成年樹鼩骨骼系統(tǒng)CT三維可視化模型建立及分析

罕園園，徐昕，陸彩霞，匡德宣，仝品芬，王文廣，孫曉梅，李娜，代解杰

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所樹鼩種質(zhì)資源中心，云南省重大傳染病疫苗研發(fā)重點實驗室，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所實驗樹鼩標準化與應(yīng)用研究省創(chuàng)新團隊，昆明 650118；云南大學(xué)第一醫(yī)院云南省第二人民醫(yī)院暨云南省紅十字會醫(yī)院，昆明 650051)

研究報告

成年樹鼩骨骼系統(tǒng)CT三維可視化模型建立及分析

罕園園，徐昕，陸彩霞，匡德宣，仝品芬，王文廣，孫曉梅，李娜，代解杰*

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所樹鼩種質(zhì)資源中心，云南省重大傳染病疫苗研發(fā)重點實驗室，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所實驗樹鼩標準化與應(yīng)用研究省創(chuàng)新團隊，昆明 650118；云南大學(xué)第一醫(yī)院云南省第二人民醫(yī)院暨云南省紅十字會醫(yī)院，昆明 650051)

目的 建立樹鼩骨骼系統(tǒng)的三維可視化模型，為樹鼩的骨骼系統(tǒng)疾病診斷提供依據(jù)。方法 使用日本東芝Aquillon one 320 排螺旋CT進行掃描，100 kV，80 mA，球管轉(zhuǎn)數(shù)每轉(zhuǎn)0.35 s，螺距1.35，圖像為0.5 mm，層間隔為0.5 mm，使用骨算法重建。在并行計算環(huán)境中采用Vitrea軟件包，選擇Musculoskeletal CT選項，采用容積成像(VR)、多平面成像(MPR)、曲面成像(CPR)技術(shù)進行三維重建。結(jié)果 重建后的可視化模型結(jié)構(gòu)明顯、清楚，可以真實地在計算機中重現(xiàn)出樹鼩的骨骼系統(tǒng)三維模型。在此模型中，在頭骨背面可見五條隆起的嵴，側(cè)面觀可見四個大孔：位于前端的外鼻孔、前頜骨后上方的眶下孔、由顴弓所范圍著的眼窩和鼓泡外側(cè)的外耳道。此外，可見一些較小的頭骨孔，如視神經(jīng)孔、頜下神經(jīng)孔。利用該成像技術(shù)可定量測定各主要骨骼的長度、前后徑、左右徑和身長、尾長等數(shù)據(jù)。尤其是還獲得了以往通過解剖難以測量準確的數(shù)據(jù)：如腭長、臼齒列長等較細微的數(shù)據(jù)，以及解剖不易獲得脊椎前后徑及左右徑的數(shù)據(jù)。同時還利用三維可視化技術(shù)發(fā)現(xiàn)了樹鼩存在有骨盆形態(tài)不對稱、胸廓增大、骨折、跟腱周圍滑膜囊鈣化的骨骼異常情況。結(jié)論 所建立的CT三維可視化技術(shù)可確定樹鼩骨骼系統(tǒng)的特殊特征，對樹鼩骨骼系統(tǒng)無侵入性的生態(tài)分類、鑒定、進化分析均有重要意義。

樹鼩；CT三維重建；骨骼系統(tǒng)

中緬樹鼩(Tupaiachinensis)屬于靈長目與食蟲目之間獨立的目—攀鼩目，由于與人類高度的同源性廣泛應(yīng)用于人類病毒性疾病[1]、視覺系統(tǒng)[2,3]、免疫系統(tǒng)[4,5]、代謝性疾病[6,7]、神經(jīng)系統(tǒng)疾病[8]和腫瘤[9]方面的研究。樹鼩已成為生命科學(xué)研究中非常重要的實驗動物之一，是病理和藥理學(xué)研究的有力工具，早有文獻報告樹鼩的全身骨骼形態(tài)與靈長目極其相似[10]，且骨骼生長狀況和骨代謝也比大小鼠更接近于人[11]，也有文獻利用對中緬樹鼩頭骨的形態(tài)分析，推斷動物與生存的氣候和地理環(huán)境適應(yīng)的機制[12-14]，但以往樹鼩骨骼系統(tǒng)數(shù)據(jù)的獲得，均建立在動物標本、尸體解剖的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)獲取的條件受限。

在其他實驗動物中，利用計算機技術(shù)對生物體器官、組織進行三維建模已經(jīng)廣泛應(yīng)用于形態(tài)學(xué)及醫(yī)學(xué)影像診斷學(xué)研究中[15]。骨骼的三維重建克服了X線片和CT二維圖像的不足；可進行常規(guī)方法難以完成的解剖測量，重現(xiàn)骨骼形態(tài)，提供豐富的骨骼圖像信息，對動物模型創(chuàng)建中的疾病判斷和評價具有重要意義。但至今為止尚未有樹鼩骨骼系統(tǒng)的CT三維建模數(shù)據(jù)，因此，一套非侵入性的精確的樹鼩骨骼系統(tǒng)模型，對生物工程學(xué)、比較形態(tài)學(xué)、骨病研究等都是十分必要的，有著重要的應(yīng)用價值。

1 材料與方法

1.1 材料

由中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所樹鼩種質(zhì)資源中心【SCXK(滇)K2013-0001】提供成年樹鼩(滇西亞種)20只，雌雄各半，3～4歲齡，動物麻醉后進行掃描。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

動物仰臥位，使用日本東芝Aquillon One 320排螺旋CT進行掃描，100 kV，80 mA，球管轉(zhuǎn)數(shù)每轉(zhuǎn)0.35 s，螺距1.35，圖像為0.5 mm，層間隔為0.5 mm，使用骨算法重建。

1.3 三維重建

在并行計算環(huán)境中采用Vitrea軟件包，選擇Musculoskeletal CT選項，采用容積成像(VR)、多平面成像(MPR)、曲面成像(CPR)技術(shù)進行三維重建。

2 結(jié)果

2.1 樹鼩骨骼系統(tǒng)的三維重建模型

樹鼩的全身骨骼按照著生部位可分為中軸骨和附肢骨兩部分。中軸骨又分為頭骨、脊柱、肋骨和胸骨；附肢骨包括前肢骨和后肢骨，可以完整的通過CT成像(詳見圖1)。

樹鼩的頭骨，吻鼻部較長，由上頜骨、前頜骨和鼻骨組成。在顱頂有兩條明顯的顳嵴，向后與頂嵴相連。在眼眶后部，由額骨的眶突向下延伸，并與顴骨相接，使眼眶形成一封閉環(huán)，(詳見圖2)。

樹鼩的脊柱由55塊脊椎骨組成，椎式為：C7T13L6S3Cy26。從脊柱的全形來看，頸胸彎曲的最低點是在第一胸椎水平，棘突最高點為胸椎與腰椎連接處，以單個的脊椎骨而言，第4～7的棘突最高。樞椎的棘突發(fā)達而高聳，在前端，椎體前伸形成齒突，向前深入寰椎管成一回轉(zhuǎn)軸，在齒突的兩側(cè)有大而光滑的關(guān)節(jié)面與寰椎相關(guān)節(jié)，如圖3(右)所示。其中，胸椎共13塊，椎骨前后徑由上到下逐漸增加第一胸椎的形狀棘突稍短，伸向上方。第2～8胸椎的棘突較長，向后傾斜，其頂端有微膨大的結(jié)節(jié)[10]，(詳見圖3)。

胸骨分7節(jié)，由前至后為胸骨柄、胸骨體和劍突。肋骨與胸椎數(shù)相同，共13對。樹鼩的胸廓包括胸椎、肋骨、胸骨所包圍的胸腔外廓。

同時，還可以對關(guān)注的某一部分骨骼進行精準成像，如足部骨骼、骨盆骨骼，(詳見圖4)。

圖1 樹鼩骨骼系統(tǒng)的三維重建模型背側(cè)觀(左)，腹側(cè)觀(中)，右側(cè)面觀(右)Fig.1 3D reconstruction model of tree shrew skeletal system. The dorsal view (left), ventral view (middle), and right side view (right)

圖2 樹鼩顱骨的三維重建模型背側(cè)觀(左)，腹側(cè)觀(中)，右側(cè)面觀(右)Fig.2 3D reconstruction model of the tree shrew skulls. The dorsal view (left), ventral view (middle), and right side view (right)

圖3 樹鼩胸廓的三維重建模型背側(cè)觀(左)，腹側(cè)觀(中)，右側(cè)面觀(右)Fig.3 3D reconstruction model of a tree shrew thorax. The dorsal view (left), ventral view (middle), and right side view (right)

2.2 定性數(shù)據(jù)的獲取

對部分所采集標本的頭骨特征進行成像顯示，(詳見圖2)。在此模型中，在頭骨背面可見五條隆起的嵴，分別為枕外嵴：位于枕骨項面正中線處；項嵴：枕骨和頂間骨及頂骨相接、鼓骨上嵴：由頂間骨外側(cè)和額嵴垂直相交處開始到達外耳聽道；顳嵴：由鱗狀骨顴突外側(cè)緣向后延伸達鼓骨上嵴；額嵴：形成眼眶的上緣，由額骨外側(cè)向后延伸越過頂骨和鼓骨。側(cè)面觀可見四個大孔：位于前端的外鼻孔、前頜骨后上方的眶下孔、由顴弓所范圍著的眼窩和鼓泡外側(cè)的外耳道。此外，可見一些較小的頭骨孔，如視神經(jīng)孔、頜下神經(jīng)孔。

2.3 定量數(shù)據(jù)的獲取

樹鼩各數(shù)據(jù)的測量均是通過雙平面方法確定，保證數(shù)據(jù)的準確定，(詳見圖5)。

利用成像技術(shù)對各主要骨骼的長度、前后徑、左右徑等數(shù)據(jù)進行了定量測定，在獲取了以往通過解剖獲得的數(shù)據(jù)(如身長、尾長等)的同時，還獲得了以往通過解剖難以測量準確的數(shù)據(jù)，如腭長、臼齒列長等較細微的數(shù)據(jù)，還獲得了利用解剖不易獲得的一些數(shù)據(jù)，如脊椎前后徑、左右徑等。(詳見表1，圖6)。

圖4 樹鼩特殊部位的三維重建模型MPR法顯示右下肢骨(左)VR法顯示骨盆(右)、雙髖關(guān)節(jié)、腰椎、骶椎及部分尾椎(右)Fig.4 3D reconstruction model of some parts of tree shrews. The MPR displays right lower limb (left), VR displays double hip joint and lumbar spine, pelvis sacral vertebra and some of coccygeal vertebra (right)

部分Parts測量項目Item/mm雌性Female雄性Male身體Body體積Volume(mL)160.41±12.81166.96±14.54身長Bodylength185.0±15.28189.7±15.27頭Head顱全長Craniallength46.4±4.5646.1±3.87顱基長Cranialbaselength43.0±3.4842.7±3.57顱高Cranialhigh15.3±1.5913.2±1.21眶間距Orbitalspacing13.6±1.2813.6±1.15顴寬Zygomaticwidth24.9±2.3126.4±2.35腭長Palatallength24.9±2.5424.4±2.31腭寬Palatalwidth8.1±0.699.1±0.87枕骨孔前后徑Foramenmagnumanteroposteriordiameter6.2±0.576.5±0.52枕骨孔左右徑Horizontaldiameterofoccipitalforamen6.5±0.887.4±0.88上臼齒列長Uppermolarcolumnlength14.8±1.2815.2±1.38下臼齒列長Lowermolarcolumnlength15.3±1.3815.8±1.37脊椎Spine寰椎A(chǔ)tlas5.6±0.516.1±0.58樞椎前后徑Axisanteroposteriordiameter8.1±0.748.2±0.76樞椎左右徑Transversaldiameterofaxis6.1±0.536.5±0.62尾椎Caudalvertebralength203.2±17.35221.9±19.85胸骨Sternum胸骨長Sternallength28.7±3.0831.6±2.68劍突長Xiphisternumlength8.1±0.768.8±0.84胸寬Chestwidth32.7±2.8731.4±2.68胸深Chestdepth28.7±2.5731.2±2.68胸廓入口前后徑Anteroposteriordiameterofthoracicinlet5.6±0.526.2±0.57胸廓入口左右徑Transversaldiameterofthoracicinlet10.5±0.9210.2±0.92前肢骨Forelimbbones肱骨長Humeruslength28.4±2.3828.7±2.48尺骨長Ulnalength29.9±2.4530.1±2.57橈骨長Radiuslength26.3±2.3328.1±2.48骨盆Pelvis入口前后徑Conjugataofthepelvicinlet11.8±0.1212±1.69入口橫徑Transversediameterofpelvicinlet12.0±0.1111.3±1.85入口斜徑Obliquediameterofpelvicentrance13.3±1.7112.3±1.09中骨盆前后徑Anteroposteriordiameterofmidpelvis9.8±0.879.9±1.08中骨盆橫徑Transversediameterofmidpelvis9.2±0.8210.3±1.15坐骨結(jié)節(jié)橫徑Ishialtuberositytransversediameter9.3±0.828.9±0.95前后肢Limbs股骨長Femurlength36.6±3.0536.4±3.87脛骨長Tibialength38.3±3.1937.5±3.55腓骨長Fibulalength36.6±3.0435.6±3.07

2.4 骨骼系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)的獲取

同時還發(fā)現(xiàn)了骨骼異常的數(shù)據(jù)并進行了展示，這些異常包括骨盆形態(tài)不對稱：如圖7所示，左上：骨盆傾斜；右上：胸廓增大；左下：骨折；右下：跟腱周圍滑膜囊的鈣化。對每一種可能的骨骼異常都進行了進一步的細節(jié)分析和診斷，如骨折，(詳見圖8)。

圖5 曲面重建方法測量體長矢狀位、冠狀位及橫軸位相互確認矢狀面確認(左)；冠狀面確認(右)Fig.5 Double graphic method for determining quantitative data Sagittal, transverse and coronary confirmation of each other. Sagittal plane(left);confirmation of coronal plane (right)

圖6 樹鼩數(shù)據(jù)測定顯示脊椎長度測定(左)；前后徑測定(中)；左右徑測定(右)Fig.6 Determination of the tree shrew vertebrae.Spinal cord length measurement (left); Anteroposterior diameter measurement (middle); Left-right diameter measurement (right)

圖7 樹鼩骨骼系統(tǒng)異常的診斷骨盆傾斜(左上)胸廓增大(右上)左第8肋骨腋段陳舊性骨折畸形(左下)雙側(cè)跟腱周圍滑膜囊鈣化(右下)Fig.7 The 3D reconstruction model of tree shrew skeletal abnormalities Upper left: Pelvic tilt. Upper right: Enlarged thorax. Lower left: Deformity of the 8th left rib axillary segment fracture. Lower right: Calcification of bilateral synovial bursa around the Achilles tendon.

圖8 樹鼩骨折的細節(jié)診斷胸廓正面觀(左上)胸廓下面觀：第8肋骨陳舊性骨折畸形愈合(右上)左6、7、8、9后肋陳舊性骨折(左下)左側(cè)肋軟骨弓塌陷并肋軟骨異常增粗，胸骨形態(tài)扭曲(右下)Fig.8 Detailed analysis of the tree shrew bone fracture Upper left: Inferior aspect of the thoracic front view. Upper right: Malunion of old fracture of the 8th rib Lower left: Old fracture of the 6th, 7th, 8th and 9th ribs. Lower right: Collapse and abnormal enlargement of the left rib cartlage arch, and distortion of the sternum.

3 討論

精確的樹鼩骨骼系統(tǒng)模型可以作為一種重要的教育、科學(xué)研究資源，它不僅能幫助研究者們形象地了解樹鼩骨骼系統(tǒng)具體的解剖結(jié)構(gòu)，計算出樹鼩骨骼在樹鼩體內(nèi)的空間位置以及不同骨骼之間相對空間位置關(guān)系。還可以借助計算機技術(shù)十分容易地對研究者所感興趣的形態(tài)學(xué)參數(shù)進行測量，使得對樹鼩骨骼系統(tǒng)進行定量和定性的分析成為了可能。因此，建立一套精確的樹鼩骨骼系統(tǒng)模型必將在生物工程學(xué)、比較形態(tài)學(xué)、骨病等研究中發(fā)揮十分重要的作用，具有廣泛的教育和應(yīng)用價值。

首次利用CT影像技術(shù)，對樹鼩進行三維數(shù)據(jù)重建，優(yōu)化了掃描參數(shù)，實現(xiàn)了樹鼩三維數(shù)據(jù)的數(shù)字化和多維可視化。在本次研究中，著重對樹鼩的骨骼系統(tǒng)進行了測定，呈現(xiàn)了樹鼩頭骨的形態(tài)特征，包括頭骨嵴縫特征，裂孔特征；對主要的骨頭的進行了定量測定；在工作站上行最大密度投影(maximum intensity projection, MIP)后行多平面重建(multi-planner reconstruction, MPR)，于x、y、z三個軸面對所需測量器官的位置進行調(diào)整，調(diào)節(jié)層厚避開重疊部位并使所側(cè)器官充分展示，確認所測徑線準確后進行測量，見圖7。為驗證曲面重建法(CPR)在小動物測量的有效性，實驗動物麻醉采用自然仰臥位，沒有進行肢體固定，沿身體長軸畫線測量體長和尾長，采用三平面相互定位方法保證所所畫曲線與脊柱的椎體重合，曲面重建法見圖8。通過與之前已測量解剖數(shù)據(jù)的比較，結(jié)果準確可靠。同時，根據(jù)此次測量的結(jié)果，可以看出，樹鼩有食蟲目吻部較長，指端是爪的特征，各指、趾的長度，更接近人，適合抓握；同時其大腦比較發(fā)達，顱腔容積較大，眼眶后有骨橋并形成骨性眼眶，大拇指與其他指分開等狐猴的特征，與人類非常接近[16,17]。

利用重建數(shù)據(jù)對此次掃描的20只樹鼩中骨骼系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)進行了展示和分析，在成像中可看到骨盆形態(tài)不對稱：右側(cè)恥骨下肢肥大并外翻，出現(xiàn)比例為1/20；胸廓較正常的樹鼩明顯增大，出現(xiàn)比例為1/20；肋骨出現(xiàn)骨折，出現(xiàn)比例為3/20；跟腱周圍滑膜囊的鈣化，出現(xiàn)比例為1/20，對每一種可能的骨骼異常都進行了進一步的細節(jié)分析和診斷，以骨折為例，左6、7、8、9后肋陳舊性骨折，左側(cè)肋軟骨弓塌陷并肋軟骨異常增粗，胸骨形態(tài)扭曲，考慮為左側(cè)多發(fā)肋骨骨折所致胸廓畸形。還有兩只為多發(fā)的骨折，骨折部位均為一側(cè)，位置居中，可能為單一方向外力一次作用的結(jié)果，考慮到動物為3～4歲齡，估計由于人工飼養(yǎng)過程中抓捕所致，這些結(jié)果在豐富對樹鼩骨骼系統(tǒng)的認識的同時，也提示在抓取動物時應(yīng)該更加考慮到動物福利的問題。

利用CT影像技術(shù)測定樹鼩的系統(tǒng)數(shù)據(jù)更有其優(yōu)越性：一，動物僅需麻醉，不需要處死；二，測量更為客觀，避免由于人為使用軟尺操作的差異導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準確[11,17]，尤其對于腭長、臼齒列長等較細微的數(shù)據(jù)測定更為明顯，三，之前無法測量的數(shù)據(jù)也可以測量，如動物全身體積、各組織器官的體積等；四，快速進行骨骼系統(tǒng)的疾病診斷。

骨骼系統(tǒng)，頭骨、足趾、脊柱等的數(shù)量和性狀特征是研究生物進化、生態(tài)學(xué)的重要材料，本研究通過結(jié)合臨床CT影像學(xué)技術(shù)，首次構(gòu)建了樹鼩的骨骼系統(tǒng)三維模型，在不犧牲動物的情況下，獲得了甚至以常規(guī)方法難以完成的解剖測量數(shù)據(jù)，清晰重現(xiàn)樹鼩的骨骼系統(tǒng)，提供了樹鼩的豐富的骨骼圖像信息，結(jié)果顯示不同成年樹鼩的骨骼系統(tǒng)的特殊特征。并通過與之前實驗結(jié)果的比對驗證了CT影像技術(shù)重建樹鼩骨骼系統(tǒng)三維模型的可靠性，同時這些數(shù)據(jù)對我們種群中樹鼩的生態(tài)分類、鑒定、進化分析有重要的意義[18,19]，為后續(xù)的動物模型創(chuàng)制提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本次研究中，由于使用的是臨床CT，因此獲得的圖片質(zhì)量在準確度和精確度上不如專業(yè)的小動物CT成像，但在動物接受輻射劑量方面，臨床CT普及率高，較小動物CT更易獲得，在后續(xù)的試驗中，也考慮改進技術(shù)方法，例如使用小動物專用CT，對腕骨、跗骨等精密骨骼系統(tǒng)進行展示，此外，通過增大樣本量使數(shù)據(jù)更為可信和準確。

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Establishment of CT 3D visualization models and analysis of the skeletal system in adult tree shrews

HAN Yuan-yuan, XU Xin, LU Cai-xia, KUANG De-xuan, TONG Pin-fen, WANG Wen-guang, SUN Xiao-mei, LI Na, DAI Jie-jie*

(Center of Tree Shrew Germplasm Resources, Institute of Medical Biology, the Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College. Yunnan Key Laboratory of Vaccine Research and Development on Severe Infectious Diseases.Yunnan Innovation Team of Standardization and Application Research in Tree Shrew, Kunming 650118, China; Yunnan University First Hospital, the Second People’s Hospital of Yunnan Province and Yunnan Province Red Cross Hospital, Kunming 650051)

Objective To establish a visualization model of CT three-dimensional reconstruction of tree shrew skeletal system and to provide a basis for diagnosis of tree shrew skeletal system diseases. Methods We used Toshiba Aquillon One 320 row helical CT scan (voltage: 100 kV, electric current: 80 mA, bulb revolution: 0.35 s/roll, pitch: 1.35, image set: 0.5 mm, layer spacing: 0.5 mm, algorithm: bone reconstruction method, and we used volume imaging (VR), multi-planar imaging (MPR) and surface imaging technology by choosing Musculoskeletal CT option of Vitrea package in the parallel computing environment for 3D reconstruction. Results The reconstruction of visual model structure is distinct, clear, allowing to truly reappear the tree shrew skeletal system in the 3D computer model. In this model, we identified five ridges on the back of the skull, and located four big holes in the lateral view. In addition, we showed some smaller skull holes, such as optic foramen and submandibular foramen. We determined the quantitative data of the tree shrew skeleton system more precisely and comprehensively. We also found some abnormal data in tree shrews, such as pelvic asymmetry, increased thorax, bone fracture and calcification in the synovial bursa. Conclusions The established CT 3-D visualization technique can determine special features of the skeletal system in tree shrews non-invasively, which is very important for ecological classification, identification, and evolution analysis of tree shrews.

Tupaiabelangeri; CT three-dimensional reconstruction; Skeletal system diseases

DAI Jie-jie, E-mail: djj@imbcams.com.cn

國家科技支撐計劃項目 (2014BAI01B00)；云南省聯(lián)合支持國家計劃項目(2015GA009)；云南省科技人才和平臺計劃項目。

罕園園(1983年-)，女，助理研究員，研究方向：疾病動物模型。E-mail: hyy@imbcams.com.cn。徐昕(1979-)，男，主治醫(yī)生，研究方向：醫(yī)療影像學(xué)。E-mail: 532577157@qq.com。共同第一作者

代解杰(1961-)，男，研究員，研究方向：實驗動物標準化。E-mail： djj@imbcams.com.cn

Q95-33

A

1005-4847(2017) 02-0153-07

10.3969/j.issn.1005-4847.2017.02.007

2017-01-09