顱腦斷層解剖輔助教學數字模型開發研究

付廷剛 張玉民 王大慶 張靜

近年來，隨著計算機技術、信息技術和醫學人體三維重建技術的發展，使醫學課程從平面走向立體，人體數字化研究不僅可以用于影像診斷的精準定位和臨床治療預后評估，也可用于人體形態學的研究和解剖學的教學當中[1]。在傳統斷層解剖學教學中，學生通常在老師的指導下進行標本和影像斷面的觀察和學習，在平面上觀察臟器在不同斷面上的位置、特點，且學生動手機會較少，學生學習效果和學習主動性較差[2，3]。利用三維重建技術將人體臟器進行重建并結合到平面斷層圖像當中，能在一定程度上改善教學方法中的缺點，并且重建圖像可以360度旋轉觀察，有利于提升學生學習興趣和學習效果。

本研究擬通過三維技術獲取顱腦主要結構的可視化三維圖像，通過計算機應用開發平臺將三維圖像與平面斷層圖像進行整合設計，建立三維平面對照圖像應用程序，幫助顱腦部結構斷層的理解，提高學習效果，有助于相關專業學生影像斷層解剖思維的建立，為斷層影像診斷奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 顱腦斷層平面圖像獲取

1.1.1 顱腦標本準備 為確保斷層掃描圖像和斷層標本制作的質量，應嚴格篩選顱腦標本，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[4]。選取各項數據特別是通過掃描端腦經線接近的3個健康顱腦標本進行MRI斷層圖像和斷層標本的制作。首先對選定好的3個顱腦標本進行標注：標A為制作橫斷層、標B為制作矢狀斷層、標C為制作冠狀斷層，然后對選定標本進行甲醛灌注固定3～5天，條件達到后，對A、B、C 3個顱腦標本進行斷層掃描和斷層標本制作。

1.1.2 MRI斷層圖像獲取 MRI圖像利用Philips Achivea3.0TX雙梯度超導磁共振掃描系統掃描獲取。橫斷層掃描以眥耳線為基線，層厚為3mm，對A標本進行掃描，獲取MRI圖像30張；矢狀斷層掃描以正中矢狀面為基線，層厚3mm，對B標本進行掃描，獲取MRI圖像32張；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3mm，對C標本進行掃描，獲取圖像33張。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圖像進處理，包括清晰度、色度、飽和度等的調整，使腦溝回顯示清晰。

1.1.3 斷層標本制作及圖像獲取 顱腦斷層標本利用冷凍鋸切方式獲得，將冷凍固定好的A、B、C 3個顱腦標本進行鋸切畫線，A標本進行橫斷層，以眥耳線為基線，設定層厚為5mm連續劃線；B標本以正中矢線為基線，層厚設定為5mm，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30cm、寬20cm、長40cm的方冰塊。利用電動帶鋸并依據鋸切線對包埋好的標本進行連續鋸切，鋸耗大約1mm，獲得顱腦部三方位斷層標本。對鋸切好的標本進行后續清洗、修潔、拋光等處理，選取顱腦結構清晰的連續三方位標本（冠狀位12個，水平位12個，右側半球矢狀位8個），對標本表面進行拍照獲取標本斷層圖像，將圖像輸入PC機進行進一步處理。由于顱腦部各種組織硬度的差異，鋸切獲得的顱腦斷層標本表面會出現小組織塊的缺損和劃痕，需利用圖像處理軟件進行修飾處理[5]。

1.1.4 斷層圖像選擇確定 將獲得的三方位MRI圖像與顱腦斷層標本圖像進行對比觀察進行挑選，重點確定中央溝、外側溝、頂枕溝、基底核、腦室、內囊、間腦、腦干、硬腦膜等主要顱腦結構的位置，選擇MRI各方位圖像與標本圖像最接近的12張各方位圖像（矢狀位8張）。將選定好的MRI圖像和斷層標本圖形利用CS軟件進行圖像修飾處理，獲得能夠輸入建模平臺建模的平面圖片。CS軟件是一種專門用于圖形設計的編輯軟件，其應用不僅可以輕松地制作出具有動感、鮮活的動畫場面，而且在大圖切割、按鈕與翻轉圖動態控制方面也起到了非常顯著的作用[6]。

1.2 顱腦部主要結構的三維成像

1.2.1 腦整體、端腦、腦干、小腦三維圖像 目前，人體結構的三維模型建立主要分為基于幾何學和基于解剖學數據建立的兩種模型，基于解剖學數據建模主要依靠斷層圖像中人體結構的信息，隨著圖形圖像處理技術的快速發展，已成為人體三維建模的主要手段[7]。另外，還有一種三維建模成像技術是通過三維掃描儀器對目標結構表面進行全方位掃描，通過數碼程序對目標結構進行處理成像，這種成像主要應用于外形、輪廓等的成像。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。

選定顱腦標本，并對顱腦標本開顱，沿眉弓和枕外隆突環形劃線，用線鋸沿劃線鋸切顱骨，取下顱蓋骨，切開硬腦膜，取出腦后剔除腦表面的被膜及血管，清洗干凈。利用三維掃描儀對制作好的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拍攝，獲取腦整體的三維圖像。經大腦縱裂將修好的腦標本縱行切開，在中腦上方水平將腦干分離，切斷小腦腳分離小腦，暴露出端腦內側面和下面、腦干和小腦的整體外形，繼續用三維掃描儀進行掃描、拍攝、獲取腦干、小腦、端腦整體的三維圖像。三維掃描儀采用特征拼接對所收集的數據進行實時拼接，當掃描框內顯示已采集足夠范圍時，停止繼續掃描，去除噪點，平滑數據，而后利用軟件將獲得的對象三維點云數據構建成由三角面片組成的封閉曲面模型，導入計算機構成三維數據[8]。

1.2.2 端腦內部基底核、腦室成像 基底核是端腦底部白質內的灰質核團，主要由神經元胞體構成，與運動調節有關，腦室是腦內含有腦脊液的腔隙，根據部位不同又分側腦室、第三腦室、第四腦室等，其內腦脊液的循環流動維持著正常的顱內壓。基底核、腦室等結構的三維成像主要利用基底核、腦室連續層面斷層圖通過Mimics三維軟件進行重建獲得，利用連續斷層進行結構重建，重建圖像。為保證理解效果，另外通過基底核、腦室彩色模型360拍照整合，獲取彩色三維可旋轉圖像，為保證圖像質量和三維整合效果，拍照時著重注意拍攝角度旋轉移動的平順，以免出現誤差。端腦、腦干、小腦等的表面形態三維圖像通過三維掃描標本重建獲得。三維掃描技術通過光線、射線和聲波等物質的投射快速掃描物體，獲得物體表面或內部結構的三維信息，并利用計算機將該信息放入已建立好的空間坐標軸內，構建物體的三維立體圖像并對圖像進行觀察和測量，從而準確獲得物體特征數據[9]。

1.2.3 白質纖維束成像 白質是指顱腦內神經纖維聚集之處，根據纖維走向不同可分為聯絡纖維、聯合纖維和投射纖維，其中投射纖維大部分經過豆狀核、尾狀核和背側丘腦之間的內囊，纖維束的三維圖像主要通過磁共振彌散張量成像（DTI）技術和圖像融合方式獲取。DTI是目前顯示腦白質纖維束的唯一方法，主要通過追蹤白質纖維束走行中水分子移動方向而成像的一種新技術，已逐漸應用于顱腦臨床疾病的診療當中[10]。依據纖維束的走行分別在顱腦不同區域選定感興趣區層面，經過這些層面的纖維束的水分子就可以被磁共振追蹤到并在DTI中顯現。通過磁共振DTI技術獲得的纖維束圖像在DTI工作站可以任意旋轉。利用高性能數碼相機對纖維束進行多角度、多維度連續拍照獲得纖維束圖像，將獲得的纖維束圖像修飾整理，選擇具有代表性的36～40張圖像輸入計算機，通過圖像融合的方式構建起可旋轉的、可以輸入建模平臺的三維纖維束圖像。

1.3 應用程序設計及建立數字模型計算機程序是通過計算機語言組織起來的一系列命令集，應用程序設計就是運用計算機語言將不同功能的需求轉換成計算機能夠理解和執行的指令，從而實現相應功能，達到人們需求的過程[11]。依據實驗目的及應用要求對應用程序界面及特點進行研究設計，我們的設計思路是數模界面簡便、易懂、易操作，內容結構明了、清楚、易辨識，根據設計思路我們團隊將數模建立成五層內容，并行橫品形窗口設計，利用Microsoft Visual Studio（VS）程序開發平臺，將獲得的顱腦部的各種圖像數據資料依次輸入VS平臺進行建模，建立起顱腦斷層標本、MRI、三維圖像對比的輔助教學應用程序。建模時注意各類圖像的分類輸入以及根據數模的界面設計層次進行圖像的輸入，以避免圖像顯示混亂而導致數字模型的崩潰。

2 結果

建立的數模為五層界面編排、橫品形窗口設計，首層為部位選擇界面（圖1），二層為方位選擇界面（圖2），即橫斷層、冠狀斷層、矢狀斷層，三層為三窗口層面選擇及對比斷層結構辨識層面（圖3、4），四層為三維圖像與斷層圖像對比辨識層面（圖5、6），五層為品字小窗口放大觀察界面（圖7、8、9）。從第三層開始后面的界面均為橫品形三窗口操控界面（如圖3、4、5、6），三窗口操控界面為數模主控界面。

圖1 首層部位選擇界面

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（以冠狀斷層為例）。三層界面（圖3）三個小窗口分別是：左邊窗口為層面選擇、右下窗口為標本斷層選擇界面、右上窗口是影像圖像界面。在左邊窗口用鼠標左鍵單擊并移動鼠標可拖動窗口上的基準線移動，基準線移動時標本和MRI的層面也不斷變化，冠狀前后移動（橫斷層上下移動，矢狀層左右移動），可以選擇想要觀察的標本和影像斷層層面。左擊鼠標選定層面以后，左側窗口基線固定，相應的右邊的標本和MRI圖像也固定，可以進行觀察、比對和學習。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8、9），雙擊界面返回第三層。

圖2 方位選擇界面

圖3 層面選擇界面

在第三層界面上右鍵單擊標本或MRI界面，出現三維結構選擇小窗口（圖4），左鍵單擊要觀察的三維結構，界面即跳轉到四層斷層平面和顱腦主要三維結構對比界面，左邊的窗口從層面選擇界面轉換為三維結構觀察界面（圖5），在三維結構界面單擊窗口左側三維結構向左旋轉，點擊右側向右旋轉，右鍵單擊三維結構可以放大圖像（圖7）。左側點擊放大圖片向左旋轉，右側點擊放大圖片向右旋轉。觀察完畢后雙擊左鍵返回四層三窗口主控界面，右鍵單擊斷層圖像可以在三維結構小窗口重新選擇（圖6）。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，再單擊返回鍵返回部位選擇界面。

圖4 三維結構選擇觀察界面（內囊纖維束）

圖5 三維結構斷層對比觀察界面

圖6 三維結構重新選擇界面

圖7 三維結構放大觀察界面（內囊纖維束）

圖8 斷層標本放大觀察圖像

圖9 MRI放大觀察圖像

3 討論

神經系統是人體的調控系統，調節和控制著人體其他系統的功能活動，使人體成為有機的整體。神經系統分為中樞神經系統和周圍神經系統，腦是中樞神經系統的主要組成部分，腦由端腦、間腦、小腦、腦干4個部分組成，腦干又分為中腦、腦橋和延髓。端腦是人體的最高級中樞，管理全身的軀體運動、軀體感覺、視覺、聽覺等功能活動；間腦對人的體溫、體重、內分泌、飲食、生殖方面調節有重要作用；腦干中有人體重要的呼吸、心跳、血壓等基本生命中樞；小腦主要在運動調控中起主要作用。顱腦部的外傷、腦疾病如顱出血、腦腫瘤、腦梗死等引發的腦損傷導致人體某一功能或多種功能活動的障礙。目前，顱腦CT、MRI已成為顱腦損傷病情程度判定的主要監測手段，可以對病情進展情況客觀且動態觀察，也是目前診斷顱腦損傷的“金標準”，可指導臨床合理采用手術進行疾病的治療，促進患者預后[12]。病變部位的早期精準定位對顱腦損傷和病變的治療以及并發癥和后遺癥的預防有重要意義，這就要求對顱腦部結構在影像斷層上的形態位置進行準確識別和理解。

顱腦部是斷層解剖學教學和學生學習過程中最難理解、也是最重要的部位之一，目前斷層解剖講授和學習主要以斷層標本圖像為主，輔以活體顱腦CT、MRI斷層圖像觀察講解，缺乏立體層次感。再者，在連續層面講解過程中，由于相鄰層面的解剖結構形態、位置變化差別大小不一，例如端腦額的溝回，在不同層面上各個溝回的形態差別較小，如何理解自上向下的額上、中、下回及中央前溝、回的變化就是一個重點和難點。加之顱腦斷層解剖的理解需要有較為扎實的系統解剖學基礎知識，而學生在這方面的基礎知識掌握參差不齊，甚至較為薄弱，在學習過程中困惑較多。另外，顱腦部主要部位病變的精準定位不僅是在不同方位，不同層面的定位，更需要對臟器整體情況理解評估，也就是我們專業上講到的斷層思維的構建，即由整體到斷層，再由斷層重塑整體的思考思維。傳統的斷層影像教學通常憑借初學者對二維圖像的認知去追蹤連續性并進行分析，如要獲得較準確的三維解剖結構需要較強的閱片能力和空間想象力，以及長時間的臨床經驗積累[13]。在既往的斷層解剖教學過程中，對于整體顱腦結構的認識只能通過二維斷層圖像推測三維整體，而三維整體數據及可視化才是臨床診斷需要的，也是學生最應該掌握的。我們經過探討設計及試用，構建了顱腦主要結構三維整體圖像與斷層圖像對比的教學輔助數模應用程序，把顱腦的三維圖像結合到標本、MRI的斷層圖像中，并應用到課堂教學和學生的學習當中，例如講解端腦額葉溝回，首先在數模上學習觀察額葉溝回的整體形態、位置毗鄰特點，并可以360度旋轉觀察，有助于對額葉溝回整體理解，下一步進行溝回斷層的講解，正如我們先觀察到西瓜是長橢圓的，橫著切下去斷面會是圓形，而縱形切開斷面會是橢圓一樣，起到事半功倍的效果。在掌握解剖標本斷層結構的基礎上，去學習同層面上影像CT、MRI，學習效果顯著提高，有助于學生對顱腦結構的影像斷層定位的理解。

總之，數模的建立將解剖結構的三維立體圖像應用于日常的教育教學和學生的學習當中，補充了之前斷層僅為平面圖片缺乏立體感的不足，幫助學生對腦結構斷層位置特點進行理解，也促進了其影像斷層思維的建立。在未來，我們可將數模的設計建設推進到胸部、腹部、盆壁等人體其他部位，構建一整套人體不同部位的對比數模應用，促進于學生斷層解剖專業能力的提高，為培養合格的專業人才做出貢獻。