基于脑CT图像的咽鼓管及周边结构三维重建与测量

郭瑞 张智伟

【摘 要】目的：基于CT断层图像重建和测量正常人的咽鼓管。 方法：利用3D Med软件进行三维重建，其中分别运用了线性插值方法和故障图像插值方法，并比较了两种方法的误差。最后，计算结果表明，基于贝塞尔曲线的故障插值可以提高三维重建的精度。在计算断层图像分割精度时，采用基于区域增长的分割方法。结果：通过研究脑结构的三维重建和测量，可以更好的显示与分辨各部分的立体结构，便于理解结构之间的相对位置。通过观察大脑图像上咽鼓管的图像表现，提出了区分和定位每个结构的方法和标准。结论：对颅脑损伤患者进行准确判断，脑断层图像的空间位置和体积的准确计算将对大脑损伤的临床上诊断以及制定手术方案提供合理科学的依据。

【关键词】咽鼓管；三维重建；脑图像分割

中图分类号： R766 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）28-0106-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.047

【Abstract】Objective： to reconstruct and measure the eustachian tube in normal subjects based on CT tomographic images. Methods： Three-dimensional reconstruction was performed with 3D Med software. Linear interpolation method and fault image interpolation method were used respectively， and the errors of the two methods were compared. Finally， the results show that the fault interpolation based on Bessel curve can improve the accuracy of 3D reconstruction. The segmentation method based on region growing is used to calculate the segmentation accuracy of fault images. Results： By studying the three-dimensional reconstruction and measurement of brain structure， the three-dimensional structure of each part can be better displayed and distinguished， and the relative position between the structures can be easily understood. By observing the image of eustachian tube on the brain image， the method and standard of distinguishing and locating each structure were put forward. Conclusion： Accurate judgment of the patients with brain injury and accurate calculation of the spatial position and volume of brain tomography will provide a reasonable and scientific basis for the clinical diagnosis of brain injury and the formulation of surgical plan.

【Key words】Eustachian tube； Three-dimensional reconstruction； Brain image segmentation

0 引言

聽觉系统结构复杂，咽鼓管粘膜与鼻咽鼓膜粘膜相通。细胞分泌的一些粘液能使适当调节管内的张力。使咽鼓管既不会完全的开放，却又能在需要的时候，例如当人咀嚼、咽下食物唾液，打哈欠或者偶尔张开嘴巴等，为了调节内部的压力，以保持管内外的压力平衡。咽鼓管作为中耳与外界交换气体以及管内液体流出的的唯一通道。其主要功能是将气体通过鼻咽引入鼓室，这将使鼓膜内外两侧的大气压力达到受力平衡，鼓膜的振动在受力平衡时才能正常工作。而如果咽鼓管由于发炎或其他原因引起堵塞就会引起鼓膜内部压力相对降低，外部压力相对较高，使鼓膜向内凹陷处于不正常振动状态，影响听力。临床教学以及诊断中由于咽鼓管的位置隐蔽，尸体咽鼓管标本解剖训练是帮助医师快速掌握咽鼓管部位解剖知识的重要途径，利用三维重建算法建立听觉系统和咽鼓管的数字模型，可用于3D打印机制作出原始大小模型，及用于演示不同用途的按比例放大的咽鼓管与听觉系统三维模型。

在这项研究中，我们对中国人的三种脑结构薄层图像进行了三维重建，为临床和教学服务建立了咽鼓管结构的视觉模型。

3DMed是由中国科学院开发的一款用于医学图像数据的分析和处理的软件。该软件可以处理各种医学图像，包括计算机断层扫描图像，磁共振成像和原始格式图像等。本实验将16行螺旋断层格式转换为原始格式，之后利用三维重建以建立咽鼓管的三维可视化模型并测量每个部分的结构信息，它们的三维空间位置结构是真实的。

1 资料数据与方法

数据的来源是泰山医学院附属医院放射科采集的一位健康人的断层扫描图像，使用OM线作为基线。扫描层厚度为2.5mm，扫描范围从顶部到44个断层切片的总线。

原始断层数据为DICOM格式，本实验先导出为8位RAW图像格式。在软件Ground truth editor中进行分割时，分割了侧脑室，四叠池和颅骨，并将分段的RAW数据加载到3个DMed中。由RAW数据提供的图像信息用于修改像素间距，切片间距和切片数量，以显示二维图像，并分割二维图像。获得颅骨及侧脑室，四叠池的三维模型。利用3Dmed软件内置工具来处理了三维对象并执行如下功能：测量了长度、角度等基本空间参数，在不同平面对模型进行了分割与透明化等，另外对渲染材质，背景色，环境光设置在可视化环境中进行了交互设置。

经过上述步骤后，对侧脑室，四叠池和颅骨的重建顺利完成。重建的样本可以实时虚拟切割计算机中每个结构的三个轴向平面和任意定向截面。每个虚拟切割表面可以显示侧脑室，四叠池和颅骨的解剖结构和它们的相对位置。当我们切割横切面，矢状面和冠状面时，我们的重建图像可以清晰地与周围组织分离，可以清楚地看到重建图像的邻接关系。

该实验建立了各部分的三维可视化模型。可以独立显示其中某一结构，或者任意匹配不同部分以及显示整体结构，可以确定空间位置中的任何轴，使模型绕轴旋转任意角度。从图中可以看出，侧脑室的前后角，后角，身体，下角呈现出逼真的形状，清晰直观地显示了颅骨和周边结构的空间位置。

2 結果

（1）本文着重研究了对CT序列图像的处理方法，从CT图像的基本信息，对图像进行分割、对模型的三维立体重建等。基本信息包括图像的格式区别，不同格式之间的转换，单一图像的阈值滤波，层间图像的移位和插值。

（2）通过研究脑结构的三维重建和测量，它们之间的相对位置关系可以更清晰的界定。可以单独显示每个结构、也可以同时显示各部分构成的整体结构。通过观察大脑图像中大脑内部结构的图像表示，提出了区分和定位每个结构的方法和标准。

（3）通过分析断层图像上四叠池的邻接和直径，我们建议在常规的10-mm头部扫描中，四叠池一般作为标志来区分大脑和小脑。通过测量图像上桥的邻接和直径，本文提出对脑桥和脑干的定位可以通过脑桥周围结构来进行，这些结构包括桥池，第四脑室，小脑枕角池等。通过观察图像上的基底神经节区域和相邻的丘脑，提出了内囊低密度的假设。上述研究内容的结果可以用于目前的计算机自动化判断病例提供了理论依据，亦可以用于计算机识别定位和解剖学分辨。

3 讨论与展望

（1）研究过程中对头骨使用区域增长方法，而对皮肤采用了阈值分割方法。结果表明对于不同的区域组织，分割图像应尝试不同方法来确定最优方法。因此下一步工作中包括如何找到统一的自动图像分割方法，可以用于计算机进行快速分析和评估。

（2）本文三维重建方法，面绘制处理数据较少，速度较快，效率较高，但是面绘制只能获得重建区域的表面结构，而丢掉了组织内部具体细节。体绘制处理数据量大，因此速度较慢，但这样可以最大限度的保留内部的具体细节信息。因此下一步工作中也包括医学图像的三维重建过程中，体绘制与面绘制的有机结合，获得速度与质量的平衡，既可以得到组织器官的表面特征，又可以得到其内部的比如血管等的细节信息。

（3）CT图像层间距越大，受插值的影响越大，重建结果也将受影响。因此除了本文中已经重建的结构之外，使用CT图像对其他细化结构如大脑的内核等也是下一步工作的重点内容。

【参考文献】

[1]徐克，白人驹.医学影像学[M].上海：人民卫生出版社，2013.

[2]魏佳蓓.基于贝塞尔曲线的手绘图[D].天津大学，2008.

[3]雷霆，陈坚，陈劲草.颅脑损伤[M].上海：上海科学技术出版社，2010.

[4]邓祥龙.图像边缘检测算法研究[D].合肥工业大学， 2012.

[5]于亚峰，等.咽鼓管三维重建和测量的初步研究[J].第四军医大学学报，2005（26）：300-303.