摘 要：CT三維圖像技術(shù)是近年來(lái)科學(xué)計(jì)算可視化中最為活躍的研究領(lǐng)域之一。本文對(duì)CT三維圖像技術(shù)的方法作了較詳細(xì)的歸類，并分別進(jìn)行了綜述。最后在歸納總結(jié)以前的技術(shù)的基礎(chǔ)上，論文從三維重構(gòu)和三維重建兩個(gè)方面展望了CT三維圖像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：CT;三維圖像技術(shù);三維重構(gòu);三維重建

0.引言

二十世紀(jì)七十年代初，英國(guó)電器工程師Hounsfield發(fā)明CT技術(shù)并用于醫(yī)學(xué)診斷，1979年摩根又將CT從醫(yī)學(xué)界轉(zhuǎn)入工業(yè)界進(jìn)行工業(yè)無(wú)損探傷。自此，CT在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，早期的醫(yī)學(xué)CT圖像和近期的工業(yè)CT圖像基本上是二維斷層圖像。但是二維圖像存在一個(gè)很大的缺點(diǎn)--直觀性很差，對(duì)于一些人體或工件內(nèi)部的立體細(xì)節(jié)，無(wú)法得到清楚形象的認(rèn)識(shí)。隨著計(jì)算機(jī)硬件和可視化技術(shù)的發(fā)展，三維建模變得越發(fā)容易。為了得到目標(biāo)物體的三維模型，研究者們使用序列斷層CT圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，得到三維的立體顯示和表面顯示。后來(lái)，多層螺旋CT和螺旋錐束CT出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨后螺旋錐束工業(yè)CT掃描系統(tǒng)也研制成功，CT三維圖像因此可以由采集數(shù)據(jù)直接進(jìn)行三維重建而得到。

1.三維重構(gòu)

三維重構(gòu)（3-D Rebinning）是指以序列斷層CT圖線維原始數(shù)據(jù)，通過體繪制或面繪制方法建立三維模型。早期建立三維模型的最簡(jiǎn)單方法是序列二維斷層圖線以一定頻率進(jìn)行逐層顯示，已達(dá)到三維圖像的效果。但是這種方法不能十分清晰的再現(xiàn)立體信息，因此具有很大的局限性。后來(lái)發(fā)展的體繪制方法和面繪制方法則能彌補(bǔ)上述不足，因此被廣泛應(yīng)用到CT圖像的后處理上，下文將介紹一些常見的體繪制方法和面繪制方法。

1.1.體繪制方法

體繪制方法能夠在不構(gòu)造物體表面幾何描述的情況下直接對(duì)體數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，因此也稱為直接體繪制。根據(jù)不同的處理數(shù)據(jù)的域，體繪制方法主要分為二類：空間域方法和變換域方法。前者又包括以圖線空間為序的體繪制算法（如體光線投射法）和以對(duì)象空間為序的體繪制算法（如體單元投射法等），而后者包括頻域體繪制發(fā)和小波域體繪制方法。

1.2.面繪制方法

面繪制法是一種在體元內(nèi)產(chǎn)生等直面的方法。其中，最有代表性的是移動(dòng)立方體方法、移動(dòng)四面體方法和剖切立方體方法。面繪制可以有效的繪制三維體的表面，較好的表現(xiàn)空間層次，而且由于處理的輪廓數(shù)據(jù)量小，因此具有較快的繪制速度。但是面繪制方法缺乏內(nèi)部信息的表達(dá)，不能清晰顯示無(wú)明顯表面邊界的結(jié)構(gòu)。

2.三維重建

三維重建是指CT掃描利用面陣探測(cè)器獲得二維投影數(shù)據(jù)，再根據(jù)一定的算法直接重建出被檢測(cè)體的三維圖像，因此也稱為直接三維重建。由于在實(shí)際應(yīng)用中圖線的重建速度是很重要的，因此通常采用分析的算法。分析的算法又包含精確算法和近似算法。一般認(rèn)為：如果采集數(shù)據(jù)完整且無(wú)噪聲，則選擇精確重建算法;如果采集數(shù)據(jù)有噪聲或有物體運(yùn)動(dòng)造成影像的，則采用近似重建算法;而若數(shù)據(jù)不可靠或被截?cái)鄷r(shí)，迭代方法可以有較好的性能。當(dāng)數(shù)據(jù)嚴(yán)重不完整時(shí)，無(wú)論近似算法還是迭代算法都會(huì)產(chǎn)生偽影。

2.1.精確算法

精確算法主要用于擁有垂直雙圓或圓加直線等非平面錐頂軌跡CT的圖像重建。在實(shí)際的使用中，得出錐束精確重建的充分條件是：在每個(gè)橫截物體的平面上至少存在一個(gè)錐束的源點(diǎn)。

2.2.近似算法

近似算法主要用于錐頂軌跡為圓的錐束CT圖像重建。Feldkamp等嘗試性的將傳統(tǒng)的等距扇束重建算法改進(jìn)為實(shí)現(xiàn)圓形掃描軌跡的近似錐束重建算法。這種方法適當(dāng)?shù)匦拚w素到源點(diǎn)的距離和角度差，然后對(duì)不同角度的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行水平濾波并沿著X射線方向進(jìn)行三錐反投影。其重建的體素值是通過該體素的所有方向水平傾斜的扇束的貢獻(xiàn)之和。Feldkamp方法的本質(zhì)可看作把錐束數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為扇束數(shù)據(jù)，而后用轉(zhuǎn)換后的扇束數(shù)據(jù)來(lái)重建圖像。這種方法可以解決小、中錐角效應(yīng)對(duì)圖像重建的影響，而且對(duì)于重建數(shù)目有限的層面或較小的感興趣區(qū)域效率特別高，因此應(yīng)用比較廣泛。

2.3.迭代算法

非迭代算法有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，那就是這些方法中隱含著投影數(shù)據(jù)無(wú)噪聲、無(wú)缺損條件。但是噪聲是投影數(shù)據(jù)的一個(gè)固有特征，根本無(wú)法消除，又由于CT可看作一個(gè)參數(shù)估計(jì)問題，所以統(tǒng)計(jì)方法可以用于CT的三維圖像重建。迭代算法就是一種基于統(tǒng)計(jì)的方法。這種方法的一般過程是：先假設(shè)在三維模型內(nèi)的所有點(diǎn)都具有相同的值，并將假設(shè)值與預(yù)測(cè)值比較，進(jìn)行修正使量者一致，然后一遍遍的重復(fù)，直到假設(shè)值與測(cè)量值一樣或在允許的范圍內(nèi)為止。因?yàn)榈惴ň哂休^強(qiáng)的處理噪聲影響和不可改善圖像質(zhì)量的能力，所以在X射線CT中更顯重要。

3.CT三維圖像技術(shù)的展望

CT三維圖像由于其直觀性好的特點(diǎn)，被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到醫(yī)學(xué)診斷和工業(yè)檢測(cè)中。根據(jù)我們了解的國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)，對(duì)于三維CT技術(shù)的未來(lái)，我們可以作如下展望。

（1）在三維重構(gòu)方法方面，體繪制算法和面繪制算法依然是研究的熱點(diǎn)。特別是在工業(yè)CT領(lǐng)域，對(duì)大型工件圖像直接進(jìn)行三維重建在技術(shù)上還存在一定的困難，因此三維重構(gòu)體繪制算法和面繪制算法的應(yīng)用還會(huì)長(zhǎng)期存在。對(duì)于繪制方法，如何進(jìn)一步有效、精確的分割圖像，以提高表面的精度的保留完好的細(xì)節(jié)是研究的主要方向。

（2）螺旋錐束CT三維重建是未來(lái)CT三維成像的主要手段，因?yàn)樗男矢叨铱芍苯拥玫饺S體數(shù)據(jù)，并可根據(jù)這些體數(shù)據(jù)重建物體的表面或立體。在醫(yī)學(xué)診斷和工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，螺旋錐束CT會(huì)被更廣泛的應(yīng)用，因此直接三維重建算法包括精確算法、近代算法和迭代算法的研究將會(huì)繼續(xù)保持為CT三維圖像技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)熱門方向。

參考文獻(xiàn)

[1]Hounsfield G.N.，Computerized transverse axial scanning（tomography）：Part1.Description of system，British Journal of Radiology，1973，46：1016-1022

[2]唐澤圣，孫延奎，鄧俊輝.科學(xué)計(jì)算可視化理論與應(yīng)用研究發(fā)展.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2001，41（4/5）：199-202

作者簡(jiǎn)介：尹美晨（1989-），女，漢族，甘肅，大專，三維骨重建在創(chuàng)傷性骨折中的應(yīng)用。