端腦皮質斷層解剖輔助教學應用程序開發①

付廷剛，韋 磊，黃忠浩*

（齊魯醫藥學院，山東 淄博 255213）

端腦皮質位于端腦表面，并在腦表面構成腦溝和腦回，依據腦溝的形態將端腦皮質分成5個葉，每個腦葉上的腦回都是管理人體某一功能的重要中樞，腦皮質的損傷導致人體某一功能的障礙，在影像斷層上辨識腦皮質的溝回一直是教學的重點和難點。計算機技術、信息技術和醫學人體三維重建技術的發展，使醫學研究從平面走向立體，醫學與信息技術、計算技術相結合，運用人體結構的數字化信息可以加速醫學教育和醫學研究的進程[1]。

本研究通過對端腦皮質表面溝回的三維可視化構建，并將腦溝回腦葉斷層圖像和三維端腦整體圖像對比結合構建計算機數字模型，作為一種輔助教學和學習手段幫助腦溝回斷層辨識以及腦皮質溝回定位的理解，也有助于影像斷層思維的建立，促進了端腦溝回斷層的教學和學習效果的提高。

一、端腦皮質溝回腦葉斷層圖像獲取及選擇

端腦皮質溝回腦葉的斷層圖像包括MRI影像圖像和斷層標本圖片，主要通過對目標顱腦的切割斷層并拍照和掃描獲得。

1.顱腦標本斷層圖像采集，為確保斷層切割標本制作的質量，在選擇顱腦標本時應嚴格篩選，選擇時仔細研究顱腦標本外觀、形態、年齡等特征，并通過影像掃描確認無腦部疾病、畸形和其他異常等情況[2]。選取各項數據特別是通過掃描端腦的經線接近的健康顱腦標本4個（A、B、C、D分別進行橫斷層、矢狀斷層、冠狀斷層切割及三維掃描重建），對選定標本進行甲醛灌注固定3～5天，條件達到后，利用電動帶鋸對目標顱腦進行斷層標本制作，D標本準備開顱取腦進行三維掃描。

將冷凍固定好的ABC三個顱腦標本進行鋸切畫線，A標本以眥耳線為基線，設定層厚為5 mm連續劃線，B標本以正中矢線為基線，層厚設定為5 mm，向左右連續劃線，C標本以過外耳門與下眶耳線垂直的垂線為基線向前向后連續劃線，畫好線的標本進行冷凍包埋固定，冷凍包埋成高30 cm寬20 cm長40 cm的方冰塊。利用電動帶鋸依據鋸切線對包埋好的標本進行連續鋸切，據耗大約1 mm，獲得顱腦部三方位斷層標本（冠狀位21個，水平位18個，矢狀位21個），對鋸切好標本進行后續清洗、修潔、拋光等處理，然后對三方位標本逐片攝片，選取端腦顯示清楚的斷層標本圖像，橫斷層12個，冠狀斷層14個，矢狀斷層（右側）9個。獲取標本圖像，輸入計算機后對圖像進行進一步處理。由于各種組織硬度的差異，標本表面可能出現劃痕或組織塊缺損，需通過圖像處理軟件進行后期修飾[3]。

2.影像MRI斷層圖像采集，招募MRI掃描志愿者，挑選健康成年25～45歲志愿者5位，利用Philips Achivea3.0TX雙梯度超導磁共振掃描系統對目標人群顱腦掃描獲取MRI圖像，橫斷層掃描以眥耳線為基線，層厚為3 mm，每人獲取MRI圖像30幅，共150幅。矢狀斷層掃描以正中矢狀面為基線，層厚3 mm，每人獲取MRI圖像32幅，共160幅。冠狀斷層以過外耳門垂直于Reid基線的垂線為基線，層厚設定在3 mm，獲取圖像32張，共160幅。將MRI影像圖像從磁共振輸出到PC機上，利用圖像處理軟件對獲得的MRI圖像進行處理，包括清晰度、色度、飽和度等的調整，使腦皮質溝回顯示清晰。

將獲得的三方位MRI圖像與選定的端腦標本圖像進行對比觀察、挑選，重點確定中央溝、外側溝、頂枕溝、外側溝等主要腦溝的位置，因為腦溝是辨別腦回的重要標志，選擇各方位與標本圖像最接近的磁共振圖像（橫斷層12個，冠狀斷層14個，矢狀斷層9個），對選定好MRI圖像和斷層標本圖形利用Adobe Fireworks CS3進行調整畫質、修潔、周邊清理、背景處理等圖像后處理，最后形成能輸入建模平臺建模的清晰斷層圖片。Fireworks是專門用于圖形圖像設計處理的一款編輯軟件，這款圖形處理軟件可以制作鮮活的動畫場面，也可以進行大圖切割、翻轉圖動態控制等操作，而且效果非常顯著[4]。

二、端腦皮質整體溝回的三維圖像獲取

端腦皮質整體圖像通過三維掃描儀器對目標端腦表面進行全方位掃描獲得，三維掃描儀主要應用于外形、輪廓等的成像，不能用于內部，不能直接觀察外形結構的對象三維成像，端腦皮質溝回主要位于腦表面，通過三維掃描獲得的圖像更加真實、清楚，基于斷層數據的重建圖像在圖像效果上與三維掃描標本后重建的圖像比較，三維掃描圖像更接近于標本結構的本身，圖像比基于斷層技術的重建圖像更真實。三維人體掃描是應用光敏設備捕捉投射到人體臟器表面的光（激光、白光及紅外線）在人體上形成的圖像，然后利用軟件程序解讀出三維圖像上的一些形態，并形成臟器的三維可視化的圖像，并可以對圖像進行觀察和測量[5]。

D標本開顱取腦，取出腦后剔除腦表面的被膜及血管，經大腦縱裂將修好的腦標本縱行切開，從中腦水平將腦干和小腦去掉，暴露出端腦上外側面、內側面和下面的溝回。利用三維掃描儀對制作好的端腦標本進行以垂直軸、矢狀軸和冠狀軸為軸心的全方位的掃描，掃描過程中注意掃描探頭的穩定和移動的平穩以保證圖像的質量。三維掃描是利用物體表面特征信息數據進行實時拼接，采集足夠范圍時，當掃描到足夠信息時掃描框內顯示范圍已足夠，停止繼續掃描，進行去除噪點、減少表面噪聲、平滑數據等處理[6]，而后將獲得端腦表面皮質三維點云數據通過掃描軟件程序構建成封閉曲面模型，最后導入計算機進行端腦表面溝回的三維成像，而后形成端腦表面溝回的三維可視化、可旋轉圖像。

三、應用程序的設計及建立

數字模型也就是計算機應用程序，就是通過計算機可以識別的指令即計算機語言將人們的需求進行轉化，形成一系列由計算機語言組成的計算機能夠理解和執行的指令，從而實現相應功能的程序化[7]。依據實驗目的及應用要求對擬建立的對比數模的界面及功能進行研究設計，我將數模建成五層內容并橫品窗口界面，利用Microsoft Visual Studio（VS）程序開發平臺將獲得的端腦皮質溝回的各種圖像資料數據依次輸入平臺進行建模，建立起端腦皮質溝回斷層標本、MRI、三維整體圖像對比的計算機應用程序。數據模型采用WinCC（Windows Control Center）組態軟件組態監控界面，能夠顯示WinCC OPC服務器端標簽數據值的變化，用WinCCTAG Simulator為WinCC OPC服務器提供數據[8，9]。

建立的數模為五層橫品形窗口界面編排（圖見文末）：一層為部位選擇界面（圖1），二層為方位選擇界面（圖2），三層為三窗口層面選擇及對比斷層結構辨識層面（圖3），四層為三維圖像與斷層圖像對比辨識層面（圖4），五層為品字小窗口放大觀察界面（圖5、6、7）。從第三層開始后面的界面均為橫品字三窗口操控界面（圖2、3、4），三窗口界面為主控界面。

圖1 首層部位選擇界面

首層部位選擇頭部進入第二層，二層界面有三個選擇（圖2），分別對應橫、矢、冠狀方位，鼠標左鍵單擊選擇某一方位，界面跳轉成第三層三窗口主界面（以冠狀為例）。三層界面（圖2）三個小窗口分別為層面選擇界面（左邊窗口）、標本圖像界面（右邊上窗）、MRI圖像界面（右邊下窗）。在層面選擇區拖動基準線選擇要觀察的層面，用鼠標拖動基準線，標本和MRI隨層面不同而變化，橫斷層上下移動，矢狀層左右移動，冠狀前后移動。左擊鼠標選定層面以后，標本和MRI圖像固定為第三層斷層標本和MRI圖像對比觀察界面（圖3）。雙擊斷層標本或MRI圖像界面跳轉到第五層圖像放大界面（圖5、6），雙擊界面返回第三層。右鍵單擊層面選擇窗口界面大腦皮質任意部位跳轉到四層斷層平面和端腦皮質三維整體圖像對比界面（圖4），此時左邊的窗口即轉變為端腦皮質溝回三維整體圖像，左鍵單擊圖像左側向左旋轉，點擊右側向右旋轉，右鍵單擊可以放大三維端腦圖像（圖7）。點擊放大圖片左側向左旋轉，點擊圖片右側向右旋轉。觀察完畢后雙擊左鍵返回四層三窗口主控界面，重新選擇圖像。觀察完畢后通過右鍵雙擊返回主控界面，從主控界面可以通過返回鍵返回到方位選擇界面重新選擇。

圖2 第二層方位選擇界面

圖3 層標本和MRI圖像對比觀察界面

圖4 三維整體圖像對比界面

圖5 斷層標本放大觀察界面

圖6 影像斷層放大觀察界面

圖7 三維腦皮質整體放大界面

四、討論

大腦皮質是端腦的一部分，屬腦和整個神經系統發育較中后期出現的中樞神經系統最高級部位。大腦皮質發育過程復雜多變，經歷分裂、分化、增殖、突觸形成、溝回形成及髓鞘化等過程[10]。端腦由左右兩個大腦半球借中間的胼胝體連接起來共同組成，每一側的大腦半球分為三個面，即上外側面、內側面和下面。胚胎發育期由于腦皮質發育速度快，而顱骨發育速度慢且顱腔容積有限，導致腦皮質折疊形成腦溝和腦回。在端腦表面腦皮質有眾多的腦溝和腦回，不同人的腦皮質溝回存在差別，甚至同一人兩側半球大腦皮質的溝回都不同，腦皮質表面有3條相對恒定的腦溝，即上外側面上的中央溝和外側溝、內側面的頂枕溝，利用這三條相對恒定的腦溝將每側的大腦半球分成5個葉，即額葉、頂葉、枕葉、顳葉、島葉，另外，大腦內側面和底面圍繞胼胝體周圍的腦回組成邊緣葉。不同腦葉具有不同的功能，腦葉上的腦回是腦葉功能的基礎。大腦兩半球及各葉有著很復雜的發展和分化，兩側大腦半球也不完全一樣，一般右利者以左側為優勢半球。端腦皮質的不同部位是管理人體某一部位某種功能的中樞，例如中央前回是軀體運動中樞，負責全身骨骼肌的隨意運動，距狀溝周圍的皮質是視覺中樞，顳葉顳橫回是聽覺中樞等。

腦皮質疾病，如腦皮質的挫裂傷、皮質梗死、皮質腫瘤等導致腦皮質中樞功能障礙，不同的部位損傷產生不同的癥狀[11]。額葉外側面運動區即中央前回損傷產生對側軀肢癱瘓，如病變累及運動前區即額上中下回后部則癱瘓肢肌張力增高。運動前區病變產生對側面部和肢體痙攣性肌張力增高，可伴有輕度癱瘓，強握、摸索、吸吮反射釋放，可出現運動性失用。如左側病變則產生雙側上肢的運動性失用。島蓋區病損產生運動性失語。雙側前額葉病損表現情感淡漠、記憶力減退。額葉內側面額上回后部及叩帶回前部受損時可產生大小便失禁。旁中央小葉病變產生對側下肢癱瘓，以足部為重，膝關節以上肌力多不受損。額葉底面包括眶回、直回，主要為植物神經功能與精神功能。該區病變可產生飲食過量、胃腸道蠕動過度、血壓和呼吸的改變。顳葉前端是顳極，外側面有側裂與上方的額葉分界明顯，后上方及后方與頂葉及枕葉分界不明。顳上回形成島蓋的顳部，后部稱為顳橫回是聽覺區，其外周是聽覺沖動轉變為聽覺意象的感受性言語區。前庭功能皮質在聽覺感受區的后方。顳中回尚有感知音樂的皮質，顳中回及顳下回后部與記憶有關。顳葉內側面的鉤回與海馬回是嗅覺區。味覺皮質尚未確定。頂葉前界為中央溝，后界以頂枕溝及枕前切跡的連線與枕葉分界，下界以外側裂后部達到頂枕線的連線與顳葉分界。頂葉分為中央后回、頂上回與頂下回。頂葉損傷中央后回與頂上回產生皮質性感覺障礙，頂下回損害產生失用、失算、失讀、失寫、體象障礙和視覺性空間定向障礙。枕葉損害主要表現為皮質性失明，偏盲、錯覺與視幻覺及視覺失認等。單側視區破壞性病變產生對側相應的視野缺損，有同向偏盲或象限盲，兩側病變產生全盲或水平型上方或下方偏盲，皮質性偏盲不累及中央黃斑區（黃斑回避）和對光反應不消失。島葉被額、頂、顳葉島蓋所覆蓋，損傷導致內臟植物神經功能紊亂。邊緣葉包括扣帶回、穹窿回峽、海馬回和海馬溝。邊緣系統由邊緣葉和有關的皮質下結構所組成。邊緣系統對內臟活動、植物神經有廣泛的調節作用，對人的情緒行為也有很大影響。腦皮質的損傷嚴重威脅人們的健康，其輔助檢查手段主要靠CT和MRI，影像斷層上精確定位溝回的中樞部位，這對病變的治療和預后尤為重要。如額葉上額中回在斷層上的判定，一般情況下通過講解斷層標本圖片上的位置形態和不同層面上的位置變化，講解的是什么，為什么會這樣變化往往需要個人的領悟及通過斷層圖像反推整體形態，而對于病變的精準定位對腦皮質溝回三維立體形態要求必要，這也是端腦皮質斷層解剖困惑點。另外，成年人大腦溝回的變異較大，這給MRI斷層圖像中腦皮質溝、回的辨認增加了難度，在端腦溝回腦葉斷層解剖教學和學生學習過程，該部位一直是有一個比較難理解的知識點，對比模型的建立，將端腦溝回整體圖像與斷層圖像結合到一起，在一定程度上改變了腦皮質溝回腦葉的斷層解剖教學以腦整體標本、模型及斷層標本二維圖像PPT講解的形式，將可旋轉三維立體腦皮質溝回圖像結合到應用程序當中，講解過程中，先有腦皮質整體講解，然后進行皮質溝回講解，對于同一溝回不同層面的連續變化特點可以返回三維腦皮質整體進行鞏固，有利于學生對端腦皮質溝回的斷層的學習和理解，標本斷層后進行影像斷層溝回的辨識，促進學生專業素養的形成，輔助模型的構建有助于腦皮質溝回腦葉斷層解剖學的教學，是一種比較理想的輔助教學方式。利用信息技術實現端腦斷層解剖結構的的數字化、可視化，促進學生影像斷層思維的建立，另外，端腦對比數模的建立為斷層解剖學的輔助教學手段開發提高教育教學學習效果提供了方法和經驗。