一種簡(jiǎn)捷的眼眶三維圖像分割方法

李 晶，趙海燕

一種簡(jiǎn)捷的眼眶三維圖像分割方法

李 晶，趙海燕

目的：將眼眶從頭顱整體的三維圖像中分割出來(lái)，以便獨(dú)立研究。方法：通過(guò)對(duì)人體頭顱進(jìn)行CT掃描并進(jìn)行三維重建，得到包含眼眶的頭顱圖像，采用基于分割目標(biāo)形態(tài)的技術(shù)，將頭顱三維圖像中眼眶的三維分割出來(lái)。結(jié)果：該方法可以將眼眶整體從頭顱三維圖像中分離開(kāi)來(lái)，為眼眶三維結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。結(jié)論：該分割方法簡(jiǎn)捷直觀，分割效果明顯，可滿足對(duì)眼眶進(jìn)行獨(dú)立研究的要求。

三維重建；三維分割；眼眶

0 引言

眼眶是承載視覺(jué)系統(tǒng)的重要部位，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)的變化直接影響眼球功能。近年來(lái)，眼眶外傷的發(fā)病率逐年上升，對(duì)眼眶疾患的診治均需要對(duì)眼眶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[1-2]。CT頭顱三維重建圖像中眼眶的可見(jiàn)角度部位有限，不利于對(duì)眼眶結(jié)構(gòu)的獨(dú)立研究。本文通過(guò)CT掃描圖像進(jìn)行三維重建，在三維圖像中將眼眶結(jié)構(gòu)從三維頭顱圖像中獨(dú)立分割出來(lái)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了眼眶的長(zhǎng)度、面積、體積的測(cè)量，為眼眶疾患的診斷治療提供了輔助支持。

1 材料與方法

1.1 頭顱的CT掃描

圖像采集設(shè)備為CT掃描設(shè)備（LightSpeed VCT，美國(guó)GE公司）。選擇健康成年男性，頭顱眼眶上部連續(xù)CT掃描，選擇骨窗，層厚為1.25 mm，獲取512× 512像素矩陣的CT斷層圖像40層。通過(guò)DCOM接口，由影像歸檔和存儲(chǔ)系統(tǒng)（picture archiving and communication system，PACS）傳輸，完成CT數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及向計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)錄入。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件：主板：華碩P5WD2 Premium（Intel 955），CPU：Intel Pentium4 640，內(nèi)存：金士剛1 GB/DDRII800，硬盤(pán)：希捷酷魚(yú)7200.7/ST3400832AS；軟件環(huán)境：Windows XP，開(kāi)發(fā)工具：Visual C++6.0、OpenGL。

1.2 頭顱圖像的三維顯示

采用MC（marching cubes）算法[3]在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)完成三維重建顯示。OpenGL進(jìn)行光照模型處理，在物體表面加入顏色、陰影、亮度、紋理等表面屬性。用OpenGL中的三維控制功能，對(duì)所重建的三維顯示體進(jìn)行各個(gè)方位角度的變化控制。

1.3 眼眶三維分割

基于分割目標(biāo)形態(tài)的技術(shù)為：首先在三維空間中將眼眶所在的空間區(qū)域限定出來(lái)。其中，以顯示器平面為XY平面，垂直于XY平面方向?yàn)閆軸方向。從三維重建顯示中獲取三維顯示體體數(shù)據(jù)與X、Y、Z坐標(biāo)的變換關(guān)系。改變顯示體的不同方位，同時(shí)用鼠標(biāo)進(jìn)行交互操作獲得眼眶的空間區(qū)域限定，如-a≤X≤a、-b≤Y≤b、-c≤Z≤c。這樣，以a、b、c為長(zhǎng)、寬、高形成的立方體便包含了眼眶的體數(shù)據(jù)。在abc立方體中，基于目標(biāo)形態(tài)特點(diǎn)，找出所有眼眶內(nèi)側(cè)邊緣體的數(shù)據(jù)，為使顯示的三維眼眶不會(huì)太薄，在顯示三維眼眶時(shí)增加眼眶體數(shù)據(jù)鄰域部分的體數(shù)據(jù)。具體步驟為：

（1）將頭顱三維圖像的正面置于顯示框的正中，用鼠標(biāo)描畫(huà)出眼眶正面界線。如圖1（a）、（b）、（c）所示，旋轉(zhuǎn)頭顱三維圖像，改變方位觀察選擇的眼眶區(qū)域是否包含了整個(gè)眼眶。然后，確定所選擇界線中的X、Y的最大值a、b。用同樣的方法將頭顱圖像旋轉(zhuǎn)到正側(cè)面（如圖1（d））所示，確定眼眶區(qū)域Z軸的范圍，求出最大值c。這樣，眼眶區(qū)域的-a≤X≤a、-b≤Y≤b、-c≤Z≤c。

（2）在頭顱體數(shù)據(jù)中找到在abc立方體中的數(shù)據(jù)。遍歷abc立方體中的數(shù)據(jù)，將符合骨組織邊緣條件的所有體數(shù)據(jù)找出，并顯示這些體數(shù)據(jù)，從而得出眼眶三維結(jié)構(gòu)。

圖1 通過(guò)鼠標(biāo)與顯示器平面交互獲取a、b、c值

2 結(jié)果

圖2 頭顱三維圖像分割結(jié)果

從圖2中可以看出，所分割的眼眶區(qū)域邊界清晰，眼眶整體從頭顱三維圖像中被獨(dú)立分離出來(lái)。圖中，用紅、黃彩色把所分割的眼眶區(qū)域與原頭顱區(qū)域區(qū)分開(kāi)來(lái)，紅色分割塊為右眼眶區(qū)域，黃色為左眼眶區(qū)域。圖2（a）、（b）、（c）反映了整體頭顱圖像處于不同方位時(shí)所分割的眼眶的方位形態(tài)顯示。通過(guò)這樣的三維空間顯示可以觀察到所分割出的眼眶不同視角的三維形態(tài)，證明所分割出的眼眶是完整準(zhǔn)確的。圖2（d）殘余頭顱顯示整體頭顱圖像中已有一部分被分出，并示意出分割區(qū)域在整個(gè)頭顱圖像中的方位形態(tài)。整個(gè)圖2形象、直觀地反映了眼眶的分割結(jié)果。

3 討論

眼眶疾患的診斷治療大都依賴于二維圖像。顯而易見(jiàn)，三維圖像較二維圖像有很多優(yōu)點(diǎn)。眼眶結(jié)構(gòu)三維圖像在眼眶容積測(cè)量、使用眼眶修復(fù)材料、眼眶骨折修復(fù)中均有廣泛應(yīng)用[4-5]。三維分割方法較多，可以分為基于體素的分割方法、基于形態(tài)和區(qū)域的分割方法與基于整體或局部的分割方法。在具體算法上，可以按其使用的主要數(shù)學(xué)手段分為傳統(tǒng)圖像處理的方法、模糊技術(shù)[6]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（包括采用遺傳算法）[7]、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[8]等，這些方法都存在依據(jù)的理論深?yuàn)W、計(jì)算量龐大、軟件實(shí)現(xiàn)困難的問(wèn)題。本文采用基于分割目標(biāo)形態(tài)的技術(shù)完成對(duì)頭顱三維圖像中眼眶的三維分割，直觀簡(jiǎn)捷，避免了大量繁瑣的運(yùn)算。當(dāng)然這個(gè)方法也存在較大的局限性：首先，分割體必須屬性一致，比如均為同樣的組織結(jié)構(gòu)；其次，分割體邊緣清晰明確，直接通過(guò)觀察就能夠辨別，視覺(jué)不能清晰識(shí)別的目標(biāo)是無(wú)法通過(guò)這個(gè)方法實(shí)現(xiàn)分割的。

[1] 何黎升，商洪濤，白石柱，等.數(shù)字外科技術(shù)在眼眶重建中的應(yīng)用[J].中華口腔醫(yī)學(xué)雜志，2011，46（8）：452-457.

[2] 畢曉萍，范先群，施沃棟，等.三維眶底重建鈦網(wǎng)在復(fù)合性眼眶骨折中的應(yīng)用[J].中華眼科雜志，2011，47（8）：683-687.

[3] Lorensen W E，Cline H E.Marching cubes：a high resolution 3D surface construction algorithm[J].Computer Graphics，1987，21（4）：163-169.

[4] 潘雪，高敏，郭繼虎，等.實(shí)體眼眶模型及個(gè)性化三維預(yù)塑成型鈦網(wǎng)在眶區(qū)骨折重建中的應(yīng)用[J].中華眼外傷職業(yè)眼病雜志，2012，34（5）：329-333.

[5] 姚鵬翔，李冬梅.組織工程骨應(yīng)用于眼眶骨折修復(fù)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)實(shí)用眼科雜志，2011，29（9）：875-878.

[6] Kulkarni A D.Neural fuzzy model formulti spectral image analysis[J]. Applied Intelligence，1998，8（2）：173.

[7] Shareef N，WANG D L，Yagel R.Segmentation of medical images using LRGION[J].IEEE Transon Medical Imaging，1999，18（1）：74-77.

[8] Bhandarkar S M，ZHANG H.Image segmentation using evolutionary computation[J].IEEE Transon Evolutionary Computation，1999，3（1）：1-5.

（收稿：2013-01-14 修回：2013-10-20）

Method for segmenting orbit from three-dimensional image

LI Jing1,ZHAO Hai-yan2
（1.Department of Medical Engineering,Kunming General Hospital,Kunming 650032,China;2.Department of Ophthalmology,the First People's Hospital of Yunnan Province,Kunming 650032,China）

ObjectiveTo separate the orbit from the three-dimensional skull image.MethodsCT scanning and threedimensional reconstruction were performed for the skull,and then shape-based method was used to segment the elements of the orbit from the image.ResultsThe method could separate the orbit from the three-dimensional skull image,and thus laid a foundation for the research on the orbit three-dimensional structure.ConclusionThe method is simple and effective,and can be used for independent research on the orbit.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（9）：51-52]

three-dimensional reconstruction;three-dimensional segmentation;orbital cavity

R318；TP391.41

A

1003-8868（2014）09-0051-02

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.09.051

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30770540）；成都軍區(qū)醫(yī)學(xué)科研計(jì)劃課題（MB07026）

李 晶（1966—），男，博士，副主任，高級(jí)工程師，主要從事醫(yī)學(xué)圖像處理方面的研究工作，E-mail：1161825889@qq.com。

650032昆明，成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程中心（李 晶）；650032昆明，云南省第一人民醫(yī)院眼科（趙海燕）

趙海燕，E-mail：li_jingkm@126.com