數(shù)字化新西蘭家兔的三維結(jié)構(gòu)重建研究

摘 要：目前世界上已重建出的數(shù)字化小型動(dòng)物有虛擬青蛙、虛擬狗、虛擬豬及虛擬老鼠胚胎，然而，經(jīng)常被作為研究人類疾病的生物醫(yī)學(xué)模型的新西蘭家兔的數(shù)字化虛擬三維重建結(jié)構(gòu)卻還未見(jiàn)報(bào)道，且各國(guó)也還沒(méi)有數(shù)字化虛擬新西蘭家兔的解剖圖像。本文介紹了“數(shù)字化虛擬新西蘭家兔”數(shù)據(jù)集的建立，這套數(shù)據(jù)集具有較高的生物醫(yī)學(xué)研究?jī)r(jià)值，不僅可用于解剖教學(xué)，還可以作為動(dòng)物生長(zhǎng)模擬研究的基礎(chǔ)。此外，我們也成功構(gòu)建了世界上第一個(gè)“數(shù)字化虛擬新西蘭家兔”，并實(shí)現(xiàn)了其良好的三維可視化效果。

關(guān)鍵詞：新西蘭家兔；數(shù)字化數(shù)據(jù)集；三維結(jié)構(gòu)重建；三維可視化

中圖分類號(hào)：TP391.41

小型動(dòng)物結(jié)構(gòu)數(shù)字化是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)，在電腦屏幕上顯現(xiàn)一個(gè)看似真實(shí)的模擬動(dòng)物，再進(jìn)一步將動(dòng)物功能性的研究成果加以數(shù)字化，并賦加到動(dòng)物結(jié)構(gòu)框架上，經(jīng)過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交叉融合，通過(guò)操作者的調(diào)控，這個(gè)“數(shù)字化虛擬小型動(dòng)物”將能模仿真實(shí)動(dòng)物做出各種各樣的反應(yīng)。目前世界上已重建出的數(shù)字化小型動(dòng)物有虛擬青蛙、虛擬狗、虛擬豬及虛擬老鼠胚胎。

“可視化青蛙”是第一個(gè)數(shù)字化虛擬動(dòng)物方面的研究，它是由California大學(xué)Lawrence Berkley實(shí)驗(yàn)室于1994年完成的（Whole Frog Project）。根據(jù)虛擬數(shù)字化三維青蛙，他們開發(fā)出了一套軟件，該軟件可以讓討厭福爾馬林氣味和害怕解剖課血腥場(chǎng)面的學(xué)生可以用鼠標(biāo)在計(jì)算機(jī)上解剖三維的虛擬青蛙。Johann Maierl等人于1999年報(bào)道了第一例“可視化狗”[1]：它采用軸向低溫切片技術(shù)及相應(yīng)的CT及MR圖像技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)造三維重構(gòu)。該項(xiàng)目仍有兩個(gè)較大的缺陷，一是四肢的切片只有靠近軀干的一小部分，從而不是一條完整的可視化狗；二是切片為1mm，圖片為300萬(wàn)像素，圖像不夠精細(xì)。2005年9月21日，重慶市畜牧科學(xué)研究院、第三軍醫(yī)大學(xué)、重慶工學(xué)院等單位協(xié)作完成了第一例“數(shù)字可視化豬數(shù)據(jù)集”。數(shù)據(jù)集在專門的低溫實(shí)驗(yàn)室中用高精度數(shù)控銑床進(jìn)行切片，由高精度數(shù)碼相機(jī)攝影采集，圖像質(zhì)量高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示效果好。Duricovic等人于1998年完成了一個(gè)10.5日齡大、4.5mm長(zhǎng)的老鼠胚胎的可視三維圖像，總共有636個(gè)切片斷面圖像[2]。在前人的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目首次成功地采集了“數(shù)字化虛擬新西蘭家兔”完整數(shù)據(jù)集，并成功構(gòu)建了世界上第一個(gè)“數(shù)字化虛擬新西蘭家兔”。

1 材料和方法

1.1 材料準(zhǔn)備

選用廣東省醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心的新西蘭家兔，一公一母，家兔的體重為1.2-1.6kg，日齡55-65天，體格健壯，生長(zhǎng)發(fā)育正常，無(wú)器質(zhì)性創(chuàng)傷。

1.2 CT掃描

家兔先用1%戊巴比妥鈉麻醉，靜脈注射，再用股動(dòng)脈插管放血處死，10%福爾馬林灌注固定。將家兔采用臥姿勢(shì)放置于木架上，前后肢趴著。

CT機(jī)：美國(guó)GE公司LightSpeed VCT 64層螺旋。CT參數(shù)：120KV，50～500mA，機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.8s，層數(shù)：544層，掃描層厚0.625mm，重建層厚2.5mm，無(wú)間距容積掃描，采集矩陣512×512，W：250，L：45。

1.3 血管灌注

美國(guó)及韓國(guó)“數(shù)字人”的較大缺陷是循環(huán)系統(tǒng)無(wú)法虛擬，而在中國(guó)，鐘世鎮(zhèn)院士利血管灌注技術(shù)成功解決這一難題。在后肢內(nèi)側(cè)，切開皮膚，鈍性分離股動(dòng)脈，雙向插管，連接壓力瓶，灌注、固定后取下插管，結(jié)扎動(dòng)脈，縫合皮膚并清理切口。

1.4 冷凍切削

血管灌注完成后放回倒模中，目的是保持原來(lái)CT時(shí)的姿勢(shì)。用5%藍(lán)色明膠包埋，置入-30℃冰庫(kù)中冰凍1周，然后在-25℃低溫實(shí)驗(yàn)室中用改進(jìn)的TK 6350型數(shù)控銑床（銑切精度為0.5mm）從頭至尾足逐層銑切。數(shù)據(jù)采集時(shí)將采集系統(tǒng)與銑頭固定，銑頭與采集系統(tǒng)同步運(yùn)動(dòng)，逐層用Canon EOS 1Ds高清晰度數(shù)碼相機(jī)（分辨率為4064×2704像素）攝影，用TIF無(wú)損模式保存。

1.5 三維可視化方法

圖1說(shuō)明了如何經(jīng)過(guò)4步流程將數(shù)字化家兔斷層圖像（輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）轉(zhuǎn)化為最終的三維可視化圖像（輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。

圖1 三維可視化方法的流程

1.5.1 圖像采集

選取2只新西蘭家兔（一只公兔和一只母兔），處死并固定，在深圳市南山醫(yī)院進(jìn)行CT斷層掃描以采集CT圖像，然后將尸體灌注后放入模中冷凍定型，以保持家兔的姿勢(shì)。在低溫實(shí)驗(yàn)室中，采用高精度程控銑床對(duì)冷凍后的尸體進(jìn)行削切。數(shù)據(jù)采集時(shí)將高分辨率數(shù)碼相機(jī)與銑頭固定，對(duì)每次削切后的剖面進(jìn)行攝像，采用TIF無(wú)損格式保存。如圖2所示，新西蘭家兔切片圖像樣本。

（a）頭部 （b）身體后部

圖2 新西蘭家兔彩色切片圖像樣本

1.5.2 圖像配準(zhǔn)

常用圖像配準(zhǔn)方法有：基于特征的圖像配準(zhǔn)方法[3]、基于灰度的圖像配準(zhǔn)方法、最大互信息圖像配準(zhǔn)方法，這三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。表1為3種常用配準(zhǔn)方法的比較。

表1 3種常用配準(zhǔn)方法的比較

精度計(jì)算量穩(wěn)定性配準(zhǔn)速度

基于特征較好較小較好較快

基于灰度很好大很好較慢

基于互信息很好大較好較慢

圖像配準(zhǔn)是公認(rèn)難度較大的圖像處理技術(shù)，也是本項(xiàng)目中對(duì)圖像分割起著決定性作用的關(guān)鍵技術(shù)。這里采用基于圖像特征的配準(zhǔn)方法，首先需要提取圖像中的特征點(diǎn)，然后根據(jù)提取的特征點(diǎn)用三角函數(shù)計(jì)算出圖像的旋轉(zhuǎn)角度，借助MatLab中的圖像處理函數(shù)，編程實(shí)現(xiàn)圖像的旋轉(zhuǎn)，然后進(jìn)行圖像的平移操作，以達(dá)到配準(zhǔn)的目的。

1.5.3 圖像分割

圖像分割就是根據(jù)區(qū)域內(nèi)的相似性以及區(qū)域間的差異性把圖像分割成若干區(qū)域的過(guò)程。由于本項(xiàng)目彩色家兔切片圖像組織器官邊界錯(cuò)綜復(fù)雜，傳統(tǒng)算法很難得到器官平滑、連續(xù)的初始輪廓線，這里利用在器官周圍人工添加標(biāo)記點(diǎn)，并在目標(biāo)周圍生成樣條插值曲線，以此曲線作為零水平集，建立窄帶，再利用M-S模型[4]完成目標(biāo)的分割。

1.5.4 三維重建及可視化

三維重建流程見(jiàn)圖3。

圖3 三維重建流程

數(shù)字家兔切片器官輪廓數(shù)據(jù)：原始數(shù)字家兔橫斷面切片圖像經(jīng)勾勒器官輪廓后形成的器官切片輪廓集，每個(gè)器官形成一個(gè)文件，包含該器官上所有切片的輪廓，器官輪廓以輪廓曲線描述。抽取器官輪廓：該步驟提取單個(gè)器官體在各切片上的輪廓，形成該器官體的輪廓邊界集。對(duì)器官輪廓進(jìn)行填充：該步驟進(jìn)一步對(duì)切片上的器官體內(nèi)外部進(jìn)行標(biāo)識(shí)，尤其是找出器官體內(nèi)的空洞部分。

目前基于斷層間輪廓線的圖像三維重建及可視化方法主要有2種：表面重建和體繪制。根據(jù)數(shù)字家兔的特點(diǎn)，這里采用表面重建方法。

2 三維重建結(jié)果與分析

2.1 獲取了虛擬數(shù)字化可視家兔數(shù)據(jù)集

本研究建立了世界首套新西蘭母家兔數(shù)據(jù)集共計(jì)1250張連續(xù)斷面圖像，相鄰斷面間距0.5mm，母家兔數(shù)據(jù)集總數(shù)據(jù)量為125GB。同時(shí)還建立了世界首套新西蘭公家兔數(shù)據(jù)集共計(jì)1264張連續(xù)斷面圖像，相鄰斷面間距也為0.5mm，公家兔整個(gè)數(shù)據(jù)集總數(shù)據(jù)量為126.4GB。

2.2 完成了數(shù)字化可視家兔的部分三維重建

基于分割出的新西蘭家兔表面及部分內(nèi)部器官的連續(xù)切片圖像，利用Bitplane公司的Imaris三維重建軟件，重建出新西蘭家兔的表面結(jié)構(gòu)三維模型（圖4）。圖5給出了部分內(nèi)部器官（胃、腎）的三維模型，圖6給出了內(nèi)部器官與表面結(jié)構(gòu)整合一起的三維模型。

（a）側(cè)面視圖 （b）后面視圖

圖4 新西蘭家兔表面結(jié)構(gòu)三維模型

（a）胃三維視圖 （b）胃及腎三維視圖

圖5 部分內(nèi)部器官三維模型

（a）表面結(jié)構(gòu)與部分內(nèi)部器官三維模型書室 （b）后面視圖

圖6 整合后的三維模型

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究介紹了世界首個(gè)虛擬數(shù)字化新西蘭家兔的三維重建流程，給出了各流程的實(shí)現(xiàn)方法，得到了較好的三維可視化的效果。目前，本項(xiàng)目已建立了虛擬數(shù)字化新西蘭家兔數(shù)據(jù)集和表面結(jié)構(gòu)及部分內(nèi)部器官的新西蘭家兔三維模型，在未來(lái)的工作中，還將開展一些后續(xù)研究，包括網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)、生長(zhǎng)模擬、動(dòng)物仿真等。因動(dòng)物實(shí)驗(yàn)成本較高和實(shí)驗(yàn)開展對(duì)動(dòng)物的影響，所以學(xué)生親自動(dòng)手的機(jī)會(huì)較少，綜合素質(zhì)較差。而通過(guò)“數(shù)字化新西蘭家兔”平臺(tái)建立起的三維模型，學(xué)生可以對(duì)新西蘭家兔進(jìn)行全面、系統(tǒng)的了解，這樣只需要少量的動(dòng)手即可達(dá)到教學(xué)目的，既節(jié)約的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，又使學(xué)生的綜合素質(zhì)得以提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]Duricovic R.，Kaneda K.，Yamashita H.Imaging and Modelling from Serial Microscopic Sections for the Study of Anatomy.Mbec，1998（36）：276-284.

[2]R.M.Brune，J.B.L.Bard，et al.A Three-Dimensional Model of the Mouse at Embryonic Day 9.Developmental Biology，1999（216）：457-468.

[3]張建勛，劉羽.基于多分辨率圖像錐與Hausdorff距離的醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（01）：60-64.

[4]楊長(zhǎng)輝，張紹祥，王金勇.基于窄帶M-S模型的豬序列切片圖像的交互式分割[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2009（01）：234-238.

作者簡(jiǎn)介：連國(guó)云（1977-），男，江西吉安人，博士，講師，研究方向：圖像處理。

作者單位：深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東深圳 518055

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：61202157），深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JCYJ20120613114733545）；深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：601422K20007）。