基于二维与三维相结合的《人体解剖学》学习平台的构建与应用

《人体解剖学》是一门实践性很强的学科.在传统的教学中,二维的解剖学图谱、模型及标本构成了解剖学教学的基础,但解剖学图谱是对人体器官三维结构的二维表达,制约着学习者对解剖学的学习和理解,其最大的缺陷在于难以对某个器官或结构在人体空间中的准确定位[1].利用现代计算机技术进行虚拟实验室的构建,是近几年来国内外研究的一个热点.《人体解剖学》虚拟实验室以其独特的立体性、生动性、交互性等优势为解剖学教学开辟了广阔的空间[2].构建基于平面图像与三维模型相结合的《人体解剖学》学习平台,就是将文字叙述、图谱图片和虚拟三维模型三者有机结合,构建适应学习者自主学习的环境,推进教育教学现代化.     

数字化虚拟仿真在局部解剖学教学中的应用

正局部解剖学传统教学采用理论讲授、尸体解剖操作相结合的方法,再以教科书、图谱、模型等作为辅助,在一定时期满足了教学的需要。但随着数字医学技术的发展,三维可视化系统可将CT、MRI二维图像转化为三维可视化图像并应用于临床外科疾病的诊治[1]。这种传统教学法凸显其不足:教科书和图谱是二维模式图,而人体解剖需要三维空间想象力来加深对解剖     

应用逆向工程技术测量人膝关节内外侧间室间隙和体积

背景：膝关节是人体骨骼中形态及结构最为复杂的部分,临床上常使用X射线片反映膝关节间隙狭窄程度。但X射线片是将三维的关节结构进行二维投射,因此关节拍摄定位的不同会影响测量结果,很难保证重复测量的准确性。 目的：建立膝关节间隙三维模型并测量其距离和体积,为后续的模型、生物力学及相关临床研究提供基础。 方法：基于逆向工程原理,采用膝关节CT断层图像,使用Mimics进行膝关节和内侧间室三维结构重建,最后导入Geomagic Studio对模型进行光滑处理并计算膝关节内、外侧间室体积。 结果与结论：利用膝关节CT断层图像分别重建出膝关节三维模型的骨性结构如股骨、胫骨、腓骨,并成功构建出膝关节间隙模型。构建的膝关节三维模型和间隙模型可以任意角度或单独观察,并可以进行体视学测量。发现膝关节内外侧间隙虽然距离有差异,但体积接近,说明通过计算膝关节内、外间室的体积,可以全面的反映膝关节间隙的狭窄程度。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

利用数字中国人数据集辅助断层解剖学教学

为使数字中国人数据集能够用于断层解剖学教学。采用数据集转换、编辑出版中国数字人男性图谱和女性图谱及构建三维模型用于断层解剖学教学。获得了适宜断层解剖学教学使用的男性和女性数据集,出版了《中国数字人女性彩色图谱》和《中国数字人男性彩色图谱》,并构建立大量组织器官的三维模型。因此,丰富了断层解剖学教学资源和手段。     

数字化颅颌面骨三维解剖图谱的建立

目的:研究和建立数字化颅颌面骨三维解剖图谱.方法:使用自主研发的医学图像处理和三维建模系统生成颅颌面诸骨的精确三维模型,然后采用 Visual Studio 2008开发三维解剖图谱系统,设计强大而灵活的界面布局和操作控制,充分发挥数字化图谱的虚拟可视化功能.结果:成功研制了数字化颅颌面骨三维解剖图谱系统 Dacas,人机交互式界面方便灵活,可以任意选取感兴趣区放大、旋转观察,对各个组成部分的名称、解剖标志、及其上、下级层次结构深入了解,具有逼真的三维显像和方便的教学学习功能.结论:数字化颅颌面骨组织三维解剖图谱是一种强有力的新型解剖工具,在口腔、颌面等多个学科均有很好的推广应用前景.     

体外构建三维肝肿瘤模型及药物筛选

背景：体外构建三维肿瘤模型替代现有二维平面肿瘤细胞模型用于药物筛选是肿瘤药筛技术发展的必然趋势。 目的：体外构建三维肝肿瘤模型体系,并用于抗肿瘤药物的敏感性研究。 方法：以人肝癌细胞HepG2作为模型细胞,以壳聚糖/胶原混合材料制备水凝胶支架,体外构建肝(肿瘤)细胞的三维培养体系,表征三维肝(肿瘤)细胞聚集体的形态、生长、细胞骨架分布等,并以二维平面培养的肝肿瘤细胞为对照,研究三维肝肿瘤模型对临床常用的化疗药物的敏感性。 结果与结论：①肝细胞在壳聚糖/胶原水凝胶支架中培养10 d后形成三维的聚集细胞团。②肝细胞在水凝胶支架中生长速度略慢于二维平面培养,但在三维体系下肝细胞能长时间保持细胞活性。③在水凝胶支架中肝细胞三维生长后,纤维蛋白骨架发生重排,结构与在体肝组织更接近。④在水凝胶支架中的三维肝肿瘤细胞模型对化疗药物的敏感性降低。由此可见,在壳聚糖/胶原水凝胶支架中形成的三维肝(肿瘤)模型,其细胞骨架结构更接近体内肝组织,因此可用于体外药筛模型研究。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植;肝移植;移植;心脏移植;组织移植;皮肤移植;皮瓣移植;血管移植;器官移植;组织工程全文链接：     

股骨颈骨折空心钉内固定数字化模板的建立

背景：按照骨折治疗的AO原则,目前治疗股骨颈骨折的趋势是尽早切开关节囊,清除血肿,解剖复位,加强内固定,不必缝合关节囊,可降低股骨头缺血性坏死的发生率。股骨颈骨折空心钉的安放位置是维持稳定构型的关键,但置钉准确性受个体差异,置钉定位影像设备二维性及术者经验等主观因素影响较大,临床上急需一种实用性强花费较小且易于推广使用的辅助置钉方法。 目的：构建骨颈骨折中空加压螺钉立体模型,通过3D生物打印技术精确建立导航模板并验证。 方法：18例志愿者知情同意后,连续螺旋CT进行双侧股骨上端加密扫描。将Dicom数据导入Amira3.1(TGS)软件,三维重建骨折模型,导入Image- ware12.1软件,数字化设计最佳穿刺通道,三维重建股骨颈螺钉三维立体模型。提取解剖学形态,建立反向模板,3D生物打印实物模板,进行手术模拟验证。 结果与结论：成功地建立了股骨颈三维模型及空心钉内固定模型,设计出了数字通道及螺钉最佳穿刺途径,制作出导航模板。模拟手术中置钉位置全部在最佳钉位。生成的三维模型与导航模板体外贴附良好,成功穿刺后断层证明穿刺通道位置较准确。提示成功构建了数字仿真股骨颈骨折内固定三维模型,逆向工程及3D生物打印导航模板技术能够提高手术操作精确性,为临床提供理论依据和技术支持。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

基于逆向工程和快速成型技术的髋骨三维实体模型个性化重建

背景：髋骨解剖结构复杂,传统的X射线片及CT扫描等二维影像检查易受到影像重叠、软组织等的干扰,在髋骨的诊断中具有一定的局限性。通过基于逆向工程技术的数字化建模能全面、直观、精确地显示髋骨立体形态和各部位解剖结构的空间关系,在骨骼研究中有着广阔的应用前景。 目的：利用计算机辅助技术重建个性化的髋骨三维实体模型。 方法：使用手持式三维激光扫描仪对人体髋骨表面进行扫描,得到大量点云数据,综合使用工程软件Geomagic和计算机辅助软件CimatronE对点云进行处理并实现三维模型重建,使用快速成型机完成髋骨的3D打印,得到几何形状一致的髋骨实体模型。 结果与结论：通过基于逆向工程和快速成型技术的数字化建模方法,可得到具有良好几何相似性及生物力学特性的髋骨三维实体模型,可为人工仿生髋骨的数字化制造、虚拟装配、应力分析及模拟手术等提供精确的模型基础。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

基于MRI建立膝关节前交叉韧带三维数字化模型

背景：近年来有关膝关节前交叉韧带三维数字化模型的研究在国外发展迅速,但在国内,未见对包括全膝关节及前交叉韧带在内的三维数字化模型进行基础解剖研究的报道。 目的：评估运用MRI二维图像及MIMICS软件建立膝关节及前交叉韧带三维数字化模型的真实性及可靠性。 方法：选择20例新鲜成人尸体正常膝关节标本,利用MRI对标本进行二维扫描,获得层厚为1.0 mm的连续图像资料,将该资料以DICOM格式导入计算机并利用MIMICS软件进行三维重建,建立包括股骨远端、胫骨近端、前交叉韧带、半月板、髌骨及腓骨等在内的双膝关节三维实体数字化模型,利用测量软件测量相关指标;同时对尸体标本进行解剖并测量膝关节前交叉韧带的相关参数,与模型所测指标行配对比较。 结果与结论：尸体标本测量数据与三维实体数字化模型测量数据的结果差异均无显著性意义(P > 0.05)。提示利用MRI采集获得的人体膝关节及前叉韧带图像数据可以建立较为真实可靠的膝关节及前交叉韧带三维实体数字化模型。     

三维可视化系统对髋关节骨性结构的评价

背景：目前通过二维断层图像信息来判断病变组织的具体性状其难度仍然较大,而运用医学三维重建技术,将能够显著改善医务工作者对相关疾病诊断的工作效率和准确率。 目的：开发一套医学三维可视系统,能够通过读取髋关节DICOM数据重建相应部位三维模型,并通过重建模型直观观察病变髋关节的形态。 方法：使用个人电脑在WindowsXP操作系统,开发环境为VC++6.0,安装VTK 5.6并进行必要设置,使用MFC开发一套医学三维可视化系统,具体步骤如下：①创建一个绘制对象。②创建一个绘制窗,将绘制对象加入绘制窗口。③读取CT图像序列,设置读取图像序列的路径。④使用MC算法抽取等值面(生成三角面片),根据灰度的不同,分别从切片数据中提取出皮肤和骨骼。设置输入图像序列数据;设置抽取的组织轮廓线灰度值。⑤建立三角带对象和数据映射对象。⑥实现图形的绘制,接收几何数据的属性,并分别对骨骼和皮肤设置不同的颜色和透明度。⑦设置视角位置,观察对象位置和焦点。⑧创建人机交互功能。 结果与结论：使用VC++6.0及VTK可以满足医学三维可视系统开发的需求,开发的三维可视系统软件能通过对髋关节DICOM格式的CT图像序列进行三维重建,重建的髋关节三维模型可以使用旋转、缩放、平移来直观的观察髋关节的骨性结构,骨折形态及类型,对相关治疗及手术有一定参考作用。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

基于数据库的交互式人体解剖三维图谱系统

目的:基于虚拟中国人男性一号三维结构模型数据库,采用Browser/Server结构,构建交互式多用户人体解剖三维图谱系统,发布和共享三维模型数据。方法:根据用户交互表单,系统从数据库获取模型信息,以虚拟中国人模型数据为材料,在服务器端动态组合,生成需要的VRML人体模型,并在客户端浏览器中交互显示;以MeSH为基础,按照人体生理结构的命名体系和层次,建立模型数据库,并以XML的形式发布。结果:实现了三维模型在线交互式浏览,直观地发布结构数据;构建了数据中间层,实现标准化的数据共享和扩展。结论:图谱系统提供了直观的数据可视化,构建了符合MeSH标准的模型数据体系,为人体解剖结构的学习和研究带来了方便,为远程解剖教学提供了重要平台。     

Internet-based atlas of the primate spinal cord

In 2009, we reported an online brain atlas of the common marmoset (Callithrix jacchus) at http://marmoset-brain.org:2008. Here we report new digital images of the primate spinal cord sections added to the website. We prepared histological sections of every segment of the spinal cord of the common marmoset, rhesus monkey and Japanese monkey with various staining techniques. The sections were scanned with Carl Zeiss MIRAX SCAN at light microscopic resolution. Obtained digital data were processed and converted into multi-resolutionary images with Adobe Photoshop and Zoomify Design. These images of the primate spinal cords are now available on the web via the Internet.     

虚拟数字脑软件平台的研究与开发

目的:为脑科学和类脑人工智能提供一个软件研究平台。方法:首先,基于预处理后的静息态功能磁共振数据和因果连接法构建因果连接网,利用最小均方误差算法获得节点神经活动预测模型中的回归系数。然后,基于因果连接网和预测模型构建虚拟数字脑。最后,在VC++12.0开发环境下,利用C/C++编程语言开发出能实现虚拟数字脑各项功能的软件包。结果:同欧洲的虚拟大脑软件平台相比,该软件包操作简单,可用于脑科学和类脑人工智能的研究。结论:初步的实践结果证明了该软件在脑科学研究中的有效性和实际应用价值。     

A multimodal, multidimensional atlas of the C57BL/6J mouse brain

Strains of mice, through breeding or the disruption of normal genetic pathways, are widely used to model human diseases. Atlases are an invaluable aid in understanding the impact of such manipulations by providing a standard for comparison. We have developed a digital atlas of the adult C57BL/6J mouse brain as a comprehensive framework for storing and accessing the myriad types of information about the mouse brain. Our implementation was constructed using several different imaging techniques: magnetic resonance microscopy, blockface imaging, classical histology and immunohistochemistry. Along with raw and annotated images, it contains database management systems and a set of tools for comparing information from different techniques. The framework allows facile correlation of results from different animals, investigators or laboratories by establishing a canonical representation of the mouse brain and providing the tools for the insertion of independent data into the same space as the atlas. This tool will aid in managing the increasingly complex and voluminous amounts of information about the mammalian brain. It provides a framework that encompasses genetic information in the context of anatomical imaging and holds tremendous promise for producing new insights into the relationship between genotype and phenotype. We describe a suite of tools that enables the independent entry of other types of data, facile retrieval of information and straightforward display of images. Thus, the atlas becomes a framework for managing complex genetic and epigenetic information about the mouse brain. The atlas and associated tools may be accessed at http://www.loni.ucla.edu/MAP.     

一种基于纹理的颅脑CT图像病变检出算法

以颅脑CT图像为研究对象用基于纹理的数字化统计图谱方法进行了病变自动化检出的研究,提出并创建基于纹理的数字化统计图谱——纹理层析图谱。通过比较待诊断颅脑CT图像与纹理层析图谱间的差异,实现颅脑CT图像中多种病变的计算机自动化检出。实验结果表明,在不知道病变种类的前提下,基于纹理层析图谱的病变检出算法可以实现颅脑CT图像所含病变的自动化检出。利用图像的纹理信息变化是实现颅脑CT图像病变检出的一个有效途径。     

Stereo Navi 2.0: Software for stereotaxic surgery of the common marmoset (Callithrix jacchus)

Recently, we reported our web-accessible digital brain atlas of the common marmoset (Callithrix jacchus) at http://marmoset-brain.org:2008. Using digital images obtained during construction of this website, we developed stand-alone software for navigation of electrodes or injection needles for stereotaxic electrophysiological or anatomical experiments in vivo. This software enables us to draw lines on exchangeable section images, measure the length and angle of lines, superimpose a stereotaxic reference grid on the image, and send the image to the system clipboard. The software, Stereo Navi 2.0, is freely available at our brain atlas website.     

网络环境下人体器官的三维重建及变形仿真

背景：利用何种模型何种算法对不同器官组织进行变形仿真,既可保证逼真性又可兼顾实时性,目前的设计都是在单机系统上实现。 目的：为了实现基于网络的人体器官的变形仿真及交互,设计以人体器官肾脏为例,利用CT图像,在VRML平台上实现器官模型的三维重建。 方法：利用质点弹簧模型建立肾脏的物理模型,实现变形计算。最后通过VRML外部编程接口EAI和Java-Applet进行通信,实现器官模型在任意位置、任意外力作用下的变形模拟。 结果与结论：在CT图像的基础上实现了人体器官肾脏的三维重建,并利用质点弹簧模型实现了人体器官肾脏的变形模拟。借助于JAVA和VRML的结合,实现了网络环境下肾脏的变形仿真,用户只需在网页界面中输入作用力的大小和作用位置点的序列,即可得到肾脏变形情况的场景。研究虽仅以简单的拉伸和挤压变形为例,其他变形亦可通过类似的方法实现。实验为人体器官的变形和虚拟手术系统的网络交互功能的实现提供了一种思路。     

结合脑图谱和水平集的MR图像分割的研究

本文利用脑图谱的先验知识并结合水平集等算法实现对脑MR图像的初步分割。主要步骤：（1）选取数字脑图谱，对图谱进行预处理；（2）实现图谱与脑MR图像的配准；（3）利用图谱提供的轮廓信息对水平集算法进行初始化，完成颅骨和脑脊液的提取以及脑白质和脑灰质的分割。实验结果表明，利用脑图谱提供的信息可有效解决水平集算法初始化问题，缩小求解空间，减少迭代次数，该方法具有较好的鲁棒性。     

The HUDSEN Atlas: a three-dimensional (3D) spatial framework for studying gene expression in the developing human brain

We are developing a three-dimensional (3D) atlas of the human embryonic brain using anatomical landmarks and gene expression data to define major subdivisions through 12 stages of development [Carnegie Stages (CS) 12-23; approximately 26-56 days post conception (dpc)]. Virtual 3D anatomical models are generated from intact specimens using optical projection tomography (OPT). Using MAPAINT software, selected gene expression data, gathered using standard methods of in situ hybridization and immunohistochemistry, are mapped to a representative 3D model for each chosen Carnegie stage. In these models, anatomical domains, defined on the basis of morphological landmarks and comparative knowledge of expression patterns in vertebrates, are linked to a developmental neuroanatomic ontology. Human gene expression patterns for genes with characteristic expression in different vertebrates (e.g. PAX6, GAD65 and OLIG2) are being used to confirm and/or refine the human anatomical domain boundaries. We have also developed interpolation software that digitally generates a full domain from partial data. Currently, the 3D models and a preliminary set of anatomical domains and ontology are available on the atlas pages along with gene expression data from approximately 100 genes in the HUDSEN Human Spatial Gene Expression Database (http://www.hudsen.org). The aim is that full 3D data will be generated from expression data used to define a more detailed set of anatomical domains linked to a more advanced anatomy ontology and all of these will be available online, contributing to the long-term goal of the atlas, which is to help maximize the effective use and dissemination of data wherever it is generated.     

Urocortin 1-containing neurons in the human Edinger-Westphal nucleus

The topographical location of neurons containing urocortin 1, a peptide related to corticotropin-releasing factor was investigated in human postmortem brain by immunohistochemistry, and compared with the location of neurons containing choline acetyltransferase, a marker for cholinergic cells. A three-dimensional computer reconstruction of the urocortin 1 and choline acetyltransferase-positive population of neurons within the oculomotor area was made. It was shown that the urocortin 1-positive neurons are located within the area identified as the Edinger-Westphal nucleus according to the human brain stem atlas, and that the neurons identified as Edinger-Westphal nucleus in the atlas are not choline acetyltransferase-positive. This finding agrees with recent animal studies showing that urocortin 1-positive neurons are not identical with the parasympathetic cholinergic neurons projecting to the ciliary ganglion. They indicate that the neurons identified as Edinger-Westphal nucleus in the human brain stem atlas belong to the non-preganglionic Edinger-Westphal nucleus, whereas the location of preganglionic Edinger-Westphal nucleus remains unidentified.