我国颅脑解剖学分析论文
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[摘要]目的:探讨虚拟人体的研究方法和手段。方法:选择一无器质性病变中年男性颅脑标本,采用冰冻刨削切片技术,间隔1mm作断层切片,经扫描仪、普通相机和数码相机摘取图像输入计算机,用自编软件处理平台重建颅脑三维结构。结果:完成颅脑图像数据的采集工作,断面图像清晰;组建数据库,重建结构可任意放大或缩小,单独或叠加显示,并可任意角度旋转等。结论:初步组建中国人颅脑数据库。
计算机技术和信息技术的迅猛发展,给人体数字化研究的开拓和发展带来了强大的推动力,人体结构信息的数字化是科技发展的前沿问题,是一项巨大的科学研究工程。可视人体计划(VHP)源于美国生物医学图像库建立的需求[1],在医学领域数字化虚拟人体不仅用于生物和人体形态学研究和教学,也开始有效地应用于矫形和整形外科在手术前后的可视化模型,外科手术模型的建立及模拟手术等。同时,数字化虚拟人体还广泛地应用于航天航空学、生物力学、机器人学和体育训练等学科[2]。本课题组立足于国内现有的技术水平,完成了人体最为复杂的部位—颅脑的数字化研究工作。
1材料与方法
1.1标本选择一经CT、MRI检查无器质性病变,无头部外伤及手术史,发育良好,身材、头围等参数符合中国人体特征的中年男子新鲜尸体一具,要求头部无扭曲及挤压变形。
1.2方法①用红色乳胶行股动脉灌注,待乳胶完全凝固后,平甲状软骨上缘在保持头部自然体位的情况下呈水平位离断颅脑,获得完整的颅脑。②将头颅置于特制的大小适中的立方体小盒内,其内径为25cm×25cm×25cm,盒的外侧有本论文由整理提供标准的坐标系统。将颅脑放入盒中央,使颅脑下断面与盒底面紧贴,向盒内注入少许清水,排空断面与盒底间气泡后,置于户外(气温低于-20℃)冷冻。待完全冻透后(冷冻1周)观察可见冰层透明、无气泡,头部无位置变化及变形,断面与盒底紧贴,冰块与小盒冻成一体。然后注入清水,放置对位标志,加防尘盖,排空气泡,于户外安全处冷冻。③于冬季室外(气温-20℃以下)用自制刨削机按预先设置的切割线自下而上切制,获得连续断层标本切片图像240张(层厚1mm,用1~240分别编号)。为了防止因摩擦生热而带来的负面影响,采用喷纯酒精的方法进行物理降温,既防止了融化又有效去除了冰晶,提高了图像的清晰度。
1.3实验计算机三维重建系统配置硬件:CPUPentuimⅡ350,内存128M,硬盘30GB,显示器Philips107G,IntelliTouch表面声波触摸屏,扫描仪MicroTekSlimScanC6最大光学分辨率600×1200DPI(dotperinch),数码相机DC-260最高分辨率1536×1024。软件:图片对位软件,边界处理软件,三维重建软件。
2结果
2.1图像输入通过DC—260型数码相机、理光5型光学相机于断端实时拍摄,通过MicrotekSlimscanC6扫描仪按600dpi光学分辨率扫描标本实物,然后统一输入计算机。
2.2图像矫正对个别图片的明暗度、对比度、色彩饱和度等人为造成的差异进行统一处理和修补。矫正后的图片各种组织结构分界清晰,色彩真实,较大血管、晶状体、视交叉、基底核、脑干一些灰质团块及脑室系统各个部分清晰可见,见图1(封2左上)。
2.3对位运用自行研制的图形对位软件在计算机上首先确定4个基准点,4个点排布于正方形的4个顶点,相邻两顶点间距为1000个像素。将输入图像四周的4个标志点分别与4个基准点对齐,由于在实际标本上相邻两点的距离为25cm,这样每4个像素的宽度就相当于1mm,为后来的测量提供了便利,同时解决了图像的平移和旋转问题,使240张图片在大小、位置上相一致,为提取边界并重建提供了必要的前提条件。
2.4建立数据库把颅脑所有组织结构按一定的顺序建立数据库,数据库的名称以相应的组织结构名称命名。
2.5边界提取本文作者采取表面重建法和体素重建法,在重建前将拟重建的器官的边界信息提取并储存在相应的数据库内。由于不同器官或组织之间(特别是颅内组织器官)边界轮廓不是规则的几何图形,很难用1个单一的数学公式进行表达;而且各器官或组织之间的色彩互相含盖,通过色彩和灰度也很难将不同组织器官加以区分,所以通过人工辨认和部分自动标识的方法来识别和提取边界。在边界提取过程中,运用自行设计的边界处理软件,完成了对头部表皮、颅骨、大脑皮质、髓质、脑室、基底核、脑干、小脑等主要结构边界的提取并将信息存入数据库。
2.6三维重建的计算将相邻断面结构边缘轮廓线采用“盖瓦片”方法连接,即用三角面片连接起来构成物体表面,两个层面间距离为1mm,然后经RGB彩色赋值、光照计算、消隐计算,即可进行重建结构的显示。采用体素重建法是把带有一定厚度的断面图像变为无数个小矩形,每个小矩形保留原始图像的所有信息,然后堆积重建颅脑各结构。本论文由整理提供
2.7重建图像经过矫正对位、描边处理、三维重建3个步骤后,在微机显示器上成功地在二维屏幕上显示出颅脑各结构的三维立体形态,结构真实,立体感强,包括虚拟色彩的表面轮廓重建和真实色彩的体素重建,见图2和3(封2中上、右上)。
3讨论
三维重建的方法主要包括两大类:基于轮廓的表面重建法和基于体素的重建法[3]。两种方法相辅相承,各具优缺点,各有其相关的应用领域。重建软件的性能直接影响三维重建的质量和速度。表面显示算法是应用图像分割技术,将原始图像分割成代表不同组织和器官的若干区域,然后构造这些区域边界的表面,从而完成表面重建,可见表面显示算法的前提就是边界的提取。目前图像分割及提取边界的方法主要包括:①人工识别,在断面图片上,各种器官组织分界不明显(如大脑基底核),只能靠人工界定。②计算机灰度识别,即基于CT或MRI扫描图像的三维重建,此种识别方式目前应用较多,其优点是无需人工切片,对位及提取边界都由计算机完成,消除了人为主观因素的影响,提高了重建的精确度。但对于复杂的结构来说,目前的CT、MRI还不能仅仅依靠灰度值的不同进行区分。此外,目前CT、MRI扫描层厚最薄只能达到1mm左右,这也在一定程度上限制其在未来三维重建中的应用。本文作者认为灰度识别对于某些组织(如骨组织等)边界的识别效果明显,而对于整体重建效果不明显。③计算机RGB识别,即依靠断层标中不同组织之间RGB值的差异将各结构加以区分。但由于人体结构(特别是颅脑内的结构)极其复杂,如骨松质、肌纤维、大脑皮质、神经核等结构,在图片显示上都为红棕色,以目前的技术尚无法通过计算机进行区分。而对经过特殊处理(如血管灌注带色乳胶等)的组织,识别效果明显,改善了工作中的劳动强度和精度,但对细小血管仍无法达到满意的识别效果。所以,对于大部分组织来说,人工识别提取边界依然是一种重要手段,目前计算机尚无法取代人工识别组织边界。本实验采用的是在人工识别提取边界基础上的表面重建和体素重建。为了提高计算机的运算速度和边界的平滑度,采用先确定关键点,然后在关键点间用平滑曲线相连的方法。体素重建法是以二维切片图像数据及切片厚度组成三维矩形多面体,利用数据体内的密度变化进本论文由整理提供行物质分离,使密度变化的梯度作为曲面法向,来计算画面的颜色与明暗,用光线投射法直接显示数据场。此显示法的特点是能显示实体的内部结构。在此基础上,可以沿任意角度进行切割,这对于解剖学教学、科研及临床上模拟手术入路等领域具有重要意义。此种显示法的缺陷在于其无法完成整体内部各种器官、组织的拆分显示,要完成此功能必须与表面重建方法相结合。而且数据运算量大,对计算机硬件设备要求很高,很难做到实时显示,所以目前难以普及。随着计算机技术的飞速发展,此种显示法在计算机三维重建中必将得到进一步发展和完善。超级秘书网
[参考文献]
[1]AckermanMJ.TheVisibleHumanProject[J].JBiocommun,1991,18(2):14.
[2]钟世镇,原林,黄文华.数字化虚拟人体为临床解剖学开拓研究新领域[J].中国临床解剖学杂志,2002,20(1):3-4.
[3]廖琪梅,杭洽时,钱宗才,等.三维医学图像重建的方法与应用[J].现代电子技术,1997,3:41-43.
