【作 者】李星，顧力栩＊

上海交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海，200240

上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，上海，200030

紙質(zhì)腦圖譜一直都是醫(yī)生學(xué)習(xí)人體大腦內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和功能的重要工具，可以幫助認(rèn)清大腦內(nèi)部各個(gè)組織結(jié)構(gòu)的位置以及相互間的毗鄰關(guān)系，特別是那些不容易被直接看到的大腦內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，人們開(kāi)始在原有紙質(zhì)圖譜的基礎(chǔ)上研究可視化腦圖譜，已成為國(guó)內(nèi)外腦神經(jīng)科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。腦圖譜的可視化正成為神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在對(duì)病灶的定位和手術(shù)計(jì)劃上有著重要的作用。

目前對(duì)腦圖譜的可視化研究大部分都是Talairach-Tournoux圖譜[1]。國(guó)內(nèi)首都醫(yī)科大學(xué)的羅述謙教授[2]對(duì)腦圖譜作了一些基礎(chǔ)性的研究工作，基本上都是基于MRI圖像和Talairach -Tournoux腦圖譜的。上海交通大學(xué)的裴巍在神經(jīng)外科解剖圖譜的可視化應(yīng)用[3]研究中用的也是Talairach –Tournoux圖譜。國(guó)內(nèi)研究Schaltenbrand-Wahren圖譜的不多，將二維SW圖譜立體彩色顯示的成果更少。基于以上研究的背景需求，本文分析并實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中SW解剖圖譜的三維可視化，并能夠在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示感興趣解剖結(jié)構(gòu)的名稱。

1 背景知識(shí)

1.1 SW圖譜

Schaltenbrand-Wahren腦圖譜[4]通常簡(jiǎn)稱為SW圖譜(圖1所示)，是關(guān)于兩個(gè)白種人人腦標(biāo)本三個(gè)半球的丘腦基底神經(jīng)節(jié)部分的圖譜，源于分別在橫斷面、冠狀面和矢狀面3個(gè)不同方向上做連續(xù)切片分割后數(shù)據(jù)采集的結(jié)果，切片厚度范圍在1 mm-4 mm之間不等。其中，矢狀面和橫斷面方向的圖譜來(lái)源于同一個(gè)腦標(biāo)本的左右半球，而冠狀面方向的圖譜來(lái)源于另一個(gè)腦標(biāo)本半球[5]。

圖 1 Schaltenbrand-Wahren腦圖譜在軸狀面、冠狀面和矢狀面三個(gè)方向的截面圖Fig.1 three directions - Axial, Coronal, Sagittal view of Schaltenbrand-Wahren brain atlas

該圖譜由于采用了兩個(gè)人腦標(biāo)本的三個(gè)半球來(lái)做切片，而在冠狀面方向的圖譜準(zhǔn)確可靠，在橫斷面和矢狀面方向的圖譜定位準(zhǔn)確性較差，所以將三個(gè)方向的圖譜進(jìn)行三維可視化后會(huì)發(fā)現(xiàn)在個(gè)別地方三者的重合有些出入。但是SW圖譜是基于丘腦基底節(jié)神經(jīng)部位的功能性圖譜，圖譜中的結(jié)構(gòu)均位于大腦的中心部位，與人體的各種機(jī)制休戚相關(guān)，起著十分重要的作用。

1.2 神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航

神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航是將大腦的圖像信息可視化后，與手術(shù)中病人的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，手術(shù)中跟蹤手術(shù)器械的路徑，將手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)在病人影像上以虛擬手術(shù)器械的形式實(shí)時(shí)顯示，使醫(yī)生能對(duì)手術(shù)器械相對(duì)病人解剖結(jié)構(gòu)的位置一目了然，從而達(dá)到縮短手術(shù)時(shí)間和提高手術(shù)質(zhì)量目的的一種新技術(shù)手段。不僅如此，由于可以事先在術(shù)前可視化的圖像上依照確定的病灶位置計(jì)劃好手術(shù)路徑，做好熟前計(jì)劃、術(shù)中導(dǎo)航和術(shù)后評(píng)價(jià)[6]，所以，圖像引導(dǎo)下的神經(jīng)外科手術(shù)極大地減小了手術(shù)的創(chuàng)傷面，最大限度地減輕了病人的痛苦。

大腦圖像信息可以是術(shù)前或術(shù)中CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像設(shè)備提供的CT、MRI影像信息，也可以是電子化的腦圖譜，如TT圖譜和SW圖譜。本文中將SW圖譜在神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中可視化顯示并能實(shí)時(shí)進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)的標(biāo)識(shí)，這不僅是醫(yī)療領(lǐng)域腦科學(xué)教學(xué)的需要，也是腦外科手術(shù)中提高成功率和縮短手術(shù)時(shí)間的迫切要求。

2 研究方法

2.1 圖譜數(shù)字化

我們用來(lái)作為本研究的標(biāo)準(zhǔn)圖譜是紙質(zhì)SW圖譜，通過(guò)掃描、數(shù)字化和進(jìn)行最近鄰插值后生成立體的標(biāo)準(zhǔn)SW圖譜（見(jiàn)表1）。

表1 標(biāo)準(zhǔn)SW圖譜Tab.1 Standard SW atlas

在紙質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)SW圖譜的基礎(chǔ)上，我們通過(guò)醫(yī)生將橫斷面、冠狀面和矢狀面三個(gè)方向上的近600個(gè)結(jié)構(gòu)手動(dòng)分割出來(lái)，采樣獲取每個(gè)結(jié)構(gòu)在不同層上的多個(gè)輪廓坐標(biāo)點(diǎn)信息，記錄下解剖名稱。這些不同結(jié)構(gòu)在不同方向不同層上的多個(gè)輪廓坐標(biāo)點(diǎn)信息，構(gòu)成了我們?cè)嫉狞c(diǎn)數(shù)據(jù)。

由于SW腦圖譜的原始點(diǎn)數(shù)據(jù)是通過(guò)采集標(biāo)準(zhǔn)SW腦圖譜內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的輪廓而得到的點(diǎn)數(shù)據(jù)，零散且不連續(xù)，因此我們需要利用樣條插值的方法將原始點(diǎn)數(shù)據(jù)連成輪廓曲線。樣條插值是醫(yī)學(xué)圖像處理中常用的一種插值方法。

本文采取Cardinal樣條插值。Cardinal樣條曲線是插值分段樣條三次曲線的一種，并且每條曲線的端點(diǎn)位置均指定切線。一個(gè)Cardinal樣條完全由四個(gè)連續(xù)的控制點(diǎn)Pk-1PkPk+1Pk+2給出。P(u)設(shè)是兩控制點(diǎn)Pk和 Pk+1間的參數(shù)3次函數(shù)式，則從Pk-1到Pk+1間的四個(gè)控制點(diǎn)用于建立Cardinal樣條段的邊界條件(1)：

控制點(diǎn)Pk和Pk+1處的斜率分別與弦Pk-1Pk+1和PkPk+2成正比。參數(shù)t稱為張量參數(shù)（tension parameter），用來(lái)控制Cardinal樣條與輸入控制點(diǎn)間的松緊程度。

我們可以將邊界條件(1)轉(zhuǎn)換成矩陣的形式：

其中Cardinal矩陣是：

將矩陣方程（2）展開(kāi)成多項(xiàng)式表達(dá)式形式，為

2.2 區(qū)域填充

將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行樣條插值連成區(qū)域后，需要對(duì)SW圖譜的近600個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域填充。區(qū)域填充是以某種屬性對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行設(shè)置，將圖形有界區(qū)域的邊界表示轉(zhuǎn)換為區(qū)域內(nèi)部像素表示的過(guò)程。即指定一個(gè)區(qū)域的邊界，要求將有界區(qū)域中的一點(diǎn)(常稱為種子點(diǎn))賦予不同的顏色、灰度、線條或符號(hào)，然后將這種賦予形式填充擴(kuò)展到整個(gè)有界區(qū)域內(nèi)。

逐點(diǎn)判斷填充算法是區(qū)域填充的基本方法，基于區(qū)域內(nèi)的所有像素點(diǎn)，其原理是逐點(diǎn)判斷圖像中的每一個(gè)像素點(diǎn)，若在要填充的區(qū)域內(nèi)部，則用指定的屬性設(shè)置該點(diǎn)像素，否則不予處理。點(diǎn)P在簡(jiǎn)單多邊形G的內(nèi)外的判別為此法的重要內(nèi)容，經(jīng)典的方法為角度累加法和射線法。

本文采取基于左邊的點(diǎn)在簡(jiǎn)單多邊形內(nèi)的判別算法，對(duì)射線法進(jìn)行了改進(jìn)，將點(diǎn)在簡(jiǎn)單多邊形內(nèi)外的判別轉(zhuǎn)化為點(diǎn)在邊的關(guān)系的判別。簡(jiǎn)單多邊形曲線L左邊即在有向曲線L的任一點(diǎn)A(x(t), y(t)))從右側(cè)的正方向到左側(cè)的負(fù)方向，沿逆時(shí)針?biāo)纳刃螀^(qū)域，如圖2所示，所包含扇形區(qū)域的夾角為π。在平面上任一點(diǎn)P，過(guò)P作一條射線，若射線與邊界曲線無(wú)交點(diǎn)，則P在簡(jiǎn)單多邊形外；若有交點(diǎn)，且P在曲線左邊的個(gè)數(shù)與P不在曲線左邊的個(gè)數(shù)之差不為0，則P點(diǎn)在簡(jiǎn)單多邊形內(nèi)，否則，P在簡(jiǎn)單多邊形外。此法簡(jiǎn)單、穩(wěn)、定實(shí)用，適合于多個(gè)區(qū)域同時(shí)存在于同一張圖像的情況。

圖2 有向曲線L左邊Fig.2 Left side of the curve L

2.3 可視化

本文可視化系統(tǒng)框架基于Atamai軟件包，Atamai是一個(gè)使用Python腳本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的、基于VTK可視化包的，面向計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)特別是手術(shù)導(dǎo)航的應(yīng)用系統(tǒng)的中間平臺(tái)。它的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)基于編程語(yǔ)言Python[3]，可視化框架類(lèi)圖如圖3所示。

圖3 可視化框架類(lèi)圖Fig.3 The frame of visualization

EventHandler類(lèi)定義了常用的消息事件以及消息有關(guān)的常量，并用來(lái)完成常見(jiàn)事件的綁定[3]。ActorFactory類(lèi)中的OrthoPlaneFactory類(lèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維體剖面重建，結(jié)果由RenderPane類(lèi)中的RenderPane2D類(lèi)和RenderPane類(lèi)進(jìn)行繪制；在PaneFrame窗口類(lèi)中進(jìn)行顯示，wxPaneFrame為最外層的窗口類(lèi)。

2.4 解剖名稱標(biāo)識(shí)

本文采用分級(jí)的方式存取各解剖結(jié)構(gòu)之間的從屬關(guān)系、灰度值和解剖名稱。通過(guò)將灰度值和解剖名稱一一對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)就能通過(guò)鼠標(biāo)所指結(jié)構(gòu)獲取結(jié)構(gòu)的灰度值，同時(shí)顯示對(duì)應(yīng)的解剖名稱。

Python 數(shù)據(jù)類(lèi)型包括字典(dictionary)、元組(turple)和列表(list)等。字典dictionary類(lèi)型，可以用來(lái)定義關(guān)鍵字(key)與值(value)之間一對(duì)一的關(guān)系。這個(gè)特點(diǎn)與 C 語(yǔ)言中的 Hash 表功能類(lèi)似。通過(guò)設(shè)置關(guān)鍵字，我們就可以快速地獲取與之對(duì)應(yīng)的值。利用這個(gè)特點(diǎn)，本文選取字典dictionary來(lái)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的解剖名稱和灰度值信息，從而建立起解剖器官與解剖名稱、解剖名稱與灰度值之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。灰度值的讀取主要是調(diào)用Atamai軟件包中的TextActorFactory類(lèi)實(shí)現(xiàn)灰度值到解剖名稱的顯示。當(dāng)讀取腦解剖圖譜的三個(gè)方向上任一面上的感興趣區(qū)域(Region of Interest—ROI)時(shí)，系統(tǒng)獲取鼠標(biāo)所指的 ROI的灰度值，根據(jù)灰度值這個(gè)關(guān)鍵字取得字典中對(duì)應(yīng)的解剖名稱。

本文采用分級(jí)的方式表示結(jié)構(gòu)間的從屬關(guān)系的同時(shí)，又能夠大大提高系統(tǒng)的效率，因?yàn)榉旨?jí)存儲(chǔ)不僅可以大大地減少搜索的時(shí)間，而且可以幫助理清腦部各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜關(guān)系。分級(jí)存儲(chǔ)功能主要依靠wxpython的 TreeCtrl類(lèi)實(shí)現(xiàn)。

3 SW圖譜對(duì)比

我們用來(lái)作為本研究標(biāo)準(zhǔn)的SW圖譜，無(wú)法獲得每個(gè)組織結(jié)構(gòu)的灰度值信息。但是可用它與我們新生成的SW圖譜進(jìn)行比較（如圖4所示），來(lái)驗(yàn)證新生成的SW圖譜的準(zhǔn)確性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

神經(jīng)外科導(dǎo)航系統(tǒng)中主要包含了2個(gè)功能模塊，SW圖譜的可視化顯示及解剖名稱的實(shí)時(shí)標(biāo)識(shí)。

4.1 SW圖譜可視化顯示

系統(tǒng)為了方便醫(yī)生操作，設(shè)置了4個(gè)子視窗用于顯示不同方向的腦解剖圖，如圖5所示，他們分別是橫斷面（Axial）、冠狀面（Coronal）、矢狀面（Sagittal）、和正交面（Ortho-view）。此模塊可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1) 從任意方向都可以觀察圖譜；

(2) 圖譜任意縮放，這樣有利于對(duì)相對(duì)較小的器官進(jìn)行更加仔細(xì)的觀察。

圖4 結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of results

圖5 SW圖譜可視化顯示Fig.5 Visualization of colored SW atlases

4.2 解剖名稱實(shí)時(shí)標(biāo)識(shí)

如圖7所示，在系統(tǒng)界面的左下角還有一個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)的窗口。該窗口主要為方便醫(yī)生查看不同解剖器官之間的類(lèi)屬關(guān)系以及所屬的主區(qū)域。通過(guò)點(diǎn)擊“Landmark”按鈕，可以對(duì)軸狀面、矢狀面、冠狀面和正交面上的感興趣區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)地標(biāo)識(shí)；通過(guò)點(diǎn)擊“UnLandmark”按鈕，取消對(duì)感興趣區(qū)域的標(biāo)識(shí)。分級(jí)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)窗口如下圖6所示。

圖6 分級(jí)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)顯示Fig.6 Display of hierarchical browser

圖7中的a)，b)，c)，分別顯示了從橫斷面，矢狀面，冠狀面對(duì)同一個(gè)ROI的標(biāo)識(shí)，對(duì)Ventriculus lateralis(Ve.l)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

圖7 ROIs的標(biāo)識(shí)Fig.7 Landmark of regions of interest

5 總結(jié)

本研究不僅生成了有高準(zhǔn)確度的SW圖譜，還將它集成進(jìn)神經(jīng)外科導(dǎo)航系統(tǒng)中，不僅可以對(duì)三個(gè)方向的圖譜進(jìn)行分別二維顯示，還可以將其交叉在一起進(jìn)行立體顯示，同時(shí)還能對(duì)圖譜中的感興趣的解剖標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)時(shí)的標(biāo)識(shí)。在神經(jīng)外科導(dǎo)航系統(tǒng)中，將SW圖譜立體可視化顯示并對(duì)解剖標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)識(shí)，不僅是腦神經(jīng)外科手術(shù)的需要，也是醫(yī)學(xué)腦科學(xué)教學(xué)的要求。

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