Three-Dimensional Computed Tomography

تصویربرداری سه بعدی در پزشکی ، روشی است که در آن داده های ( Data ) جمع آوری شده از بیمار در طی سی تی اسکن ، توسط کامپیوتر مراحل پروسس را طی کرده و برای درک بهتر عمق و تصویر سه بعدی ناحیه مورد نظر در روی صفحه نمایش داده می شود .
یکی از مزایای سی تی هلیکال یا اسپیرال و MRI ،‌نمایش سه بعدی آناتومی مقطعی ( Sectional anatomy ) می باشد . بنابراین در حال حاضر تصویربرداری سه بعدی به عنوان یک تکنیک معمولی همه مراکز تصویربرداری وسیع ، محسوب می گردد و محققان در تلاشند که بتوانند کاربردهای دیگر تصویربرداری سه بعدی را شناسایی نمایند .
بطور مثال می توان تحقیقات انجام شده در استفاده از 3D برای بررسی ایدز “AIDS” و یا اسکیزوفرنی “schizophrenia” و یا آرتیمی قلبی “Cardiac Arrhythmias” و ... را نام برد .
دررادیولوژی ، تصویربرداری سه بعدی ، کاربردهائی در Radiation Therapy ، Craniofacial imaging برای surgical planning ، orthopedics ، neurosurgery ، cardiovascular surgery ، angiography و MRI دارد . کاربرد دیگر 3D در تجسم مومیائی های مصر باستان بدون خراب کردن گچ و بانداژ آن بوده است .
اخیراً تصاویر 3D باعث فراهم آوردن اندوسکوپی واقعی virtual Endoscopy  شده است . virtual Endoscopy  اجازه بررسی لومن داخلی بدن در مطالعه ساختارهایی همچون مغز ، عروق ، سینوسها ، کولون و tracheobranchial tree را می دهد .
دلیل استفاده 3D :
هدف اصلی تصاویر 3D در واقع استفاده از حجم وسیع داده های جمع آوری شده از بدن بیمار با کمک سی تی اسکن برای حصول اطلاعات کمی و کیفی لازم در کاربری های کلینیکی می باشد اطلاعات کمی ، حجم داده های تشخیصی لازم را، آشکارسازی نموده و اطلاعات کیفی ، سه فاکتور مهم دقت ، صحت و بازده مراحل 3D را مشخص می نماید .
تاریخچه :
در سال 1970 ، گرینلیف ( Greenleaf et al ) ، نمایش حرکت بطن ها را با استفاده از biplane angiography معرفی نمود ، بلافاصله پس از آن ، تلاشها در ارتباط با تصاویر 3D مربوطه به سی تی اسکن آغاز گشت چرا که طبق یک نظر مشترک بطور آشکاری ، قابلیت ساخت تصاویر سه بعدی از تصاویر مقطعی سی تی اسکن وجود داشت . این نظریه باعث شد که پیشرفت های فراوانی در نرم افزار و سخت افزارهای تخصصی تولید تصاویر سه بعدی و الگوریتم های 3D ، حاصل گردد .
تلاشهای مداوم آن دهه باعث شد که در اوایل 1980 ، سی تی اسکنرهای فراوانی با نرم افزارهائی با قابلیت 3D به بازار عرضه شوند در جدول زیر ،‌ پیشرفتها و تحولات حاصله در عرضه تصاویر 3D تا سال 1991 نشان داده شده است :
” تاریخچه نخستین تصویربرداری 3D
1969 : Housfield و Carmak باعث پیشرفت اسکنرهای سی تی اسکن شدند
1970 : Greenleaf  و colleagues اولین تصاویر Biomedical را گزارش نمودند .
1972 : اولین سیستم سی تی تجاری به بازار معرفی گردید .
1975 : ledley و colleagues اولین 3D ساختارهای آناتومیکی را با استفاده از سی تی اسکن گزارش نمودند .
1977 : Herman و liu ،‌ بازسازیهای سه بعدی قلب و ریه یک قورباغه مرده را چاپ نمودند .
1979 : Herman ، باعث پیشرفت تکنیک نمایش مغز شد و با همکاری Hemmy توانستند اختلالات نخاع را نمایش دهند .
1980 : یک سی تی اسکنر با قابلیت بازسازی سه بعدی توسط general electric ساخته شد .
1981-1980 : محققان ، شروع به بررسی تصاویر سه بعدی craniofacial deformities نمودند .
1983 : سی تی اسکنرها با قابلیت 3D ،‌ ساخته شدند .
1986 : نرم افزار Sima lation برای craniofacial surgery ، حاصل گردید .
1987 : اولین کنفرانس بین المللی تصاویر 3D در پزشکی در philadelphia  ، Pennsylvania تشکیل گردید .
1991-1990 : اولین کتاب تصاویر سه بعدی در پزشکی منتشر شد .
اطلس نمایش craniofacial deformities از طریق تصویربرداری سه بعدی نیز چاپ شد .
مفاهیم اساسی 3D :
در اینجا ، از میان مراحل فراوان شکل گیری یک تصویر سه بعدی به چند مرحله اساسی آن اشاره می شود :
Modelinq
ساخت یک شیء و هدف سه بعدی با استفاده از نرم افزار 1 مدل سازی “Modeling” می گویند ، برای مدل سازی ، از ریاضیات برای توصیف موجودیت آن شیء استفاده می شود سپس در واقع مدل سازی ، شبیه سازی کامپیتوری از یک هدف در تمام ابعاد طول ،‌ عرض و عمق آن به صورت واقعی آنها می باشد . یک مدل با محورهای x ،‌ y و z می تواند برای نمایش در زوایای مختلف ، بچرخد تکنیکهای متعدد مدل سازی مورد استفاده قرار می گیرد . که یکی از رایج ترین این تکنیک ها ، نرم افزار کامپیوتری مورد استفاده برای انتقال یک نمای 2 بعدی به 3 بعدی می باشد .
Shading and lighting
سایه و نور هر دو باعث حقیقی تر شدن سه بعدی سازی می شوند . الگوریتم های سایه زنی متعددی وجود دارد که شامل wire France shading ، flat shading ، Gouroud shading ، phong shading    که هر تکنیک شامل مزایا و معایب خاص خود می باشد . اگر چه از طریق سایه زنی ( shading ) ظاهر نهایی سطح شیء بعدی حاصل می شود اما نور پردازی ( lighting ) به ما کمک می کند تا شکل و ترکیب شیء را بشناسیم . تکنیک های متنوع sighting وجود دارد که یکی از رایج ترین آنها ray tracing می باشد .

Rendering
این مرحله ، گام نهایی در پروسه ساخت یک تصویر سه بعدی می باشد . در واقع Rendering یک برنامه کامپیوتری است که داده های جمع آوری شده از بدن بیمار را به تصاویر سه بعدی قابل رویت در مونیتور تبدیل می نماید .
دو نوع الگوریتم 3D rendering در رادیولوژی مورد استفاده قرار می گیرد که شامل surface rendering و wolum rendering  می باشد .
 تکنیک Rendering سطحی تکنیکهای Rendering حجمی
تکنیک Rendering حجمی از اطلاعات بیشتری استفاده می کند بنابراین تصاویر بهتری در مقایسه با تکنیک Rendering سطحی ایجاد می کند اما مستلزم زمان طولانی تر و سیستم قوی تر می باشد .
سیستم سه بعدی سازی تصاویر به طول کلی
4 قسمت اصلی سیستم سه بعدی سازی تصویر شامل : ورودی « input » ،« workstation » ،‌ خروجی « autput » و کاربر « user » می باشند . دستگاه ورودی می تواند شامل اسکنرهای CT و یا MR باشد . داده های جمع آوری شده به ایستگاه کاری « work station  » فرستاده می شود که در واقع مرکز اصلی سیستم محسوب می گردد یک کامپیوتر قدرتمند می تواند مساحت تصاویر سه بعدی را به عنوان یک workstation امکانپذیر سازد که مراحل انجام شده در آن شامل preprocessing ( پیش پروسه ) ، visualization ( تجسم ) ، manipulation و analysis ( تحلیل و آنالیز ) می باشد . پس از پروسه ذکر شده ، نتیجه برای نمایش به سیستم خروجی منتقل می گردد . در نهایت کاربر می تواند با اثر متقابل بر سه جزء ورودی ،‌ پروسه و خروجی ،‌ استفاده و بهره مندی از سیستم را به حد مفید آن برساند .
مقایسه تکنیک های Rendering :
هر دو نوع تکنیک های Rendering در رادیولوژی کاربرد دارد . یک مقایسه بین تکنیک سطحی و حجمی توسط lldupa ، Hung و chuang در سال 1991 نشان داد که روش سطحی در مقایسه با روش سطحی در مقایسه با روش حجمی مزایای کمتری دارد . هر چند که این تکنیک مزیت چشمگیری در زمان انجام و ذخیره سازی خود دارد در مقایسه ای که در سال 1995، Heath et all بین تکنیک Rendering سطحی و تکنیک Rendering حجمی و MIP (Maximum intensity Projection ) انجام نمود مشخص شد که تکنیک حجمی از لحاظ همه جوانب قابل مقایسه بالاتر و بهتر می باشد هر چند که هزینه کامپیوتری بالاتری نیز دربر دارد .
تجهیزات :
تجهیزات لازم برای پروسسینگ 3D شامل 2 بخش می باشد :
الف ) کنسول اسکنرهای CT و MRI .
ب ) کامپیوتر مستقل به عنوان ایستگاه کاری workstation .

Workstation
تولید کننده های متعددی همانند Picker ،‌ Siemens ، General Electric و .... ، در حال ساخت 3D package در اسکنرهای CT و یا MRI می باشند هر جند که بسته به نوع سازنده ، خصوصیات تکنیکی متفاوتی ظاهر می گردد . اما بطور مشخص workstation شامل تکنیک های زیر خواهد بود .
1 ) ( Multiplanar reconstruction ) : MPR بصورت روتین و منحنی است که carved MAR ( منحنی ) برای نمایش نواحی دارای انحنا همانند طناب نخاعی ، شریانها و یا پانکراس کاربرد دارد .
2 ) Surface Rendering : قبلاً توضیح داده شد .
3 ) slice plane mapping : این تکنیک توانایی نمایش 2 نوع متفاوت بافت را در یک زمان می دهد .
4 ) slice cube cats : این تکنیک پروسسینگ به اپراتور این توانایی را می دهد
تا بتواند آناتومی داخلی را در هر نمایی نشان دهد .
5 ) Transparency visullization : این تکنیک پروسسینگ باعث می شود تا اپراتور بتواند هم سطح و هم لومن داخلی را در یک زمان نمایش دهد .
6 ) Maximum intensity projection ( MIP )
7 ) 4.D Angiography : این تکنیک باعث می شود که بتوان بافت نرم ، استخوان ، عروق را در یک زمان نشان داد و اجازه می دهد تا اپراتور عروق پیچ در پیچ را با توجه به استخوان ببیند .
8 ) Disarticulation : این تکنیک برای نمایش یک ساختار با حذف ساختارهای دیگر استفاده می گردد .