人丘腦斷面解剖及磁共振圖像三維重建

任 珂，金保哲，張新中

(新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科 河南省神經(jīng)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 衛(wèi)輝 453100)

丘腦是腦皮質(zhì)下最大的中繼站，其纖維聯(lián)系廣泛，可將身體內(nèi)外刺激引起的沖動(dòng)整合后傳遞到大腦皮層[1]。帕金森病被認(rèn)為與丘腦病變有關(guān)[2]。目前，深部電刺激(deep brain stimulation，DBS)已經(jīng)成為治療頑固性帕金森病的主要手段[3]，但DBS的目標(biāo)靶核位于腦組織深部，且體積較小，因此，準(zhǔn)確的定位對(duì)手術(shù)成敗至關(guān)重要。目前對(duì)丘腦形態(tài)的識(shí)別主要依賴于大體解剖或影像學(xué)解剖，但由于主觀因素及圖像分辨率等原因，影響到丘腦三維形態(tài)展示和術(shù)者對(duì)丘腦核團(tuán)的有效識(shí)別。本研究通過(guò)測(cè)量丘腦體積及各斷面數(shù)據(jù)，并利用交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng) (Materialise′s interactive medical image control system，Mimics)對(duì)丘腦形態(tài)進(jìn)行三維重建，旨在獲得丘腦的可視化立體模型，為臨床立體定向手術(shù)提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 頭顱標(biāo)本無(wú)肉眼病變、無(wú)手術(shù)史的成年男性尸體頭顱標(biāo)本6例，由河南省神經(jīng)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。本研究經(jīng)新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn)。

1.2 丘腦三維模型重建選取1 例尸體頭顱標(biāo)本，使用 3.0T signa HDxt磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)儀(美國(guó)General Electric公司) 進(jìn)行掃描，將獲得的MRI圖像導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，利用Mimics 醫(yī)學(xué)三維重建軟件提取丘腦輪廓，重建丘腦三維模型。

1.3 大腦整體標(biāo)本獲取將6例尸體頭顱沿正中矢狀位、眉弓和枕外隆突連線水平位依次切開皮膚及皮下組織，用手搖鉆依次在皮膚切緣上方間隔 5 cm 打孔，用線鋸鋸開顱骨，顯示并切開硬腦膜，在天幕裂孔處斷開腦干，完整取出大腦，去除表面軟腦膜、血管及神經(jīng)，然后將整大腦于-20 ℃下冷凍保存。

1.4 大腦切片標(biāo)本制作選用自制容器，在容器中提前埋設(shè)3 根互相平行的定標(biāo)線，其垂直截面的連線呈直角三角形，將底部用碎冰塊鋪滿至最下方定標(biāo)線，放入-20 ℃冰箱冰凍2 h后取出，將6例冰凍的大腦標(biāo)本放入其中，將容器加滿冰水，放入 -20 ℃ 冰箱冷凍72 h，在預(yù)定時(shí)間將切片機(jī)的載物臺(tái)和刀具預(yù)凍15 min，將冰凍的大腦標(biāo)本用夾具固定于載物臺(tái)上，將6例大腦標(biāo)本隨機(jī)分為矢狀位、冠狀位、水平位3組，每組2例，設(shè)定層厚為0.5 mm，進(jìn)行連續(xù)切割。其中矢狀位組大腦標(biāo)本行矢狀位切片，從大腦中線向顳葉方向做連續(xù)切片，出現(xiàn)丘腦間黏合層面定義為0，丘腦消失定義為最后1層；冠狀位組大腦標(biāo)本行冠狀位切片，從額葉向枕葉方向做連續(xù)切片，將側(cè)腦室前角最先出現(xiàn)的層面定義為0，丘腦枕消失定義為最后1層；水平位組大腦標(biāo)本行水平位切片，從頂葉向大腦底部做連續(xù)切片，將胼胝體最先出現(xiàn)的層面定義為0，丘腦消失定義為最后1層。

1.5 大腦切片標(biāo)本丘腦圖像采集及數(shù)據(jù)測(cè)量在每1份大腦切片標(biāo)本旁放置刻度標(biāo)尺，用Nikon D100高清數(shù)碼相機(jī)(日本尼康公司)對(duì)切片中丘腦觀測(cè)較好的層面進(jìn)行拍攝照片，在相同自然光下進(jìn)行拍攝，圖片存入計(jì)算機(jī)，利用photoshopCS6軟件逐層對(duì)圖像中丘腦輪廓邊界進(jìn)行識(shí)別提取，以刻度標(biāo)尺為依據(jù)測(cè)量單位長(zhǎng)度所含像素值的大小，將以像素為單位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以毫米為單位的數(shù)據(jù)，獲得每毫米所含像素值，再結(jié)合手工測(cè)量，獲得斷面上丘腦的前后徑、左右徑、上下徑、面積及像素值，所得結(jié)果除以像素值/長(zhǎng)度值，即為實(shí)測(cè)值。單層面積與層厚相乘得出單層體積，逐層體積相加即丘腦總體積[4]。應(yīng)用SPSS20.0軟件對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果以均值表示。

2 結(jié)果

2.1 丘腦結(jié)構(gòu)三維重建結(jié)果結(jié)果見圖1。經(jīng)Mimics軟件對(duì)MRI掃描獲得的頭顱圖像進(jìn)行逐層邊界識(shí)別并提取，獲得了丘腦的三維重建圖像模型，清晰顯示了丘腦的空間位置、立體形態(tài)。

A：丘腦前面觀；B：丘腦后面觀。

圖1 丘腦的三維重建圖像

Fig.1 Three-dimensional reconstructed image of thalamus

2.2 大腦水平位切片觀察結(jié)果水平位組大腦標(biāo)本從頂葉向大腦底部做連續(xù)切片，丘腦出現(xiàn)在距離胼胝體層面43 mm處，可見連于胼胝體膝后方的透明隔，透明隔后方為穹窿，穹窿兩側(cè)為丘腦。尾狀核頭和背側(cè)丘腦的外側(cè)為內(nèi)囊(圖2)。丘腦位于第三腦室外側(cè)，背側(cè)丘腦和尾狀核頭外側(cè)是“> <”形的內(nèi)囊，再向外依次是蒼白球、殼、外囊、屏狀核、最外囊、島葉皮質(zhì)及島蓋。距離胼胝體層面約61 mm處丘腦消失。

1：尾狀核；2：殼；3：內(nèi)囊；4：丘腦；5：透明隔；6：胼胝體。

圖2 人腦水平位切片圖

Fig.2 Horizontal slice of human brain

2.3 大腦冠狀位切片觀察結(jié)果冠狀位組大腦標(biāo)本從額葉向枕葉方向做連續(xù)切片，在距原點(diǎn)層面 25 mm 處出現(xiàn)丘腦，丘腦為長(zhǎng)約3 cm卵圓形的灰質(zhì)核團(tuán)，兩側(cè)丘腦的內(nèi)側(cè)壁參與構(gòu)成第三腦室的側(cè)壁和側(cè)腦室的下壁(圖3)，丘腦與尾狀核體外側(cè)的白質(zhì)為內(nèi)囊。在穹窿柱與丘腦前核間有室間孔溝通第三腦室與側(cè)腦室。室間孔后方有丘腦間黏合連接兩側(cè)丘腦，此時(shí)胼胝體移行為胼胝體干。在距原點(diǎn)層面55 mm處丘腦消失。

1：側(cè)腦室；2：丘腦；3：第三腦室。

圖3 人腦冠狀位切片圖

Fig.3 Coronal slice of human brain

2.4 大腦矢狀位切片觀察結(jié)果矢狀位組大腦標(biāo)本從大腦中線向顳葉方向做連續(xù)切片，丘腦間黏合(又稱中間塊，是第三腦室內(nèi)連接兩側(cè)丘腦的灰質(zhì)結(jié)構(gòu))出現(xiàn)在正中矢狀位上，在正中矢狀面可觀察到丘腦輪廓(圖4)，丘腦和下丘腦內(nèi)側(cè)面為第三腦室，借下丘腦溝分為上、下部。室間孔位于穹窿柱與丘腦之間，穹窿體沿丘腦和胼胝體之間向后下方延續(xù)為穹窿腳。第三腦室脈絡(luò)叢位于丘腦的背側(cè)面與內(nèi)側(cè)面交界處。在距離丘腦間黏合10 mm處、側(cè)腦室三角區(qū)前方出現(xiàn)丘腦枕，其與豆?fàn)詈酥g的白質(zhì)纖維為內(nèi)囊后肢。在距離丘腦間黏合層面4 mm處，丘腦消失。

1：胼胝體；2：尾狀核；3：內(nèi)囊；4：丘腦。

圖4 人腦矢狀位切片圖

Fig.4 Sagittal slice of human brain

2.5 丘腦各徑線及體積丘腦前后徑、左右徑、上下徑分別為(29.52±0.47)、(14.51±0.18)、(18.66±0.35)mm，左、右側(cè)丘腦體積分別為(6 218.56±563.60)、(5 764.37±485.48)mm3，總體積為(5 946.95±403.15)mm3。

3 討論

丘腦為一個(gè)有著復(fù)雜而廣泛生理功能的灰質(zhì)核團(tuán)，在帕金森病的發(fā)生、發(fā)展中扮演著重要角色。近年來(lái)，隨著立體定向手術(shù)的開展，DBS已經(jīng)成為治療頑固性帕金森病的主要手段。DBS是通過(guò)在丘腦相應(yīng)的目標(biāo)核團(tuán)放置電極，通過(guò)發(fā)放電刺激，從而可逆地調(diào)節(jié)病理性神經(jīng)活動(dòng)，達(dá)到緩解帕金森病患者震顫的目的[5]。DBS電極置入手術(shù)成功的關(guān)鍵是電極準(zhǔn)確放置[5]，從而使神經(jīng)調(diào)節(jié)作用最大化，而準(zhǔn)確定位對(duì)手術(shù)至關(guān)重要。

考慮到帕金森病患者行DBS手術(shù)的安全性，術(shù)者必須熟悉丘腦的三維形態(tài)及其體積。傳統(tǒng)的解剖書籍不足以明確丘腦的三維結(jié)構(gòu)。目前，隨著影像學(xué)的發(fā)展，丘腦的形態(tài)得到進(jìn)一步展示，但仍無(wú)法真實(shí)直觀展現(xiàn)丘腦的三維形態(tài)，而且其易受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及主觀因素的干擾[6]。本研究基于人腦標(biāo)本MRI圖像，運(yùn)用Mimics軟件重建出丘腦的三維模型，能很好地顯示出丘腦的立體形態(tài)，為臨床立體定向手術(shù)提供了形態(tài)學(xué)依據(jù)。在關(guān)于丘腦體積的研究中，基于尸體切片對(duì)丘腦體積的分析鮮有報(bào)道。本研究測(cè)得丘腦的平均體積為(5 946.95±403.15)mm3，這與 BYNE等[7]報(bào)告的(4 610.00±0.51)mm3有較大差別，這可能與其測(cè)定的是精神分裂癥患者的丘腦標(biāo)本有關(guān)。CHUNG等[8]將大腦標(biāo)本浸泡在明膠溶液中固定，然后在MRI上將其圖像分割成不同的平面，使用虛擬切片程序測(cè)定了丘腦的體積，但未對(duì)丘腦的立體形態(tài)進(jìn)行展示。

近年來(lái)，三維重建技術(shù)因其有較好的立體展示效果而廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[9]，在三維重建與定量測(cè)量相結(jié)合方面取得了較大進(jìn)展。李七渝等[10]采用低溫冷凍銑切技術(shù)采集人體大腦標(biāo)本的橫斷層圖像，對(duì)大腦各結(jié)構(gòu)進(jìn)行了空間定位和三維測(cè)量。本研究通過(guò)對(duì)大腦標(biāo)本精確切割，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算，將斷層解剖和計(jì)算機(jī)三維重建相結(jié)合，對(duì)丘腦形態(tài)進(jìn)行三維重建，獲得了丘腦的可視化模型，所得數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，清晰展示了丘腦真實(shí)的解剖結(jié)構(gòu)，為丘腦影像學(xué)研究提供了資料，并且觀察到在同一標(biāo)本中左、右丘腦的體積并不相同，這可能與大多數(shù)人左側(cè)為優(yōu)勢(shì)半球，左側(cè)丘腦發(fā)育較好有關(guān)。

綜上所述，本研究通過(guò)丘腦的薄層斷面定位解剖和三維重建，得到了丘腦的空間結(jié)構(gòu)及形態(tài)，為立體定向手術(shù)提供了數(shù)據(jù)及形態(tài)學(xué)參考依據(jù)。但本研究?jī)H限于尸體頭顱標(biāo)本，經(jīng)甲醛浸泡及低溫冷凍后腦組織的正常結(jié)構(gòu)難免變形移位，從而使測(cè)量數(shù)據(jù)與正?；铙w有一定差異。未來(lái)隨著生物切片、顯微技術(shù)的提高和高分辨率影像技術(shù)的應(yīng)用，丘腦精細(xì)核團(tuán)的定位及三維重建將會(huì)更加清晰，對(duì)丘腦的整體參數(shù)測(cè)量及模型制作將會(huì)更加細(xì)致。