基于腦CT圖像的咽鼓管及周邊結(jié)構(gòu)三維重建與測(cè)量

郭瑞 張智偉

【摘 要】目的：基于CT斷層圖像重建和測(cè)量正常人的咽鼓管。 方法：利用3D Med軟件進(jìn)行三維重建，其中分別運(yùn)用了線性插值方法和故障圖像插值方法，并比較了兩種方法的誤差。最后，計(jì)算結(jié)果表明，基于貝塞爾曲線的故障插值可以提高三維重建的精度。在計(jì)算斷層圖像分割精度時(shí)，采用基于區(qū)域增長的分割方法。結(jié)果：通過研究腦結(jié)構(gòu)的三維重建和測(cè)量，可以更好的顯示與分辨各部分的立體結(jié)構(gòu)，便于理解結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位置。通過觀察大腦圖像上咽鼓管的圖像表現(xiàn)，提出了區(qū)分和定位每個(gè)結(jié)構(gòu)的方法和標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)論：對(duì)顱腦損傷患者進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，腦斷層圖像的空間位置和體積的準(zhǔn)確計(jì)算將對(duì)大腦損傷的臨床上診斷以及制定手術(shù)方案提供合理科學(xué)的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】咽鼓管；三維重建；腦圖像分割

中圖分類號(hào)： R766 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）28-0106-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.047

【Abstract】Objective： to reconstruct and measure the eustachian tube in normal subjects based on CT tomographic images. Methods： Three-dimensional reconstruction was performed with 3D Med software. Linear interpolation method and fault image interpolation method were used respectively， and the errors of the two methods were compared. Finally， the results show that the fault interpolation based on Bessel curve can improve the accuracy of 3D reconstruction. The segmentation method based on region growing is used to calculate the segmentation accuracy of fault images. Results： By studying the three-dimensional reconstruction and measurement of brain structure， the three-dimensional structure of each part can be better displayed and distinguished， and the relative position between the structures can be easily understood. By observing the image of eustachian tube on the brain image， the method and standard of distinguishing and locating each structure were put forward. Conclusion： Accurate judgment of the patients with brain injury and accurate calculation of the spatial position and volume of brain tomography will provide a reasonable and scientific basis for the clinical diagnosis of brain injury and the formulation of surgical plan.

【Key words】Eustachian tube； Three-dimensional reconstruction； Brain image segmentation

0 引言

聽覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，咽鼓管粘膜與鼻咽鼓膜粘膜相通。細(xì)胞分泌的一些粘液能使適當(dāng)調(diào)節(jié)管內(nèi)的張力。使咽鼓管既不會(huì)完全的開放，卻又能在需要的時(shí)候，例如當(dāng)人咀嚼、咽下食物唾液，打哈欠或者偶爾張開嘴巴等，為了調(diào)節(jié)內(nèi)部的壓力，以保持管內(nèi)外的壓力平衡。咽鼓管作為中耳與外界交換氣體以及管內(nèi)液體流出的的唯一通道。其主要功能是將氣體通過鼻咽引入鼓室，這將使鼓膜內(nèi)外兩側(cè)的大氣壓力達(dá)到受力平衡，鼓膜的振動(dòng)在受力平衡時(shí)才能正常工作。而如果咽鼓管由于發(fā)炎或其他原因引起堵塞就會(huì)引起鼓膜內(nèi)部壓力相對(duì)降低，外部壓力相對(duì)較高，使鼓膜向內(nèi)凹陷處于不正常振動(dòng)狀態(tài)，影響聽力。臨床教學(xué)以及診斷中由于咽鼓管的位置隱蔽，尸體咽鼓管標(biāo)本解剖訓(xùn)練是幫助醫(yī)師快速掌握咽鼓管部位解剖知識(shí)的重要途徑，利用三維重建算法建立聽覺系統(tǒng)和咽鼓管的數(shù)字模型，可用于3D打印機(jī)制作出原始大小模型，及用于演示不同用途的按比例放大的咽鼓管與聽覺系統(tǒng)三維模型。

在這項(xiàng)研究中，我們對(duì)中國人的三種腦結(jié)構(gòu)薄層圖像進(jìn)行了三維重建，為臨床和教學(xué)服務(wù)建立了咽鼓管結(jié)構(gòu)的視覺模型。

3DMed是由中國科學(xué)院開發(fā)的一款用于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的分析和處理的軟件。該軟件可以處理各種醫(yī)學(xué)圖像，包括計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像，磁共振成像和原始格式圖像等。本實(shí)驗(yàn)將16行螺旋斷層格式轉(zhuǎn)換為原始格式，之后利用三維重建以建立咽鼓管的三維可視化模型并測(cè)量每個(gè)部分的結(jié)構(gòu)信息，它們的三維空間位置結(jié)構(gòu)是真實(shí)的。

1 資料數(shù)據(jù)與方法

數(shù)據(jù)的來源是泰山醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院放射科采集的一位健康人的斷層掃描圖像，使用OM線作為基線。掃描層厚度為2.5mm，掃描范圍從頂部到44個(gè)斷層切片的總線。

原始斷層數(shù)據(jù)為DICOM格式，本實(shí)驗(yàn)先導(dǎo)出為8位RAW圖像格式。在軟件Ground truth editor中進(jìn)行分割時(shí)，分割了側(cè)腦室，四疊池和顱骨，并將分段的RAW數(shù)據(jù)加載到3個(gè)DMed中。由RAW數(shù)據(jù)提供的圖像信息用于修改像素間距，切片間距和切片數(shù)量，以顯示二維圖像，并分割二維圖像。獲得顱骨及側(cè)腦室，四疊池的三維模型。利用3Dmed軟件內(nèi)置工具來處理了三維對(duì)象并執(zhí)行如下功能：測(cè)量了長度、角度等基本空間參數(shù)，在不同平面對(duì)模型進(jìn)行了分割與透明化等，另外對(duì)渲染材質(zhì)，背景色，環(huán)境光設(shè)置在可視化環(huán)境中進(jìn)行了交互設(shè)置。

經(jīng)過上述步驟后，對(duì)側(cè)腦室，四疊池和顱骨的重建順利完成。重建的樣本可以實(shí)時(shí)虛擬切割計(jì)算機(jī)中每個(gè)結(jié)構(gòu)的三個(gè)軸向平面和任意定向截面。每個(gè)虛擬切割表面可以顯示側(cè)腦室，四疊池和顱骨的解剖結(jié)構(gòu)和它們的相對(duì)位置。當(dāng)我們切割橫切面，矢狀面和冠狀面時(shí)，我們的重建圖像可以清晰地與周圍組織分離，可以清楚地看到重建圖像的鄰接關(guān)系。

該實(shí)驗(yàn)建立了各部分的三維可視化模型?？梢元?dú)立顯示其中某一結(jié)構(gòu)，或者任意匹配不同部分以及顯示整體結(jié)構(gòu)，可以確定空間位置中的任何軸，使模型繞軸旋轉(zhuǎn)任意角度。從圖中可以看出，側(cè)腦室的前后角，后角，身體，下角呈現(xiàn)出逼真的形狀，清晰直觀地顯示了顱骨和周邊結(jié)構(gòu)的空間位置。

2 結(jié)果

（1）本文著重研究了對(duì)CT序列圖像的處理方法，從CT圖像的基本信息，對(duì)圖像進(jìn)行分割、對(duì)模型的三維立體重建等?；拘畔▓D像的格式區(qū)別，不同格式之間的轉(zhuǎn)換，單一圖像的閾值濾波，層間圖像的移位和插值。

（2）通過研究腦結(jié)構(gòu)的三維重建和測(cè)量，它們之間的相對(duì)位置關(guān)系可以更清晰的界定。可以單獨(dú)顯示每個(gè)結(jié)構(gòu)、也可以同時(shí)顯示各部分構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)。通過觀察大腦圖像中大腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像表示，提出了區(qū)分和定位每個(gè)結(jié)構(gòu)的方法和標(biāo)準(zhǔn)。

（3）通過分析斷層圖像上四疊池的鄰接和直徑，我們建議在常規(guī)的10-mm頭部掃描中，四疊池一般作為標(biāo)志來區(qū)分大腦和小腦。通過測(cè)量圖像上橋的鄰接和直徑，本文提出對(duì)腦橋和腦干的定位可以通過腦橋周圍結(jié)構(gòu)來進(jìn)行，這些結(jié)構(gòu)包括橋池，第四腦室，小腦枕角池等。通過觀察圖像上的基底神經(jīng)節(jié)區(qū)域和相鄰的丘腦，提出了內(nèi)囊低密度的假設(shè)。上述研究內(nèi)容的結(jié)果可以用于目前的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化判斷病例提供了理論依據(jù)，亦可以用于計(jì)算機(jī)識(shí)別定位和解剖學(xué)分辨。

3 討論與展望

（1）研究過程中對(duì)頭骨使用區(qū)域增長方法，而對(duì)皮膚采用了閾值分割方法。結(jié)果表明對(duì)于不同的區(qū)域組織，分割圖像應(yīng)嘗試不同方法來確定最優(yōu)方法。因此下一步工作中包括如何找到統(tǒng)一的自動(dòng)圖像分割方法，可以用于計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速分析和評(píng)估。

（2）本文三維重建方法，面繪制處理數(shù)據(jù)較少，速度較快，效率較高，但是面繪制只能獲得重建區(qū)域的表面結(jié)構(gòu)，而丟掉了組織內(nèi)部具體細(xì)節(jié)。體繪制處理數(shù)據(jù)量大，因此速度較慢，但這樣可以最大限度的保留內(nèi)部的具體細(xì)節(jié)信息。因此下一步工作中也包括醫(yī)學(xué)圖像的三維重建過程中，體繪制與面繪制的有機(jī)結(jié)合，獲得速度與質(zhì)量的平衡，既可以得到組織器官的表面特征，又可以得到其內(nèi)部的比如血管等的細(xì)節(jié)信息。

（3）CT圖像層間距越大，受插值的影響越大，重建結(jié)果也將受影響。因此除了本文中已經(jīng)重建的結(jié)構(gòu)之外，使用CT圖像對(duì)其他細(xì)化結(jié)構(gòu)如大腦的內(nèi)核等也是下一步工作的重點(diǎn)內(nèi)容。

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