專利名稱：一種影象疊加分層截骨方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種影象疊加分層截骨方法涉及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其適用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的整復(fù)外科在復(fù)雜顱面畸形中的整復(fù)。
背景技術(shù)：
先天性顱面畸形(顱縫早閉癥、眶距增寬癥、小眼眶癥)或幼年腫瘤放射治療后顱面發(fā)育不良、外傷后繼發(fā)畸形等，可致顱面骨架結(jié)構(gòu)的異常和顏面輪廓變形，形成顱眶不對(duì)稱、小眼眶癥、嚴(yán)重顱面塌陷等。如何使顱面部外形恢復(fù)正常，是臨床極為棘手的難題，一些學(xué)科將其視為禁區(qū)。70年代后期，國際上顱面外科的興起和開展，可以對(duì)顱、眶、面、頜骨等部位的畸形進(jìn)行手術(shù)治療，但由于該部位的精細(xì)外形和其在顏面部的顯著位置，要很好地恢復(fù)顱面外形和正常的顱面結(jié)構(gòu)，至今猶存在許多難題，Salyer、David等認(rèn)為手術(shù)前如何應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確的術(shù)前模擬和設(shè)計(jì)，術(shù)中如何應(yīng)用高超的手術(shù)技巧精致恢復(fù)顱面部外形輪廓和減少功能障礙是近5年顱面外科需要攻克的主要難題等。
顱頜面畸形絕大多數(shù)伴有顱、眶、上頜骨結(jié)構(gòu)的畸形，眼眶是顱骨和面部諸骨的分界和交匯區(qū)域，顱面外科的主要內(nèi)容之一是將額部顱骨、眼眶骨架上頜骨等截開徙位后進(jìn)行改造和重建，顱面?zhèn)让?、眼眶容積等的變化通常成為臨床上主要的觀察指標(biāo)。目前主要通過觀察照相、頭顱X線片、頭顱CT斷層掃描片等二維圖像，結(jié)合臨床醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)，對(duì)額顱、眼眶毗鄰、眼眶容積等進(jìn)行診斷和手術(shù)方案的設(shè)計(jì)。自九十年代起，借助計(jì)算機(jī)圖像處理和分析，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的醫(yī)學(xué)影像分析與處理一直是國內(nèi)外研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)二維切片圖像進(jìn)行二維或三維分析和處理，對(duì)顱面骨進(jìn)行整體的三維重建，分割提取和三維顯示，可以幫助我們對(duì)受損顱面骨及其它感興趣的區(qū)域進(jìn)行定性直至準(zhǔn)確的定量分析，能更好地輔助醫(yī)生進(jìn)行診斷和手術(shù)設(shè)計(jì)以及更精確地實(shí)現(xiàn)分割對(duì)象的測量計(jì)算。國際一些大型醫(yī)療器械公司正不斷完善醫(yī)學(xué)影像處理技術(shù)以提高醫(yī)學(xué)影像的圖象質(zhì)量和各種輔助功能(如三維成象、輔助手術(shù)設(shè)計(jì)等)。在此基礎(chǔ)上，國外已建立了Mock Surgery的概念，即建立三維模型，結(jié)合數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，進(jìn)行病變部位的切割分離，重組，模型制備等全真手術(shù)模擬，目前在國內(nèi)還未見報(bào)道。國內(nèi)楊斌等僅應(yīng)用三維CT的影象資料進(jìn)行顱面部的測量和分析(2000年)。魏明貴等對(duì)頭顱X線側(cè)影定位片進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別后，以此作為顱面部二維分析的基礎(chǔ)。國內(nèi)作者的上述研究在理論上為計(jì)算機(jī)測量和輔助設(shè)計(jì)提供了各自的方法和應(yīng)用范圍，但對(duì)涉及形態(tài)復(fù)雜的顱面畸形，尚未做深入的研究。
圖像分割是計(jì)算機(jī)視覺和圖像分析中的一個(gè)基本問題。圖像分割指的是同質(zhì)區(qū)域的分割，同質(zhì)區(qū)域就是具有一直屬性的像元素集合，是解釋圖像的中層符號(hào)描述。而相鄰?fù)|(zhì)區(qū)域之間的屬性則有明顯差異。圖像分割的質(zhì)量對(duì)后續(xù)工作具有較大的影響，目前人們一直在研究高質(zhì)量的圖像分割方法。比較流行的分割方法方法可以分為以下五類即邊緣檢測、鏈接方法，區(qū)域增長、分裂合并方法，域值方法，變形模型方法(Snake、Levelsets)，統(tǒng)計(jì)模型方法。以上幾類方法各有其優(yōu)勢和缺點(diǎn)，其中統(tǒng)計(jì)模型方法表現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過Hammersly-Clifford定理將Markov隨機(jī)場和Gibs隨機(jī)場結(jié)合起來，使得模型既兼顧了對(duì)圖像的局部特征的描述也兼顧了對(duì)全局特征的描述，因而本研究選用此種方法。通過基于顱面骨結(jié)構(gòu)CT數(shù)據(jù)資料的計(jì)算機(jī)輔助圖像紋理分割和基于圖像分析特征的提取圖象和重建，對(duì)顱骨、眼眶、中面部的外形進(jìn)行從二維到三維的仿真模擬，并計(jì)算相關(guān)骨結(jié)構(gòu)位置改變后的體積變化，從而模擬基于正常顱面外形三維模板和成功病例術(shù)前顱面三維模板的手術(shù)充填物三維外形，并選取最佳的術(shù)后效果的圖象和測量數(shù)據(jù)。
通常顱面外科手術(shù)中為了重建顱面外形，需要大量的自體骨移植，或用人工材料作為骨移植的替代。隨之而出現(xiàn)的問題是，病人除了顱面手術(shù)的較大創(chuàng)傷外，同時(shí)要取多塊自身的肋骨、髂骨、顱骨外板等，既增加了手術(shù)創(chuàng)傷，又有“拆東墻補(bǔ)西墻”之虞；植入的自體骨(如肋骨)在手術(shù)6個(gè)月以后有1/3至1/2的吸收，有可能再進(jìn)行多次植骨手術(shù)。人工材料方面，作為骨移植的替代，目前有了長足的進(jìn)步，各種新型、生物相容性良好的人工材料在臨床廣泛應(yīng)用，但排異和感染仍不可避免，同時(shí)對(duì)顱面輪廓的恢復(fù)也不夠精細(xì)。Tessier(1981)首先進(jìn)行顱骨部的分層截骨，其基本方法是取顱骨的外板作為骨移植之用。Salyer(1986)利用眼眶和顴骨的自然弧度，對(duì)眶顴部進(jìn)行中間劈裂式的截骨，然后錯(cuò)開前移眶顴外板以重建西方人突出的顴部，外形自然圓滑，效果良好。其存在的問題是，整個(gè)眶顴外層骨架經(jīng)截骨前移后受顱面部肌肉的牽拉，易向后回復(fù)，外形效果較難維持長久；同時(shí)劈裂徙位后遺留較大的骨死腔，容易繼發(fā)感染。Toth和Chin等應(yīng)用中面部骨延長裝置使劈開錯(cuò)位的分層骨片牽拉成骨，減少了復(fù)發(fā)。Tessier和Salyer等醫(yī)生在顱面部進(jìn)行分層截骨的成功經(jīng)驗(yàn)表明，可以在顱面部利用幾何原理，最大限度的改建顱面外形輪廓，減少骨移植量，這是顱面外科發(fā)展至90年代的新趨向，但由于此類手術(shù)要求很高的手術(shù)技巧，手術(shù)部位較深，對(duì)手術(shù)者的熟練和配合提出了更高的要求，因而國際上分層截骨的許多術(shù)式只在少數(shù)的幾個(gè)顱面外科中心開展。
國內(nèi)關(guān)于復(fù)雜顱面畸形中應(yīng)用基于顱面骨結(jié)構(gòu)CT數(shù)據(jù)資料的計(jì)算機(jī)輔助圖像紋理分割和基于圖像分析特征的提取圖象和重建，并計(jì)算相關(guān)骨結(jié)構(gòu)位置改變后的體積變化鮮有報(bào)道。顱面分層截骨在顱面復(fù)雜畸形的應(yīng)用未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種沿顱、眶、面自然弧度作中間劈裂的分層截骨方法，采用術(shù)中即時(shí)徙位固定、置入骨牽引器逐漸徙位、合并應(yīng)用帶血管蒂的耳后皮瓣和顳淺筋膜瓣等進(jìn)行顱面部重建，使顱、眶、面外形達(dá)到正常或更為美觀，以解決復(fù)雜顱面部畸形整復(fù)中重建精細(xì)顏面輪郭、恢復(fù)正常功能的目的。
本發(fā)明的目的可通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)第一部分，借助計(jì)算機(jī)圖像處理、輔助設(shè)計(jì)，通過對(duì)顱面骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行與實(shí)體匹配的仿真三維分割和重建，對(duì)受損顱面骨(包括眼眶)的外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性直至準(zhǔn)確的定量分析?；痉椒ㄊ且燥B骨、眼眶為主要研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于骨結(jié)構(gòu)CT數(shù)據(jù)資料的影象疊加，分割和重建顱骨、眼眶的外形和容積(1)顱面骨結(jié)構(gòu)的測量資料系從符合DICOM 3.0的CT掃描機(jī)中獲得數(shù)字化數(shù)據(jù)，應(yīng)用VC++6.0并結(jié)合VTK軟件包的處理軟件，并在此基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)行由點(diǎn)到面的測量、圖形分割、圖形疊加和圖形的三維重建；(2)體積計(jì)算，以眼眶為例，通過分割和閉合眼眶內(nèi)區(qū)域的選取，設(shè)定邊界后，進(jìn)行眼眶容積(內(nèi)體積)測量并計(jì)算其二維切面的截面積(S)S=∫∫Ddxdy]]>由于CT圖像的圖像間隔是等間距已知的，而且經(jīng)過圖像分割及閉合區(qū)域的選擇過程，閉合區(qū)域的垂直于截面的徑向最大值A(chǔ)最小值B也是已知的。因此所求不規(guī)則體眼眶的內(nèi)體積(V)可表示為Volume=∫BAf(y)dy]]>A，B分別為閉合區(qū)域所在CT圖像截面徑向的上下界。f(y)為截面面積函數(shù)；分別計(jì)算患側(cè)眼眶和正常側(cè)眼眶的眼眶容積；(3)以正常側(cè)眼眶和患側(cè)眼眶進(jìn)行三維圖形分割和疊加，并對(duì)不同眼眶容積進(jìn)行比較；(4)游離于重疊部分之外的眼眶三維影象和兩側(cè)眼眶容積比較的差值，即為須重建眼眶的三維結(jié)構(gòu)和容積參考?；诠墙Y(jié)構(gòu)CT數(shù)據(jù)資料的顱骨、眼眶的影象疊加、分割和三維重建，輔以眼眶容積的計(jì)算和兩側(cè)比較，可以有效的指導(dǎo)手術(shù)設(shè)計(jì)和手術(shù)操作，對(duì)目前多發(fā)的顱眶部外傷后繼發(fā)顏面不對(duì)稱畸形有很好的臨床參考價(jià)值。
第二部分，應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的多向分層截骨法，精致重建顱面外形輪廓和重要結(jié)構(gòu)，并減少植骨等功能損害?；痉椒ㄊ?1)術(shù)前應(yīng)用基于骨結(jié)構(gòu)CT數(shù)據(jù)資料的圖象分割和重建，對(duì)顱骨、眼眶、中面部的外形進(jìn)行從二維到三維的仿真模擬，選取最佳的術(shù)后效果，并計(jì)算相關(guān)骨結(jié)構(gòu)位置改變后的體積變化；(2)對(duì)選定的受術(shù)區(qū)進(jìn)行術(shù)后效果的預(yù)測和評(píng)估；(3)頭皮冠狀切口入路，帽狀腱膜層分離頭皮瓣，廣泛顯露顱骨、顴骨、顴弓、眼眶、鼻骨、篩骨、上頜骨等，按術(shù)前設(shè)計(jì)對(duì)術(shù)區(qū)相關(guān)骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行分片、分層截骨(需微型動(dòng)力系統(tǒng)電鋸和電鉆)，以重建新的顱面結(jié)構(gòu)或恢復(fù)受損的顱面外形輪廓；(4)分層截骨的方法為將不規(guī)則的顱面骨從中間劈開，變一塊骨為兩塊或多塊骨，并進(jìn)行錯(cuò)開重置，以達(dá)到理想的顱面輪廓外形，錯(cuò)開的骨架置于新的位置固定；(5)在嚴(yán)重顱面發(fā)育不良的病例，分層截骨后，選用骨牽拉裝置漸進(jìn)性移動(dòng)劈開的骨片或骨段，以達(dá)到最小手術(shù)創(chuàng)傷下的顱面結(jié)構(gòu)重建和減少復(fù)發(fā)；(6)對(duì)軟組織營養(yǎng)不良的區(qū)域進(jìn)行分層截骨，可同時(shí)選用皮瓣或筋膜瓣(游離)移植以增加手術(shù)的成功率。術(shù)后觀察和隨訪顯示，分層截骨后的接觸骨片間發(fā)生直接骨愈合，無感染、骨髓炎等并發(fā)癥，骨吸收并不明顯；在牽拉成骨后的骨間隙發(fā)生再生性骨愈合，未見明顯復(fù)發(fā)。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于(1)按顱面整復(fù)的部位不同，手術(shù)可以在額顱骨、眶上緣、眶外下緣(顴突)、小眼眶周圍、全眼眶周圍等分別進(jìn)行分層截骨移位術(shù)；(2)橫顱冠狀切口作為常規(guī)手術(shù)入路，截下的顱面框架在新的位置重新固定而無須植骨，外形自然；(3)術(shù)前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和預(yù)測，能有效的啟發(fā)截骨思路，減少手術(shù)中的盲目性；(4)仿真手術(shù)模擬使手術(shù)后的實(shí)際效果更符合審美觀，減少醫(yī)患糾紛。
具體實(shí)施例方式
眶容積三維疊加的設(shè)計(jì)及其在眶截骨徙位手術(shù)中應(yīng)用1、研究內(nèi)容眼眶為大致圓錐體的立體幾何形狀。以眶口作為圓錐底計(jì)算面積，以眶頂至眶口的垂直距離作為圓錐高，計(jì)算圓錐體體積作為眶容積。分別計(jì)算患側(cè)眼眶和正常眼眶的眶容積。以患側(cè)畸形眼眶的眶容積為V1，以正常側(cè)眶容積為V0；V1與V0進(jìn)行圖形疊加；重疊的部分即為須重建的眼眶三維結(jié)構(gòu)。雙側(cè)眶容積異常(Crouzon綜合征)者，以正常人群眶解剖資料作為參照指標(biāo)。
2、研究方案(1)計(jì)算機(jī)處理方法
根據(jù)實(shí)際眼眶外科手術(shù)的內(nèi)容，對(duì)骨骼處理基本上包括兩方面的內(nèi)容。骨骼的局部的截骨操作和復(fù)位操作。這些操作反映到圖形學(xué)上則為以下兩方面的內(nèi)容。
切割對(duì)切割的計(jì)算可以應(yīng)用已知函數(shù)截面截取三維體數(shù)據(jù)。通過判斷象素位于已知截面的內(nèi)部還是外部來截取所需的三維體數(shù)據(jù)。另外為了進(jìn)一步對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行處理，還需要必要的形態(tài)學(xué)計(jì)算，使得圖像更加平滑和真實(shí)。
三維體空間變換在三維齊次坐標(biāo)系中，任意點(diǎn)P(x，y，z)可以用下面的矩陣運(yùn)算變換到P′(x′，y′，z′)。
x′y′z′1=100tx010ty001tz0001·xyz1]]>或者 P′＝T·P借助計(jì)算機(jī)圖像處理和輔助設(shè)計(jì)，通過對(duì)顱面骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行與實(shí)體匹配的仿真三維分割和重建，對(duì)受損顱面骨(包括眼眶)的外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性直至準(zhǔn)確的定量分析。基本方法是以顱骨、眼眶為主要研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于骨結(jié)構(gòu)CT數(shù)據(jù)資料的影象疊加，分割和重建顱骨、眼眶的外形和容積。
顱面骨結(jié)構(gòu)的測量資料系從符合DICOM 3.0的CT斷層計(jì)算機(jī)掃描機(jī)中獲得數(shù)字化數(shù)據(jù)，用相關(guān)的軟件讀取數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)行由點(diǎn)到面的測量、圖形分割、圖形疊加和圖形的三維重建。
體積計(jì)算方法，眼眶部系以眶口作為底部，計(jì)算圓錐形眼眶的體積，以作為眼眶容積計(jì)算的參考；分別計(jì)算患側(cè)眼眶和正常側(cè)眼眶的眼眶容積；以正常側(cè)眼眶和患側(cè)眼眶進(jìn)行三維圖形分割和疊加，并對(duì)不同眼眶容積進(jìn)行比較；游離于重疊部分之外的眼眶三維影象和兩側(cè)眼眶容積比較的差值，即為須重建眼眶的三維結(jié)構(gòu)和容定量測定(2)骨性標(biāo)志點(diǎn)額眶連接點(diǎn)，眶上緣點(diǎn)，鼻根點(diǎn)，眶外側(cè)緣點(diǎn)，眶下緣，顴眶結(jié)合點(diǎn)，顴骨顴弓點(diǎn)，上頜顴骨連接點(diǎn)和下頜角點(diǎn)等。
(3)臨床應(yīng)用應(yīng)用上述設(shè)計(jì)的眶容積三維疊加法，在術(shù)前利用X片、CT片、三維CT成象片資料，以正常眼眶的眶容積作為參照，用電腦輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)模擬眼眶骨架徙位后重建的眼眶立體結(jié)構(gòu)；進(jìn)行重建眼眶三維形狀的精確演算和動(dòng)畫制作，為眼眶截骨手術(shù)提供準(zhǔn)確的方案。
3、研究方法4具正常人尸體頭顱，一側(cè)眼眶預(yù)制成各類畸形，另一側(cè)作為參照，分別攝X片、CT片、三維CT片。
確定眼眶周圍測量標(biāo)志點(diǎn)眼眶骨性標(biāo)志點(diǎn)測定包括額眶連接點(diǎn)、眶上緣點(diǎn)、鼻根點(diǎn)、眶外側(cè)緣點(diǎn)、眶下緣、顴眶結(jié)合點(diǎn)、顴骨顴弓點(diǎn)、上頜顴骨連接點(diǎn)等。在X片、CT片、三維CT片描記與實(shí)體相應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)。
眶內(nèi)容積的測量除完成正常人群的測量工作外，完成對(duì)畸形患者不規(guī)則眶內(nèi)容積的測量，并進(jìn)行自身或與正常值對(duì)照。以眶口作為圓錐底計(jì)算面積，以眶頂至眶口的垂直距離作為圓錐高，計(jì)算圓錐體體積作為眶容積。分別計(jì)算患側(cè)眼眶和正常眼眶的眶容積。
眼眶容積和形狀的三維影象疊加選擇X線片、二維CT片、三維CT片掃描后錄入計(jì)算機(jī)，數(shù)值化并繪圖，計(jì)算圓錐體體積。畸形眼眶和正常眼眶進(jìn)行三維眶容積疊加，眶內(nèi)容積的測量經(jīng)三維影象分割后，左右鏡影樣疊加影象和進(jìn)行比較、計(jì)算，以三維疊加圖形的差值作為重建的眼眶結(jié)構(gòu)模擬，并進(jìn)行切割、位移、旋轉(zhuǎn)。放樣，制作三維動(dòng)畫模擬動(dòng)態(tài)演示。設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)影象疊加的方法重建術(shù)后眼眶外形和容積。以患側(cè)畸形眼眶的眶容積為V1，以正常側(cè)眶容積為V0；V1與V0進(jìn)行圖形疊加；重疊的部分即為須重建的眼眶三維結(jié)構(gòu)，包括了外形部分和容積大小。
手術(shù)模擬用人工定點(diǎn)的方法，對(duì)計(jì)算機(jī)處理后眼眶三維影像的骨性標(biāo)志點(diǎn)和需求點(diǎn)予以確認(rèn)，使之符合臨床手術(shù)要求，并對(duì)相鄰解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行立體觀察和定量分析，通過新的切片直線或曲線的切割重組，充填，完成手術(shù)模擬的過程。
臨床應(yīng)用涉及眼眶容積改變的疾病類型有①眶容積狹小——先天性顱底縫早閉性突眼(Crouzon綜合癥)、外傷壓擠性眶周骨折、甲狀腺突眼、Grave病突眼。先天性小眼眶、腫瘤放射后眶發(fā)育不良；②眶容積過大——大多數(shù)的眶壁及眶周骨折(顴骨、上頜骨、篩骨、額骨等)。
應(yīng)用方法1眼眶影象疊加部分提取后可以通過兩種方式應(yīng)用于植骨充填術(shù)以縮小眼眶容積，即術(shù)前制備人工材料充填，或術(shù)中按預(yù)擬的三維影象邊緣線距切削充填物毛胚。主要應(yīng)用于眼眶外傷病例。
應(yīng)用方法2對(duì)擴(kuò)大眶容積的病例，參照正常人群眶容積值比照后的眼眶影象疊加部分，可以在計(jì)算機(jī)上預(yù)擬出重建眼眶結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值和定位，藉以指導(dǎo)眼眶截骨徙位手術(shù)。主要應(yīng)用于小眼眶(放射后)和Crouzon綜合征等。
應(yīng)用方法3療效估價(jià)。選取眼眶及其周圍結(jié)構(gòu)的骨性標(biāo)志點(diǎn)作為療效評(píng)估的基點(diǎn)。
研究結(jié)果一.眶容積三維疊加的設(shè)計(jì)及其在眶截骨徙位手術(shù)中應(yīng)用直接采集CT斷層掃描機(jī)(GE)上的原始數(shù)字圖像刻寫在穩(wěn)定性良好的光盤上保存和應(yīng)用，并以此原始數(shù)字圖像作為原始數(shù)據(jù)。這一方法的特點(diǎn)是，將標(biāo)本的幾何形狀數(shù)字化，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助下實(shí)現(xiàn)了全程數(shù)字化操作。
采用自行編寫的通過VC++6.0并結(jié)合VTK軟件包的程序，數(shù)據(jù)格式為DICOM3.O，程序運(yùn)行在Window2000操作系統(tǒng)上。內(nèi)存256兆。
1.Markov隨機(jī)場和Gibs隨機(jī)場設(shè)F為定義在網(wǎng)格S上N基于N鄰域Markov隨機(jī)場，F(xiàn)滿足如下非零非負(fù)性和Markov性條件關(guān)系式P(f)＞0，∈{f}(positivity)(1.1)P(fi|fS/{i})=P(fi|fNi),(Markovianity)---(1.2)]]>1.1式中f為隨機(jī)場F的構(gòu)形或者說是F的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。非零非負(fù)性是技術(shù)上的要求，隨機(jī)場的每一種構(gòu)形的概率為非負(fù)非零的。1.2式是對(duì)Markov的描述。它表明整個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的數(shù)值對(duì)地址i點(diǎn)上的作用只由其鄰域決定。在Markov隨機(jī)場的實(shí)際應(yīng)用中，目的主要是為了在給定的隨機(jī)場F中尋找最大可能的構(gòu)形。最優(yōu)的構(gòu)形f*可以用下式表達(dá)f*=argmaxfP(f)---(1.3)]]>如果我們用V表示可觀測變量集合，用H表示隱含變量集合，用θ表示模型參數(shù)。最大期望方法可以進(jìn)行如下表述首先初始化模型參數(shù)為θ(0)，然后通過以下兩個(gè)步驟反復(fù)疊代生成θ(1)，θ(2)…E過程計(jì)算P%(t)(H)=P(H|V,θ(t-1))t=1,2,....]]>這里是利用當(dāng)前模型參數(shù)估計(jì)θ(t-1)和觀測到的變量值V來重新估計(jì)隱藏變量H的概率分布。
M過程計(jì)算θ(t)=aargmaxθ′Ep%(t)[logP(H,V|θ′)]t=1,2,....]]>這里面是在假設(shè)隱含變量的概率分布估計(jì)正確的條件下計(jì)算模型參數(shù)的最大似然估計(jì)。
我們使用如下標(biāo)記來描述EM分割。
I輸入圖像。
N輸入圖像中的象素?cái)?shù)。
1)S＝{s|1≤s≤N}圖像中I中象素索引集合。
2)M代表分割類別數(shù)。
EM分割將首先給出偏值場的估計(jì)值β
，通過E過程和M過程，利用觀測變量Y，依次估計(jì)出β[1]，β[2]，L，以及對(duì)應(yīng)的分類W。
運(yùn)用EM方法同質(zhì)區(qū)域?qū)⒈粯?biāo)記為相同的值。進(jìn)而完成分割過程。
2.三維重建三維重建分為兩大類方法三維數(shù)據(jù)的體重建和三維數(shù)據(jù)的面重建。二者各有有缺點(diǎn)。三維數(shù)據(jù)的體重建一般應(yīng)用于數(shù)據(jù)點(diǎn)間的間距較小，接近圖像的分辨率的情況下。能夠充分的反映出整個(gè)原始數(shù)據(jù)的全貌和細(xì)節(jié)。但所繪制出的圖像不構(gòu)直觀清晰。采用體重建方法來可視化分割數(shù)據(jù)。體重建中以光線投射體繪制算法應(yīng)用較廣泛。
該算法假定三維空間數(shù)據(jù)f(xi，yj；zk)分布再均勻網(wǎng)格和規(guī)則網(wǎng)格點(diǎn)上，流程圖中的的數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)分類已經(jīng)再圖像分割過程中已經(jīng)基本上得到了實(shí)現(xiàn)，但還需要進(jìn)行必要的格式轉(zhuǎn)化和冗余數(shù)據(jù)的剔除。
3.顏色賦值在體繪制的結(jié)果圖像中，需要顯示圖像的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而需要生成具有透明效果的圖像因此對(duì)每一個(gè)象素不僅需要根據(jù)分類結(jié)果賦予不同的顏色值(R，G，B)，而且海需要賦予不透明度值α。α＝1表示該物體完全不透明；α＝0則表示完全透明。由于各體的顏色是人為賦予的因此最終圖像中的顏色是偽彩色。
圖像重采樣從屏幕上的每一個(gè)象素點(diǎn)根據(jù)給定的觀測方向發(fā)出一條射線，這條射線穿過三維數(shù)據(jù)場，沿著這條射線選擇K個(gè)等距的采樣點(diǎn)，并由距離某采樣點(diǎn)的8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的顏色值和不透明值作三次線性插值，求出采樣點(diǎn)的不透明值和顏色值。顯見在作重采樣之前首先應(yīng)將三維數(shù)據(jù)場由物體空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像空間坐標(biāo)。
圖像合成圖像合成可以分成由前向后和由后向前兩種圖象合成方法。這里只介紹由后向前的圖像合成方法。
設(shè)第I個(gè)體元的顏色值為Cnow，不透明值為αnow，進(jìn)入第I個(gè)體元的顏色值為Cin，不透明值為αin，經(jīng)過第I個(gè)體元后的顏色值為Cout，不透明度值為αout設(shè)初始顏色為C0，最終顏色為C，第I個(gè)單元的顏色為Ci，不透明度為αi，令設(shè)的I個(gè)單元的透明度為βi，則βi＝1-αiC=C0β1β2Lβn+C1α1β2β3Lβn+C2α2β3β4Lβn]]>+Cn-1αn-1βn+CnL]]>=C0Πi-1nβi+Σi-1nCiαiΠj=i+1nβj---(2.2)]]>明暗計(jì)算通過明暗得計(jì)算可以增加圖像得真實(shí)感，能夠突出物質(zhì)間得界面。明暗的計(jì)算是利用圖像的法向量來進(jìn)行的。由于沒有面的信息因此必須求出等價(jià)的法向，才能進(jìn)行明暗計(jì)算，在體繪制中用圖像的梯度來代替法向量。圖象的梯度可以由下式求得Grad_x＝f(xi+1，yj，zk)-f(xi-1，yj，zk)/2ΔxGrad_y＝f(xi，yi+1，zk)-f(xi，yi-1，zk)/2ΔyGrad_z＝f(xi，yj，zk+1)-f(xi，yj，zk-1)/2Δz得到梯度值后既可用光照模型來計(jì)算圖像的中各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的漫反射分量。從而更加突出地顯示圖像數(shù)據(jù)地邊界。
該算法假定三維空間數(shù)據(jù)f(xi，yj，zk)分布再均勻網(wǎng)格和規(guī)則網(wǎng)格點(diǎn)上，流程圖中的的數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)分類已經(jīng)再圖像分割過程中已經(jīng)基本上得到了實(shí)現(xiàn)，但還需要進(jìn)行必要的格式轉(zhuǎn)化和冗余數(shù)據(jù)的剔除。
4.局部分割生成閉合體及眼眶容積(內(nèi)室體積)的計(jì)算閉合區(qū)域的選擇——眼眶容積(內(nèi)室體積)的計(jì)算要求三維立體的體積首先要計(jì)算其二維切面的截面積，通過前面的分割和閉合區(qū)域的選取，我們得到了一個(gè)三維閉合體。其每一個(gè)截面都有一個(gè)確定的邊界。
截面面積可以寫成截面所限區(qū)域D上地積分S=∫∫Ddxdy]]>這里的C是區(qū)域D上的正向邊界曲線，即截面的邊界。由于截面的輪廓是由一些離散形值A(chǔ)0，A1，L，An構(gòu)成。C沒有一個(gè)明確的表達(dá)式，但C是一條分段光滑封閉曲線，由于這些輪廓線上的離散點(diǎn)是已知的，因此可以通過以弧長或弦長為參數(shù)采用樣條插值來擬合出曲線。進(jìn)而計(jì)算出截面的面積。
由于CT圖像的圖像間隔是等間距已知的。而且經(jīng)過圖像分割及閉合區(qū)域的選擇過程，閉合區(qū)域的垂直于截面的徑向最大值A(chǔ)最小值B也是已知的。因此所求不規(guī)則體的體積可表示為Volume=∫BAf(y)dy]]>A，B分別為閉合區(qū)域所在CT圖像截面徑向的上下界。f(y)為截面面積函數(shù)。
二、分層截骨在復(fù)雜顱面畸形矯正中的應(yīng)用基本操作1、手術(shù)徑路頭皮冠狀切口入路，帽狀腱膜層分離頭皮瓣，廣泛顯露顱骨、顴骨、顴弓、眼眶、鼻骨、篩骨、上頜骨等，按術(shù)前設(shè)計(jì)對(duì)術(shù)區(qū)相關(guān)骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行分片、分層截骨(需微型動(dòng)力系統(tǒng)電鋸和電鉆)，以重建新的顱面結(jié)構(gòu)或恢復(fù)受損的顱面外形輪廓。
2、分層截骨多向分層截骨是對(duì)選定的受術(shù)區(qū)進(jìn)行三維方向的分片、分段截骨，達(dá)成新的顱面輪廓或恢復(fù)受損的顱面外形；即將不規(guī)則的顱面骨從中間用鋸或鑿劈開，錯(cuò)開重置，將錯(cuò)開的骨架在新的位置固定。接觸骨片間期望直接骨愈合，在嚴(yán)重顱面發(fā)育不良的病例，分層截骨后，選用骨牽拉裝置漸進(jìn)性移動(dòng)劈開的骨片或骨段，以達(dá)到最小手術(shù)創(chuàng)傷下的顱面結(jié)構(gòu)重建和減少復(fù)發(fā)，期望骨間隙內(nèi)由牽拉成骨逐漸出現(xiàn)骨再生愈合。對(duì)軟組織營養(yǎng)不良的區(qū)域進(jìn)行分層截骨，可同時(shí)選用皮瓣或筋膜瓣(游離)移植以增加手術(shù)的成功率。
3、重置骨塊的固定術(shù)中徙位的顱眶骨架在新的位置即可予以微型鋼板固定或鋼絲結(jié)扎固定。移動(dòng)后的骨間隙內(nèi)可以植入小塊自體骨、人工材料以作為外層顱面骨架的嵌接和支撐。
4、骨牽拉器(distraction)固定如選擇骨牽拉器置入劈裂截開的顱眶骨架間，其導(dǎo)引旋緊桿由眉或顴部皮下穿出，牽引板分別固定在截開的顴突或眶上緣骨面上。手術(shù)后旋緊導(dǎo)引桿，即可牽拉截開的顱眶面外層骨架，平均每天延長1.5-2mm。當(dāng)達(dá)到合適的顱眶面外形后即停止骨牽拉，并維持牽開器6至8周。
過程(1)顱骨暴露開顱，取下額顱骨板，在眶上緣水平作顱眶骨的分層劈裂式截骨，其范圍沿額顱骨板、眶上緣、眶外側(cè)及眶下緣。截骨后，整個(gè)顱眶骨架向前向外擴(kuò)大，或向上向下移位，或以內(nèi)側(cè)單點(diǎn)固定作外側(cè)的扇形展開。
(2)眶面部暴露在顱下眶外側(cè)及眶下緣作分層劈裂截骨，可以水平向和前后向移動(dòng)截開的眶骨架，恢復(fù)眶顴外形。
(3)分層截骨設(shè)計(jì)沿顱眶自然弧度作中間劈裂的截骨方法，采用術(shù)中即時(shí)徙位或置入骨牽引器術(shù)后徙位兩種不同技術(shù)進(jìn)行顱眶擴(kuò)張。
(4)錯(cuò)位重置骨塊的普通固定術(shù)中徙位的顱眶骨架在新的位置即可予以微型鋼板固定或鋼絲結(jié)扎固定。移動(dòng)后的骨間隙內(nèi)可以植入小塊自體骨、人工材料以作為外層顱面骨架的嵌接和支撐。
(5)骨牽拉器(distraction)固定如選擇骨牽拉器置入劈裂截開的顱眶骨架間，其導(dǎo)引旋緊桿由眉或顴部皮下穿出，牽引板分別固定在截開的顴突或眶上緣骨面上。手術(shù)后旋緊導(dǎo)引桿，即可牽拉截開的顱眶面外層骨架，平均每天延長1.5-2mm。當(dāng)達(dá)到合適的顱眶面外形后即停止骨牽拉，并維持牽開器6至8周。
(6)合并應(yīng)用帶蒂組織瓣。一期擴(kuò)大眼眶和重建眼結(jié)膜囊，以治療幼年眼球摘除和放射治療后的眼眶發(fā)育不良合并結(jié)膜囊狹窄的復(fù)雜畸形。此種情況通常先在顳部和耳后切開，解剖耳后皮瓣和顳淺筋膜瓣。耳后皮瓣的主要血供來自顳淺動(dòng)脈的耳后降支，仔細(xì)顯露后，上溯至顳淺動(dòng)脈主干，予以保護(hù)。隨后掀起顳淺筋膜瓣。耳后皮瓣和顳淺筋膜瓣共用顳淺血管，將耳后皮瓣旋轉(zhuǎn)180度，穿入眶外緣截骨的間隙進(jìn)入眼眶內(nèi)，卷起縫合后再造眼窩內(nèi)的結(jié)膜囊，邊緣與殘留的眼結(jié)膜縫合。顳淺筋膜瓣旋轉(zhuǎn)90度，覆蓋于眼眶外下緣大塊截骨的表面，充填顳眶部凹陷和給予前移骨塊良好的血供。
權(quán)利要求
1.一種影象疊加分層截骨方法，其特征在于a.借助計(jì)算機(jī)圖像處理、輔助設(shè)計(jì)，通過對(duì)顱面骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行與實(shí)體匹配的仿真三維分割和重建，對(duì)受損顱面骨(包括眼眶)的外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性直至準(zhǔn)確的定量分析；b.應(yīng)用多向分層截骨法，精致重建顱面外形輪廓和重要結(jié)構(gòu)，并減少植骨等功能損害。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種影象疊加分層截骨方法，其特征在于基本方法是以顱骨、眼眶為主要研究對(duì)象，基于骨結(jié)構(gòu)CT數(shù)據(jù)資料的影象疊加，分割和重建顱骨、眼眶的外形和容積(1)顱面骨結(jié)構(gòu)的測量資料系從符合DICOM 3.0的CT掃描機(jī)中獲得數(shù)字化數(shù)據(jù)，應(yīng)用VC++6.0并結(jié)合VTK軟件包的處理軟件，并在此基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)行由點(diǎn)到面的測量、圖形分割、圖形疊加和圖形的三維重建；(2)體積計(jì)算，通過分割和閉合眼眶內(nèi)區(qū)域的選取，設(shè)定邊界后，進(jìn)行眼眶容積(內(nèi)體積)測量并計(jì)算其二維切面的截面積(S)S=∫∫Ddxdy]]>由于CT圖像的圖像間隔是等間距已知的，而且經(jīng)過圖像分割及閉合區(qū)域的選擇過程，閉合區(qū)域的垂直于截面的徑向最大值A(chǔ)最小值B也是已知的。因此所求不規(guī)則體眼眶的內(nèi)體積(V)可表示為Volume=∫BAf(y)dy]]>A，B分別為閉合區(qū)域所在CT圖像截面徑向的上下界。f(y)為截面面積函數(shù)；分別計(jì)算患側(cè)眼眶和正常側(cè)眼眶的眼眶容積；(3)以正常側(cè)眼眶和患側(cè)眼眶進(jìn)行三維圖形分割和疊加，并對(duì)不同眼眶容積進(jìn)行比較；(4)游離于重疊部分之外的眼眶三維影象和兩側(cè)眼眶容積比較的差值，即為須重建眼眶的三維結(jié)構(gòu)和容積參考?；诠墙Y(jié)構(gòu)CT數(shù)據(jù)資料的顱骨、眼眶的影象疊加、分割和三維重建，輔以眼眶容積的計(jì)算和兩側(cè)比較，可以有效的指導(dǎo)手術(shù)設(shè)計(jì)和手術(shù)操作，對(duì)目前多發(fā)的顱眶部外傷后繼發(fā)顏面不對(duì)稱畸形有很好的臨床參考價(jià)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種影象疊加分層截骨方法，其特征在于應(yīng)用多向分層截骨法，精致重建顱面外形輪廓和重要結(jié)構(gòu)，并減少植骨等功能損害，基本方法是(1)術(shù)前應(yīng)用基于骨結(jié)構(gòu)CT數(shù)據(jù)資料的圖象分割和重建，對(duì)顱骨、眼眶、中面部的外形進(jìn)行從二維到三維的仿真模擬，選取最佳的術(shù)后效果，并計(jì)算相關(guān)骨結(jié)構(gòu)位置改變后的體積變化；(2)對(duì)選定的受術(shù)區(qū)進(jìn)行術(shù)后效果的預(yù)測和評(píng)估；(3)頭皮冠狀切口入路，帽狀腱膜層分離頭皮瓣，廣泛顯露顱骨、顴骨、顴弓、眼眶、鼻骨、篩骨、上頜骨等，按術(shù)前設(shè)計(jì)對(duì)術(shù)區(qū)相關(guān)骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行分片、分層截骨(需微型動(dòng)力系統(tǒng)電鋸和電鉆)，以重建新的顱面結(jié)構(gòu)或恢復(fù)受損的顱面外形輪廓；(4)分層截骨的方法為將不規(guī)則的顱面骨從中間劈開，變一塊骨為兩塊或多塊骨，并進(jìn)行錯(cuò)開重置，以達(dá)到理想的顱面輪廓外形，錯(cuò)開的骨架置于新的位置固定；(5)在嚴(yán)重顱面發(fā)育不良的病例，分層截骨后，選用骨牽拉裝置漸進(jìn)性移動(dòng)劈開的骨片或骨段，以達(dá)到最小手術(shù)創(chuàng)傷下的顱面結(jié)構(gòu)重建和減少復(fù)發(fā)；(6)對(duì)軟組織營養(yǎng)不良的區(qū)域進(jìn)行分層截骨，可同時(shí)選用皮瓣或筋膜瓣(游離)移植以增加手術(shù)的成功率。
全文摘要
本發(fā)明為一種影象疊加分層截骨方法涉及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其適用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的整復(fù)外科在復(fù)雜顱面畸形中的整復(fù)。借助計(jì)算機(jī)圖像處理、輔助設(shè)計(jì)，通過對(duì)顱面骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行與實(shí)體匹配的仿真三維分割和重建，對(duì)受損顱面骨(包括眼眶)的外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性直至準(zhǔn)確的定量分析。提供一種沿顱、眶、面自然弧度作中間劈裂的分層截骨方法，采用術(shù)中即時(shí)徙位固定、置入骨牽引器逐漸徙位、合并應(yīng)用帶血管蒂的耳后皮瓣和顳淺筋膜瓣等進(jìn)行顱面部重建，使顱、眶、面外形達(dá)到正?；蚋鼮槊烙^，以解決復(fù)雜顱面部畸形整復(fù)中重建精細(xì)顏面輪廓、恢復(fù)正常功能的目的。
文檔編號(hào)G06T17/00GK1540575SQ0311664
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2003年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者穆雄錚, 楊杰 申請(qǐng)人:上海第二醫(yī)科大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院