周牧野，王震寰，沈龍山，李　成，陳劉成，向春鋒

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·基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)·

大腦額上溝的三維重建與可視化

周牧野1,2，王震寰1，沈龍山3，李成1，陳劉成2，向春鋒1

目的：建立健康成人活體MR圖像的大腦額上溝三維可視化模型，為探究額上溝的解剖結(jié)構(gòu)特點及腦立體定向手術(shù)應(yīng)用。方法：選取1名健康成年女性顱腦薄層MR掃描數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D-Doctor軟件，利用手動分割方法建立三維可視化模型并用不同顏色進行標(biāo)記。結(jié)果：構(gòu)建了大腦額上溝的三維可視化模式圖，模式圖成功顯示了大腦額上溝、側(cè)腦室及腦表面的立體形態(tài)以及與周圍腦組織的結(jié)構(gòu)關(guān)系。結(jié)論：大腦額上溝的三維可視化模型對額上溝解剖結(jié)構(gòu)的識別、腦立體定向手術(shù)設(shè)計有重要價值。

大腦；額上溝；三維可視化；圖像分割

近年來數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展與延伸，數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)向著解剖學(xué)以及臨床應(yīng)用方向發(fā)展，諸如特殊部位的神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)、手術(shù)入路的選擇與構(gòu)建、圖像分割與重建等[1]。隨著影像技術(shù)不斷完善，使得我們可以更快速、更方便地獲得更多、更薄層的二維斷層圖片，這也為三維重建技術(shù)實現(xiàn)個體化、精準(zhǔn)化打下了堅實的基礎(chǔ)[2]。額上溝的三維重建展示了其整體觀，直觀反映了額上溝的形態(tài)特征以及與臨近腦組織的關(guān)系，作為指導(dǎo)額葉、側(cè)腦室部的腦立體定位手術(shù)和了解大腦額葉局部解剖結(jié)構(gòu)提供了重要的依據(jù)與參考。

1　材料與方法

1.1主要儀器與設(shè)備 (1)Signal 1.5T超導(dǎo)磁共振(1.5T MR Echospeed)掃描儀及頭顱正交線圈，General Electric Co.，USA；(2)聯(lián)想計算機E5700型，聯(lián)想公司。

1.2主要軟件系統(tǒng)(1)Microsoft Windows XP Professional，2002 Service Pack3，微軟中國；(2)eFilm Workstation，版本3.4.0，Merge eMed Co.USA；(3)3D-Doctor三維重建軟件，版本1.2.0.1，Able Software Co.USA。

1.3樣本數(shù)據(jù)1名健康成年志愿者(經(jīng)知情同意)，女，22歲。無神經(jīng)系統(tǒng)及精神系統(tǒng)疾病。以AC-PC線為基線，獲取橫、矢和冠狀斷層各層T1MRI圖像。

1.4方法

1.4.1圖像配準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)分割頭顱冠狀位MRI數(shù)據(jù)直接以Dicom3.0格式導(dǎo)入3D-Doctor，由于掃描野為不變的正方形，頭顱斷層影像區(qū)域相對于正方形的四個定點位置固定，圖像配準(zhǔn)由軟件自動完成，無需人工干預(yù)。手工分割、邊界提取感興趣區(qū)，用不同顏色進行標(biāo)記：額上溝(紅色線條)、側(cè)腦室(綠色線條)、大腦的外表面輪廓(灰色線條)(見圖1)。

1.4.2三維重建與重建后的調(diào)整通過大腦原點(AC-PC中點)建立三維空間坐標(biāo)系，定X軸為左右橫軸，Y軸為前后縱軸，Z軸為上下豎軸。對上述分割提取的斷層進行三維重建。采用充分復(fù)雜面繪制(Full Complex Surface Rendering)的方法，在3D-Doctor軟件操作界面上，選擇“3D Rendering”，在二級菜單中選擇“Surface Rendering”，三級菜單里選擇“Full Complex Surface”，完成三維重建。

2　結(jié)果

2.1額上溝的三維可視化模型成功構(gòu)建出活體狀態(tài)下大腦額上溝的整體形態(tài)，取得三維可視化模型，類似條帶狀，前后走行，走行靠近于額極時候，兩側(cè)額上溝逐漸向大腦鐮側(cè)集中，即斜向前下走行，并且額上溝的走行較為扭曲，重建出的額上溝在任意軸面以及對于其任意大小均可進行旋轉(zhuǎn)和縮放(見圖2)。

2.2額上溝與側(cè)腦室的三維可視化模型側(cè)腦室位于大腦內(nèi)部，呈“C”形分布，位于額上溝的下方，側(cè)腦室各部分均可以不同程度地縮放以及任意軸面進行旋轉(zhuǎn)。不同觀察面進行觀察，額上溝的走行類似與側(cè)腦室的曲度相關(guān)。進一步觀察可以見到，前面觀上側(cè)腦室前角與額上溝靠近額極處的分布相似，后面觀可以見到側(cè)腦室體部與額上溝中段近似平行走行(見圖3、4)。

2.3額上溝與側(cè)腦室、腦表面的三維可視化模型本次三維重建顯示了額上溝、側(cè)腦室、腦表面三者之間的空間位置和形態(tài)以及三者之間的關(guān)系。大腦額上溝位于大腦半球的背外側(cè)靠近大腦鐮，起自大腦背外側(cè)的中央前溝處附近，止于額極方向。于正面觀可以觀察到此溝走行，其位于腦表面或者腦皮質(zhì)下走行，此層面較為清晰的展示了額上溝、側(cè)腦室以及腦表面的三維可視化模型(見圖5)。

3　討論

隨著計算醫(yī)學(xué)以及大數(shù)據(jù)時代的到來，計算解剖學(xué)應(yīng)用于外科手術(shù)已經(jīng)成為一種勢在必行的趨勢[3]。運用于基礎(chǔ)解剖學(xué)研究和神經(jīng)解剖學(xué)研究的圖像處理軟件繁多。例如MRIcro軟件本身操作簡單，對于圖像的分割可以采取半自動或者全自動計算機分割，也可以在解析格式文件SPM(statistical parametric mapping)和醫(yī)學(xué)格式文件之間相互轉(zhuǎn)化[4]。類似此類軟件還有Analyze、BET等。對于本

研究采用的3D-Doctor軟件是由美國Able Software公司研發(fā)的一個先進的三維處理軟件，同時也被美國食品與藥品管理局認(rèn)證[5]。該軟件重建速度快，操作簡易，硬件要求低，可以廣泛應(yīng)用，還可以進行三維圖像分割、表面渲染、翻轉(zhuǎn)、透明化、半透明化、測量等處理技術(shù)[6]。圖像分割簡單來說就是對感興趣區(qū)域進行分割處理，提取感興趣區(qū)域。本實驗采用手動分割方法，剔除顱骨影響對額上溝形態(tài)進行探討。

額上溝位于兩側(cè)大腦靠近大腦鐮方向，前后走行，額上溝位于腦表面在性別和側(cè)別以及年齡上存在很大程度上的變異。額上溝在健康成年人以及與病理狀態(tài)下對比更能發(fā)現(xiàn)其變異的情況，這更加增加對額上溝認(rèn)識和理解的困難。三維可視化模型可以看出額上溝走行較為扭曲，側(cè)腦室呈“C”形，側(cè)腦室體部與額上溝中斷呈近似平行的走行。額葉是腦外傷及腫瘤的好發(fā)區(qū)域。目前對于側(cè)腦室手術(shù)的選擇公認(rèn)的有經(jīng)額部皮質(zhì)和經(jīng)胼胝體入路[7]。所以認(rèn)識額上溝整體觀對指導(dǎo)額葉手術(shù)具有重要意義。RHOTON[8]指出額極屬于腦手術(shù)入路的解剖標(biāo)志，同時額上溝也是側(cè)腦室手術(shù)入路之一。近來，利用VR技術(shù)實現(xiàn)了額葉腦溝重建狀態(tài)下的手術(shù)設(shè)計和量化[9]。所以建立額上溝的三維可視化模型對了解額上溝的解剖結(jié)構(gòu)及指導(dǎo)額葉手術(shù)具有重要意義。

[1]唐雷.數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)與精準(zhǔn)外科手術(shù)[J].中國實用婦科與產(chǎn)科雜志,2012,28(1):7.

[2]陳春林,段慧.數(shù)字化三維影像學(xué)與子宮肌瘤子宮動脈栓塞治療[J].中國實用婦科與產(chǎn)科雜志,2016(2):139.

[3]王震寰.計算醫(yī)學(xué)-應(yīng)對大數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)向臨床轉(zhuǎn)化[J].蚌埠醫(yī)學(xué)院學(xué)報,2014,39(1):1.

[4]吳義根,李可.SPM軟件包數(shù)據(jù)處理原理簡介-第二部分:應(yīng)用于PET及fMRI[J].中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù),2004,20(11):1772.

[5]NI Y,SHA Y,DAI P,etal.Quantitative morphology of facial nerve based on three-dimensional reconstruction of temporal bone[J].Otolaryngol Head Neck Surg,2008,138(1):23.

[6]江貴平,秦文健,周壽軍,等.醫(yī)學(xué)圖像分割及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].計算機學(xué)報,2015,38(6):1222.

[7]王延召,杜建新,單永治,等.巨大側(cè)腦室體部腫瘤顯微外科手術(shù)入路的選擇[J/CD].中華臨床醫(yī)師雜志(電子版),2013(12):196.

[8]RHOTON AL.RHOTON·顱腦解剖及手術(shù)入路[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2010:29.

[9]湯可,鮑圣德,周敬安,等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)量化經(jīng)額入路顯露海綿竇區(qū)顯微解剖研究[J].中國現(xiàn)代神經(jīng)疾病雜志,2011,11(6):590.

(本文編輯劉璐)

Three-dimensional reconstruction and visualization of cerebral superior frontal sulcus

ZHOU Mu-ye1,2,WANG Zhen-huan1,SHEN Long-shan3,LI Cheng1,CHEN Liu-cheng2,XIANG Chun-feng1

(1.InstituteofClinicAnatomy,DepartmentofHumanAnatomy,BengbuMedicalCollege,BengbuAnhui233030;2.DepartmentofRadiology,TheFirstAffiliatedHospitalofBengbuMedicalCollege,BengbuAnhui233004;3.DepartmentofRadiology,TheSecondAffiliatedHospitalofBengbuMedicalCollege,BengbuAnhui233040,China)

Objective:To establish a three-dimensional(3D) visualization model of cerebral superior frontal sulcus in a healthy adult people using MR image for exploring the anatomical characteristics of the superior frontal sulcus and application in brain stereotactic surgery.Methods:The brain slice MR scanning in one healthy adult female was harvested,the data of which was inputted to 3D-Doctor software.The 3D visualization model was reconstructed,and marked with different colors by the manual partition method.Results:The 3D visualization schema graph of cerebral superior frontal sulcus was constructed,which showed successfully the three-dimensional shape of cerebral superior frontal sulcus,lateral ventricle,brain surface and their structural relationships with surrounding brain.Conclusions:The 3D visualization model of cerebral superior frontal sulcus has an important value in the identification of the anatomical structure of superior frontal sulcus and design of stereotactic surgery.

brain;superior frontal sulcus;three-dimensional visualization;image segmentation

2016-03-14

單位] 1.蚌埠醫(yī)學(xué)院 臨床應(yīng)用解剖研究所，人體解剖學(xué)教研室，安徽 蚌埠 233030；2.蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院 放射科，安徽 蚌埠 233004；3.蚌埠醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院 放射科，安徽 蚌埠233040

[作者簡介] 周牧野(1990-)，男，碩士，住院醫(yī)師.

王震寰，碩士研究生導(dǎo)師，教授.E-mail:bbmcpwzh@sina.com

1000-2200(2016)05-0561-03

R 322.81

A

10.13898/j.cnki.issn.1000-2200.2016.05.001