简化计算机断层扫描图像中的颅骨测量模型构建及应用

© 2013由Elsevier B.V.发布。由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 6（2014）95 - 1022013第二届AASRI计算智能与生物信息学一种简单几何模型用于CT颅骨测量黄克勤a，萧夫人a，b，蒋义仁a，c，陈义龙d，蔡怡欣a，e，黄肇敏a，廖春芝a，f *a国立台湾大学生物医学工程研究所，仁爱路一段一号，台北市10051，台湾b国立台湾大学医院神经科学临床中心，中山南路7号.路，台湾台北市10002 c台北医学大学医学资讯学研究所，台北市吴兴街250号，台北市11031，台湾d国立阳明大学生医工程研究所，立农街二段155号，台北市11221，南雅南二区21号远东纪念医院外科。路，台湾省新北市22060，思源路127号台北医院神经外科，新北市24213摘要大脑镰和小脑幕将颅内空间（ICS）不完全分隔成三个室。为了模拟脑疝，定义为大脑的一部分，从一个隔间转移到另一个，我们提出了一个简化的模型幕上空间（STS）的基础上获得的计算机断层扫描（CT）图像从50名受试者。在确定颅骨区域后，我们手动在CT切片上勾勒STS区域。测量了STS及其开口的相关尺寸。ICS和STS的平均体积分别为1326和1154 mL。STS的平均长、宽、高分别为154.7、136.1、90.3 mm，镰下间隙的平均长、高分别为85.8、52.1 mm，中脑的平均长、宽分别为37.9、30.9 mm。根据这些数据，我们构建了一个半球形STS模型，直径为160 mm，体积为1072 mL。从其赤道平面的中心去除代表天幕切迹的40 mm圆。然后通过其完整的正中矢状面将该模型分为两个隔室，其中去除了另一个80 mm的半圆以模拟SFS。© 2014作者。出版社：Elsevier B. V.CC BY-NC-ND许可下的开放访问。美国应用科学研究所关键词：脑疝;几何模型;中线移位2212-6716 © 2014作者出版社：Elsevier B.诉 在CC BY-NC-ND许可下开放访问。美国应用科学研究所科学委员会负责的同行评审doi：10.1016/j.aasri.2014.05.01496Ke-Chun Huang等/ AASRI Procedia 6（2014）951. 介绍人脑位于颅腔内，由大脑半球和小脑组成，大脑半球之间的大脑镰和大脑与小脑之间的小脑幕不完全隔开[1]。换句话说，颅内空间（ICS）被幕分隔成幕上空间（STS）和幕下空间（ITS）。因为大脑大致是双侧对称的，大脑镰通常用于表示完整的正中矢状面（iMSP），分离的大脑半球在镰下间隙（SFS）连接[2]。天幕切迹（TI）是天幕中央的一个开口，是STS和ITS之间唯一的沟通渠道[3]。TI分为前、中、后三个切迹空间，中脑（上脑干）占据中间空间。不同类型的颅内肿块，如血肿、肿瘤、脓肿或梗塞后的脑肿胀，可引起脑移位，随后发生脑疝、脑干压迫和死亡。随着颅内压（ICP）升高，患病或受伤的大脑半球可能通过SFS疝入另一侧，导致镰下疝（SFH），在脑影像上表现为中线移位（MLS）[4]。双侧大脑病变或颅内压进一步升高时，大脑内侧部分可能通过TI疝出，导致经小脑幕疝（TTH）和脑干压迫。在图像上，可以发现脑干形状的变化和周围脑池空间的消失[4]。这两种类型的脑疝，SFH和TTH，是临床和放射学上的重要现象，需要特别注意的医生。我们已经提出了可以使用基于解剖学和基于界标的方法自动测量MLS的方法，并且结果在临床上得到了验证[5-8]。然而，据我们所知，在文献中还没有专门用于模拟脑疝的生物力学模型。在这项研究中，我们试图开发一个简单的三维几何模型，可以应用于模拟脑变形，特别是脑疝发生在STS，引起幕上颅内肿块，基于计算机断层扫描（CT）图像的患者没有颅内病变。2. 材料和方法2.1. 材料与女性相比，男性的头骨更大，因此颅内体积（ICV）更大[9，10]。为了建立一个通用的模型，我们收集了25个连续的男性和女性的计算机断层扫描（CT）图像2013年4月至5月间，连续25名女性脑震荡患者前往台湾新北市卫生署台北医院急诊室。本研究排除了颅骨骨折、颅内血肿、神经系统疾病或颅内手术史的患者。所有的脑CT扫描均使用Somatom Definition AS+ 128切片扫描仪（Siemens，Erlangen，Germany）按照标准方案进行。视野（FOV）为250 × 250 mm。对于仅头部损伤的患者，从枕骨大孔到顶点获得连续5 mm切片，机架平行于眶耳道（OM）线。对于伴有面部和/或颈椎损伤的患者，使用垂直于患者治疗床的机架从颈部到头顶获得连续5 mm切片每个CT图像的大小为512x512像素，导致每像素0.49 mm的分辨率。为了排除颅内血肿的诊断，将原始CT密度值从Hounsfield单位转换为窗口值范围内的8位灰度值（中心35 HU，宽度150 HU）[6]。CT切片水平从Ke-Chun Huang等/ AASRI Procedia 6（2014）9597将枕骨大孔到顶点的图像下载到个人计算机中。然后由委员会认证的神经外科医生再次检查所有图像，以确认不存在上述任何排除标准。2.2. 方法对于每个CT数据集，获得全局灰度直方图。然后，给定数据集的所有CT切片中具有骨密度的像素使用从直方图导出的阈值自动标记。详细设置已在前面描述[6，7]。我们开发了一种算法，可以自动区分颅内区域和颅外区域[11]。然而，在ICS中，很难将STS与ITS分开，因为小脑幕很薄，灰度级与大脑本身相似。因此，我们手动标记STS和ITS之间的边界，并在计算机屏幕上标记这些区域。这些区域的颅底开口也被标记以防止区域生长算法的失败。使用Cavalieri原理的平面测量方法，给定区域的体积是其面积乘以切片厚度。总ICV，即患者的STS体积（V_STS）和ITS体积（V_ITS），是所有CT切片上所有相应区域的体积结果之和。我们还测量了STS的长度和宽度，定义为所有STS区域中最大的前后径和最大的横径。STS的高度是STS体积的总厚度，从顶点到中脑水平计数。除了测量化粪池系统的体积和外形尺寸外，我们亦测量了其开口的大小，即SFS和TI。SFS和TI在中脑相遇。由于该区域的解剖结构复杂，我们只试图识别中脑，而忽略了其他结构，如血管，神经和脑垂体。患者的中脑由人类专家手动识别，并记录其长度和宽度。我们在室间孔水平测量了SFS的长度[4]。我们还计算了从胼胝体到中脑水平的包含连接的大脑半球的切片的数量，总厚度被认为是SFS的高度。3. 结果年龄18 ~ 66岁，平均37 ± 14岁。女性和男性患者的平均年龄分别为39 ± 15岁和35 ±14岁。3.1. 生物识别结果手动容量测定结果见表1。50例患者的ICV范围为1040 - 1716 mL，平均值为1326 ± 138 mL。V_STS范围为915 - 1480 mL，平均值为1154 ± 119 mL，而V_ITS范围为125 - 236 mL，平均值为171 ± 23mL。V_STS与 ICV的范围较小，为0.85 - 0.89，平均值为0.87 ± 0.01。雄性动物的所有颅内室体积均较大（p 0.001，单尾t检验）。STS和ITS的体积高度相关，相关系数为0.777（p 0.001）。表1.手动容量测定结果在每个参数后给出了雌性和雄性之间差异的显著性帕姆托总体（n = 50）女性（n = 25）男性（n =25）ICV*是说1326±1381233±911419±112中值132212281391范围1040-17161040-13821264-171698Ke-Chun Huang等/ AASRI Procedia 6（2014）95STS体积 * 平均值中值1154±11911471077±8110741232±1001219范围915-1480915-12301096-1480ITS体积 *171±23156±16187±18中值172153181范围125-236125-189168-236SD：标准差; *：p <0.001STS的外部和内部尺寸的测量结果列于表2中。这50例患者的STS长度范围为138.7 - 175.8 mm，平均值为153.7 ± 8.0 mm，STS宽度范围为116.7 - 150.9 mm，平均值为136.1 ± 7.3 mm。STS长宽比范围为0.95 - 1.36，平均值为1.13 ± 0.09。化粪池系统的高度由75.0 - 100.0 mm，平均90.3 ± 4.5 mm。STS的所有外部尺寸在男性中更大（p = 0.001）。长度p = 0.010，宽度p = 0.001，高度p = 0.002）。雄性和雌性之间的长宽比无差异（p=0.904）。这50例患者的脑干长度范围为24.9至36.1 mm，平均值为30.9 ± 2.5 mm，而脑干宽度范围为30.3至48.3 mm，平均值为37.9 ± 4.7 mm。与女性相比，男性的脑干长度更长，但脑干宽度差异仅具有轻微显著性（p = 0.054）。SFS的长度范围为67.8 ~ 103.9 mm，平均85.8 mmSFS的高度范围为35.0 ~ 65.0 mm，平均52.1 ± 5.7 mm，男性SFS的高度和长度均大于男性，但仅前者差异有统计学意义（p = 0.006）。3.2. 模型规格根据上一节的头颅测量数据，我们构建了一个简单的STS模型。该模型假定为直径为160 mm的球体上半部分的形状。该STS模型的体积为1072 mL，比平均V_STS小6.7%，但非常接近女性的体积1077mL。该模型的长宽均为160 mm，模型的长度比颅骨测量值大3.9%，模型的宽度比颅骨测量值大17.6%。模型的高度为80 mm，比颅骨测量法获得的STS平均高度小11%。该模型的外表面模拟大脑半球的凸面表面。另一方面，大脑的不规则基底表面，包括眶顶、蝶骨嵴、中颅窝底和小脑幕表面，在该模型中被简化并由平坦的赤道平面表示。从基底平面的中心移除40mm圆以模拟占据TI的中脑。表2. STS的内外尺寸。在每个参数后给出了雌性和雄性之间差异的显著性。帕姆托总体（n = 50）女性（n = 25）男性（n =25）STS长度 *是说153.7±8.0150.4±7.0157.0±7.6中值152.1148.4156.7范围138.7-175.8138.7-165.0145.5-175.8STS宽度 **是说136.1±7.3133.3±7.0138.9±6.6中值135.7134.8137.7范围116.7-150.9116.7-146.0125.5-150.9STS高度 **是说90.3±4.588.6±4.592.0±3.8Ke-Chun Huang等/ AASRI Procedia 6（2014）9599中值90.090.090.0范围75.0-100.075.0-95.085.0-100.0中脑长度 *是说30.9±2.529.6±2.332.1±2.1中值30.730.332.2范围24.9-36.124.9-33.728.3-36.1中脑宽度是说37.9±4.736.7±4.739.0±4.4中值36.835.139.0范围30.3-48.330.3-46.833.2-48.3SFS长度是说85.8±7.084.0±7.487.7±6.2中值87.484.988.8范围67.8-103.967.8-103.974.7-97.6SFS高度 **是说52.1±5.750.4±6.153.8±4.8中值55.050.055.0范围35.0-65.035.0-60.045.0-65.0SD：标准差; *：p 0.05; **：p 0.01; *：p 0.001为了模拟部分连接的大脑半球，我们的模型被iMSP分为两个部分。因此，每个大脑半球呈四分之一球面，具有三个表面：凸面、基底面和半球间面。镰刀形大脑镰是一个强弓状突起，在纵裂或iMSP中垂直下降[1]。前面窄，后面宽。为了模拟大脑镰，从iMSP上取下直径为80 mm的圆，以模拟SFS。该圆的中心位于基底平面中心前方20 mm处。SFS和TI的后端在镰幕交界处相遇，该交界处邻近中脑的后部。我们使用ANSYS ED 10.0（ANSYS，Inc.，Canonsburg，PA）软件环境。剖视图示于图1中。1.一、Fig. 1.幕上脑模型的剖面图。笛卡尔坐标系的X、Y和Z轴分别指的是右-左、前-后和颅-尾（上-下）解剖轴。半球物体（A14）的左前四分之一被移除以显示非凸表面。大脑纵裂面由大脑镰（A8）和镰下间隙（A6）组成。基底面由不动部分（A16）和天幕切迹（A2和A7）组成。100Ke-Chun Huang等/ AASRI Procedia 6（2014）954. 讨论4.1. 容量测定结果在这项研究中，我们对ICS的体积和尺寸进行了测量。我们患者人群中获得的ICV似乎小于文献中描述的ICV（男性：1400-1600 mL，女性：1250-1450 mL）[9]。除了后处理过程中的潜在误差外，层厚引起的部分容积效应可能是造成这种差异的最重要因素。与填充方法相比，Sahin等人在5 mm切片的干燥颅骨上使用CT颅骨测量法证明ICV低估了3.7%，可能是由于部分容积效应[12，13]。另一方面，Sahin还注意到使用2 mm CT切片时系统性高估，但原因不明。这种现象可以解释为什么使用薄切片或“体积”CT图像的研究实际上可能高估ICV，例如Abbott等人所做的研究。[14]第10段。在Chiari畸形I型患者中，VITS与ICV的比值是重要的。Sgouros等人使用体积磁共振成像（MRI）测量了健康和患病儿科受试者的这些值。健康组ICV为1383 mL，VITS为186 mL，PFV/ICV为0.135 [15]。在我们的研究中，VITS与ICV之间的比值范围为0.11 - 0.15，平均值为0.13，这非常接近Sgouros所描述的正常值。在这项研究中，我们费力地将STS区域与ITS区域分开。Lescot等人还在15名患病和15名健康受试者的5 mm CT切片上手动分割STS [16]。他们使用阈值法将脑脊液（CSF）体素与脑体素分离。健康人幕上脑体积平均为1041 ± 108 mL，颅内脑脊液总体积（VCSF）为127 ± 56 mL。当前研究中的平均V_STS（1154 mL）与Lescot的观察结果一致4.2. 模型与现实历史上，根据颅骨测量参数估计ICV使用颅骨的外部尺寸A、B和C以及其厚度t。然后可以使用椭圆公式ICV计算ICV= pi / 6 *（A - 2t）（B - 2t）（C - 2t）[10]。在这项研究中，我们直接在CT图像上测量颅骨的内部尺寸。由于头骨的厚度变化很大[17]，我们认为我们的方法是一个更好的估计，因为ICV可以直接计算。在我们简化的STS模型中，我们没有考虑形状变化和性别差异。STS的外部和内部尺寸被简化。STS的平均长、宽和高分别为154.7、136.1和90.3 mm。如果我们假设STS为半椭圆形，则平均VSTS为989 mL，远小于实际体积1154 mL。有两个原因可以解释直接应用椭球公式所造成的低估。首先，大脑半球的基底部分位于中脑水平以下。在这项研究中，约13%的V_STS位于尾侧的切片包含中脑，不包括在容量。第二，最大长度和宽度的STS没有出现在基底切片包含TI（或中脑）。多位于基底层以上20 mm或3-5层。直接应用在赤道面面积最大的椭球公式会导致低估。另一方面，由于长度和宽度大于实际颅测量，我们的STS模型可以补偿体积的低估。男性比女性有更大的ICV和V_STS。与女性相比，本研究中男性的ICV大15%，VSTS大14%，VITS大20%。STS的平均长度、宽度和高度以及内部尺寸在男性中大约大4%我们创建的模型有一个V_STSKe-Chun Huang等/ AASRI Procedia 6（2014）95101接近女性。为了创建具有雄性的V_STS的半球模型，直径大约为168 mm。理论上，CT研究产生一系列平行于OM线的图像。然而，实际机架倾斜角度在-2至28.2度之间变化，取决于患者姿势和是否需要颈椎成像。我们没有发现机架倾斜度与我们测量的变量之间存在任何关系（p=0.374）。Sahin注意到使用10 mm厚的冠状和轴向切片的体积结果之间存在较大差异，但使用5 mm切片的差异较小。[12个]STS和ITS的体积与ICV的体积高度相关。雄性的ICV较大，因此V_STS也较大。在本研究中，所有女性患者的ICV均小于1400 mL，而两名男性患者的ICV大于1550 mL。在最大ICV为1716 mL的患者中观察到超过180 mL的大量脑外CSF，该患者的脑室CSF体积为87 mL。另一方面，在ICV较小的患者中观察到较小的心室。由于我们的模型体积略小于所有男性和女性患者的平均V_STS，因此我们认为该模型适用于所有患者，但ICV极大的患者除外。4.3. 潜在应用本研究的目的是开发一个简单的三维几何模型的STS，可用于脑疝的生物力学模拟。理想情况下，大脑半球应与STS的两半紧密配合，硬膜下和蛛网膜下腔的体积最小。在这种情况下，大脑半球的尺寸可以近似为STS模型的尺寸，避免了创建另一个对象来表示头骨的需要。变形或压力载荷等边界条件可以直接应用于我们的模型。我们可以通过固定大脑镰（图1中的区域8），同时允许大脑在SFS（区域6）运动来模拟SFH。类似地，我们可以通过允许TI处的自由脑运动但限制基底表面的其他部分处的沿赤道表面的脑运动来模拟TTH。5. 结论基于CT颅面测量，我们建立了一个简单的模拟脑疝的幕上空间几何模型。该模型体积接近成年女性，可用于生物力学研究。引用[1] H. 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