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[摘要]目的:探討虛擬人體的研究方法和手段。方法:選擇一無器質(zhì)性病變中年男性顱腦標本,采用冰凍刨削切片技術,間隔1mm作斷層切片,經(jīng)掃描儀、普通相機和數(shù)碼相機摘取圖像輸入計算機,用自編軟件處理平臺重建顱腦三維結(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,重建結(jié)構(gòu)可任意放大或縮小,單獨或疊加顯示,并可任意角度旋轉(zhuǎn)等。結(jié)論:初步組建中國人顱腦數(shù)據(jù)庫。

計算機技術和信息技術的迅猛發(fā)展,給人體數(shù)字化研究的開拓和發(fā)展帶來了強大的推動力,人體結(jié)構(gòu)信息的數(shù)字化是科技發(fā)展的前沿問題,是一項巨大的科學研究工程?？梢暼梭w計劃(VHP)源于美國生物醫(yī)學圖像庫建立的需求[1],在醫(yī)學領域數(shù)字化虛擬人體不僅用于生物和人體形態(tài)學研究和教學,也開始有效地應用于矯形和整形外科在手術前后的可視化模型,外科手術模型的建立及模擬手術等。同時,數(shù)字化虛擬人體還廣泛地應用于航天航空學、生物力學、機器人學和體育訓練等學科[2]。本課題組立足于國內(nèi)現(xiàn)有的技術水平,完成了人體最為復雜的部位—顱腦的數(shù)字化研究工作。

1材料與方法

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

1.2方法①用紅色乳膠行股動脈灌注,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準的坐標系統(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)觀察可見冰層透明、無氣泡,頭部無位置變化及變形,斷面與盒底緊貼,冰塊與小盒凍成一體。然后注入清水,放置對位標志,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)用自制刨削機按預先設置的切割線自下而上切制,獲得連續(xù)斷層標本切片圖像240張(層厚1mm,用1~240分別編號)。為了防止因摩擦生熱而帶來的負面影響,采用噴純酒精的方法進行物理降溫,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實驗計算機三維重建系統(tǒng)配置硬件:CPUPentuimⅡ350,內(nèi)存128M,硬盤30GB,顯示器Philips107G,IntelliTouch表面聲波觸摸屏,掃描儀MicroTekSlimScanC6最大光學分辨率600×1200DPI(dotperinch),數(shù)碼相機DC-260最高分辨率1536×1024。軟件:圖片對位軟件,邊界處理軟件,三維重建軟件。

2結(jié)果

2.1圖像輸入通過DC—260型數(shù)碼相機、理光5型光學相機于斷端實時拍攝,通過MicrotekSlimscanC6掃描儀按600dpi光學分辨率掃描標本實物,然后統(tǒng)一輸入計算機。

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

2.3對位運用自行研制的圖形對位軟件在計算機上首先確定4個基準點,4個點排布于正方形的4個頂點,相鄰兩頂點間距為1000個像素。將輸入圖像四周的4個標志點分別與4個基準點對齊,由于在實際標本上相鄰兩點的距離為25cm,這樣每4個像素的寬度就相當于1mm,為后來的測量提供了便利,同時解決了圖像的平移和旋轉(zhuǎn)問題,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)庫把顱腦所有組織結(jié)構(gòu)按一定的順序建立數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫的名稱以相應的組織結(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存在相應的數(shù)據(jù)庫內(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個單一的數(shù)學公式進行表達;而且各器官或組織之間的色彩互相含蓋,通過色彩和灰度也很難將不同組織器官加以區(qū)分,所以通過人工辨認和部分自動標識的方法來識別和提取邊界。在邊界提取過程中,運用自行設計的邊界處理軟件,完成了對頭部表皮、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。

2.6三維重建的計算將相鄰斷面結(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構(gòu)成物體表面,兩個層面間距離為1mm,然后經(jīng)RGB彩色賦值、光照計算、消隱計算,即可進行重建結(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數(shù)個小矩形,每個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)過矯正對位、描邊處理、三維重建3個步驟后,在微機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,立體感強,包括虛擬色彩的表面輪廓重建和真實色彩的體素重建,見圖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,各有其相關的應用領域。重建軟件的性能直接影響三維重建的質(zhì)量和速度。表面顯示算法是應用圖像分割技術,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計算機灰度識別,即基于CT或MRI掃描圖像的三維重建,此種識別方式目前應用較多,其優(yōu)點是無需人工切片,對位及提取邊界都由計算機完成,消除了人為主觀因素的影響,提高了重建的精確度。但對于復雜的結(jié)構(gòu)來說,目前的CT、MRI還不能僅僅依靠灰度值的不同進行區(qū)分。此外,目前CT、MRI掃描層厚最薄只能達到1mm左右,這也在一定程度上限制其在未來三維重建中的應用。本文作者認為灰度識別對于某些組織(如骨組織等)邊界的識別效果明顯,而對于整體重建效果不明顯。③計算機RGB識別,即依靠斷層標中不同組織之間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,以目前的技術尚無法通過計算機進行區(qū)分。而對經(jīng)過特殊處理(如血管灌注帶色乳膠等)的組織,識別效果明顯,改善了工作中的勞動強度和精度,但對細小血管仍無法達到滿意的識別效果。所以,對于大部分組織來說,人工識別提取邊界依然是一種重要手段,目前計算機尚無法取代人工識別組織邊界。本實驗采用的是在人工識別提取邊界基礎上的表面重建和體素重建。為了提高計算機的運算速度和邊界的平滑度,采用先確定關鍵點,然后在關鍵點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,來計算畫面的顏色與明暗,用光線投射法直接顯示數(shù)據(jù)場。此顯示法的特點是能顯示實體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在此基礎上,可以沿任意角度進行切割,這對于解剖學教學、科研及臨床上模擬手術入路等領域具有重要意義。此種顯示法的缺陷在于其無法完成整體內(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)運算量大,對計算機硬件設備要求很高,很難做到實時顯示,所以目前難以普及。隨著計算機技術的飛速發(fā)展,此種顯示法在計算機三維重建中必將得到進一步發(fā)展和完善。超級秘書網(wǎng)

[參考文獻]

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