醫(yī)學圖像標準數(shù)據(jù)庫

第8章醫(yī)學圖像標準數(shù)據(jù)庫

1編輯ppt8.1數(shù)字化人腦圖譜技術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可視化技術的結果。2編輯ppt在當前的醫(yī)學圖像分析和研究中，構建一個高精度、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和平移，做認真細致的觀察，清楚地了解人腦內(nèi)部復雜的空間關系。3編輯ppt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〕，或對數(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)結構。特別是，人腦的主要組成局部在圖譜中都有相應的解剖名詞標識，并能在鼠標控制下顯示。這無疑是手術步驟方案的重要參考信息，當然也是神經(jīng)解剖教學的好工具。圖譜的這一特性還可使它可以用做模型驅動分割的模板，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。4編輯ppt8.1.2數(shù)字化腦圖譜的構建方法

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)學方法仿真產(chǎn)生活體掃描又可以是 多個受試者的概率結果 或單一受試者的迭加平均結果。

5編輯ppt數(shù)字化腦圖譜構建過程數(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)的質量改進 感興趣區(qū)的選擇 貼解剖標簽 3D外表繪制 瀏覽器 人機交互接口。6編輯ppt

數(shù)字化腦圖譜構建過程圖示7編輯ppt數(shù)據(jù)的獲取 如果數(shù)據(jù)取自尸體，尸體腦應選自無神經(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構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外表、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)解剖學專家來完成。如能對每個結構都由熟悉該結構的專家分頭描繪，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)。8編輯ppt如果采集的是活體數(shù)據(jù)，那么應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)結構很方便做2D或3D處理。9編輯ppt(2)圖像數(shù)據(jù)的質量改進由于MR圖像中各解剖結構的邊緣并不清晰。因此掃描要在較短的時間內(nèi)重復進行屢次，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，但對圖像結構邊緣有模糊作用。一種模擬熱學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)。10編輯ppt(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)學先驗知識相結合的產(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、白質、腦脊液等〕。分類器可采用非參數(shù)統(tǒng)計分類算法，將灰度圖像轉換為某種組織的二值圖像或概率圖像。11編輯ppt初始分割的根底上，參照現(xiàn)有的神經(jīng)解剖學專著找出關于各ROI的標志〔Landmark〕的表達，例如關于顳葉，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。例如對同是灰質的額上回與額中回無法用程序自動區(qū)分。使用能夠顯示側面、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〔又分為多個腦葉〕、小腦、腦干結構〔包括腦橋和延髓〕、胼胝體、基底節(jié)、腦緣系統(tǒng)結構、眼與視交叉，腦室系統(tǒng)，及幾個白質束〔皮層脊髓束及視輻射線〕等?？傆嬘?50個左右的解剖結構。由于解剖結構形態(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確實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構，例如顳上回〔STG〕，ROI的誤差也能做到小于4%12編輯ppt由于解剖結構形態(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確實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構，例如上前皺折〔STG〕，ROI的誤差也能做到小于4%。13編輯ppt(4)貼解剖標簽解剖標簽是存放在一個文件中的解剖結構名詞。該文件保存解剖結構的空間信息和解剖知識。只有將一個標簽與一組體素對應聯(lián)系起來，才能顯示該標簽所代表的解剖結構。貼標簽系統(tǒng)是分級組織的。神經(jīng)解剖結構可以按照結構間的特定關系分組。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的系統(tǒng)，例如皮層脊髓束、視輻射線等。14編輯ppt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〕?！?〕使用外表模型和標準圖形硬件加速方法?！?)對于沒有硬件加速設備的，可以預先算好繪制的圖像，存儲藏用。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)對解剖結構分組，對象的平移與旋轉。結構間的關系也很明確，便于觀察和建立解剖結構的3D形象。15編輯ppt(6)數(shù)字化人腦圖譜的瀏覽器解剖是分級組織的，因此瀏覽器也應是分級的。例如，上前部皺折是腦前葉的一局部，后者屬于新皮層一局部，而新皮層又是大腦的一局部等等。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聯(lián)起來。用戶可選擇按像素值或按分級關系顯示圖像。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，可以清楚看出結構間的關系。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，更好地了解結構間的空間關系。16編輯ppt用于圖譜導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〕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構利用RGB滑塊改變圖像顏色給圖像貼標簽注釋3D顯示局部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。17編輯ppt8.1.3數(shù)字化人腦圖譜的應用

當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)庫美國的可視人方案〔VisibleHumanProject〕也常常被用于腦圖像研究的參考。

18編輯ppt〔1〕神經(jīng)解剖教學

對不同解剖結構的形狀、構造及它們之間的關系的理解是件困難的事情。數(shù)字腦圖譜可以給學生提供一種直觀地學習神經(jīng)解剖學快速而有效的方式。數(shù)字化的3D數(shù)據(jù)集配合靈活快速的外表重建和瀏覽功能使學生能從各角度觀察指定的解剖結構，觀察的對象也可很方便地選擇。所以是一個很好的教學工具。應用領域19編輯ppt〔2〕手術方案與導航

數(shù)字腦圖譜可以為外科手術步驟的方案提供準確、可靠的參考信息。例如對神經(jīng)膠質瘤患者的手術方案。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室可以作到大致的對準，醫(yī)生還是深感能在手術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)生手術的信心，可以最大限度地防止對關鍵腦組織的傷害。20編輯ppt〔3〕模型驅動分割

由于人體解剖個異性差異較大，人腦中許多組織和結構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。21編輯ppt〔4〕醫(yī)學圖像配準

醫(yī)學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。22編輯ppt〔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合，可以用計算機模擬產(chǎn)生PET、SPECT或fMRI圖像，構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研究。這樣構建的仿真數(shù)據(jù)庫特點是成像參數(shù)可控，可以人為添加噪聲、模仿局部體積效應及對灰度不均勻度〔INU〕進行控制，用來檢測算法的強健性。23編輯ppt8.2數(shù)字化虛擬人體8.2.1美國可視人方案受美國國立圖書館支持美國可視人方案〔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20481216像素。所得數(shù)據(jù)共56GB(男13Gb，女43GB)。24編輯ppt美國可視人體男性與女性25編輯ppt美國可視人體男性斷層圖像

26編輯ppt美國可視人方案意義〔1〕實現(xiàn)了人體解剖信息的數(shù)字化。

這使得幾百年開展起來的基于尸體解剖的實驗解剖學發(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)的計算機處理技術將使這個資源發(fā)生不可估量的影響。27編輯ppt美國可視人方案意義〔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構方面前進了一大步。使人們以三維形式看到人體數(shù)千個解剖結構的大小、形狀、位置及器官間的相互空間關系。28編輯ppt美國可視人方案意義〔3〕開辟醫(yī)學研究的虛擬環(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〕。特別是這種技術不受腔、管結構的限制，原那么上可以在人體內(nèi)部任何局部穿通瀏覽?；趫D像引導的外科手術方案與導航系統(tǒng)可以提高手術的平安性和成功率；虛擬手術培訓系統(tǒng)給廣闊的未來醫(yī)生提供最具真實感的訓練時機。對提高人類整體醫(yī)療水平具有重要意義。29編輯ppt美國可視人方案意義〔4〕解剖信息資源共享作為高質量、高水平的根底醫(yī)學數(shù)據(jù)集，將人體解剖信息資源為全人類所共享。數(shù)據(jù)共享是當今國際科學界極為關注和提倡的。許多有實力的大學、研究所、醫(yī)院和公司紛紛融資協(xié)力打造多種領域數(shù)據(jù)庫，甚至是跨國的合作。顯然，VHP數(shù)據(jù)集是這方面成功的范例。30編輯ppt

虛擬人劃代表Generation第幾代Properties特征Example舉例1Geometricanatomy幾何解剖3-Dorganshapes三維器官形狀2Physicaldynamicsmodeling物理動態(tài)建模Kinematics,deformations運動學，形變3Physiologiccharacteristics生理特性Bleeding,leakingbile出血、膽汁滲透4Microscopicanatomy顯微解剖Neurovascular,glandular神經(jīng)血管、腺體5Biochemicalsystems生化系統(tǒng)Endocrine,immune,shock內(nèi)分泌、免疫、休克31編輯ppt

與美國可視人比較中國女虛擬人特點及創(chuàng)新點：1.立體包埋、立體加工，形狀保存好。2.血管灌注顯現(xiàn)細小血管〔0.46毫米〕3.年青女性4.分辨高、層厚0.2毫米5.片數(shù)多(8556片),均勻6.總數(shù)據(jù)量:149.7GB32編輯ppt大數(shù)據(jù)量多層片配準技術彩色醫(yī)學圖像分割技術人體大數(shù)據(jù)量重建并行算法計算機及醫(yī)學領域專家密切合作圖像三維重建軟件開發(fā)與研制

33編輯ppt

局部重建結果(1)上腔靜脈右心房右心室升主動脈左心室肝右靜脈下腔靜脈肝中靜脈膽囊葉間靜脈肝左靜脈肝氣管右主支氣管右肺左肺左主支氣管主動脈弓肺門34編輯ppt局部重建結果(2)35編輯ppt數(shù)字式人腦圖譜研究與應用36編輯ppt腦組織分割及解剖結構標識37編輯ppt8.3Talairach圖譜Talairach圖譜又稱Talairach-Tournoux圖譜，是指TalairachJ和TournouxP于1988年出版的一本書。這本書包含三個創(chuàng)新點：〔1〕一個腦坐標系統(tǒng)〔Talairach坐標系統(tǒng)〕，定義了一個原點和X，Y，Z平面。在他們的系統(tǒng)中，腦被第一次取向，一條連接前連合〔AC〕和后連合〔PC〕的線作為水平方向，AC作為原點〔X=0，Y=0，Z=0〕?！?〕一個空間變換〔Talairach變換〕，用逐個象限的線性變換匹配不同形狀和不同大小的腦?！?〕一個按其坐標系統(tǒng)取向的腦圖譜〔Talairach腦〕。38編輯pptTalairach腦是一個尸體標本，數(shù)據(jù)來自一個59歲的歐洲婦女。書中以彩色繪圖形式，通過對一個單個的正常人腦標本的一系列軸向的，冠狀的和矢狀的斷面標示出大腦結構。腦的標本尺寸為長172mm，高116mm，寬136mm。最初是沿著矢狀的斷面照相，冠狀和軸向的斷面是隨后從矢狀圖人工插值得出的。共有36個矢狀斷層〔左、右各18〕，從中央平面向左共61mm，向右62mm。這些層片是不等間距的，層面間隔從2mm到5mm。有27個軸向斷層，范圍從z=+65mm到z=-40mm。38個冠狀斷層〔從通過前連合的垂直線VCA開始，VCA前面65mm，VCA后面100mm〕。39編輯pptTalairach圖譜中的軸向圖之一40編輯ppt8.3.1Talairach坐標系統(tǒng)Talairach坐標嚴格來說不是一個坐標軸系統(tǒng)，而是一個規(guī)格化腦圖像的方法。例如，如果對10個人采集了MR腦圖像，每個人腦的大小和形狀會互不相同。Talairach描述了一種方法，取腦中一定的部位作為不變的界標，圍繞著這些界標來定位其余局部從而形成一個規(guī)格化的腦。如此規(guī)格化以后，當處理某些功能圖像〔例如，fMRI或PET〕，就可以在不同個體之間進行比較。腦功能成像時，其中某些結構可以較好地顯示出來，其他的神經(jīng)解剖學結構卻不能直接觀察，而僅能間接地通過它們與可見結構的空間關系來分析。41編輯ppt通過前、后連合的一條線〔AC-PC線〕與灰質中央核有確定的關系，與端腦有足夠精確的關系。這條線被大多數(shù)神經(jīng)解剖學家和立體定向神經(jīng)外科醫(yī)生所采納。AC-PC線定義了水平平面，通過前連合的垂直線VCA定義一個垂直前平面。這兩條線與中線一起，組成定位系統(tǒng)的參考軸。這個間接定位系統(tǒng)又稱做三維比例柵格系統(tǒng)。AC-PC，VCA和中線這3條參考線形成了三維比例柵格系統(tǒng)的根底。42編輯pptTalairach坐標示意圖43編輯ppt腦中各局部到這些平面的距離可以用毫米量度。因為不同個體的人腦寬度、長度、高度上的變化，這些測量值僅能用于同一個個體。由Talairach和Tournoux提出的三維比例柵格系統(tǒng)依照腦在三個空間平面上的最大尺度建立。這個系統(tǒng)適應于腦的所有方位，也很好地適應于所有方位的神經(jīng)放射學圖像。該系統(tǒng)使用了8個標準界標：AC，PC，頂骨皮層的最高點，顳皮層的最低點，額皮層的最前點，枕骨皮層的最后點，左半腦和右半腦頂顳皮層的最側點。44編輯ppt比例定位系統(tǒng)將從基線到這些界標之間的體積進行分割，并用毫米為單位標示出距離。總的體積按以下方式分割：用水平線分割：AC-PC線以上分8層，AC-PC以下分4層；用垂直線分：在VCA前面分4層，在VCP后面分4層。在兩個直立的通過前、后連合的平面之間的空間被分成3個條帶〔E1，E2，E3〕，這樣可以實現(xiàn)中央灰質核的精細定位，并且它一致性地定義了運動皮層的位置。按這個系統(tǒng)可以把大腦劃分成許多平行的長方體。在垂直方向