大脑扣带回皮层的三维重建及可视化

[收稿日期]2019-02-01　[修回日期]2019-04-04
[基金项目]安徽省跨世纪学术和技术带头人后备人选科研资助项目(2002ZHBL26)
[作者单位]1.蚌埠医学院临床应用解剖研究所,数字医学与智慧
健康安徽省重点实验室,安徽蚌埠233030;2.安徽省宿州市立医院超声科,安徽宿州234000;3.安徽医科大学临床医学院,基础医学部,安徽合肥230012;4.蚌埠医学院第二附属医院放射科,安徽蚌埠233040
[作者简介]凡雪霖(1992-),女,硕士,住院医师.
[通信作者]王震寰,硕士研究生导师,教授.E⁃mail:bbmcpwzh @
[文章编号]1000⁃2200(2019)08⁃1001⁃04
㊃专栏㊃数字医学与智慧健康㊃
大脑扣带回皮层的三维重建及可视化
凡雪霖1,2,王震寰1,李丹辉1,3,李　成1,沈龙山4,叶苗苗1
[摘要]目的:建立健康成人活体MR 图像的大脑扣带回皮层三维可视化模型,为脑立体定向微创手术提供扣带回皮层及邻近区域解剖学模型㊂方法:选取1名健康成年女性颅脑薄层冠状位MR 图像数据,将其导入3D⁃Doctor 软件,并使用手工分割方法建立大脑扣带回皮层㊁侧脑室㊁大脑纵裂和大脑外表面轮廓的三维重建模型㊂结果:成功构建大脑扣带回皮层三维可视化图像,成功显示大脑扣带皮层㊁侧脑室㊁大脑纵裂和大脑外表面的立体结构形态及与邻近脑组织结构关系㊂结论:大脑扣带回皮层的三维可视化模型的构建对扣带回解剖结构的识别㊁脑立体定向手术设计㊁扣带回皮层区域病变定位诊断和功能研究有重要价值㊂
[关键词]扣带回皮层;精准定位;MRI;图像分割;三维重建模型
[中图法分类号]R 322.81;R 445.2 [文献标志码]A DOI :10.13898/ki.issn.1000⁃2200.2019.08.006
Three⁃dimensional reconstruction and visualization of cerebral cingulate cortex
FAN Xue⁃lin 1,2,WANG Zhen⁃huan 3,LI Dan⁃hui 1,3,LI Cheng 1,SHEN Long⁃shan 4,YE Miao⁃miao 1
(1.Institute of Clinical Anatomy ,Bengbu Medical College ,Key Laboratory of Digital Medicine and Smart Health ,Bengbu Anhui 233030;
2.Department of Ultrasound ,Suzhou Municipal Hospital ,Suzhou Anhui 234000;
3.Clinical Medical College of Anhui Medical University ,
Department of Basic Medicine ,Heifei Anhui 230012;4.Department of Radiology ,The Second Affiliated Hospital
of Bengbu Medical College ,Bengbu Anhui 233040,China )
[Abstract ]Objective :To establish a three⁃dimensional visualization model of brain cingulate cortex in healthy adult MR image,and provide an anatomical model of cingulate cortex and adjacent structure for stereotactic minimally invasive surgery of brain.Methods :The MR image data of a cranial thin layer coronal plane in a healthy adult woman were imported into 3D⁃Doctor software,and the three⁃dimensional reconstruction of the cingulate cortex,lateral ventricle,cerebral longitudinal fissure and outer contour of brain were established using the manual segmentation method.Results :A three⁃dimensional visual image of the cingulate cortex of brain was successfully constructed,and could successfully show the three⁃dimensional structure of the cingulate cortex,lateral ventricle,cerebral longitudinal fissure and outer surface of brain,and its relationship with adjacent brain structure.Conclusions :The construction of three⁃
dimensional visualization model of the cingulate cortex of brain has important value in the recognition of the anatomical structure of cingulate gyrus,design of the stereotactic surgery of brain,and positioning diagnosis and functional study of cingulate cortex area.[Key words ]cingulate cortex;precise positioning;magnetic resonance imaging;image segmentation;three⁃dimensional reconstruction model 近年来,随着医学影像技术的飞速发展,三维重建技术无论是在CT㊁MRI 还是超声诊断等方面,已被广泛应用于临床㊂扣带回是边缘系统和Papez 环路的重要组成部分,具有调控情绪㊁感觉㊁运动㊁内脏活动㊁注意㊁认知等功能,无论是在形态还是功能上
均与其他脑区存在紧密联系[1]㊂扣带回皮层及其周边脑部病变由于所处的脑部特殊位置,使治疗变得繁琐㊂例如针对侧脑室侧壁肿瘤,TOMINAGA 等[2]提出经扣带回手术入路,并认为切开一侧扣带回不会导致严重的神经功能障碍㊂扣带回皮层的三维重建及可视化可以全面展示其整体及与侧脑室等邻近结构的形态特征及关系,能够将大脑扣带回皮层的病变区域更直观全面地展现,为指导侧脑室及额顶叶等各邻近脑部立体精准定位手术㊁脑部放射治疗精准剂量估算和微创外科等提供了影像学结构模型,同时也为系统解剖学及断层解剖学的脑部教学提供了三维立体数字模型㊂1　材料与方法
1.1　一般资料　
1.1.1　样本数据　1名成年健康志愿者(知情同
意),女,20岁,右利手㊂临床检查及颅脑MRI 检查,无神经和精神系统及家族遗传疾病㊂以AC⁃PC 为扫描基线,获取冠状面㊁横㊁矢面断层T1MRI 图像㊂图像为Dicom3.0格式,自选回波序列,TR:
1830ms,TE:22ms,扫描野FOV:24.0cm ×24.0cm,分辨率512×512,层厚2mm,层隔:0mm㊂扫描过程中严格限制头颅固定,要求志愿者闭眼,戴耳塞,防止外界干扰㊂
1.1.2　仪器与设备　Singal 3.0超导磁共振扫描仪及头颅正交线圈(General Electric Co.,USA);HP Z820Workstation (显卡:NVIDIA Quadro4000,CPU 主频:1.8GHz);Lenovo V480型计算机,联想公司㊂1.1.3　主要软件系统　Able Software 3D⁃Doctor,V1.
2.0.1(Able Software A);RadiAnt DICOM Viewer
3.
4.2;eFilm Workstation,版本2.1.2.352,(Merge eMed A)㊂
1.2　方法　
1.2.1　图像配准与结构分割　将冠状面头颅MRI
T1WI 图像数据直接以Dicom3.0格式导入3D⁃Doctor 软件中㊂扫描野为大小不变的正方形,头颅断层影像域相对于正方形的四个定点位置固定,图像配准由软件自动完成㊂手工分割㊁边界提取大脑扣带回皮层(红色图线)㊁侧脑室(蓝色)㊁大脑纵裂(绿色)和大脑外表面轮廓(灰色)(见图
1)㊂
1.2.2　三维重建　通过大脑原点(AC⁃PC 连线的中点)建立三维坐标系,定X 轴为左右横轴,Y 轴为前后纵轴,Z 轴为上下竖轴㊂对上述分割提取的断层进行三维重建㊂采用充分复杂面绘制法,首先在3D⁃Doctor 软件任务栏中设定好扫描层面厚度及单位,其后依次选择 3D Rendering ”→ Surface Rendering”→ Complex Surface”,完成三维重建㊂1.2.3　3D 重建模型后处理　点击3D⁃Doctor 软件任务栏中 Tools”→ Smoothing surface models”→ 是”,即可对重建后结构模型的后处理,使视觉效
果显示更好㊂
1.2.4　多个结构同时显示设置与否　在任务栏中点击 3D Object Setting ”,在二级菜单中选择 Display” Opacity” Transparency”,设置目标模型的显示㊁透明度㊁透明效果㊂2　结果2.1　大脑扣带回皮层的三维可视化模型　成功构建活体状态的大脑扣带回皮层三维可视化模型,获得了扣带回皮层的立体整体形态㊂正面观呈两侧基本对称的由下到上的长方形扁条带,位于大脑半球纵裂两侧,侧脑室上部中间;侧面观均类似平放的 新月形”,前后走形,前后稍低,中部上凸,表面凹凸不平,位于侧脑室上前方;顶面观类似左右基本对称的不规则长条形,表面依旧凹凸不平㊂重建出的结构可以在三维空间以任意角度放大㊁缩小旋转观察,可计算其长度㊁角度㊁体积等(见图2)㊂
2.2　扣带回皮层与侧脑室的三维可视化模型　成功显示侧脑室与大脑扣带回皮层的空间位置关系㊂
侧脑室位于大脑中央部,扣带回下方㊂正面观扣带回位于侧脑室中上部,与侧脑室前角㊁三角区中间部投影重叠,侧脑室基本呈镜像对称的 C”字形,位于大脑半球间裂两侧,下角略细长,形状不规则,表面不光整;侧面观扣带回皮层与正上方包饶侧脑室,但与其上下仍旧有空间距离,侧脑室依旧呈不规则大 C”字形;顶面观侧脑室后角及三角区显示清楚㊂三面观可见扣带回与侧脑室前角㊁中央部和后角基本平行走形(见图3)㊂
2.3　扣带回皮层与侧脑室㊁大脑纵裂㊁脑表面的三维可视化模型　成功构建大脑扣带回皮层㊁侧脑室㊁
大脑纵裂及大脑表面三维模型,成功显示它们之间的空间位置和毗邻关系㊂扣带回位于大脑半球内侧中央部,侧脑室位于其正下方,大脑纵裂分割这两部分结构,使其基本呈镜像对称关系㊂正面观大脑纵裂位于中央部,余三部分结构基本呈左右对称;侧面观大脑纵裂约占半球上3/5,侧脑室与扣带回约占中间部1/3;顶面观可见大脑表面的沟回结构,纵裂居中,余两部左右对称;底面观与顶面观类似,但大脑半球底部脑回显示清楚且对称,侧脑室前㊁下及三角区显示尤其清楚(见图4)㊂3　讨论
近代随着科学技术的飞速发展,计算机及其衍生技术广泛应用于医学诊断及治疗的方方面面㊂但
是这些技术在断层影像方面呈现的大多都是二维数据信息,尤其是在脑部断层影像方面,无论是CT㊁MRI㊁PET 还是超声检查等各种影像检查技术中,运用最多的依旧是二维图像信息㊂没有三维立体的图像数据信息作为基础支撑,会使得一些脑部疾病在诊断中不能及时有效地被发现,从而对后续的治疗产生影响㊂
汤煜春[3]于2009年研究证实,中国人和
ICBM152公认的Caucasian 大脑存在形态结构区别㊂因此,对于中国人脑部数字化可视化的研究就显得很有必要㊂构建国人脑部三维立体数据集及可视化模型是疾病诊断和治疗的重要基础,其在临床解剖学和断层影像解剖学教学方面也有重要作用㊂而构建三维可视化模型,必然少不了计算机技术的应用,其构建的结构立体感强㊁形态逼真,能够很好地呈现兴趣结构的空间与位置关系,是作为可视化模型成功构建的技术支撑基础㊂本课题组正着力于该方面研究,可对国人基于MRI 数据的脑部沟回数字化数
据作为补充㊂而基于MRI 数据的国人正常扣带回皮层的三维可视化模型目前并未见过多相关报道㊂本文的扣带回皮层研究正是在本课题组实验技术路径基础上开展㊂
扣带回皮层,在人类的情绪㊁记忆㊁内脏感觉㊁疼痛等发面发挥着非常重要的作用,近年来有关扣带回皮层的分部及功能研究更是成为热点问题㊂研究[4-7]显示,阿尔兹海默病㊁精神疾病㊁抑郁症㊁言语记忆及认知等均与扣带回皮层有关㊂本文研究结果显示,大脑扣带回皮层位于胼胝体上方两侧,紧贴大脑纵裂,呈前后走形的 新月形”㊂孙博[8]研究表明,女性中扣带回的灰质体积结构明显右侧化较多,说明扣带回皮层在性别和侧别上存在很大程度的差异,此结果可为与扣带回相关的临床神经系统疾病的影像学诊断和功能研究提供可视化的形态依据㊂顶面及侧面三维可视化模型可以看出其在灰白质交界处走形扭曲,这更增加对扣带回皮层边界识别和
(下转第1008页)
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(本文编辑　刘畅)
(上接第1003页)
功能理解上的困难㊂从扣带回皮层与侧脑室及大脑
纵裂的三维重建模型可以看出,其形态比较复杂,彼
此位置关系紧密㊂
综上,建立扣带回皮层可视化三维模型,对扣带
回皮层部位疾病的诊断和治疗研究有重要意义;三
维可视化技术在组织结构及解剖关系复杂的疾病的
诊治中已经广泛开展并运用[9],对与扣带回皮层结构区域有关的侧脑室肿瘤的微创手术入路和三维立
体定向精准放疗治疗,精准医学个性化治疗方案的
制定方面,也具有重要的指导意义㊂
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(本文编辑　卢玉清)。