李梓瑜，李琨，郭燕，越灑，曲星月，劉宇航，張鳳珍，王星，徐以發(fā)，李志軍，李筱賀，張少杰*

1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，呼和浩特 010110；2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，呼和浩特 010059；3.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)赤峰臨床醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 750306；4.山東數(shù)字人科技股份有限公司，濟(jì)南 250011

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域緊密結(jié)合，數(shù)字醫(yī)學(xué)研究發(fā)展到了新高度[1]。利用影像學(xué)與解剖學(xué)方法獲取連續(xù)二維人體解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)三維重建并進(jìn)行圖像圖形技術(shù)處理后建立人體解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)字化三維模型，具有良好的立體觀察效果[2,3]。人體頸部及枕頸結(jié)合區(qū)有重要的血管神經(jīng)走行，毗鄰結(jié)構(gòu)復(fù)雜[4]，在臨床兒科診治中是相對(duì)重要且危險(xiǎn)的區(qū)域，建立兒童顱底及頸部數(shù)字可視化模型可以更加直觀準(zhǔn)確地幫助醫(yī)生及教師對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、觀察及診治，同時(shí)，可視化模型可旋轉(zhuǎn)，觀測(cè)等，對(duì)臨床立體化教學(xué)、手術(shù)設(shè)計(jì)、術(shù)前模擬、術(shù)中導(dǎo)航、術(shù)后評(píng)價(jià)等具有重要價(jià)值[5]。

1 材料與方法

1.1 圖像資料

采用首例中國(guó)6 歲男童連續(xù)薄層標(biāo)本數(shù)據(jù)集（中國(guó)數(shù)字兒童）[6]，圖片格式為.png 格式，分辨率為13000×8000，連續(xù)橫斷面層厚0.10 mm。本實(shí)驗(yàn)選取該數(shù)據(jù)集顱底至T1上緣共計(jì)1080 層圖像。

1.2 研究方法

1.2.1 圖像數(shù)據(jù)分割 將選取的圖像依次導(dǎo)入PhotoShop.2021（Adobe Systems）軟件逐張進(jìn)行手動(dòng)分割。將圖像放大至清晰顯現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)完整輪廓，并創(chuàng)建目標(biāo)結(jié)構(gòu)路徑。選取彎度鋼筆工具對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)勾勒詳細(xì)輪廓，保存斷層圖片為.psd 格式。手動(dòng)分割按照結(jié)構(gòu)逐一進(jìn)行劃分，將各結(jié)構(gòu)生成獨(dú)立的分割數(shù)據(jù)集建立獨(dú)立所屬文件夾，完成顱底及頸部三維重建的數(shù)據(jù)分割。

1.2.2 顱底及頸部結(jié)構(gòu)三維重建 使用三維重建軟件Digihuman Reconstruction System（山東數(shù)字人科技有限公司）將手動(dòng)分割完成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取，對(duì)各自獨(dú)立的分割數(shù)據(jù)集分別創(chuàng)建結(jié)構(gòu)命名文件夾并使用start 指令對(duì)路徑識(shí)別并完成三維重建。重建后目標(biāo)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以.obj 格式保存，依次導(dǎo)入MeshLab 軟件（意大利比薩大學(xué)，F(xiàn)GT 程序），旋轉(zhuǎn)觀測(cè)以確定目標(biāo)結(jié)構(gòu)整體輪廓的完整性及形態(tài)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。再將各獨(dú)立結(jié)構(gòu)分別導(dǎo)入3-matic research 13.0 軟件（比利時(shí)，Materialise 公司），進(jìn)行精細(xì)調(diào)整和修改粗糙輪廓，并標(biāo)識(shí)不同顏色以便區(qū)分結(jié)構(gòu)，完成顱底及頸部三維重建(圖1)。

圖1 兒童顱底及頸部結(jié)構(gòu)三維重建A：Photoshop2021 軟件手動(dòng)分割界 面 B：Digihuman Reconstruction System 三維重建程序運(yùn)行界面 C：MeshLab 軟件觀察界面Fig.1 Three-dimensional reconstruction of skull base and neck structure in childrenA: Photoshop2021 software manual segmentation interface; B:Digihuman Reconstruction System 3D Reconstruction program running interface; C: MeshLab software observation interface

1.2.3 進(jìn)行數(shù)字化三維模型相關(guān)觀測(cè) 利用3-matic Research 13.0 軟件measure 指令測(cè)量?jī)蓚?cè)頸總動(dòng)脈分支角度、頸總動(dòng)脈與椎體距離、頸總動(dòng)脈長(zhǎng)度、頸總動(dòng)脈及頸內(nèi)外動(dòng)脈最大直徑、頸內(nèi)外靜脈分別與椎體距離、迷走神經(jīng)與椎體距離。

2 結(jié)果

2.1 數(shù)字兒童顱底及頸部三維可視化模型建立

將重建的兒童顱底及頸部三維可視化結(jié)構(gòu)與重建好的皮膚進(jìn)行半透明化自動(dòng)識(shí)別并整合，得到整體三維可視化模型（圖2）。前面觀：由前向后依次為胸鎖乳突肌及頸外靜脈；胸鎖乳突肌內(nèi)側(cè)可見(jiàn)頸內(nèi)靜脈和頸外動(dòng)脈及兩者之間的迷走神經(jīng)；迷走神經(jīng)后方與椎體正前方之間為緊貼椎體的頸長(zhǎng)肌和外側(cè)的頭長(zhǎng)肌。后面觀：由淺入深依次為斜方肌、頭夾肌、頭半棘肌、頸半棘肌、多裂肌。上面觀：顱底內(nèi)為小腦及腦室，椎管內(nèi)為脊髓，可見(jiàn)兒童特有的寰椎前弓側(cè)塊間軟骨及后弓間軟骨存在，椎動(dòng)脈穿行于寰椎橫突孔中，寰樞椎部位有寰椎橫韌帶及樞椎齒突的部分軟骨。

圖2 數(shù)字兒童顱底及頸部三維可視化模型A：皮膚半透明化 B：骨及周?chē)苌窠?jīng)復(fù)合三維可視化模型 C：模型前面觀 D：模型后面觀 E：模型椎骨透明化上面觀 F：模型下面觀 1.椎動(dòng)脈2.迷走神經(jīng)3.小腦4.顳骨5.斜方肌6.頸外靜脈7.胸鎖乳突肌8.頸總動(dòng)脈9.頸長(zhǎng)肌10.頭長(zhǎng)肌11.頭夾肌12.頭半棘肌13.頭后小直肌14.軟骨15.脊髓16.寰椎橫韌帶17.第四腦室18.椎間盤(pán)19.頸半棘肌20.多裂肌Fig.2 3D visualization model of digital children's skull base and neckA: Semi-hyaline skin; B: Three-dimensional visualization model of bone and peripheral vascular nerve; C: Front view of the model; D:Back view of the model; E: Superior view of hyalinized vertebrae model; F: Inferior view of the model 1,vertebral artery; 2,vagus nerve; 3,cerebellum; 4,temporal bone; 5,trapezius; 6,external jugular artery; 7,sternocleidomastoid; 8,common carotid; 9,longus colli; 10,longus capitis; 11,splenjus capitis; 12,semispinalis capitis; 13,rectus capitis posterior minor; 14,cartilage; 15,spinal cord; 16,transverse ligament of atlas; 17,ventriculus quartus cerebri; 18,intervertebral disc; 19,semispinalis cervicis; 20, multifidus

2.2 數(shù)字兒童顱底及頸部三維可視化模型觀測(cè)

通過(guò)對(duì)顱底及頸部三維重建模型頸部動(dòng)脈靜脈及神經(jīng)的觀察（表1），兩側(cè)頸總動(dòng)脈向上走行與椎體間距離漸遠(yuǎn)，在C2～3椎體水平分為頸內(nèi)動(dòng)脈及頸外動(dòng)脈，且左側(cè)頸總動(dòng)脈分支靠上。頸內(nèi)靜脈緊貼頸總動(dòng)脈外側(cè)向下逐漸靠近椎體。頸外靜脈向下呈曲線(xiàn)走行，逐漸向椎體靠近，與C5及C6椎體距離最近，在C7椎體處遠(yuǎn)離。迷走神經(jīng)約在C6椎體處與椎體最近。頸總動(dòng)脈長(zhǎng)度及分支角度、頸內(nèi)外靜脈最大直徑及頸內(nèi)外靜脈最大距離、迷走神經(jīng)最大直徑測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。

表1 頸總動(dòng)脈、頸內(nèi)外靜脈、迷走神經(jīng)與頸椎椎體距離（cm）Tab.1 Distance between common carotid artery,internal and external jugular vein,vagus nerve and cervical vertebra (cm)

圖3 頸部動(dòng)、靜脈及迷走神經(jīng)測(cè)量示意圖A：頸總動(dòng)脈分支角度、長(zhǎng)度、最大直徑測(cè)量 B：頸總動(dòng)脈、頸內(nèi)外靜脈、迷走神經(jīng)與椎體間距離測(cè)量 C：頸內(nèi)外靜脈最大直徑、頸內(nèi)靜脈與頸外靜脈最大距離、迷走神經(jīng)最大直徑Fig.3 Schematic diagram of cervical arteries veins,vagus nerveA: Branch angle,length and maximum transverse diameter of common carotid artery; B: Distance between common carotid artery,internal and external jugular vein,vagus nerve and vertebral body; C: Maximum transverse diameter of internal and external jugular vein,maximum distance between internal and external jugular vein,maximum transverse diameter of vagus nerve

3 討論

數(shù)字解剖學(xué)的圖像重建和可視化過(guò)程包括圖像獲取，圖像配準(zhǔn)，圖像分割，三維表面重構(gòu)以及三維數(shù)字可視化[7]。作為三維可視化模型的基礎(chǔ)，人體薄層連續(xù)解剖斷面的創(chuàng)建至關(guān)重要，美國(guó)可視化人體計(jì)劃（VHP）創(chuàng)建了首個(gè)完整成年男性女性圖像數(shù)據(jù)集[8]，隨后韓國(guó)（VKH）和中國(guó)（CVH）依次銑切成人標(biāo)本建立數(shù)據(jù)集[9,10]。依據(jù)薄層斷面圖像，許多器官得以重建三維解剖模型。目前成人三維重建技術(shù)較為成熟，創(chuàng)建出的三維可視化模型對(duì)臨床研究，解剖教學(xué)等醫(yī)學(xué)理論學(xué)習(xí)起著重要幫助。但國(guó)內(nèi)外關(guān)于兒童顱底及頸部三維重建的研究十分有限，本實(shí)驗(yàn)依據(jù)首例中國(guó)學(xué)齡前男童連續(xù)薄層標(biāo)本數(shù)據(jù)集，對(duì)兒童二維斷層圖像進(jìn)行手動(dòng)逐層精準(zhǔn)分割，構(gòu)建三維可視化模型，可以直觀立體地顯示兒童顱底及頸部的解剖學(xué)信息，幫助臨床醫(yī)生對(duì)術(shù)前模擬和術(shù)中細(xì)節(jié)進(jìn)行全面了解，進(jìn)而更加精確地進(jìn)行目標(biāo)部位的手術(shù)操作。

在利用數(shù)字化可視人體進(jìn)行模擬手術(shù)操作中，Yang 等人[11]對(duì)成人L4腰椎以下及相鄰結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建，提供了該區(qū)域詳細(xì)解剖學(xué)位置，利于腰部虛擬手術(shù)及術(shù)前規(guī)劃。Nicolosi 等[12]將二維圖像的腦神經(jīng)構(gòu)建成三維可視化模型，用于分析手術(shù)入路和術(shù)中透視，提供手術(shù)實(shí)例。兒童頸部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有脊髓、神經(jīng)、大血管等重要組織結(jié)構(gòu)相互毗鄰，較難區(qū)分各解剖結(jié)構(gòu)之間的位置，且較成人更加脆弱，由于發(fā)育不全引起的脫位、骨折或先天性疾病，出血較多或深部損傷時(shí)影像學(xué)手段難以觀察等對(duì)醫(yī)生提出很大挑戰(zhàn)[13]。本實(shí)驗(yàn)建立兒童顱底及頸部重要結(jié)構(gòu)的三維模型并對(duì)重要血管與神經(jīng)走行進(jìn)行初步預(yù)測(cè)，通過(guò)觀測(cè)頸部動(dòng)靜脈、神經(jīng)及椎體之間的位置關(guān)系，對(duì)角度距離、直徑、長(zhǎng)度等進(jìn)行測(cè)量，判斷走形特點(diǎn)，有助于臨床醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)決策，避免損傷重要血管及神經(jīng)，對(duì)兒童疾病的診斷和治療提供了幫助。

在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)可訪(fǎng)問(wèn)性和數(shù)據(jù)建模方面取得的極大進(jìn)展是促進(jìn)教學(xué)進(jìn)步的因素之一[14]。醫(yī)學(xué)生可在三維模型中解剖和重復(fù)觀察任何目標(biāo)結(jié)構(gòu)，避免了對(duì)標(biāo)本造成結(jié)構(gòu)損壞并提高三維空間思維能力。本研究創(chuàng)建的顱底及頸部三維可視化模型具有高分辨率，解剖結(jié)構(gòu)采用不同顏色進(jìn)行標(biāo)識(shí)，簡(jiǎn)化醫(yī)學(xué)生和醫(yī)生對(duì)兒童頸部及顱底重要解剖結(jié)構(gòu)的辨識(shí)；采取三維顯示數(shù)據(jù)方法克服二維技術(shù)的限制性，輔以軟件可行虛擬解剖手術(shù)，解決因大體標(biāo)本不足造成的解剖信息缺失等問(wèn)題，對(duì)提高兒童解剖學(xué)研究和兒科醫(yī)學(xué)手術(shù)教學(xué)起著較大的幫助。