医学图像标准数据库

第8章医学图像标准数据库 8 1数字化人脑图谱技术 8 1 1数字化脑图谱的概念与特点数字化人脑图谱是用某种特定的扫描装置获取的体数据 1 经3D分割处理 2 添加解剖标识 3 辅以3D可视化技术的结果 在当前的医学图像分析和研究中 构建一个高精度 高速度 易于操作的三维数字化人脑图谱 DigitizedAtlasoftheHumanBrain 的工作引起科学家们的重视 使用这种图谱 医生可以在3D空间对人脑中感兴趣的对象任意旋转和平移 做认真细致的观察 清楚地了解人脑内部复杂的空间关系 由于图谱是数字化的 因此可以很方便地对整个体数据进行重采样 Resampling 或对数据格式重组 Reformatting 使人们能够从任意角度 任何剖面观察脑内结构 特别是 人脑的主要组成部分在图谱中都有相应的解剖名词标识 并能在鼠标控制下显示 这无疑是手术步骤计划的重要参考信息 当然也是神经解剖教学的好工具 图谱的这一特性还可使它可以用做模型驱动分割的模板 对待分析的新的脑图像的多个感兴趣区同时做特征描述 8 1 2数字化脑图谱的构建方法 数字化脑图谱的材料大致有以下几种 1 尸体组织切片 2 活体扫描 3 用数学方法仿真产生活体扫描又可以是多个受试者的概率结果或单一受试者的迭加平均结果 数字化脑图谱构建过程数字化人脑图谱的制作过程包括 数据的获取图像数据的质量改进感兴趣区的选择贴解剖标签3D表面绘制浏览器人机交互接口 数字化脑图谱构建过程图示 数据的获取如果数据取自尸体 尸体脑应选自无神经疾病和神经病理改变的成年死者 保存时应浸泡在福尔马林酒精溶液中 使其尽量与活体脑状态相近 具体步骤是先用切片机对尸体头颅沿轴向 即从上向下方向 切片 约每2毫米一层 然后对各层切片照相 用透明胶片覆盖在照片上 透明胶片上有毫米刻度的切片机框架标记 覆盖时使该框架标记与照片中的框架位置重合 因为照片中各解剖结构的边缘并非清楚可见 必须辅以必要的手绘 例如在透明胶片上绘出大脑半球皮层表面 尾状核的头 尾边缘 及脑室边缘等 这项工作一般是由神经解剖学专家来完成 如能对每个结构都由熟悉该结构的专家分头描绘 效果会更好些 最后 用平板式图像扫描仪将描绘好的透明胶片扫描至计算机图像工作站中 就得到了人脑切片的分层数据及全脑的体数据 如果采集的是活体数据 则应选择一个健康的成年受试者 直接进行MR分层扫描 多层扫描数据经工作站转换为标准图像格式供后处理使用 这种扫描数据本身就是3D体数据集 一般由文件头与二进制MR数据组成 数据结构很方便做2D或3D处理 2 图像数据的质量改进由于MR图像中各解剖结构的边缘并不清晰 因此扫描要在较短的时间内重复进行多次 扫描过程中受试者位置尽量固定不动 将N次扫描数据迭加平均得到的结果就可将信噪比增加N的平方根倍 例如 MNI的人脑数据库就是对同一受试扫描27次完成的 此外 还应对图像噪声加以滤除 有多种滤波器可以使用 例如图像与高斯核卷积可以抑制随机噪声 但对图像结构边缘有模糊作用 一种模拟热学中各向异性扩散的滤波器较为有效 既可滤除噪声 又不破坏图像的解剖细节 3 感兴趣区的选取感兴趣区的选取是图像3D分割与医学先验知识相结合的产物 图像3D分割可以是自动的 监督式的 或二者结合的分割 例如 在滤波后对MR图像做基于灰度的监督式分割 SupervisedSegmentation 尽量得到对每个像素明晰的组织分类 灰质 白质 脑脊液等 分类器可采用非参数统计分类算法 将灰度图像转换为某种组织的二值图像或概率图像 初始分割的基础上 参照现有的神经解剖学专著找出关于各ROI的标志 Landmark 的叙述 例如关于颞叶 额叶前部皮层 基底节的详细描述 初步选择ROI 该项工作可以交互式地进行 例如对同是灰质的额上回与额中回无法用程序自动区分 使用能够显示侧面 轴向及冠状 Sagittal Axial Coronal 三个正交方向截面图的交互式软件可以观察脑部切片 帮助ROI的编辑工作 划分的ROI包括大脑皮层灰质 又分为多个脑叶 小脑 脑干结构 包括脑桥和延髓 胼胝体 基底节 脑缘系统结构 眼与视交叉 脑室系统 及几个白质束 皮层脊髓束及视辐射线 等 总计有150个左右的解剖结构 由于解剖结构形态分类的任意性 要做好这项工作需要专家组对识别的各个脑区评估并不断改进和修正 对脑图谱众多ROI的确定和轮廓描绘是十分艰苦 费力的事 一般需要数人年的工作 由于精心操作 ROI的划分是很准确的 经评估 即使对体积很小的脑结构 例如颞上回 STG ROI的误差也能做到小于4 由于解剖结构形态分类的任意性 要做好这项工作需要专家组对识别的各个脑区评估并不断改进和修正 对脑图谱众多ROI的确定和轮廓描绘是十分艰苦 费力的事 一般需要数人年的工作 由于精心操作 ROI的划分是很准确的 经评估 即使对体积很小的脑结构 例如上前皱折 STG ROI的误差也能做到小于4 4 贴解剖标签解剖标签是存放在一个文件中的解剖结构名词 该文件保留解剖结构的空间信息和解剖知识 只有将一个标签与一组体素对应联系起来 才能显示该标签所代表的解剖结构 贴标签系统是分级组织的 神经解剖结构可以按照结构间的特定关系分组 例如 皮层沟回可以分为额叶 顶叶 颞叶和枕叶沟回等 脑室系统分为侧脑室 第三脑室 第四脑室等 各组成组织的标签也是分级安排的 此外 还包括一些与功能有关的系统 例如皮层脊髓束 视辐射线等 数字化人脑图谱的可视化有三种方法可以用来实现贴过标签的数据集的可视化 1 使用高性能计算机的蛮力绘制法 BruteForceRendering 2 使用表面模型和标准图形硬件加速方法 3 对于没有硬件加速设备的 可以预先算好绘制的图像 存储备用 这三种方法对计算资源的要求不同 前者最高 依次递降 使用高性能计算机 交互式工作要求每秒几幅图像的绘制速度 要想得到较好的视觉效果 还必须对数据点插值或平滑 在3D空间实现对解剖结构分组 对象的平移与旋转 结构间的关系也很明确 便于观察和建立解剖结构的3D形象 6 数字化人脑图谱的浏览器解剖是分级组织的 因此浏览器也应是分级的 例如 上前部皱折是脑前叶的一部分 后者属于新皮层一部分 而新皮层又是大脑的一部分等等 分级浏览器对分割图像的可视化提供一个用户友好界面 程序自动将分割好的图像与包含分级名称与像素值的说明文件关联起来 用户可选择按像素值或按分级关系显示图像 后者允许将不同神经解剖区成组或拆组 用色彩加亮不同的ROI 可以清楚看出结构间的关系 随意上移或下移至不同的分级以更好地观察较大或较小的分组 更好地了解结构间的空间关系 用于图谱导航的用户接口是一个分级浏览器 具体的功能有从任何方向观察图像 角度 高度和旋转 图像尺寸缩放 适于观察小的对象 以任意维剪切图像 显示隐藏对象 按组或按单个颜色显示分级结构利用RGB滑块改变图像颜色给图像贴标签注释3D显示部分在图像上重叠栅格用做贴标签编辑改变标签字体的大小 颜色和字型在3D显示上画线 帮助指向标签标识的脑区存储标签 说明文件 图像 供制做幻灯片 录象带或以后的脑图谱使用 8 1 3数字化人脑图谱的应用 当前比较有代表意义的数字化图脑谱有 Talairach脑图谱哈佛全脑数据库蒙特利尔神经所的BrainWebUCLA的可变形的人脑概率数据库美国的可视人计划 VisibleHumanProject 也常常被用于脑图像研究的参考 1 神经解剖教学对不同解剖结构的形状 构造及它们之间的关系的理解是件困难的事情 数字脑图谱可以给学生提供一种直观地学习神经解剖学快速而有效的方式 数字化的3D数据集配合灵活快速的表面重建和浏览功能使学生能从各角度观察指定的解剖结构 观察的对象也可很方便地选择 所以是一个很好的教学工具 应用领域 2 手术计划与导航数字脑图谱可以为外科手术步骤的计划提供准确 可靠的参考信息 例如对神经胶质瘤患者的手术计划 医生所面临的挑战是如何防止对皮层脊髓束的损伤 有了图谱给出的准确的解剖参考 尽管使用交互式刚性配准方法在手术室可以作到大致的对准 医生还是深感能在手术之前得到这些信息是十分重要的 这些知识增强了神经外科医生手术的信心 可以最大限度地避免对关键脑组织的伤害 3 模型驱动分割由于人体解剖个异性差别较大 人脑中许多组织和结构的图像灰度分布互相重叠 使得人脑图像分割具有很大的难度 图谱的信息可以用于指导分割算法的研究 从图谱信息到受试者或病人的映射主要使用弹性匹配方法 4 医学图像配准医学图像配准是相同模式 不同成像参数图像 或不同成像模式图像 甚至不同人脑图像间进行比较的不可缺少的重要图像处理步骤 数字化人脑图谱包含具有明确解剖标识的量化空间信息 与笛卡儿坐标系统联系起来 就可以作为公共参考系统实现各类图像配准 配准过程可以是从一个特定的脑到另一个特定的脑 从脑图谱至脑或从脑至脑图谱完成 5 仿真多种成像方式利用MR人脑图谱数据和特定的其它成像模式的原理相结合 可以用计算机模拟产生PET SPECT或fMRI图像 构建多种模式的仿真脑图像体数据集供诸如配准等图像方法学研究 这样构建的仿真数据库特点是成像参数可控 可以人为添加噪声 模仿部分体积效应及对灰度不均匀度 INU 进行控制 用来检测算法的强健性 8 2数字化虚拟人体 8 2 1美国可视人计划受美国国立图书馆支持美国可视人计划 VisibleHumanProject VHP 于1989年立项 并在1994年与1995年相继推出一男一女尸体高精度 高分辨组织切片光学照相 CT和MRI断层图像数据集 男的身高1 82米 女的身高1 54米 在他们死后 立即用CT和MRI作了轴向扫描 男的间距1毫米 共1878个断面 女的间距0 33毫米 共5189个断面 然后将尸体填充蓝色乳胶并裹以明胶后冰冻至摄氏零下80度 再以同样的间距对尸体作组织切片的摄影 数字化扫描分辨率为2048 1216像素 所得数据共56GB 男13Gb 女43GB 美国可视人体男性与女性 美国可视人体男性断层图像 美国可视人计划意义 1 实现了人体解剖信息的数字化 这使得几百年发展起来的基于尸体解剖的实验解剖学发生革命性的变革 人体解剖信息一旦数字化后 就找到与计算机接口方法 后续的计算机处理技术将使这个资源发生不可估量的影响 美国可视人计划意义 2 极大地提高了人体解剖可视化水平人类在认识自己身体的结构方面前进了一大步 使人们以三维形式看到人体数千个解剖结构的大小 形状 位置及器官间的相互空间关系 美国可视人计划意义 3 开辟医学研究的虚拟环境 基于VHP数据集开发各种虚拟内窥镜 例如虚拟直肠镜 虚拟腹腔镜等 特别是这种技术不受腔 管结构的限制 原则上可以在人体内部任何部分穿通浏览 基于图像引导的外科手术计划与导航系统可以提高手术的安全性和成功率 虚拟手术培训系统给广大的未来医生提供最具真实感的训练机会 对提高人类整体医疗水平具有重要意义 美国可视人计划意义 4 解剖信息资源共享作为高质量 高水平的基础医学数据集 将人体解剖信息资源为全人类所共享 数据共享是当今国际科学界极为关注和提倡的 许多有实力的大学 研究所 医院和公司纷纷融资协力打造多种领域数据库 甚至是跨国的合作 显然 VHP数据集是这方面成功的范例 虚拟人划代表 与美国可视人比较 中国女虚拟人特点及创新点 1 立体包埋 立体加工 形状保存好 2 血管灌注显现细小血管 0 46毫米 3 年青女性4 分辨高 层厚0 2毫米5 片数多 8556片 均匀6 总数据量 149 7GB 大数据量多层片配准技术彩色医学图像分割技术人体大数据量重建并行算法计算机及医学领域专家密切合作图像三维重建软件开发与研制 部分重建结果 1 部分重建结果 2 数字式人脑图谱研究与应用 脑组织分割及解剖结构标识 8 3Talairach图谱 Talairach图谱又称Talairach Tournoux图谱 是指TalairachJ和TournouxP于1988年出版的一本书 这本书包含三个创新点 1 一个脑坐标系统 Talairach坐标系统 定义了一个原点和X Y Z平面 在他们的系统中 脑被第一次取向 一条连接前连合 AC 和后连合 PC 的线作为水平方向 AC作为原点 X 0 Y 0 Z 0 2 一个空间变换 Talairach变换 用逐个象限的线性变换匹配不同形状和不同大小的脑 3 一个按其坐标系统取向的脑图谱 Talairach脑 Talairach脑是一个尸体标本 数据来自一个59岁的欧洲妇女 书中以彩色绘图形式 通过对一个单个的正常人脑标本的一系列轴向的 冠状的和矢状的断面标示出大脑结构 脑的标本尺寸为长172mm 高116mm 宽136mm 最初是沿着矢状的断面照相 冠状和轴向的断面是随后从矢状图人工插值得出的 共有36个矢状断层 左 右各18 从中央平面向左共61mm 向右62mm 这些层片是不等间距的 层面间隔从2mm到5mm 有27个轴向断层 范围从z 65mm到z 40mm 38个冠状断层 从通过前连合的垂直线VCA开始 VCA前面65mm VCA后面100mm Talairach图谱中的轴向图之一 8 3 1Talairach坐标系统 Talairach坐标严格来说不是一个坐标轴系统 而是一个规格化脑图像的方法 例如 如果对10个人采集了MR脑图像 每个人脑的大小和形状会互不相同 Talairach描述了一种方法 取脑中一定的部位作为不变的界标 围绕着这些界标来定位其余部分从而形成一个规格化的脑 如此规格化以后 当处理某些功能图像 例如 fMRI或PET 就可以在不同个体之间进行比较 脑功能成像时 其中某些结构可以较好地显示出来 其他的神经解剖学结构却不能直接观察 而仅能间接地通过它们与可见结构的空间关系来分析 通过前 后连合的一条线 AC PC线 与灰质中央核有确定的关系 与端脑有足够精确的关系 这条线被大多数神经解剖学家和立体定向神经外科医生所采纳 AC PC线定义了水平平面 通过前连合的垂直线VCA定义一个垂直前平面 这两条线与中线一起 组成定位系统的参考轴 这个间接定位系统又称做三维比例栅格系统 AC PC VCA和中线这3条参考线形成了三维比例栅格系统的基础 Talairach坐标示意图 脑中各部分到这些平面的距离可以用毫米量度 因为不同个体的人脑宽度 长度 高度上的变化 这些测量值仅能用于同一个个体 由Talairach和Tournoux提出的三维比例栅格系统依照脑在三个空间平面上的最大尺度建立 这个系统适应于脑的所有方位 也很好地适应于所有方位的神经放射学图像 该系统使用了8个标准界标 AC PC 顶骨皮层的最高点 颞皮层的最低点 额皮层的最前点 枕骨皮层的最后点 左半脑和右半脑顶颞皮层的最侧点 比例定位系统将从基线到这些界标之间的体积进行分割 并用毫米为单位标示出距离 总的体积按以下方式分割 用水平线分割 AC PC线以上分8层 AC PC以下分4层 用垂直线分 在VCA前面分4层 在VCP后面分4层 在两个直立的通过前 后连合的平面之间的空间被分成3个条带 E1 E2 E3 这样可以实现中央灰质核的精细定位 并且它一致性地定义了运动皮层的位置 按这个系统可以把大脑划分成许多平行的长方体 在垂直方向 有12个水平分区 标记为1 12