基于扫描数据的血管内腔三维重构

侯书鹏　刘峥

摘要：针对血管内超声图像数据，对血管内腔进行三维重构和可视化处理。建立基于Visualization Toolkit（VTK）和Insight Segmentation and Registration Toolkit（ITK）的三维重构系统，在重建过程中主要采用水平集分割获取目标区域，利用体绘制方法重构三维模型。实验结果表明，该系统可以有效的生成血管模型，并可以对模型進行旋转、缩放等操作，便于对模型的观察。

关键词：三维重构；VTK；ITK；分割；体绘制

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0099-02

冠心病作为一种常见的心脏病，严重危害着患者的身体健康，因此人们对冠心病的研究没有停止过。冠心病影像学CAG于1970年代发展起来。CAG被认为是冠心病诊断的“金标准”，但随着科技的发展，传统的方法和手段具有局限性，临床医学十分需要血管内超声技术来检测病变特性并指导介入治疗。血管内超声IVUS作为血管内影像学检测技术，可以帮助医生更好的诊断病人症状。

IVUS通过导管将高频微型超声探头导入血管内进行探测，经电子成像系统显示血管的截面图像，但图像受到声波的振荡，血管内杂质的干扰，使得医生对于图像的识别，尤其是对于病灶部分的识别变得十分困难。因此本文的目标是利用ITK的图像处理能力以及VTK的图像可视化功能，通过VS2010开发的系统将二者集成，实现对冠心病患者血管内腔的三维重构。

1 ITK功能实现

ITK是一个开源的平台，且具有很好的移植，它以C++为基础，封装了大量前沿算法，能够很好的处理图像的配准分割等问题。通过CMake编译软件，将ITK集成在VS2010所搭建的系统框架平台，对图像进行处理。

1.1 图像滤波

图像滤波的方法有很多[1]，如阈值、边缘检测、投射和亮度映射、梯度、领域滤波等。其中领域滤波是相对成熟的滤波技术，领域滤波又包含均值滤波，中值滤波等。

本文采用的是均值滤波方法。ITK均值滤波器调用itkMean ImageFilter来消除噪声干扰。其原理是以当前像素点作为中心点设置一个窗口，滤波器则在该像素点的若干个临近的单位输入像素值，计算出用该窗口的均值，来代替原来像素值，算法的优点在于可以有效的除去图像奇异点，计算方法简单，计算速度。原理公式如（1）式所示。

（1）

式（1）中Smn表示中心为（x，y），M表示m×n的值，尺寸是m×n的某矩形窗口，工程上一般采用3×3的矩形窗口。

1.2 图像分割

图像分割一般依据灰度、颜色、纹理等特征，可以将图像划分不同的子区域，提取所需要的区域做针对性研究。图像分割方法主要有区域生长、水平集分割和基于分水岭的图像分割等。

水平集分割方法最初应用于流体力学领域，后逐渐应用到图像科学领域，开始了水平集方法处理图像的研究。水平集的基本思想是通过设置一个高纬函数，称为水平集函数，用该函数的零水平集来表示所要提取的轮廓，通过对水平集函数的微分，获得零水平集的轮廓，完成图像的分割[2]。在ITK的库类中，运用FastMarching ImageFilter完成了水平集分割方法的封装，通过调用该函数完成了图像分割。

2 VTK功能实现

VTK在三维库函数OpenGL的基础上采用面向对象的设计方法发展起来，内核由C++构成，具有众多的翻译接口，拥有良好的移植性，且由于其强大的图像显示功能，被广泛应用于医疗、建筑、航天航空等领域。

三维重构：VTK主要的特点就是其强大的三维图形显示功能，它既支持面绘制，又支持体绘制。面绘制是一种对物体表面进行建模的绘制方式，但它忽略了物体内部的具体信息，而体绘制更加注重对物体内部结构的描述，由于重构的对象是血管内腔，所以采用体绘制，有利于模型建立后的观察。

体绘制的基本原理是将体素作为数据处理的基本单位，根据已有三维体数据，将其所有体细节通过二维图片形式展现出来。体绘制的主要算法有光线投影算法，错切变形算法，频域体绘制算法，泡学球算法等[3]。光线投影法作为一种经典的体绘制算法，它是基于图像序列的算法，从图像的每一个像素点出发，沿固定方向发射一道光线，对图像序列进行颜色信息进行采集，依据不同颜色光线的吸收不同，分析不同颜色的吸收率，然后将采集到的颜色值进行不断叠加，最后完成图像的绘制。VTK中的vtkVolumeRayCast IsosurfaceFunction类库封装了光线投影法的相关算法，通过该函数的调用，完成血管内腔的三维重构。

3 结语

本文基于VS2010提供的系统框架，凭借ITK和VTK良好的移植性，有机的将两个功能结合，完成了整个实验过程。对于图像处理，利用ITK封装的分割及滤波算法，对血管病灶部位图像进行处理；依靠VTK的体绘制算法重构三维模型，并将重构的模型显示在窗口上，可以为后续的支架植入仿真研究提供支持。

参考文献

[1]何石，潘晓璐，李一民.一种均值滤波的优化算法[J].信息技术，2012，（3）：133-134.

[2]王晓峰.水平集方法及其在图像分割中的应用研究[D].中国科学技术大学，2009.

[3]孙薇薇，张桦.三种体绘制算法的比较[J].天津理工大学学报，2005，（4）：9-11.