Трехмерная реконструкция томографических изображений. Алгоритмы построения 3D-моделей анатомических структур. Часть 1

29.01.2015

Базовая информация, полученная при проведении КТ, является последовательностью двумерных цифровых изображений. Каждый элемент изображения является функцией рентгенологической плотности объекта исследования в соответствующей точке q (x, y, z), представленной в градациях шкалы серого цвета. Эти изображения сохраняются и передаются в виде серии файлов формата DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine).

Конечно томографические срезы имеют равную толщину (например один срез на миллиметр или 1 градус поворота трубки) и одинаковое количество пикселей на каждый срез. После их упорядочения в диагностическом программном обеспечении (томографическая реконструкция) создается объемный блок, представленный регулярной сеткой вокселей, который характеризуется разной интенсивностью поглощения и отражают структуру объекта исследования в объемном виде.

RAW КЛКТ

Рисунок 1. RAW-CT изображение, полученное с конусно-лучевого компьютерного томографа

Самым простым вариантом графического представления полученной объемной структуры является мультипланарная реконструкция. Программное обеспечение может провести сечения полученного объема под разными углами, создав новые серии гомографичних срезов (реформат) в разных плоскостях. Обычно при мультипланарной реконструкции пересечения проводят в стандартных ортогональных плоскостях: фронтальной, сагиттальной, горизонтальной (аксиальной), однако современное программное обеспечение позволяет осуществлять их в любых плоскостях, в том числе криволинейных. Программное обеспечение позволяет легко перемещаться по изображениям в любой плоскости, контролируя при этом положение среза или произвольно выбранной точки в других плоскостях.

MPR-реконструкция КЛКТ

Рисунок 2. Мультипланарная реконструкция данных КЛКТ: аксиальный, сагитальный, фронтальный и пользовательское сечение пациента. Контроль хирургического вмешательства субантральной аугментации и дентальной имплантации.

Для графического представления отдельных анатомических структур в виде виртуальных трехмерных объектов применяют технику объемного (3D) рендеринга. Для этого оператор определяет пороговые значения рентгенологической плотности (например, те, что соответствуют плотности костной ткани). После этого проводится построение трехмерной модели, соответствующей заданному диапазону рентгенологической плотности. Стандартным математическим алгоритмом, который используют для преобразования набора вокселей на полигональную модель, является метод марширующих кубов (Marching cubes). Для понимания особенностей построения трехмерных изображений рассмотрим алгоритм, применяемый в программном комплексе SIMPLANT.

В основе обработки компьютерного изображения и создания трехмерной модели в этом программном комплексе является выбор диапазона сегментации (Thresholding), который выделяет в отдельную маску пиксели со значением серого в заданном диапазоне. Низкое значение границы диапазона сегментации позволяет выделить мягкие ткани пациента, высокое значение – только твердые ткани (кость, зубы). Изменяя верхнюю и нижнюю границы диапазона сегментации, можно выделять отдельные структуры: губчатый и кортикальный слой, канал нижнечелюстного нерва, орбитальную полость и тому подобное. При выборе диапазона сегментации можно опираться на усредненные данные. Для большей точности можно применить анализ рентгенологической плотности вдоль профильных линий, проведенных через исследуемые структуры.

Специальный инструмент программы SIMPLANT позволяет разделить сегментацию в пределах выбранного диапазона на несколько объектов (масок) и убрать отдельно стоящие пиксели.

Изменяя пороговые значения рентгенологической плотности и методы графической обработки изображения, можно создать сложные, многокомпонентные модели, состоящие из отдельных элементов, которые соответствуют костям, мышцам, дыхательным путям, сосудам и тому подобное. Некоторые модели выделяют разным цветом и изменяют их прозрачность для получения максимально наглядного и простого для восприятия изображения объекта исследования.

3D снимкок областей с разной плотностью

Рисунок 3. 3D реконструкция по данным КЛКТ: костная модель, мягкотканная модель, объемная модель дыхательных путей.

Опыт создания виртуальных моделей по данным томографии свидетельствует, что кости лицевого черепа, которые являются основным объектом исследования в челюстно-лицевой хирургии, – это геометрически сложные, неоднородные образования, содержащие большое количество внутренних полостей. Некоторые элементы анатомических структур имеют размеры, сопоставимые с разрешением современных томографов или меньше. В зависимости от выбранного диапазона сегментации отдельные элементы могут быть объединены или, наоборот, при увеличении порогового значения один элемент анатомической структуры может быть представлен в виде нескольких отдельных элементов. Важное значение в процессе создания виртуальных 3D-моделей имеет предварительная оценка качества томографии, выявление имеющихся артефактов и их устранение в процессе обработки графического изображения.

Программный комплекс SIMPLANT содержит широкую панель инструментов для редактирования модели как на этапе создания маски сегментации, так и непосредственно в режиме 3D. Существует дополнительная возможность сглаживания поверхности, заполнения пустот, а также аппарат булевых операций, что позволяет объединять маски, отделять одну маску от другой и определять участки пересечения различных объектов.

При этом правильное определение границ объекта исследования и создание высокоточной виртуальной трехмерной модели требует точного знания особенностей его нормальной и патологической анатомии, топографических соотношений различных анатомических структур и особенностей представления их изображений на томограмме, особенностей проведения исследования с учетом типа томографа, применяемого причин возникновения артефактов и недостатков томографического изображения.

Продолжение статьи читайте ЗДЕСЬ.

Leave a Comment