去骨瓣减压术后头皮表面积测量方法

【作 者】张钦虎，刘兰娟，赵宁辉，赵金喜，高莲，孙鹤，施心陵

1 云南大学信息学院电子工程系，昆明市，650091

2 昆明医科大学第二附属医院神经外科，昆明市， 650118

临床研究表明对去骨瓣减压术后缺损区域头皮表面积的精确估算对于提高后期颅骨修补术的成功率具有重要意义。但目前针对不同人群在不同颅脑损伤位置处的缺损区域头皮表面积测量方法众多且不具有通用性。随着Mimics软件在临床应用领域研究的不断深入，Mimics软件可将人体颅脑CT扫描数据转化成三维几何模型，为临床诊断数据的提取提供便利。本文利用薄层CT扫描技术获得去骨瓣手术病人的Dicom医学数字图像，然后基于Mimics软件[1-2]快速、精确地建立颅脑和颅骨三维模型，最后使用相关数学方法快速估算出去骨瓣区域头皮表皮面积。

1 材料和方法

1.1 CT图像数据的采集

CT扫描、CT图像数据的采集均是在患者去骨瓣减压术后，并在昆明医科大学第二附属医院完成的。标本来源于该医院住院患者，均征得患者同意。标本包括2男2女，共4名颅脑损伤患者，损伤位置分别为颅脑左侧、颅脑左侧、颅脑右侧以及前额。对该4名颅脑损伤患者应用GE Lightspeed 64排螺旋CT以层厚5 mm，间隔5 mm方式进行由基线（听眦线）至颅顶扫描，获得512×512矩阵的CT图像 ，共242层，扫描数据以Dicom3.0格式存储[3]。

1.2 CT图像的处理和几何模型建立

通过导入模块(Import images)，直接将Dicom格式的CT断层图像导入Mimics软件，经定位图像(Change orientation)、组织图片(Organize images)、内插值处理、界定阈值(Threshoiding)，软件自动形成各层面骨组织窗轮廓曲线(如图1(a))。然后选定并使用骨组织的阈值范围，得到颅骨原始蒙罩(Masks)。但由于扫描机架的密度与颅骨密度相近，可能也将其包括在原始蒙罩中，因此进一步对其进行区域增长(Region growing)操作，选取欲重建的颅骨区域，得到仅包含颅骨的蒙罩。随后，在分割模块(Segmentation)中选择创建三维模型(Calculate 3D)，并在Calculate 3D界面设置合理的重建参数：(1)选取适合于医学图像处理的轮廓内插值法来修补图像；(2)若不输入光滑参数，可保持重建模型的原始信息；否则输入光滑插值30、光滑因子0.8的光滑参数，并选择缩减补偿程序[4]，建立颅骨的三维几何模型（如图1(b)）。同样采用上述操作流程建立颅脑三维几何模型(如图1(c))，颅骨上的软组织可通过设定阈值范围，调低阈值下界显现出来。

图1 去骨瓣手术后CT扫描图片及三维模型Fig.1 CT image after decompressive craniectomy and its 3D models

1.3 缺损区头皮表面积的估算

建立好颅骨和颅脑三维几何模型后，即可对颅骨缺损区域表皮面积进行估算。(1)让全屏显示两个三维几何模型，固定缺损区域的位置；(2)调整这两个三维模型的透明度，颅骨的透明度选为不透明(Opaque)，颅脑的透明度选为中等(Medium)，便于清晰显现颅骨缺损区域的轮廓（如图2(a))；(3)使用仿真模块(CMF/Simulation)中的多义线切割工具(Cut with polyplane)，沿着颅骨缺损区域的轮廓线对该模型进行画线切割，在切割的过程中可以对模型进行适当的放大或缩小，以便能更精确地对缺损区进行画线切割；(4)设置多义线的深度系数，使切割线能够彻底贯穿整个模型；(5)切割完成后，使用仿真模块中的分离工具(Split)对已切割好的颅脑模型进行分离，从而得到两个不同部分的三维模型，并以不同的颜色对它们进行区别，蓝色部分就是分离出来的缺损区域模型，黄色部分就是减去蓝色部分剩下的颅脑模型(如图2(b))；(6)在三维视角中按竖直方向固定好缺损部分模型(蓝色)，使用仿真模块中的带切割面的多义线切割工具(Cut Orthgonal to Screen)对其沿水平方向进行切割，得到红、浅灰色两部分(红色部分在上，浅灰色部分在下，如图2(c))，其中红色部分包含待估计缺损表面区域；(7)通过数学方法对缺损部分表皮面积进行估算。

具体数学参数含义为：Sblue表示缺损部分整体表面积，Sred表示红色部分的整体表面积，Slightgray表示浅灰色部分的整体表面积，Ssurface表示目标表面积，Sbase表示红色部分的底面积(即浅灰色部分的上表面积)， Sside表示红色部分的侧面积。具体计算过程为：(1)在Mimics中，通过读取各三维模型的属性值直接得到Sblue、Sred和Slightgray的值，再使用Sbase=(Sred+Slightgray-Sblue)/2得到红色部分的底面面积；(2)将红色部分的侧面近似看成是由多个梯形连接而成，使用Mimics软件自带的三维测量工具测出各个梯形的上底、下底和高，并运用数学方法算出Sside；(3)利用Ssurface=Sred-Sside-Sbase得到目标表面积(红色部分的上表面)。

图2 缺损骨瓣处的轮廓线及三维模型Fig.2 The contour line of the defect bone flap and its 3D models

2 结果

基于Dicom 医学数字图像，使用Mimics图像识别分割建模软件，建立比较精确并接近原始形态的颅骨和颅脑三维几何模型；并在此基础上，应用本文所述测量方法对昆明医科大学第二附属医院所提供的4名颅脑损伤患者（如图3）的缺损区域头皮表面积进行了测量。并由图3可以看出：患者在去骨瓣减压术后，其缺损区域头皮出现了不同程度的凹凸：全凹、全凸以及凹凸三种类型，本文所述测量方法都可适用。利用本文方法得到了不同凹凸类型以及不同损伤位置的测量结果，如表1所示。

表1 不同凹凸类型以及不同损伤位置的测量结果(mm2)Tab.1 The measuring results of patients with different concave-convex type and different position of craniocerebral trauma(mm2)

图3 颅脑凹凸情况Fig.3 The brain with concave-convex

3 讨论

本文阐述了一种测量颅脑缺损区域头皮表面积估算方法。此方法使用Mimics软件对CT扫描图像进行三维实体重建得到颅骨和颅脑三维几何模型，并使用Mimics自带的分割和测量工具以及相关数学方法估算出缺损区域的表皮面积。实验结果表明此测量方法是一种简单、快速、通用的方法，具有一定的应用前景，为测量颅骨缺损区域头皮面积提供了一种新的方法。

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