冠狀位頭部標本切削冷凍包埋及圖像采集技術>*

馬瓊杰，劉健華，耿曼英，原　林，王　軍#，陳向東#

1)鄭州大學第二附屬醫院耳鼻咽喉科 鄭州 450014　2)深圳大學醫學部 深圳 518060

冠狀位頭部標本切削冷凍包埋及圖像采集技術>*

馬瓊杰1)，劉健華2)，耿曼英1)，原林2)，王軍2)#，陳向東2)#

1)鄭州大學第二附屬醫院耳鼻咽喉科 鄭州 4500142)深圳大學醫學部 深圳 518060

關鍵詞頭部；冠狀位；銑切；圖像數據集

摘要目的：構建人頭部結構冠狀切面圖像數據系統。方法：遴選合適捐獻的新鮮遺體尸頭，采用數字人標本銑切技術，冠狀位由前向后對尸頭逐層切片、采集圖像，圖像經后期處理構建數字頭部圖像數據集。篩骨部分切片間隔為0.03 mm，其他部位間隔為0.06 mm。利用佳能5DⅢ照相機采集圖像，采取RAW和JPEG兩種格式存儲照片。結果：采集RAW 格式和JPEG格式圖像各3 854幅，其中切片間隔0.03 mm的圖像有1 437幅，間隔0.06 mm的圖像有2 417幅，形成的RAW格式圖像平均每幅24.5 MB，形成的JPEG格式圖像平均每幅5.9 MB。圖像分辨率為2 210萬像素(5 760×3 840)。RAW 格式和JPEG格式圖像總計117.162 G。結論：建立了世界上切削厚度最薄的人類頭部切面圖像數據集，同時也是世界上第一套冠狀位人類頭部切面圖像數據集。

可視人(visible human project，VHP)是生命科學與信息科學結合的新研究領域，即通過信息技術、計算機技術將人體結構數字化，經過三維重建和虛擬現實技術的處理，得到可視的、能夠調控的虛擬仿真人體模型[1]。美國、韓國和中國采用水平位銑切已經先后獲取了人體全身的水平位切面圖像數據集并進行了三維重建應用[2-4]。該領域目前及以后的研究主要是局部和微小器官的圖像數據提取[5]。頭部冠狀位圖像是臨床常用的頭部切面圖像，目前國內外已經制作的VHP數據集的頭部圖像均為水平位圖像，因此，需要進一步開發冠狀位的數字頭部切面圖像數據集。作者現對冠狀位頭部標本切削冷凍包埋及圖像采集進行介紹。

1材料與方法

1.1標本來源 頭顱標本來自深圳大學醫學部人體解剖實驗室。某捐獻者2013年某月某日8:00左右心源性猝死，男性，49歲，生前志愿捐獻，深圳大學醫學部遺體捐獻接收中心技術人員于當天中午12:00接收遺體，獲取頭部標本，標本下方包括環狀軟骨以上部分，頭部外觀無明顯異常。

1.2標本預處理

1.2.1血管及淚囊的灌注同日15:30在實驗室進行頭部血管標志劑灌注，以質量分數10%明膠+80 g/L泛影葡胺+少許濃縮廣告畫顏料(草綠)作填充劑，分別自兩側的頸總動脈各灌注120 mL。另外用注射針頭(尖部磨平)通過淚點、淚道進行雙側淚囊灌注。灌注后置-20 ℃冰箱保存，備做CT掃描。17:10從冰箱取出標本，發現右眼明顯突出。

1.2.2CT掃描同日18:00在深圳某醫院CT室采用64排CT進行掃描，間隔0.625 mm，圖像采用BMP和Dicom兩種格式存儲。

1.3標本包埋 標本包埋采用頭部倒置位，即下頜朝上，以便于包埋液進入鼻腔。包埋盒的設計包括底部、包埋倉及定位桿。根據標本的長、寬、高，選取6 mm厚的有機玻璃片[6]，制作出190 mm×250 mm×250 mm的包埋盒，其底座和四面可以拆卸，頂面缺如以便于加注包埋液，前、后面的四角內各有四個位置對應直徑2 mm的定位桿孔，四根直徑2 mm的白色圓柱狀軟硅膠棒貫穿其中后拉直打結固定。包埋前，包埋盒先進行兩次預冷凍，第一次以包埋液覆蓋底面為準，待完全冷凍后進行第二次預冷凍，此次以液面上升0.5 cm為準，冷凍6 h后開始包埋標本。以質量分數3%明膠亞甲藍溶液作為包埋液。由于包埋液冰凍后體積膨脹變大，為避免標本受到擠壓變形，采用逐層分次包埋，操作在恒溫可控冰箱內進行。開始包埋前將冰箱預降溫至-25 ℃。將標本下頜朝上放入包埋盒，在包埋盒上用記號筆標記顱側與面側，以防標本完全包埋后無法辨識標本方位。加入包埋液至液面上升1～2 cm，用注射器將液平表面氣泡吸出，冷凍6 h，重復進行此過程至標本完全覆蓋。由于采用逐層分次包埋，在最初包埋時液體量較少，不足以將標本冷凍固定，為防止包埋過程中標本發生位移，在其四周的空隙填放紙團以固定支撐。包埋過程中注意觀察液面，使每一層的包埋保持水平。包埋液平面接近前鼻孔時停止加注，改用注射器向雙側鼻腔推注溫熱包埋液，左側鼻腔推注6.5 mL，右側鼻腔推注6.0 mL，觀察包埋液填滿鼻腔后，繼續加注包埋液，分次包埋直至標本完全包埋，而后進行連續48 h的深凍。標本包埋位置見圖1。

圖1　標本包埋位置

1.4標本銑切 采用高精度電腦數控5520型雕銑機進行標本銑切。該套設備的運轉由電腦全自動控制，精確度可達0.001 mm/層。切削過程在雙低溫環境下進行，即銑切室冷庫的低溫環境(設置溫度-5 ℃)輔以干冰、液氮局部降溫，使標本局部溫度保持在-20～-10 ℃，保證包埋塊的低溫環境。設備及包埋塊準備就緒后開始銑切。采用頭部冠狀位切面，由前至后進行銑切。初始設置切削層厚為1 mm，轉速≥2 000 r/min，推進速度≥900 mm/min。切削12層后，標本鼻尖組織出現，將切削機床Z軸進刀量設定為0.03 mm (篩骨部分)和0.06 mm(其余部分)進行等間距切削。由于刀頭高速旋轉切削，為防止因連續切削造成局部溫度升高而致包埋塊表面融化，在每一次的圖像采集完成后，將干冰置于表面進行降溫處理，然后再進行下一次切削。切至空腔部位如鼻竇、鼓室等結構時，由于首次包埋時包埋液未充盈，為防止其內部微細結構(如篩房間隔、聽骨鏈)因包埋不完全而導致崩碎丟失，同時也為避免空腔深部結構影像對該層表面影像的干擾，需對該空腔進行二次包埋填充。用注射器將水浴加熱的包埋液注入需要填充的空腔，使用液氮局部低溫冷凍后繼續切削。標本銑切方向及效果見圖2。

1.5圖像采集 銑切前，調整銑切機X、Y、Z軸使相機處于最佳拍照位置，記錄此位置的坐標X0、Y0、Z0。以X0、Y0、Z0+ZN(其中ZN為截止到第N層包埋塊的總切削厚度)表示拍照位置。每層銑切結束后，用軟毛刷掃除碎屑，用蘸有乙醇的棉布擦拭清潔表面，標本塊左上角放置比例尺和比色板，拍照并采集圖像，在計算機屏幕觀察圖像質量，若質量欠佳，調整照相機參數重新拍照。采用佳能5DⅢ數碼相機進行圖像采集，配以佳能16～35 mm f/2.8L II USM二代鏡頭，有效像素5 760×3 840。計算機圖像采集系統設置為以RAW格式采集存儲圖像,同時以JPEG格式圖像監控采集效果。

圖2　標本銑切效果圖

2結果

整個銑切過程連續不間斷進行，共耗時約270 h，采集RAW 格式和JPEG格式圖像各3 854幅，平均每幅RAW 格式圖像24.5 MB，平均每幅JPEG格式圖像5.9 MB，總計117.162 G。其中切削厚度為0.03 mm的圖像有1 437幅，0.06 mm的圖像有2 417幅，分辨率為2 210萬像素。

采集的圖像清晰度高，可以分辨0.2 mm大小的微細結構(如動脈)。數據集包括耳鼻咽喉、視覺系統、中樞神經系統、口腔系統等器官結構的冠狀面圖像。圖像中各種組織均保持原有色澤。見圖3。圖3A為標本塊大體切面圖像，圖3B是內耳和中耳結構局部切面圖像，圖3C是篩竇、鼻腔結構局部切面圖像。

A:標本塊大體切面圖像;B:內耳和中耳結構局部切面圖像;C:篩竇、鼻腔結構局部切面圖像。圖3　采集的圖像

3討論

頭部器官解剖結構復雜，手術技巧要求高，需要開發高精度的頭部器官三維教學模型、軟件及虛擬手術訓練系統用于醫學教學和年輕醫生的訓練[6]。基于已經創建的VHP頭部數據集，國內外已經進行了大量的開發應用。在耳鼻咽喉領域方面，Park 等[7]基于VHP頭部切面圖像數據開發出了耳部的表面三維結構模型，用于醫學生的教學和虛擬耳鏡訓練；Tran等[8]創建了人電子解剖頭顱，用于電子耳蝸植入研究；Liu等[9]提取中國VHP數據集中的喉部區域圖像數據重建了交互式喉部三維結構模型，用于網絡解剖學和外科模擬教學；Kahrs等[10]重建了人顳骨體繪制三維模型，模型有助于展示人顳骨內部的空間解剖關系，有助于先于尸體實驗或臨床實施進行外科手術入路的探索。在視覺系統方面，Allen等[11]開發了交互式數字三維眼球、眼肌和眼球運動系統神經模型；Park等[12]基于創建的獨立頭部切面圖像數據集，在斷面圖像上全程辨認追蹤動眼神經、滑車神經和外展神經，并采用面繪制技術進行了表面三維模型重建，可用于醫學教學。在口腔領域方面，Sanders等[13]重建了舌肌肉群的計算機表面三維模型，使得舌每條肌肉圖像都得以顯示，有助于研究人員識別；Kajee等[14]從美國VHP數據集中提取舌的幾何形狀、舌的每一條肌肉，包括肌肉纖維的走向，建立舌的幾何及構造模型，對阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征進行生物力學的計算機模擬研究；Chung等[15]基于頭部圖像數據集對海綿竇及毗鄰結構進行了三維重建和研究，確定了海綿竇的六面體形狀，其斷面圖像有助于放射科醫生對海綿竇斷面解剖結構的學習，三維模型有助于神經外科醫生對海綿竇及周圍結構立體解剖結構的學習。Li 等[16]開發了交互式三維腦數字圖譜，在三個方位平面上對腦的主要結構均做了解剖學標記，該數字腦圖譜可以用于解剖學學習、使用者自我測試和學生自我評估。

目前，國內外創建的VHP數據集中，美國男性和女性標本切片間隔分別為1.00 mm和0.33 mm,圖像分辨率為250萬像素(2 048×1 216)[2]；韓國標本切片間隔0.2 mm，圖像分辨率為610萬像素(3 040×2 008)[3]；數字中國人男2號(Chinese digital human NO.2, CDH M2)數據集標本切片間隔0.2 mm,圖像分辨率2 220萬像素(4 080×5 440)[4]。Park等[17]創建的獨立頭部圖像數據集的切片間隔為0.1 mm，圖像分辨率為1 270萬像素(4 368×2 912)。作者此次研究創建的獨立頭部圖像數據集的切片間隔在篩骨部分為0.03 mm,其余部分為0.06 mm,分辨率為2 210萬像素(5 760×3 840)，是目前切片間隔最薄的頭部圖像數據集。另外，美國、韓國、中國的VHP數據集及Park創建的獨立頭部圖像數據集均為水平位切面圖像，因此，該數據集是國內外第一套冠狀位頭部切面圖像數據集。

頭部是人體結構最復雜的部位，包括耳鼻咽喉、口腔、視覺及中樞神經等重要器官系統，是軟組織、骨骼及空腔結構的組合體，有很多微細的解剖結構，如篩房間隔最薄只有0.1 mm厚。該研究中0.03 mm的銑切層厚可以保證至少有兩層切片能夠包含0.1 mm大小的微細組織的圖像信息，可有效防止微細結構的圖像信息丟失，又避免圖像數據量過于龐大。

研究中尸頭標本在灌注前外觀無異常，捐獻者生前也無頭部外傷史，但在行血管及淚囊灌注標志劑及冷凍保存后，出現右眼明顯突出，CT影像及銑切采集的圖像發現右側眶上壁、左側蝶竇上壁局部塌陷，腦組織疝入右眶內導致突眼，左側蝶竇觀察到有腦組織疝入，但是沒有發現眶內及蝶竇內局部積血，可排除生前創傷，推測因動脈灌注血管標志劑及冷凍后腦組織膨脹擠裂眶上壁、疝入眶內和蝶竇內所致。

作為國內外第一套獨立的頭部冠狀位切面數據集，該數據集高切削精度和高圖像分辨率的質量可滿足基礎研究人員、臨床醫生和醫學生頭部冠狀面斷層解剖學的研究和學習，可用于耳鼻咽喉科、眼科、口腔科、神經外科虛擬手術訓練系統開發，三維模型的創建以及解剖三維教學軟件的開發等，有較為廣泛的應用前景。

致謝：高春生、周永生、張全明、曾新宇、刁現芬、高攀、李巖、張杰、李小龍、任永成、黃俊杰、賈夢陽、袁華岳、施敬勇、葉輝粼、溫范塘、孫國忠。

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Cutting, freezing, embedding and image acquisition technology of head specimens in coronal position

MAQiongjie1)，LIUJianhua2)，GENGManying1)，YUANLin2)，WANGJun2)，CHENXiangdong2)

1)DepartmentofOtolaryngology,theSecondAffiliatedHospital,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450014 2)MedicalCollege,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060

Key wordshuman head;coronal position;milling;image dataset

AbstractAim: To build an image data system of coronal sections of human head by digitalizing and visualizing the image of human head.Methods: The suitable fresh human head by donation was selected and sliced in coronal position layer by layer from front to back by using milling technique of digital human. Images were collected to build the dataset of digital head images after procession. Slice interval was 0.03 mm in ethmoid region and 0.06 mm in other parts. All the images were collected by Canon 5DⅢ camera and stored both in RAW and JPEG formats.Results: The collected images were 3 854 in each format, including 1 437 images with an interval of 0.03 mm and 2 417 images with an interval of 0.06 mm. The image size in RAW format was 24.5 MB at average and that in JPEG format was 5.9 MB at average with an image resolution of 22.1 million pixels(5 760×3 840). The total image size in RAW format and JPEG format was 117.162 G. Conclusion: The image dataset is the thinnest in slice thickness among the human head section and the first image dataset of coronal section of human head in the world.

doi：10.13705/j.issn.1671-6825.2016.03.020

#通信作者：陳向東，男，1965年3月生，博士，教授，主任醫師，研究方向：數字耳鼻咽喉科學，E-mail：xdc1981@szu.edu.cn；王軍，男，1970年10月生，博士，副教授，研究方向：數字人體解剖學，E-mail：yxywj@szu.edu.cn

中圖分類號R762;R322

*深圳市科技計劃項目JCYJ20120613103507514，JCYJ201404181819 58477