基于超聲圖像的血管重構技術研究

王 輝 劉 崢 侯書鵬

（西安工業大學，陜西 西安710021）

冠狀動脈粥樣硬化性心臟病（冠心病）已成為嚴重危害人類生命健康的非傳染性慢性疾病。根據中國心血管病報告2017的數據統計顯示，截止到2015 年，我國心血管的患者大約有1100 萬人，每十萬人中就有近三百的人死于心血管疾病[1]。早期明確冠心病患者冠狀動脈（冠脈）病變特征，對臨床制定有針對性干預方案具有重要意義[2]。

在三維重構的技術提出之后便吸引了大量研究人員投入該領域的研究。文獻[3]提出一種基于圖像灰度的關鍵幀提取的門控方法,用于減少血管內超聲（IVUS）圖像序列縱切方向上的運動偽影。文獻[4]通過融合邊緣特征和區域特征，并且依據一定的特征來選擇種子點，盡量避免種子點選擇在邊緣區，從而實現提高圖像分割的效果。文獻[5]提出了一種基于醫學圖像的改進的移動立方體（MC）算法，改善了傳統MC 算法在醫學圖像重建中速度慢、組織分離困難等問題。隨著面繪制算法的不斷發展，人們又提出了體繪制算法，文獻[6]提出了基于體繪制的交互算法，解決了體繪制中缺乏有效的交互問題。隨著研究人員的不斷探索，醫學圖像的三維重構技術日漸成熟。

本文通過對血管三維重構過程所需用的技術進行實驗探究，選擇適用的圖像處理和三維重構的方法，利用冠心病血管的二維切片序列圖，重構了冠狀動脈血管的三維模型。幫助年輕醫生在介入術之前進行術前模擬，降低實際操作過程中產生的各種問題，降低手術風險，緩解病人痛苦。

1 血管部位三維重構

1.1 圖像采集和預處理

血管內超聲（Intravascular ultrasound，IVUS）通過回撤預先放入血管的導管，獲取血管的截面圖數據。在超聲圖像采集的過程中，由于設備所處的環境，信號傳輸過程中受到的干擾以及轉換時的數據丟失等原因，使得超聲圖像質量較差，識別、定位和分割的難度增大。因此需要對超聲圖像進行平滑增強處理。

為獲取高質量的超聲圖像，便于分割血管輪廓，本文集合各種濾波方法的優勢，采用混合濾波算法。由于原始數據中含有光標點、攝像頭偽影等比較明顯的干擾因素，因此第一步先采用中值濾波方法去除掉圖像中比較明顯的干擾，然后對圖像進行小波分解，由于噪聲大多處于高頻部分，因此對高頻區域采用均值濾波，保持低頻信號不變，實現降噪，這種混合降噪的方法可以更好地去除圖像的噪聲。

算法的步驟如下：

（1）讀取圖像A，對圖像A 做中值濾波獲得圖像B；

（2）對圖像B 做小波變化，得到低頻部分B1保持不變，對高頻部分H1，V1，D1做均值處理，得到處理后的高頻部分H2，V2，D2；

（3）對B1，H2，V2，D2做小波逆變化得到濾波后的圖像C。

通過對比可以看出，單獨濾波降噪處理效果一般。本文的混合濾波算法在去除干擾的時候還能較好的保留細節，并且色調明亮，從視覺上要優于其他算法。

醫學圖像的分割是進行三維重建最為關鍵的一步，同時廣泛應用于醫學圖像處理和分析。由于人體器官的復雜多樣，不論是圖像的獲取，還是對圖像分析的難度都遠大于一般圖像的處理。

經實驗研究，雖然一階微分算子都可以提取出血管的輪廓，但是在細節方面有所區別，分割的效果還是不理想；而區域生長法可以比較好的分割出血管的輪廓，因為區域生長法開始的過程中，種子點在圖像中心，以種子點為基點向外擴散，將符合條件的點并入種子內，當到達邊界就停止計算，因此可以有效的將血管輪廓外的區域剔除，獲取比較好的分割輪廓。因此選擇本文采用區域生長法提取血管輪廓用于血管模型的三維重構。

1.2 血管部位三維重構

現在應用比較廣泛的醫學圖像的可視化技術主要有面繪制和體繪制兩種比較成熟的技術。兩種方法各有優缺點，體繪制利用光線穿過數據場，通過對顏色及不透明度等因素的考慮，直接構建模型，該算法可以很好地表達出物體內部的細微結構，但由于參與計算的數據量大，模型的處理和顯示都會比較慢；面繪制利用等值面的思想，通過三角面片擬合出物體的表面輪廓，算法簡單，易于實現效率高。

本文中的數據是冠脈病變部位的血管內超聲圖像，三維重構的主要對象是血管輪廓，而血管內部結構比較單一，因此選用移動立方體算法（Marching Cube）來進行血管模型的重構，不僅可以滿足實驗的需求，同時可以提高模型生成的效率。重構結果可以看出，MC 算法在血管重構上面的應用還是很有效果的，重構出的血管模型比較完整。

2 系統框架實現

三維重構系統的搭建涉及到對VTK 各種類庫的調用，因此在創建好MFC 框架后需要添加VTK 的頭文件和鏈接庫，這樣才能正常的調用VTK 內封裝好的各種算法。這里我使用CMake幫助我來完成程序管理，這樣做可以避免人為配置后出現的各種VTK 類庫的調用問題，極大提高系統開發的效率，也便于程序移植。

本文利用VTK 開發工具包的開源性和較強的兼容性，在在VS 2010 開發平臺下，基于MFC 的程序框架實現VTK 類庫的配置，開發出血管三維重構的系統。

本系統最主要的就是中層架構的數據處理模塊：圖像處理模塊、三維重構模塊；而上層架構的文件I/O 模塊主要是用來讀取各種格式的文件，并將其顯示在視圖區；同時還有輸出文件的功能，將處理好的圖像或三維模型進行保存。在主界面的菜單欄中有文件I/O、圖像處理、模型重構、模型簡化4 個菜單。

3 結論

通過對比各種圖像預處理方法，提出混合濾波法進行濾波處理，選用區域生長法提取血管輪廓用于血管模型的三維重構；研究三維重構方法，選用算法簡單，重構效率高的MC 面繪制算法完成血管模型的三維重構。

在Visual Studio 2010 開發平臺下，基于MFC 編程框架和可視化工具開發包VTK，開發了三維血管模型重建系統。系統實現了對醫學序列圖像的讀取、預處理、三維重構等功能。