冠狀位頭部標(biāo)本切削冷凍包埋及圖像采集技術(shù)>*

馬瓊杰，劉健華，耿曼英，原　林，王　軍#，陳向東#

1)鄭州大學(xué)第二附屬醫(yī)院耳鼻咽喉科 鄭州 450014　2)深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部 深圳 518060

冠狀位頭部標(biāo)本切削冷凍包埋及圖像采集技術(shù)>*

馬瓊杰1)，劉健華2)，耿曼英1)，原林2)，王軍2)#，陳向東2)#

1)鄭州大學(xué)第二附屬醫(yī)院耳鼻咽喉科 鄭州 4500142)深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部 深圳 518060

關(guān)鍵詞頭部；冠狀位；銑切；圖像數(shù)據(jù)集

摘要目的：構(gòu)建人頭部結(jié)構(gòu)冠狀切面圖像數(shù)據(jù)系統(tǒng)。方法：遴選合適捐獻(xiàn)的新鮮遺體尸頭，采用數(shù)字人標(biāo)本銑切技術(shù)，冠狀位由前向后對(duì)尸頭逐層切片、采集圖像，圖像經(jīng)后期處理構(gòu)建數(shù)字頭部圖像數(shù)據(jù)集。篩骨部分切片間隔為0.03 mm，其他部位間隔為0.06 mm。利用佳能5DⅢ照相機(jī)采集圖像，采取RAW和JPEG兩種格式存儲(chǔ)照片。結(jié)果：采集RAW 格式和JPEG格式圖像各3 854幅，其中切片間隔0.03 mm的圖像有1 437幅，間隔0.06 mm的圖像有2 417幅，形成的RAW格式圖像平均每幅24.5 MB，形成的JPEG格式圖像平均每幅5.9 MB。圖像分辨率為2 210萬像素(5 760×3 840)。RAW 格式和JPEG格式圖像總計(jì)117.162 G。結(jié)論：建立了世界上切削厚度最薄的人類頭部切面圖像數(shù)據(jù)集，同時(shí)也是世界上第一套冠狀位人類頭部切面圖像數(shù)據(jù)集。

可視人(visible human project，VHP)是生命科學(xué)與信息科學(xué)結(jié)合的新研究領(lǐng)域，即通過信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)將人體結(jié)構(gòu)數(shù)字化，經(jīng)過三維重建和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的處理，得到可視的、能夠調(diào)控的虛擬仿真人體模型[1]。美國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)采用水平位銑切已經(jīng)先后獲取了人體全身的水平位切面圖像數(shù)據(jù)集并進(jìn)行了三維重建應(yīng)用[2-4]。該領(lǐng)域目前及以后的研究主要是局部和微小器官的圖像數(shù)據(jù)提取[5]。頭部冠狀位圖像是臨床常用的頭部切面圖像，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)制作的VHP數(shù)據(jù)集的頭部圖像均為水平位圖像，因此，需要進(jìn)一步開發(fā)冠狀位的數(shù)字頭部切面圖像數(shù)據(jù)集。作者現(xiàn)對(duì)冠狀位頭部標(biāo)本切削冷凍包埋及圖像采集進(jìn)行介紹。

1材料與方法

1.1標(biāo)本來源 頭顱標(biāo)本來自深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部人體解剖實(shí)驗(yàn)室。某捐獻(xiàn)者2013年某月某日8:00左右心源性猝死，男性，49歲，生前志愿捐獻(xiàn)，深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部遺體捐獻(xiàn)接收中心技術(shù)人員于當(dāng)天中午12:00接收遺體，獲取頭部標(biāo)本，標(biāo)本下方包括環(huán)狀軟骨以上部分，頭部外觀無明顯異常。

1.2標(biāo)本預(yù)處理

1.2.1血管及淚囊的灌注同日15:30在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行頭部血管標(biāo)志劑灌注，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%明膠+80 g/L泛影葡胺+少許濃縮廣告畫顏料(草綠)作填充劑，分別自兩側(cè)的頸總動(dòng)脈各灌注120 mL。另外用注射針頭(尖部磨平)通過淚點(diǎn)、淚道進(jìn)行雙側(cè)淚囊灌注。灌注后置-20 ℃冰箱保存，備做CT掃描。17:10從冰箱取出標(biāo)本，發(fā)現(xiàn)右眼明顯突出。

1.2.2CT掃描同日18:00在深圳某醫(yī)院CT室采用64排CT進(jìn)行掃描，間隔0.625 mm，圖像采用BMP和Dicom兩種格式存儲(chǔ)。

1.3標(biāo)本包埋 標(biāo)本包埋采用頭部倒置位，即下頜朝上，以便于包埋液進(jìn)入鼻腔。包埋盒的設(shè)計(jì)包括底部、包埋倉(cāng)及定位桿。根據(jù)標(biāo)本的長(zhǎng)、寬、高，選取6 mm厚的有機(jī)玻璃片[6]，制作出190 mm×250 mm×250 mm的包埋盒，其底座和四面可以拆卸，頂面缺如以便于加注包埋液，前、后面的四角內(nèi)各有四個(gè)位置對(duì)應(yīng)直徑2 mm的定位桿孔，四根直徑2 mm的白色圓柱狀軟硅膠棒貫穿其中后拉直打結(jié)固定。包埋前，包埋盒先進(jìn)行兩次預(yù)冷凍，第一次以包埋液覆蓋底面為準(zhǔn)，待完全冷凍后進(jìn)行第二次預(yù)冷凍，此次以液面上升0.5 cm為準(zhǔn)，冷凍6 h后開始包埋標(biāo)本。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%明膠亞甲藍(lán)溶液作為包埋液。由于包埋液冰凍后體積膨脹變大，為避免標(biāo)本受到擠壓變形，采用逐層分次包埋，操作在恒溫可控冰箱內(nèi)進(jìn)行。開始包埋前將冰箱預(yù)降溫至-25 ℃。將標(biāo)本下頜朝上放入包埋盒，在包埋盒上用記號(hào)筆標(biāo)記顱側(cè)與面?zhèn)龋苑罉?biāo)本完全包埋后無法辨識(shí)標(biāo)本方位。加入包埋液至液面上升1～2 cm，用注射器將液平表面氣泡吸出，冷凍6 h，重復(fù)進(jìn)行此過程至標(biāo)本完全覆蓋。由于采用逐層分次包埋，在最初包埋時(shí)液體量較少，不足以將標(biāo)本冷凍固定，為防止包埋過程中標(biāo)本發(fā)生位移，在其四周的空隙填放紙團(tuán)以固定支撐。包埋過程中注意觀察液面，使每一層的包埋保持水平。包埋液平面接近前鼻孔時(shí)停止加注，改用注射器向雙側(cè)鼻腔推注溫?zé)岚褚?，左?cè)鼻腔推注6.5 mL，右側(cè)鼻腔推注6.0 mL，觀察包埋液填滿鼻腔后，繼續(xù)加注包埋液，分次包埋直至標(biāo)本完全包埋，而后進(jìn)行連續(xù)48 h的深凍。標(biāo)本包埋位置見圖1。

圖1　標(biāo)本包埋位置

1.4標(biāo)本銑切 采用高精度電腦數(shù)控5520型雕銑機(jī)進(jìn)行標(biāo)本銑切。該套設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)由電腦全自動(dòng)控制，精確度可達(dá)0.001 mm/層。切削過程在雙低溫環(huán)境下進(jìn)行，即銑切室冷庫(kù)的低溫環(huán)境(設(shè)置溫度-5 ℃)輔以干冰、液氮局部降溫，使標(biāo)本局部溫度保持在-20～-10 ℃，保證包埋塊的低溫環(huán)境。設(shè)備及包埋塊準(zhǔn)備就緒后開始銑切。采用頭部冠狀位切面，由前至后進(jìn)行銑切。初始設(shè)置切削層厚為1 mm，轉(zhuǎn)速≥2 000 r/min，推進(jìn)速度≥900 mm/min。切削12層后，標(biāo)本鼻尖組織出現(xiàn)，將切削機(jī)床Z軸進(jìn)刀量設(shè)定為0.03 mm (篩骨部分)和0.06 mm(其余部分)進(jìn)行等間距切削。由于刀頭高速旋轉(zhuǎn)切削，為防止因連續(xù)切削造成局部溫度升高而致包埋塊表面融化，在每一次的圖像采集完成后，將干冰置于表面進(jìn)行降溫處理，然后再進(jìn)行下一次切削。切至空腔部位如鼻竇、鼓室等結(jié)構(gòu)時(shí)，由于首次包埋時(shí)包埋液未充盈，為防止其內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)(如篩房間隔、聽骨鏈)因包埋不完全而導(dǎo)致崩碎丟失，同時(shí)也為避免空腔深部結(jié)構(gòu)影像對(duì)該層表面影像的干擾，需對(duì)該空腔進(jìn)行二次包埋填充。用注射器將水浴加熱的包埋液注入需要填充的空腔，使用液氮局部低溫冷凍后繼續(xù)切削。標(biāo)本銑切方向及效果見圖2。

1.5圖像采集 銑切前，調(diào)整銑切機(jī)X、Y、Z軸使相機(jī)處于最佳拍照位置，記錄此位置的坐標(biāo)X0、Y0、Z0。以X0、Y0、Z0+ZN(其中ZN為截止到第N層包埋塊的總切削厚度)表示拍照位置。每層銑切結(jié)束后，用軟毛刷掃除碎屑，用蘸有乙醇的棉布擦拭清潔表面，標(biāo)本塊左上角放置比例尺和比色板，拍照并采集圖像，在計(jì)算機(jī)屏幕觀察圖像質(zhì)量，若質(zhì)量欠佳，調(diào)整照相機(jī)參數(shù)重新拍照。采用佳能5DⅢ數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行圖像采集，配以佳能16～35 mm f/2.8L II USM二代鏡頭，有效像素5 760×3 840。計(jì)算機(jī)圖像采集系統(tǒng)設(shè)置為以RAW格式采集存儲(chǔ)圖像,同時(shí)以JPEG格式圖像監(jiān)控采集效果。

圖2　標(biāo)本銑切效果圖

2結(jié)果

整個(gè)銑切過程連續(xù)不間斷進(jìn)行，共耗時(shí)約270 h，采集RAW 格式和JPEG格式圖像各3 854幅，平均每幅RAW 格式圖像24.5 MB，平均每幅JPEG格式圖像5.9 MB，總計(jì)117.162 G。其中切削厚度為0.03 mm的圖像有1 437幅，0.06 mm的圖像有2 417幅，分辨率為2 210萬像素。

采集的圖像清晰度高，可以分辨0.2 mm大小的微細(xì)結(jié)構(gòu)(如動(dòng)脈)。數(shù)據(jù)集包括耳鼻咽喉、視覺系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、口腔系統(tǒng)等器官結(jié)構(gòu)的冠狀面圖像。圖像中各種組織均保持原有色澤。見圖3。圖3A為標(biāo)本塊大體切面圖像，圖3B是內(nèi)耳和中耳結(jié)構(gòu)局部切面圖像，圖3C是篩竇、鼻腔結(jié)構(gòu)局部切面圖像。

A:標(biāo)本塊大體切面圖像;B:內(nèi)耳和中耳結(jié)構(gòu)局部切面圖像;C:篩竇、鼻腔結(jié)構(gòu)局部切面圖像。圖3　采集的圖像

3討論

頭部器官解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)技巧要求高，需要開發(fā)高精度的頭部器官三維教學(xué)模型、軟件及虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和年輕醫(yī)生的訓(xùn)練[6]。基于已經(jīng)創(chuàng)建的VHP頭部數(shù)據(jù)集，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的開發(fā)應(yīng)用。在耳鼻咽喉領(lǐng)域方面，Park 等[7]基于VHP頭部切面圖像數(shù)據(jù)開發(fā)出了耳部的表面三維結(jié)構(gòu)模型，用于醫(yī)學(xué)生的教學(xué)和虛擬耳鏡訓(xùn)練；Tran等[8]創(chuàng)建了人電子解剖頭顱，用于電子耳蝸植入研究；Liu等[9]提取中國(guó)VHP數(shù)據(jù)集中的喉部區(qū)域圖像數(shù)據(jù)重建了交互式喉部三維結(jié)構(gòu)模型，用于網(wǎng)絡(luò)解剖學(xué)和外科模擬教學(xué)；Kahrs等[10]重建了人顳骨體繪制三維模型，模型有助于展示人顳骨內(nèi)部的空間解剖關(guān)系，有助于先于尸體實(shí)驗(yàn)或臨床實(shí)施進(jìn)行外科手術(shù)入路的探索。在視覺系統(tǒng)方面，Allen等[11]開發(fā)了交互式數(shù)字三維眼球、眼肌和眼球運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)神經(jīng)模型；Park等[12]基于創(chuàng)建的獨(dú)立頭部切面圖像數(shù)據(jù)集，在斷面圖像上全程辨認(rèn)追蹤動(dòng)眼神經(jīng)、滑車神經(jīng)和外展神經(jīng)，并采用面繪制技術(shù)進(jìn)行了表面三維模型重建，可用于醫(yī)學(xué)教學(xué)。在口腔領(lǐng)域方面，Sanders等[13]重建了舌肌肉群的計(jì)算機(jī)表面三維模型，使得舌每條肌肉圖像都得以顯示，有助于研究人員識(shí)別；Kajee等[14]從美國(guó)VHP數(shù)據(jù)集中提取舌的幾何形狀、舌的每一條肌肉，包括肌肉纖維的走向，建立舌的幾何及構(gòu)造模型，對(duì)阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征進(jìn)行生物力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬研究；Chung等[15]基于頭部圖像數(shù)據(jù)集對(duì)海綿竇及毗鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維重建和研究，確定了海綿竇的六面體形狀，其斷面圖像有助于放射科醫(yī)生對(duì)海綿竇斷面解剖結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，三維模型有助于神經(jīng)外科醫(yī)生對(duì)海綿竇及周圍結(jié)構(gòu)立體解剖結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。Li 等[16]開發(fā)了交互式三維腦數(shù)字圖譜，在三個(gè)方位平面上對(duì)腦的主要結(jié)構(gòu)均做了解剖學(xué)標(biāo)記，該數(shù)字腦圖譜可以用于解剖學(xué)學(xué)習(xí)、使用者自我測(cè)試和學(xué)生自我評(píng)估。

目前，國(guó)內(nèi)外創(chuàng)建的VHP數(shù)據(jù)集中，美國(guó)男性和女性標(biāo)本切片間隔分別為1.00 mm和0.33 mm,圖像分辨率為250萬像素(2 048×1 216)[2]；韓國(guó)標(biāo)本切片間隔0.2 mm，圖像分辨率為610萬像素(3 040×2 008)[3]；數(shù)字中國(guó)人男2號(hào)(Chinese digital human NO.2, CDH M2)數(shù)據(jù)集標(biāo)本切片間隔0.2 mm,圖像分辨率2 220萬像素(4 080×5 440)[4]。Park等[17]創(chuàng)建的獨(dú)立頭部圖像數(shù)據(jù)集的切片間隔為0.1 mm，圖像分辨率為1 270萬像素(4 368×2 912)。作者此次研究創(chuàng)建的獨(dú)立頭部圖像數(shù)據(jù)集的切片間隔在篩骨部分為0.03 mm,其余部分為0.06 mm,分辨率為2 210萬像素(5 760×3 840)，是目前切片間隔最薄的頭部圖像數(shù)據(jù)集。另外，美國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)的VHP數(shù)據(jù)集及Park創(chuàng)建的獨(dú)立頭部圖像數(shù)據(jù)集均為水平位切面圖像，因此，該數(shù)據(jù)集是國(guó)內(nèi)外第一套冠狀位頭部切面圖像數(shù)據(jù)集。

頭部是人體結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部位，包括耳鼻咽喉、口腔、視覺及中樞神經(jīng)等重要器官系統(tǒng)，是軟組織、骨骼及空腔結(jié)構(gòu)的組合體，有很多微細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)，如篩房間隔最薄只有0.1 mm厚。該研究中0.03 mm的銑切層厚可以保證至少有兩層切片能夠包含0.1 mm大小的微細(xì)組織的圖像信息，可有效防止微細(xì)結(jié)構(gòu)的圖像信息丟失，又避免圖像數(shù)據(jù)量過于龐大。

研究中尸頭標(biāo)本在灌注前外觀無異常，捐獻(xiàn)者生前也無頭部外傷史，但在行血管及淚囊灌注標(biāo)志劑及冷凍保存后，出現(xiàn)右眼明顯突出，CT影像及銑切采集的圖像發(fā)現(xiàn)右側(cè)眶上壁、左側(cè)蝶竇上壁局部塌陷，腦組織疝入右眶內(nèi)導(dǎo)致突眼，左側(cè)蝶竇觀察到有腦組織疝入，但是沒有發(fā)現(xiàn)眶內(nèi)及蝶竇內(nèi)局部積血，可排除生前創(chuàng)傷，推測(cè)因動(dòng)脈灌注血管標(biāo)志劑及冷凍后腦組織膨脹擠裂眶上壁、疝入眶內(nèi)和蝶竇內(nèi)所致。

作為國(guó)內(nèi)外第一套獨(dú)立的頭部冠狀位切面數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集高切削精度和高圖像分辨率的質(zhì)量可滿足基礎(chǔ)研究人員、臨床醫(yī)生和醫(yī)學(xué)生頭部冠狀面斷層解剖學(xué)的研究和學(xué)習(xí)，可用于耳鼻咽喉科、眼科、口腔科、神經(jīng)外科虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)，三維模型的創(chuàng)建以及解剖三維教學(xué)軟件的開發(fā)等，有較為廣泛的應(yīng)用前景。

致謝：高春生、周永生、張全明、曾新宇、刁現(xiàn)芬、高攀、李巖、張杰、李小龍、任永成、黃俊杰、賈夢(mèng)陽(yáng)、袁華岳、施敬勇、葉輝粼、溫范塘、孫國(guó)忠。

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Cutting, freezing, embedding and image acquisition technology of head specimens in coronal position

MAQiongjie1)，LIUJianhua2)，GENGManying1)，YUANLin2)，WANGJun2)，CHENXiangdong2)

1)DepartmentofOtolaryngology,theSecondAffiliatedHospital,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450014 2)MedicalCollege,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060

Key wordshuman head;coronal position;milling;image dataset

AbstractAim: To build an image data system of coronal sections of human head by digitalizing and visualizing the image of human head.Methods: The suitable fresh human head by donation was selected and sliced in coronal position layer by layer from front to back by using milling technique of digital human. Images were collected to build the dataset of digital head images after procession. Slice interval was 0.03 mm in ethmoid region and 0.06 mm in other parts. All the images were collected by Canon 5DⅢ camera and stored both in RAW and JPEG formats.Results: The collected images were 3 854 in each format, including 1 437 images with an interval of 0.03 mm and 2 417 images with an interval of 0.06 mm. The image size in RAW format was 24.5 MB at average and that in JPEG format was 5.9 MB at average with an image resolution of 22.1 million pixels(5 760×3 840). The total image size in RAW format and JPEG format was 117.162 G. Conclusion: The image dataset is the thinnest in slice thickness among the human head section and the first image dataset of coronal section of human head in the world.

doi：10.13705/j.issn.1671-6825.2016.03.020

#通信作者：陳向東，男，1965年3月生，博士，教授，主任醫(yī)師，研究方向：數(shù)字耳鼻咽喉科學(xué)，E-mail：xdc1981@szu.edu.cn；王軍，男，1970年10月生，博士，副教授，研究方向：數(shù)字人體解剖學(xué)，E-mail：yxywj@szu.edu.cn

中圖分類號(hào)R762;R322

*深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目JCYJ20120613103507514，JCYJ201404181819 58477