马琼杰，刘健华，耿曼英，原　林，王　军#，陈向东#

1)郑州大学第二附属医院耳鼻咽喉科 郑州 450014　2)深圳大学医学部 深圳 518060

冠状位头部标本切削冷冻包埋及图像采集技术>*

马琼杰1)，刘健华2)，耿曼英1)，原林2)，王军2)#，陈向东2)#

1)郑州大学第二附属医院耳鼻咽喉科 郑州 4500142)深圳大学医学部 深圳 518060

关键词头部；冠状位；铣切；图像数据集

摘要目的：构建人头部结构冠状切面图像数据系统。方法：遴选合适捐献的新鲜遗体尸头，采用数字人标本铣切技术，冠状位由前向后对尸头逐层切片、采集图像，图像经后期处理构建数字头部图像数据集。筛骨部分切片间隔为0.03 mm，其他部位间隔为0.06 mm。利用佳能5DⅢ照相机采集图像，采取RAW和JPEG两种格式存储照片。结果：采集RAW 格式和JPEG格式图像各3 854幅，其中切片间隔0.03 mm的图像有1 437幅，间隔0.06 mm的图像有2 417幅，形成的RAW格式图像平均每幅24.5 MB，形成的JPEG格式图像平均每幅5.9 MB。图像分辨率为2 210万像素(5 760×3 840)。RAW 格式和JPEG格式图像总计117.162 G。结论：建立了世界上切削厚度最薄的人类头部切面图像数据集，同时也是世界上第一套冠状位人类头部切面图像数据集。

可视人(visible human project，VHP)是生命科学与信息科学结合的新研究领域，即通过信息技术、计算机技术将人体结构数字化，经过三维重建和虚拟现实技术的处理，得到可视的、能够调控的虚拟仿真人体模型[1]。美国、韩国和中国采用水平位铣切已经先后获取了人体全身的水平位切面图像数据集并进行了三维重建应用[2-4]。该领域目前及以后的研究主要是局部和微小器官的图像数据提取[5]。头部冠状位图像是临床常用的头部切面图像，目前国内外已经制作的VHP数据集的头部图像均为水平位图像，因此，需要进一步开发冠状位的数字头部切面图像数据集。作者现对冠状位头部标本切削冷冻包埋及图像采集进行介绍。

1材料与方法

1.1标本来源 头颅标本来自深圳大学医学部人体解剖实验室。某捐献者2013年某月某日8:00左右心源性猝死，男性，49岁，生前志愿捐献，深圳大学医学部遗体捐献接收中心技术人员于当天中午12:00接收遗体，获取头部标本，标本下方包括环状软骨以上部分，头部外观无明显异常。

1.2标本预处理

1.2.1血管及泪囊的灌注同日15:30在实验室进行头部血管标志剂灌注，以质量分数10%明胶+80 g/L泛影葡胺+少许浓缩广告画颜料(草绿)作填充剂，分别自两侧的颈总动脉各灌注120 mL。另外用注射针头(尖部磨平)通过泪点、泪道进行双侧泪囊灌注。灌注后置-20 ℃冰箱保存，备做CT扫描。17:10从冰箱取出标本，发现右眼明显突出。

1.2.2CT扫描同日18:00在深圳某医院CT室采用64排CT进行扫描，间隔0.625 mm，图像采用BMP和Dicom两种格式存储。

1.3标本包埋 标本包埋采用头部倒置位，即下颌朝上，以便于包埋液进入鼻腔。包埋盒的设计包括底部、包埋仓及定位杆。根据标本的长、宽、高，选取6 mm厚的有机玻璃片[6]，制作出190 mm×250 mm×250 mm的包埋盒，其底座和四面可以拆卸，顶面缺如以便于加注包埋液，前、后面的四角内各有四个位置对应直径2 mm的定位杆孔，四根直径2 mm的白色圆柱状软硅胶棒贯穿其中后拉直打结固定。包埋前，包埋盒先进行两次预冷冻，第一次以包埋液覆盖底面为准，待完全冷冻后进行第二次预冷冻，此次以液面上升0.5 cm为准，冷冻6 h后开始包埋标本。以质量分数3%明胶亚甲蓝溶液作为包埋液。由于包埋液冰冻后体积膨胀变大，为避免标本受到挤压变形，采用逐层分次包埋，操作在恒温可控冰箱内进行。开始包埋前将冰箱预降温至-25 ℃。将标本下颌朝上放入包埋盒，在包埋盒上用记号笔标记颅侧与面侧，以防标本完全包埋后无法辨识标本方位。加入包埋液至液面上升1～2 cm，用注射器将液平表面气泡吸出，冷冻6 h，重复进行此过程至标本完全覆盖。由于采用逐层分次包埋，在最初包埋时液体量较少，不足以将标本冷冻固定，为防止包埋过程中标本发生位移，在其四周的空隙填放纸团以固定支撑。包埋过程中注意观察液面，使每一层的包埋保持水平。包埋液平面接近前鼻孔时停止加注，改用注射器向双侧鼻腔推注温热包埋液，左侧鼻腔推注6.5 mL，右侧鼻腔推注6.0 mL，观察包埋液填满鼻腔后，继续加注包埋液，分次包埋直至标本完全包埋，而后进行连续48 h的深冻。标本包埋位置见图1。

图1　标本包埋位置

1.4标本铣切 采用高精度电脑数控5520型雕铣机进行标本铣切。该套设备的运转由电脑全自动控制，精确度可达0.001 mm/层。切削过程在双低温环境下进行，即铣切室冷库的低温环境(设置温度-5 ℃)辅以干冰、液氮局部降温，使标本局部温度保持在-20～-10 ℃，保证包埋块的低温环境。设备及包埋块准备就绪后开始铣切。采用头部冠状位切面，由前至后进行铣切。初始设置切削层厚为1 mm，转速≥2 000 r/min，推进速度≥900 mm/min。切削12层后，标本鼻尖组织出现，将切削机床Z轴进刀量设定为0.03 mm (筛骨部分)和0.06 mm(其余部分)进行等间距切削。由于刀头高速旋转切削，为防止因连续切削造成局部温度升高而致包埋块表面融化，在每一次的图像采集完成后，将干冰置于表面进行降温处理，然后再进行下一次切削。切至空腔部位如鼻窦、鼓室等结构时，由于首次包埋时包埋液未充盈，为防止其内部微细结构(如筛房间隔、听骨链)因包埋不完全而导致崩碎丢失，同时也为避免空腔深部结构影像对该层表面影像的干扰，需对该空腔进行二次包埋填充。用注射器将水浴加热的包埋液注入需要填充的空腔，使用液氮局部低温冷冻后继续切削。标本铣切方向及效果见图2。

1.5图像采集 铣切前，调整铣切机X、Y、Z轴使相机处于最佳拍照位置，记录此位置的坐标X0、Y0、Z0。以X0、Y0、Z0+ZN(其中ZN为截止到第N层包埋块的总切削厚度)表示拍照位置。每层铣切结束后，用软毛刷扫除碎屑，用蘸有乙醇的棉布擦拭清洁表面，标本块左上角放置比例尺和比色板，拍照并采集图像，在计算机屏幕观察图像质量，若质量欠佳，调整照相机参数重新拍照。采用佳能5DⅢ数码相机进行图像采集，配以佳能16～35 mm f/2.8L II USM二代镜头，有效像素5 760×3 840。计算机图像采集系统设置为以RAW格式采集存储图像,同时以JPEG格式图像监控采集效果。

图2　标本铣切效果图

2结果

整个铣切过程连续不间断进行，共耗时约270 h，采集RAW 格式和JPEG格式图像各3 854幅，平均每幅RAW 格式图像24.5 MB，平均每幅JPEG格式图像5.9 MB，总计117.162 G。其中切削厚度为0.03 mm的图像有1 437幅，0.06 mm的图像有2 417幅，分辨率为2 210万像素。

采集的图像清晰度高，可以分辨0.2 mm大小的微细结构(如动脉)。数据集包括耳鼻咽喉、视觉系统、中枢神经系统、口腔系统等器官结构的冠状面图像。图像中各种组织均保持原有色泽。见图3。图3A为标本块大体切面图像，图3B是内耳和中耳结构局部切面图像，图3C是筛窦、鼻腔结构局部切面图像。

A:标本块大体切面图像;B:内耳和中耳结构局部切面图像;C:筛窦、鼻腔结构局部切面图像。图3　采集的图像

3讨论

头部器官解剖结构复杂，手术技巧要求高，需要开发高精度的头部器官三维教学模型、软件及虚拟手术训练系统用于医学教学和年轻医生的训练[6]。基于已经创建的VHP头部数据集，国内外已经进行了大量的开发应用。在耳鼻咽喉领域方面，Park 等[7]基于VHP头部切面图像数据开发出了耳部的表面三维结构模型，用于医学生的教学和虚拟耳镜训练；Tran等[8]创建了人电子解剖头颅，用于电子耳蜗植入研究；Liu等[9]提取中国VHP数据集中的喉部区域图像数据重建了交互式喉部三维结构模型，用于网络解剖学和外科模拟教学；Kahrs等[10]重建了人颞骨体绘制三维模型，模型有助于展示人颞骨内部的空间解剖关系，有助于先于尸体实验或临床实施进行外科手术入路的探索。在视觉系统方面，Allen等[11]开发了交互式数字三维眼球、眼肌和眼球运动系统神经模型；Park等[12]基于创建的独立头部切面图像数据集，在断面图像上全程辨认追踪动眼神经、滑车神经和外展神经，并采用面绘制技术进行了表面三维模型重建，可用于医学教学。在口腔领域方面，Sanders等[13]重建了舌肌肉群的计算机表面三维模型，使得舌每条肌肉图像都得以显示，有助于研究人员识别；Kajee等[14]从美国VHP数据集中提取舌的几何形状、舌的每一条肌肉，包括肌肉纤维的走向，建立舌的几何及构造模型，对阻塞性睡眠呼吸暂停综合征进行生物力学的计算机模拟研究；Chung等[15]基于头部图像数据集对海绵窦及毗邻结构进行了三维重建和研究，确定了海绵窦的六面体形状，其断面图像有助于放射科医生对海绵窦断面解剖结构的学习，三维模型有助于神经外科医生对海绵窦及周围结构立体解剖结构的学习。Li 等[16]开发了交互式三维脑数字图谱，在三个方位平面上对脑的主要结构均做了解剖学标记，该数字脑图谱可以用于解剖学学习、使用者自我测试和学生自我评估。

目前，国内外创建的VHP数据集中，美国男性和女性标本切片间隔分别为1.00 mm和0.33 mm,图像分辨率为250万像素(2 048×1 216)[2]；韩国标本切片间隔0.2 mm，图像分辨率为610万像素(3 040×2 008)[3]；数字中国人男2号(Chinese digital human NO.2, CDH M2)数据集标本切片间隔0.2 mm,图像分辨率2 220万像素(4 080×5 440)[4]。Park等[17]创建的独立头部图像数据集的切片间隔为0.1 mm，图像分辨率为1 270万像素(4 368×2 912)。作者此次研究创建的独立头部图像数据集的切片间隔在筛骨部分为0.03 mm,其余部分为0.06 mm,分辨率为2 210万像素(5 760×3 840)，是目前切片间隔最薄的头部图像数据集。另外，美国、韩国、中国的VHP数据集及Park创建的独立头部图像数据集均为水平位切面图像，因此，该数据集是国内外第一套冠状位头部切面图像数据集。

头部是人体结构最复杂的部位，包括耳鼻咽喉、口腔、视觉及中枢神经等重要器官系统，是软组织、骨骼及空腔结构的组合体，有很多微细的解剖结构，如筛房间隔最薄只有0.1 mm厚。该研究中0.03 mm的铣切层厚可以保证至少有两层切片能够包含0.1 mm大小的微细组织的图像信息，可有效防止微细结构的图像信息丢失，又避免图像数据量过于庞大。

研究中尸头标本在灌注前外观无异常，捐献者生前也无头部外伤史，但在行血管及泪囊灌注标志剂及冷冻保存后，出现右眼明显突出，CT影像及铣切采集的图像发现右侧眶上壁、左侧蝶窦上壁局部塌陷，脑组织疝入右眶内导致突眼，左侧蝶窦观察到有脑组织疝入，但是没有发现眶内及蝶窦内局部积血，可排除生前创伤，推测因动脉灌注血管标志剂及冷冻后脑组织膨胀挤裂眶上壁、疝入眶内和蝶窦内所致。

作为国内外第一套独立的头部冠状位切面数据集，该数据集高切削精度和高图像分辨率的质量可满足基础研究人员、临床医生和医学生头部冠状面断层解剖学的研究和学习，可用于耳鼻咽喉科、眼科、口腔科、神经外科虚拟手术训练系统开发，三维模型的创建以及解剖三维教学软件的开发等，有较为广泛的应用前景。

致谢：高春生、周永生、张全明、曾新宇、刁现芬、高攀、李岩、张杰、李小龙、任永成、黄俊杰、贾梦阳、袁华岳、施敬勇、叶辉粼、温范塘、孙国忠。

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Cutting, freezing, embedding and image acquisition technology of head specimens in coronal position

MAQiongjie1)，LIUJianhua2)，GENGManying1)，YUANLin2)，WANGJun2)，CHENXiangdong2)

1)DepartmentofOtolaryngology,theSecondAffiliatedHospital,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450014 2)MedicalCollege,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060

Key wordshuman head;coronal position;milling;image dataset

AbstractAim: To build an image data system of coronal sections of human head by digitalizing and visualizing the image of human head.Methods: The suitable fresh human head by donation was selected and sliced in coronal position layer by layer from front to back by using milling technique of digital human. Images were collected to build the dataset of digital head images after procession. Slice interval was 0.03 mm in ethmoid region and 0.06 mm in other parts. All the images were collected by Canon 5DⅢ camera and stored both in RAW and JPEG formats.Results: The collected images were 3 854 in each format, including 1 437 images with an interval of 0.03 mm and 2 417 images with an interval of 0.06 mm. The image size in RAW format was 24.5 MB at average and that in JPEG format was 5.9 MB at average with an image resolution of 22.1 million pixels(5 760×3 840). The total image size in RAW format and JPEG format was 117.162 G. Conclusion: The image dataset is the thinnest in slice thickness among the human head section and the first image dataset of coronal section of human head in the world.

doi：10.13705/j.issn.1671-6825.2016.03.020

#通信作者：陈向东，男，1965年3月生，博士，教授，主任医师，研究方向：数字耳鼻咽喉科学，E-mail：xdc1981@szu.edu.cn；王军，男，1970年10月生，博士，副教授，研究方向：数字人体解剖学，E-mail：yxywj@szu.edu.cn

中图分类号R762;R322

*深圳市科技计划项目JCYJ20120613103507514，JCYJ201404181819 58477