基于CT數據的比格犬心臟三維重建

郭 月,劉開成,郭澤霞,劉書怡,孫夢嬌,李方正

(1. 青島農業大學動物醫學院,山東 青島 266109 ; 2. 青島康地恩動物藥業有限公司,山東 青島 266041)

犬是常用的實驗動物,也是飼養量最大的寵物。隨著動物醫療水平的進步和生活環境的改善,人們對于犬健康的關注度也逐漸提高,犬的壽命得以延長,但是隨著年齡的增長,犬心臟病的發病率也開始增加[1]。掌握心臟的形態結構和血管的分布規律是進行心血管系統疾病檢查和治療的基礎。本試驗將獸醫影像檢查技術與三維重建技術相結合,進行犬心臟和胸腔主要血管的三維重建,為犬解剖學教學提供數字資源。

1 材料與方法

1.1 試驗動物 比格犬(雌性,4歲,體重8.3 kg),購自青島博隆實驗動物有限公司[生產許可證號:SCXK(魯)2022—0005],因繁殖性能不佳被淘汰,經安樂死后贈予本實驗室。

1.2 主要試劑 氧化鐵(Fe2O3,化學純),購自天津市科密歐化學試劑有限公司;明膠,購自天津市登峰化學試劑廠。

1.3 主要儀器 Initum CT 32 X射線掃描儀,賽諾威盛科技(北京)有限公司產品。

1.4 試驗方法

1.4.1 比格犬血管灌注 將0.5 g Fe2O3加入到1 mL 10%明膠水溶液中配制成明膠-氧化鐵懸浮液,攪拌均勻。用注射器從犬左側頸總動脈向胸腔灌注明膠-氧化鐵懸浮液34 mL,經右側頸總動脈灌注21 mL; 經左側頸外靜脈灌注明膠-氧化鐵懸浮液42 mL,經右側頸外靜脈灌注25 mL。灌注完畢后用線結扎灌注口,將標本放入-20 ℃冷凍30 min,使血管填充劑充分凝固。

1.4.2 比格犬電子計算機斷層(Computed tomography,CT)掃描 采用Insitum CT 32 X 射線掃描儀進行犬全身掃描,X射線管電壓為100 kV,管電流為130 mA,重建層厚為0.625 mm,保存為DICOM數據。

1.4.3 比格犬CT圖像分割和三維重建 將比格犬全身DICOM數據導入Mimics Medical 21.0軟件,采用“Threshold”對犬全身骨骼、心臟和胸腔大血管進行自動重建,然后采用“Edit Masks”對骨骼、心臟、主動脈、前腔靜脈和后腔靜脈等血管進行分割,再用“Calculate Part”分別對骨骼、心臟和大血管進行三維重建。

2 結果

2.1 比格犬血管灌注 向比格犬頸總動脈和頸外靜脈灌注明膠-氧化鐵懸浮液后,CT掃描儀的定位相顯示,比格犬的心臟、主動脈、前腔靜脈和后腔靜脈與骨骼具有相同的亮度,可以清晰地觀察到心腔結構和胸腔主要血管的分布(圖1)。

圖1 比格犬CT掃描定位相Fig.1 Anatomical landmarks in Beagle CT scan1:臂頭動脈; 2:右心房; 3:主動脈弓; 4:左心房; 5:后腔靜脈6:腹主動脈; 7:腹腔動脈; 8:腸系膜前動脈; 9:左心室10:右心室; 11:左側腋動脈; 12:左頸總動脈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圖像分析 CT掃描共獲得1 152張橫斷面的DICOM圖像,分辨率為512×512像素,大小為578 MB。根據犬胸腔解剖特征對犬胸腔橫斷面CT圖像進行人工識別,明確心臟中各心腔和左右心房連接的主要血管的位置(圖2)。

圖2 比格犬CT掃描斷層圖像Fig.2 Beagle CT scan sectional imagesA:矢狀面; B:橫斷面; C:水平面A:Sagittal plane; B:Transverse plane; C:Horizontal plane

2.3 骨骼、心臟和主要血管的圖像分割 分別對比格犬全身骨骼、心腔和主要血管進行識別,并手工繪制“Masks”,采用綠色Masks標注全身骨骼,紅色標注動脈,藍色標注靜脈(圖3)。

2.4 骨骼、心臟和胸腔血管的三維重建 對分割后的圖像分別進行三維重建,得到了比格犬身體外形(圖4A)、全身骨骼(圖4B)、心臟外形、心腔和胸腔主要血管(圖4C)的三維模型,紅色顯示主動脈及其分支,藍色顯示前、后腔靜脈,在模型上可以分辨出4個心腔的位置關系。將皮膚肌肉設置為透明顯示,可透過皮膚觀察到心臟在胸腔的位置(圖4D)。本試驗中的比格犬主動脈存在較大的變異,在主動脈弓上分出3個大的分支,分別是左鎖骨下動脈、左頸總動脈和臂頭動脈,臂頭動脈又分出右鎖骨下動脈和右頸總動脈(圖4C)。

3 討論

3.1 尸體血管造影劑的特性 血管造影技術是一種可以很好地顯示動物體內血管分布的方法,常用的尸體血管造影劑有氧化鐵、氧化鉍、氧化鉛和硫酸鋇等,其中氧化鐵的密度為5.24 g/cm3,氧化鉍為8.55 g/cm3,氧化鉛為9.53 g/cm3,硫酸鋇為4.5 g/cm3。造影劑相對密度越大,沉淀速度越快。當用同一載體填充劑進行血管灌注時,硫酸鋇和氧化鐵的沉淀速度較慢,分布的均勻性較好。但硫酸鋇顆粒大,不能有效灌注到微細的血管中,氧化鐵效果較好。氧化鐵是一種紅棕色粉末,不溶于水。本試驗使用10%明膠水溶液作為載體配制氧化鐵混懸液進行血管造影。研究表明,明膠-氧化鐵混懸液灌注后CT掃描的CT值隨氧化鐵濃度的升高,變異系數(Coefficient of variation,CV)逐漸降低,即均勻性增大,氧化鐵最佳濃度為0.5～0.6 g/mL,當造影劑濃度大于最佳濃度時,CT均值稍有升高但不明顯[2]。因此,本試驗使用0.5 g/mL的明膠-氧化鐵懸浮液進行灌注,用明膠-氧化鐵懸浮液灌注后得到的CT圖像顯示,心腔、血管與周圍組織的對比更加明顯,三維重建更加簡便和精確,采用閾值自動重建即可。如不使用灌注劑雖然也能分辨出心臟和大血管等結構,但不是十分清晰,需要人工采用“Edit Masks”的方式標注各部位結構進行重建,而且一些小血管界限不清,重建較困難。

3.2 心臟和胸腔血管三維重建 CT重建技術是目前運用十分廣泛的三維重建技術。多排高速螺旋CT能快速、清晰地獲得大量數據,通過計算機三維重建得到皮膚、肌肉、骨骼和心臟血管的形態結構,可真實地反映血管的口徑、長度、走向和空間位置關系,再通過將皮膚等組織透明化,可更加形象地展示心臟和血管的位置毗鄰關系[3]。本試驗采用人工識別進行圖像分割,分別繪制比格犬心臟外形、心腔、主動脈、前腔靜脈和后腔靜脈及其分支的“Masks”,然后進行三維重建,得到上述結構的三維模型;同時,通過CT值自動建立了比格犬全身骨骼和身體外形的“Masks”,得到身體輪廓和全身骨骼的三維模型;并在Mimics Medical軟件中設置身體為半透明顯示,可以清晰觀察到心臟和胸腔血管在胸腔內的位置。本試驗中的比格犬主動脈分支存在較大的變異,左鎖骨下動脈單獨從主動脈弓分出,沒有形成雙頸動脈干,與教材描述的主動脈分支存在較大的差別[4]。隨后又解剖了5只比格犬,分離心臟,均發現其主動脈弓分出左鎖骨下動脈和臂頭動脈2個分支,與教材描述相符,表明本試驗發現的主動脈血管分支變異屬于個體差異,不具有普遍性。

3.3 優勢和不足 造影劑灌注后進行CT掃描和心臟血管的三維重建可以真實再現動物體內心腔結構和血管分布情況,對解剖學教學具有較大的促進作用。本試驗得到的三維模型可以用于虛擬仿真程序的開發和動物器官3D打印的數據來源。現有CT和磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)等影像設備結合醫學三維重建軟件基于CT值來分割心臟和血管,與造影劑密度和含量有密切關系[5]。采用CT血管造影術可以得到更加完整的血管分布圖像,包括冠狀循環的血管,但需要選擇恰當的掃描時機,錯過掃描時間就不能得到合適的血管圖像。本試驗對死亡比格犬用灌注劑處理,可以同時顯示心腔、主動脈的主要分支和前、后腔靜脈的分支等,操作簡便;而且灌注好的標本可以冷凍保存,重復使用。傳統標本與三維掃描技術結合也可以得到犬胸腔解剖三維模型[6],雖然三維掃描精度高,但是如果掃描心臟和血管分支需要切除左側胸壁和左肺等器官,步驟較繁瑣,且操作過程中可能存在器官位置變化的情況;而采用CT掃描可以無損獲得三維模型,方便快捷,而且不會改變器官的形態位置。本試驗通過醫學影像技術和三維重建技術相結合,得到犬心臟和胸腔主要血管的三維模型,能夠直觀地顯示心腔的位置以及主動脈和前、后腔靜脈在胸腔的分布規律。但是,由于血管中殘留血液和灌注濃度的影響,本試驗并沒有重建出四肢和腹腔內臟的血管,在后續的試驗中將對犬進行抗凝和放血后再進行灌注,并篩選明膠水溶液的濃度,從而使氧化鐵能夠分布到全身微細的血管中,達到更好的三維重建效果。