何洪林，趙育新，莫雅芬，雷 跳，錢(qián) 俊，張 華

光柵立體成像應(yīng)用于缺血性腦血管疾病診斷研究

何洪林，趙育新，莫雅芬，雷 跳，錢(qián) 俊，張 華

目的：針對(duì)二維CT灌注圖像在腦血管疾病的診斷中對(duì)病情展示效果不佳的問(wèn)題，研究利用立體灌注圖像來(lái)輔助診斷的方法。方法：在較前構(gòu)建的智能化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合模型的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)基于光柵立體成像技術(shù)的灌注狀態(tài)三維圖像功能模塊。采用3DMAX對(duì)頭顱灌注融合圖像進(jìn)行三維重建、虛擬立體拍攝，從而得到序列視差圖像，然后經(jīng)專門(mén)軟件處理得到合成圖，最后經(jīng)光柵立體顯示器展現(xiàn)出三維立體效果。結(jié)果：實(shí)現(xiàn)了頭顱灌注成像多參數(shù)圖像綜合分析的立體化。結(jié)論：立體灌注圖像生動(dòng)逼真，使診斷結(jié)果更易于被臨床醫(yī)生參考，不僅有助于醫(yī)生和患者之間的交流，而且可以用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和會(huì)議討論，具有一定的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。

裸眼立體圖像；立體攝影；柱透鏡光柵

0 引言

CT灌注成像（CT perfusion imaging，CTPI/CTP）是一種常用的診斷缺血性腦血管病最常用的功能性成像方法之一。CTP的理論基礎(chǔ)是指示劑稀釋原理和中心容積法則。其基本方法是在注射造影劑一定時(shí)間（如5 s）內(nèi)，對(duì)選定的大腦層面進(jìn)行連續(xù)增強(qiáng)動(dòng)態(tài)掃描以獲得該層面內(nèi)每一像素的時(shí)間-密度曲線，然后通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出一系列的灌注參數(shù)[1]。這些參數(shù)包括相對(duì)腦血流量（relative cerebral blood flow，rCBF）、相對(duì)腦血流容積（relative cerebral blood volume，rCBV）、對(duì)比劑平均通過(guò)時(shí)間（mean transit time，MTT）和峰值時(shí)間（time to peak，TTP）等[2]。接著對(duì)獲得的參數(shù)進(jìn)行偽彩處理，得到血流灌注圖、血容積圖、平均通過(guò)時(shí)間圖和峰值時(shí)間圖等，以此全面評(píng)價(jià)組織器官的灌注狀態(tài)。

普通的CT灌注圖像是多幅的單參數(shù)圖像，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)師通過(guò)綜合分析各個(gè)灌注參數(shù)圖，才能對(duì)腦組織缺血狀態(tài)作出合理評(píng)價(jià)，對(duì)人工的依賴性較大，為此我們?cè)谖恼耓3]中提出了一種智能化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合模型，利用其對(duì)單參數(shù)圖像和原始灰階圖像進(jìn)行多重融合，實(shí)現(xiàn)頭顱灌注成像多參數(shù)圖像綜合分析的智能化和自動(dòng)化。然而，由于融合圖像是二維的，對(duì)病灶區(qū)域范圍及大小的表現(xiàn)力不夠，對(duì)病情的展示也不夠形象逼真，不利于醫(yī)生與患者的交流溝通。因此，本文在前文成果的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了生成三維立體灌注圖像的“光柵立體化模塊”。本文研究的三維立體灌注圖像是一種基于柱透鏡光柵的裸眼立體顯示圖像，不需要佩戴眼鏡、頭盔等輔助設(shè)備即可直接觀看。相比二維圖像，光柵立體圖像具有形象逼真的立體縱深感，能給人強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊和身臨其境的感受，因此被廣泛應(yīng)用于影視、軍事、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域[4]。該模塊不僅可以使灌注成像結(jié)果更易于被臨床醫(yī)生參考，而且能夠作為醫(yī)學(xué)教學(xué)和會(huì)議討論，具有一定的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。

1 腦灌注狀態(tài)智能診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

本研究的技術(shù)路線流程如圖1所示，整個(gè)分析過(guò)程整體思路如下：

（1）對(duì)rCBF、rCBV、MTT和TTP等一系列灌注參數(shù)圖像進(jìn)行預(yù)處理即進(jìn)行提取、增強(qiáng)、匹配等操作。

（2）運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)預(yù)處理后的頭顱灌注圖像進(jìn)行模擬、訓(xùn)練、學(xué)習(xí)、優(yōu)化等操作，進(jìn)行灌注圖像的初步融合，從而將多幅單參數(shù)頭顱灌注圖像轉(zhuǎn)換為單幅多參數(shù)頭顱灌注圖像。

（3）針對(duì)多參數(shù)信息圖像的特征關(guān)系和解剖學(xué)成像圖像紋理的空間關(guān)系，通過(guò)代數(shù)加權(quán)乘積變換的方法進(jìn)行二次融合處理，從而實(shí)現(xiàn)缺血性腦血管?。╥schemic cerebral vascular disease，ICVD）患者的CT灌注診斷結(jié)果直觀顯示[5-6]。

（4）根據(jù)融合圖像以及CT自帶的三維圖像重建信息，精確重建頭顱灌注三維模型，并通過(guò)光柵立體化模塊得到裸眼光柵立體灌注圖像。

其中，（1）～（3）已通過(guò)前文提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合模型實(shí)現(xiàn)，因此本文著重研究光柵立體圖像生成的模塊。根據(jù)頭顱實(shí)質(zhì)灌注狀態(tài)及相關(guān)信息，擬采用3DMAX軟件對(duì)病灶區(qū)域腦組織、血管等進(jìn)行高仿真三維建模，將病灶區(qū)以不同于正常組織的顏色進(jìn)行標(biāo)示，并導(dǎo)入預(yù)先建好的腦組織模型，從而得到整個(gè)頭顱灌注情況的3D模型。然后通過(guò)三維軟件自帶的攝像機(jī)進(jìn)行虛擬立體拍攝，獲得可用于立體顯示的序列視差圖像。通過(guò)專業(yè)圖像軟件處理從而生成立體合成圖像，最后通過(guò)光柵自由立體顯示器顯示出來(lái)。

圖1 技術(shù)路線流程圖

2 柱透鏡光柵裸眼立體成像的原理

光柵立體成像技術(shù)是基于雙目視差原理和光柵板折光分像原理，通過(guò)柱透鏡光柵使二維圖像呈現(xiàn)立體感的一種技術(shù)。

2.1 人眼立體視覺(jué)原理

自然界是一個(gè)三維的空間，其中所有物體都是三維的。人們?cè)谟^察自然景物時(shí)，雙眼能接收到由物體反射的光線，然后通過(guò)視覺(jué)神經(jīng)的融合功能以及大腦神經(jīng)中樞的處理，可以形成完整而有縱深感的立體視覺(jué)。人眼結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示[6]。

圖2 人眼視覺(jué)系統(tǒng)

正常人都是用雙眼來(lái)觀察三維空間的物體，而雙眼之間具有一定距離（成人約64 mm），所以在觀看某個(gè)特定對(duì)象時(shí)，2只眼睛觀察的角度稍有差別，因而被觀察物體在人的左、右眼視網(wǎng)膜上所形成的像也存在略微的差異，這種差異叫做雙眼視差。雙眼視差是形成立體視覺(jué)的關(guān)鍵因素。

2.2 柱透鏡光柵的折光分像原理

柱透鏡光柵是由一系列相同規(guī)格的半圓柱透鏡單元經(jīng)過(guò)線性排列而成的，其背面是平面，也即是柱透鏡單元的焦平面，每個(gè)柱透鏡單元都相當(dāng)于一個(gè)匯聚透鏡，起到聚光分像的作用[7]。經(jīng)軟件處理后的條紋狀的二維合成圖像，按一定順序排列在焦平面上相應(yīng)的位置，然后柱透鏡光柵板會(huì)把經(jīng)過(guò)每一個(gè)透鏡單元的光束所攜帶的圖像信息全部組合起來(lái)，在左右視網(wǎng)膜上分別形成左右眼的子圖像，最后經(jīng)中樞神經(jīng)作用而形成立體圖像的視覺(jué)。圖3為柱透鏡光柵折光分像原理示意圖[8]。

圖3 柱透鏡光柵的折光分像原理

3 腦灌注立體圖像的制作與呈現(xiàn)

本文采用的三維圖像的制作主要包括三維建模、立體拍攝、圖像處理、立體顯示等環(huán)節(jié)。擬通過(guò)3DMAX軟件對(duì)頭顱灌注融合圖像的病灶區(qū)域腦組織進(jìn)行三維重建、虛擬立體拍攝，從而得到視差序列圖像，然后經(jīng)PhotoShop軟件處理制得二維合成圖像，最后通過(guò)特定的光柵立體顯示器而呈現(xiàn)出立體感。

3.1 頭顱實(shí)時(shí)灌注狀態(tài)模型的三維重建

3DMAX是一款常用的三維軟件，具有模型構(gòu)建、動(dòng)畫(huà)制作、圖像處理等多種功能，目前已廣泛應(yīng)用于建筑、廣告和游戲娛樂(lè)等行業(yè)。運(yùn)用三維軟件來(lái)輔助制作立體圖像、動(dòng)畫(huà)、視頻等立體內(nèi)容，是當(dāng)前3D領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。該方法不僅可以省去傳統(tǒng)拍攝設(shè)備的昂貴成本，還能有效提高制作的效率。運(yùn)用3DMAX進(jìn)行三維建模，一般需經(jīng)過(guò)三維場(chǎng)景布局、三維模型重建、燈光和材質(zhì)設(shè)置這幾個(gè)步驟。三維場(chǎng)景布局應(yīng)符合立體攝影的要求。建模時(shí)對(duì)病灶部位的血管進(jìn)行有區(qū)別的顏色標(biāo)示，與預(yù)先導(dǎo)入的病灶周邊正常組織顏色形成鮮明的對(duì)比，以凸顯病灶區(qū)域的范圍和病情程度。通過(guò)該軟件的攝像機(jī)功能，可模擬雙眼立體視覺(jué)，對(duì)該三維場(chǎng)景進(jìn)行投射，以得到序列視差圖像。

3.2 虛擬立體相機(jī)拍攝獲取序列視差圖像

立體拍攝就是采用立體相機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)的場(chǎng)景或動(dòng)作進(jìn)行拍攝，從而獲得2幅或多幅序列視差圖像。立體相機(jī)的形式可以是由多個(gè)相同規(guī)格相機(jī)組成的相機(jī)陣列或者多鏡頭立體相機(jī)（如雙目立體相機(jī)），也可以由相機(jī)和特定路徑的導(dǎo)軌組合。其中，相機(jī)可以是實(shí)體的，也可以是虛擬的。常見(jiàn)的立體相機(jī)擺放方式主要包括平行式、會(huì)聚式、離軸平行式和弧形式4種。本文擬采用3DMAX軟件自帶的虛擬攝像機(jī)，按照平行式的立體相機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擺放，如圖4所示。根據(jù)透視原理可知，這種方法下只有水平視差而沒(méi)有垂直視差，也不會(huì)產(chǎn)生梯形失真，具有比較理想的效果。

圖4 平行式相機(jī)擺放結(jié)構(gòu)

3.3 腦灌注立體圖像的處理

立體圖像的制作必須嚴(yán)格按照顯示設(shè)備的特征和參數(shù)來(lái)進(jìn)行。通常制作光柵立體圖像時(shí)，將視差序列圖進(jìn)行同名點(diǎn)匹配后即實(shí)施間隔抽樣，然后得到合成圖像。對(duì)序列視差圖像進(jìn)行抽樣時(shí)，一般以像素為單位，合成時(shí)要保證每一組抽樣條恰好布滿在一個(gè)光柵間隔內(nèi)，且須逆序排列。本文中的三維立體灌注圖像，采用的就是這種間隔抽樣的圖像合成方法。合成圖像擬通過(guò)四川省宜賓普什集團(tuán)有限公司提供的裸眼3D顯示終端（型號(hào)為PUSH3D55LS2I）進(jìn)行立體顯示。由于該顯示器自帶的3D播放器能夠自動(dòng)實(shí)時(shí)抽取每幅圖的子像素，因此在經(jīng)過(guò)PhotoShop軟件處理后，將序列視差圖按照一定的次序合成一幅大圖即可。為了保證生成光柵立體圖像與光柵板的精確匹配，序列視差圖像的分辨率設(shè)定為柱透鏡光柵分辨率的N倍，一般取8≤N≤24。實(shí)驗(yàn)所采用的是15線的柱透鏡光柵，最終顯示的光柵立體圖像尺寸為640像素×360像素，按照光柵顯示器和立體拍攝的參數(shù)，批量渲染輸出后得到9幅序列視差圖像，在播放前拼成一個(gè)1 920像素×1 080像素的大圖，如圖5所示。

圖5 光柵立體圖像的合成

3.4 腦灌注圖像的立體顯示

柱透鏡光柵的三維顯示系統(tǒng)一般包括一個(gè)平面顯示器和一個(gè)柱透鏡光柵板。平面顯示圖像位于光柵板的焦平面，根據(jù)液晶屏幕的像素的被分割成相等數(shù)量、交叉排列的左右子像素。接著左右子像素在通過(guò)光柵的折射作用之后分別在左右眼的視網(wǎng)膜上形成左右子視圖，然后視神經(jīng)會(huì)將具有合理視差的左右眼圖像融合成立體圖像并由大腦感知。如圖6所示，將制作好的立體圖像用相匹配的顯示設(shè)備進(jìn)行展示時(shí)，就能體驗(yàn)到多角度、色彩層次豐富、立體效果逼真的視覺(jué)感受。

圖6 頭顱灌注狀態(tài)立體圖像

4 應(yīng)用效果分析

為評(píng)價(jià)本文研究成果的應(yīng)用效果，我們隨機(jī)抽取了20名醫(yī)生對(duì)腦灌注立體圖像的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為武漢地區(qū)多家醫(yī)院的腦CT醫(yī)生（相關(guān)經(jīng)驗(yàn)3 a以上），年齡35～45歲，男性14名、女性6名，視覺(jué)功能或矯正視力均為1.0。實(shí)驗(yàn)采用主觀評(píng)價(jià)的方法，邀請(qǐng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象分別對(duì)光柵立體圖像和原二維圖像的效果進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，設(shè)置2個(gè)參數(shù)，即病情的醒目性和病灶范圍的精確性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 光柵立體成像與原二維圖像相比的應(yīng)用效果評(píng)價(jià) 人

由表1可以看出，腦灌注立體圖像具有較好的醒目性，能使觀看者一目了然，迅速知悉病情的嚴(yán)重程度，而且還能夠較為準(zhǔn)確地表示病灶的范圍和大小，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)的灌注圖像光柵立體化模塊，通過(guò)3DMAX軟件以虛擬立體攝影的方式生成序列視差圖像，再經(jīng)抽樣、合成輸出到液晶顯示屏上，最后經(jīng)柱透鏡光柵板折射分像再現(xiàn)立體感，實(shí)驗(yàn)證明具有良好的可行性。采用這種方法得到的腦灌注狀態(tài)立體圖像，具有較強(qiáng)的立體感和清晰度，將病灶的區(qū)域

（????）（????）范圍及大小特別標(biāo)示了出來(lái)，因此能夠更形象、生動(dòng)、真實(shí)地展示腦血管疾病的病情，使診斷結(jié)果更易為臨床醫(yī)生和患者提供參考，并且有望用于醫(yī)學(xué)教學(xué)與培訓(xùn)。將該模塊集成到之前已有的灌注圖像診斷系統(tǒng)，不僅進(jìn)一步提高了該系統(tǒng)的可視化程度，而且能夠?qū)崿F(xiàn)頭顱灌注多參數(shù)圖像綜合分析的立體化，具有較好的應(yīng)用前景。

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（收稿：2014-10-17 修回：2015-01-11）

Research on grating stereo imaging technology applied to diagnosis of ischemic cerebral vascular disease

HE Hong-lin1,ZHAO Yu-xin1,MO Ya-fen2,LEI Tiao2,QIAN Jun2,ZHANG Hua3
(1.Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Area Command,Wuhan 430070,China;2.School of Printing and Packaging,Wuhan University,Wuhan 430072,China;3.State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

ObjectiveTo explore stereo perfusion imaging replacing 2D CT perfusion imaging for the diagnosis of cerebrovascular diseases.MethodsPerfusion 3D imaging module based on grating stereo imaging technology was developed with the intelligent neural network fusion model.3D Max was used for 3D reconstruction and virtual stereo photographing of fusion images for cranial perfusion to obtain sequence parallax images,and the synthetic images came into being with some specific software,and then were shown on the grating stereo display.ResultsStereoscopic analysis of multi-parameter cranial perfusion imaging was realized.ConclusionThe stereo perfusion image may contribute to the communication between the doctor and patient,as well as medical teaching and conference.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（7）：13-15，39]

naked-eye stereo picture;stereography;lenticular screen

R318；R445

A

1003-8868（2015）07-0013-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.07.013

武漢市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（2013060602010245）

何洪林（1960—），男，高級(jí)工程師，主要從事放射影像技術(shù)方面的研究工作，E-mail：wdrf2004@163.com。

430070武漢，廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院（何洪林，趙育新）；430072武漢，武漢大學(xué)印刷與包裝系（莫雅芬，雷 跳，錢(qián) ?。?；430072武漢，武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（張 華）

張 華，E-mail：wdrf2004@sohu.com