基于CT数据的比格犬心脏三维重建

郭 月,刘开成,郭泽霞,刘书怡,孙梦娇,李方正

(1. 青岛农业大学动物医学院,山东 青岛 266109 ; 2. 青岛康地恩动物药业有限公司,山东 青岛 266041)

犬是常用的实验动物,也是饲养量最大的宠物。随着动物医疗水平的进步和生活环境的改善,人们对于犬健康的关注度也逐渐提高,犬的寿命得以延长,但是随着年龄的增长,犬心脏病的发病率也开始增加[1]。掌握心脏的形态结构和血管的分布规律是进行心血管系统疾病检查和治疗的基础。本试验将兽医影像检查技术与三维重建技术相结合,进行犬心脏和胸腔主要血管的三维重建,为犬解剖学教学提供数字资源。

1 材料与方法

1.1 试验动物 比格犬(雌性,4岁,体重8.3 kg),购自青岛博隆实验动物有限公司[生产许可证号:SCXK(鲁)2022—0005],因繁殖性能不佳被淘汰,经安乐死后赠予本实验室。

1.2 主要试剂 氧化铁(Fe2O3,化学纯),购自天津市科密欧化学试剂有限公司;明胶,购自天津市登峰化学试剂厂。

1.3 主要仪器 Initum CT 32 X射线扫描仪,赛诺威盛科技(北京)有限公司产品。

1.4 试验方法

1.4.1 比格犬血管灌注 将0.5 g Fe2O3加入到1 mL 10%明胶水溶液中配制成明胶-氧化铁悬浮液,搅拌均匀。用注射器从犬左侧颈总动脉向胸腔灌注明胶-氧化铁悬浮液34 mL,经右侧颈总动脉灌注21 mL; 经左侧颈外静脉灌注明胶-氧化铁悬浮液42 mL,经右侧颈外静脉灌注25 mL。灌注完毕后用线结扎灌注口,将标本放入-20 ℃冷冻30 min,使血管填充剂充分凝固。

1.4.2 比格犬电子计算机断层(Computed tomography,CT)扫描 采用Insitum CT 32 X 射线扫描仪进行犬全身扫描,X射线管电压为100 kV,管电流为130 mA,重建层厚为0.625 mm,保存为DICOM数据。

1.4.3 比格犬CT图像分割和三维重建 将比格犬全身DICOM数据导入Mimics Medical 21.0软件,采用“Threshold”对犬全身骨骼、心脏和胸腔大血管进行自动重建,然后采用“Edit Masks”对骨骼、心脏、主动脉、前腔静脉和后腔静脉等血管进行分割,再用“Calculate Part”分别对骨骼、心脏和大血管进行三维重建。

2 结果

2.1 比格犬血管灌注 向比格犬颈总动脉和颈外静脉灌注明胶-氧化铁悬浮液后,CT扫描仪的定位相显示,比格犬的心脏、主动脉、前腔静脉和后腔静脉与骨骼具有相同的亮度,可以清晰地观察到心腔结构和胸腔主要血管的分布(图1)。

图1 比格犬CT扫描定位相Fig.1 Anatomical landmarks in Beagle CT scan1:臂头动脉; 2:右心房; 3:主动脉弓; 4:左心房; 5:后腔静脉6:腹主动脉; 7:腹腔动脉; 8:肠系膜前动脉; 9:左心室10:右心室; 11:左侧腋动脉; 12:左颈总动脉1:Brachiocephalic artery; 2:Right atrium; 3:Aortic arch; 4:Left atrium; 5:Postcava; 6:Abdominal aorta; 7:Abdominal artery; 8:Anterior mesenteric artery; 9:Left ventricle;10:Right ventricle; 11:Left axillary artery; 12:Left common carotid artery

2.2 CT图像分析 CT扫描共获得1 152张横断面的DICOM图像,分辨率为512×512像素,大小为578 MB。根据犬胸腔解剖特征对犬胸腔横断面CT图像进行人工识别,明确心脏中各心腔和左右心房连接的主要血管的位置(图2)。

图2 比格犬CT扫描断层图像Fig.2 Beagle CT scan sectional imagesA:矢状面; B:横断面; C:水平面A:Sagittal plane; B:Transverse plane; C:Horizontal plane

2.3 骨骼、心脏和主要血管的图像分割 分别对比格犬全身骨骼、心腔和主要血管进行识别,并手工绘制“Masks”,采用绿色Masks标注全身骨骼,红色标注动脉,蓝色标注静脉(图3)。

2.4 骨骼、心脏和胸腔血管的三维重建 对分割后的图像分别进行三维重建,得到了比格犬身体外形(图4A)、全身骨骼(图4B)、心脏外形、心腔和胸腔主要血管(图4C)的三维模型,红色显示主动脉及其分支,蓝色显示前、后腔静脉,在模型上可以分辨出4个心腔的位置关系。将皮肤肌肉设置为透明显示,可透过皮肤观察到心脏在胸腔的位置(图4D)。本试验中的比格犬主动脉存在较大的变异,在主动脉弓上分出3个大的分支,分别是左锁骨下动脉、左颈总动脉和臂头动脉,臂头动脉又分出右锁骨下动脉和右颈总动脉(图4C)。

3 讨论

3.1 尸体血管造影剂的特性 血管造影技术是一种可以很好地显示动物体内血管分布的方法,常用的尸体血管造影剂有氧化铁、氧化铋、氧化铅和硫酸钡等,其中氧化铁的密度为5.24 g/cm3,氧化铋为8.55 g/cm3,氧化铅为9.53 g/cm3,硫酸钡为4.5 g/cm3。造影剂相对密度越大,沉淀速度越快。当用同一载体填充剂进行血管灌注时,硫酸钡和氧化铁的沉淀速度较慢,分布的均匀性较好。但硫酸钡颗粒大,不能有效灌注到微细的血管中,氧化铁效果较好。氧化铁是一种红棕色粉末,不溶于水。本试验使用10%明胶水溶液作为载体配制氧化铁混悬液进行血管造影。研究表明,明胶-氧化铁混悬液灌注后CT扫描的CT值随氧化铁浓度的升高,变异系数(Coefficient of variation,CV)逐渐降低,即均匀性增大,氧化铁最佳浓度为0.5～0.6 g/mL,当造影剂浓度大于最佳浓度时,CT均值稍有升高但不明显[2]。因此,本试验使用0.5 g/mL的明胶-氧化铁悬浮液进行灌注,用明胶-氧化铁悬浮液灌注后得到的CT图像显示,心腔、血管与周围组织的对比更加明显,三维重建更加简便和精确,采用阈值自动重建即可。如不使用灌注剂虽然也能分辨出心脏和大血管等结构,但不是十分清晰,需要人工采用“Edit Masks”的方式标注各部位结构进行重建,而且一些小血管界限不清,重建较困难。

3.2 心脏和胸腔血管三维重建 CT重建技术是目前运用十分广泛的三维重建技术。多排高速螺旋CT能快速、清晰地获得大量数据,通过计算机三维重建得到皮肤、肌肉、骨骼和心脏血管的形态结构,可真实地反映血管的口径、长度、走向和空间位置关系,再通过将皮肤等组织透明化,可更加形象地展示心脏和血管的位置毗邻关系[3]。本试验采用人工识别进行图像分割,分别绘制比格犬心脏外形、心腔、主动脉、前腔静脉和后腔静脉及其分支的“Masks”,然后进行三维重建,得到上述结构的三维模型;同时,通过CT值自动建立了比格犬全身骨骼和身体外形的“Masks”,得到身体轮廓和全身骨骼的三维模型;并在Mimics Medical软件中设置身体为半透明显示,可以清晰观察到心脏和胸腔血管在胸腔内的位置。本试验中的比格犬主动脉分支存在较大的变异,左锁骨下动脉单独从主动脉弓分出,没有形成双颈动脉干,与教材描述的主动脉分支存在较大的差别[4]。随后又解剖了5只比格犬,分离心脏,均发现其主动脉弓分出左锁骨下动脉和臂头动脉2个分支,与教材描述相符,表明本试验发现的主动脉血管分支变异属于个体差异,不具有普遍性。

3.3 优势和不足 造影剂灌注后进行CT扫描和心脏血管的三维重建可以真实再现动物体内心腔结构和血管分布情况,对解剖学教学具有较大的促进作用。本试验得到的三维模型可以用于虚拟仿真程序的开发和动物器官3D打印的数据来源。现有CT和磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)等影像设备结合医学三维重建软件基于CT值来分割心脏和血管,与造影剂密度和含量有密切关系[5]。采用CT血管造影术可以得到更加完整的血管分布图像,包括冠状循环的血管,但需要选择恰当的扫描时机,错过扫描时间就不能得到合适的血管图像。本试验对死亡比格犬用灌注剂处理,可以同时显示心腔、主动脉的主要分支和前、后腔静脉的分支等,操作简便;而且灌注好的标本可以冷冻保存,重复使用。传统标本与三维扫描技术结合也可以得到犬胸腔解剖三维模型[6],虽然三维扫描精度高,但是如果扫描心脏和血管分支需要切除左侧胸壁和左肺等器官,步骤较繁琐,且操作过程中可能存在器官位置变化的情况;而采用CT扫描可以无损获得三维模型,方便快捷,而且不会改变器官的形态位置。本试验通过医学影像技术和三维重建技术相结合,得到犬心脏和胸腔主要血管的三维模型,能够直观地显示心腔的位置以及主动脉和前、后腔静脉在胸腔的分布规律。但是,由于血管中残留血液和灌注浓度的影响,本试验并没有重建出四肢和腹腔内脏的血管,在后续的试验中将对犬进行抗凝和放血后再进行灌注,并筛选明胶水溶液的浓度,从而使氧化铁能够分布到全身微细的血管中,达到更好的三维重建效果。