顱腦斷層解剖輔助教學(xué)數(shù)字模型開發(fā)研究

付廷剛 張玉民 王大慶 張靜

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和醫(yī)學(xué)人體三維重建技術(shù)的發(fā)展，使醫(yī)學(xué)課程從平面走向立體，人體數(shù)字化研究不僅可以用于影像診斷的精準(zhǔn)定位和臨床治療預(yù)后評估，也可用于人體形態(tài)學(xué)的研究和解剖學(xué)的教學(xué)當(dāng)中[1]。在傳統(tǒng)斷層解剖學(xué)教學(xué)中，學(xué)生通常在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行標(biāo)本和影像斷面的觀察和學(xué)習(xí)，在平面上觀察臟器在不同斷面上的位置、特點(diǎn)，且學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)較少，學(xué)生學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)主動(dòng)性較差[2，3]。利用三維重建技術(shù)將人體臟器進(jìn)行重建并結(jié)合到平面斷層圖像當(dāng)中，能在一定程度上改善教學(xué)方法中的缺點(diǎn)，并且重建圖像可以360度旋轉(zhuǎn)觀察，有利于提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

本研究擬通過三維技術(shù)獲取顱腦主要結(jié)構(gòu)的可視化三維圖像，通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)將三維圖像與平面斷層圖像進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，建立三維平面對照圖像應(yīng)用程序，幫助顱腦部結(jié)構(gòu)斷層的理解，提高學(xué)習(xí)效果，有助于相關(guān)專業(yè)學(xué)生影像斷層解剖思維的建立，為斷層影像診斷奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 顱腦斷層平面圖像獲取

1.1.1 顱腦標(biāo)本準(zhǔn)備 為確保斷層掃描圖像和斷層標(biāo)本制作的質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格篩選顱腦標(biāo)本，選擇時(shí)仔細(xì)研究顱腦標(biāo)本外觀、形態(tài)、年齡等特征，并通過影像掃描確認(rèn)無腦部疾病、畸形和其他異常等情況[4]。選取各項(xiàng)數(shù)據(jù)特別是通過掃描端腦經(jīng)線接近的3個(gè)健康顱腦標(biāo)本進(jìn)行MRI斷層圖像和斷層標(biāo)本的制作。首先對選定好的3個(gè)顱腦標(biāo)本進(jìn)行標(biāo)注：標(biāo)A為制作橫斷層、標(biāo)B為制作矢狀斷層、標(biāo)C為制作冠狀斷層，然后對選定標(biāo)本進(jìn)行甲醛灌注固定3～5天，條件達(dá)到后，對A、B、C 3個(gè)顱腦標(biāo)本進(jìn)行斷層掃描和斷層標(biāo)本制作。

1.1.2 MRI斷層圖像獲取 MRI圖像利用Philips Achivea3.0TX雙梯度超導(dǎo)磁共振掃描系統(tǒng)掃描獲取。橫斷層掃描以眥耳線為基線，層厚為3mm，對A標(biāo)本進(jìn)行掃描，獲取MRI圖像30張；矢狀斷層掃描以正中矢狀面為基線，層厚3mm，對B標(biāo)本進(jìn)行掃描，獲取MRI圖像32張；冠狀斷層以過外耳門垂直于Reid基線的垂線為基線，層厚設(shè)定在3mm，對C標(biāo)本進(jìn)行掃描，獲取圖像33張。將MRI影像圖像從磁共振輸出到PC機(jī)上，利用圖像處理軟件對獲得的MRI圖像進(jìn)處理，包括清晰度、色度、飽和度等的調(diào)整，使腦溝回顯示清晰。

1.1.3 斷層標(biāo)本制作及圖像獲取 顱腦斷層標(biāo)本利用冷凍鋸切方式獲得，將冷凍固定好的A、B、C 3個(gè)顱腦標(biāo)本進(jìn)行鋸切畫線，A標(biāo)本進(jìn)行橫斷層，以眥耳線為基線，設(shè)定層厚為5mm連續(xù)劃線；B標(biāo)本以正中矢線為基線，層厚設(shè)定為5mm，向左右連續(xù)劃線；C標(biāo)本以過外耳門與下眶耳線垂直的垂線為基線向前向后連續(xù)劃線，畫好線的標(biāo)本進(jìn)行冷凍包埋固定，冷凍包埋成高30cm、寬20cm、長40cm的方冰塊。利用電動(dòng)帶鋸并依據(jù)鋸切線對包埋好的標(biāo)本進(jìn)行連續(xù)鋸切，鋸耗大約1mm，獲得顱腦部三方位斷層標(biāo)本。對鋸切好的標(biāo)本進(jìn)行后續(xù)清洗、修潔、拋光等處理，選取顱腦結(jié)構(gòu)清晰的連續(xù)三方位標(biāo)本（冠狀位12個(gè)，水平位12個(gè)，右側(cè)半球矢狀位8個(gè)），對標(biāo)本表面進(jìn)行拍照獲取標(biāo)本斷層圖像，將圖像輸入PC機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。由于顱腦部各種組織硬度的差異，鋸切獲得的顱腦斷層標(biāo)本表面會(huì)出現(xiàn)小組織塊的缺損和劃痕，需利用圖像處理軟件進(jìn)行修飾處理[5]。

1.1.4 斷層圖像選擇確定 將獲得的三方位MRI圖像與顱腦斷層標(biāo)本圖像進(jìn)行對比觀察進(jìn)行挑選，重點(diǎn)確定中央溝、外側(cè)溝、頂枕溝、基底核、腦室、內(nèi)囊、間腦、腦干、硬腦膜等主要顱腦結(jié)構(gòu)的位置，選擇MRI各方位圖像與標(biāo)本圖像最接近的12張各方位圖像（矢狀位8張）。將選定好的MRI圖像和斷層標(biāo)本圖形利用CS軟件進(jìn)行圖像修飾處理，獲得能夠輸入建模平臺(tái)建模的平面圖片。CS軟件是一種專門用于圖形設(shè)計(jì)的編輯軟件，其應(yīng)用不僅可以輕松地制作出具有動(dòng)感、鮮活的動(dòng)畫場面，而且在大圖切割、按鈕與翻轉(zhuǎn)圖動(dòng)態(tài)控制方面也起到了非常顯著的作用[6]。

1.2 顱腦部主要結(jié)構(gòu)的三維成像

1.2.1 腦整體、端腦、腦干、小腦三維圖像 目前，人體結(jié)構(gòu)的三維模型建立主要分為基于幾何學(xué)和基于解剖學(xué)數(shù)據(jù)建立的兩種模型，基于解剖學(xué)數(shù)據(jù)建模主要依靠斷層圖像中人體結(jié)構(gòu)的信息，隨著圖形圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，已成為人體三維建模的主要手段[7]。另外，還有一種三維建模成像技術(shù)是通過三維掃描儀器對目標(biāo)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行全方位掃描，通過數(shù)碼程序?qū)δ繕?biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理成像，這種成像主要應(yīng)用于外形、輪廓等的成像?；跀鄬訑?shù)據(jù)的重建圖像在圖像效果上與三維掃描標(biāo)本后重建的圖像比較，三維掃描圖像更接近于標(biāo)本結(jié)構(gòu)的本身，圖像比基于斷層技術(shù)的重建圖像更真實(shí)。

選定顱腦標(biāo)本，并對顱腦標(biāo)本開顱，沿眉弓和枕外隆突環(huán)形劃線，用線鋸沿劃線鋸切顱骨，取下顱蓋骨，切開硬腦膜，取出腦后剔除腦表面的被膜及血管，清洗干凈。利用三維掃描儀對制作好的腦標(biāo)本進(jìn)行以垂直軸、矢狀軸和冠狀軸為軸心的全方位的掃描拍攝，獲取腦整體的三維圖像。經(jīng)大腦縱裂將修好的腦標(biāo)本縱行切開，在中腦上方水平將腦干分離，切斷小腦腳分離小腦，暴露出端腦內(nèi)側(cè)面和下面、腦干和小腦的整體外形，繼續(xù)用三維掃描儀進(jìn)行掃描、拍攝、獲取腦干、小腦、端腦整體的三維圖像。三維掃描儀采用特征拼接對所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)拼接，當(dāng)掃描框內(nèi)顯示已采集足夠范圍時(shí)，停止繼續(xù)掃描，去除噪點(diǎn)，平滑數(shù)據(jù)，而后利用軟件將獲得的對象三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建成由三角面片組成的封閉曲面模型，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)構(gòu)成三維數(shù)據(jù)[8]。

1.2.2 端腦內(nèi)部基底核、腦室成像 基底核是端腦底部白質(zhì)內(nèi)的灰質(zhì)核團(tuán)，主要由神經(jīng)元胞體構(gòu)成，與運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)有關(guān)，腦室是腦內(nèi)含有腦脊液的腔隙，根據(jù)部位不同又分側(cè)腦室、第三腦室、第四腦室等，其內(nèi)腦脊液的循環(huán)流動(dòng)維持著正常的顱內(nèi)壓?；缀恕⒛X室等結(jié)構(gòu)的三維成像主要利用基底核、腦室連續(xù)層面斷層圖通過Mimics三維軟件進(jìn)行重建獲得，利用連續(xù)斷層進(jìn)行結(jié)構(gòu)重建，重建圖像。為保證理解效果，另外通過基底核、腦室彩色模型360拍照整合，獲取彩色三維可旋轉(zhuǎn)圖像，為保證圖像質(zhì)量和三維整合效果，拍照時(shí)著重注意拍攝角度旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的平順，以免出現(xiàn)誤差。端腦、腦干、小腦等的表面形態(tài)三維圖像通過三維掃描標(biāo)本重建獲得。三維掃描技術(shù)通過光線、射線和聲波等物質(zhì)的投射快速掃描物體，獲得物體表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維信息，并利用計(jì)算機(jī)將該信息放入已建立好的空間坐標(biāo)軸內(nèi)，構(gòu)建物體的三維立體圖像并對圖像進(jìn)行觀察和測量，從而準(zhǔn)確獲得物體特征數(shù)據(jù)[9]。

1.2.3 白質(zhì)纖維束成像 白質(zhì)是指顱腦內(nèi)神經(jīng)纖維聚集之處，根據(jù)纖維走向不同可分為聯(lián)絡(luò)纖維、聯(lián)合纖維和投射纖維，其中投射纖維大部分經(jīng)過豆?fàn)詈?、尾狀核和背?cè)丘腦之間的內(nèi)囊，纖維束的三維圖像主要通過磁共振彌散張量成像（DTI）技術(shù)和圖像融合方式獲取。DTI是目前顯示腦白質(zhì)纖維束的唯一方法，主要通過追蹤白質(zhì)纖維束走行中水分子移動(dòng)方向而成像的一種新技術(shù)，已逐漸應(yīng)用于顱腦臨床疾病的診療當(dāng)中[10]。依據(jù)纖維束的走行分別在顱腦不同區(qū)域選定感興趣區(qū)層面，經(jīng)過這些層面的纖維束的水分子就可以被磁共振追蹤到并在DTI中顯現(xiàn)。通過磁共振DTI技術(shù)獲得的纖維束圖像在DTI工作站可以任意旋轉(zhuǎn)。利用高性能數(shù)碼相機(jī)對纖維束進(jìn)行多角度、多維度連續(xù)拍照獲得纖維束圖像，將獲得的纖維束圖像修飾整理，選擇具有代表性的36～40張圖像輸入計(jì)算機(jī)，通過圖像融合的方式構(gòu)建起可旋轉(zhuǎn)的、可以輸入建模平臺(tái)的三維纖維束圖像。

1.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)及建立數(shù)字模型計(jì)算機(jī)程序是通過計(jì)算機(jī)語言組織起來的一系列命令集，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)語言將不同功能的需求轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠理解和執(zhí)行的指令，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，達(dá)到人們需求的過程[11]。依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皯?yīng)用要求對應(yīng)用程序界面及特點(diǎn)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，我們的設(shè)計(jì)思路是數(shù)模界面簡便、易懂、易操作，內(nèi)容結(jié)構(gòu)明了、清楚、易辨識(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)思路我們團(tuán)隊(duì)將數(shù)模建立成五層內(nèi)容，并行橫品形窗口設(shè)計(jì)，利用Microsoft Visual Studio（VS）程序開發(fā)平臺(tái)，將獲得的顱腦部的各種圖像數(shù)據(jù)資料依次輸入VS平臺(tái)進(jìn)行建模，建立起顱腦斷層標(biāo)本、MRI、三維圖像對比的輔助教學(xué)應(yīng)用程序。建模時(shí)注意各類圖像的分類輸入以及根據(jù)數(shù)模的界面設(shè)計(jì)層次進(jìn)行圖像的輸入，以避免圖像顯示混亂而導(dǎo)致數(shù)字模型的崩潰。

2 結(jié)果

建立的數(shù)模為五層界面編排、橫品形窗口設(shè)計(jì)，首層為部位選擇界面（圖1），二層為方位選擇界面（圖2），即橫斷層、冠狀斷層、矢狀斷層，三層為三窗口層面選擇及對比斷層結(jié)構(gòu)辨識(shí)層面（圖3、4），四層為三維圖像與斷層圖像對比辨識(shí)層面（圖5、6），五層為品字小窗口放大觀察界面（圖7、8、9）。從第三層開始后面的界面均為橫品形三窗口操控界面（如圖3、4、5、6），三窗口操控界面為數(shù)模主控界面。

圖1 首層部位選擇界面

二層界面有三個(gè)選擇（圖2），分別對應(yīng)橫、矢、冠狀方位，鼠標(biāo)左鍵單擊選擇某一方位，界面跳轉(zhuǎn)成第三層三窗口主界面（以冠狀斷層為例）。三層界面（圖3）三個(gè)小窗口分別是：左邊窗口為層面選擇、右下窗口為標(biāo)本斷層選擇界面、右上窗口是影像圖像界面。在左邊窗口用鼠標(biāo)左鍵單擊并移動(dòng)鼠標(biāo)可拖動(dòng)窗口上的基準(zhǔn)線移動(dòng)，基準(zhǔn)線移動(dòng)時(shí)標(biāo)本和MRI的層面也不斷變化，冠狀前后移動(dòng)（橫斷層上下移動(dòng)，矢狀層左右移動(dòng)），可以選擇想要觀察的標(biāo)本和影像斷層層面。左擊鼠標(biāo)選定層面以后，左側(cè)窗口基線固定，相應(yīng)的右邊的標(biāo)本和MRI圖像也固定，可以進(jìn)行觀察、比對和學(xué)習(xí)。雙擊斷層標(biāo)本或MRI圖像界面跳轉(zhuǎn)到第五層圖像放大界面（圖8、9），雙擊界面返回第三層。

圖2 方位選擇界面

圖3 層面選擇界面

在第三層界面上右鍵單擊標(biāo)本或MRI界面，出現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)選擇小窗口（圖4），左鍵單擊要觀察的三維結(jié)構(gòu)，界面即跳轉(zhuǎn)到四層斷層平面和顱腦主要三維結(jié)構(gòu)對比界面，左邊的窗口從層面選擇界面轉(zhuǎn)換為三維結(jié)構(gòu)觀察界面（圖5），在三維結(jié)構(gòu)界面單擊窗口左側(cè)三維結(jié)構(gòu)向左旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)擊右側(cè)向右旋轉(zhuǎn)，右鍵單擊三維結(jié)構(gòu)可以放大圖像（圖7）。左側(cè)點(diǎn)擊放大圖片向左旋轉(zhuǎn)，右側(cè)點(diǎn)擊放大圖片向右旋轉(zhuǎn)。觀察完畢后雙擊左鍵返回四層三窗口主控界面，右鍵單擊斷層圖像可以在三維結(jié)構(gòu)小窗口重新選擇（圖6）。觀察完畢后通過右鍵雙擊返回主控界面，從主控界面可以通過返回鍵返回到方位選擇界面，再單擊返回鍵返回部位選擇界面。

圖4 三維結(jié)構(gòu)選擇觀察界面（內(nèi)囊纖維束）

圖5 三維結(jié)構(gòu)斷層對比觀察界面

圖6 三維結(jié)構(gòu)重新選擇界面

圖7 三維結(jié)構(gòu)放大觀察界面（內(nèi)囊纖維束）

圖8 斷層標(biāo)本放大觀察圖像

圖9 MRI放大觀察圖像

3 討論

神經(jīng)系統(tǒng)是人體的調(diào)控系統(tǒng)，調(diào)節(jié)和控制著人體其他系統(tǒng)的功能活動(dòng)，使人體成為有機(jī)的整體。神經(jīng)系統(tǒng)分為中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)，腦是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的主要組成部分，腦由端腦、間腦、小腦、腦干4個(gè)部分組成，腦干又分為中腦、腦橋和延髓。端腦是人體的最高級(jí)中樞，管理全身的軀體運(yùn)動(dòng)、軀體感覺、視覺、聽覺等功能活動(dòng)；間腦對人的體溫、體重、內(nèi)分泌、飲食、生殖方面調(diào)節(jié)有重要作用；腦干中有人體重要的呼吸、心跳、血壓等基本生命中樞；小腦主要在運(yùn)動(dòng)調(diào)控中起主要作用。顱腦部的外傷、腦疾病如顱出血、腦腫瘤、腦梗死等引發(fā)的腦損傷導(dǎo)致人體某一功能或多種功能活動(dòng)的障礙。目前，顱腦CT、MRI已成為顱腦損傷病情程度判定的主要監(jiān)測手段，可以對病情進(jìn)展情況客觀且動(dòng)態(tài)觀察，也是目前診斷顱腦損傷的“金標(biāo)準(zhǔn)”，可指導(dǎo)臨床合理采用手術(shù)進(jìn)行疾病的治療，促進(jìn)患者預(yù)后[12]。病變部位的早期精準(zhǔn)定位對顱腦損傷和病變的治療以及并發(fā)癥和后遺癥的預(yù)防有重要意義，這就要求對顱腦部結(jié)構(gòu)在影像斷層上的形態(tài)位置進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和理解。

顱腦部是斷層解剖學(xué)教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)過程中最難理解、也是最重要的部位之一，目前斷層解剖講授和學(xué)習(xí)主要以斷層標(biāo)本圖像為主，輔以活體顱腦CT、MRI斷層圖像觀察講解，缺乏立體層次感。再者，在連續(xù)層面講解過程中，由于相鄰層面的解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)、位置變化差別大小不一，例如端腦額的溝回，在不同層面上各個(gè)溝回的形態(tài)差別較小，如何理解自上向下的額上、中、下回及中央前溝、回的變化就是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。加之顱腦斷層解剖的理解需要有較為扎實(shí)的系統(tǒng)解剖學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，而學(xué)生在這方面的基礎(chǔ)知識(shí)掌握參差不齊，甚至較為薄弱，在學(xué)習(xí)過程中困惑較多。另外，顱腦部主要部位病變的精準(zhǔn)定位不僅是在不同方位，不同層面的定位，更需要對臟器整體情況理解評估，也就是我們專業(yè)上講到的斷層思維的構(gòu)建，即由整體到斷層，再由斷層重塑整體的思考思維。傳統(tǒng)的斷層影像教學(xué)通常憑借初學(xué)者對二維圖像的認(rèn)知去追蹤連續(xù)性并進(jìn)行分析，如要獲得較準(zhǔn)確的三維解剖結(jié)構(gòu)需要較強(qiáng)的閱片能力和空間想象力，以及長時(shí)間的臨床經(jīng)驗(yàn)積累[13]。在既往的斷層解剖教學(xué)過程中，對于整體顱腦結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)只能通過二維斷層圖像推測三維整體，而三維整體數(shù)據(jù)及可視化才是臨床診斷需要的，也是學(xué)生最應(yīng)該掌握的。我們經(jīng)過探討設(shè)計(jì)及試用，構(gòu)建了顱腦主要結(jié)構(gòu)三維整體圖像與斷層圖像對比的教學(xué)輔助數(shù)模應(yīng)用程序，把顱腦的三維圖像結(jié)合到標(biāo)本、MRI的斷層圖像中，并應(yīng)用到課堂教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)當(dāng)中，例如講解端腦額葉溝回，首先在數(shù)模上學(xué)習(xí)觀察額葉溝回的整體形態(tài)、位置毗鄰特點(diǎn)，并可以360度旋轉(zhuǎn)觀察，有助于對額葉溝回整體理解，下一步進(jìn)行溝回?cái)鄬拥闹v解，正如我們先觀察到西瓜是長橢圓的，橫著切下去斷面會(huì)是圓形，而縱形切開斷面會(huì)是橢圓一樣，起到事半功倍的效果。在掌握解剖標(biāo)本斷層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，去學(xué)習(xí)同層面上影像CT、MRI，學(xué)習(xí)效果顯著提高，有助于學(xué)生對顱腦結(jié)構(gòu)的影像斷層定位的理解。

總之，數(shù)模的建立將解剖結(jié)構(gòu)的三維立體圖像應(yīng)用于日常的教育教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)當(dāng)中，補(bǔ)充了之前斷層僅為平面圖片缺乏立體感的不足，幫助學(xué)生對腦結(jié)構(gòu)斷層位置特點(diǎn)進(jìn)行理解，也促進(jìn)了其影像斷層思維的建立。在未來，我們可將數(shù)模的設(shè)計(jì)建設(shè)推進(jìn)到胸部、腹部、盆壁等人體其他部位，構(gòu)建一整套人體不同部位的對比數(shù)模應(yīng)用，促進(jìn)于學(xué)生斷層解剖專業(yè)能力的提高，為培養(yǎng)合格的專業(yè)人才做出貢獻(xiàn)。