小脑深部核团的三维可视化研究

    摘要：目的建立小脑深部核团三维可视化模型，为小脑功能影像学研究、电刺激核团疗法的功能相关性研究以及核团立体定向手术提供解剖学依据。方法 选取连续薄层断面数据及高分辨率标本 3D MRI 数据中小脑核团相关图像资料，采用 Amira 4.1 三维可视化软件，对小脑深部核团进行精确分割，对获取的数据进行表面重建及体积重建。结果，重建的结果能够清晰显示分割后具有伪彩的小脑深部核团结构与周围未分割的真彩色的结构间的毗邻关系。结论 三维重建的结果能够比较好的显示小脑深部核团的位置、形态以及与周围小脑结构的毗邻关系，对小脑深部核团的功能影像学研究和临床治疗上核团的定位有重要的参考价值。

    作者简介：樊令仲（1982—），男（汉族），山东省枣庄市人，博士研究生。 研究方向：断层影像解剖学

    1、引言

    研究人员在对小脑损伤及其功能的研究中发现小脑表面皮质各亚区与深部核团具有各自不同的功能, 但由于早期影像学设备分辨率低等原因，很少对核团和皮质进行明确功能区分[1,2]。如何对小脑皮质功能亚区及深部核团进行准确的解剖定位已成为进一步深入研究小脑功能的关键性问题。国内外现有的诸多小脑解剖结构图谱，由于其命名方法各异，各种表述所指代的结构比较模糊，而且其描述多局限于大体解剖，不能够应用于功能影像学的研究[3,4]。以组织学切片建立的小脑图谱或小脑核团图谱，由于大多是离体切片，其显示与功能影像学研究中使用的标准空间不一致，其应用亦受到很大限制。在 MRI 技术出现早期，以 MRI 图像为基础建立的小脑图谱由于受到层厚、图像分辨率低等原因的限制，仅仅在有限的几个主要断面区分小脑的复杂结构，很多小脑小叶，裂及核团等未做区分，亦限制了其应用[5~9]。

    为了满足功能影像学技术如正电子体层扫描（PET）、功能磁共振（fMRI）等对小脑非运动功能研究的开展以及准确定位小脑损伤部位，深部核团毁损术、电刺激小脑顶核治疗脑科和心血管疾病的功 能相关性研究的需要[10,11]。本研究利用先进的三维重建软件 Amira4.1 对通过薄层断面铣削技术获取的层厚为 0.1mm 横断面图像以及利用 3DSPGR 序列采集的高分辨率 MRI 数据，进行三维可视化，重建的模型能够很好的显示小脑深部核团分布规律和形态，为小脑功能影像学研究和临床应用提供了全面的解剖资料[12~15]。

2、材料和方法

2.1 图像数据获取

2.1.1 标本断面数据及 MR 图像获取

2.1.1.1 标本遴选 选择福尔马林固定两年以上、发育正常无明显器质性病变的健康成年男性尸体3 具， 经 1.5T 磁共振扫描仪 (Sonata SIEMENS 公司, 德国)扫描排除神经系统疾病和颅脑损伤后，选取头部标本一例,然后进行连续薄层横断面铣切。其 MRI 扫描参数为：T1WI: TR=735.0ms,TE=7.7ms,SL=3mm, FOV=203mm×250mm;T2WI:TR=8330.0ms,TE=95.0ms,SL=3mm,FOV=201mm × 230mm.

高分辨率 3.0T 磁共 振扫描（ GE 公司 ,USA）， 3DFSPGR 序列 MR 图像获 取参数： TR=6.5ms,TE=2.8ms,SL=1.4mm,无层间隔,FOV=240mm×240mm, NEX=3，Matrix=256×256,.

2.1.1.2 冷冻铣削 冷冻，头部标本放入低温冷冻冰柜内,经过- 20 ℃, - 30 ℃, - 40 ℃分别冷冻 2d。

包埋与固定，用加入蓝色染料的 3%明胶溶液作为包埋剂，在具有标志杆的自制包埋容器中，利用固定架进行标本定位，保证标本的姚氏线与水平面垂直，确保标本平行于 AC-PC 线进行铣切。然后依次向包埋箱内加入明胶,每加入一层明胶(20%)，冷冻 24h。

数控铣削，在-15℃的低温实验室内，以 AC-PC 线为基线，利用 SKC500 型数控铣床(图 1)进行连续铣削，获取小脑薄层横断面(图 2)。

数据采集，使用 Canon EOS 1Ds Mark II 高清晰度数码相机，应用其自带软件控制相机采集图像, 获取图像，标本经过酒精处理，前后各拍摄 1 张，分别备份数据。

3、图像处理

3.1 图像处理平台

Intel(R)core(TM)quad CPU,2.40GHZ, 4G 内存,ATI Radeon HD 3850 512M 显存， Windows XP sp2,Photoshop cs(Adobe;San Jose,CA), Amira（TGS company, France）。

3. 2 图像预处理

将原始 RAW 格式图像转换为无压缩的 BMP 格式，对所得图像执行直方图均衡与标准化操作，使图像间的亮度，对比度达到一致。并利用 Adobe photoshop CS 中的批处理功能,在同一范围和大小下批量裁剪得出小脑核团相关图像，调整其锐化程度并将其转换为灰度图像，以便进行下一步处理。

3. 3 三维可视化

3.3.1 图像配准

断面图像的配准分为基于外部控制点的配准和基于图像内部特征的配准两种。由于薄层小脑切片图像在制作过程中就设置了定位杆，因而使得相对简单的基于外部控制点的配准得以实现。首先利用图像处理软件Adobe photoshop CS，通过调整透明度完成相邻切片内标志杆的初步配准，然后选择第一层图像作为基准，将第二层图像与其配准。获取配准参数后即将第二层图像进行变换，输出结果图像。第三层图像与经过配准的第二层图像进行配准，作变换后输出结果图像，其余图像以此类推。MRI图像可以利用Amira软件中的AffineRegistration模块实现自动配准。

3.3.2 图像分割

图像的准确分割是图像三维重建的基础，目前图像分割的方法可分为两种体系：计算机自动阈值分割以及人机结合的交互式图像分割。本研究应用手动分割与 Amira 软件中提供的半自动交互式分割相结合的方法。首先利用基于颜色分量统计的方法去除原有的蓝色背景；然后利用高斯平滑消除图像中的噪声， 得到高质量的图像。采用 PhotoshopCS 软件及 Amira 软件中提供的 LabellingLabel Field（图 4）模块， 选择手动和半自动轮廓勾勒方法以及液晶数位屏分割小脑结构的轮廓，描取小脑白质内核团外型，并对各描取核团结构进行 RGB 赋色。

3.3.3 三维重建及显示

经过上述处理已经得到可供面绘制或体绘制的数据，利用轮廓线建立小脑结构建立表面模型，使 用体模型和面模型混合绘制小脑核团三维模型，提供多角度,多深度和任意剖面的结构显示。

在对采样的图像进行三维模型重建之前，必须考虑用 AlignSlice 模块中平移或者旋转的方式来将连续二维图像对齐。然后利用 Amira 软件中的表面重建模块，得到原始的三角形表面，对表面进行后处理，光滑表面，得到重建的小脑核团表面结构。

                                                                                                                                     图 1 SKC500 数控铣床

图 2 薄层断面图像

  图 3 A.断面数据处理过程

图 3 B. MRI 数据处理过程

图 3 C. Amira 处理对象池(object pool)

图 3 Amira 软件操作界面

图 4 Label Field 模块

4、结果

4.1.标本薄层断面数据及MRI图像上核团显示

 齿状核：本例获取与之相关的连续薄层横断面大约145层，在断面上由背侧开始逐层向腹侧追踪齿状核的断面形态。在断面和对照的T1MRI 图像上，齿状核的形态大而且位于外侧，形如一个向前内侧开口的折叠口袋状结构。在连续断面上齿状核出现，以其为标志来识别其他小脑核团的位置，其后半部分的内侧与外侧的边界欠清晰，在一些层面上与内侧的间位核相连接。栓状核位于齿状核内侧，部分遮盖了齿状核核门，常难于与齿状核区分。

顶核：在连续横断面上顶核的出现是仅次于齿状核，大约出现在12层的断面上。顶核是靠内侧的小脑核团，紧邻第四脑室顶的外侧和上蚓前部的内侧面，在中线两侧对称分布。

间位核：由球状核与栓状核组成，大约出现在20-25层断面上，但是仅能在少数的层面上将两者区分。一般位于前外侧的为栓状核，位于后内侧的为球状核，而且球状核由多个小的灰质团块构成，故较难识别， 在连续断面上观察时，主要根据其位置以及核团与周围白质的差别加以区分。本实验结果可以清晰观察到栓状核典型的分布位置及其形态。

4.2 标本断面数据三维重建结果

 图 5A /B 上面观,下面观

图 5C 半透明化显示

 图 5D 叠加效果图（灰度图像）                  图 5E 叠合图（RGB 图像）

图 5 标本断面数据三维重建结果（蓝色：齿状核，绿色：顶核，红色：栓状核，黄色：球状核）

图 6A /B 前面观/后面观

图 6CD 叠合效果图

图 6 MRI 图像的三维重建结果

（蓝色：齿状核，绿色：顶核，红色：栓状核，黄色：球状核）

5、讨论

Amira4.1 是一套面向对象的模块化软件系统。模块和数据对象是其基本系统组件。所谓模块，是用来观测数据对象或是针对这些对象完成某些计算操作的。各种组件在对象池（object pool）中用不同的图标来表示。图标之间的连线表明不同组件在操作上的依赖关系。比如，某一模块正适用于某一具体的数据对象。在一个上下文相关的弹出式菜单重，会列举出特定的模块类型。根据这个菜单的提示，你可以创建相应的模块与现有的数据对象相匹配。而且，用户仅用很少的交互操作便能在对象池中形成工作网络。模块以及数据对象的各种参数，均可在 Amira 提供的交互区内进行修改。利用 Amira 软件，可以实现二维物理切片的多方位显示，在横断面、矢状面和冠状面上观察切片。通过调节切片数，可以查看各个断面上切片图像。在 Amira 中有多种显示方法，Orthslice 可以实现一般切片的横矢冠显示，StanderView 可以实现三维图像及横矢冠同时显示，ProjectionView 可以实现图像的投射显示[13,16]。

本实验采用低温冷冻铣切,断面连续,无锯耗,铣切厚度为 0.1 mm,每个断面用 1600 万像的高分辨率数码相机拍摄,尽可能保证了二维图像的完整性, 提高了重建图像的细致性和准确性[17,18]。另外通过筛选得到的高分辨率磁共振 FSPGR 序列图像，对于标本来说与活体的区别是其 T1 与 T2 图像能够显示的结构差不多，故可以获取标本的 3DT1 序列图像,并且通过增加激励次数（NEX=3），得到高信噪比的图像[8,19,20], 小脑核团显示清晰，满足重建的要求。在图像分割过程中运用液晶数位屏手工分割提高了结构识别的准确性。建立的成人小脑核团三维可视化结构图, 可以单独显示、搭配显示和整体显示,可以从不同方向、角度对小脑核团可视化模型进行剖切，以真彩色的形式清晰显示小脑重要解剖结构的毗邻关系， 可以连续、动态地进行观察，对局部结构还可以进行放大显示，还能以任一点为原点建立三维坐标系， 观察小脑横断面、冠状面和矢状面的解剖结构特点，可以多方位显示小脑表面裂、小叶的延续关系。面绘制重建与体绘制重建相结合的方法，通过对画面透明度和叠加性的调控,能同时清晰显示经分割的具有伪彩的小脑内核团结构与周围未分割的真彩色的结构间的毗邻关系。

早期解剖学研究小脑深部核团，多是以组织切片的方法来观察核团的位置，虽然通过组织切片可以观察到四对核团的形态和之间的位置关系，但是由于切片是利用离体标本制作，而且选择的切片基线多样，

故不能很好的应用于功能成像常用的Talairach空间中[3~5]。随着现代成像技术的发展，许多学者利用高分辨率MR图象建立小脑及其核团的图谱，由于小脑深部核团在常规MRI扫描序列中，只有齿状核能在T2加权像有比较好的显示，故其应用也受到一定程度上的限制。Dimitrova 等利用多次平均T2MR图象与组织切片对应建立的核团概率图谱弥补了上述的缺点，但是仍然存在其参考标准是离体切片，MR图象显示核团率低等弊端[8,9,20]。目前有关小脑深部核团的断面解剖学研究鲜有报道，因为除齿状核以外，其他小脑核团尺寸较小，在以往的厚片标本中出现的层面较少，难以观察。本研究利用冷冻数控铣削技术、磁共振技术结合计算机三位重建技术，获取高精度小脑断面与MRI图像，连续观察小脑核团在断面及MRI上出现的位置以及形态，齿状核大且先出现，位于外侧，形似一个向内侧开口的折叠口袋状结构；顶核是靠内侧的核团，紧邻第四脑室顶的外侧和上蚓前部的内侧面，在中线两侧对称分布；栓状核位齿状核内侧，不易与其区分，核团部分遮盖齿状核门；球状核由多个散在分布灰质团块组成，呈前后向伸长，出现在栓状核与顶核之间区域，以此为基础进行精确的手工分割。功能影像学以及立体定位手术中对小脑深部核团研究，其中困难就是在影像图象中对核团的定位以及核团之间边界的确认，本研究利用超薄断面铣切技术获得的图象能够比较准确的定位小脑深部核团的位置，以及其在连续断面上形态的变化规律，为小脑深部核团功能影像学的开展以及各种核团神经生理性刺激的准确定位提供了准确的解剖依据。

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