【作 者】李星，顧力栩＊

上海交通大學生命科學與技術學院，上海，200240

上海交通大學生物醫(yī)學工程學院，上海，200030

紙質腦圖譜一直都是醫(yī)生學習人體大腦內部組織結構和功能的重要工具，可以幫助認清大腦內部各個組織結構的位置以及相互間的毗鄰關系，特別是那些不容易被直接看到的大腦內部的組織結構。近年來，人們開始在原有紙質圖譜的基礎上研究可視化腦圖譜，已成為國內外腦神經科學研究的一個熱點。腦圖譜的可視化正成為神經外科手術導航系統(tǒng)中一項關鍵技術，在對病灶的定位和手術計劃上有著重要的作用。

目前對腦圖譜的可視化研究大部分都是Talairach-Tournoux圖譜[1]。國內首都醫(yī)科大學的羅述謙教授[2]對腦圖譜作了一些基礎性的研究工作，基本上都是基于MRI圖像和Talairach -Tournoux腦圖譜的。上海交通大學的裴巍在神經外科解剖圖譜的可視化應用[3]研究中用的也是Talairach –Tournoux圖譜。國內研究Schaltenbrand-Wahren圖譜的不多，將二維SW圖譜立體彩色顯示的成果更少。基于以上研究的背景需求，本文分析并實現(xiàn)了神經外科手術導航系統(tǒng)中SW解剖圖譜的三維可視化，并能夠在系統(tǒng)中實時顯示感興趣解剖結構的名稱。

1 背景知識

1.1 SW圖譜

Schaltenbrand-Wahren腦圖譜[4]通常簡稱為SW圖譜(圖1所示)，是關于兩個白種人人腦標本三個半球的丘腦基底神經節(jié)部分的圖譜，源于分別在橫斷面、冠狀面和矢狀面3個不同方向上做連續(xù)切片分割后數(shù)據(jù)采集的結果，切片厚度范圍在1 mm-4 mm之間不等。其中，矢狀面和橫斷面方向的圖譜來源于同一個腦標本的左右半球，而冠狀面方向的圖譜來源于另一個腦標本半球[5]。

圖 1 Schaltenbrand-Wahren腦圖譜在軸狀面、冠狀面和矢狀面三個方向的截面圖Fig.1 three directions - Axial, Coronal, Sagittal view of Schaltenbrand-Wahren brain atlas

該圖譜由于采用了兩個人腦標本的三個半球來做切片，而在冠狀面方向的圖譜準確可靠，在橫斷面和矢狀面方向的圖譜定位準確性較差，所以將三個方向的圖譜進行三維可視化后會發(fā)現(xiàn)在個別地方三者的重合有些出入。但是SW圖譜是基于丘腦基底節(jié)神經部位的功能性圖譜，圖譜中的結構均位于大腦的中心部位，與人體的各種機制休戚相關，起著十分重要的作用。

1.2 神經外科手術導航

神經外科手術導航是將大腦的圖像信息可視化后，與手術中病人的解剖結構進行對應，手術中跟蹤手術器械的路徑，將手術器械的運動在病人影像上以虛擬手術器械的形式實時顯示，使醫(yī)生能對手術器械相對病人解剖結構的位置一目了然，從而達到縮短手術時間和提高手術質量目的的一種新技術手段。不僅如此，由于可以事先在術前可視化的圖像上依照確定的病灶位置計劃好手術路徑，做好熟前計劃、術中導航和術后評價[6]，所以，圖像引導下的神經外科手術極大地減小了手術的創(chuàng)傷面，最大限度地減輕了病人的痛苦。

大腦圖像信息可以是術前或術中CT、MRI等醫(yī)學影像設備提供的CT、MRI影像信息，也可以是電子化的腦圖譜，如TT圖譜和SW圖譜。本文中將SW圖譜在神經外科手術導航系統(tǒng)中可視化顯示并能實時進行解剖結構的標識，這不僅是醫(yī)療領域腦科學教學的需要，也是腦外科手術中提高成功率和縮短手術時間的迫切要求。

2 研究方法

2.1 圖譜數(shù)字化

我們用來作為本研究的標準圖譜是紙質SW圖譜，通過掃描、數(shù)字化和進行最近鄰插值后生成立體的標準SW圖譜（見表1）。

表1 標準SW圖譜Tab.1 Standard SW atlas

在紙質標準SW圖譜的基礎上，我們通過醫(yī)生將橫斷面、冠狀面和矢狀面三個方向上的近600個結構手動分割出來，采樣獲取每個結構在不同層上的多個輪廓坐標點信息，記錄下解剖名稱。這些不同結構在不同方向不同層上的多個輪廓坐標點信息，構成了我們原始的點數(shù)據(jù)。

由于SW腦圖譜的原始點數(shù)據(jù)是通過采集標準SW腦圖譜內組織結構的輪廓而得到的點數(shù)據(jù)，零散且不連續(xù)，因此我們需要利用樣條插值的方法將原始點數(shù)據(jù)連成輪廓曲線。樣條插值是醫(yī)學圖像處理中常用的一種插值方法。

本文采取Cardinal樣條插值。Cardinal樣條曲線是插值分段樣條三次曲線的一種，并且每條曲線的端點位置均指定切線。一個Cardinal樣條完全由四個連續(xù)的控制點Pk-1PkPk+1Pk+2給出。P(u)設是兩控制點Pk和 Pk+1間的參數(shù)3次函數(shù)式，則從Pk-1到Pk+1間的四個控制點用于建立Cardinal樣條段的邊界條件(1)：

控制點Pk和Pk+1處的斜率分別與弦Pk-1Pk+1和PkPk+2成正比。參數(shù)t稱為張量參數(shù)（tension parameter），用來控制Cardinal樣條與輸入控制點間的松緊程度。

我們可以將邊界條件(1)轉換成矩陣的形式：

其中Cardinal矩陣是：

將矩陣方程（2）展開成多項式表達式形式，為

2.2 區(qū)域填充

將原始數(shù)據(jù)進行樣條插值連成區(qū)域后，需要對SW圖譜的近600個結構進行區(qū)域填充。區(qū)域填充是以某種屬性對整個區(qū)域進行設置，將圖形有界區(qū)域的邊界表示轉換為區(qū)域內部像素表示的過程。即指定一個區(qū)域的邊界，要求將有界區(qū)域中的一點(常稱為種子點)賦予不同的顏色、灰度、線條或符號，然后將這種賦予形式填充擴展到整個有界區(qū)域內。

逐點判斷填充算法是區(qū)域填充的基本方法，基于區(qū)域內的所有像素點，其原理是逐點判斷圖像中的每一個像素點，若在要填充的區(qū)域內部，則用指定的屬性設置該點像素，否則不予處理。點P在簡單多邊形G的內外的判別為此法的重要內容，經典的方法為角度累加法和射線法。

本文采取基于左邊的點在簡單多邊形內的判別算法，對射線法進行了改進，將點在簡單多邊形內外的判別轉化為點在邊的關系的判別。簡單多邊形曲線L左邊即在有向曲線L的任一點A(x(t), y(t)))從右側的正方向到左側的負方向，沿逆時針所包含的扇形區(qū)域，如圖2所示，所包含扇形區(qū)域的夾角為π。在平面上任一點P，過P作一條射線，若射線與邊界曲線無交點，則P在簡單多邊形外；若有交點，且P在曲線左邊的個數(shù)與P不在曲線左邊的個數(shù)之差不為0，則P點在簡單多邊形內，否則，P在簡單多邊形外。此法簡單、穩(wěn)、定實用，適合于多個區(qū)域同時存在于同一張圖像的情況。

圖2 有向曲線L左邊Fig.2 Left side of the curve L

2.3 可視化

本文可視化系統(tǒng)框架基于Atamai軟件包，Atamai是一個使用Python腳本語言開發(fā)的、基于VTK可視化包的，面向計算機輔助手術特別是手術導航的應用系統(tǒng)的中間平臺。它的開發(fā)實現(xiàn)基于編程語言Python[3]，可視化框架類圖如圖3所示。

圖3 可視化框架類圖Fig.3 The frame of visualization

EventHandler類定義了常用的消息事件以及消息有關的常量，并用來完成常見事件的綁定[3]。ActorFactory類中的OrthoPlaneFactory類對數(shù)據(jù)進行三維體剖面重建，結果由RenderPane類中的RenderPane2D類和RenderPane類進行繪制；在PaneFrame窗口類中進行顯示，wxPaneFrame為最外層的窗口類。

2.4 解剖名稱標識

本文采用分級的方式存取各解剖結構之間的從屬關系、灰度值和解剖名稱。通過將灰度值和解剖名稱一一對應，系統(tǒng)就能通過鼠標所指結構獲取結構的灰度值，同時顯示對應的解剖名稱。

Python 數(shù)據(jù)類型包括字典(dictionary)、元組(turple)和列表(list)等。字典dictionary類型，可以用來定義關鍵字(key)與值(value)之間一對一的關系。這個特點與 C 語言中的 Hash 表功能類似。通過設置關鍵字，我們就可以快速地獲取與之對應的值。利用這個特點，本文選取字典dictionary來存儲結構的解剖名稱和灰度值信息，從而建立起解剖器官與解剖名稱、解剖名稱與灰度值之間的一一對應關系?；叶戎档淖x取主要是調用Atamai軟件包中的TextActorFactory類實現(xiàn)灰度值到解剖名稱的顯示。當讀取腦解剖圖譜的三個方向上任一面上的感興趣區(qū)域(Region of Interest—ROI)時，系統(tǒng)獲取鼠標所指的 ROI的灰度值，根據(jù)灰度值這個關鍵字取得字典中對應的解剖名稱。

本文采用分級的方式表示結構間的從屬關系的同時，又能夠大大提高系統(tǒng)的效率，因為分級存儲不僅可以大大地減少搜索的時間，而且可以幫助理清腦部各個結構之間的復雜關系。分級存儲功能主要依靠wxpython的 TreeCtrl類實現(xiàn)。

3 SW圖譜對比

我們用來作為本研究標準的SW圖譜，無法獲得每個組織結構的灰度值信息。但是可用它與我們新生成的SW圖譜進行比較（如圖4所示），來驗證新生成的SW圖譜的準確性。

4 實驗結果

神經外科導航系統(tǒng)中主要包含了2個功能模塊，SW圖譜的可視化顯示及解剖名稱的實時標識。

4.1 SW圖譜可視化顯示

系統(tǒng)為了方便醫(yī)生操作，設置了4個子視窗用于顯示不同方向的腦解剖圖，如圖5所示，他們分別是橫斷面（Axial）、冠狀面（Coronal）、矢狀面（Sagittal）、和正交面（Ortho-view）。此模塊可以實現(xiàn)如下功能：

(1) 從任意方向都可以觀察圖譜；

(2) 圖譜任意縮放，這樣有利于對相對較小的器官進行更加仔細的觀察。

圖4 結果對比Fig.4 Comparison of results

圖5 SW圖譜可視化顯示Fig.5 Visualization of colored SW atlases

4.2 解剖名稱實時標識

如圖7所示，在系統(tǒng)界面的左下角還有一個樹形結構的窗口。該窗口主要為方便醫(yī)生查看不同解剖器官之間的類屬關系以及所屬的主區(qū)域。通過點擊“Landmark”按鈕，可以對軸狀面、矢狀面、冠狀面和正交面上的感興趣區(qū)域進行實時地標識；通過點擊“UnLandmark”按鈕，取消對感興趣區(qū)域的標識。分級樹狀結構窗口如下圖6所示。

圖6 分級樹狀結構顯示Fig.6 Display of hierarchical browser

圖7中的a)，b)，c)，分別顯示了從橫斷面，矢狀面，冠狀面對同一個ROI的標識，對Ventriculus lateralis(Ve.l)進行標識。

圖7 ROIs的標識Fig.7 Landmark of regions of interest

5 總結

本研究不僅生成了有高準確度的SW圖譜，還將它集成進神經外科導航系統(tǒng)中，不僅可以對三個方向的圖譜進行分別二維顯示，還可以將其交叉在一起進行立體顯示，同時還能對圖譜中的感興趣的解剖標簽進行實時的標識。在神經外科導航系統(tǒng)中，將SW圖譜立體可視化顯示并對解剖標簽進行實時標識，不僅是腦神經外科手術的需要，也是醫(yī)學腦科學教學的要求。

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