目前，医生主要通过观察超声、X光、CT和MRI等二维图像进行诊断。但是，二维图像无法直观展现病灶区域的立体解剖结构，需医生依靠经验进行推断，三维模型重建是对客观物体在计算机中建立相同的三维虚拟模型。在手术前，可将患者的CT、MRI等二维医学影像原始数据导入三维模型重建系统，形成患者检查部位的三维可视化数字模型。重建的三维模型可直观显示病灶区域的血管、神经、骨质等组织结构，并可任意旋转、缩放和测量，用于精准定位病灶位置，明确病灶与周围组织的空间毗邻关系，有效辅助医生进行准确诊断。医学影像及其三维重建的模型作为临床医生诊病治病的辅助工具，发挥着越来越重要的作用。

三维模型重建除用于辅助诊断，还可用于术前的手术路径设计和风险评估，术中的模型校准，术后的效果评估；另外，还可用于模拟手术操作，让医生得到充分训练，更清晰地掌握手术过程，提高手术的准确性和安全性。

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根据成像原理，三维模型重建可分为三类：基于CT影像、MRI影像和超声影像的三维重建。

（一）基于CT影像的三维重建

CT（Computed Tomography），全称为计算机断层扫描，是用X射线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描。常规CT扫描可以理解为把人体切成一个个薄片，是多层的X射线扫描。薄片厚度可以是0.5-1厘米，越薄精确度越高。

在此基础上发展形成了螺旋CT（Spital CT）和锥形束CT（Cone Beam CT，CBCT）。前者在扫描时，X射线呈螺旋形，可获得连续层面的信息，避免了常规CT扫描时遗漏小病灶的弊端。后者利用三维锥形束X线进行扫描，对于牙齿根管系统、下颌骨等细微硬组织的成像质量好，但对软组织成像清晰度较差。

另外，随着C形和O形臂X光机的推出，可从不同角度对器官进行二维成像，获得的多幅照片也可进行三维重建，为术中三维模型重建提供新方法。

基于CT影像的三维重建对头颈部、胸部、冠状动脉等大血管、骨骼系统疾病的诊断价值较高。但是，CT扫描辐射剂量较普通X射线检查大，故怀孕妇女不能做CT检查。

（二）基于MRI影像的三维重建

MRI（Magnetic Resonance Imaging），全称为磁共振成像，是利用磁共振现象从人体中获得电磁信号，并重建出人体信息。MRI不会产生辐射，可以得到任何方向的断层图像。

基于MRI图像的三维重建对软组织滑膜、血管、神经、肌肉、肌腱、韧带、和透明软骨的分辨率高，在脑部检查中有着不可替代的作用。但是，MRI扫描用时较长，并且会产生巨大磁场，所以装有心脏起搏器等金属设备的患者不能做MRI检查；监护仪器和抢救器材也无法带入MRI检查室，限制了危重病人的检查。

（三）基于超声影像的三维重建

超声成像（Ultrasonography）使用超声波穿透人体，当声波遇到人体组织时会产生反射波，通过计算反射波成像。三维超声系统可使用一体化的容积探头，同时产生多个超声断层图像，通过软件计算即可重建三维模型。

相较于CT和MRI，超声成像成本低，无强磁场和电离辐射，在诊断用功率范围内对人体无伤害，可经常性反复使用。另外，超声成像刷新速率高，可提供实时动态影像。目前，三维超声多用于心脏、消化系统、泌尿系统以及产科检查，但对肠道等含气较多的器官诊断准确率会降低。

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（四）相关技术

基于医学影像的三维重建技术主要涵盖图像分割和三维重建两部分内容。

1. 图像分割（Image Segmentation）

图像分割是一个根据区域的相似性与特征把图像分割成若干区域的过程。医学图像分割的目的就是把感兴趣的区域提取并显示出来，并使其尽可能地接近解剖结果，为临床诊疗和病理学研究提供可靠的依据。典型的图像分割方法包括：阈值法、边缘检测法、区域法、聚类法和与特定理论结合的算法。

2. 三维重建（3D Reconstruction）

医学的三维模型重建是对三维空间数据场的可视化，常基于两类算法开展：

• 面绘制算法（Surface Rendering）

面绘制算法首先需在三维空间数据场中构造出曲面、多边形平面等几何图元，然后再用计算机图形学技术实现画面绘制。面绘制算法发展已经比较成熟，主要可以分为基于轮廓线和基于体素两类方法。

• 体绘制算法（Volume Rendering）

体绘制算法不构造几何图元，在为每个体素赋予颜色和阻光度，并考虑其对光线的透射、发射和反射作用后，直接由三维空间数据场生成屏幕显示的二维图像，可分为投射、消隐、渲染和合成四个步骤。由于体绘制技术没有构造中间几何曲面或实体，因此只适用于可视化显示，无法将其转化为实体模型。

文章来源：MedRobot