三維圖像分割在醫學整形方面的應用

李晶，趙海燕

1.昆明總醫院 醫學工程科，云南 昆明 650032；2.云南省第一人民醫院眼科，云南 昆明 650032

三維圖像分割在醫學整形方面的應用

李晶1，趙海燕2

1.昆明總醫院 醫學工程科，云南 昆明 650032；2.云南省第一人民醫院眼科，云南 昆明 650032

目的 研究三維分割技術在輔助醫學整形手術上的應用。方法 通過對目標進行CT掃描，并進行三維重建，采用基于空間的方法，完成對同類屬性組織CT三維圖像的三維分割。結果 對手腕骨、眼眶骨、頜面骨、顱面骨的CT圖像完成了三維重建與分割、控制、移動。結論 三維圖像分割技術對整形手術術前計劃的制定有輔助作用。

虛擬外科手術系統；三維分割；整形外科

0 前言

隨著計算機技術、圖像處理技術、醫學物理等學科與醫學的交叉融合的迅速發展，醫學診斷與治療的手段正在發生著很大的變化。近年來出現的計算機輔助外科手術系統、虛擬外科手術系統等就是在信息科學迅速發展并應用于醫學領域產生的成果。外科醫生通過這些先進的技術手段在術前、術中、術后對手術進行輔助支持，使外科手術越來越安全、可靠、精確，創傷越來越小。

在這些外科手術的模擬系統中，圖像分割是一項關鍵的技術。現有的圖像分割方法有很多,可以粗略地分為基于點的分割方法、基于邊緣的分割方法和基于區域的分割方法[1]。

在具體算法上，可以按其使用的主要數學手段分為傳統圖像處理方法[1]、模糊技術[2,3]、人工神經網絡包括采用遺傳算法[4,5]、統計學方法[6]等。

本文采用基于空間的三維圖像分割方法，完成了手術模擬系統中對整形局部的分割控制，此方法可在整形外科領域的應用。

1 材料與方法

1.1 整形部位的CT掃描

實驗中圖像采集設備有：Somatom Are IIICT掃描機，Helical Volume Twin Flashing CT以及Eliscint CT等，選擇清晰顯示的窗位和窗寬，層厚均為1.5mm，不重疊連續CT掃描，獲取256像素×256像素矩陣的CT斷層圖像若干。通過DCOM或PACS接口完成CT數據格式轉換以及向微機的數據錄入。

1.2 三維重建顯示

三維顯示是手術可視化的基礎，它也被稱為三維真實感圖形顯示。顯示方法：在計算機上完成三維建模，用光照模型和消隱處理算法在物體表面加入顏色、陰影、亮度、紋理等表面屬性，從而使得整個景物模型更加真實。本文所涉及的三維顯示技術指的是使用二維圖像顯示器，將三維數據以某種方式投影到顯示平面上，通過對投影加明暗、透視及旋轉等方法達到三維的視覺效果。在三維重建算法上用消除冗余以及二義性的MC(Marching Cubes)算法[7]，并用OPGL完成光照材質等處理，得到合成的三維圖像。

1.3 三維分割

2 結果

本實驗的三維分割完成了從完整三維腕骨上分割出每個局部區域，以便在活體上進行腕關節屈-伸和橈-尺偏運動時正常腕骨的三維運動學分析，見圖1。在三維重建的顱頜面組織結構立體模型上,成功進行了眶距增寬和變窄癥矯正模擬手術，見圖2。

圖1 256×256×41手腕的三維重建和分割a.手腕整體三維顯示掌面觀；b.手腕整體三維顯示背面觀；c.分割出來的舟狀骨掌面觀；d.分割出來的掌面觀舟狀骨偏10°

分割技術完成了顏面部任意局部的分割，滿足整形美容對局部部位的控制。見圖3 。對于巨顱癥等需要開顱的整形手術利用本實驗分割技術對手術進行輔助模擬，見圖4。

圖 2 256×256×94眼眶骨的三維重建和分割

圖 3 256×256×94頜面骨的三維重建和分割

圖4 256×256×90顱骨的三維重建與分割

3 討論

手腕骨的整形外科手術中，為了確定腕關節疾患的病理變化及評價外科處理效果，常常需要研究正常腕骨的三維運動學變化。要進行腕骨的三維運動學分析，必須在整體腕骨三維顯示的基礎上，獨立地將某一骨塊分割出來進行相應的測量[9]。眼眶整形部位關鍵組織器官密集，手術難度高、風險大，特定的經典術式有時難以獲得滿意的療效。采用靈活的人機交互方式進行手術模擬設計，以獲得醫患雙方均感滿意的手術方案。通過計算機輔助模擬中的分割技術實現整形手術的定量化仿真模擬設計。在整形美容手術中，需要對容顏面部的局部小的骨塊進行分割、控制以及定量測量，三維圖像技術可以無創地完成模擬。顱面部復雜的三維結構使得對其定性的描述和定量的測量都相當困難。傳統的方法如照片、X線平片和X線定位投影等均不能評價其三維結構的復雜特性，也不能在外觀形態顯示和三維測量兩方面同時獲得滿意效果。而且,僅能獲得體表二維信息,不能獲得整體的三維體數據,無法進行分割并對分割體進行手術模擬操作。三維分割方法很好地解決了傳統方法的不足，得到較好結果。

三維圖像分割技術是近年來在圖像研究領域的一個熱點。依據CT數據作為信息源，進行三維重建，建立三維分割技術在計算機模擬外科手術中得到應用，并實現對整形外科手術的輔助。依據這一新的技術手段，對整形外科中的手腕骨、眼眶骨、顱頜面骨進行了三維分割，效果明顯，實現了對同類組織“計算機虛擬解剖”[10]的功能，此技術在整形領域將有著廣泛的應用。

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Three Dimensional Segmentation and Its Application to Plastic Surgery

LI Jing1,ZHAO Hai-yan2
1.Medical Engineering Department,Kunming General Hospital,Kunming Yunnan 650032,China;2.Ophthalmology Department, The First People Hospital of Yunnan Prinvice, Kunming Yunnan 650032,China

TP391.72

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.09.066

1674-1633(2010)09-0146-02

2010-02-01

國家自然科學基金（30770540），成都軍區醫學科研計劃課題(MB07026)。

趙海燕，主治醫師。

作者郵箱：li_jingkm@126.com

Abstract: Objective The paper developed a three dimensional segmentation to aid plastic surgery.Methods Through CT scan and 3d reconstruction of the target, based on space for similar properties, the method accomplished the 3d segmentation of similar properties of 3d image. Results Some tissue including carpal bone, orbit bone, face and skull bone are reconstructed from series images of CT scans, then they are segmented and controlled for simulating plastic operation. Conclusion It was realized to control local bone by computer and the technique could be used in simulation to plastic surgery.

Key words: virtual surgery system; 3D segmentation; plastic surgery