基于人脑mri图像的颅脑三维可视化研究

第 1 5 卷 第 4 期 北 华 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) V o l . 1 5 N o . 4 2 0 1 4 年 8 月 J O U R N A L O F B E I H U A U N I V E R S I T Y ( N a t u r a l S c i e n c e ) A u g . 2 0 1 4 文 章 编 号 : 1 0 0 9 - 4 8 2 2 ( 2 0 1 4 ) 0 4 - 0 4 8 0 - 0 2 D O I : 1 0 . 1 1 7 1 3 / j . i s s n . 1 0 0 9 - 4 8 2 2 . 2 0 1 4 . 0 4 . 0 1 3 基 于 人 脑 M R I 图 像 的 颅 脑 三 维 可 视 化 研 究 缪 春 明 , 沈 维 高 ( 北 华 大 学 附 属 医 院 , 吉 林 吉 林 1 3 2 0 1 1 ) 摘 要 : 目 的 探 讨 基 于 人 脑 M R I 数 据 三 维 重 建 颅 脑 的 可 行 性 . 方 法 选 取 1 例 成 年 自 愿 者 行 1 m m 层 厚 的 M R 轴 位 扫 描 , 应 用 哈 尔 滨 工 业 大 学 自 主 开 发 的 N A S P 软 件 应 用 体 绘 制 技 术 完 成 颅 脑 的 三 维 可 视 化 . 结 果 应 用 该 技 术 可 以清晰、 逼真地显 示颅脑的形 态 结构及其 毗 邻关系. 结论 利用 人脑 M R I 数 据 可以 实现 颅 脑结 构的 可 视化 . 关 键 词 : M R I ; 颅 脑 ; 三 维 可 视 化 中 图 分 类 号 : R 4 4 5 . 2 文 献 标 志 码 : A 收 稿 日 期 : 2014 - 0 4 - 2 3 作 者 简 介 : 缪 春 明 ( 1967 - ) , 男 , 副 主 任 医 师 , 博 士 , 主 要 从 事 脑 血 管 病 临 床 研 究 ; 通 信 作 者 : 沈 维 高 ( 1975 - ) , 男 , 副 教 授 , 博 士 , 硕 士 生 导 师 , 主 要 从 事 神 经 解 剖 学 研 究 . O n T h r e e - D i m e n s i on al V i s u al i z at i on B as e d on t h e H u m an B r ai n M R I I m agi n g M i ao C h u nm i ng , S hen W ei gao ( A f f i l i a t e d H o s p i t a l o f B e i h u a U n i v e r s i t y , J i l i n 1 3 2 0 1 1 , C h i n a ) A b s t ract : O b j ect i v e T o expl or e t he f eas i bi l i t y t o r econs t r u ct cer ebr al m or p hol ogi cal s t r uct ur e by u s i n g hum an b r ai n M R I dat a . Met h od s O n e m al e adul t w i t h heal t hy vol un t eer w as s el ect ed t o r ecei ve M R axi al s canni ng w i t h 1 m m t hi ck l ayer . N A S P s of t w ar e aut onom ous l y d evel oped by H ar bi n I ns t i t ut e of T echnol ogy w as u s ed t o com pl et e t h e cr ani ocer ebr al t hr ee - di m ens i onal r econs t r u ct i on and vi s u al i z at i on . R es u l t s T h e s p eci al t echni que , t h e m or ph ol ogi cal s t r uct u r e and l ocat i on of adj acent s t r uct ur e coul d be s how ed cl ear l y and vi vi dl y . C on cl u s i on B as ed on t h e hum an b r ai n M R I i m age d at a , t he b r ai n t hr ee - d i m ens i onal r econs t r uct i on and vi s ual i z at i on c oul d be com p l et ed . K eyw o rd s : M R I ; cr ani ocer ebr al ; t hr ee - di m ens i onal vi s ual i z at i on目 前 , 学 者 对 人 脑 研 究 所 获 数 据 是 相 对 颅 脑 结 构 的 观 测 结 果 , 缺 乏 整 体 观 . 而 临 床 医 生 只 能 通 过 二 维 影 像 推 测 三 维 图 像 , 而 三 维 数 据 和 可 视 化 才 是 临 床 医 生 所 迫 切 需 要 的 . 现 在 借 助 计 算 机 技 术 可 以 实 现 人 脑 三 维 图 像 的 可 视 化 , 但 是 , 目 前 国 内 采 用 的 是 非 国 人 数 据 , 不 适 合 中 国 人 颅 脑 的 形 态 结 构 特 点 . 因 此 , 本 研 究 基 于 中 国 人 脑 M R I 图 像 实 现 颅 脑 的 三 维 可 视 化 , 为 临 床 医 生 提 供 直 观 的 人 颅 脑 形 态 学 资 料 . 1 材 料 与 方 法 1 . 1 标 本 的 选 择 选 择 健 康 男 性 自 愿 者 1 例 , 排 除 高 血 压 、 糖 尿 病 、 精 神 病 史 、 遗 传 病 史 和 重 大 疾 病 史 ; 无 酒 精 中 毒 史 , 无 吸 烟 史 ; 神 经 精 神 检 查 无 阳 性 体 征 ; 在 M R 图 像 上 显 示 无 颅 脑 疾 病 . 1 . 2 M R I 扫 描 该 男 性 健 康 自 愿 者 S E 序 列 T 1 W I 横 断 面 : T R = 5 00 m s T E = 8 , N E X = 1 m s , 矩 阵 2 80 2 56 , 层 间 距 = 0 m m , 层 厚 = 1 . 0 m m , T A = 9 , 以 眦 耳 线 为 扫 描 基 线 , 扫 描 范 围 包 括 全 脑 . 扫 描 数 据 以 D I C O M 格 式 存 储 到 计 算 机 . 1 . 3 颅 脑 的 三 维 重 建 与 可 视 化 由 哈 尔 滨 工 业 大 学 自 主 开 发 的 N A S P 软 件 应 用 体 绘 制 技 术 完 成 颅 脑 的 三 维 重 建 和 可 视 化 .2 结 果 三 维 重 建 的 颅 脑 结 构 形 态 逼 真 , 可 以 在 二 维 或 三 维 显 示 , 根 据 需 要 可 观 察 到 三 维 断 面 的 形 态 结 构 , 便 于 观 察 感 兴 趣 区 及 其 毗 邻 结 构 之 间 的 形 态 结 构 、 位 置 关 系 . 由 于 三 维 重 建 颅 脑 结 构 来 源 于 M R I 图 像 , 可 以 实 现 与 临 床 影 像 资 料 的 对 比 观 察 , 从 而 指 导 临 床 工 作 . 而 且 三 维 重 建 的 结 果 实 现 了 可 视 化 , 可 以 直 观 、 形 象 地 浏 览 感 兴 趣 区 , 以 及 任 意 旋 转 、 平 移 与 缩 放 观 察 , 从 而 为 临 床 医 生 提 供 形 象 、 直 观 的 参 考 资 料 ( 见 图 1 ) . A : 重 建 的 整 体 颅 脑 ; B : 轴 位 可 视 化 ; C : 矢 状 位 可 视 化 ; D : 冠 状 位 可 视 化 图 1 颅 脑 的 重 建 及 可 视 化 F i g . 1 C r a n i o c e r e b r a l r e c o n s t r u c t i o n a n d v i s u a l i z a t i o n 3 讨 论 人 脑 三 维 重 建 的 关 键 问 题 是 数 据 的 采 集 与 图 像 的 分 割 . 本 实 验 采 用 西 门 子 M R I S E 序 列 T 1 W I 横 断 面 : T R = 500 m s T E = 8 , N E X = 1 m s , 矩 阵 280 2 56 , 层 间 距 = 0 m m , 层 厚 = 1 . 0 m m , T A = 9 , 确 保 了 M R I 图 像 的 清 晰 度 和 连 续 薄 层 扫 描 间 距 , 为 重 建 奠 定 了 基 础 . 在 临 床 工 作 中 , 神 经 外 科 医 师 依 据 头 部 二 维 的 M R I 资 料 , 推 断 、 想 象 构 建 人 脑 三 维 形 态 结 构 , 显 然 有 很 大 的 局 限 性 , 也 必 然 会 影 响 临 床 医 生 对 疾 病 的 诊 断 与 治 疗 1 . 因 此 , 国 内 外 学 者 致 力 于 从 事 颅 脑 形 态 结 构 的 三 维 重 建 和 可 视 化 研 究 . 2 0 世 纪 8 0 年 代 , 美 国 和 加 拿 大 研 究 机 构 2 - 3 均 基 于 M R 灰 度 图 像 4 - 6 ( 层 厚 最 薄 只 能 达 到 1 m m ) 建 立 数 学 模 型 , 但 构 建 的 模 型 均 不 能 反 映 人 脑 结 构 信 息 资 料 7 . 美 国 学者 Spi t z er 等 8 利 用 白 种 人 标 本 间 距 为 1 m m 的 V H P 数 据 集 开 发 人 体 大 脑 模 型 , 但 立 体 定 向 功 能 常 用 的 图 谱 来 自 于 一 位 56 岁 法 国 女 尸 的 一 侧 大 脑 半 球 的 层 厚 4 m m 在 T al ai r ach 9 - 1 0 标 准 空 间 的 脑 模 型 , 二 者 均 来 自 西 方 人 脑 资 料 , 显 然 不 适 合 中 国 人 脑 结 构 的 特 点 . 李 七 渝 等 1 1 利 用 数 字 化 可 视 数 据 建 立 了 中 国 人 大 脑 解 剖 模 型 , 不 适 用 于 临 床 应 用 . 本 实 验 利 用 1 . 5 T M R 采 集 健 康 男 性 大 脑 数 据 , 建 立 了 反 映 中 国 人 脑 特 点 的 脑 解 剖 模 型 , 可 以 为 临 床 医 师 形 象 理 解 人 脑 结 构 及 临 床 疾 病 的 诊 断 、 制 定 手 术 计 划 提 供 参 考 资 料 . 参 考 文 献 : 1 德 炎 , 沈 宗 文 , 刘 惠 民 , 等 . 人 体 器 官 的 计 算 机 三 维 重 建 及 显 示 J . 解 剖 学 杂 志 , 1 9 9 0 , 1 3 ( 3 ) : 1 9 9 - 2 0 3 . 2 K i k i n i s R , S h e n t o n M E , I o s i f e s c u D V , e t a l . A D i g i t a l B r a i n A t l a s f o r S u r g i c a l P l a n n i n g , M o d e l - d r i v e n S e g m e - n t a t i o n , a n d T e a c h i n g J . I E E E T r a n s V i s u l i z a t i o n C o m p G r a p h i c s , 1 9 9 5 , 2 ( 3 ) : 2 3 2 - 2 4 1 . 3 V a n E s s e n D C , D r u r y H A . S t r u c t u r a l a n d F u n c t i o n a l A n a l y s e s o f H u m a n C e r e b r a l C o r t e x U s i n g a S u r f a c e - b a s e d A t l a s J . J N e u r o s c i , 1 9 9 7 , 1 7 ( 1 8 ) : 7 0 7 9 - 8 1 0 2 . 4 N o w i n s k i W L , T h i r u n a v u u k a r a s u u A . E l e c t r o n i c A t l a s e s S h o w V a l u e i n B r a i n S t u d i e s J . D i a g n o s t i c I m a g i n g A s i a P a c i f i c , 2 0 0 1 , 8 ( 2 ) : 3 5 - 3 9 2 . 5 J o h n A , J o h n G C , C h r i s t o s D , e t a l . C o m p u t e r - a s s i s t e d I m a g i n g t o A s s e s s B r a i n S t r u c t u r e i n H e a l t h y a n d D i s e a - s e d B r a i n J . T h e L a n c e t N e u r o l o g y , 2 0 0 3 , 2 ( 2 ) : 7 9 - 8 8 . 6 S c h i e m a n n T , F r e u d e n b e r g J , P f l e s s e r B , e t a l . E x p l o r i n g t h e V i s i b l e H u m a n U s i n g t h e V O X E L - M A N F r a m e w o r k J . C o m p u t M e d I m a g i n g G r a p h , 2 0 0 0 , 2 4 ( 3 ) : 1 2 7 - 1 3 2 . 7 钟 世 镇 . 数 字 化 虚 拟 人 ( V C H ) 研 究 现 状 与 展 望 J . 解 放 军 医 学 杂 志 , 2 0 0 3 , 2 8 ( 5 ) : 3 8 5 - 3 8 8 . 8 V i c t o r M S p i t z e r , D a v i d G W h i t l o c k . T h e V i s i b l e H u m a n D a t a s e t : t h e A n a t o m i c a l P l a t f o r m f o r H u m a n S i m u l a t i o n J . T h e A n a t o m i c a l R e c o r d , 1 9 9 8 , 2 5 3 ( 2 ) : 4 9 -