基于Micro CT圖像豚鼠顳骨的三維重建

朱凱銓 唐安洲 謝利紅 孫愷 廖婷

豚鼠是耳科學方面實驗研究最常用的動物模型之一,目前國內外對于豚鼠顳骨解剖都局限在中耳顯微手術研究其解剖結構,其空間位置及周圍結構的比鄰關系都只是大致的描述,且常規的連續冰凍切片技術不同程度地導致組織的收縮或破損,為了三維重建,每樣本必須被拍到,對齊,導入到軟件;而磁共振(MR)成像大,并需要有特殊的固定劑,近年來廣泛應用的Micro CT彌補了這些缺點。本實驗旨在通過對豚鼠顳骨進行Micro CT的掃描,予mimics軟件三維重建其聽骨鏈、耳蝸及半規管等結構,并測量,為相關實驗研究提供一定的解剖依據。

1 材料與方法

1.1材料

標本由廣西醫科大學動物中心提供的健康白化豚鼠5只(10耳)(二級),標準環境飼養,體重300～400g,雌雄不拘,耳廓反射靈敏,鼓膜完整、標志清楚,頭頸無病變。麻醉后快速斷頭取得顱骨并制作成骨標本,于4%多聚甲醛溶液中保存備用。

1.2設備與軟件

臺式電腦CPU:Core i5 2300,內存:DDR3 1333MHZ 2G × 2,顯卡:NVIDIA GeForce 6100 nForce 405(Windows XP系統),Micro CT(型號:ZKKS-MCT-SHARP,廣州市中科愷盛醫療科技有限公司提供,中國),軟件:Mimics10.01( Materialise公司,比利時)。

1.3方法

1.3.1掃描數據 Micro CT球管實驗前預熱時間 3 min,預熱后設置各項參數[管電壓:60 kvp( kilovolt peak,千伏峰值) ; 功率:30W; 電流:0.5mA;掃描層厚:20 μm; 探測器疊加模式:6 幀疊加,中視野掃描],對設備進行空掃和暗電流掃描,將顱骨標本進行Micro CT高精度掃描,掃描時保持顱骨左右徑與檢查平臺垂直,開啟 X-ray 開關開始采集數據,用時 28 min,掃描完成后用 Micro CT 自帶處理軟件對數據進行處理,調整窗寬、窗位,主要保留聽泡區域,數據保存為標準DICOM 格式文件,獲取圖像509張。

1.3.2三維重建 將獲得的標準DICOM格式序列文件導入mimics軟件,Thresholding(域值) 功能采集灰度,由軟件自動生成 Mask(蒙板),調整域值,閾值分割、區域增長,逐張比對原圖像并修改噪點,重復逐層編輯蒙板、計算輪廓線,保證 Mask 邊緣與各結構邊緣的一致,完成圖像分割,分別三維重建,調整光順參數,進行三維圖像光順化處理。修整模型時,選擇水平位、冠狀位和矢狀位結合觀察的方式。

2 結果

2.1聽骨鏈的三維重建

在豚鼠,錘骨頭和砧骨體融合在一起,形成錘砧復合體(圖1)。鐙骨同人類相似(圖2,圖3)。

圖1 錘砧復合體

圖2 鐙骨

2.2耳蝸及半規管

三維重建的耳蝸及半規管(圖4)。由于MicroCT無法清晰分辯軟組織結構,前庭膜無法清晰辨認,所以前庭階與鼓階組合在一起,作為一個單一的流體空間。豚鼠耳蝸約4.2回,耳蝸長度是蝸頂到前庭窗的螺旋長度。半規管的曲率半徑R這么計算:R=[0.5×(高+寬)/2]。半規管的高度是前庭窗與半規管弧上離前庭窗最遠距離的那個點(半規管腔中心)的直徑,而寬度則是垂直于高度測得的半規管的直徑。半規管總長度是從前庭窗沿半規管弧測得。

圖3 鐙骨底板

圖4 中耳聽小骨,耳蝸及半規管

表1 測量結果

3 討論

豚鼠由于其顳骨結構與人類相似,廣泛應用于耳科實驗中,常用來作以下動物模型:半規管阻塞、前庭藥物毒性實驗、內淋巴水腫、分泌性中耳炎、病理生理研究、不張性中耳炎等。Micro CT技術的一個優點是,整個樣本的空間被數字化,重建的樣本可以從任何角度觀察,可以虛擬切片,可以不破壞原來樣本結構的情況下重復測量。常規的組織切片的方法三維重建,需要固定、脫鈣、包埋,切片組織學技術不同程度地導致組織的收縮或破損,而且,為了三維重建,每個切片樣本必須被拍到,對齊,導入到軟件,以至于人為導致失真。磁共振(MR)成像價格昂貴,甚至需要有特殊的固定劑。但是,Micro CT有個明顯的局限性就是,不能清楚看見軟組織結構,比如本實驗中的前庭膜,因此,不可能的單獨識別前庭階和中階,所以前庭階和中階作為單一流體空間來三維重建,然而,骨螺旋椎板伸向耳蝸的側壁提供一個可靠的標志,以幫助識別鼓階、前庭階和中階之間的邊界。隨著數字醫學的發展,Micro CT在骨科、口腔科、生物材料以及組織工程領域會有廣闊的應用價值。在本實驗中,本文研究結果進一步完善了豚鼠顳骨解剖數據,可以幫助和指導準確定位豚鼠顳骨結構,這些數據及可視化三維形態學可以構建更多的動物模型,為進一步研究豚鼠耳科學動物模型提供三維解剖學參考。

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