探究三维重建的意义与目的

X射线造影成像的最大缺陷在于把三维空间结构重叠到二维的图像上，即投影成像，血管结构可能在图像中相互重叠而影响观察，如图2-23所示。更本质地是，二维造影图像丢失了大部分临床诊断中所需要的三维空间信息。即使是临床经验丰富的医生，也只能相当有限地估计血管的空间方向。例如，为了诊断并规划血管狭窄的治疗，医生希望对病灶精确定位并定量估计狭窄的程度。血管的空间行走方向和直径狭窄信息无疑是作出这些判断的重要依据。事实上，平面造影图像中隐含着血管的三维空间信息。医生可以利用解剖、病理等专业知识和临床经验，从血管在多个方向的投影想象血管的三维形态，从而作出更加准确的评价。但是人工分析的缺点是结果不够客观、难以重复且不能定量，分析结果密切依赖于医生的临床经验以及能否恰当地利用专业知识。

冠状动脉血管的三维重建是指运用数字图像分析的方法从多个角度拍摄的X射线冠脉造影图像中重构除去实际血管的空间特征，并以恰当的方式表达出来，例如以图形的方式给出血管断面的形状、血管系统的三维形态、空间方向和曲率，甚至完整的三维血管几何模型。

目前冠心病的临床诊断中，医生一般选择多个角度进行冠脉造影，根据二维冠脉造影图像上动脉的直径狭窄百分比评价冠心病的存在及其严重程度。介入治疗过程中，通常根据狭窄动脉的二维长度测量值和临床经验选择球囊的大小或植入支架的长度。诊治的结果密切依赖于医生是否具有丰富的临床经验以及能否恰当地利用专业知识。另外，造影过程中血管的重叠和成像导致的长度缩短等因素都会影响冠脉造影的二维定量分析的精度，进而影响诊断的准确性和治疗的效果。

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图2-23 一帧左冠状动脉造影图像

综上所述，根据两幅近似垂直角度的冠脉造影图像重建三维血管，其意义在于，可实现冠状动脉的三维可视化，增强图像信息的直观性和空间感，医生通过交互式操作（如旋转、缩放和剪切等）可以更好地检查血管的形状和尺寸等，增强对血管拓扑结构的理解，减少造影检查的次数，降低医疗成本和减轻病人的痛苦；在三维重建的基础上实现血管的三维定量分析，对血管长度、体积、直径和角度等参数进行准确地定量描述，有助于更准确地描述病情；通过多模态图像的融合，可以产生更高级、更容易理解的图像形式，得到更加直观、丰富的医疗信息。例如，血管内超声和OCT成像均提供了血管内部的病变程度和形态等重要的诊疗信息，将这些信息和由造影图像得到的血管三维形态相融合，可以得到血管病变的准确空间位置和形态，从而为正确评价血管病变程度、制定治疗方案和指导手术等提供更加可靠的信息；根据冠状动脉的三维虚拟显示，可以计算或人工选择疑似病变血管的最佳观察角度，然后指导造影系统在该角度获取新的造影图像，由此可以更好地检查该段血管，辅助医生进一步地准确诊治；通过纵向比较病例三维定量分析的结果，可以评价病症的发展趋势和状态，评价手术是否成功，提高冠心病诊治的准确性；根据心动周期内不同时刻的造影图像重建冠状动脉的三维形态，即实现四维（三维＋时间）的冠状动脉重建，可以为描述心动周期中冠状动脉的动态特性及分析心脏的运动特征等工作提供良好的基础；通过血管树的三维重建，可以对某段血管或冠状动脉系统进行整体评价，从而很好地诊治弥漫性冠状动脉疾病；在计算机辅助教学中血管三维重建也具有独特的应用，可以用于训练、培养操作人员，增强对血管拓扑结构的理解，甚至可以作为虚拟手术治疗的平台。