一種眼眶容積測量的新方法

孟世洋，李晶

1.云南大學(xué) 物理科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650032；2.昆明總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程中心，云南 昆明 650032

一種眼眶容積測量的新方法

孟世洋1，李晶2

1.云南大學(xué) 物理科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650032；2.昆明總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程中心，云南 昆明 650032

目的 建立一種方便快速，重復(fù)性高，精度準(zhǔn)的眼眶測量方法，有效指導(dǎo)眼眶手術(shù)的整復(fù)治療。方法 利用計(jì)算機(jī)三維影像技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，對(duì)成人眼眶特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，提取眼眶內(nèi)表面，結(jié)合逆向工程軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)眼眶容積的測量。采用填砂測量10例正常成人20只眼眶容積作為對(duì)照組，驗(yàn)證眼眶容積測量新方法的準(zhǔn)確性。結(jié)果 參照對(duì)照組，測量結(jié)果誤差控制在-2.58%～2.33%，精確度0.15%～2.58%。對(duì)同一例成人左、右眼眶測量的方差分別為1.2%和1.4%。結(jié)論 這種眼眶容積測量的新方法具有方便快捷、操作具有較強(qiáng)可重復(fù)性、精準(zhǔn)度高等特點(diǎn)，可以在臨床應(yīng)用上進(jìn)行推廣。

眼眶容積；三維影像技術(shù)；逆向工程；CT測量；填砂測量

眼眶是位于顱頂骨和顱面骨之間的兩個(gè)骨腔，容納并保護(hù)眼球及眶內(nèi)重要結(jié)構(gòu)，形態(tài)不規(guī)則，位置較深。眼眶爆裂骨折、眶內(nèi)腫物等疾病，均能改變眼眶容積。測量眼眶容積，對(duì)于眶內(nèi)腫物摘除術(shù)后眶內(nèi)填充物填入量的估計(jì)以及由于爆裂骨折致眼眶容積擴(kuò)大造成眼球內(nèi)陷的修復(fù)都具有重要指導(dǎo)意義[1]。

長期以來，眼部病變多依賴普通X線片、超聲等影像學(xué)檢查方法，但是這此檢查手段只能對(duì)眼眶做二維測量，不能對(duì)眼眶容積進(jìn)行測量[2]。隨著CT技術(shù)的發(fā)展成熟，特別是用于眼眶檢查之后，使眼眶疾病的診斷有了突破性進(jìn)展。CT掃描具有組織密度分辨力高，解剖關(guān)系清楚，可清晰顯示眼眶的解剖結(jié)構(gòu)及其與周圍結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，能清晰顯示軟組織、骨骼和氣體，成像不受深度限制，CT重建技術(shù)可以指導(dǎo)矯形與整復(fù)時(shí)立體結(jié)構(gòu)的精確修復(fù)，而且利用2D或3D CT重建圖像測量眼眶容積準(zhǔn)確可行[3]。國內(nèi)外對(duì)利用CT數(shù)據(jù)重建后測量的方法進(jìn)行了大量的研究和報(bào)道[4-5]，目前測量的方法上主要有影像測量和實(shí)物填充測量。本文在以往研究的基礎(chǔ)上提出一種更加方便快捷的方法，改變繁瑣的測量方法，大大縮短了眼眶容積的測量時(shí)間，及時(shí)快速地為眼部的治療提供重要參考。

1 傳統(tǒng)眼眶容積的測量方法

傳統(tǒng)的眼眶容積的測量方法主要有影像測量和實(shí)物填充測量。

1.1 影像測量眼眶容積的方法

利用影像測量眼眶容積主要是利用CT對(duì)人體眼眶進(jìn)行掃描，獲取像素矩陣的CT斷層圖像并行三維重建，而后利用編程程序?qū)x定區(qū)域進(jìn)行掃描計(jì)算出容積[6]。主要步驟如下：

（1）將掃描所得的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建。

（2）空間線段的測量，確定空間任意兩點(diǎn)間的距離。按公式 (1) 計(jì)算距離，其中D為A點(diǎn)(X1，Y1，Z1)到B點(diǎn)(X2，Y2，Z2)點(diǎn)的測量距離。

（3）面積和體積計(jì)算采用像素累加的方法完成。按公式 (2) 計(jì)算面積，其中Li為待測區(qū)域的周長，S為層厚。

眼眶體積按公式 (3)，其中Ai為每一層待測區(qū)域的面積，S為層厚。

同時(shí)為達(dá)到精確測量減小誤差的目的，通常采用取兩層的平均值進(jìn)行累加計(jì)算，計(jì)算公式為：

通過以上方法測量眼眶容積方便簡單，但其存在的主要存在以下不足：① 選擇區(qū)域體積的龐大致使數(shù)據(jù)量大，計(jì)算速度會(huì)變慢，這導(dǎo)致對(duì)硬件的要求較高，無疑增加了投入的成本；② 容積效應(yīng)是產(chǎn)生測量誤差的另一原因，它使圖像中眼眶邊緣產(chǎn)生重疊。在進(jìn)行掃描計(jì)算時(shí)，對(duì)眼眶邊緣的計(jì)算存在誤差，而且不適當(dāng)?shù)拇敖M合，可掩蓋其重疊邊緣的密度差，使測量者判斷眼眶界限產(chǎn)生困難，窗寬過窄時(shí)測量容積趨小，窗寬過寬時(shí)測量容積趨大[7]。根據(jù)國內(nèi)外對(duì)眼眶部位容積精度與窗位窗寬的關(guān)系的報(bào)道，在窗位200 HU、窗寬2000 HU時(shí)，可分清重疊的邊緣[5,8-9]。

1.2 實(shí)物填充測量方法

這種方法主要是利用重構(gòu)好的眼眶并打印出眼眶實(shí)物或者在尸體上進(jìn)行，應(yīng)用培樂多泥封閉眶腔的眶上裂、眶下裂、視神經(jīng)孔和小的破裂孔。應(yīng)用磨面細(xì)砂充填整個(gè)眶腔，并反復(fù)搖放使細(xì)砂均勻、結(jié)實(shí)。充填細(xì)砂的標(biāo)準(zhǔn)為細(xì)砂平面和眶緣平齊，用精密天平稱細(xì)砂的重量，每個(gè)眼眶充填多次，取平均值。將每個(gè)眼眶內(nèi)充填的細(xì)砂重量除以細(xì)砂比重，可得到眶腔的容積[5,8]。

但這種方法的缺點(diǎn)如下：① 眼眶中存在較多的細(xì)孔，填充不便，尤其是對(duì)較深部位的填充，細(xì)沙容易漏出；②填充時(shí)以整個(gè)假體為模型，而我們面對(duì)的是實(shí)際的病人，即使可進(jìn)行3D打印后填充，但耗時(shí)較多。

基于對(duì)傳統(tǒng)眼眶容積測量存在的一些不足，本文提出的方法不需要較高的硬件要求，一般的硬件即可完成，不需要設(shè)計(jì)算法掃描眼眶邊緣，有效避免了容積效應(yīng)?？稍诨铙wCT掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行測量，縮短了測量時(shí)間，真正到達(dá)為患者減輕痛苦。

2 材料與方法

2.1 眼眶CT數(shù)據(jù)的獲取

采用美國GE（MedicalSystems/LightSpeed16）公司生產(chǎn)的64排CT連續(xù)掃描，獲取原始CT數(shù)據(jù)。掃描條件：尸體取仰臥位，讓頭部與掃描平面垂直，對(duì)眼眶部位進(jìn)行掃描，層厚0.562 mm，電壓120 kV，電流100 MA，矩陣為512×512，一次掃描時(shí)間約為15～20 s。CT測量人體器官體積的基礎(chǔ)，是通過對(duì)掃描圖像中興趣區(qū)面積的測定。而構(gòu)成圖像的基本單位的像素大小，是由掃描視野、重建矩陣決定的。像素越小，測量結(jié)果越精確。體素是構(gòu)成圖像的最小體積單位，即一定厚度的像素。厚度越大，體素代表的體積越大，測量產(chǎn)生的誤差越大[10-11]。

2.2 頭顱模型的重建

將獲取的CT數(shù)據(jù)保存為DICOM格式，導(dǎo)入Mimics10.01（交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)）軟件[12]中，剛才已闡述過，采用窗位200 Hu、窗寬2000 Hu為眼眶最佳的顯示，可清晰的觀察病人眼眶部位，窗寬過寬會(huì)使圖像變得模糊不便于區(qū)分骨骼與軟組織。本文僅針對(duì)眼眶的重構(gòu)，選用人體骨頭閾值進(jìn)行分割，形成頭顱蒙板，采用0.1 mm重建層距，減小重建間距雖增加重建時(shí)間，但可以減小容積效應(yīng)[13]。3D計(jì)算后實(shí)現(xiàn)眼眶部位的三維重建，見圖1。

圖1 三維重構(gòu)結(jié)果

2.3 確定特征標(biāo)記點(diǎn)

標(biāo)記點(diǎn)的定位是關(guān)鍵的，能很好的幫助我們進(jìn)行眼眶的提取，成人眼眶的表面有著清晰的特征，根據(jù)經(jīng)典人體頜面部解剖標(biāo)志點(diǎn)，確定眼眶的標(biāo)志點(diǎn)，見圖2：① 淚嵴點(diǎn)：上頜骨鼻突、額骨和淚骨的交匯點(diǎn)；② 外眶距點(diǎn)：顴額縫的外側(cè)緣點(diǎn)；③ 眶上緣點(diǎn)：眶上緣中點(diǎn)；④ 眶下緣點(diǎn)：眶下緣中點(diǎn)。

圖2 定位標(biāo)記點(diǎn)

確定標(biāo)記點(diǎn)后應(yīng)用鼠標(biāo)沿著骨性眶壁描記，確定提取的眼眶位置，并將文件存儲(chǔ)為STL格式，即利用三角網(wǎng)格來表現(xiàn)3D模型。

2.4 眼眶的提取

在前一步的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio 12.0中[14]，利用軟件中的畫筆工具，沿著眼眶骨性標(biāo)記進(jìn)行描記，界定眼眶外側(cè)面積范圍，見圖3。然后利用選取工具中的套索工具選擇眼眶的整個(gè)內(nèi)表面，見圖4。隨后翻轉(zhuǎn)選區(qū)，刪除多余部分，得到眼眶的內(nèi)表面，見圖5。

圖3 沿標(biāo)記點(diǎn)描記眼眶外緣

圖4 選取眼眶內(nèi)表面

圖5 眼眶內(nèi)表面

2.5 填充

填充是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，首先要確定所填充孔的獨(dú)立性，就是孔與孔之間不存在相交，否則容易導(dǎo)致多個(gè)孔被填充，從而影響精度。在填充的過程中，要合理選擇填充的方式。Geomagic Studio 12.0軟件提供了填充完整孔、填充邊界孔和生成橋填充3種填充方式，其中完全填充孔適用于完全封閉邊界線形成的孔，填充邊界孔模式適用于填充部分孔，包括邊界缺口或圓周孔的一部分，生成橋填充模式通過生成跨越孔的橋，從而將長窄孔分割成多個(gè)孔，并分別填充。對(duì)孔的填充要充分結(jié)合集中填充模式進(jìn)行。填充前、后的結(jié)果，見圖6。

2.6 容積的計(jì)算

將封裝好的眼眶投影到平面，計(jì)算出體積。沿著眼眶外緣建立投影平面，使眼眶整個(gè)軸心平行于全局坐標(biāo)z軸，見圖7。

圖6 填充效果

圖7 計(jì)算體積

3 結(jié)果

3.1 重復(fù)性檢測

對(duì)1例32歲男性尸體標(biāo)本的左、右眼眶CT數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)操作5次，眼眶容積測量結(jié)果：左眼依次為23.64、23.83、23.74、23.51、23.70 cm3；右眼依次為23.88、23.79、23.61、23.91、23.75 cm3。由測量結(jié)果計(jì)算，左眼的平均值為23.68 cm3，右眼為23.79 cm3，方差分別為0.012和0.014。從計(jì)算結(jié)果看每次測量的數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，從而保證了測量結(jié)果的可重復(fù)性。

3.2 體積精度的驗(yàn)證

實(shí)物填充方法雖然耗時(shí)較多，不能對(duì)病人直接填充，但目前眼眶容積測量方法中其精度較高，常作為其他研究方法的參考標(biāo)準(zhǔn)。為驗(yàn)證我們提出的方法的正確性，選取10具成年人尸體，男性6具，女性4具，年齡21～45歲，平均年齡28.5歲。以實(shí)物填充20只眼眶測量的體積作為標(biāo)準(zhǔn)組，與文中提出的新方法進(jìn)行比較，見表1。測量結(jié)果誤差在-2.58%～2.33%，精確度0.15%～2.58%。

表1 新方法測量誤差與精度值

4 討論

本文提出的新方法能有效方便地指導(dǎo)醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前的規(guī)劃，可重復(fù)操作。相對(duì)于實(shí)物填充，省去了細(xì)沙填充和眼眶實(shí)物的模型打印步驟。相對(duì)于影像測量方法，有效地避免了繁瑣的程序設(shè)計(jì)和不精準(zhǔn)的掃描算法。并且可通過多次練習(xí)熟練掌握軟件的使用，來減少耗時(shí)。本文方法誤差來源主要是在對(duì)眼眶的填充步驟，能否保證眼眶的骨性特征是關(guān)鍵點(diǎn)。首先是要對(duì)眼眶的結(jié)構(gòu)熟悉，才能在填充的過程中保證眼眶的外形，其次是要合理利用軟件提供的3種填充模式，做到填充精細(xì)化。綜上所述，本文提出的眼眶容積測量的新方法具有簡單快速、重復(fù)性高、精度準(zhǔn)的特點(diǎn)，可以在臨床應(yīng)用上進(jìn)行推廣。

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A New Method of Orbital Volume Measurement

MENG Shi-yang1, LI Jing2
1. College of Physics Science Technique, Yunnan University, Kunming Yunnan 650032, China; 2. Department of Medical Engineering, Kunming General Hospital, Kunming Yunnan 650032, China

Objective To establish a convenient, quick, repetitive and accurate method of orbital volume measurement so as to provide effective guidance for plastic and reconstructive treatment of orbital surgeries. Methods The 3D imaging and graphics technique was used to mark adult orbital characteristics and extract orbital surface so as to realize the measurement of orbital volume in combination with reverse engineering software. The sand filling measurement was taken to measure 20 orbital volumes of 10 formal adults as Control Group and to verify the accuracy of the new method. Results In contrast with Control Group, error control of the measurement results ranged from -2.58% to 2.33% and the degree of precision was 0.15% to 2.58%. In the same case of one adult, the error variance of the left and right eye was 1.2% and 1.4%, respectively. Conclusion The method of orbital volume measurement in this paper is fast and convenient with strong repetitive operation and high precision, which should be widely promoted clinically.

orbital volume; three-dimensional imaging technique; reverse engineering; CT measurement; sand f lling measurement

R777.5

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.10.012

1674-1633(2016)10-0040-04

2014-11-12

2014-12-09

李晶，高級(jí)工程師。

通訊作者郵箱：li_jingkm@126.com