基于Micro CT图像豚鼠颞骨的三维重建

朱凯铨 唐安洲 谢利红 孙恺 廖婷

豚鼠是耳科学方面实验研究最常用的动物模型之一,目前国内外对于豚鼠颞骨解剖都局限在中耳显微手术研究其解剖结构,其空间位置及周围结构的比邻关系都只是大致的描述,且常规的连续冰冻切片技术不同程度地导致组织的收缩或破损,为了三维重建,每样本必须被拍到,对齐,导入到软件;而磁共振(MR)成像大,并需要有特殊的固定剂,近年来广泛应用的Micro CT弥补了这些缺点。本实验旨在通过对豚鼠颞骨进行Micro CT的扫描,予mimics软件三维重建其听骨链、耳蜗及半规管等结构,并测量,为相关实验研究提供一定的解剖依据。

1 材料与方法

1.1材料

标本由广西医科大学动物中心提供的健康白化豚鼠5只(10耳)(二级),标准环境饲养,体重300～400g,雌雄不拘,耳廓反射灵敏,鼓膜完整、标志清楚,头颈无病变。麻醉后快速断头取得颅骨并制作成骨标本,于4%多聚甲醛溶液中保存备用。

1.2设备与软件

台式电脑CPU:Core i5 2300,内存:DDR3 1333MHZ 2G × 2,显卡:NVIDIA GeForce 6100 nForce 405(Windows XP系统),Micro CT(型号:ZKKS-MCT-SHARP,广州市中科恺盛医疗科技有限公司提供,中国),软件:Mimics10.01( Materialise公司,比利时)。

1.3方法

1.3.1扫描数据 Micro CT球管实验前预热时间 3 min,预热后设置各项参数[管电压:60 kvp( kilovolt peak,千伏峰值) ; 功率:30W; 电流:0.5mA;扫描层厚:20 μm; 探测器叠加模式:6 帧叠加,中视野扫描],对设备进行空扫和暗电流扫描,将颅骨标本进行Micro CT高精度扫描,扫描时保持颅骨左右径与检查平台垂直,开启 X-ray 开关开始采集数据,用时 28 min,扫描完成后用 Micro CT 自带处理软件对数据进行处理,调整窗宽、窗位,主要保留听泡区域,数据保存为标准DICOM 格式文件,获取图像509张。

1.3.2三维重建 将获得的标准DICOM格式序列文件导入mimics软件,Thresholding(域值) 功能采集灰度,由软件自动生成 Mask(蒙板),调整域值,阈值分割、区域增长,逐张比对原图像并修改噪点,重复逐层编辑蒙板、计算轮廓线,保证 Mask 边缘与各结构边缘的一致,完成图像分割,分别三维重建,调整光顺参数,进行三维图像光顺化处理。修整模型时,选择水平位、冠状位和矢状位结合观察的方式。

2 结果

2.1听骨链的三维重建

在豚鼠,锤骨头和砧骨体融合在一起,形成锤砧复合体(图1)。镫骨同人类相似(图2,图3)。

图1 锤砧复合体

图2 镫骨

2.2耳蜗及半规管

三维重建的耳蜗及半规管(图4)。由于MicroCT无法清晰分辩软组织结构,前庭膜无法清晰辨认,所以前庭阶与鼓阶组合在一起,作为一个单一的流体空间。豚鼠耳蜗约4.2回,耳蜗长度是蜗顶到前庭窗的螺旋长度。半规管的曲率半径R这么计算:R=[0.5×(高+宽)/2]。半规管的高度是前庭窗与半规管弧上离前庭窗最远距离的那个点(半规管腔中心)的直径,而宽度则是垂直于高度测得的半规管的直径。半规管总长度是从前庭窗沿半规管弧测得。

图3 镫骨底板

图4 中耳听小骨,耳蜗及半规管

表1 测量结果

3 讨论

豚鼠由于其颞骨结构与人类相似,广泛应用于耳科实验中,常用来作以下动物模型:半规管阻塞、前庭药物毒性实验、内淋巴水肿、分泌性中耳炎、病理生理研究、不张性中耳炎等。Micro CT技术的一个优点是,整个样本的空间被数字化,重建的样本可以从任何角度观察,可以虚拟切片,可以不破坏原来样本结构的情况下重复测量。常规的组织切片的方法三维重建,需要固定、脱钙、包埋,切片组织学技术不同程度地导致组织的收缩或破损,而且,为了三维重建,每个切片样本必须被拍到,对齐,导入到软件,以至于人为导致失真。磁共振(MR)成像价格昂贵,甚至需要有特殊的固定剂。但是,Micro CT有个明显的局限性就是,不能清楚看见软组织结构,比如本实验中的前庭膜,因此,不可能的单独识别前庭阶和中阶,所以前庭阶和中阶作为单一流体空间来三维重建,然而,骨螺旋椎板伸向耳蜗的侧壁提供一个可靠的标志,以帮助识别鼓阶、前庭阶和中阶之间的边界。随着数字医学的发展,Micro CT在骨科、口腔科、生物材料以及组织工程领域会有广阔的应用价值。在本实验中,本文研究结果进一步完善了豚鼠颞骨解剖数据,可以帮助和指导准确定位豚鼠颞骨结构,这些数据及可视化三维形态学可以构建更多的动物模型,为进一步研究豚鼠耳科学动物模型提供三维解剖学参考。

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