CN108182725A - 一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗教学模型的制作方法，具体为一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法，包括如下步骤：步骤1，预拍摄：标本拍摄CI与MRI图像；步骤2，包埋：标本以4％～6％明胶包埋；步骤3，冷冻：包埋后标本置入～28℃～32℃冰库中冰冻6～8天；步骤4，铣切与拍摄：步骤5，图像辨识与着色：步骤6，三维重建：本发明针对胎儿产前超声筛查要求检查者熟练掌握胎儿各组织脏器的解剖结构。但是，由于临床教学标本来源匮乏，检测者缺乏参与胎儿尸体解剖学习的机会，对其了解有限，为解决此类问题，提供一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法。

Description

一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法

技术领域

本发明涉及医疗教学模型的制作方法，具体为一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法。

背景技术

目前出生缺陷已成为婴儿死亡、儿童和成人残疾的主要原因之一。出生缺陷简称BD，我国是BD、残疾高发国家，每年有30万～40万名婴儿患有严重BD，严重影响我国出生人口素质，已逐渐成为我国的主要公共卫生问题之一。开展胎儿产前超声检查是产前监测、预知胎儿健康的重要组成部分，其对胎儿结构全面、系统评价的准确性有赖于超声医师切实掌握胎儿尸体解剖结构。

虽然大多数超声医师具有较好的超声医学基础和多年的超声诊断经验，但有关于胎儿心脏的标准化切面和解剖结构缺乏认识，对胎儿心脏超声检查的内容不明确而盲目的检查。而实际工作中很难有足够的实体标本供超声医师解剖学教学。而建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型是供超声医师学习和研究的有效手段。需要说明的是本研究在研究过程中采用的是心脏畸形胎儿父母选择终止妊娠引产后的胎儿尸体，研究已获家属捐献同意签字及新桥医院伦理委员会论证授权。

发明内容

本发明针对胎儿产前超声筛查要求检查者熟练掌握胎儿各组织脏器的解剖结构。但是，由于临床教学标本来源匮乏，检测者缺乏参与胎儿尸体解剖学习的机会，对其了解有限，为解决此类问题，提供一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法。

本发明提供基础方案是：1.种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法，包括如下步骤：步骤1，预拍摄：对标本进行CI与MRI成像；步骤2，包埋：对标本以浓度为4％～6％的明胶包埋；步骤3，冷冻：对包埋后标本置入-28℃～-32℃冰库中冰冻6～8天；步骤4，铣切与拍摄：在-23℃～-27℃低温实验室中用铣床从头至足的方向逐层铣切、逐层拍摄，铣切厚度为0.2～0.4mm，拍摄的图像为断面图像，断面图像的集合形成数据集，以铣切顺序为断面图像进行编号；步骤5，图像辨识与着色：借助步骤1中CI与MRI产生的图像对断面图像中心脏各腔室以及连通心的大血管的组织结构进行辨识以及图像分割，在断面图像上为不同的组织结构标识不同颜色；步骤6，三维重建：用标识有颜色的断面图像按编号顺序进行立体重组，形成三维立体的心脏模型。

名词解释：

包埋：生物标本经脱水后浸入包埋剂，并使之渗透进入标本本体的过程。以便于下一步的切片制作。

立体重组：将图像以边框重合的方式堆叠，然后在三维软件中进行立体重组形成三维立体模型。

步骤1中，预拍摄过程中，操作人员可以提前知晓标本体心脏的一些初步情况，为步骤4中铣切与拍摄以及步骤5中图像辨识与标识颜色提供参考依据，同时还可以进行最后对照验证。

步骤2中，包埋明胶后可增强标本的强度，为后续的步骤提供支持。

步骤3中，低温冷冻使标本体内的水分结冰，增加标本的结构强度便于后续铣切，避免铣切的过程中标本的组织结构变形。

步骤4中，CI扫描层厚0.625mm，MRI扫描厚度3mm；本方案中采用铣床，可以使铣切厚度在0.2mm，从而能够采集到更为清晰与明确的断面图像。在铣切的同时拍摄图像，并以铣切的顺序为拍摄的断面图像排序，由于采用铣切的方式处理标本，铣切的过程也就破坏了标本，所以在逐层铣切的同时需要对标本的断面进行拍摄。为断面图像编号是为后续的三维重组做准备。

步骤5中，借助步骤1中进行CI与MRI成像形成的图像，CI扫描层厚0.625mm，MRI扫描厚度3mm，而本方案的铣切厚度在0.2mm左右，本领域医学人员对照扫描层厚0.625mm的CI与3mm的MRI成型图像，能够辅助观察与标识断层的图像，能够更为清晰的分辨和分割图像中心脏的各个部分，并在识别的过程中为各个组织结构标识不同的颜色。便于后续的三维模型的成型，用不同颜色区分不同的组织结构也能使学习者能清楚知晓BD患儿的心脏组织结构及组织结构间的毗邻关系。

步骤6，完成对心脏的表示和着色后，在三维软件中对断面图像进行三维重组。

与现有技术相比，本方案的优点在于：本方案采集的数据集来自心脏复杂畸形胎儿标本的连续断面，无节段性数据缺损的薄层断层图像数据，图像清晰，色彩鲜明，层次感强，清晰明确地显示了组织结构及毗邻关系，由于是电子图像方便进行自行放大或缩小来观察组织结构，图像连续性强，可连续跟踪观察脏器结构，结合数字化三维立体胎儿心脏模型，可使学习者对组织脏器获得立体全面的认识。

方案二：为基础方案的优选，步骤5中，需要辨识的组织结构包括升主动脉、主动脉弓部、无名动脉、左颈总动脉、左锁骨下动脉、降主动脉、肺动脉及分支、动脉导管、上腔静脉、无名静脉、头臂静脉、下腔静脉、左心房、右心房、单心室心内膜面以及心外膜面。有益效果：具化需要进行图像分割的组织结构，上述具体的组织采用不同的颜色进行区分，使整个心脏的各个部分分割清晰，便于观察模型的使用者更为清晰的识别心脏的各个部分，进而更快的达到学习的目的。

方案三：为方案二的优选，在步骤4，铣切与拍摄中，依照步骤1预拍摄的情况，采用切割工具，选取胸部区域进行铣切与拍摄。有益效果：本方案重点是建立BD患儿心脏模型，所以选取胸部具有心脏的部分进行铣切能够更加高效。

方案四：为方案三的优选，步骤2中，明胶为绿色。有益效果：在步骤5时，现有的图像处理技术能够过滤或者处理断面图像中绿色的明胶，避免明胶对于标本组织结构的识别工作产生干扰。

方案五：为方案四的优选，步骤2，包埋：标本以浓度为5％的明胶包埋。有益效果：采用浓度为5％的明胶包埋后，样本的心脏部分因机械铣切而导致的肌原纤维间产生距离增大和结构松散的问题减少。

方案六：为方案五的优选，步骤4，铣切与拍摄的过程：在-25℃的环境中进行。有益效果：铣切在低温中进行，使样本始终在低温中保持稳定，保证样本在铣切过程中的强度。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法，包括如下步骤：

步骤1，预拍摄：对标本进行CI(电子计算机断层扫描)与MRI(磁共振成像)成像；

步骤2，包埋：标本以浓度为5％的绿色明胶包埋；将标本和明胶投入一个方形可拆卸容器中；

步骤3，冷冻：包埋后标本置入-30℃冰库中冰冻7天，最后形成方形的冰块，形成方形冰块后更便于夹具稳定的夹持。使标本在后续铣切的过程中能被稳定的夹持，进而使拍摄的断面图像不会发生偏移，最后三维重组的图像更为清晰；

步骤4，铣切与拍摄：在－25℃低温实验室中用铣床从头至足的方向逐层铣切、逐层拍摄，铣切厚度为0.2mm，拍摄的图像为断面图像，断面图像的集合形成数据集，以铣切顺序为断面图像进行编号；铣床采用TK－6350型数控铣床。因为本方案在铣切的过程中会拍摄高清的图像，碎屑会影响拍摄精度。所以在铣床的铣刀的刀头上方加装一个负压吸气泵，泵的动力轴由铣刀带动，负压吸气泵吸收铣切过程中产生的碎屑，负压吸气泵的进气组件中设有过滤件，将碎屑过滤，吸入的气体经过加压后连通有涡流管的进气管。涡流管具有进气管与热气出气管与冷气出气管，冷气出气管也位于铣刀的侧面，冷气出气管向标本喷射低温气体，因为铣刀在铣切的过程中，会与标本发生摩擦，摩擦产生热量后会影响标本的强度，在后续的铣切过程中，强度不足的标本件的肌原纤维间距离增大、结构松散，拍摄的图像中的标本肯定也发生偏差，最终使三维重组后的模型变形。因此为了避免因铣切过程中摩擦产生热量破坏标本强度的问题，本方案中借助涡流管产生的冷气喷向标本，使标本保持低温，避免铣切过程中标本变形的情况。

步骤5，图像辨识与着色：借助步骤1拍摄CI与MRI图像，CI扫描层厚0.625mm，MRI扫描厚度3mm；对断面图像中心脏各腔室以及连通心的大血管的组织结构进行辨识以及图像分割，需要辨识和分割的组织结构包括升主动脉、主动脉弓部、无名动脉、左颈总动脉、左锁骨下动脉、降主动脉、肺动脉及分支、动脉导管、上腔静脉、无名静脉、头臂静脉、下腔静脉、左心房、右心房、单心室心内膜面以及心外膜面。在断面图像上为不同的组织结构标识不同颜色；

步骤6，三维重建：将标识有颜色的断面图像按编号顺序进行堆叠完成立体重组，形成三维立体的心脏模型。目前用于数字化三维重建的软件种类繁多，常见的图像处理软件和建模软件包括Photoshop、马雅人或3DSMax重建软件。本方案中选用由澳大利亚VisageImaging公司出品的Amira软件，该软件可对数据进行可视化处理并操纵控制，能够完成CT、MRI、PET、SPECT、超声、光学和电子显微镜图像数据的表面建模及各种物理测量和模拟，同时可以识别生命科学和生物医学数据的来源类型。运用Amira软件对导入断面图像的灰度图像叠加数字化三维重建，完成面绘制重建与体绘制重建，可将数字化三维立体胎儿心脏模型在三维空间中任意进行多角度旋转、平移、缩放、切割，单组或多组显示心脏结构。

Claims (7)

1.一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法，其特征在于：

包括如下步骤：

步骤1，预拍摄：对标本进行CI与MRI成像；

步骤2，包埋：对标本以浓度为4％～6％的明胶包埋；

步骤3，冷冻：对包埋后标本置入-28℃～-32℃冰库中冰冻6～8天；

步骤4，铣切与拍摄：在－23℃～-27℃低温实验室中用铣床从头至足的方向逐层铣切、逐层拍摄，铣切厚度为0.2～0.4mm，拍摄的图像为断面图像，断面图像的集合形成数据集，以铣切顺序为断面图像进行编号；

步骤5，图像辨识与着色：借助步骤1中CI与MRI产生的图像对断面图像中心脏各腔室以及连通心的大血管的组织结构进行辨识以及图像分割，在断面图像上为不同的组织结构标识不同颜色；

步骤6，三维重建：用标识有颜色的断面图像按编号顺序进行立体重组，形成三维立体的心脏模型。

2.根据权利要求1所述的一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法，其特征在于：步骤5中，需要辨识的组织结构包括升主动脉、主动脉弓部、无名动脉、左颈总动脉、左锁骨下动脉、降主动脉、肺动脉及分支、动脉导管、上腔静脉、无名静脉、头臂静脉、下腔静脉、左心房、右心房、单心室心内膜面以及心外膜面。

3.根据权利要求2所述的一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法，其特征在于：在步骤4，铣切与拍摄中，依照步骤1预拍摄的情况，选取胸部区域进行铣切与拍摄。

4.根据权利要求3所述的一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法，其特征在于：步骤2中，明胶为绿色。

5.根据权利要求4所述的一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法，其特征在于：步骤2，包埋：标本以浓度为5％的明胶包埋。

6.根据权利要求5所述的一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法，其特征在于：步骤4，铣切与拍摄的过程：在-25℃的环境中进行。

7.根据权利要求6所述的一种建立数字化单心室胎儿心脏结构教学模型的方法，其特征在于：步骤4，铣切厚度为0.2mm。