基于高性能計(jì)算的子宮CT三維重建技術(shù)應(yīng)用

沈映娜

（廣東省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)中心，廣州　510033）

基于高性能計(jì)算的子宮CT三維重建技術(shù)應(yīng)用

沈映娜

（廣東省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)中心，廣州510033）

0　引言

2012年子宮內(nèi)膜癌的發(fā)病率已居?jì)D科惡性腫瘤第1位，如何方便快捷地提高子宮內(nèi)膜癌的術(shù)前診斷準(zhǔn)確率以提供選擇具有個(gè)體化設(shè)計(jì)的治療方案，已成為婦科領(lǐng)域亟待解決的問題，而為子宮內(nèi)膜治療效果更優(yōu)和副損傷更低，也成為臨床醫(yī)師追求的目標(biāo)［1］。數(shù)字化三維重建技術(shù)的出現(xiàn)為提高子宮內(nèi)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(shù)仍未得到充分的應(yīng)用開發(fā)［2］。同時(shí)，由于盆腔空間狹小，甕腔內(nèi)臟器前后重疊，髂內(nèi)動(dòng)脈分支起源復(fù)雜，分支豐富等因素，且子宮動(dòng)脈的解剖變異較大，導(dǎo)致子宮動(dòng)脈開口隱匿、多變，因而針對其進(jìn)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(shù)將為子宮內(nèi)膜癌的診斷、手術(shù)治療及預(yù)后評(píng)估提供一種新的診療途徑，具有重要的社會(huì)意義。

目前三維重建所面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題就是所需處理的數(shù)據(jù)量大，因此需要利用高性能計(jì)算機(jī)處理，三維圖像可視化部分采用高性能計(jì)算機(jī)器進(jìn)行渲染，將三維重建的粗模型轉(zhuǎn)換為精細(xì)模型，在保證觀看效果的同時(shí)，也平衡了系統(tǒng)實(shí)時(shí)渲染的負(fù)載。

本文著力于研究三維重建技術(shù)在女性子宮盆腔器官CT中的應(yīng)用，可對其進(jìn)行全方位或各部位的詳細(xì)觀察并進(jìn)行數(shù)字化比對，提供臨床醫(yī)師更多的信息以用于診斷；以及將高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于三維重建技術(shù)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(jì)算負(fù)載，對提高三維重建處理圖像速度以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有著其重要的意義。

1　醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)的研究

三維重建是指對三維物體建立適合計(jì)算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型，它是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中非常重要且應(yīng)用廣泛的關(guān)鍵技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)環(huán)境中對二維物體（一般指圖像）進(jìn)行處理、操作和分析，然后實(shí)現(xiàn)三維場景的再現(xiàn)，三維重建技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)表達(dá)客觀世界，屬于虛擬現(xiàn)實(shí)的一種關(guān)鍵技術(shù)［4］。三維重建是一個(gè)復(fù)雜的過程，如果對于單視圖的圖像進(jìn)行三維重建，由于信息不完全，往往需要重建者的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)加以補(bǔ)充。現(xiàn)階段我們通常采用雙視圖或者多視圖的圖像進(jìn)行三維重建，獲取圖像后需標(biāo)識(shí)圖像的坐標(biāo)與世界坐標(biāo)系的關(guān)系，因此，在獲取圖像之前需要先對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，然后再利用獲取的二維圖像重建三維信息［5］。

計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）正被廣泛應(yīng)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(shù)根據(jù)CT的層片圖像，重構(gòu)出人體組織或器官的三維形體，用于三維醫(yī)學(xué)圖像分割，能夠幫助醫(yī)生有效快速地分割出想要的區(qū)域，對需要診斷的區(qū)域進(jìn)行三維的具體的直觀的觀察，便于醫(yī)生診斷、手術(shù)治療等。醫(yī)學(xué)圖像三維重建流程如下圖1所示。

圖1　醫(yī)學(xué)圖像三維重建流程圖

2　三維重建在女性子宮CT的應(yīng)用

2.1CT獲取原始圖像

如果采用數(shù)字化虛擬及灌注標(biāo)本的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，容易因?yàn)槠鞴偻庑蔚淖兓蚴д妫瑢?dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響三維重建。本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用于三維重建技術(shù)的數(shù)據(jù)，由本項(xiàng)目合作的醫(yī)院提供。

實(shí)驗(yàn)采用64排螺旋CT技術(shù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)來源子宮內(nèi)膜癌患者的活體，對患者進(jìn)行盆腔64CT薄層（0.64mm）平掃及增強(qiáng)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(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)更加全面和真實(shí)，利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行重建的三維影像將更加細(xì)膩、逼真。

2.2圖像信息預(yù)處理

醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)在獲取、傳輸和轉(zhuǎn)換的過程中，圖像質(zhì)量會(huì)有所下降，例如灰度值變化、噪聲污染、細(xì)節(jié)損失、幾何畸變等，使得圖像的信息量減少甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤。因此，在進(jìn)行圖像分析和處理前，需要對降質(zhì)的圖像進(jìn)行一定的預(yù)處理［6］。預(yù)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(shù)據(jù)、降低后期圖像處理的難度［7］。

圖像信息預(yù)處理常用手段主要包括圖像格式轉(zhuǎn)換、圖像校正、配準(zhǔn)與融合、圖像濾波、圖像增強(qiáng)、圖像插值等。本實(shí)驗(yàn)采用的是存儲(chǔ)格式為DICOM的醫(yī)學(xué)CT圖像，DICOM即醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信，是醫(yī)學(xué)圖像和相關(guān)信息的國際標(biāo)準(zhǔn)。

2.3圖像分割

圖像分割是構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)，是將圖像中區(qū)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(qū)域的方法、邊緣分割的方法等。而基于區(qū)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(shí)，能有效地對圖像進(jìn)行分割，本實(shí)驗(yàn)將采用該方法。

2.4三維重建

本實(shí)驗(yàn)利用ITK-SNAP醫(yī)學(xué)圖像分割軟件，將二維圖像直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)、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(dá)到清淅效果，清楚地顯示女性子宮的三維立體形態(tài)，能很好地區(qū)分正常女性子宮與病患女性子宮的差異，為子宮內(nèi)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來的過程，它常常結(jié)合圖形交互、立體顯示等技術(shù)［7］。因ITK不提供圖像數(shù)據(jù)顯示與可視化功能，本實(shí)驗(yàn)還需VTK可視化包，與編程軟件VC++2010。

三維醫(yī)學(xué)圖像可視化利用一組完整的二維切片進(jìn)行技術(shù)處理，重新還原出被檢組織或器官的三維圖像，進(jìn)行定性和定量分析，并從二維圖像中獲取三維結(jié)構(gòu)信息。常用的繪制方法有面繪制法和直接體繪制法，本實(shí)驗(yàn)采用了混合繪制，結(jié)合兩種常用的繪制方法，既可呈現(xiàn)組織或器官的層次結(jié)構(gòu)，直觀地定性分析觀察；又保留內(nèi)部的細(xì)節(jié)信息，實(shí)現(xiàn)定量的數(shù)據(jù)測定。有助于醫(yī)生的臨床診斷，更準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)基于ITK-SNAP醫(yī)學(xué)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(shù)據(jù)，CT平掃窗寬為200-300Hu，窗位為40-50Hu；增強(qiáng)窗寬為200-300 Hu，窗位為60-80 Hu。軟件功能模塊包括定位、調(diào)節(jié)、邊界編輯、三維分割等，為醫(yī)生提供逼真的顯示手段和定量分析工具，在輔助醫(yī)生診斷、手術(shù)仿真、引導(dǎo)治療等方面發(fā)揮重要作用。

（1）定位：確定某一固定點(diǎn)的位置和像素信息。

（2）調(diào)節(jié)：可以對圖像大小和對比度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（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(zhǔn)備，在各圖層中為需要分割的圖像設(shè)定邊界。

（4）三維分割：根據(jù)設(shè)定的模糊邊界對目標(biāo)體進(jìn)行分割，選擇目標(biāo)區(qū)域，調(diào)節(jié)濾波器閾值過濾區(qū)域內(nèi)像素值，過濾后選擇生長氣泡的位置和大小，對目標(biāo)結(jié)構(gòu)體進(jìn)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(jì)算集群在三維圖像重建的應(yīng)用

三維醫(yī)學(xué)圖像具有龐大的數(shù)據(jù)量，對普通PC而言都是超大承受的負(fù)載。醫(yī)學(xué)CT三維重建，需要處理很多層的CT二維斷層數(shù)據(jù)，海量數(shù)據(jù)的處理是三維建模中的主要困難，這些數(shù)據(jù)目前主要是利用高性能計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，項(xiàng)目采用高性能、大容量、適合處理醫(yī)學(xué)圖像的高性能計(jì)算平臺(tái)。高性能計(jì)算集群在三維圖像重建的流程圖如圖3所示。

本項(xiàng)目采用的高性能計(jì)算集群，采用基于刀片架構(gòu)的HPP體系架構(gòu)，同時(shí)支持32位和64位系統(tǒng)。配置多核計(jì)算節(jié)點(diǎn)，每節(jié)點(diǎn)配置4顆AMD Opteron 8425六核CPU，并配備了20GB/s Infiniband數(shù)據(jù)交換機(jī)，可提供萬億次級(jí)別的計(jì)算；平臺(tái)配備了GPU節(jié)點(diǎn)，最大程度地發(fā)揮CPU+GPU混合計(jì)算能力，為三維重建技術(shù)所需要的科學(xué)計(jì)算、圖形圖像處理帶來顯著的提升效果。

圖3　高性能計(jì)算集群在三維圖像重建的流程圖

本項(xiàng)目采用的高性能計(jì)算集群，采用光纖陣列（DS6310FE）作為主要的存儲(chǔ)系統(tǒng)，提供4Gb/s FC連接鏈路，可以擴(kuò)展到SAN存儲(chǔ)系統(tǒng)。系統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)采用SATA存儲(chǔ)，可根據(jù)三維醫(yī)學(xué)圖像的實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)展，預(yù)計(jì)單陣列柜可擴(kuò)展到26TB-80TB之間。同時(shí)配置了機(jī)群安全網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了高處理能力與高性能、高安全性的有機(jī)結(jié)合。

4　結(jié)語

本文著力于研究基于高性能計(jì)算的子宮CT三維重建技術(shù)應(yīng)用。首先介紹了子宮內(nèi)膜癌的高發(fā)性和三維重建技術(shù)的重要性；然后介紹了三維重建技術(shù)在女性子宮盆腔器官CT的應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)案例，展現(xiàn)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(shù)有利于子宮內(nèi)膜癌的診斷；最后介紹高性能計(jì)算集群在三維圖像重建的應(yīng)用。醫(yī)學(xué)圖像的三維重建可提供臨床醫(yī)師更多的信息以用于診斷，高性能計(jì)算對提高三維重建處理圖像速度以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有著其重要的意義。

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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?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)、研發(fā)工作

2015-05-25

2015-06-26

2012年子宮內(nèi)膜癌的發(fā)病率已居?jì)D科惡性腫瘤第1位，數(shù)字化三維重建技術(shù)的應(yīng)用改善了子宮內(nèi)膜癌治療效果。基于CT技術(shù)所采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用三維重建技術(shù)，創(chuàng)建分割子宮盆腔器官的三維模型，利用高性能計(jì)算對醫(yī)學(xué)圖像三維重建數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，有助于醫(yī)生進(jìn)行臨床診斷，提高子宮內(nèi)膜癌治療效果，降低副損傷。

三維重建；子宮內(nèi)膜癌；高性能計(jì)算；醫(yī)學(xué)圖像

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)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.