（No.2013B010401011）

The incidence rate of endometrial cancer ranks first in a gynecological malignancies at 2012，the application of digital three-dimensional reconstruction technology improves the therapeutic effect of endometrial cancer.Based on CT technology data，creates the application of 3D reconstruction technology to collect a 3D model of the uterus and pelvic organ segmentation，and processes the use of high-performance computing for 3D reconstruction of image data，which helps physicians for clinical diagnosis，improves endometrial cancer treatment and reducing side damage.