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编号:10271045
丘脑的计算机三维重建及其临床意义
http://www.100md.com 《中国临床解剖学杂志》 2000年第1期
     作者:林支付 卢洪煊 沈宏 葛霁光

    单位:林支付 葛霁光(浙江大学(玉泉校区)生物系生物医学信息研究室 310027 杭州市);卢烘煊(杭州医学高等专科学校解剖教研室);沈宏(浙江大学(湖滨校区)附属第二医院脑外科)

    关键词:丘脑;计算机;三维重建;应用解剖

    中国临床解剖学杂志000116摘 要:目的:用计算机重建丘脑的空间形态与位置,为脑的立体定向手术提供解剖学基础。方法:对50只整脑100个丘脑作2 mm厚的连续 水平切面,运用表面重建法对丘脑进行计算机三维重建;首先对各切面二维图像进行配准与校正,再采用专家辩认核团、基于轮廓匹配的轮廓拼接、非线性有理B样条插值等方法手段,精确地重建了丘脑。结果:重建后的丘脑立体图像顺滑、自然、逼真,可任意缩放、旋转、切割。结论:计算机重建后的丘脑空间形态与位置对脑的立体定向手术有参考价值。
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    Three dimensional reconstruction of human thalamus with computer

    and its clinical signifcance

    Lin Zhifu

    (Department of Biology,Zhe jiang University,Hangzhou 310027)

    Abstract:Objective:To provide anatomical basis for stereotaxic technique thro ugh three-d imensional reconstruction of human thalamus with computer.Methods:50 whole brains were serially horizonatally sliced with each section 2 mm in thickness.The two -dimensional image of each section was corrected and aligned at first.After corre spondence by experts identifying thalami,tiling based on contour matching and surface-fitting with NURBS interpolation,thalami were reconstructed on computer. Results:The reconstructed thalami are smooth ,nature and realistic,they canbero tate,zoomed and cut in any direction.Conclusion:The thr ee-dcimensional form and position of the reconstructed thalamus have reference value to the stereotaxic technique of encephalon.
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    Key words:Thalamus Computer Three-dimensional reco nstruction Applied anatomy

    目前已将结构和功能极为复杂的丘脑作为立体定向手术的“靶区”,这要求对丘脑的三维空 间形象有一个精确的认识。仅用CT、MRI等影像诊断技术顺序拍取的二维断面来判断解剖结构复杂的三维形态,不仅增加了诊断难度,而且可靠性常受主观因素的限制。解决这一问题的较好方法是利用计算机对二维连续断面进行三维重建。由于人脑结构的复杂性,并受二维CT、MRI图像清晰度等因素的限制,对大脑进行整体重建的方法问题还未很好地解决,尤其是对深部核团的重建效果尚不尽人意,影响了对临床手术的指导意义[1]。因此, 脑内结构的三维重建正成为人们研究的热点[2]。本研究以大脑的解剖结构为基础,以大 脑切片 为对象,采用专家辨认核团、基于轮廓匹配的轮廓拼接、非均匀有理B样条插值等方法手段 ,精确地重建了丘脑,以期为临床术式的开展提供形态学基础。
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    1 材料和方法

    ①切片与摄像 福尔马林固定的整脑50只,切除脑桥、延髓和小脑,剥去三层脑膜后,正中 矢状切开为左右两半。脑半球设置垂直于脑水平面的九条墨汁线作为重建时配准与校正的控制点,其中1条经过大脑前、后连合连线的中点,也作为空间定位的Z轴。标本用琼脂包埋固定,冷却后用切片机沿Z轴水平切2 mm厚的连续脑片。将连续切片用DC120数字相机摄成图像文件,编号存入电脑。②校正与配准 在计算机(COMPAQ 5/133 32M)中,对连续切片图像进行配准和校正。切片图像在切片、照相过程中,因位移、旋转、比例变化等因素而存在一定程度形变的可能。因此需对图像进行校正与配准,使图像中的像素点与它们实际的位置一致。校正与配准的方法是:用切片制作过程中设置的9个控制点,将图像划分为8个三角形区域。对每个三角形区域,利用三角形的三个顶点在配准图上位置与在标本图上位置的对应关系,确定一个线性映射关系,由这个映射关系配准该三角形区域。据此,依次对每个三角形进 行处理,即可配准整个图像。③轮廓线提取对每一幅经配准与校正后的图像,在人工干预 下进行兴趣区分割,分出丘脑区域。再进行噪声消除(用3×3均值滤波),锐化勾边(用拉普 拉斯算子),二值化(用双固定阈值法)等处理后[3],得到丘脑轮廓线的黑白图像。再用hi lditch方法进行细线化处理,并进行闭合测试,对缺口进行闭合处理,最后形成一条单像素 的丘脑闭合轮廓线。④轮廓线矢量化以轮廓线像素点为型值点,将每一层轮廓线用自然三 次样条法转化为闭合的矢量化的轮廓曲线。得到每层的轮廓曲线的一维曲率函数。⑤轮廓拼接经比较,决定采用轮廓匹配的方法进行轮廓拼接。由于丘脑轮廓为形变体,因此匹配时 采用动态一维线性弹性匹配的方法[4]。具体过程概括为:a.初始化,以轮廓的一维曲率 函数为特征函数,在其上等距取m个点作为结点。b.对曲率函数进行高斯滤波,参数σ随迭 代次数的增加而减少。c.用一维弹性模型计算稳态[5]。计算时,外力的选择与计算是正 确匹配的关键,应多选择、比较。d.计算当前稳态与上一次稳态最大差值。当其很小时,则 结束,否则转向步骤b进行下一次迭代。⑥曲面拟合对拼接产生的三角面片组,用非线性 有理B样条插值方法进行拟合[6],产生表面光滑的三维形态的丘脑。⑦测量对重建的两侧丘脑测量质心(重心),体积,过质心的长、宽、高。其中,过质心的长、宽、高分别为丘脑内过质心且与Y、X、Z轴平行的轴线长。
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    2 结果

    2.1 丘脑图像

    采用以上的方法,重建了50个人脑的丘脑核团。图1~图4为任选的一个重建后的丘脑图像。其中,图1为由上往下看,图2为由后往前看,图3的视点为(1,-1,1),图4a为 图3沿与X-Y面平行的面切开(水平切)后的图像,图4b为图3沿与X-Z面平行的面切开(垂直 切)后的图像。在图1和图2中“O”为原点,在图3和图4中 因图像旋转而重叠,原点被遮挡而未能显示出来。图1~图4中前、上、外为正,后、下、外为负。t40-1.gif (16538 bytes)

    1 重建的1号丘脑上视图(上-下观)t40-2.gif (13690 bytes)
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    2 重建的1号丘脑后视图(后-前观)t40-3.gif (7138 bytes)

    图3 重建的1号丘脑图(视点为<1,-1,1>)t40-4.gif (7123 bytes)

    图4 切割后的1号丘脑[水平切(a), 垂直切(b)]

    2.2 丘脑数据

    用丘脑三维图形参数方程获得的有关数据如(附表)。

    附表 丘脑的质心坐标值(mm)、过质点的长宽高(mm)、体积(mm3) 49-1.gif (98 bytes)±s
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    质心坐标

    长

    (前后径)

    宽

    (左右径)

    高

    (上下径)

    体积

    X

    Y

    Z

    左侧

    10.63±0.81
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    -6.51±0.36

    6.93±0.21

    15.01±0.96

    27.76±0.81

    21.68±0.9

    6055.41±1.02

    右侧

    10.13±0.55

    -7.12±0.25

    6.80±0.10

    14.12±0.59

    28.61±1.01
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    20.50±0.53

    5908.83±24.94

    3 讨论3.1 三维重建的方法

    由于三维重建广泛的临床应用前景及理论研究的需要,各地进行该方面研究的较多,采用的 方法也各种各样[7]。一般讲,由断面重建三维图像要经过二维断面图像的预处理 、拓扑重建(即轮廓对应)、几何重建(即轮廓拼接)、曲面拟合等过程[8]

    3.1.1 轮廓对应 关于轮廓对应问题,涉及到模式识别等许多计算机图形学中还未完全解决的难题[9],有大量的计算,结果还不一定令人满意。因此人工干预在某些场合是必不可少的。在本研究中,我们采用专家识别核团的方法,大大提高了准确度,又减少了计算量。

    3.1.2 轮廓拼接 一般来说,人体组织器官在不同层面上呈现的轮廓是形变体而非刚体,因此采用解决形变体匹配问题的弹性模型更符合大脑的重建[10]。但真正物理意义上的弹性模型求解十分复杂,因此本研究利用线性弹性模型,既具有物理弹性模型具有的良好性质,又具有计算简洁的特点。与基于圆环图的轮廓拼接方法相比,具有更好的重建效果。
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    根据我们的体会,本研究采用的重建方法对于解剖学中研究大脑结构较为合适。从图1~图4 可看出,采用这种方法重建的丘脑表面光滑、自然,由它提供的信息可靠,对临床手术有良好的指导意义。

    3.2 数据采集过程中的误差

    在切片→照片→数字化图像过程中,不可避免地会产生定位点的位移,尤其是在摄影(摄像) 、 冲印及图像数据的模/数转换(A/D转换)几个步骤。除重建方法中谈到的校正误差的方法外, 更重要的是尽可能减少误差的产生。在本研究中,采用数字相机照相,直接取得切片的数字 图像,将摄影、冲印、A/D转换过程一次完成,最大限度地减少了数据的误差。

    3.3 数据分析

    附表中数值与田菊霞[11]数值比较,坐标值和体积相当接近,长宽高存在一定差距,究其 原因是由于样本不同,观察测量的方法不同(本文是计算机重建后丘脑过质点的前-后点、内-外点、上-下点的观测,后者是以每脑片上核团中心点的直线距离肉眼观测)所致。
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    3.4 临床应用解剖学要点

    3.4.1 有助于手术方案的制订,为手术提供导向 本文重建了带有坐标的、可随意旋转的丘脑图像 ,为术者在术前展示整个丘脑的空间形态和具体位置,为制订针对性的手术方案提供帮助。 本 文建立了丘脑三维医学图像和数据库,使脑部结构可视化;有了上述基础,术者可进行虚拟 实际的手术操作,术中提供导向,使手术更趋安全、精确、有效。

    3.4.2 有助于具体“靶点”和“靶道”的确定 脑立体定向手术获得满意效果是既达到治病目的又尽可能少地损伤周围脑组织,其核心是“靶点”的确定和“靶道”的选择。本文X、Y、Z轴坐标值的交点即丘脑的空间“靶心”,而前后径、左右径、上下径是其立体“边界 ”。然而临床手术并非将上述“靶心”视为恒定不变的“靶点”,整个丘脑也非均为“靶区”。因为丘脑是由众多神经核团所组成的巨大灰质团块,其功能各自分工,“靶点”的选择 是视病人的实际情况而定。目前公认的、效果确切的立体定向手术治疗震颤麻痹是毁损丘脑 的腹外侧核,即毁损该核前部对强直改善明显;毁损其后部对治疗震颤效果好;毁损其偏内 、偏外侧分别对上肢、下肢的体征的减轻有效[12]。根据解剖学知识,将丘脑腹外侧 核从本文提供的计算机屏幕上带有坐标的丘脑三维图像中“切割”下来,这样就可以分别获得其前部、后部、偏内侧部和偏外侧部的三轴坐标值,三轴相交的一点即术中的“靶点”,当然尚 需 结合某一个体(病人)MRI的图像作适当的调整,以期达到正确打靶之目的。另一个问题是“ 靶道”的选择,作者已在另文中确定了丘脑的“靶心”直线即回归直线,在矢状面、冠关面 、水平面上回归直线与纵轴的夹角是该切面丘脑的偏斜角度,即沿着外-内方向、前-后方 向、上-下方向打靶的坐标角度分别为34°、35°、34°[11]。腹外侧核是丘脑主要组成 部分之一,其偏斜角度与丘脑一致,因此打靶时的“靶道”角度亦应一致才能与丘脑的回归 直线平行。简而言之,术中“靶道”是沿偏斜角度与回归址线平行方向直线前进而不能多方向转动,当然尚需注意要在避开脑内重要结构和较大血管的前提下进行。■
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    参考文献:

    [1]左焕琛,谭德炎,沈宗文,等.人体器官的计算机三维重建及显示.解剖学杂志,1990,13(3):199

    [2]许鹿希.电子计算机三维重建、展示与分析猕猴丘脑核团.解剖学通报,1984,(7):1

    [3]金廷赞.计算机图形学.杭州:浙江大学出版社,1998.315~321

    [4]Moshfeghi M.Elastic matching of multimodality medical images.CVGIP: Graphical Models and Image Processing,1991,53(3):143

    [5]管伟光.体视化技术及其应用.北京:电子工业出版社,1998.76~79
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    [6]罗振东.计算机图示学原理和方法.上海:复旦大学出版社,1993.166~167

    [7]陆 平,施纯敏,沈东学.动脉血管腔内超声显像的三维重建.中华超声影像杂志,1994,3(3):138

    [8]Baba N,Nakamurs S,Kino I,et al.Three dimensional reconstruction fro m serial section images by computer graphics.J.Electron Cicrosc.Tech,1986,3:401

    [9]Carlbom I,Terzopoulos D,Harris M.Computer assited registration segm entation an d 3D reconstruction from images of neuronal tissue sections.IEEE Trans.On Medi Imaging,1994,13:351

    [10]Terzopoulos D,Platt J,Barr A,et al.Elastically deformable models.Computer Graphics,1987,21(4):211

    [11]田菊霞,卢洪煊,柴东乔等.丘脑三维空间形态与位置的研究.功能性与立体 定向神经解剖杂志,1997,10(4):1

    [12]田增氏.现代立体定向神经外科学.北京:中国科技出版社,1997.93

    收稿日期:1999-03-27, 百拇医药