德國(guó)鏡鯉解剖結(jié)構(gòu)的三維可視化研究

單智夫，李明鑫，王韜韃，金簫笛，羅繼龍，白志坤

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)黑龍江省動(dòng)物源性人獸共患病重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150030)

在過去幾十年里水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展迅速，養(yǎng)殖的擴(kuò)大在促進(jìn)人類對(duì)蛋白質(zhì)需求方面發(fā)揮了重要作用。鯉魚(Cyprinuscarpio)因其生長(zhǎng)速度快、在封閉水域內(nèi)繁殖、耐寒性強(qiáng)、易于適應(yīng)人工飼養(yǎng)等特點(diǎn)成為世界上廣泛養(yǎng)殖的淡水品種之一。另外，鯉魚是研究硬骨魚的良好模式動(dòng)物，也是研究集約化養(yǎng)殖下環(huán)境變化或水質(zhì)惡化對(duì)魚類影響的主要水生動(dòng)物。計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed Tomography，CT)是一種有效的以完整獲取活體一些特定的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)特征的無創(chuàng)工具。因此，使用包括CT成像在內(nèi)的先進(jìn)診斷方法來評(píng)估和研究魚的疾病和形態(tài)學(xué)正變得越來越普遍。

本研究使用CT獲取德國(guó)鏡鯉(CyprinuscarpioL.mirror)二維數(shù)據(jù)，然后利用3D Slicer軟件對(duì)鏡鯉骨骼和主要器官進(jìn)行三維重建，并制作三維解剖PDF電子書，為德國(guó)鏡鯉的數(shù)字化研究奠定形態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

德國(guó)鏡鯉購(gòu)自當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。小動(dòng)物專用CT機(jī)，沈陽大昌醫(yī)學(xué)影像技術(shù)有限公司Sunshine系列動(dòng)物專用CT機(jī)。二氧化碳法對(duì)魚進(jìn)行麻醉后進(jìn)行掃描。掃描條件：140 kV，180 mA，螺旋掃描，層厚1.1 mm。

使用軟件：3D Slicer，一款免費(fèi)的三維重建軟件，可以快速的對(duì)二維圖像進(jìn)行操作并生成三維圖像。

1.1 導(dǎo)入圖像

醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM)是一種醫(yī)學(xué)圖像格式，質(zhì)量滿足臨床需要，還可用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。鏡鯉的斷層切片CT圖像是一些列DICOM數(shù)據(jù)組成。使用3D Slicer導(dǎo)入DICOM文件時(shí)，可以使用軟件自帶的DICOM模塊中的導(dǎo)入功能，導(dǎo)入文件夾中的CT圖像或者直接將數(shù)據(jù)拖拽到3D Slicer應(yīng)用窗口。

1.2 圖像顯示

導(dǎo)入數(shù)據(jù)后在選擇模塊欄下選擇“Volume Rending”模塊，以顯示原始模型。選擇CT-AAA2模板來展示魚骨的結(jié)構(gòu)，選擇MR-Default模板來展示肌肉等器官，均可通過拖拽Display按鈕下的Shift滑塊來調(diào)整具體的顯示情況。

1.3 圖像分割

3D Slicer提供了兩種方法來完成圖像分割:自動(dòng)結(jié)構(gòu)分割和手動(dòng)分割。自動(dòng)分割得出的模型較粗糙，無法精細(xì)繪制魚內(nèi)部器官，故我們采用手動(dòng)分割的辦法。在“Segment Editor”模塊中，點(diǎn)擊“Add”增加一個(gè)Segment并選中。將矢狀面窗口放大，通過單擊effects下的Paint按鈕在CT圖像上勾勒感興趣區(qū)，即魚矢狀面，逐層勾勒出每張CT圖像的感興趣區(qū)，然后點(diǎn)擊“Show 3D”，魚骨的三維圖像顯示在3D視窗中，最終得到魚骨模型。在Segmentions模塊中可以調(diào)節(jié)透明度，如圖1。同時(shí)，可以輸出輸出為.OBJ或.STL格式用于后續(xù)研究。

1.4 體渲染

分割完目標(biāo)結(jié)構(gòu)，在頂部工具欄的下拉菜單中使用“Model Maker”模塊來生成表面體積。根據(jù)研究需要可以修改一系列的參數(shù)，如顏色，光度等。配置好后，點(diǎn)擊選項(xiàng)“Create New Model Hierarchy”，命名，然后點(diǎn)擊“Apply”生成三維圖像。

1.5 生成PDF電子書

參考文獻(xiàn)報(bào)道，將OBJ文件導(dǎo)入Agisoft Photoscan 生成3D PDF文件。

2 結(jié)果

2.1 鏡鯉3D結(jié)構(gòu)重建

圖1為4個(gè)重建并透明化處理后結(jié)果。圖1-A為魚外形重建結(jié)果，顯示鏡鯉外形。圖1-B和C分別為顯示肌肉和單獨(dú)顯示骨骼系統(tǒng)，而圖1-D則展示魚腮和魚鰾等內(nèi)臟。鏡鯉屬于硬骨魚類，CT掃描能清晰的顯示鏡鯉骨骼的立體結(jié)構(gòu)(圖1-C)，可分為頭部骨骼、軀體骨骼和鰭。

A.外觀 B.去除鱗片C.只保留骨骼D.顯示部分器官

2.2 鏡鯉魚鰾解剖結(jié)構(gòu)三維重建

結(jié)果顯示魚鰾一直伸展到腹腔后端，分前后兩室。后室前端腹側(cè)面發(fā)出細(xì)長(zhǎng)的鰾管，如圖2所示。

圖2 魚鰾重建結(jié)果

3 討論

CT技術(shù)可以在不傷害魚的情況下清晰識(shí)別骨骼和內(nèi)臟，是一個(gè)非常有用監(jiān)測(cè)魚的健康工具。無論在人醫(yī)和獸醫(yī)科學(xué)領(lǐng)域使用CT掃描技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛。以前的研究結(jié)果表明CT對(duì)診斷和確定魚類脊柱骨折是有效的。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)對(duì)診斷魚類器官疾病也是可行的，而且有研究人員借助計(jì)算機(jī)斷層掃描為錦鯉診斷，并成功切除脂肪瘤。在研究魚類形態(tài)學(xué)方面，CT也顯示出它的優(yōu)勢(shì)。例如前期研究表明，CT可以監(jiān)測(cè)健康錦鯉和有臨床癥狀的錦鯉的魚鰾的形態(tài)變化。

本研究與之前的魚類影像學(xué)研究主要區(qū)別在于利用了開源軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)鏡鯉骨骼系統(tǒng)和部分內(nèi)臟的三維重建，并制作出利于分享的PDF電子書。同時(shí)，作為是一種實(shí)現(xiàn)動(dòng)物體三維重建的方法，CT與傳統(tǒng)魚類骨骼制作的方法有本質(zhì)區(qū)別。CT提供二維橫斷面圖像，可以進(jìn)行三維重建和評(píng)估，而且骨骼等器官結(jié)構(gòu)可以識(shí)別出來，檢查在幾分鐘內(nèi)就可以完成。本研究利用德國(guó)鏡鯉CT數(shù)據(jù)和3D Slicer軟件對(duì)其形態(tài)學(xué)進(jìn)行研究，結(jié)果再次證明了該方法的可行性。三維重建提供了一個(gè)可視化骨骼，肌肉以及器官結(jié)構(gòu)之間空間關(guān)系的好方法，尤其在線講授解剖學(xué)結(jié)構(gòu)非常有益。當(dāng)然，本研究不足之處是只嘗試重建了魚鰾結(jié)構(gòu)，沒能實(shí)現(xiàn)對(duì)魚類諸如消化管、心室、心房等的重建，這也成為下一步研究的方向。

4 結(jié)論

基于CT圖像構(gòu)建的三維解剖結(jié)構(gòu)比二維圖像更能準(zhǔn)確觀察鏡鯉形態(tài)結(jié)構(gòu)和器官位置關(guān)系，本模型可以為鯉魚術(shù)前計(jì)劃、科學(xué)研究以及教學(xué)提供三維數(shù)據(jù)支持。