第8章醫(yī)學(xué)圖像標準數(shù)據(jù)庫

第8章醫(yī)學(xué)圖像標準數(shù)據(jù)庫

8.1數(shù)字化人腦圖譜技術(shù)8.1.1數(shù)字化腦圖譜的概念與特點數(shù)字化人腦圖譜是用某種特定的掃描裝置獲取的體數(shù)據(jù)

(1)經(jīng)3D分割處理，

(2)添加解剖標識

(3)輔以3D可視化技術(shù)的結(jié)果。

在當(dāng)前的醫(yī)學(xué)圖像分析和研究中，構(gòu)建一個高精度、高速度、易于操作的三維數(shù)字化人腦圖譜（DigitizedAtlasoftheHumanBrain）的工作引起科學(xué)家們的重視。使用這種圖譜，醫(yī)生可以在3D空間對人腦中感興趣的對象任意旋轉(zhuǎn)和平移，做認真細致的觀察，清楚地了解人腦內(nèi)部復(fù)雜的空間關(guān)系。

由于圖譜是數(shù)字化的，因此可以很方便地對整個體數(shù)據(jù)進行重采樣（Resampling），或?qū)?shù)據(jù)格式重組（Reformatting），使人們能夠從任意角度、任何剖面觀察腦內(nèi)結(jié)構(gòu)。特別是，人腦的主要組成部分在圖譜中都有相應(yīng)的解剖名詞標識，并能在鼠標控制下顯示。這無疑是手術(shù)步驟計劃的重要參考信息，當(dāng)然也是神經(jīng)解剖教學(xué)的好工具。圖譜的這一特性還可使它可以用做模型驅(qū)動分割的模板，對待分析的新的腦圖像的多個感興趣區(qū)同時做特征描述。8.1.2數(shù)字化腦圖譜的構(gòu)建方法

數(shù)字化腦圖譜的材料大致有以下幾種： （1）尸體組織切片 （2）活體掃描 （3）用數(shù)學(xué)方法仿真產(chǎn)生活體掃描又可以是 多個受試者的概率結(jié)果 或單一受試者的迭加平均結(jié)果。

數(shù)字化腦圖譜構(gòu)建過程數(shù)字化人腦圖譜的制作過程包括： 數(shù)據(jù)的獲取 圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量改進 感興趣區(qū)的選擇 貼解剖標簽

3D表面繪制 瀏覽器 人機交互接口。

數(shù)字化腦圖譜構(gòu)建過程圖示數(shù)據(jù)的獲取

如果數(shù)據(jù)取自尸體，尸體腦應(yīng)選自無神經(jīng)疾病和神經(jīng)病理改變的成年死者。保存時應(yīng)浸泡在福爾馬林酒精溶液中，使其盡量與活體腦狀態(tài)相近。具體步驟是先用切片機對尸體頭顱沿軸向（即從上向下方向）切片，約每2毫米一層。然后對各層切片照相，用透明膠片覆蓋在照片上。透明膠片上有毫米刻度的切片機框架標記，覆蓋時使該框架標記與照片中的框架位置重合。因為照片中各解剖結(jié)構(gòu)的邊緣并非清楚可見，必須輔以必要的手繪。例如在透明膠片上繪出大腦半球皮層表面、尾狀核的頭、尾邊緣，及腦室邊緣等。這項工作一般是由神經(jīng)解剖學(xué)專家來完成。如能對每個結(jié)構(gòu)都由熟悉該結(jié)構(gòu)的專家分頭描繪，效果會更好些。最后，用平板式圖像掃描儀將描繪好的透明膠片掃描至計算機圖像工作站中，就得到了人腦切片的分層數(shù)據(jù)及全腦的體數(shù)據(jù)。如果采集的是活體數(shù)據(jù)，則應(yīng)選擇一個健康的成年受試者。直接進行MR分層掃描。多層掃描數(shù)據(jù)經(jīng)工作站轉(zhuǎn)換為標準圖像格式供后處理使用。這種掃描數(shù)據(jù)本身就是3D體數(shù)據(jù)集。一般由文件頭與二進制MR數(shù)據(jù)組成。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很方便做2D或3D處理。(2)圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量改進由于MR圖像中各解剖結(jié)構(gòu)的邊緣并不清晰。因此掃描要在較短的時間內(nèi)重復(fù)進行多次，掃描過程中受試者位置盡量固定不動。將N次掃描數(shù)據(jù)迭加平均得到的結(jié)果就可將信噪比增加N的平方根倍。例如，MNI的人腦數(shù)據(jù)庫就是對同一受試掃描27次完成的。此外，還應(yīng)對圖像噪聲加以濾除。有多種濾波器可以使用，例如圖像與高斯核卷積可以抑制隨機噪聲，但對圖像結(jié)構(gòu)邊緣有模糊作用。一種模擬熱學(xué)中各向異性擴散的濾波器較為有效，既可濾除噪聲，又不破壞圖像的解剖細節(jié)。(3)感興趣區(qū)的選取感興趣區(qū)的選取是圖像3D分割與醫(yī)學(xué)先驗知識相結(jié)合的產(chǎn)物。圖像3D分割可以是自動的、監(jiān)督式的、或二者結(jié)合的分割。例如，在濾波后對MR圖像做基于灰度的監(jiān)督式分割（SupervisedSegmentation），盡量得到對每個像素明晰的組織分類（灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液等）。分類器可采用非參數(shù)統(tǒng)計分類算法，將灰度圖像轉(zhuǎn)換為某種組織的二值圖像或概率圖像。初始分割的基礎(chǔ)上，參照現(xiàn)有的神經(jīng)解剖學(xué)專著找出關(guān)于各ROI的標志（Landmark）的敘述，例如關(guān)于顳葉，額葉前部皮層，基底節(jié)的詳細描述，初步選擇ROI。該項工作可以交互式地進行。例如對同是灰質(zhì)的額上回與額中回?zé)o法用程序自動區(qū)分。使用能夠顯示側(cè)面、軸向及冠狀（Sagittal,Axial,Coronal.）三個正交方向截面圖的交互式軟件可以觀察腦部切片，幫助ROI的編輯工作。劃分的ROI包括大腦皮層灰質(zhì)（又分為多個腦葉）、小腦、腦干結(jié)構(gòu)（包括腦橋和延髓）、胼胝體、基底節(jié)、腦緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、眼與視交叉，腦室系統(tǒng)，及幾個白質(zhì)束（皮層脊髓束及視輻射線）等。總計有150個左右的解剖結(jié)構(gòu)。由于解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)分類的任意性，要做好這項工作需要專家組對識別的各個腦區(qū)評估并不斷改進和修正。對腦圖譜眾多ROI的確定和輪廓描繪是十分艱苦、費力的事，一般需要數(shù)人年的工作。由于精心操作，ROI的劃分是很準確的。經(jīng)評估，即使對體積很小的腦結(jié)構(gòu)，例如顳上回（STG），ROI的誤差也能做到小于4%由于解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)分類的任意性，要做好這項工作需要專家組對識別的各個腦區(qū)評估并不斷改進和修正。對腦圖譜眾多ROI的確定和輪廓描繪是十分艱苦、費力的事，一般需要數(shù)人年的工作。由于精心操作，ROI的劃分是很準確的。經(jīng)評估，即使對體積很小的腦結(jié)構(gòu)，例如上前皺折（STG），ROI的誤差也能做到小于4%。(4)貼解剖標簽

解剖標簽是存放在一個文件中的解剖結(jié)構(gòu)名詞。該文件保留解剖結(jié)構(gòu)的空間信息和解剖知識。只有將一個標簽與一組體素對應(yīng)聯(lián)系起來，才能顯示該標簽所代表的解剖結(jié)構(gòu)。貼標簽系統(tǒng)是分級組織的。神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)可以按照結(jié)構(gòu)間的特定關(guān)系分組。例如，皮層溝回可以分為額葉、頂葉、顳葉和枕葉溝回等，腦室系統(tǒng)分為側(cè)腦室、第三腦室、第四腦室等。各組成組織的標簽也是分級安排的。此外，還包括一些與功能有關(guān)的系統(tǒng)，例如皮層脊髓束、視輻射線等。數(shù)字化人腦圖譜的可視化

有三種方法可以用來實現(xiàn)貼過標簽的數(shù)據(jù)集的可視化:（1）使用高性能計算機的蠻力繪制法（BruteForceRendering）。（2）使用表面模型和標準圖形硬件加速方法。（3)對于沒有硬件加速設(shè)備的，可以預(yù)先算好繪制的圖像，存儲備用。這三種方法對計算資源的要求不同，前者最高，依次遞降。使用高性能計算機，交互式工作要求每秒幾幅圖像的繪制速度。要想得到較好的視覺效果，還必須對數(shù)據(jù)點插值或平滑。在3D空間實現(xiàn)對解剖結(jié)構(gòu)分組，對象的平移與旋轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)間的關(guān)系也很明確，便于觀察和建立解剖結(jié)構(gòu)的3D形象。(6)數(shù)字化人腦圖譜的瀏覽器

解剖是分級組織的，因此瀏覽器也應(yīng)是分級的。例如，上前部皺折是腦前葉的一部分，后者屬于新皮層一部分，而新皮層又是大腦的一部分等等。分級瀏覽器對分割圖像的可視化提供一個用戶友好界面。程序自動將分割好的圖像與包含分級名稱與像素值的說明文件關(guān)聯(lián)起來。用戶可選擇按像素值或按分級關(guān)系顯示圖像。后者允許將不同神經(jīng)解剖區(qū)成組或拆組，用色彩加亮不同的ROI，可以清楚看出結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。隨意上移或下移至不同的分級以更好地觀察較大或較小的分組，更好地了解結(jié)構(gòu)間的空間關(guān)系。

用于圖譜導(dǎo)航的用戶接口是一個分級瀏覽器。具體的功能有從任何方向觀察圖像（角度、高度和旋轉(zhuǎn)）圖像尺寸縮放（適于觀察小的對象）以任意維剪切圖像（顯示隱藏對象）按組或按單個顏色顯示分級結(jié)構(gòu)利用RGB滑塊改變圖像顏色給圖像貼標簽注釋3D顯示部分在圖像上重疊柵格用做貼標簽編輯改變標簽字體的大小、顏色和字型在3D顯示上畫線，幫助指向標簽標識的腦區(qū)存儲標簽、說明文件、圖像，供制做幻燈片、錄象帶或以后的腦圖譜使用。8.1.3數(shù)字化人腦圖譜的應(yīng)用

當(dāng)前比較有代表意義的數(shù)字化圖腦譜有:Talairach腦圖譜哈佛全腦數(shù)據(jù)庫蒙特利爾神經(jīng)所的BrainWebUCLA的可變形的人腦概率數(shù)據(jù)庫美國的可視人計劃（VisibleHumanProject）也常常被用于腦圖像研究的參考。

（1）神經(jīng)解剖教學(xué)

對不同解剖結(jié)構(gòu)的形狀、構(gòu)造及它們之間的關(guān)系的理解是件困難的事情。數(shù)字腦圖譜可以給學(xué)生提供一種直觀地學(xué)習(xí)神經(jīng)解剖學(xué)快速而有效的方式。數(shù)字化的3D數(shù)據(jù)集配合靈活快速的表面重建和瀏覽功能使學(xué)生能從各角度觀察指定的解剖結(jié)構(gòu)，觀察的對象也可很方便地選擇。所以是一個很好的教學(xué)工具。應(yīng)用領(lǐng)域

（2）手術(shù)計劃與導(dǎo)航

數(shù)字腦圖譜可以為外科手術(shù)步驟的計劃提供準確、可靠的參考信息。例如對神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者的手術(shù)計劃。醫(yī)生所面臨的挑戰(zhàn)是如何防止對皮層脊髓束的損傷。有了圖譜給出的準確的解剖參考。盡管使用交互式剛性配準方法在手術(shù)室可以作到大致的對準，醫(yī)生還是深感能在手術(shù)之前得到這些信息是十分重要的。這些知識增強了神經(jīng)外科醫(yī)生手術(shù)的信心，可以最大限度地避免對關(guān)鍵腦組織的傷害。

（3）模型驅(qū)動分割

由于人體解剖個異性差別較大，人腦中許多組織和結(jié)構(gòu)的圖像灰度分布互相重疊，使得人腦圖像分割具有很大的難度。圖譜的信息可以用于指導(dǎo)分割算法的研究。從圖譜信息到受試者或病人的映射主要使用彈性匹配方法。（4）醫(yī)學(xué)圖像配準

醫(yī)學(xué)圖像配準是相同模式、不同成像參數(shù)圖像，或不同成像模式圖像，甚至不同人腦圖像間進行比較的不可缺少的重要圖像處理步驟。數(shù)字化人腦圖譜包含具有明確解剖標識的量化空間信息，與笛卡兒坐標系統(tǒng)聯(lián)系起來，就可以作為公共參考系統(tǒng)實現(xiàn)各類圖像配準。配準過程可以是從一個特定的腦到另一個特定的腦，從腦圖譜至腦或從腦至腦圖譜完成。（5）仿真多種成像方式

利用MR人腦圖譜數(shù)據(jù)和特定的其它成像模式的原理相結(jié)合，可以用計算機模擬產(chǎn)生PET、SPECT或fMRI圖像，構(gòu)建多種模式的仿真腦圖像體數(shù)據(jù)集供諸如配準等圖像方法學(xué)研究。這樣構(gòu)建的仿真數(shù)據(jù)庫特點是成像參數(shù)可控，可以人為添加噪聲、模仿部分體積效應(yīng)及對灰度不均勻度（INU）進行控制，用來檢測算法的強健性。8.2數(shù)字化虛擬人體8.2.1美國可視人計劃受美國國立圖書館支持美國可視人計劃（VisibleHumanProject，VHP）于1989年立項，并在1994年與1995年相繼推出一男一女尸體高精度、高分辨組織切片光學(xué)照相、CT和MRI斷層圖像數(shù)據(jù)集。男的身高1.82米，女的身高1.54米。在他們死后，立即用CT和MRI作了軸向掃描，男的間距1毫米，共1878個斷面。女的間距0.33毫米，共5189個斷面。然后將尸體填充藍色乳膠并裹以明膠后冰凍至攝氏零下80度。再以同樣的間距對尸體作組織切片的攝影。數(shù)字化掃描分辨率為2048

1216像素。所得數(shù)據(jù)共56GB(男13Gb，女43GB)。美國可視人體男性與女性美國可視人體男性斷層圖像

美國可視人計劃意義

（1）實現(xiàn)了人體解剖信息的數(shù)字化。

這使得幾百年發(fā)展起來的基于尸體解剖的實驗解剖學(xué)發(fā)生革命性的變革。人體解剖信息一旦數(shù)字化后，就找到與計算機接口方法，后續(xù)的計算機處理技術(shù)將使這個資源發(fā)生不可估量的影響。美國可視人計劃意義

（2）極大地提高了人體解剖可視化水平人類在認識自己身體的結(jié)構(gòu)方面前進了一大步。使人們以三維形式看到人體數(shù)千個解剖結(jié)構(gòu)的大小、形狀、位置及器官間的相互空間關(guān)系。美國可視人計劃意義

（3）開辟醫(yī)學(xué)研究的虛擬環(huán)境?；赩HP數(shù)據(jù)集開發(fā)各種虛擬內(nèi)窺鏡（例如虛擬直腸鏡、虛擬腹腔鏡等）。特別是這種技術(shù)不受腔、管結(jié)構(gòu)的限制，原則上可以在人體內(nèi)部任何部分穿通瀏覽?；趫D像引導(dǎo)的外科手術(shù)計劃與導(dǎo)航系統(tǒng)可以提高手術(shù)的安全性和成功率；虛擬手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)給廣大的未來醫(yī)生提供最具真實感的訓(xùn)練機會。對提高人類整體醫(yī)療水平具有重要意義。美國可視人計劃意義

（4）解剖信息資源共享作為高質(zhì)量、高水平的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)集，將人體解剖信息資源為全人類所共享。數(shù)據(jù)共享是當(dāng)今國際科學(xué)界極為關(guān)注和提倡的。許多有實力的大學(xué)、研究所、醫(yī)院和公司紛紛融資協(xié)力打造多