三维图像分割在医学整形方面的应用

李晶，赵海燕

1.昆明总医院 医学工程科，云南 昆明 650032；2.云南省第一人民医院眼科，云南 昆明 650032

三维图像分割在医学整形方面的应用

李晶1，赵海燕2

1.昆明总医院 医学工程科，云南 昆明 650032；2.云南省第一人民医院眼科，云南 昆明 650032

目的 研究三维分割技术在辅助医学整形手术上的应用。方法 通过对目标进行CT扫描，并进行三维重建，采用基于空间的方法，完成对同类属性组织CT三维图像的三维分割。结果 对手腕骨、眼眶骨、颌面骨、颅面骨的CT图像完成了三维重建与分割、控制、移动。结论 三维图像分割技术对整形手术术前计划的制定有辅助作用。

虚拟外科手术系统；三维分割；整形外科

0 前言

随着计算机技术、图像处理技术、医学物理等学科与医学的交叉融合的迅速发展，医学诊断与治疗的手段正在发生着很大的变化。近年来出现的计算机辅助外科手术系统、虚拟外科手术系统等就是在信息科学迅速发展并应用于医学领域产生的成果。外科医生通过这些先进的技术手段在术前、术中、术后对手术进行辅助支持，使外科手术越来越安全、可靠、精确，创伤越来越小。

在这些外科手术的模拟系统中，图像分割是一项关键的技术。现有的图像分割方法有很多,可以粗略地分为基于点的分割方法、基于边缘的分割方法和基于区域的分割方法[1]。

在具体算法上，可以按其使用的主要数学手段分为传统图像处理方法[1]、模糊技术[2,3]、人工神经网络包括采用遗传算法[4,5]、统计学方法[6]等。

本文采用基于空间的三维图像分割方法，完成了手术模拟系统中对整形局部的分割控制，此方法可在整形外科领域的应用。

1 材料与方法

1.1 整形部位的CT扫描

实验中图像采集设备有：Somatom Are IIICT扫描机，Helical Volume Twin Flashing CT以及Eliscint CT等，选择清晰显示的窗位和窗宽，层厚均为1.5mm，不重叠连续CT扫描，获取256像素×256像素矩阵的CT断层图像若干。通过DCOM或PACS接口完成CT数据格式转换以及向微机的数据录入。

1.2 三维重建显示

三维显示是手术可视化的基础，它也被称为三维真实感图形显示。显示方法：在计算机上完成三维建模，用光照模型和消隐处理算法在物体表面加入颜色、阴影、亮度、纹理等表面属性，从而使得整个景物模型更加真实。本文所涉及的三维显示技术指的是使用二维图像显示器，将三维数据以某种方式投影到显示平面上，通过对投影加明暗、透视及旋转等方法达到三维的视觉效果。在三维重建算法上用消除冗余以及二义性的MC(Marching Cubes)算法[7]，并用OPGL完成光照材质等处理，得到合成的三维图像。

1.3 三维分割

2 结果

本实验的三维分割完成了从完整三维腕骨上分割出每个局部区域，以便在活体上进行腕关节屈-伸和桡-尺偏运动时正常腕骨的三维运动学分析，见图1。在三维重建的颅颌面组织结构立体模型上,成功进行了眶距增宽和变窄症矫正模拟手术，见图2。

图1 256×256×41手腕的三维重建和分割a.手腕整体三维显示掌面观；b.手腕整体三维显示背面观；c.分割出来的舟状骨掌面观；d.分割出来的掌面观舟状骨偏10°

分割技术完成了颜面部任意局部的分割，满足整形美容对局部部位的控制。见图3 。对于巨颅症等需要开颅的整形手术利用本实验分割技术对手术进行辅助模拟，见图4。

图 2 256×256×94眼眶骨的三维重建和分割

图 3 256×256×94颌面骨的三维重建和分割

图4 256×256×90颅骨的三维重建与分割

3 讨论

手腕骨的整形外科手术中，为了确定腕关节疾患的病理变化及评价外科处理效果，常常需要研究正常腕骨的三维运动学变化。要进行腕骨的三维运动学分析，必须在整体腕骨三维显示的基础上，独立地将某一骨块分割出来进行相应的测量[9]。眼眶整形部位关键组织器官密集，手术难度高、风险大，特定的经典术式有时难以获得满意的疗效。采用灵活的人机交互方式进行手术模拟设计，以获得医患双方均感满意的手术方案。通过计算机辅助模拟中的分割技术实现整形手术的定量化仿真模拟设计。在整形美容手术中，需要对容颜面部的局部小的骨块进行分割、控制以及定量测量，三维图像技术可以无创地完成模拟。颅面部复杂的三维结构使得对其定性的描述和定量的测量都相当困难。传统的方法如照片、X线平片和X线定位投影等均不能评价其三维结构的复杂特性，也不能在外观形态显示和三维测量两方面同时获得满意效果。而且,仅能获得体表二维信息,不能获得整体的三维体数据,无法进行分割并对分割体进行手术模拟操作。三维分割方法很好地解决了传统方法的不足，得到较好结果。

三维图像分割技术是近年来在图像研究领域的一个热点。依据CT数据作为信息源，进行三维重建，建立三维分割技术在计算机模拟外科手术中得到应用，并实现对整形外科手术的辅助。依据这一新的技术手段，对整形外科中的手腕骨、眼眶骨、颅颌面骨进行了三维分割，效果明显，实现了对同类组织“计算机虚拟解剖”[10]的功能，此技术在整形领域将有着广泛的应用。

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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

国家自然科学基金（30770540），成都军区医学科研计划课题(MB07026)。

赵海燕，主治医师。

作者邮箱：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