去骨瓣減壓術(shù)后頭皮表面積測(cè)量方法

【作 者】張欽虎，劉蘭娟，趙寧輝，趙金喜，高蓮，孫鶴，施心陵

1 云南大學(xué)信息學(xué)院電子工程系，昆明市，650091

2 昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，昆明市， 650118

臨床研究表明對(duì)去骨瓣減壓術(shù)后缺損區(qū)域頭皮表面積的精確估算對(duì)于提高后期顱骨修補(bǔ)術(shù)的成功率具有重要意義。但目前針對(duì)不同人群在不同顱腦損傷位置處的缺損區(qū)域頭皮表面積測(cè)量方法眾多且不具有通用性。隨著Mimics軟件在臨床應(yīng)用領(lǐng)域研究的不斷深入，Mimics軟件可將人體顱腦CT掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成三維幾何模型，為臨床診斷數(shù)據(jù)的提取提供便利。本文利用薄層CT掃描技術(shù)獲得去骨瓣手術(shù)病人的Dicom醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像，然后基于Mimics軟件[1-2]快速、精確地建立顱腦和顱骨三維模型，最后使用相關(guān)數(shù)學(xué)方法快速估算出去骨瓣區(qū)域頭皮表皮面積。

1 材料和方法

1.1 CT圖像數(shù)據(jù)的采集

CT掃描、CT圖像數(shù)據(jù)的采集均是在患者去骨瓣減壓術(shù)后，并在昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院完成的。標(biāo)本來(lái)源于該醫(yī)院住院患者，均征得患者同意。標(biāo)本包括2男2女，共4名顱腦損傷患者，損傷位置分別為顱腦左側(cè)、顱腦左側(cè)、顱腦右側(cè)以及前額。對(duì)該4名顱腦損傷患者應(yīng)用GE Lightspeed 64排螺旋CT以層厚5 mm，間隔5 mm方式進(jìn)行由基線(xiàn)（聽(tīng)眥線(xiàn)）至顱頂掃描，獲得512×512矩陣的CT圖像 ，共242層，掃描數(shù)據(jù)以Dicom3.0格式存儲(chǔ)[3]。

1.2 CT圖像的處理和幾何模型建立

通過(guò)導(dǎo)入模塊(Import images)，直接將Dicom格式的CT斷層圖像導(dǎo)入Mimics軟件，經(jīng)定位圖像(Change orientation)、組織圖片(Organize images)、內(nèi)插值處理、界定閾值(Threshoiding)，軟件自動(dòng)形成各層面骨組織窗輪廓曲線(xiàn)(如圖1(a))。然后選定并使用骨組織的閾值范圍，得到顱骨原始蒙罩(Masks)。但由于掃描機(jī)架的密度與顱骨密度相近，可能也將其包括在原始蒙罩中，因此進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行區(qū)域增長(zhǎng)(Region growing)操作，選取欲重建的顱骨區(qū)域，得到僅包含顱骨的蒙罩。隨后，在分割模塊(Segmentation)中選擇創(chuàng)建三維模型(Calculate 3D)，并在Calculate 3D界面設(shè)置合理的重建參數(shù)：(1)選取適合于醫(yī)學(xué)圖像處理的輪廓內(nèi)插值法來(lái)修補(bǔ)圖像；(2)若不輸入光滑參數(shù)，可保持重建模型的原始信息；否則輸入光滑插值30、光滑因子0.8的光滑參數(shù)，并選擇縮減補(bǔ)償程序[4]，建立顱骨的三維幾何模型（如圖1(b)）。同樣采用上述操作流程建立顱腦三維幾何模型(如圖1(c))，顱骨上的軟組織可通過(guò)設(shè)定閾值范圍，調(diào)低閾值下界顯現(xiàn)出來(lái)。

圖1 去骨瓣手術(shù)后CT掃描圖片及三維模型Fig.1 CT image after decompressive craniectomy and its 3D models

1.3 缺損區(qū)頭皮表面積的估算

建立好顱骨和顱腦三維幾何模型后，即可對(duì)顱骨缺損區(qū)域表皮面積進(jìn)行估算。(1)讓全屏顯示兩個(gè)三維幾何模型，固定缺損區(qū)域的位置；(2)調(diào)整這兩個(gè)三維模型的透明度，顱骨的透明度選為不透明(Opaque)，顱腦的透明度選為中等(Medium)，便于清晰顯現(xiàn)顱骨缺損區(qū)域的輪廓（如圖2(a))；(3)使用仿真模塊(CMF/Simulation)中的多義線(xiàn)切割工具(Cut with polyplane)，沿著顱骨缺損區(qū)域的輪廓線(xiàn)對(duì)該模型進(jìn)行畫(huà)線(xiàn)切割，在切割的過(guò)程中可以對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小，以便能更精確地對(duì)缺損區(qū)進(jìn)行畫(huà)線(xiàn)切割；(4)設(shè)置多義線(xiàn)的深度系數(shù)，使切割線(xiàn)能夠徹底貫穿整個(gè)模型；(5)切割完成后，使用仿真模塊中的分離工具(Split)對(duì)已切割好的顱腦模型進(jìn)行分離，從而得到兩個(gè)不同部分的三維模型，并以不同的顏色對(duì)它們進(jìn)行區(qū)別，藍(lán)色部分就是分離出來(lái)的缺損區(qū)域模型，黃色部分就是減去藍(lán)色部分剩下的顱腦模型(如圖2(b))；(6)在三維視角中按豎直方向固定好缺損部分模型(藍(lán)色)，使用仿真模塊中的帶切割面的多義線(xiàn)切割工具(Cut Orthgonal to Screen)對(duì)其沿水平方向進(jìn)行切割，得到紅、淺灰色兩部分(紅色部分在上，淺灰色部分在下，如圖2(c))，其中紅色部分包含待估計(jì)缺損表面區(qū)域；(7)通過(guò)數(shù)學(xué)方法對(duì)缺損部分表皮面積進(jìn)行估算。

具體數(shù)學(xué)參數(shù)含義為：Sblue表示缺損部分整體表面積，Sred表示紅色部分的整體表面積，Slightgray表示淺灰色部分的整體表面積，Ssurface表示目標(biāo)表面積，Sbase表示紅色部分的底面積(即淺灰色部分的上表面積)， Sside表示紅色部分的側(cè)面積。具體計(jì)算過(guò)程為：(1)在Mimics中，通過(guò)讀取各三維模型的屬性值直接得到Sblue、Sred和Slightgray的值，再使用Sbase=(Sred+Slightgray-Sblue)/2得到紅色部分的底面面積；(2)將紅色部分的側(cè)面近似看成是由多個(gè)梯形連接而成，使用Mimics軟件自帶的三維測(cè)量工具測(cè)出各個(gè)梯形的上底、下底和高，并運(yùn)用數(shù)學(xué)方法算出Sside；(3)利用Ssurface=Sred-Sside-Sbase得到目標(biāo)表面積(紅色部分的上表面)。

圖2 缺損骨瓣處的輪廓線(xiàn)及三維模型Fig.2 The contour line of the defect bone flap and its 3D models

2 結(jié)果

基于Dicom 醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像，使用Mimics圖像識(shí)別分割建模軟件，建立比較精確并接近原始形態(tài)的顱骨和顱腦三維幾何模型；并在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用本文所述測(cè)量方法對(duì)昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院所提供的4名顱腦損傷患者（如圖3）的缺損區(qū)域頭皮表面積進(jìn)行了測(cè)量。并由圖3可以看出：患者在去骨瓣減壓術(shù)后，其缺損區(qū)域頭皮出現(xiàn)了不同程度的凹凸：全凹、全凸以及凹凸三種類(lèi)型，本文所述測(cè)量方法都可適用。利用本文方法得到了不同凹凸類(lèi)型以及不同損傷位置的測(cè)量結(jié)果，如表1所示。

表1 不同凹凸類(lèi)型以及不同損傷位置的測(cè)量結(jié)果(mm2)Tab.1 The measuring results of patients with different concave-convex type and different position of craniocerebral trauma(mm2)

圖3 顱腦凹凸情況Fig.3 The brain with concave-convex

3 討論

本文闡述了一種測(cè)量顱腦缺損區(qū)域頭皮表面積估算方法。此方法使用Mimics軟件對(duì)CT掃描圖像進(jìn)行三維實(shí)體重建得到顱骨和顱腦三維幾何模型，并使用Mimics自帶的分割和測(cè)量工具以及相關(guān)數(shù)學(xué)方法估算出缺損區(qū)域的表皮面積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此測(cè)量方法是一種簡(jiǎn)單、快速、通用的方法，具有一定的應(yīng)用前景，為測(cè)量顱骨缺損區(qū)域頭皮面積提供了一種新的方法。

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