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计算机辅助诊断（CAD）医学影像后处理简介
医学影像后处理是指通过综合运用计算机图像处理技术，医学知识，将由各种数字化成像技术（X射线，CT，MRI，PET等）所获得的人体信息按照一定的需要在计算机上直观地表现出来，使之满足医疗需要的一系列技术的总称。它能够弥补影像设备在成像上的不足，提供用传统手段无法获得的解剖学信息甚至病理生理学信息，从而使传统的医学获取和观察方式被彻底改变。医学影像后处理技术发展到现在，已不单纯局限于完成一些简单的显示和测量功能，它还包括图像三维可视化显示，图像分割，病变部位检测和图像配准融合等高级应用。
医学影像后处理从功能上可以分为辅助观察和辅助检测两个大的方面。辅助观察通过向医生提供更多的观察方式，给医生更多的参考，有利于医生更加快速地做出正确的诊断。辅助检测可以提供给医生一些诊断建议，包括测量得到的数据，分割和检测的结果，以及配准融合后新图像的信息。
1. 辅助观察
1.1 多平面重建（Multi-Plan Reformation, MPR）
多平面重建把横断面图像的像素叠加起来回到三维容积排列上，然后根据需要组成不同方位（包括冠状位、矢状位、斜位）的重新组合的断层图像（如图1.1所示），这种方位称为多平面重建。
(a) 横断面 (b) 矢状面 (c) 冠状面
图1.1 心血管的多平面视图
由于扫描孔径的限制，CT仅能沿人体长轴作横断扫描。但很多情况下，如果欲从冠状位或者矢状位观察病灶长轴时，CT的横断切面则常无法提供有益的信息，这给诊断带来很大的困难。因此利用MPR技术可较好地显示组织器官内复杂解剖关系，弥补横断图像观察的不足，有利于病变的准确定位。
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1.2 曲面重建（Curved Plannar Reformation, CPR）
曲面重建与MPR类似，不同点是在叠加成三维容积排列后，重新选取截面时是按曲线走行所得的图像，这种重建方式称为曲面重建，如图1.2所示。
图1.2 延展CPR和拉直CPR成像效果图
CPR对血管内腔的可视化显示特别重要，因此这种技术常用于腔内血管病变检测。对于具有海量数据和复杂结构的血管组织来说，医生可以通过CPR在很短的时间内观察和研究整个血管的病变组织，如血管狭窄、血管闭塞、动脉瘤和血管钙化等。其缺点是重建后的图像有一定程度的变形，同时容易遗漏垂直于曲面的较小病灶。因此在进行曲面重建时，一定要使重建路径走形于血流中央，以避免因路径走形的偏差而造成的假性狭窄。
1.3 表面遮盖显示（Shaded Surface Display, SSD）
表面遮盖显示技术一般是通过密度阈值提取位于组织结构边缘的体素信息，再利用形态学上的过滤或连接方法进行强化，把容积数据转换为一系列多边形表面片拟合的等值面，然后再根据光照、明暗模型进行消隐和渲染从而得到三维显示图像。
SSD可用于胸腹大血管、肺门及肺内血管、肠系膜血管、肾血管及骨与关节的三维显示。但由于SSD需要对容积数据进行分类判断，在处理复杂的，边界模糊的人体组织时，经常会出现错误，从而造成虚假面显示或在显示面上产生空洞。此外，该方法无法充分显示容积数据体内部的细节信息，目前已逐渐被容积再现技术所取代。
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1.4 最大密度投影（Maximum Intensity Projection, MIP）
最大密度投影是一种广泛应用于CT和MR影像后处理的技术。该方法是先将扫描后的若干断层数据叠加起来，然后沿着虚拟操作者视线方向穿过三维体素阵列，再投射到屏幕上，并且只有沿每一条视线经过的路线上测得的相对密度最高的体素才被计算机保留下来，从而形成MIP重建图像。
MIP的主要优势是可以较为真实的反映组织的密度差异，临床上常用于显示具有相对较高密度的组织结构，在很多方面的应用都具有重要意义：如血管MIP成像可较清晰地显示主要血管结构，便于观察血管的狭窄、扩张、充盈、缺损等。MIP对密度变化比较敏感，可发现很多血管壁的钙化，对骨骼的MIP成像可显示骨折锥体等骨结构的空间改变及锥体间的旋转移位程度，且非常直观；同时MIP成像可反映脊柱（如损伤一定时间后）局部骨密度的改变，对内固定装置特别是嵌入锥板、锥弓根的金属钉位置显示清晰，具有整体感强等特点。图1.3所示是MIP成像的一个典型应用——冠脉血管的显示。
图1.3 最大密度投影图像
1.5 最小密度投影（Minimum Intensity Projection, MinIP）
最小密度投影方法与MIP相似，是将每一条沿视线方向所遇到的体素最小值投影到二维平面上，从而形成MinIP重建图像。
MinIP成像多用于显示低密度结构，如气管、胰管、胆管及胃肠道空腔脏器病变的显示，图1.4是MinIP成像的一个典型应用——肺部气管的显示。在肺部影像诊断中，螺旋CT扫描后进行肺部气管MinIP三维重建，可直观、立体地显示肺部气管的形态、病变部位及范围。在胸部影像诊断中，MinIP还是一种集检测、定位及定量测量磨玻璃样密度和线样密度最理想的图像后处理技术，因而也常应用于肺气肿、间质性肺炎等弥漫性肺疾病中。在腹部影像诊断中，MinIP主要应用于胰胆管的显示，依据检查的目的，首先应用阴性造影剂（如水等）或者阳性造影剂（如口服造影剂）使胃肠道充盈，然后进行肝脏或胰腺的增强扫描，胰胆管周围正常结构的强化或高密度造影剂使MinIP能清晰显示相对更低密度的胰胆管。然而MIP和MinIP也存在着一些缺点，它对于密度差异较小的组织结构难以显示，且和容积再现技术相比缺乏立体感。
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图1.4 最小密度投影图像
1.6 容积再现（Volume Rendering, VR）
容积再现的中心思想是为不同的体素值指定一个不同的颜色和透明度，在将横截面断层数据叠加起来后，可将此三维体素阵列视为半透明，沿着虚拟操作者视线方向穿过容积数据后投射到屏幕上，屏幕上的每个像素是射向它的视线上的所有体素的颜色和透明度的融合，可实现三维显示扫描容积内的各种结构，如图1.5所示。
图1.5 容积再现结果
容积再现最大限度的保留了原始数据的细节，能够生成具有高质量的显示图像。在临床中可以用于血管成像，骨骼、关节以及尿路、支气管树、肌束的三维显示。由于三维立体空间关系显示良好，而且简便容易操作，所以目前的应用越来越广泛。
1.7 虚拟内窥（Virtual Endoscopy, VE）
虚拟内窥是虚拟现实技术在现代医学中的应用。它利用医学影像作为原始数据，融合图像处理，计算机图形学，科学计算可视化，虚拟现实技术，模拟传统光学内窥镜的一种技术。VE可以看做是VR的一种
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应用推广。
VE克服了传统光学内窥镜需把内窥镜插入人体内的缺点，是一种完全无接触式的检查方法。虚拟内窥镜的研究旨在为医生提供诊断依据，还可应用于辅助诊断，手术规划，实现手术的精确定位和医务人员的培训等。目前，VE的应用主要集中在那些具有空腔结构的气管上，如气管、支气管、食管、胃、结肠、血管、内耳、心脏等等。图1.6是结肠虚拟内窥镜中360度结肠全景展开显示视图，医生可以在一次浏览中非常方便的观察到结肠内窥壁的几乎所有细节，获得可靠的诊断依据。
图1.6 虚拟内窥结果
2. 辅助诊断
在医学影像后处理中，计算机辅助诊断（Computer Aided Diagnosis, CAD）是很重要的一种应用，主要包括测量、分割、检测、融合配准等几个功能。
2.1 测量
图像测量是指对图像中目标或区域的特征进行测量。图像测量包括对图像的灰度特征、纹理特征和几何特征的测量和描述。
通过图像测量可以实现医学影像的定量分析，即提取出对临床应用有价值的定量信息。定量信息通常以参数形式表示，如腔体、肿瘤的体积、血管的直径、三维区域的平均密度等。最简单的分析技术是直接基于切片显示的测量，在二维图像中可以测量距离、面积、角度，并统计密度分布，如均值、方差。在显示的三维模型基础上可测量两点间距离、曲线长度、表面积和体积等。通过结合多种测量方式可鉴别被检组织有无病变，以及病灶的大小和空间方位，为临床定性诊断及预测提供参考依据。
2.2 分割
所谓图像分割是指根据灰度、彩色、空间纹理、几何形状等特征把图像划分成若干个互不相交的区域，
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计算机辅助诊断(CAD)医学影像后处理简介
