基于CT图像的活体人颅骨厚度测量方法.pdf

基于CT图像的活体人颅骨厚度测量方法3 李海岩1 2 阮世捷2 彭 翔3 1 谢中华2 王 浩4 刘文岭2 1 天津大学 精密测试技术与仪器国家重点实验室 天津 300072 2 天津科技大学 生物力学与车辆安全工程中心 天津 300222 3 深圳大学 光电子学研究所 教育部光电子系统与器件重点实验室 深圳 518060 4 天津市第四中心医院 天津 300140 摘要 本研究利用活体人头颅CT图像 通过自编程序对图像进行分割与二值化 边缘修补 去除干扰 图像纠 偏及边缘提取等处理后 确定测量参考点 实现了对前额骨 顶骨和枕骨厚度的准确测量 该方法既可实现对一幅 颅骨CT图像中不同位置的测量 也可实现对多幅图像中同一位置的自动测量 其测量结果在解剖学 临床医学 生 物力学和头部损伤分析等领域有着广泛的应用价值 关键词 活体人颅骨 厚度 CT图像 测量 The ThicknessM easurement of Alive Human Skull Based on CT I mage L i Ha iyan 1 2 Ruan Shijie2 Peng Xiang3 1 Xie Zhonghua2 Wang Hao 4 L iuW enling2 1 N ational L aboratory of P recision M easurem ent T echnology and Instrum entation T ianjin U niversity T ianjin 300072 China 2 B iom echanics and V ehicle S af ety Engineering Centre T ianjin U niversity of S cience and T echnology T ianjin 300222 China 3 Institute of Op toelectronics S henzhen U niversity K ey L aboratory of Op toelectronic D evices and System s of Education M inistry S henzhen 518060 China 4 T ianjin4thCentre H osp ital T ianjin 300140 China Abstract This study sought to measure accurately the thickness of the frontal parietal and occipital bones of the alive human skull based on CT i mages The i mages were treated w ith a series of processes by coding into a program i mage segmentation and binary coding eli m inating edge interference rectifying i mage deviation and clarifying boundary edge redraw ing the boundary and reference point fixing and finally thickness measurement The new method can measure not only the different points in one CT i mage but also the same point in massive CT i mages The measurement results are of great practical value in the fields of anatomy clinical medicine biomechanics study head injury analysis etc Key words A live human skull Thickness CT i mage M easurement 1 引 言 活体人颅骨厚度的研究在解剖学 临床医学 生 物力学和头部损伤分析等领域有着广泛的应用价 值 传统的颅骨厚度测量工具有直脚规 弯脚规 游 标卡尺等 1 尽管这些工具有测量准确 经久耐用 3 国家自然科学基金资助项目 30470462 30570481 天津市 科委重点基金资助项目 043803811 天津科技大学引进人才科研启 动基金资助项目 20060421 通讯作者 E2mail lihaiyan tust edu cn 刻度易读等特点 但是它们更适合于颅骨标本的测 量 而对于大量测量活体数据来说并不合适 本文研 究利用正常人头颅CT图像 在微机上借助自编计 算程序对前额骨 顶骨和枕骨厚度进行了快速 准 确 大批量测量 2 测量流程 本测量方法研究对同一幅CT图像上不同位置 颅骨厚度的测量 同时 在大量统计测量中实现不同 CT图像上同一位置厚度的自动测量 其测量流程 如图1所示 生物医学工程学杂志 J Biomed Eng 2007 24 5 964 968 图1 测量流程 Fig 1 The measurement process 3 测量方法 3 1 数据的获取及预处理 在医院拍摄的活体颅脑CT扫描图像中选取无 颅面骨断裂史 无肿瘤史 具有 正常 颅脑几何尺寸 的样本 借助CDV iewer软件选取初见脑室的一层 CT图像 调整其窗宽 窗位为2000和600 以使骨骼 显示最为清晰 再将该D ICOM格式的CT图像导出 并存储为JEPG格式 为后期处理提供数据 3 2 图像的分割及二值化 在M atlab软件中先调用im read函数 X im read 文件名 读入经过预处理的图像 如图 2所示 X为读入后的图像数据 若想得到颅骨的厚 度 首先应准确地将颅骨从CT图像中分割出来 2 在众多的图像分割方法中阈值法是一种简单有效的 方法 它可用一个或几个阈值将图像的灰度级分为 几个部分 属于同一个部分的像素是同一个物体 3 由于骨骼的CT值比其它组织的CT值高 一般用阈 值法分割骨骼能取得较好的效果 4 5 本研究采用了 阈值法进行图像分割 经过反复测试给定阈值为 013 由BW im 2bw X 01 3 将X转化为二值图像 数据BW BW是一个512 512的矩阵 元素为0或 1 如图3所示 图2 经过预处理的CT图像 Fig 2 The CT i mage after preprocessing 图3 二值图像 Fig 3 The binary coding i mage 3 3 修补缺损轮廓及去除干扰点 由于每个人头骨结构的不同和做CT时操作的 原因 在得到的CT图像中有的轮廓不清楚或内部 有干扰点 如图 4 a 所示 调用下面程序段 对其进 行一次闭运算 然后再对反色图像进行一次闭运算 可以去除图像中的干扰点及修补轮廓缺损 如图 4 b 所示 se strel d isk 5 BW im close BW se se strel d isk 1 BW im close BW se BW BW 569第5期 李海岩等 基于CT图像的活体人颅骨厚度测量方法 图4 轮廓修补及去除干扰 a 有轮廓缺损及干扰的图像 b 修补缺损及去除干扰后的图像 Fig 4 The i mages before and after repairing and eli m inating a the image w ith unclear boundary and interference b the image after repairing and elim inating 3 4 图像纠偏 在对颅骨厚度做统计测量研究时 需要对大量 的活体人头颅CT图像进行测量 为了使测量结果 具有统计学意义 需保证每幅CT图像的测量点在 同一位置 因此要对拍摄出的偏斜图像进行纠偏校 正 由于颅骨CT切片图中前额骨部分可以近似为 抛物线的 所以本研究采用了抛物线纠偏的方法进 行纠偏 原理如图5 图5 图像纠偏原理 a 偏斜的抛物线 b 纠偏后的抛物线 Fig 5 The principle of rectifying i mage deviation a deflective parabola b rectified parabola 如图 5 a 所示 对于一个倾斜的抛物线 在其上 任意找两个点A和 C 分别过这两点做水平线与抛 物线交于B D 线段AB的中点记为E 线段CD的中 点记为 F 由几何知识可知 连接E和F的直线平行 于抛物线的对称轴 于是就可以由EF的斜率求出一 个角度 将抛物线旋转这个角度得到纠偏的抛物线 如图 5 b 所示 纠偏后的图像如图6所示 3 5 边缘提取 经过上述处理后的CT图像为骨骼最清晰 正 切面图像 利用 sobel 算子对骨骼作边缘提取 6 7 669 生 物 医 学 工 程 学 杂 志 第24卷 图6 图像纠偏 a 偏斜的原始图像 b 经过纠偏的图像 Fig 6 Rectif ing the i mage deviation a the image w ith deviation b the image after rectifying deviation 经过边缘提取后的二值图像边界是由内外两个圈构 成 圈上点的纵横坐标分别是该数据点在BW矩阵 中的第一个下标和第二个下标 记外圈上横坐标最 小 即最左边 的点为A x m in yxm in 横坐标最大 即最右边 的点为B x max yxmax 取参照点C x0 yxm in 其中x0为纠偏之后图像的对称轴所对应的横 坐标 过参照点C作水平线L1 将内外两圈各分为上 下两个半圈 如图7所示 将外圈上半圈上点的横坐 标记为x11 纵坐标记为y11 将外圈下半圈上点的横 坐标记为x12 纵坐标记为y12 将内圈上半圈上点的 横坐标记为x21 纵坐标记为y21 将外圈下半圈上点 的横坐标记为x22 纵坐标记为y22 这里的x11与y11是 长度相同的两个向量 x 12与y12是长度相同的两个向 量 x 21与y21是长度相同的两个向量 x 22与y22是长度 相 同 的 两 个 向 量 这 些 数 据 用 于 厚 度 的 计 算 3 6 确定测量参考点 记图7中外圈上最上方点的坐标为 xym in y m in 最下方点的坐标为 xymax ymax 选取参照点 E X0 y m in yxm in 2 用来测量前额骨上同一位 置的厚度 选取F X0 ymax yxm in 2 为测量枕骨 上同一点的厚度 C 点作为测量顶骨厚度的参考点 3 7 厚度测量 过参考点E点作斜率为tan 4 3pi 9 的直线 与外圈的上半圈交于点G x1 y 1 对外圈上G点附 近的点作二次曲线拟合 即用y ax2 bx c表示 外圈上G点附近的图像的曲线方程 其中a b c是 未知的参数 通过拟合可以估计出a b c的值 从而 得出G点附近的二次曲线 如图7中G点附近的一 段较粗的曲线 图7 颅骨厚度测量图示 Fig 7 The chart of skull thicknessmeasurement 以 1 2ax1 b 为斜率 过G点作出二次曲线 在G点处的法线L2 L 2与内圈的上半圈交点记为H x2 y 2 G H两点的距离 d x1 x2 2 y1 y2 2 0 5 像素距离 即为G点处的头骨厚度 像素厚 度 在CDviewer软件中测得像素与实际尺寸之间 的系数为01477 因此将测得的像素值乘上该标定系 数01477 就得到了G点处的头骨的真正厚度 即前 额骨上测量点的厚度 这一厚度将显示在G点 769第5期 李海岩等 基于CT图像的活体人颅骨厚度测量方法 旁边 如图7所示 同样地 过参考点F点作斜率为tan pi 3 的直 线 与外圈的下半圈交于点I x3 y 3 对外圈上I点 附近的点作二次曲线拟合 然后过I点作法线与内 圈下半圈交于点J x4 y 4 就可以计算出I点处头骨 的厚度 即枕骨上测量点的厚度 由于A点是图像上最左边的点 且A C两点在 同一条水平线上 所以过参考点C作水平直线 求出 该直线与内圈的交点 D 就可以计算出A点处头骨 的厚度 即顶骨上测量点的厚度 从上面的分析可知 由于参考点E F不变 以不 同的斜率过参考点作直线 就可以求出不同点处的 头骨厚度 4 测量结果 本研究测量了活体人头颅CT图像1 000例 男 女各500 由于篇幅所限 只将各年龄段选一例测量 结果列于表1中 初步测得前额骨 顶骨 枕骨厚度 男性为6166 1150 5143 1104 7147 2131 mm 女性为7144 1165 5158 1104 8126 2165 mm 表2中列出了测量结果的统计分析 对测量结果进 行方差分析后 发现随年龄不同 前额骨 顶骨和枕 骨厚度差异是显著的 表1 测量结果 Table 1 The measurement results 序号年龄性别前额骨厚度顶骨厚度枕骨厚度序号年龄性别前额骨厚度顶骨厚度枕骨厚度 16男4 03033 57603 2135176女3 58384 02302 7930 212男4 14054 02303 60101812女4 04095 81107 8563 318男5 40006 70506 12161918女4 91964 02307 1375 424男7 10224 91708 48892024女6 71484 91706 2083 530男6 73944 02308 90752130女6 75655 36407 0360 635男7 63034 02308 82222235女6 74305 36408 3057 740男7 86316 70506 85532340女9 00026 70506 9072 845男7 16435 81109 40932445女6 28224 47006 1010 950男5 81104 91706 45932550女6 25816 25806 9291 1055男6 78054 47006 38742655女6 27835 81109 4930 1160男5 38664 91705 78222760女10 88167 59907 9017 1265男10 20426 70508 58942865女7 18228 04608 7546 1370男6 52265 81109 48562970女10 74277 15207 8857 1475男5 83956 70506 58263075女8 58036 705011 6469 1580男5 36615 36405 98563180女9 44705 36405 9936 1685男7 62536 25804 17073285女8 17734 91708 3909 表2 测量结果统计分析 Table 2 The statistical analyses of measurement results 变量均值标准偏差最小值最大值 女性年龄51 7280018 158125 0000088 00000 前额骨厚度7 444621 655133 5838014 77680 顶骨厚度5 584821 057533 5760013 41000 枕骨厚度8 259042 646552 7930019 14270 男性年龄49 1640019 309667 0000090 00000 前额骨厚度6 657741 498433 1472012 28950 顶骨厚度5 433731 042433 1290012 51600 枕骨厚度7 472152 310063 2936016 83250 5 结 论 本研究借助CDviewer M atlab等软件 利用活 体人头颅CT图像对前额骨 顶骨及枕骨厚度进行 了快速 简便的测量 这种方法解决了单纯使用 CDviewer软件测量时由于手工操作引起的随机误 差 该测量方法即可实现对单一CT图像不同位置 的测量 也可实现对大批量CT图像的同一位置的 统计测量 随着图像分割技术 边缘提取算法 测量点的确 定方法的发展 8 9 本测量方法将得到进一步完善 为医学诊断 外科手术 人体头颅的有限元模拟等领 域的研究提供可靠的依据 参考文献 1Zou CHX N iu XG W ang Q et al The survey and prospect of skull measurement Chinese J of Clinical Anatomy 2003 21 2 190 邹昌旭 牛学刚 王 琦等 颅骨测量的概况与展望 中国临床解剖学杂志 2003 21 2 190 2L i YB Hong B Gao SK et al Bone segmentation in human CT images J Biomed Eng 2004 21 2 169 李银波 洪 波 等 人体CT切片图像中骨骼的分割 生物医学工程学杂志 2004 21 2 169 3Han SQ W ang L A survey of thresholding methods for image segmentation System Eng and Electronic 2002 24 4 91 韩 下转第980页 Continued on Page 980 869 生 物 医 学 工 程 学 杂 志 第24卷 参考文献 1Pincus SM A ssessing serial irregularity and its implications for health Ann N Y Acad Sci 2001 954 245 2Porta A Entropy entropy rate and pattern classification as tools to typify complexity in short heart period variability series IEEE Trans Biomed Eng 2001 48 11 1282 3Goldberger AL Peng CK and L ipsitzLA W hat is physiologic complexity and how does it change w ith aging and disease Neurobiol Aging 2002 23 23 4Richman JS andMoorman JR Physiological time2series analysis using approximate entropy and sample entropy Am J Physiol Heart Circ Physiol 2000 278 H2039 5Pincus SM Approximate entropy as a measure of 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