大腦額上溝的三維重建與可視化

周牧野，王震寰，沈龍山，李　成，陳劉成，向春鋒

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·基礎醫(yī)學·

大腦額上溝的三維重建與可視化

周牧野1,2，王震寰1，沈龍山3，李成1，陳劉成2，向春鋒1

目的：建立健康成人活體MR圖像的大腦額上溝三維可視化模型，為探究額上溝的解剖結構特點及腦立體定向手術應用。方法：選取1名健康成年女性顱腦薄層MR掃描數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導入3D-Doctor軟件，利用手動分割方法建立三維可視化模型并用不同顏色進行標記。結果：構建了大腦額上溝的三維可視化模式圖，模式圖成功顯示了大腦額上溝、側(cè)腦室及腦表面的立體形態(tài)以及與周圍腦組織的結構關系。結論：大腦額上溝的三維可視化模型對額上溝解剖結構的識別、腦立體定向手術設計有重要價值。

大腦；額上溝；三維可視化；圖像分割

近年來數(shù)字醫(yī)學技術不斷發(fā)展與延伸，數(shù)字醫(yī)學技術向著解剖學以及臨床應用方向發(fā)展，諸如特殊部位的神經(jīng)解剖結構、手術入路的選擇與構建、圖像分割與重建等[1]。隨著影像技術不斷完善，使得我們可以更快速、更方便地獲得更多、更薄層的二維斷層圖片，這也為三維重建技術實現(xiàn)個體化、精準化打下了堅實的基礎[2]。額上溝的三維重建展示了其整體觀，直觀反映了額上溝的形態(tài)特征以及與臨近腦組織的關系，作為指導額葉、側(cè)腦室部的腦立體定位手術和了解大腦額葉局部解剖結構提供了重要的依據(jù)與參考。

1　材料與方法

1.1主要儀器與設備 (1)Signal 1.5T超導磁共振(1.5T MR Echospeed)掃描儀及頭顱正交線圈，General Electric Co.，USA；(2)聯(lián)想計算機E5700型，聯(lián)想公司。

1.2主要軟件系統(tǒng)(1)Microsoft Windows XP Professional，2002 Service Pack3，微軟中國；(2)eFilm Workstation，版本3.4.0，Merge eMed Co.USA；(3)3D-Doctor三維重建軟件，版本1.2.0.1，Able Software Co.USA。

1.3樣本數(shù)據(jù)1名健康成年志愿者(經(jīng)知情同意)，女，22歲。無神經(jīng)系統(tǒng)及精神系統(tǒng)疾病。以AC-PC線為基線，獲取橫、矢和冠狀斷層各層T1MRI圖像。

1.4方法

1.4.1圖像配準與結構分割頭顱冠狀位MRI數(shù)據(jù)直接以Dicom3.0格式導入3D-Doctor，由于掃描野為不變的正方形，頭顱斷層影像區(qū)域相對于正方形的四個定點位置固定，圖像配準由軟件自動完成，無需人工干預。手工分割、邊界提取感興趣區(qū)，用不同顏色進行標記：額上溝(紅色線條)、側(cè)腦室(綠色線條)、大腦的外表面輪廓(灰色線條)(見圖1)。

1.4.2三維重建與重建后的調(diào)整通過大腦原點(AC-PC中點)建立三維空間坐標系，定X軸為左右橫軸，Y軸為前后縱軸，Z軸為上下豎軸。對上述分割提取的斷層進行三維重建。采用充分復雜面繪制(Full Complex Surface Rendering)的方法，在3D-Doctor軟件操作界面上，選擇“3D Rendering”，在二級菜單中選擇“Surface Rendering”，三級菜單里選擇“Full Complex Surface”，完成三維重建。

2　結果

2.1額上溝的三維可視化模型成功構建出活體狀態(tài)下大腦額上溝的整體形態(tài)，取得三維可視化模型，類似條帶狀，前后走行，走行靠近于額極時候，兩側(cè)額上溝逐漸向大腦鐮側(cè)集中，即斜向前下走行，并且額上溝的走行較為扭曲，重建出的額上溝在任意軸面以及對于其任意大小均可進行旋轉(zhuǎn)和縮放(見圖2)。

2.2額上溝與側(cè)腦室的三維可視化模型側(cè)腦室位于大腦內(nèi)部，呈“C”形分布，位于額上溝的下方，側(cè)腦室各部分均可以不同程度地縮放以及任意軸面進行旋轉(zhuǎn)。不同觀察面進行觀察，額上溝的走行類似與側(cè)腦室的曲度相關。進一步觀察可以見到，前面觀上側(cè)腦室前角與額上溝靠近額極處的分布相似，后面觀可以見到側(cè)腦室體部與額上溝中段近似平行走行(見圖3、4)。

2.3額上溝與側(cè)腦室、腦表面的三維可視化模型本次三維重建顯示了額上溝、側(cè)腦室、腦表面三者之間的空間位置和形態(tài)以及三者之間的關系。大腦額上溝位于大腦半球的背外側(cè)靠近大腦鐮，起自大腦背外側(cè)的中央前溝處附近，止于額極方向。于正面觀可以觀察到此溝走行，其位于腦表面或者腦皮質(zhì)下走行，此層面較為清晰的展示了額上溝、側(cè)腦室以及腦表面的三維可視化模型(見圖5)。

3　討論

隨著計算醫(yī)學以及大數(shù)據(jù)時代的到來，計算解剖學應用于外科手術已經(jīng)成為一種勢在必行的趨勢[3]。運用于基礎解剖學研究和神經(jīng)解剖學研究的圖像處理軟件繁多。例如MRIcro軟件本身操作簡單，對于圖像的分割可以采取半自動或者全自動計算機分割，也可以在解析格式文件SPM(statistical parametric mapping)和醫(yī)學格式文件之間相互轉(zhuǎn)化[4]。類似此類軟件還有Analyze、BET等。對于本

研究采用的3D-Doctor軟件是由美國Able Software公司研發(fā)的一個先進的三維處理軟件，同時也被美國食品與藥品管理局認證[5]。該軟件重建速度快，操作簡易，硬件要求低，可以廣泛應用，還可以進行三維圖像分割、表面渲染、翻轉(zhuǎn)、透明化、半透明化、測量等處理技術[6]。圖像分割簡單來說就是對感興趣區(qū)域進行分割處理，提取感興趣區(qū)域。本實驗采用手動分割方法，剔除顱骨影響對額上溝形態(tài)進行探討。

額上溝位于兩側(cè)大腦靠近大腦鐮方向，前后走行，額上溝位于腦表面在性別和側(cè)別以及年齡上存在很大程度上的變異。額上溝在健康成年人以及與病理狀態(tài)下對比更能發(fā)現(xiàn)其變異的情況，這更加增加對額上溝認識和理解的困難。三維可視化模型可以看出額上溝走行較為扭曲，側(cè)腦室呈“C”形，側(cè)腦室體部與額上溝中斷呈近似平行的走行。額葉是腦外傷及腫瘤的好發(fā)區(qū)域。目前對于側(cè)腦室手術的選擇公認的有經(jīng)額部皮質(zhì)和經(jīng)胼胝體入路[7]。所以認識額上溝整體觀對指導額葉手術具有重要意義。RHOTON[8]指出額極屬于腦手術入路的解剖標志，同時額上溝也是側(cè)腦室手術入路之一。近來，利用VR技術實現(xiàn)了額葉腦溝重建狀態(tài)下的手術設計和量化[9]。所以建立額上溝的三維可視化模型對了解額上溝的解剖結構及指導額葉手術具有重要意義。

[1]唐雷.數(shù)字醫(yī)學技術與精準外科手術[J].中國實用婦科與產(chǎn)科雜志,2012,28(1):7.

[2]陳春林,段慧.數(shù)字化三維影像學與子宮肌瘤子宮動脈栓塞治療[J].中國實用婦科與產(chǎn)科雜志,2016(2):139.

[3]王震寰.計算醫(yī)學-應對大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)向臨床轉(zhuǎn)化[J].蚌埠醫(yī)學院學報,2014,39(1):1.

[4]吳義根,李可.SPM軟件包數(shù)據(jù)處理原理簡介-第二部分:應用于PET及fMRI[J].中國醫(yī)學影像技術,2004,20(11):1772.

[5]NI Y,SHA Y,DAI P,etal.Quantitative morphology of facial nerve based on three-dimensional reconstruction of temporal bone[J].Otolaryngol Head Neck Surg,2008,138(1):23.

[6]江貴平,秦文健,周壽軍,等.醫(yī)學圖像分割及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].計算機學報,2015,38(6):1222.

[7]王延召,杜建新,單永治,等.巨大側(cè)腦室體部腫瘤顯微外科手術入路的選擇[J/CD].中華臨床醫(yī)師雜志(電子版),2013(12):196.

[8]RHOTON AL.RHOTON·顱腦解剖及手術入路[M].北京:中國科學技術出版社,2010:29.

[9]湯可,鮑圣德,周敬安,等.虛擬現(xiàn)實技術量化經(jīng)額入路顯露海綿竇區(qū)顯微解剖研究[J].中國現(xiàn)代神經(jīng)疾病雜志,2011,11(6):590.

(本文編輯劉璐)

Three-dimensional reconstruction and visualization of cerebral superior frontal sulcus

ZHOU Mu-ye1,2,WANG Zhen-huan1,SHEN Long-shan3,LI Cheng1,CHEN Liu-cheng2,XIANG Chun-feng1

(1.InstituteofClinicAnatomy,DepartmentofHumanAnatomy,BengbuMedicalCollege,BengbuAnhui233030;2.DepartmentofRadiology,TheFirstAffiliatedHospitalofBengbuMedicalCollege,BengbuAnhui233004;3.DepartmentofRadiology,TheSecondAffiliatedHospitalofBengbuMedicalCollege,BengbuAnhui233040,China)

Objective:To establish a three-dimensional(3D) visualization model of cerebral superior frontal sulcus in a healthy adult people using MR image for exploring the anatomical characteristics of the superior frontal sulcus and application in brain stereotactic surgery.Methods:The brain slice MR scanning in one healthy adult female was harvested,the data of which was inputted to 3D-Doctor software.The 3D visualization model was reconstructed,and marked with different colors by the manual partition method.Results:The 3D visualization schema graph of cerebral superior frontal sulcus was constructed,which showed successfully the three-dimensional shape of cerebral superior frontal sulcus,lateral ventricle,brain surface and their structural relationships with surrounding brain.Conclusions:The 3D visualization model of cerebral superior frontal sulcus has an important value in the identification of the anatomical structure of superior frontal sulcus and design of stereotactic surgery.

brain;superior frontal sulcus;three-dimensional visualization;image segmentation

2016-03-14

單位] 1.蚌埠醫(yī)學院 臨床應用解剖研究所，人體解剖學教研室，安徽 蚌埠 233030；2.蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院 放射科，安徽 蚌埠 233004；3.蚌埠醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院 放射科，安徽 蚌埠233040

[作者簡介] 周牧野(1990-)，男，碩士，住院醫(yī)師.

王震寰，碩士研究生導師，教授.E-mail:bbmcpwzh@sina.com

1000-2200(2016)05-0561-03

R 322.81

A

10.13898/j.cnki.issn.1000-2200.2016.05.001