一种眼眶容积测量的新方法

孟世洋，李晶

1.云南大学 物理科学技术学院，云南昆明 650032；2.昆明总医院 医学工程中心，云南 昆明 650032

一种眼眶容积测量的新方法

孟世洋1，李晶2

1.云南大学 物理科学技术学院，云南昆明 650032；2.昆明总医院 医学工程中心，云南 昆明 650032

目的 建立一种方便快速，重复性高，精度准的眼眶测量方法，有效指导眼眶手术的整复治疗。方法 利用计算机三维影像技术和计算机图形技术，对成人眼眶特征点进行标记，提取眼眶内表面，结合逆向工程软件，实现对眼眶容积的测量。采用填砂测量10例正常成人20只眼眶容积作为对照组，验证眼眶容积测量新方法的准确性。结果 参照对照组，测量结果误差控制在-2.58%～2.33%，精确度0.15%～2.58%。对同一例成人左、右眼眶测量的方差分别为1.2%和1.4%。结论 这种眼眶容积测量的新方法具有方便快捷、操作具有较强可重复性、精准度高等特点，可以在临床应用上进行推广。

眼眶容积；三维影像技术；逆向工程；CT测量；填砂测量

眼眶是位于颅顶骨和颅面骨之间的两个骨腔，容纳并保护眼球及眶内重要结构，形态不规则，位置较深。眼眶爆裂骨折、眶内肿物等疾病，均能改变眼眶容积。测量眼眶容积，对于眶内肿物摘除术后眶内填充物填入量的估计以及由于爆裂骨折致眼眶容积扩大造成眼球内陷的修复都具有重要指导意义[1]。

长期以来，眼部病变多依赖普通X线片、超声等影像学检查方法，但是这此检查手段只能对眼眶做二维测量，不能对眼眶容积进行测量[2]。随着CT技术的发展成熟，特别是用于眼眶检查之后，使眼眶疾病的诊断有了突破性进展。CT扫描具有组织密度分辨力高，解剖关系清楚，可清晰显示眼眶的解剖结构及其与周围结构的相互关系，能清晰显示软组织、骨骼和气体，成像不受深度限制，CT重建技术可以指导矫形与整复时立体结构的精确修复，而且利用2D或3D CT重建图像测量眼眶容积准确可行[3]。国内外对利用CT数据重建后测量的方法进行了大量的研究和报道[4-5]，目前测量的方法上主要有影像测量和实物填充测量。本文在以往研究的基础上提出一种更加方便快捷的方法，改变繁琐的测量方法，大大缩短了眼眶容积的测量时间，及时快速地为眼部的治疗提供重要参考。

1 传统眼眶容积的测量方法

传统的眼眶容积的测量方法主要有影像测量和实物填充测量。

1.1 影像测量眼眶容积的方法

利用影像测量眼眶容积主要是利用CT对人体眼眶进行扫描，获取像素矩阵的CT断层图像并行三维重建，而后利用编程程序对选定区域进行扫描计算出容积[6]。主要步骤如下：

（1）将扫描所得的CT数据进行三维重建。

（2）空间线段的测量，确定空间任意两点间的距离。按公式 (1) 计算距离，其中D为A点(X1，Y1，Z1)到B点(X2，Y2，Z2)点的测量距离。

（3）面积和体积计算采用像素累加的方法完成。按公式 (2) 计算面积，其中Li为待测区域的周长，S为层厚。

眼眶体积按公式 (3)，其中Ai为每一层待测区域的面积，S为层厚。

同时为达到精确测量减小误差的目的，通常采用取两层的平均值进行累加计算，计算公式为：

通过以上方法测量眼眶容积方便简单，但其存在的主要存在以下不足：① 选择区域体积的庞大致使数据量大，计算速度会变慢，这导致对硬件的要求较高，无疑增加了投入的成本；② 容积效应是产生测量误差的另一原因，它使图像中眼眶边缘产生重叠。在进行扫描计算时，对眼眶边缘的计算存在误差，而且不适当的窗组合，可掩盖其重叠边缘的密度差，使测量者判断眼眶界限产生困难，窗宽过窄时测量容积趋小，窗宽过宽时测量容积趋大[7]。根据国内外对眼眶部位容积精度与窗位窗宽的关系的报道，在窗位200 HU、窗宽2000 HU时，可分清重叠的边缘[5,8-9]。

1.2 实物填充测量方法

这种方法主要是利用重构好的眼眶并打印出眼眶实物或者在尸体上进行，应用培乐多泥封闭眶腔的眶上裂、眶下裂、视神经孔和小的破裂孔。应用磨面细砂充填整个眶腔，并反复摇放使细砂均匀、结实。充填细砂的标准为细砂平面和眶缘平齐，用精密天平称细砂的重量，每个眼眶充填多次，取平均值。将每个眼眶内充填的细砂重量除以细砂比重，可得到眶腔的容积[5,8]。

但这种方法的缺点如下：① 眼眶中存在较多的细孔，填充不便，尤其是对较深部位的填充，细沙容易漏出；②填充时以整个假体为模型，而我们面对的是实际的病人，即使可进行3D打印后填充，但耗时较多。

基于对传统眼眶容积测量存在的一些不足，本文提出的方法不需要较高的硬件要求，一般的硬件即可完成，不需要设计算法扫描眼眶边缘，有效避免了容积效应。可在活体CT扫描数据的基础上进行测量，缩短了测量时间，真正到达为患者减轻痛苦。

2 材料与方法

2.1 眼眶CT数据的获取

采用美国GE（MedicalSystems/LightSpeed16）公司生产的64排CT连续扫描，获取原始CT数据。扫描条件：尸体取仰卧位，让头部与扫描平面垂直，对眼眶部位进行扫描，层厚0.562 mm，电压120 kV，电流100 MA，矩阵为512×512，一次扫描时间约为15～20 s。CT测量人体器官体积的基础，是通过对扫描图像中兴趣区面积的测定。而构成图像的基本单位的像素大小，是由扫描视野、重建矩阵决定的。像素越小，测量结果越精确。体素是构成图像的最小体积单位，即一定厚度的像素。厚度越大，体素代表的体积越大，测量产生的误差越大[10-11]。

2.2 头颅模型的重建

将获取的CT数据保存为DICOM格式，导入Mimics10.01（交互式医学影像控制系统）软件[12]中，刚才已阐述过，采用窗位200 Hu、窗宽2000 Hu为眼眶最佳的显示，可清晰的观察病人眼眶部位，窗宽过宽会使图像变得模糊不便于区分骨骼与软组织。本文仅针对眼眶的重构，选用人体骨头阈值进行分割，形成头颅蒙板，采用0.1 mm重建层距，减小重建间距虽增加重建时间，但可以减小容积效应[13]。3D计算后实现眼眶部位的三维重建，见图1。

图1 三维重构结果

2.3 确定特征标记点

标记点的定位是关键的，能很好的帮助我们进行眼眶的提取，成人眼眶的表面有着清晰的特征，根据经典人体颌面部解剖标志点，确定眼眶的标志点，见图2：① 泪嵴点：上颌骨鼻突、额骨和泪骨的交汇点；② 外眶距点：颧额缝的外侧缘点；③ 眶上缘点：眶上缘中点；④ 眶下缘点：眶下缘中点。

图2 定位标记点

确定标记点后应用鼠标沿着骨性眶壁描记，确定提取的眼眶位置，并将文件存储为STL格式，即利用三角网格来表现3D模型。

2.4 眼眶的提取

在前一步的基础上，导入逆向工程软件Geomagic Studio 12.0中[14]，利用软件中的画笔工具，沿着眼眶骨性标记进行描记，界定眼眶外侧面积范围，见图3。然后利用选取工具中的套索工具选择眼眶的整个内表面，见图4。随后翻转选区，删除多余部分，得到眼眶的内表面，见图5。

图3 沿标记点描记眼眶外缘

图4 选取眼眶内表面

图5 眼眶内表面

2.5 填充

填充是最重要的一个环节，首先要确定所填充孔的独立性，就是孔与孔之间不存在相交，否则容易导致多个孔被填充，从而影响精度。在填充的过程中，要合理选择填充的方式。Geomagic Studio 12.0软件提供了填充完整孔、填充边界孔和生成桥填充3种填充方式，其中完全填充孔适用于完全封闭边界线形成的孔，填充边界孔模式适用于填充部分孔，包括边界缺口或圆周孔的一部分，生成桥填充模式通过生成跨越孔的桥，从而将长窄孔分割成多个孔，并分别填充。对孔的填充要充分结合集中填充模式进行。填充前、后的结果，见图6。

2.6 容积的计算

将封装好的眼眶投影到平面，计算出体积。沿着眼眶外缘建立投影平面，使眼眶整个轴心平行于全局坐标z轴，见图7。

图6 填充效果

图7 计算体积

3 结果

3.1 重复性检测

对1例32岁男性尸体标本的左、右眼眶CT数据进行重复操作5次，眼眶容积测量结果：左眼依次为23.64、23.83、23.74、23.51、23.70 cm3；右眼依次为23.88、23.79、23.61、23.91、23.75 cm3。由测量结果计算，左眼的平均值为23.68 cm3，右眼为23.79 cm3，方差分别为0.012和0.014。从计算结果看每次测量的数据波动较小，从而保证了测量结果的可重复性。

3.2 体积精度的验证

实物填充方法虽然耗时较多，不能对病人直接填充，但目前眼眶容积测量方法中其精度较高，常作为其他研究方法的参考标准。为验证我们提出的方法的正确性，选取10具成年人尸体，男性6具，女性4具，年龄21～45岁，平均年龄28.5岁。以实物填充20只眼眶测量的体积作为标准组，与文中提出的新方法进行比较，见表1。测量结果误差在-2.58%～2.33%，精确度0.15%～2.58%。

表1 新方法测量误差与精度值

4 讨论

本文提出的新方法能有效方便地指导医生进行术前的规划，可重复操作。相对于实物填充，省去了细沙填充和眼眶实物的模型打印步骤。相对于影像测量方法，有效地避免了繁琐的程序设计和不精准的扫描算法。并且可通过多次练习熟练掌握软件的使用，来减少耗时。本文方法误差来源主要是在对眼眶的填充步骤，能否保证眼眶的骨性特征是关键点。首先是要对眼眶的结构熟悉，才能在填充的过程中保证眼眶的外形，其次是要合理利用软件提供的3种填充模式，做到填充精细化。综上所述，本文提出的眼眶容积测量的新方法具有简单快速、重复性高、精度准的特点，可以在临床应用上进行推广。

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A New Method of Orbital Volume Measurement

MENG Shi-yang1, LI Jing2
1. College of Physics Science Technique, Yunnan University, Kunming Yunnan 650032, China; 2. Department of Medical Engineering, Kunming General Hospital, Kunming Yunnan 650032, China

Objective To establish a convenient, quick, repetitive and accurate method of orbital volume measurement so as to provide effective guidance for plastic and reconstructive treatment of orbital surgeries. Methods The 3D imaging and graphics technique was used to mark adult orbital characteristics and extract orbital surface so as to realize the measurement of orbital volume in combination with reverse engineering software. The sand filling measurement was taken to measure 20 orbital volumes of 10 formal adults as Control Group and to verify the accuracy of the new method. Results In contrast with Control Group, error control of the measurement results ranged from -2.58% to 2.33% and the degree of precision was 0.15% to 2.58%. In the same case of one adult, the error variance of the left and right eye was 1.2% and 1.4%, respectively. Conclusion The method of orbital volume measurement in this paper is fast and convenient with strong repetitive operation and high precision, which should be widely promoted clinically.

orbital volume; three-dimensional imaging technique; reverse engineering; CT measurement; sand f lling measurement

R777.5

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.10.012

1674-1633(2016)10-0040-04

2014-11-12

2014-12-09

李晶，高级工程师。

通讯作者邮箱：li_jingkm@126.com