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[摘要]目的:探討虛擬人體的研究方法和手段。方法:選擇一無(wú)器質(zhì)性病變中年男性顱腦標(biāo)本,采用冰凍刨削切片技術(shù),間隔1mm作斷層切片,經(jīng)掃描儀、普通相機(jī)和數(shù)碼相機(jī)摘取圖像輸入計(jì)算機(jī),用自編軟件處理平臺(tái)重建顱腦三維結(jié)構(gòu)。結(jié)果:完成顱腦圖像數(shù)據(jù)的采集工作,斷面圖像清晰;組建數(shù)據(jù)庫(kù),重建結(jié)構(gòu)可任意放大或縮小,單獨(dú)或疊加顯示,并可任意角度旋轉(zhuǎn)等。結(jié)論:初步組建中國(guó)人顱腦數(shù)據(jù)庫(kù)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,給人體數(shù)字化研究的開(kāi)拓和發(fā)展帶來(lái)了強(qiáng)大的推動(dòng)力,人體結(jié)構(gòu)信息的數(shù)字化是科技發(fā)展的前沿問(wèn)題,是一項(xiàng)巨大的科學(xué)研究工程?？梢暼梭w計(jì)劃(VHP)源于美國(guó)生物醫(yī)學(xué)圖像庫(kù)建立的需求[1],在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域數(shù)字化虛擬人體不僅用于生物和人體形態(tài)學(xué)研究和教學(xué),也開(kāi)始有效地應(yīng)用于矯形和整形外科在手術(shù)前后的可視化模型,外科手術(shù)模型的建立及模擬手術(shù)等。同時(shí),數(shù)字化虛擬人體還廣泛地應(yīng)用于航天航空學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)器人學(xué)和體育訓(xùn)練等學(xué)科[2]。本課題組立足于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)水平,完成了人體最為復(fù)雜的部位—顱腦的數(shù)字化研究工作。

1材料與方法

1.1標(biāo)本選擇一經(jīng)CT、MRI檢查無(wú)器質(zhì)性病變,無(wú)頭部外傷及手術(shù)史,發(fā)育良好,身材、頭圍等參數(shù)符合中國(guó)人體特征的中年男子新鮮尸體一具,要求頭部無(wú)扭曲及擠壓變形。

1.2方法①用紅色乳膠行股動(dòng)脈灌注,待乳膠完全凝固后,平甲狀軟骨上緣在保持頭部自然體位的情況下呈水平位離斷顱腦,獲得完整的顱腦。②將頭顱置于特制的大小適中的立方體小盒內(nèi),其內(nèi)徑為25cm×25cm×25cm,盒的外側(cè)有本論文由整理提供標(biāo)準(zhǔn)的坐標(biāo)系統(tǒng)。將顱腦放入盒中央,使顱腦下斷面與盒底面緊貼,向盒內(nèi)注入少許清水,排空斷面與盒底間氣泡后,置于戶外(氣溫低于-20℃)冷凍。待完全凍透后(冷凍1周)觀察可見(jiàn)冰層透明、無(wú)氣泡,頭部無(wú)位置變化及變形,斷面與盒底緊貼,冰塊與小盒凍成一體。然后注入清水,放置對(duì)位標(biāo)志,加防塵蓋,排空氣泡,于戶外安全處冷凍。③于冬季室外(氣溫-20℃以下)用自制刨削機(jī)按預(yù)先設(shè)置的切割線自下而上切制,獲得連續(xù)斷層標(biāo)本切片圖像240張(層厚1mm,用1~240分別編號(hào))。為了防止因摩擦生熱而帶來(lái)的負(fù)面影響,采用噴純酒精的方法進(jìn)行物理降溫,既防止了融化又有效去除了冰晶,提高了圖像的清晰度。

1.3實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)三維重建系統(tǒng)配置硬件:CPUPentuimⅡ350,內(nèi)存128M,硬盤(pán)30GB,顯示器Philips107G,IntelliTouch表面聲波觸摸屏,掃描儀MicroTekSlimScanC6最大光學(xué)分辨率600×1200DPI(dotperinch),數(shù)碼相機(jī)DC-260最高分辨率1536×1024。軟件:圖片對(duì)位軟件,邊界處理軟件,三維重建軟件。

2結(jié)果

2.1圖像輸入通過(guò)DC—260型數(shù)碼相機(jī)、理光5型光學(xué)相機(jī)于斷端實(shí)時(shí)拍攝,通過(guò)MicrotekSlimscanC6掃描儀按600dpi光學(xué)分辨率掃描標(biāo)本實(shí)物,然后統(tǒng)一輸入計(jì)算機(jī)。

2.2圖像矯正對(duì)個(gè)別圖片的明暗度、對(duì)比度、色彩飽和度等人為造成的差異進(jìn)行統(tǒng)一處理和修補(bǔ)。矯正后的圖片各種組織結(jié)構(gòu)分界清晰,色彩真實(shí),較大血管、晶狀體、視交叉、基底核、腦干一些灰質(zhì)團(tuán)塊及腦室系統(tǒng)各個(gè)部分清晰可見(jiàn),見(jiàn)圖1(封2左上)。

2.3對(duì)位運(yùn)用自行研制的圖形對(duì)位軟件在計(jì)算機(jī)上首先確定4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn),4個(gè)點(diǎn)排布于正方形的4個(gè)頂點(diǎn),相鄰兩頂點(diǎn)間距為1000個(gè)像素。將輸入圖像四周的4個(gè)標(biāo)志點(diǎn)分別與4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)齊,由于在實(shí)際標(biāo)本上相鄰兩點(diǎn)的距離為25cm,這樣每4個(gè)像素的寬度就相當(dāng)于1mm,為后來(lái)的測(cè)量提供了便利,同時(shí)解決了圖像的平移和旋轉(zhuǎn)問(wèn)題,使240張圖片在大小、位置上相一致,為提取邊界并重建提供了必要的前提條件。

2.4建立數(shù)據(jù)庫(kù)把顱腦所有組織結(jié)構(gòu)按一定的順序建立數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)庫(kù)的名稱以相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)名稱命名。

2.5邊界提取本文作者采取表面重建法和體素重建法,在重建前將擬重建的器官的邊界信息提取并儲(chǔ)存在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。由于不同器官或組織之間(特別是顱內(nèi)組織器官)邊界輪廓不是規(guī)則的幾何圖形,很難用1個(gè)單一的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行表達(dá);而且各器官或組織之間的色彩互相含蓋,通過(guò)色彩和灰度也很難將不同組織器官加以區(qū)分,所以通過(guò)人工辨認(rèn)和部分自動(dòng)標(biāo)識(shí)的方法來(lái)識(shí)別和提取邊界。在邊界提取過(guò)程中,運(yùn)用自行設(shè)計(jì)的邊界處理軟件,完成了對(duì)頭部表皮、顱骨、大腦皮質(zhì)、髓質(zhì)、腦室、基底核、腦干、小腦等主要結(jié)構(gòu)邊界的提取并將信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.6三維重建的計(jì)算將相鄰斷面結(jié)構(gòu)邊緣輪廓線采用“蓋瓦片”方法連接,即用三角面片連接起來(lái)構(gòu)成物體表面,兩個(gè)層面間距離為1mm,然后經(jīng)RGB彩色賦值、光照計(jì)算、消隱計(jì)算,即可進(jìn)行重建結(jié)構(gòu)的顯示。采用體素重建法是把帶有一定厚度的斷面圖像變?yōu)闊o(wú)數(shù)個(gè)小矩形,每個(gè)小矩形保留原始圖像的所有信息,然后堆積重建顱腦各結(jié)構(gòu)。本論文由整理提供

2.7重建圖像經(jīng)過(guò)矯正對(duì)位、描邊處理、三維重建3個(gè)步驟后,在微機(jī)顯示器上成功地在二維屏幕上顯示出顱腦各結(jié)構(gòu)的三維立體形態(tài),結(jié)構(gòu)真實(shí),立體感強(qiáng),包括虛擬色彩的表面輪廓重建和真實(shí)色彩的體素重建,見(jiàn)圖2和3(封2中上、右上)。

3討論

三維重建的方法主要包括兩大類:基于輪廓的表面重建法和基于體素的重建法[3]。兩種方法相輔相承,各具優(yōu)缺點(diǎn),各有其相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。重建軟件的性能直接影響三維重建的質(zhì)量和速度。表面顯示算法是應(yīng)用圖像分割技術(shù),將原始圖像分割成代表不同組織和器官的若干區(qū)域,然后構(gòu)造這些區(qū)域邊界的表面,從而完成表面重建,可見(jiàn)表面顯示算法的前提就是邊界的提取。目前圖像分割及提取邊界的方法主要包括:①人工識(shí)別,在斷面圖片上,各種器官組織分界不明顯(如大腦基底核),只能靠人工界定。②計(jì)算機(jī)灰度識(shí)別,即基于CT或MRI掃描圖像的三維重建,此種識(shí)別方式目前應(yīng)用較多,其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需人工切片,對(duì)位及提取邊界都由計(jì)算機(jī)完成,消除了人為主觀因素的影響,提高了重建的精確度。但對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),目前的CT、MRI還不能僅僅依靠灰度值的不同進(jìn)行區(qū)分。此外,目前CT、MRI掃描層厚最薄只能達(dá)到1mm左右,這也在一定程度上限制其在未來(lái)三維重建中的應(yīng)用。本文作者認(rèn)為灰度識(shí)別對(duì)于某些組織(如骨組織等)邊界的識(shí)別效果明顯,而對(duì)于整體重建效果不明顯。③計(jì)算機(jī)RGB識(shí)別,即依靠斷層標(biāo)中不同組織之間RGB值的差異將各結(jié)構(gòu)加以區(qū)分。但由于人體結(jié)構(gòu)(特別是顱腦內(nèi)的結(jié)構(gòu))極其復(fù)雜,如骨松質(zhì)、肌纖維、大腦皮質(zhì)、神經(jīng)核等結(jié)構(gòu),在圖片顯示上都為紅棕色,以目前的技術(shù)尚無(wú)法通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行區(qū)分。而對(duì)經(jīng)過(guò)特殊處理(如血管灌注帶色乳膠等)的組織,識(shí)別效果明顯,改善了工作中的勞動(dòng)強(qiáng)度和精度,但對(duì)細(xì)小血管仍無(wú)法達(dá)到滿意的識(shí)別效果。所以,對(duì)于大部分組織來(lái)說(shuō),人工識(shí)別提取邊界依然是一種重要手段,目前計(jì)算機(jī)尚無(wú)法取代人工識(shí)別組織邊界。本實(shí)驗(yàn)采用的是在人工識(shí)別提取邊界基礎(chǔ)上的表面重建和體素重建。為了提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和邊界的平滑度,采用先確定關(guān)鍵點(diǎn),然后在關(guān)鍵點(diǎn)間用平滑曲線相連的方法。體素重建法是以二維切片圖像數(shù)據(jù)及切片厚度組成三維矩形多面體,利用數(shù)據(jù)體內(nèi)的密度變化進(jìn)本論文由整理提供行物質(zhì)分離,使密度變化的梯度作為曲面法向,來(lái)計(jì)算畫(huà)面的顏色與明暗,用光線投射法直接顯示數(shù)據(jù)場(chǎng)。此顯示法的特點(diǎn)是能顯示實(shí)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,可以沿任意角度進(jìn)行切割,這對(duì)于解剖學(xué)教學(xué)、科研及臨床上模擬手術(shù)入路等領(lǐng)域具有重要意義。此種顯示法的缺陷在于其無(wú)法完成整體內(nèi)部各種器官、組織的拆分顯示,要完成此功能必須與表面重建方法相結(jié)合。而且數(shù)據(jù)運(yùn)算量大,對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備要求很高,很難做到實(shí)時(shí)顯示,所以目前難以普及。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,此種顯示法在計(jì)算機(jī)三維重建中必將得到進(jìn)一步發(fā)展和完善。超級(jí)秘書(shū)網(wǎng)

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