基于腦CT圖像的咽鼓管及周邊結構三維重建與測量

郭瑞 張智偉

【摘 要】目的：基于CT斷層圖像重建和測量正常人的咽鼓管。 方法：利用3D Med軟件進行三維重建，其中分別運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，計算結果表明，基于貝塞爾曲線的故障插值可以提高三維重建的精度。在計算斷層圖像分割精度時，采用基于區域增長的分割方法。結果：通過研究腦結構的三維重建和測量，可以更好的顯示與分辨各部分的立體結構，便于理解結構之間的相對位置。通過觀察大腦圖像上咽鼓管的圖像表現，提出了區分和定位每個結構的方法和標準。結論：對顱腦損傷患者進行準確判斷，腦斷層圖像的空間位置和體積的準確計算將對大腦損傷的臨床上診斷以及制定手術方案提供合理科學的依據。

【關鍵詞】咽鼓管；三維重建；腦圖像分割

中圖分類號： R766 文獻標識碼： A 文章編號： 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

聽覺系統結構復雜，咽鼓管粘膜與鼻咽鼓膜粘膜相通。細胞分泌的一些粘液能使適當調節管內的張力。使咽鼓管既不會完全的開放，卻又能在需要的時候，例如當人咀嚼、咽下食物唾液，打哈欠或者偶爾張開嘴巴等，為了調節內部的壓力，以保持管內外的壓力平衡。咽鼓管作為中耳與外界交換氣體以及管內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，這將使鼓膜內外兩側的大氣壓力達到受力平衡，鼓膜的振動在受力平衡時才能正常工作。而如果咽鼓管由于發炎或其他原因引起堵塞就會引起鼓膜內部壓力相對降低，外部壓力相對較高，使鼓膜向內凹陷處于不正常振動狀態，影響聽力。臨床教學以及診斷中由于咽鼓管的位置隱蔽，尸體咽鼓管標本解剖訓練是幫助醫師快速掌握咽鼓管部位解剖知識的重要途徑，利用三維重建算法建立聽覺系統和咽鼓管的數字模型，可用于3D打印機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三維模型。

在這項研究中，我們對中國人的三種腦結構薄層圖像進行了三維重建，為臨床和教學服務建立了咽鼓管結構的視覺模型。

3DMed是由中國科學院開發的一款用于醫學圖像數據的分析和處理的軟件。該軟件可以處理各種醫學圖像，包括計算機斷層掃描圖像，磁共振成像和原始格式圖像等。本實驗將16行螺旋斷層格式轉換為原始格式，之后利用三維重建以建立咽鼓管的三維可視化模型并測量每個部分的結構信息，它們的三維空間位置結構是真實的。

1 資料數據與方法

數據的來源是泰山醫學院附屬醫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個斷層切片的總線。

原始斷層數據為DICOM格式，本實驗先導出為8位RAW圖像格式。在軟件Ground truth editor中進行分割時，分割了側腦室，四疊池和顱骨，并將分段的RAW數據加載到3個DMed中。由RAW數據提供的圖像信息用于修改像素間距，切片間距和切片數量，以顯示二維圖像，并分割二維圖像。獲得顱骨及側腦室，四疊池的三維模型。利用3Dmed軟件內置工具來處理了三維對象并執行如下功能：測量了長度、角度等基本空間參數，在不同平面對模型進行了分割與透明化等，另外對渲染材質，背景色，環境光設置在可視化環境中進行了交互設置。

經過上述步驟后，對側腦室，四疊池和顱骨的重建順利完成。重建的樣本可以實時虛擬切割計算機中每個結構的三個軸向平面和任意定向截面。每個虛擬切割表面可以顯示側腦室，四疊池和顱骨的解剖結構和它們的相對位置。當我們切割橫切面，矢狀面和冠狀面時，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系。

該實驗建立了各部分的三維可視化模型。可以獨立顯示其中某一結構，或者任意匹配不同部分以及顯示整體結構，可以確定空間位置中的任何軸，使模型繞軸旋轉任意角度。從圖中可以看出，側腦室的前后角，后角，身體，下角呈現出逼真的形狀，清晰直觀地顯示了顱骨和周邊結構的空間位置。

2 結果

（1）本文著重研究了對CT序列圖像的處理方法，從CT圖像的基本信息，對圖像進行分割、對模型的三維立體重建等。基本信息包括圖像的格式區別，不同格式之間的轉換，單一圖像的閾值濾波，層間圖像的移位和插值。

（2）通過研究腦結構的三維重建和測量，它們之間的相對位置關系可以更清晰的界定。可以單獨顯示每個結構、也可以同時顯示各部分構成的整體結構。通過觀察大腦圖像中大腦內部結構的圖像表示，提出了區分和定位每個結構的方法和標準。

（3）通過分析斷層圖像上四疊池的鄰接和直徑，我們建議在常規的10-mm頭部掃描中，四疊池一般作為標志來區分大腦和小腦。通過測量圖像上橋的鄰接和直徑，本文提出對腦橋和腦干的定位可以通過腦橋周圍結構來進行，這些結構包括橋池，第四腦室，小腦枕角池等。通過觀察圖像上的基底神經節區域和相鄰的丘腦，提出了內囊低密度的假設。上述研究內容的結果可以用于目前的計算機自動化判斷病例提供了理論依據，亦可以用于計算機識別定位和解剖學分辨。

3 討論與展望

（1）研究過程中對頭骨使用區域增長方法，而對皮膚采用了閾值分割方法。結果表明對于不同的區域組織，分割圖像應嘗試不同方法來確定最優方法。因此下一步工作中包括如何找到統一的自動圖像分割方法，可以用于計算機進行快速分析和評估。

（2）本文三維重建方法，面繪制處理數據較少，速度較快，效率較高，但是面繪制只能獲得重建區域的表面結構，而丟掉了組織內部具體細節。體繪制處理數據量大，因此速度較慢，但這樣可以最大限度的保留內部的具體細節信息。因此下一步工作中也包括醫學圖像的三維重建過程中，體繪制與面繪制的有機結合，獲得速度與質量的平衡，既可以得到組織器官的表面特征，又可以得到其內部的比如血管等的細節信息。

（3）CT圖像層間距越大，受插值的影響越大，重建結果也將受影響。因此除了本文中已經重建的結構之外，使用CT圖像對其他細化結構如大腦的內核等也是下一步工作的重點內容。

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