电影渲染技术cVRT在CT中的应用：一种新的逼真的3D可视化技术

【摘要】目的：本文的目的是对图像可视化技术-电影渲染（Cinematic Rendering，CR）的潜在优势和临床应用做一个综述。结论：容积渲染（Volume-Rendering，VR）技术可以在原始CT图像中得到可视化的3D图像，其在临床的多种场景和医学教育中发挥了重要的作用。电影渲染（Cinematic Rendering，CR）技术作为一种新的图像3D可视化技术，其可以模拟光线在穿过3D数据的过程中相互作用和传播特点，与传统的VR技术相比可以得到更加逼真的3D图像。

MDCT的出现极大的促进了医学影像的发展，多排CT在实现高时间分辨率快速采集的同时还可以实现大范围的覆盖[1]。MDCT还可以实现容积数据采集[2]。这些采集到的容积数据具有各向同性的特点，可以进行不同方位的重建，同时不会降低空间分辨率从而降低重建的图像质量和3D渲染的图像质量[3]。

虽然3D重建技术在传统单排螺旋CT中也有应用，但是MDCT具有更高的图像质量，另外随着计算机计算能力的提高，也极大的提高了3D渲染技术在临床中的应用。三维重建可以把一系列的轴位图像融合到一起，可以对解剖关系进行直观的观察，这些解剖关系在轴位图像中通常不易直接观察。这些技术使得对于疾病的观察、描述、解释更加全面[4-8]。因此，VR技术在医学图像的诊疗中扮演着重要的角色。

这篇文章的目的是对VR技术的临床应用进行一个综述，同时对CR技术进行一个介绍，重点对该项新的3D重建技术的潜在临床应用价值和未来应用前景进行综述。

VR技术

在医学成像中，组织信息例如MR信号强度、超声回波强度、CT值被转化成了编码数据。这些数据经过数学算法的处理，然后转化成灰度或者彩色图像。不同的算法可以产生不同类型的图像[9]。在2D技术中，例如最大密度投影、最小密度投影，通常利用来自于原始数据的单一容积参数进行图像的重建。利用一些更复杂的算法，可以在3D的重建中提高复杂结构和解剖关系的可视化效果。目前，VR技术是临床中进行3D重建最普及的一种重建技术。

VR是一种可视化技术，该技术可以把CT容积的数据一次进行整体处理，从而可以得到3D的图像来对解剖细节从不同的角度进行显示[10]。该技术基于光线投射和局部光照模型，对于屏幕上面的每一个像素，光线穿过整个容积并且和一行像素相交。该模型利用黎曼积分进行计算的时候比较简单，但是忽略了一些复杂的光线传导路径，例如光的散射和光的湮，从而导致重建图像看起来真实感较差。当光线穿过图像容积的时候，在形成最终的3D图像之前需要利用算法进行一些额外的设置，这些步骤包括采样、聚类、合成，所有的VR重建都要进行这些步骤，但是顺序可能会有所不同[11]。当一束光线穿过成像容积的时候，整个容积内的作用会在特定的点利用采样技术进行累加和计算。聚类的机制是通过转移函数给每个采样点一个颜色编码值和透明度值。在该步骤中，像素的灰度值被转化成了颜色值。合成的过程是把一行采样点的颜色和透明度值通过数学公式进行累加，从而在相应的像素位置产生最终的投影值[11]。

VR是一种基于百分比的技术[12]，每一个体素都包含有一种或者几种组织。每种组织都是根据预先定义好的CT值由0到100的百分数值来表示，根据这个数值的大小被赋予颜色和透明度值。一个体素内的最终的数值根据每种组织的百分比值进行计算从而来决定体素最终的颜色和透明度。这个步骤沿着光线传播方向在每个体素采样点反复进行。沿着光线传播方向所有采样点的值进行累加并投影形成最终的图像。把CT值进行不同组合就可以产生不同种组织的图像，然后基于观察和光源的位置产生3D图像。VR相比于传统CT重建它可以包含需要进行VR重建的全部信息，因而可以产生更加准确的3D图像。这使得在单图像集上可以显示更大的成像容积，同时还可以评价远处的结构和他们的空间位置关系。

电影渲染技术（Cinematic Rendering）

电影渲染技术是最近出现的一种新的3D重建技术，目前还没有应用到临床，它可以利用传统的CT和MR数据产生出更加逼真的3D图像。该项技术的灵感来源于动画电影业的成功，特别是皮克斯动画工作室在创造高度逼真的人物形象方面，因此得名“电影渲染”技术。

总体而言，CR与VR在确定图像的颜色和透明度方面具有类似的步骤：每一个原始图像像素的灰度值均是通过转移函数来确定其颜色和透明度。在重建的过程中依据患者的特点和欲突出的解剖结构来选择不同的转移函数。然而，与每个像素只有一束光来决定的光线投射法不同的是，CR是基于路径跟踪法和全局光照模型的一种方法，它可以模拟数十亿的光子从所有可能的方向穿过容积数据集并和容积数据集合相互作用最终形成一个像素。因此该模型模拟了真实世界中光线与物体的相互作用，并可以产生更急逼真的3D图像[13-15]。

考虑到光线传播方向的无限可能性和为了模拟这些光线所需要的计算能力的需求，用来求解每一个粒子多个维度和不连续渲染方程的Monte Carlo积分公式被用来产生随机有限数量的光传导路径，同时还可以保证在拟合真实世界中光线分布过程中的准确性[16、17]。采用重要性采样方法（并行和优化算法），可以对光线的散射、反射、反弹进行建模。为了得到高真实感、高质量的图像，高动态范围渲染光参数图被用来创建自然光环境，模拟来自真实世界环境的灯光效果，然后再应用到渲染场景中。

利用这项技术，可以实现复杂的灯光效果，如如柔和的阴影、景深、表面下散射、折射等效果。相机设置例如光圈、曝光量、快门速度和运动模糊可以用来建模创造一个自然光线的环境。通过结合准确拟合的光子传导路径和拟合的自然光线，可以得到物理上更加准确的3D视图。

CR较VR的优势

在CR成像中，成千上万的光线穿过同一个体素，并与成像容积进行作用，最终形成一个像素。然而，VR技术是基于每个像素一条光线的原则进行的。因此在VR成像中，最终像素的特征仅决定于在在光线的传导路径上该像素的光线特征。在CR成像中，还考虑了光线与周围像素的作用结果，比如反射、阴影。现在的3D重建是平面图像的容积表示。因此，重建算法中对于反射和阴影的考虑对于表达深度感知以及相对的位置关系是非常重要的（相对于显示器平面）。因此，与VR相比，CR具有更加逼真的光线效果，虽然这种作用对于空间分辨率没有影响，但是却能强化组织之间的空间位置关系，特别是在平面内。与VR应用合成光源不同，CR可以应用复杂的高动态范围渲染参数图来创建自然光环境。这种在应用光函数方面的区别使得CR可以得到更加逼真的3D图像，对于重建3D图像的景深和形状具有更好的感知效果。

CR的可视化选项

多个可视化选项可以用来设置最终的渲染图像。光线图（Light map）可以对渲染图像的的不同光线环境进行模拟。CR后处理中一个核心的部分是选择不同的转移函数来把CT原始图像的信号强度和透明度值转化成预先定义好的一个比较宽范围内的颜色值，从而突出特定的组织。曝光选项可以用来模拟曝光的时间，从而影响图像的明暗度。光圈和焦平面选项，就像摄影中的设置，可以影响图像特定部分的锐利度。调节这些参数可以最大化景深，从而可以对给定的容积数据进行评估（例如适用小的光圈和长焦平面距离），或者通过对前景、背景的容积数据进行模糊来突出显示特定的感兴趣区域（例如利用大的光圈和近距离焦平面）。镜面反射和漫反射是光线传播中的两个重要的规则，在图像渲染中具有重要的作用。漫反射和镜面反射模拟了光线从不同的方向和从一个特定的方向反射的效果。最后，像在传统CT重建中一样，对窗宽、窗位进行设置就会对某些组织进行特定显示和剔除。

CR的掩模和浮动平面

掩模和浮动平面可以对图像进行编辑，从而可以更好地显示ROI。例如心脏掩模可以把心脏和其它组织结构分离开来。与此类似，利用掩模也可以去除掉特殊的组织，例如冠状动脉血管束、钙化、骨骼、肺、气道等。浮动平面和切割工具箱也可以对渲染的容积图像进行切割。该平面还可以进行旋转、倾斜、移动来更好地显示ROI。利用特定的工具还可以对最终的图像进行编译、例如删除和添加特定组织等。

CR的潜在应用价值

CR技术被用在了各种各样的领域，包括医学教育、医生之间以及医生和病人之间的沟通、术前和干预过程中治疗方案的制定、疾病的早期筛查、病灶的表述以及分类等。

解剖学的教育

基础的人体解剖学，医学教育中的一门核心的课程，传统的教学方法主要是依靠尸体标本和教科书进行。医学图像目前逐渐在解剖学的教学中变成了一个越来越重要的工具[18]。学生也对在传统的教学中加入断层图像、3D渲染图像反馈较好[19-21]。CR通过在教学中加入更加逼真的图像，在解剖教学中增强可视化具有较大的潜力。由于CR技术逼真效果的提高，使得解剖教学从传统依赖尸体标本到依靠3D可视化图像的转变更加的顺利。CR技术中的实时操作，例如掩模、浮动平面、切割工具箱使得重复的切片观察变得容易。虽然尸体解剖在解剖教学中仍然是不可分割的一部分，CR使得解剖教学变得更加方便，只需要一台工作站，学生可以在任何时候和多个“病人”不同的“状态”下进行互动。

CR在患者教育中的应用

CR可以增强医患之间的沟通和关系，可以提高医疗的决策水平，从而可以提高患者的依从性。医学图像逐渐成为了医疗沟通中必不可少的一部分[22、23]，可以使内科和外科医生更方便的勾画疾病的发展过程和特点，从而可以使患者更清楚的理解治疗方案的原理。患者对于传统灰度横断面图像理解起来通常比较困难。传统VR重建，虽然容易接受，但是电脑重建的效果很明显。CR图像由于可以更加逼真的模拟人体组织的真实结构，因此比传统医学图像具有更大的应用前景，同时也可以提高患者对于疾病的理解和治疗计划的参与程度。

CR在手术方案制定中的作用

CR另外一个具有应用优势的是术前和介入治疗方案的确定，通常用在骨科和神经外科的手术中[24],基于图像的治疗计划在其它外科领域也越来越受到重视，例如心胸外科、泌尿生殖外科、微创外科和血管外科[25-27]。虽然手术计划通常是依靠不同类型的图像来制定的，这些不同类型的图像可能来自于不同的设备，而CR通过单一模态的图像可以产生高度逼真的3D图像来可视化解剖结构。利用CR技术，可以从不同的角度对解剖细节进行可视化。更加逼真的效果使得这些图像所呈现出来的解剖结构与手术中看到的情况更加吻合，通过这些术前的观察分析，有可能可以降低手术过程中的并发症以及更好的应对诸如解剖变异等一些特殊情况。

CR在3D打印中的作用

3D打印技术是这几年发展非常迅速的一种技术，在医疗领域也引起来越来越多的关注[27、28]。该技术已经在医学教育[29、30]、和一些领域的外科手术方案的制定中发挥着越来越重要的作用，例如胸外科、整形外科，和介入放射学领域[3、25、31-33]。然而这一进程很慢，目前也没有广泛的应用。因为该技术依赖于具有较高的景深、较准确的形状勾画和较准确的解剖勾画高逼真度的图像，当3D打印不可用的时候，CR可以作为一种备选的方案。

CR在疾病检测中的作用

心血管疾病：心脏和冠状动脉

由于冠脉CTA的图像质量、敏感性、特异性的提高，其在冠状动脉疾病的检测 [34-38]、先天性心脏疾病评估[39、40]、疗效监测[41、42]、以及放射治疗疗效的评估中[43-49]成为了一个重要的工具。对于冠状动脉狭窄检出和分级的评估主要的是依赖于2D的多平面重建技术，然而CR提供了一种更精细的评估冠状动脉的技术，可以更加快速的对病变的部位和程度进行评估（图1）。CR对于诊断和评价复杂性先天性心脏异常也具有一定的价值，对于术前手术方案制定和对于术后手术方案的评估中都具有较大的价值（例如冠状动脉搭桥术和瓣膜置换术）（图2）。

颈内动脉和颈动脉

CT血管容积成像在检测颈动脉疾病和颈动脉瘤中具有较高的准确性，在预测手术的并发症中也具有较高的应用价值[50-52]。考虑到颈部血管的复杂性，2D成像通常很难对这些部位进行评估。CR技术由于其较高的分辨率和较高的景深可以提供更加逼真的可视化效果，可以一站式对颈部血管及其分支进行可视化（图3）。对于冠状动脉狭窄的检出和分级常依赖多平面重建，然而，CR可以提高动脉瘤的检出率。更进一步，CR在手术方案的制定中也是非常有用的一种技术。此外，CR在外科和微创介入方案制定中可能也有较大的作用，例如血管内导管选择和栓塞计划制定。

主动脉及下肢血管疾病

主动脉和下肢动脉是血管疾病的一个好发部位，例如动脉粥样硬化、动脉瘤、动脉夹层、动脉狭窄等。这些疾病都会导致严重的并发症，有时候还会导致病人的死亡。准确显示这些病变的特征对于评估其风险、防止并发症、制定治疗方案是非常重要的。CR在确定疾病的位置、严重程度中都可以提供非常有价值的信息（图4、5）。

肺部疾病：肺实质疾病

CT最常发现的一个肺部疾病是肺结节[40]。不管是对于偶然发现的正常人，还是怀疑有肺部转移的肿瘤性病人。VR技术在检查肺部结节病变中较最大密度投影（MIP）显示出了明显的优势（P<0.001；敏感性：76.5%-97.3%）[31]。CR由于其更加突的图像质量和3D重建效果，在肺结节的检查和诊断中可以扮演更加重要的角色（图6）。

肺部疾病：气管支气管树

三维成像在气管支气管树疾病的诊断中也具有重要的作用。气管支气管树的病变在常规的CT重建中很难诊断，因为解剖结构复杂，很难把这些疾病显示在一个平面上面。仿真CT支气管镜检查在诊断支气管狭窄和支气管软化中具有重要的作用。CR可以用多种形式来显示气管支气管树的形态，在该类疾病的诊断中具有重要的作用。在CR技术的帮助下，可以更好的评估病灶与周围解剖结构的关系、测量病灶的大小、确定解剖标记来更好地制定手术方案（例如支架的放置）。利用CR技术还可以模拟支气管镜的结果，对气管的内部结构进行观察。

腹部

三维重建技术在肝脏和肾脏疾病的诊疗中也具有重要的作用，特别是在评估肿瘤的负荷、血供情况以及与周围解剖结构的关系中，可以更好地评估肿瘤的分期分级，在评估肿瘤的可切除性中具有重要的作用。此外，3D成像在评估术前术后肾脏和肝脏的植入物中也具有重要的作用，特别是在现实血管的解剖结构中。由于胃肠道解剖结构的复杂性，使得3D成像在该类疾病的诊疗中也具有比较大的临床应用价值，其价值也虚拟结肠镜中也得到了证实。CR在胃肠道疾病的检查例如梗阻、狭窄、膨出、肿瘤以及手术方案的制定中都具有一定的作用（图7、图8）。

骨肌系统

CR在以下几个方面的骨骼肌肉成像中具有重要的作用。创伤，不管是骨骼系统还是肌肉系统，通常情况下都是比较复杂的，特别是发生在四肢和面部的创伤，损伤常常会涉及到多个层面多个结构。VR在现实创伤的部位程度中具有较大的应用价值，而CR由于其阴影和景深效果的改善在创伤性疾病中可能具有更大的应用价值。CR由于可以把图像进行重建从而使得解剖结构得以整体的显示出来，因此对于显示微小的骨折以及微小的骨折碎片可能具有较大的应用价值（图9、10）。CR在评估先天性骨质异常、骨和软组织肿瘤、脊柱病灶中也具有较大的应用价值，它可以提供比较直观详细的解剖信息，从而在指导治疗方案的制定和随访。

不足之处

像其它的3D重建算法一样，最终重建的图像质量依赖于原始的图像质量，因此，原始图像质量的降低，例如由于物理的、患者自身的、扫描机器的等一些原因产生的伪影都会降低3D重建的图像质量。CR作为一种更复杂的VR重建技术，需要更高的计算能力，并且图像的每一次翻转，都需要进行重新计算。因此，重建的时间比传统的3D重建算法时间要长，对于计算能力的过高要求在一定程度上也限制了该技术的普及。最后，由于该技术目前尚未经过临床大规模多中心的验证，因此，该技术是不是可以明显提高诊断的精度，同时由于重建效果的提高是不是在临床诊疗中可以明显提高沟通的效果，降低依赖的成本尚需要去验证。

结论

三维重建技术在医疗的不同领域发挥着越来越重要的作用。CR技术由于其在阴影和景深中的改进，可以提供更加逼真重建效果，在临床的诊疗中可能具有更大的应用潜力。该技术有可能在解剖结构的可视化中提供一种新的范式。然而，由于该技术的新颖性，尚需要经过临床大规模多中心的验证。

附图：

图1 65岁老年女性，胸痛行心脏和冠脉CTA检查。A：采用CR技术重建冠状动脉左前降至支显示钙化（箭）。B：CR技术重建冠状动脉血管，整体显示血管的轮廓，左前降支钙化（箭）和右侧冠状动脉被清楚的显示出来。

图2 70岁老年男性，胸痛行心脏和冠状动脉检查。A：CR技术重建分离的心脏，左前降支钙化的严重程度被清楚的显示出来（箭）。B：CR技术显示搭桥后血管走形，采用经过肋骨的浮动平面技术可以观察到左侧内乳动脉和右侧内乳动脉分别连接到右侧冠状动脉。CR技术使得我们可以直观的观察冠状动没动的整体解剖形态。由于其景深和形状感知特性的提高可以更加准确的评估疾病的严重程度和搭桥术后的血管解剖关系的变化。

图3 60岁老年女性，头疼行Willis动脉环CTA成像。A：VR重建显示颅底颅内动脉，采用浮动平面技术显示左侧床凸旁后交通动脉瘤（箭）。B：CR重建显示颅底颈内动脉，采用浮动平面技术显示左侧床凸旁后交通动脉瘤（箭）,较VR重建的的图像更清楚的显示颅内动脉和颅骨的解剖细节。

图 4 76岁老年男性，肾脏下部动脉瘤修补术后。A：VR重建，去骨，显示动脉支架（箭）。B：CR重建，去骨，较A图更加逼真的显示动脉血管、分支、动脉支架（箭）。C：CR重建，不去骨，由于景深的提高，更加逼真的显示腹部动脉、动脉支架（箭）。

图 5 56岁老年男性，右侧下肢疼痛行右侧下肢CTA检查。A：CR技术对下肢血管、肌肉、骨骼进行重建，自然的显示了解剖细节。B：CR重建，去除软组织，只显示肌肉和骨骼，逼真的显示了解剖细节。C：CR重建，去除软组织和骨骼，逼真的显示了双侧下肢从髂血管分叉到下肢小腿血管的钙化（箭）。D：VR重建，去除软组织和骨骼，显示血管钙化（箭）。

图 6 70岁老年男性，COPD，咳嗽、气短、咳血行增强CT检查，图示用不同的颜色模板来强度不同的组织。A-C：CR重建，采用不同的转移函数来强调不同的肺部组织：A：肺血管，B：气道，C：肺实质、肺结节。

图 7 77岁老年男性，腹-髂动脉瘤术后随访。A：VR腹部重建，利用浮动平面技术显示肝脏囊肿（箭）和主动脉-髂动脉瘤（箭头）。B：CR腹部重建，利用浮动平面技术显示肝脏囊肿（箭）和主动脉-髂动脉瘤（箭头），较A图具有更好的景深和形状特征，宽色彩模式更清楚的显示相关解剖细节。

图 8 60岁老年男性，肝脏多发转移随访。A：VR腹部重建，利用浮动平面技术显示肝脏转移肿瘤（箭）。B：CR腹部重建，利用浮动平面技术显示肝脏转移肿瘤（箭），较A图具有更好的景深和解剖细节。

图 10 38岁男性，颅脑外伤。A：VR腹部重建，显示额骨、顶骨、颞骨的骨折。B：CR重建，对于骨折线和碎片的显示更加清楚，同时利用CR技术对于颅骨的显示也更加真实。

原文：Eid M, De Cecco CN, Nance JW Jr, Caruso D, Albrecht MH, Spandorfer AJ, De Santis D, Varga-Szemes A, Schoepf UJ. Cinematic Rendering in CT: A Novel, Lifelike 3D Visualization Technique. AJR Am J Roentgenol. 2017 Aug;209(2):370-379. doi: 10.2214/AJR.17.17850. Epub 2017 May 15. PMID: 28504564.

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