2004基于3DSlicer的成年大鼠侧脑室外侧壁脑室下区全部细胞核的三维重建

文章编号 :0258 - 8021 (2004) - 06 - 589 - 04 收稿日期 :2003 - 06 - 09 ;修回日期 :2004 - 03 - 12 基于 3D Slicer 的成年大鼠侧脑室外侧 壁脑室下区全部细胞核的三维重建 赵媛媛1 , 　周果宏1 , 　高殿帅2 , 　罗述谦1 , 　徐群渊2 (1. 首都医科大学生物医学工程学院 ,北京 100054 ;2. 首都医科大学北京神经科学研究所 ,北京 100054) 3D RECONSTRUCTION OF CELLS’NUCLEI IN THE SUBVENTRICULAR ZONE OF ADULT RATS USING 3D SLICER ZHAO Yuan - yuan1 , ZHOU Guo - hong1 , GAO Dian - shuai2 ,LUO Shu - qian1 , XU Qun - yuan2 (1. Biomedical Engineering College ,2. The Institute for Neuroscience ,Capital University of Medical Sciences , Beijing 100054) 摘 　要 : 　本研究以连续半薄切片的组织学技术结合计算机图形学的三维可视化技术 ,利用 3D Slicer [1 ]工具软 件重建出成年大鼠 SVZ部位一百多个细胞核表面特征的三维数学化图像。与国内以往的研究往往是重建出单个 细胞相比 ,重建出一个部位的全部细胞核、特别是一百多个细胞核在我国的文献中似乎还没有出现过。 关键词 : 　三维重建 ;3D Slicer ;SVZ;细胞核 Key words :3D Reconstruction ;3D Slicer ;SVZ;Nucleus 中图分类号 :R391 文献标识码 :D 引 言 生物组织的二维切片为人们提供了物体某一截面的二维信息 ,观察二维切片图像并在人脑中综合复原 为立体构型的传统组织学研究具有明显的局限性。随着计算机技术的飞速发展 ,图像处理中三维重建 技术日趋完善 ,就使观察细胞器的三维构象成为可能。 3D Slicer 是由哈佛医学院附属 Brigham & Women’s 医院的手术规划实验室与麻省理工学院人工智能实 验室共同开发的一种医学图像三维重建软件系统 ,3D Slicer 的功能十分强大 ,且可以直接与临床影像设备相 连做到实时重建。其主界面如图 2 所示。 本研究尝试利用 3D Slicer 重建了成年大鼠 SVZ全部细胞核表面特征的三维数字化图像 ,达到更加准确 显示 SVZ部位结构形态特点的目的。 1 　材料与方法 原始数据来自于首都医科大学北京神经科学研究所的大鼠侧脑室外侧壁的半薄组织切片数据 ,图像大 小为 636 ×404 ,共 25 层 ,层厚 0. 6m ,层间距 0. 6m。每一张原始切片中都放置有标尺 (如图 1 中 1、2 所示 10m 处的标尺) ,测量得到每张切片中像素大小为 0. 19m ×0. 19m。 1. 1 　数据分割 分割是一种对图像像素进行分组聚类以分出背景中不同特征的图象区域的技术。在本研究中 ,图像中 细胞和血管的分割采用人工标注的半自动的分割方法[2 ] ,原因是采用的是连续半薄切片技术 ,得到的切片 第 23 卷 第 6 期 2004 年 12 月 　　　 　　　 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 CHINESE JOURNAL OF BIOMEDICAL ENGINEERING　　 　　　　 Vol. 23 No. 6 December 2004 图 1 　成年大鼠侧脑室外侧壁的冠状位半薄切片 , 1 为原始图像 ,2 为结构边缘分割后图像。LV ,侧脑室。 箭头所指方向为背侧。 厚度只有 0. 6m。如对切片进行特异性染色 ,由 于切片比较薄 ,内含的特异性物质比较少 ,染色 过程中受到的各种人为干扰和噪声的影响会比 较大 ,所以采用的是常规的组织化学染色 — Crystal Violet 染色。这样得到的切片图像内结 构的颜色值相近 ,图像自动化分割极其困难 ;细 胞核除了常见的圆形、椭圆形 ,还有长条形 ,凹 凸多边形等复杂形状 ,造成分割算法很难确定 ; 细胞核图像 ,类型不同的物体 ,亮度和灰度均匀 度也不相同 ,即使是类型相同的物体 ,亮度和灰 度均匀度也不相同。 根据经验手工标注出每一张切片中所有感 兴趣物体 (细胞核和血管) 的轮廓 (如图 1 所 示) 。分割的最直接的方法是专家的手工分割 , 对切片逐个进行辨识。这种方法的优点是物体 轮廓分割准确 ,能够排除切片制作过程中细胞 核破碎、缺损或染色不均等的影响 ;缺点是时间 长 ,耗精力 ,不同人分割的结果可能不完全相同。将得到的图像二值化 ,将感兴趣的目标物体用 255 灰度级 表示 ,背景用 0 灰度级表示。然后将图像中的每一个感兴趣物体 (细胞核或务管)分别分割出来。 1. 2 　图像配准 连续切片必须进行图像配准 ,旨在消除切片进行性平移对位错误。由于重建的结构很微小 ,没有采用 传统的定点配准方法 ,而是配准经过分割后的二值化图像。采用使图像间灰度相似性最大化的原理实现图 像间的配准 ,主要是刚体的平移和旋转。 1. 3 　图像插值 断层图像层间的距离一般都要大于断层图像中象素点之间的距离 ,断层间产生的这种信息不确定性 , 会影响医学图像及感兴趣物体的三维重建效果。为了减小这样影响 ,利用获得的异分辨率断层图像数 据。插值得到同分辨率的新的三维断层图像数据。经过插值 ,最后用于重建的每套体数据中体素的大小为 0. 19μm ×0. 19μm ×0. 3μm。 2 　三维模型的生成 2. 1 二维图像的导入及处理 3D Slicer 可以自动导入文件后缀为. 0nn 的体数据。在导入数据时 ,注意要正确地输入图像的各个参数 , 以避免图像失真。导入图像后 ,选择阈值进行图像分割 ,其结果是产生感兴趣结构一系列的标识图 ,即用不 同颜色标识不同的解剖结构 ;对所产生的标识图进行形态运算 ,以平滑边界。 2. 2 　生成三维模型 在 3D Slicer 中 ,可视化的方法采用“基于轮廓线的表面三维重建”。选择标识图 ,3D Slicer 可以自动生成 文件格式为. vtk 的相应组织表面模型文件 ,且模型的颜色与标识图相同 ,3D Slicer 提供了良好的三维场景显 　590　　 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 第 23 卷 　 示窗口 ,可以从不同角度观察重建的组织。图 2 所示为 SVZ部位所有细胞核和血管三维模型在 3D Slicer 中 显示。 图 2 　SVZ所有细胞核和血管模型在 3D Slicer 中的显示 3 　结 果 本研究采用 Nissl 染色半薄切片技术和三维重建技术构建了大鼠 SVZ全部细胞核三维表面模型 ,可以对 SVZ区的各种类型细胞核及细胞核之间的空间位置关系有更全面、直观的认识。本研究得到以下几个结果 : (1)建立大鼠侧离室外侧壁脑室下区全部细胞核和血管的三维表面模型 ,可以直观的从不同方位和角度 观察到细胞核的整体形态及周围结构 ,见如图 3。 (2)利用 3D Slicer 中的 More →Measure Vol 功能分别测量不同标示值的总体积 ,可以得到细胞核的体积 , 见表 1。 (3)利用 3D Slicer 中的 More →Measure 确定细胞核表面任意两个端点 ,可以得到细胞核表面上此两端点 间的距离。利用这个功能测量得到细胞核的长径、短径 (表 1) ,可以进行统计学的分析。 图 3 　核边缘分割后被标注名称及相同名称表示已 三维重建的细胞核表面模型。 (4)从细胞核三维模型可以看到 ,成年大鼠 SVZ细胞核密集、形态多样。大多呈不规则的长条状或扁长 条状 ,且其长轴几乎都在嘴尾侧方向上。核表面形态多不平坦 ,可见表面凹陷。 　第 6 期 赵媛媛等 :基于 3D Slicer 的成年大鼠侧脑室外侧壁脑室下区全部细胞核的三维重建 591　　　 (5)在后继的实验中还重建了嗅球单侧切除后的大鼠 SVZ的全部细胞核表面模型 ,通过与正常组的对 照 ,可以研究嗅球对 SVZ细胞类型及结构的影响 ,希望能进一步为探讨 SVZ 的神经发生机制提供更多的依 据。 表 1 　正常大鼠和嗅球损毁大鼠 SVZ - EL 区细胞核形态学 指标测量值的均数 (Mean)和标准差 (Std. Deviation)的比较 MODEL 长径 (μm) 短径 (μm) 厚度 (μm) 体积 (μm) 短 :厚 1 Mean 9. 49826 4. 80174 2. 57842 87. 35290 1. 95400 n 88 88 88 88 88 Std. Deviation 2. 38106 1. 05139 0. 64819 31. 52788 0. 55422 2 Mean 6. 93351 3. 29073 2. 01033 40. 83131 1. 70737 n 49 49 49 49 49 Std. Deviation 2. 41168 1. 56105 0. 80806 32. 22281 0. 64329 Total Mean 8. 58094 4. 26131 2. 37523 70. 71379 1. 86579 n 137 137 137 137 137 Std. Devialion 2. 68364 1. 44762 0. 75758 38. 77123 0. 59718 4 　讨 论 三维重组技术在生物医学中的应用起步不久 ,还停留在观察组织、细胞的立体结构 ,未能深入到细胞器 分子水平。在超微结构水平则大多使用体视学的方法 ,如海军医学研究所使用该技术研究了正常大鼠心肌 细胞、肝细胞核及线粒体等的形态参数在乙醇作用下的毒理学改变。连续切片的细胞器三维重建工作 ,目 前在国外已经开展 ,Baheerathan 等利用连续系列超薄切片成功地对肝细胞的细胞核进行了三维重建[3 ] 。在 国内 ,清华大学生物科学与技术系利用超薄切片对小鼠海马锥体细胞树突棘形态进行了电镜三维重建[4 ] 。 本研究希望能利用超薄切片结合相应的图像处理技术 ,开展细胞器三维重建方面的研究 ,探索出一套有关 细胞器三维重组的研究方法 ,并希望在某些特定的细胞器上取得进展和突破。 5 　参考文献 [1 ] 　http :/ / www. slicer. org [2 ] 　王兆仲 ,赵宇 ,等. 血细胞图像的自适应分割[J ] . 中国体视学与图像分析 ,2003 ,7 (1) :49 - 52. [3 ] 　Baheerathan S , Albregstsen F , Danielsen HE. Registration of serial sections of mouse liver cell nuclei[J ] . J Microsc ,1998 ,192 (1) :37. [4 ] 　杨光 ,龚锴 ,等. 小鼠海马锥体细胞树突棘形态的电镜三维理建[J ] . 生物物理学报 ,2003 ,19 (1) :18 - 22. 　592　　 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 第 23 卷