多排螺旋CT三维重建临床应用

前言70年代-80年代末-----为传统非螺旋CT设备的单纯扫描阶段,以二维横断面图像为主,对了解身体各脏器肿瘤等病变的浸润深度，壁外侵犯，淋巴结转移和脏器转移起了重要作用。但对小病灶的检测敏感性低，对病灶范围的判断，立体感差。因此需要用三维重建像补充。前言三维重建的研究始于20世纪70年代中期80年代到90年代由于单层螺旋CT，继之90年代中期后多层螺旋CT的应用可以在一次屏气薄层大范围扫描中获得容积数据，並可多期相扫描---动脉期、门脉期、平衡期使得三维重建有可能进行，三维重建技术获得迅速发展。前言三维重建数据来自CT容积扫描时获得的一系列以“象素”为单元的图像投影数据，通过数学算法形成三维图像。像素(pixel)图像像素(Pictureelement)---是构成计算机二维图像矩阵的最小单位，512×512矩阵时像素的大小为0.1×0.1mm。像素愈小构成的矩阵图像愈细。每个像素的数值可以用CT值或灰价表示。前言矩阵(Matrix)—是计算机以二维排列的数字群方阵图。方阵图的数字量不一，如512×512三维图像的基本构成单元称体素(Voxel)，每一个“体素”包含了该图像所具有的可测量的各种信息数据，如CT值；灰度或颜色；不透明度；坐标位置等。前言注：螺旋CT机进行三维重建时，先需将螺旋CT扫描获得的原始数据进行二次处理，即图像层厚无法再变薄，但可重建间隔，根据重建解剖要求，使图层重叠，最佳为重叠50%-60%1多平面重建和曲面重建法(MPR，CPR)2最大密度投影法(MIP)3表面阴影显示法(SSD)4表面透视法(RaySum5体积重建法(VR)6CT仿真内窥镜(CTVE)㈠CT图像三维重建方法简介1多平面重建(MPR)Multiplanarreformation)和曲面重建法或曲面合成法(CPR)(Curvedplanarreformation、Curvedreformattedimages)本法是一种最简单的三维重建算法。MPR是将多层面二维轴位像简单叠加成三维像后，再按冠状位、矢状位、或任意位相断面截取三维数据，重新构成二维图像。MPR可以从不同的角度、不同厚度显示病灶和周围组织的相互关系。CPR为MPR重建技术的延伸和发展，能够将走行迂曲、缩短和重叠的血管、气管、肠管等结构伸展拉直，完全展示在同一平面上。胸部轴位胸部冠状位MPR胸部矢状位MPR胸部胸部CPR正常肾动脉CPR正常肾动脉轴位MPR与CPR对病灶的定位、范围的确定和空间关系的判断有重要意义，并且没有信息的丢失，能真实地反映靶器官CT值的变化，可区分钙化和造影剂。缺点是图像为二维，缺乏立体感。2最大强度投影法（MIP，Maximumintensifyprojection）和最小强度投影（MinimumIP）最大强度投影法(MIP)或最大密度投影法，亦称最强象素投影法(Maximum-Pixel-IntensityProjection)、最大信号强度投影法或最强信号投影法最大密度投影法(MIP)图象是通过计算机将重建范围内各条射线上具有最大CT值的象素集合二维显示，而将密度低的组织结构尽可能除掉。经过MIP处理后感兴趣的解剖结构的位置、形状、坐标等能够清晰再现，可以重建类似X线造影的图像。并可多平面、多角度、不同厚度观察。MIP常用于具有相对高密度的组织和结构，如血管及管壁的钙化斑块、肺内结节与肿块、明显强化的软组织占位病灶、骨骼等。血管MIP需静脉注射对比剂后进行，胆系MIP需静脉注射胆影葡胺后扫描。胸部骨骼MIP胸部血管MIP腹部血管MIP正常肾动脉MIP双侧股动脉MIPMinIP是由最小密度象素投影而成，主要用于肺部气道的显示，可清晰显示气管、主支气管、叶支气管，如支气管扩张的评介。亦可用于扩张胆系、泌尿系的显示。胸部MinIP优点：①可将不在单一平面的结构显示在同一个二维平面上②可广泛应用于各部位3D成像，它可以是任意角度的投影。可用于观察骨折移位及内固定术后等情况，在消除骨骼影像之后，密度最高的结构往往是充盈造影剂的血管管腔。因此，MIP重建法是显示血管病变最佳的方法，尤其适合于区分血管壁的钙化与管腔内的造影剂。③其灰阶值能反映组织的实际CT值。④显示解剖细节较精细。缺点：①图像立体感差，不能表达深度信息。②不能清晰显示解剖结构的三维空间关系。当观察靶血管时，重叠的其它血管、骨或增强显著的组织时，靶血管将不被显示。因此必须除去重叠的结构。③对CT值较低的结构如附壁血栓，因密度远不及血管密度高而不能显示，所以不能同时显示血管与病灶。④人工编辑费时费力。⑤MIP法仅将采集数据容积中的一部分提取出来成像，造成很大部分(98-99%)的数据丢失。3表面阴影显示法(SSD)ShadedSurfacedisplay)，或遮蔽表面显示法、表面覆盖成像、表面提取法(Surfaced-basedrendering)、表面遮盖显示(SRD，surfacerenderingdisplay)：SSD是在一个由“象素”构成的数学容积中，根据预先确定的阈CT值，通过计算机将在阈CT值范围内的组织结构(象素)联接形成的一个数学模拟三维图象。阈值表现为“全”或“无”的概念，阈值内的象素呈白色，CT值大于或小于某个预先确定阈值的所有象素当作等密度处理，呈黑色。换一种说法是将每一个“体素”的信号强度与预先设置的CT阈值相比较，用二进制码中“1”表示未超过阈值的体素，反之则用“0”表示，重建时除去所有“0”的体素。SSD应用深度编码，使图像有深度感，立体直观。可以通过确定不同的阈值来显示检查对象的不同靶结构图象类似钡剂充盈相。优点：①能显示脏器的外形和轮廓，成像空间立体感强②解剖关系清晰，有利于病灶定位③操作简单，重建速度快④辅以“切割Cut”开窗技术将影响观察的骨骼切掉，及“光线投照”影像效果技术更佳，可应用于身体各部位缺点：①只能选择单一的阈值，结果使阈值以外的象素信息丢失，仅利用10%的数据。②不能表示实际组织的密度信息。③图像对阈值的变化非常敏感，不适当的阈值选择可能丢失相关解剖结构。如骨的三维成像观察骨折时，阈值选择不当，能出现“假孔”现象。因此正确确定相应的CT阈值非常重要。④另一个缺点是本法获得的图像是不透明的，无法了解其内部结构，如血管成像时不易区分钙化与血管腔内造影剂(亦可采用分段法Segmentation，再次调整阈值去除钙化，将钙化与血管模型分别赋予伪彩色后叠加形成图像)。⑤血管狭窄的长度与宽度能被低估。SSD三维重建清晰显示脊椎解剖关系手掌骨结构SSD正常肝脾及其血管SSD或仿真透视、透明显示、透明投影(Raysum-projectionRSP)、CT透明重建、也称空气投影成像(aircastimagingACI)是GE公司开发的一种透明显示方式，是在SSD三维重建图像的基础上用RaySum软件使空腔脏器图像透明，以观察空腔脏器内和腔壁的情况，如同进行“透视”。即不仅能观察到面向观察者的胃、肠壁，同时视线能穿透前层胃壁或肠壁观察到后层胃、肠。主要用于气管、支气管、胃肠道、血管、胆囊、胆道、输尿管、膀胱等空腔脏器的成像。4表面透视成像(RaySum)本法图像类似双对比造影像再经过切割对模拟管腔行腔内外不同角度的观察。利于显示狭窄内缘的情况。目前表面透视成像都融合在VR法内应用喉、气管透明三维Raysum5(多阈值彩色)体积重建法(VR)亦称4-D重建(VRVolumerendering)亦称容积重建法、容积再现技术、容积显示法、容积成像法、容积漫游技术,容积提取法(Volume-basedrendering)、透视容积显示，多阈值彩色容积分析技术，遮盖表面容积显示(SVR，shadedvolumerenderingVR是建立在三维重建的基础之上，但比三维重建具有更丰富的表现能力和临床应用空间。是目前最高形式的三维重建技术VR将每个层面容积资料中的所有体素加以利用，从而获得全面的解剖信息和良好的空间关系。VR通过对容积内不同体素施加不同的透明度，可以透过透明部分观察其后的结构，具有深度感，能更好地显示病变的比邻关系，实现四维立体显示效果VR能自动将密度与色彩相结合，不但能在解剖上区分病变，还可以更好地显示病变与正常组织的密度差以及病变本身的密度差别。优点：①能100%利用扫描容积内的信息，能同时显示扫描容积内表浅与深在组织结构的影像。②保存了原始数据的解剖空间关系，显示的三维立体图像更真实感。缺点：对计算机的运算能力有较高的要求，因为参数选择较复杂，需要计算大量的数据，处理和显示过程花费时间较长。正常手掌骨结构及软组织(肌腱)VR胸部VR腹部血管VRVR与前述各种后处理技术之间的相关性：块(Slab)=1pixel厚度时，VR≈MPR块(Slab)=多层面显示厚度、密度阈时，VR≈MIP/MinIP赋予透明度后，则优于MIP/MinIPSlab=全厚度，密度阈相当时，VR≈SSD，赋予透明度后，则优于SSD6CT仿真内窥镜(CTVE，Virtualendoscopy)CTVE是利用计算机领域的虚拟现实技术(Virtualreality)把透视法(Perspective)和体积重建(VolumerenderingVR)技术结合起来。是模仿内窥镜从腔内显示空腔脏器内表面影像的方法，克服了纤维内窥镜对观察角度的限制，可任意多角度地观察。因此,又称腔内表面重建(internal3Dshadedsurfacereformation)。CTVE利用Navigatorsmooth软件(GE)，Voyager软件(Picker)，Fly软件(Simens)对空腔器官内表面具有相同体素值范围的部分进行三维表面重建而产生立体图像，CT值设定为完全透明状态,透过度(Transparency)为100%。再利用计算机的模拟导航技术(飞越方式，漫游技术fly-throughsequence功能键)进行腔内观察。也可以根据轴位和多平面重组(MPR)图像确定视点(光标)的位置和观察方向，分别从头侧或足侧进行腔内观察。再赋予人工伪色彩和不同的光照强度，最后用电影形式(moveloopmode)以15-30幀/s的速度连续依此回放。即可获得类似纤维内窥镜进行和直视观察效果的动态重建图像。VE对不同的组织器官选用不同的阈值模式。靶器官密度低于背景组织，如含气的胃肠道、气管等，宜选用“白底黑影(blackinwhite)”阈值模式。靶器官密度高于背景组织，如椎管、造影剂充盈的胆囊宜选用“黑底白影(whiteinblack)”阈值模式。调节透明度，不需要观察的组织透明度为100%，需要观察的组织透明度为0%。优点：①能明确管腔脏器(如胃肠道)的重要解剖标志，有助于CT定位，②癌瘤的大体分型准确性高，可与双对比造影和纤维内窥镜相比，③无盲区，无创伤，无痛苦。缺点：①不能显示病变颜色，故不能发现充血、水肿类炎性病变，②不易发现扁平病变及轻度狭窄，③单凭CTVE很难对病变作出定性诊断，④不能活检，⑤图像质量受多种因素影响。6CT仿真内窥镜的优缺点CTVE气管内情况胃癌CTVECTVE直观立体的显示椎管内情况㈡CT图像三维重建在临床各系统的应用1在血管的临床应用(SCTA)SCTA的各种重建图像可弥补单纯横断面图像的不足，提高了对受侵血管的判断力，因而可提高对肿瘤术前分期准确性和可切除性的预见力，在脏器肿瘤的术前评估中占有重要地位。与其他血管成像技术比较，有如下优势•①一次增强扫描后获得了兴趣区域的容积扫描数据，同时获得靶血管和横断面图像，无需额外曝光。•②通过外周静脉注射造影剂增强靶血管，操作简单，安全，检查门诊化、即时化，术后无需留院观察，而传统血管造影通过动脉穿刺后至少需卧床观察6~8hr，费用高。•③SCTA发生栓塞等并发症少,而动脉血管造影的并发症多•④SCTA为三维模式,有利于复杂解剖区域的多轴向观察•⑤SCTA扫描后同时获得到的横断面和重建血管图像结合可提高血管性病变诊断的准确性。并可用来显示附壁血栓、钙化灶和真腔直径。而DSA是血管腔内造影剂显示技术，并不能显示管壁和管壁外异