三維重構在精準醫療中的應用

發布時間:2017-07-18 10:57     文章來源:medical research     作者:rayman

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精準醫療是通過采集、識別、檢測患者的個體生物學信息,然后利用這些信息制訂臨床治療方案的醫療方式。精準醫療首先需要有精準的診斷,而現代醫學是循證醫學,由于醫學影像學包涵了多種影像檢查、治療手段,使其已成為臨床最大的證源。
人體三維重建技術以醫學和信息工程學為主要特征,虛擬現實環境下重建人體組織的三維解剖結構。現代醫學科研和臨床診療所獲取的醫學圖像是多種多樣的,如CT圖像,X線,核醫學圖像,磁共振(MRI)圖像,超聲圖像以及各種電子內窺鏡圖像等,但是這些圖像在未處理的情況下提供的是二維圖像。面對二維圖像,臨床醫生只能憑經驗去估計病灶的大小及形狀,構想病灶與其周圍組織的三維幾何關系,這給診療的準確和便捷帶來了極大的難度。醫學圖像的三維可視化技術,就是將MRI、CT等數字化成像設備獲得的信息數據在計算機上直觀地以三維效果展示出來,從而提供用傳統手段無法獲得的結構信息。在用計算機重建三維圖像,并在屏幕上形象逼真地顯示出人體器官的立體圖像后,臨床醫生可以方便地對重建圖像進行諸如平移、旋轉、剖分等操作,也可以完善術前評估甚至可以進行可視化仿真模擬手術。這樣醫務工作者就能更充分地了解病灶的性質及其周圍組織的三維結構關系,從而幫助醫務工作者做出準確的診斷和制定正確的手術方案,最終達到提高診療準確性與科學性的目的。
 
常用三維重構技術
多平面重建(MPR)應用最為廣泛,是指把橫斷掃描所得的二維圖像以像素為單位,重建為以體素為單位的三維數據,再在容積數據的基礎上,重建任意平面的冠狀位、矢狀位、斜位的二維圖像。MPR可以較好的顯示組織器官復雜的解剖結構,有利于病變的準確定位,可應用于全身所有組織器官。對判斷病變的毗鄰關系、侵及范圍、動脈夾層破口、膽道、輸尿管結石定位等具有優勢。
曲面重建(CPR)屬于MPR的一種特殊方式,在容積數據的基礎上,沿感興趣區劃一條曲線,將扭曲的組織顯示在同一平面上,較好的顯示其全景。適用于展示人體曲面結構的器官,常用于額面股、輸尿管、血管、肋骨、腰椎等。
多層面容積重建(MPVR)則是將不同角度或某一平面選取的原始數據,采用最大密度(MIP)或最小密度(Min-IP)投影法進行運算得出圖像。MIP是取每一線束的最大密度進行投影,常用于密度較高的組織結構,如注射造影劑的血管、明顯強化的組織、骨骼等。Min-IP是取每一線束的最小密度進行投影,常用于觀察氣道、肺、含氣空腔等。
表面遮蓋顯示(SSD)通過計算被觀察物表面所有相關像素的最高和最低值,保留所選閾值范圍內像素的影響,將超出限定的閾值的像素透明處理后重組成二維圖形。特點是立體感強,能直觀的顯示骨骼和大血管的全景,有利于病變的定位、測量。
仿真內窺鏡成像術(CTVE)是在容積數據的基礎上,將表面遮蓋顯示和容積再現法相結合,模擬出三維立體空間環境。在受檢器官的腔內進行計算機數據后處理,顯示出圖像,與光纖內窺鏡效果相似,常用于喉部、支氣管、結腸、膽道、胃等官腔臟器等。
容積再現(VRT)特點在于對不同的組織、器官賦予不同的亮度、顏色,以易于區分。透明成像是VRT技術中的一種顯示方法,經過透明成像處理后的圖像可呈現透明影像,和雙對比消化道造影的效果相似。與傳統胃鋇餐相比,可以根據需要切割掉興趣區以外的組織結構和相鄰器官的重疊影像,而且可任意角度旋轉圖像,可讓病灶充分暴露顯示。
 
超聲數據三維重構臨床應用
三維超聲目前已在婦產科、頭頸部血管、眼科、泌尿生殖系等疾病的診斷方面廣泛應用。最新研發的三維超聲工作站軟件為普通二維超聲儀提供了三維成像途徑。動態三維超聲造影可在超聲造影狀態下生成一系列連續的三維圖像,實時顯示血管三維形態,可觀察血流灌注情況及血管空間結構及走行。三維超聲能夠重建腫瘤與血管的空間位置關系,有助于良惡性腫瘤的診斷及外科手術方案的選擇;還可清晰顯示胎兒肢體的緩慢活動及表情,對胎兒畸形的篩查和診斷敏感度和特異性較強。
 
在頸動脈與腦的應用中,通過彩色多普勒血流三維重建的頸動脈,能詳細顯示頸動脈粥樣硬化程度,如斑塊的質地、部位以及頸動脈狹窄的情況,對臨床上評估粥樣硬化有幫助。而三維超聲在顱腦的應用包括腫瘤和動靜脈畸形的定位及其與周圍重要結構的比鄰關系,術中顱腦的腫瘤三維超聲可準確顯示腫瘤的大小、范圍、空間關系。
 
眼球的生物學特性使之成為超聲三維重建的理想部位,三維超聲能清楚地顯示玻璃體內的條狀及膜狀病變,如視網膜脫離、玻璃體炎癥、玻璃體內機化物、晶體后脫位、脈絡膜病變等。視網膜脫離時,三維超聲不僅能直觀顯示網膜脫離的大小、起止部位、范圍,而且能顯示出視網膜破口的形狀、數目。隨著高頻超聲的應用,三維超聲對球后的病變也能較好地顯示,能準確評價球后病變與眼球視神經及眼外肌之間的關系,對于手術醫師選擇合適的治療方案頗為重要。對于眼科,與CT和MRI相比較,三維超聲更省時,費用低、無放射性,并可反復檢查而不必擔心放射線誘發白內障。另外,三維超聲能更準確計算眼球后腫瘤的大小、容積,并可能對病變作出較精確的定位以指導手術醫師及放射治療醫師的工作。
 
對于腎臟疾病,尤其是孤獨腎的患者,臨床手術必須保留部分腎臟,因此精確描述腎內病灶與血管樹、集合系統和腎包膜的空間關系至關重要。對移植腎的成像,三維超聲使得腎臟局部血供可視化,由此進行的移植腎容積的判定及其隨時間的變化可能對腎移植排異的診斷有幫助。三維超聲還可顯示呈菜花狀、乳頭狀或團塊狀的膀胱腫瘤,能顯示腫瘤與壁的空間關系、基底部及表面情況,腫瘤的數目、大小、方位、與輸尿管開口的空間關系也能清晰顯示。
 
在產科上,傳統二維超聲只對胎兒結構進行切面觀察,因而有許多不足。三維超聲不僅可以對胎兒體表結構進行表面重建,還可以用透明成像對胎兒體內結構進行三維成像,可從整體上對胎兒形體結構進行觀察,提高胎兒畸形的產前診斷率,確定不同孕齡胎兒正常及病理形態。
通過三維超聲三個平面的平行移動,可以清晰顯示多囊腎、腎臟發育不良等疾病。三維超聲表面成像能直觀準確地顯示胎兒外生殖器的立體形態,對判斷兩性畸形等疾病有重要價值。許多學者通過三維超聲成像診斷神經管發育畸形(無腦兒、腦脊膜膨出、脈絡膜囊腫等),利用血流彩色多譜勒信息建立的三維圖像可清晰顯示胎兒顱低Willis動脈環結構。胎兒面部觀察是高危妊娠超聲檢查的重要組成部分。面部畸形通常是染色體異?;蛺ザ淥斐5囊桓鮒剛?。二維成像僅能顯示前額、眼、鼻、唇和耳朵,三維成像更能清晰地觀察胎兒面部解剖極其相互關系。更全面地觀察脊柱和胸廓連續性極其曲率,從不同角度來觀察胎兒脊柱和胸廓有無異常,正確診斷脊柱側彎、脊椎骨缺損、胸廓變形等多種畸形。胎兒心臟的動態三維圖像在準確測量射血分數、估計心室容積及其動態變化、判斷宮內胎兒心臟先天性復雜畸形等方面可能提供一些有幫助的信息,但與MRI胎兒心臟三維重建相比,尚不成熟,測量的精確性需提高。
 
CT三維重構的臨床應用
CT機經歷了多次的更新換代。多排CT在國內已經十分普及,越來越廣泛地應用于臨床對疾病的診療工作。多排螺旋CT采集的數據既可作常規二維圖像顯示,也可進行后期處理,完成三維立體重建、多層面重建、器官表面重建等,并能實時或近于實時顯示各層面結構,已成為臨床不可或缺的檢查方法之一。因此,以像素為表現形式的橫斷面掃描圖像即將成為歷史,取而代之的是更直觀的多層螺旋CT以體素的形式展現的組織結構,即在原始數據基礎上重建的三維立體圖像。在影像診斷中,除了傳統的橫斷面圖像外,各種三維圖像是影像醫生重要的診斷線索和依據。CT因其具有無創、低輻射、超快速、偽影少、高效精確等特點,在顱腦、口腔、心血管疾病診斷、急診全身檢查、肺部腫瘤早期確診等方面具有優越性。由于三維重建圖像更為直觀,容易被臨床醫生理解和接受,從而在術前手術方案分析、選擇治療方案、估計預后等方面逐漸顯現出優勢。
 
在腫瘤領域,多層螺旋CT由于采用更薄的層厚進行檢查,在Z軸方向上增加了采樣密度,掃描速度快,三維重建圖像空間分辨率明顯提高,能從不同角度觀察病變情況,顯示病變位置、大小、范圍以及周圍結構的位置關系,了解腫瘤內外情況。提高疾病的定位和定性診斷水平。同時克服了超聲、普通CT等檢查方式的缺點,安全無創。CT仿真胃鏡和三維顯像對胃癌術前分期及評估有較大的臨床應用價值??詵?、血管內造影劑、水、氣體作為對比劑,聯合使用,可形成良好的對比,使胃腸道腔內、腔外及關閉結構顯示得更為精細。再者,先進的后處理技術,尤其是仿真內窺鏡技術,結腸透明成像技術可以更直觀地提供病灶的影像特征。同時,多排螺旋CT在雙側腎上腺腫瘤等疾病診斷中具有較高特異性。
 
在骨骼和牙齒方面,使用三維CT所提供的立體三維影像,可以清晰地反映出骨折線的長度、走形、骨塊位移的距離等,這些參數應用于臨床,能為臨床醫師制定手術計劃起到積極的幫助作用,使手術計劃的制定更加合理、客觀,從而減少手術探查創傷及縮短手術時間。micro CT,是一種非破壞性三維成像技術,可在不破壞樣本的情況下,了解樣本內部顯微結構。與普通CT相比,micro CT分辨率高,可達微米級別,在多領域多學科中應用廣泛?;詬眉際豕趨讕附峁溝娜亟?,骨內微血管造影,在很大程度上取代了破壞組織形態的計量學方法,對骨折、骨壞死、骨腫瘤診斷有重要價值。在口腔醫學方面,micro CT可生成高精度的全牙列數字化三維模型,便于測量和儲存;在口腔修復領域,micro CT在對指導完成瓷貼面、嵌體修復方面也有重要意義。
 
在代謝疾病方面,正電子發射計算機斷層顯像(PET-CT)是PET和CT的組合體,由一個工作站控制。PET提供病灶詳盡的功能與代謝等信息,而CT提供病灶的精確解剖定位,一次顯像可獲得全身各方位的斷層圖像,具有靈敏、準確、特異及定位精確等特點。PET-CT技術的核心是圖像融合。圖像融合處理系統利用各自成像方式特點對PET和CT圖像進行空間配準與結合,利用計算機圖像融合軟件進行二維、三維的精確融合,融合后的圖像同時顯示出人體解剖結構和器官的代謝活動。臨床主要應用于腫瘤、腦和心臟等重大疾病的早期發現和診斷,但因其價格昂貴,技術復雜等因素限制其廣泛應用。
 
在血管疾病中,CT血管造影(CTA)技術無創、幾秒鐘完成檢查,可以從各個角度重建出三維圖像,不但能觀察、測量管腔的通暢、狹窄情況,而且可以觀察到血管壁的影像,通過測量感興趣區血管最高值和最低值,定出相應的閾值,通過編輯軟件減去軟組織、骨頭、靜脈或不相關的動脈,在不同的角度對圖像進行觀察、分析,辨別斑塊的成份、性質。同時,CTA是主動脈瘤、主動脈夾層、先天變異畸形、外傷血腫及肺動脈栓塞等的首選檢查方法。主動脈CTA快捷、準確、無創更適合于急診患者及支架置入后隨訪的患者。
 
頭頸部CTA技術
多層螺旋CT的頭頸部CTA檢查是一種無創、快速、安全的頭頸部血管病變的檢查方法,作為頭頸部血管病變的篩選手段,可同數字血管造影(DSA)檢查相媲美,可在很大程度上取代有創的DSA檢查。通過測量感興趣區血管最高值和最低值,定出相應的閾值,通過編輯軟件減去軟組織、骨頭、靜脈或不相關的動脈,在不同的角度對圖像進行觀察、分析。
 
MRI數據三維重建的臨床應用
MRI有高于CT數倍的軟組織分辨能力,并可任意作多方向切層,具有無骨性偽影、多方位成像、無電離輻射等優勢。對中樞神經系統、關節和肌肉的檢查優于CT等其他影像學檢查方法。近年MRI血管成像技術發展迅速,衍生出許多可供選擇的新技術,如MRI血管成像、功能MRI、灌注成像技術、彌散成像技術、實時內窺鏡技術等。這一系列技術分別在心血管疾病無創性診斷,胃腸、胰腺疾病檢查,腦組織功能性檢查,肺部腫瘤診斷,引導介入治療等方面具有獨特優勢。MRI血管造影以其無創性和圖像的直觀清晰性受到臨床研究者的重視,對原發性面肌痙攣、三叉神經痛臨床診斷及宮頸癌放療療效評估有重要意義。近年來,三維可視化操作的應用進一步提高了MRI評估乳房腫塊的準確性,不僅可用于良、惡性腫塊的鑒別、腫瘤分期、腫瘤大小和部位的確定;還可用于乳腺癌的治療,包括乳腺癌輔助化療療效的評估、輔助手術方案的制訂;通過MRI數據三維重建還可輔助自體組織乳房再造的術前設計。
 
隨著科學技術的發展,醫學影像正經歷著從二維到三維的發展,通過計算機技術的幫助,我們可以在短時間內得到顯示目標結構區帶有仿真色彩的,甚至以內窺鏡的信息模式顯示的“直觀信息”。精準醫療已經成為全球醫學發展的方向,而影像醫學也正在面臨巨大的挑戰與機遇。影像醫學必將適應醫學模式的改變,從傳統的肉眼形態學觀察,走向功能成像,進而向計算機智能化的“影像診組學"發展,全方位地參與醫療模式變革,提供患者個體化診斷信息,助力醫生精準、快速地判斷病癥。