一种简捷的眼眶三维图像分割方法

李 晶，赵海燕

一种简捷的眼眶三维图像分割方法

李 晶，赵海燕

目的：将眼眶从头颅整体的三维图像中分割出来，以便独立研究。方法：通过对人体头颅进行CT扫描并进行三维重建，得到包含眼眶的头颅图像，采用基于分割目标形态的技术，将头颅三维图像中眼眶的三维分割出来。结果：该方法可以将眼眶整体从头颅三维图像中分离开来，为眼眶三维结构的研究奠定了基础。结论：该分割方法简捷直观，分割效果明显，可满足对眼眶进行独立研究的要求。

三维重建；三维分割；眼眶

0 引言

眼眶是承载视觉系统的重要部位，其结构复杂，且结构的变化直接影响眼球功能。近年来，眼眶外伤的发病率逐年上升，对眼眶疾患的诊治均需要对眼眶的结构进行研究[1-2]。CT头颅三维重建图像中眼眶的可见角度部位有限，不利于对眼眶结构的独立研究。本文通过CT扫描图像进行三维重建，在三维图像中将眼眶结构从三维头颅图像中独立分割出来，在计算机上实现了眼眶的长度、面积、体积的测量，为眼眶疾患的诊断治疗提供了辅助支持。

1 材料与方法

1.1 头颅的CT扫描

图像采集设备为CT扫描设备（LightSpeed VCT，美国GE公司）。选择健康成年男性，头颅眼眶上部连续CT扫描，选择骨窗，层厚为1.25 mm，获取512× 512像素矩阵的CT断层图像40层。通过DCOM接口，由影像归档和存储系统（picture archiving and communication system，PACS）传输，完成CT数据格式转换以及向计算机的数据录入。计算机系统硬件：主板：华硕P5WD2 Premium（Intel 955），CPU：Intel Pentium4 640，内存：金士刚1 GB/DDRII800，硬盘：希捷酷鱼7200.7/ST3400832AS；软件环境：Windows XP，开发工具：Visual C++6.0、OpenGL。

1.2 头颅图像的三维显示

采用MC（marching cubes）算法[3]在计算机上实现完成三维重建显示。OpenGL进行光照模型处理，在物体表面加入颜色、阴影、亮度、纹理等表面属性。用OpenGL中的三维控制功能，对所重建的三维显示体进行各个方位角度的变化控制。

1.3 眼眶三维分割

基于分割目标形态的技术为：首先在三维空间中将眼眶所在的空间区域限定出来。其中，以显示器平面为XY平面，垂直于XY平面方向为Z轴方向。从三维重建显示中获取三维显示体体数据与X、Y、Z坐标的变换关系。改变显示体的不同方位，同时用鼠标进行交互操作获得眼眶的空间区域限定，如-a≤X≤a、-b≤Y≤b、-c≤Z≤c。这样，以a、b、c为长、宽、高形成的立方体便包含了眼眶的体数据。在abc立方体中，基于目标形态特点，找出所有眼眶内侧边缘体的数据，为使显示的三维眼眶不会太薄，在显示三维眼眶时增加眼眶体数据邻域部分的体数据。具体步骤为：

（1）将头颅三维图像的正面置于显示框的正中，用鼠标描画出眼眶正面界线。如图1（a）、（b）、（c）所示，旋转头颅三维图像，改变方位观察选择的眼眶区域是否包含了整个眼眶。然后，确定所选择界线中的X、Y的最大值a、b。用同样的方法将头颅图像旋转到正侧面（如图1（d））所示，确定眼眶区域Z轴的范围，求出最大值c。这样，眼眶区域的-a≤X≤a、-b≤Y≤b、-c≤Z≤c。

（2）在头颅体数据中找到在abc立方体中的数据。遍历abc立方体中的数据，将符合骨组织边缘条件的所有体数据找出，并显示这些体数据，从而得出眼眶三维结构。

图1 通过鼠标与显示器平面交互获取a、b、c值

2 结果

图2 头颅三维图像分割结果

从图2中可以看出，所分割的眼眶区域边界清晰，眼眶整体从头颅三维图像中被独立分离出来。图中，用红、黄彩色把所分割的眼眶区域与原头颅区域区分开来，红色分割块为右眼眶区域，黄色为左眼眶区域。图2（a）、（b）、（c）反映了整体头颅图像处于不同方位时所分割的眼眶的方位形态显示。通过这样的三维空间显示可以观察到所分割出的眼眶不同视角的三维形态，证明所分割出的眼眶是完整准确的。图2（d）残余头颅显示整体头颅图像中已有一部分被分出，并示意出分割区域在整个头颅图像中的方位形态。整个图2形象、直观地反映了眼眶的分割结果。

3 讨论

眼眶疾患的诊断治疗大都依赖于二维图像。显而易见，三维图像较二维图像有很多优点。眼眶结构三维图像在眼眶容积测量、使用眼眶修复材料、眼眶骨折修复中均有广泛应用[4-5]。三维分割方法较多，可以分为基于体素的分割方法、基于形态和区域的分割方法与基于整体或局部的分割方法。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的方法、模糊技术[6]、人工神经网络（包括采用遗传算法）[7]、统计学方法[8]等，这些方法都存在依据的理论深奥、计算量庞大、软件实现困难的问题。本文采用基于分割目标形态的技术完成对头颅三维图像中眼眶的三维分割，直观简捷，避免了大量繁琐的运算。当然这个方法也存在较大的局限性：首先，分割体必须属性一致，比如均为同样的组织结构；其次，分割体边缘清晰明确，直接通过观察就能够辨别，视觉不能清晰识别的目标是无法通过这个方法实现分割的。

[1] 何黎升，商洪涛，白石柱，等.数字外科技术在眼眶重建中的应用[J].中华口腔医学杂志，2011，46（8）：452-457.

[2] 毕晓萍，范先群，施沃栋，等.三维眶底重建钛网在复合性眼眶骨折中的应用[J].中华眼科杂志，2011，47（8）：683-687.

[3] Lorensen W E，Cline H E.Marching cubes：a high resolution 3D surface construction algorithm[J].Computer Graphics，1987，21（4）：163-169.

[4] 潘雪，高敏，郭继虎，等.实体眼眶模型及个性化三维预塑成型钛网在眶区骨折重建中的应用[J].中华眼外伤职业眼病杂志，2012，34（5）：329-333.

[5] 姚鹏翔，李冬梅.组织工程骨应用于眼眶骨折修复的研究进展[J].中国实用眼科杂志，2011，29（9）：875-878.

[6] Kulkarni A D.Neural fuzzy model formulti spectral image analysis[J]. Applied Intelligence，1998，8（2）：173.

[7] Shareef N，WANG D L，Yagel R.Segmentation of medical images using LRGION[J].IEEE Transon Medical Imaging，1999，18（1）：74-77.

[8] Bhandarkar S M，ZHANG H.Image segmentation using evolutionary computation[J].IEEE Transon Evolutionary Computation，1999，3（1）：1-5.

（收稿：2013-01-14 修回：2013-10-20）

Method for segmenting orbit from three-dimensional image

LI Jing1,ZHAO Hai-yan2
（1.Department of Medical Engineering,Kunming General Hospital,Kunming 650032,China;2.Department of Ophthalmology,the First People's Hospital of Yunnan Province,Kunming 650032,China）

ObjectiveTo separate the orbit from the three-dimensional skull image.MethodsCT scanning and threedimensional reconstruction were performed for the skull,and then shape-based method was used to segment the elements of the orbit from the image.ResultsThe method could separate the orbit from the three-dimensional skull image,and thus laid a foundation for the research on the orbit three-dimensional structure.ConclusionThe method is simple and effective,and can be used for independent research on the orbit.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（9）：51-52]

three-dimensional reconstruction;three-dimensional segmentation;orbital cavity

R318；TP391.41

A

1003-8868（2014）09-0051-02

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.09.051

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

李 晶（1966—），男，博士，副主任，高级工程师，主要从事医学图像处理方面的研究工作，E-mail：1161825889@qq.com。

650032昆明，成都军区昆明总医院医学工程中心（李 晶）；650032昆明，云南省第一人民医院眼科（赵海燕）

赵海燕，E-mail：li_jingkm@126.com