郭 月,劉開成,郭澤霞,劉書怡,孫夢嬌,李方正

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,山東 青島 266109 ; 2. 青島康地恩動(dòng)物藥業(yè)有限公司,山東 青島 266041)

犬是常用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,也是飼養(yǎng)量最大的寵物。隨著動(dòng)物醫(yī)療水平的進(jìn)步和生活環(huán)境的改善,人們對于犬健康的關(guān)注度也逐漸提高,犬的壽命得以延長,但是隨著年齡的增長,犬心臟病的發(fā)病率也開始增加[1]。掌握心臟的形態(tài)結(jié)構(gòu)和血管的分布規(guī)律是進(jìn)行心血管系統(tǒng)疾病檢查和治療的基礎(chǔ)。本試驗(yàn)將獸醫(yī)影像檢查技術(shù)與三維重建技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)行犬心臟和胸腔主要血管的三維重建,為犬解剖學(xué)教學(xué)提供數(shù)字資源。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)動(dòng)物 比格犬(雌性,4歲,體重8.3 kg),購自青島博隆實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司[生產(chǎn)許可證號:SCXK(魯)2022—0005],因繁殖性能不佳被淘汰,經(jīng)安樂死后贈(zèng)予本實(shí)驗(yàn)室。

1.2 主要試劑 氧化鐵(Fe2O3,化學(xué)純),購自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;明膠,購自天津市登峰化學(xué)試劑廠。

1.3 主要儀器 Initum CT 32 X射線掃描儀,賽諾威盛科技(北京)有限公司產(chǎn)品。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 比格犬血管灌注 將0.5 g Fe2O3加入到1 mL 10%明膠水溶液中配制成明膠-氧化鐵懸浮液,攪拌均勻。用注射器從犬左側(cè)頸總動(dòng)脈向胸腔灌注明膠-氧化鐵懸浮液34 mL,經(jīng)右側(cè)頸總動(dòng)脈灌注21 mL; 經(jīng)左側(cè)頸外靜脈灌注明膠-氧化鐵懸浮液42 mL,經(jīng)右側(cè)頸外靜脈灌注25 mL。灌注完畢后用線結(jié)扎灌注口,將標(biāo)本放入-20 ℃冷凍30 min,使血管填充劑充分凝固。

1.4.2 比格犬電子計(jì)算機(jī)斷層(Computed tomography,CT)掃描 采用Insitum CT 32 X 射線掃描儀進(jìn)行犬全身掃描,X射線管電壓為100 kV,管電流為130 mA,重建層厚為0.625 mm,保存為DICOM數(shù)據(jù)。

1.4.3 比格犬CT圖像分割和三維重建 將比格犬全身DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics Medical 21.0軟件,采用“Threshold”對犬全身骨骼、心臟和胸腔大血管進(jìn)行自動(dòng)重建,然后采用“Edit Masks”對骨骼、心臟、主動(dòng)脈、前腔靜脈和后腔靜脈等血管進(jìn)行分割,再用“Calculate Part”分別對骨骼、心臟和大血管進(jìn)行三維重建。

2 結(jié)果

2.1 比格犬血管灌注 向比格犬頸總動(dòng)脈和頸外靜脈灌注明膠-氧化鐵懸浮液后,CT掃描儀的定位相顯示,比格犬的心臟、主動(dòng)脈、前腔靜脈和后腔靜脈與骨骼具有相同的亮度,可以清晰地觀察到心腔結(jié)構(gòu)和胸腔主要血管的分布(圖1)。

圖1 比格犬CT掃描定位相Fig.1 Anatomical landmarks in Beagle CT scan1:臂頭動(dòng)脈; 2:右心房; 3:主動(dòng)脈弓; 4:左心房; 5:后腔靜脈6:腹主動(dòng)脈; 7:腹腔動(dòng)脈; 8:腸系膜前動(dòng)脈; 9:左心室10:右心室; 11:左側(cè)腋動(dòng)脈; 12:左頸總動(dòng)脈1:Brachiocephalic artery; 2:Right atrium; 3:Aortic arch; 4:Left atrium; 5:Postcava; 6:Abdominal aorta; 7:Abdominal artery; 8:Anterior mesenteric artery; 9:Left ventricle;10:Right ventricle; 11:Left axillary artery; 12:Left common carotid artery

2.2 CT圖像分析 CT掃描共獲得1 152張橫斷面的DICOM圖像,分辨率為512×512像素,大小為578 MB。根據(jù)犬胸腔解剖特征對犬胸腔橫斷面CT圖像進(jìn)行人工識別,明確心臟中各心腔和左右心房連接的主要血管的位置(圖2)。

圖2 比格犬CT掃描斷層圖像Fig.2 Beagle CT scan sectional imagesA:矢狀面; B:橫斷面; C:水平面A:Sagittal plane; B:Transverse plane; C:Horizontal plane

2.3 骨骼、心臟和主要血管的圖像分割 分別對比格犬全身骨骼、心腔和主要血管進(jìn)行識別,并手工繪制“Masks”,采用綠色Masks標(biāo)注全身骨骼,紅色標(biāo)注動(dòng)脈,藍(lán)色標(biāo)注靜脈(圖3)。

2.4 骨骼、心臟和胸腔血管的三維重建 對分割后的圖像分別進(jìn)行三維重建,得到了比格犬身體外形(圖4A)、全身骨骼(圖4B)、心臟外形、心腔和胸腔主要血管(圖4C)的三維模型,紅色顯示主動(dòng)脈及其分支,藍(lán)色顯示前、后腔靜脈,在模型上可以分辨出4個(gè)心腔的位置關(guān)系。將皮膚肌肉設(shè)置為透明顯示,可透過皮膚觀察到心臟在胸腔的位置(圖4D)。本試驗(yàn)中的比格犬主動(dòng)脈存在較大的變異,在主動(dòng)脈弓上分出3個(gè)大的分支,分別是左鎖骨下動(dòng)脈、左頸總動(dòng)脈和臂頭動(dòng)脈,臂頭動(dòng)脈又分出右鎖骨下動(dòng)脈和右頸總動(dòng)脈(圖4C)。

3 討論

3.1 尸體血管造影劑的特性 血管造影技術(shù)是一種可以很好地顯示動(dòng)物體內(nèi)血管分布的方法,常用的尸體血管造影劑有氧化鐵、氧化鉍、氧化鉛和硫酸鋇等,其中氧化鐵的密度為5.24 g/cm3,氧化鉍為8.55 g/cm3,氧化鉛為9.53 g/cm3,硫酸鋇為4.5 g/cm3。造影劑相對密度越大,沉淀速度越快。當(dāng)用同一載體填充劑進(jìn)行血管灌注時(shí),硫酸鋇和氧化鐵的沉淀速度較慢,分布的均勻性較好。但硫酸鋇顆粒大,不能有效灌注到微細(xì)的血管中,氧化鐵效果較好。氧化鐵是一種紅棕色粉末,不溶于水。本試驗(yàn)使用10%明膠水溶液作為載體配制氧化鐵混懸液進(jìn)行血管造影。研究表明,明膠-氧化鐵混懸液灌注后CT掃描的CT值隨氧化鐵濃度的升高,變異系數(shù)(Coefficient of variation,CV)逐漸降低,即均勻性增大,氧化鐵最佳濃度為0.5～0.6 g/mL,當(dāng)造影劑濃度大于最佳濃度時(shí),CT均值稍有升高但不明顯[2]。因此,本試驗(yàn)使用0.5 g/mL的明膠-氧化鐵懸浮液進(jìn)行灌注,用明膠-氧化鐵懸浮液灌注后得到的CT圖像顯示,心腔、血管與周圍組織的對比更加明顯,三維重建更加簡便和精確,采用閾值自動(dòng)重建即可。如不使用灌注劑雖然也能分辨出心臟和大血管等結(jié)構(gòu),但不是十分清晰,需要人工采用“Edit Masks”的方式標(biāo)注各部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建,而且一些小血管界限不清,重建較困難。

3.2 心臟和胸腔血管三維重建 CT重建技術(shù)是目前運(yùn)用十分廣泛的三維重建技術(shù)。多排高速螺旋CT能快速、清晰地獲得大量數(shù)據(jù),通過計(jì)算機(jī)三維重建得到皮膚、肌肉、骨骼和心臟血管的形態(tài)結(jié)構(gòu),可真實(shí)地反映血管的口徑、長度、走向和空間位置關(guān)系,再通過將皮膚等組織透明化,可更加形象地展示心臟和血管的位置毗鄰關(guān)系[3]。本試驗(yàn)采用人工識別進(jìn)行圖像分割,分別繪制比格犬心臟外形、心腔、主動(dòng)脈、前腔靜脈和后腔靜脈及其分支的“Masks”,然后進(jìn)行三維重建,得到上述結(jié)構(gòu)的三維模型;同時(shí),通過CT值自動(dòng)建立了比格犬全身骨骼和身體外形的“Masks”,得到身體輪廓和全身骨骼的三維模型;并在Mimics Medical軟件中設(shè)置身體為半透明顯示,可以清晰觀察到心臟和胸腔血管在胸腔內(nèi)的位置。本試驗(yàn)中的比格犬主動(dòng)脈分支存在較大的變異,左鎖骨下動(dòng)脈單獨(dú)從主動(dòng)脈弓分出,沒有形成雙頸動(dòng)脈干,與教材描述的主動(dòng)脈分支存在較大的差別[4]。隨后又解剖了5只比格犬,分離心臟,均發(fā)現(xiàn)其主動(dòng)脈弓分出左鎖骨下動(dòng)脈和臂頭動(dòng)脈2個(gè)分支,與教材描述相符,表明本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的主動(dòng)脈血管分支變異屬于個(gè)體差異,不具有普遍性。

3.3 優(yōu)勢和不足 造影劑灌注后進(jìn)行CT掃描和心臟血管的三維重建可以真實(shí)再現(xiàn)動(dòng)物體內(nèi)心腔結(jié)構(gòu)和血管分布情況,對解剖學(xué)教學(xué)具有較大的促進(jìn)作用。本試驗(yàn)得到的三維模型可以用于虛擬仿真程序的開發(fā)和動(dòng)物器官3D打印的數(shù)據(jù)來源?，F(xiàn)有CT和磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)等影像設(shè)備結(jié)合醫(yī)學(xué)三維重建軟件基于CT值來分割心臟和血管,與造影劑密度和含量有密切關(guān)系[5]。采用CT血管造影術(shù)可以得到更加完整的血管分布圖像,包括冠狀循環(huán)的血管,但需要選擇恰當(dāng)?shù)膾呙钑r(shí)機(jī),錯(cuò)過掃描時(shí)間就不能得到合適的血管圖像。本試驗(yàn)對死亡比格犬用灌注劑處理,可以同時(shí)顯示心腔、主動(dòng)脈的主要分支和前、后腔靜脈的分支等,操作簡便;而且灌注好的標(biāo)本可以冷凍保存,重復(fù)使用。傳統(tǒng)標(biāo)本與三維掃描技術(shù)結(jié)合也可以得到犬胸腔解剖三維模型[6],雖然三維掃描精度高,但是如果掃描心臟和血管分支需要切除左側(cè)胸壁和左肺等器官,步驟較繁瑣,且操作過程中可能存在器官位置變化的情況;而采用CT掃描可以無損獲得三維模型,方便快捷,而且不會(huì)改變器官的形態(tài)位置。本試驗(yàn)通過醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和三維重建技術(shù)相結(jié)合,得到犬心臟和胸腔主要血管的三維模型,能夠直觀地顯示心腔的位置以及主動(dòng)脈和前、后腔靜脈在胸腔的分布規(guī)律。但是,由于血管中殘留血液和灌注濃度的影響,本試驗(yàn)并沒有重建出四肢和腹腔內(nèi)臟的血管,在后續(xù)的試驗(yàn)中將對犬進(jìn)行抗凝和放血后再進(jìn)行灌注,并篩選明膠水溶液的濃度,從而使氧化鐵能夠分布到全身微細(xì)的血管中,達(dá)到更好的三維重建效果。