付廷刚 韦磊 黄忠浩
[摘 要] 端脑皮质沟回在断层上的准确辨识对于脑皮质损伤的准确定位有重要的指导意义，而端脑沟回在断层上的辨识学习一直是影像断层解剖教学的难点。通过建立一种断层标本、MRI图像与端脑沟回三维整体图像相结合对比的应用程序，促进对端脑沟回断层的理解和学习，沟回断层数模的建立使端脑沟回解剖结构数字化、立体化、可视化，有助于提高端脑沟回的教学和学习效果。
[关 键 词] 端脑皮质;断层解剖;应用程序
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2022）33-0101-04
端脑皮质位于端脑表面，并在脑表面构成脑沟和脑回，依据脑沟的形态将端脑皮质分成5个叶，每个脑叶上的脑回都是管理人体某一功能的重要中枢，脑皮质的损伤导致人体某一功能的障碍，在影像断层上辨识脑皮质的沟回一直是教学的重点和难点。计算机技术、信息技术和医学人体三维重建技术的发展，使医学研究从平面走向立体，医学与信息技术、计算技术相结合，运用人体结构的数字化信息可以加速医学教育和医学研究的进程[1]。
本研究通过对端脑皮质表面沟回的三维可视化构建，并将脑沟回脑叶断层图像和三维端脑整体图像对比结合构建计算机数字模型，作为一种辅助教学和学习手段帮助脑沟回断层辨识以及脑皮质沟回定位的理解，也有助于影像断层思维的建立，促进了端脑沟回断层的教学和学习效果的提高。
一、端脑皮质沟回脑叶断层图像获取及选择
端脑皮质沟回脑叶的断层图像包括MRI影像图像和断层标本图片，主要通过对目标颅脑的切割断层并拍照和扫描获得。
1.颅脑标本断层图像采集，为确保断层切割标本制作的质量，在选择颅脑标本时应严格筛选，选择时仔细研究颅脑标本外观、形态、年龄等特征，并通过影像扫描确认无脑部疾病、畸形和其他异常等情况[2]。选取各项数据特别是通过扫描端脑的经线接近的健康颅脑标本4个（A、B、C、D分别进行横断层、矢状断层、冠状断层切割及三维扫描重建），对选定标本进行甲醛灌注固定3～5天，条件达到后，利用电动带锯对目标颅脑进行断层标本制作，D标本准备开颅取脑进行三维扫描。
将冷冻固定好的ABC三个颅脑标本进行锯切画线，A标本以眦耳线为基线，设定层厚为5 mm连续划线，B标本以正中矢线为基线，层厚设定为5 mm，向左右连续划线，C标本以过外耳门与下眶耳线垂直的垂线为基线向前向后连续划线，画好线的标本进行冷冻包埋固定，冷冻包埋成高30 cm宽20 cm长40 cm的方冰块。利用电动带锯依据锯切线对包埋好的标本进行连续锯切，据耗大约1 mm，获得颅脑部三方位断层标本（冠状位21个，水平位18个，矢状位21个），对锯切好标本进行后续清洗、修洁、抛光等处理，然后对三方位标本逐片摄片，选取端脑显示清楚的断层标本图像，横断层12个，冠状断层14个，矢状断层（右侧）9个。获取标本图像，输入计算机后对图像进行进一步处理。由于各种组织硬度的差异，标本表面可能出现划痕或组织块缺损，需通过图像处理软件进行后期修饰[3]。
2.影像MRI断层图像采集，招募MRI扫描志愿者，挑选健康成年25～45岁志愿者5位，利用Philips Achivea3.0TX双梯度超导磁共振扫描系统对目标人群颅脑扫描获取MRI图像，横断层扫描以眦耳线为基线，层厚为3 mm，每人获取MRI图像30幅，共150幅。矢状断层扫描以正中矢状面为基线，层厚3 mm，每人获取MRI图像32幅，共160幅。冠状断层以过外耳门垂直于Reid基线的垂线为基线，层厚设定在3 mm，获取图像32张，共160幅。将MRI影像图像从磁共振输出到PC机上，利用图像处理软件对获得的MRI图像进行处理，包括清晰度、色度、饱和度等的调整，使脑皮质沟回显示清晰。
将获得的三方位MRI图像与选定的端脑标本图像进行对比观察、挑选，重点确定中央沟、外侧沟、顶枕沟、外侧沟等主要脑沟的位置，因为脑沟是辨别脑回的重要标志，选择各方位与标本图像最接近的磁共振图像（横断层12个，冠状断层14个，矢状断层9个），对选定好MRI图像和断层标本图形利用Adobe Fireworks CS3进行调整画质、修洁、周边清理、背景处理等图像后处理，最后形成能输入建模平台建模的清晰断层图片。Fireworks是专门用于图形图像设计处理的一款编辑软件，这款图形处理软件可以制作鲜活的动画场面，也可以进行大图切割、翻转图动态控制等操作，而且效果非常显着[4]。
二、端脑皮质整体沟回的三维图像获取
端脑皮质整体图像通过三维扫描仪器对目标端脑表面进行全方位扫描获得，三维扫描仪主要应用于外形、轮廓等的成像，不能用于内部，不能直接观察外形结构的对象三维成像，端脑皮质沟回主要位于脑表面，通过三维扫描获得的图像更加真实、清楚，基于断层数据的重建图像在图像效果上与三维扫描标本后重建的图像比较，三维扫描图像更接近于标本结构的本身，图像比基于断层技术的重建图像更真实。三维人体扫描是应用光敏设备捕捉投射到人体脏器表面的光（激光、白光及红外线）在人体上形成的图像，然后利用软件程序解读出三维图像上的一些形态，并形成脏器的三维可视化的图像，并可以对图像进行观察和测量[5]。
D标本开颅取脑，取出脑后剔除脑表面的被膜及血管，经大脑纵裂将修好的脑标本纵行切开，从中脑水平将脑干和小脑去掉，暴露出端脑上外侧面、内侧面和下面的沟回。利用三维扫描仪对制作好的端脑标本进行以垂直轴、矢状轴和冠状轴为轴心的全方位的扫描，扫描过程中注意扫描探头的稳定和移动的平稳以保证图像的质量。三维扫描是利用物体表面特征信息数据进行实时拼接，采集足够范围时，当扫描到足够信息时扫描框内显示范围已足够，停止继续扫描，进行去除噪点、减少表面噪声、平滑数据等处理[6]，而后将获得端脑表面皮质三维点云数据通过扫描软件程序构建成封闭曲面模型，最后导入计算机进行端脑表面沟回的三维成像，而后形成端脑表面沟回的三维可视化、可旋转图像。
三、应用程序的设计及建立
数字模型也就是计算机应用程序，就是通过计算机可以识别的指令即计算机语言将人们的需求进行转化，形成一系列由计算机语言组成的计算机能够理解和执行的指令，从而实现相应功能的程序化[7]。依据实验目的及应用要求对拟建立的对比数模的界面及功能进行研究设计，我将数模建成五层内容并横品窗口界面，利用Microsoft Visual Studio（VS）程序开发平台将获得的端脑皮质沟回的各种图像资料数据依次输入平台进行建模，建立起端脑皮质沟回断层标本、MRI、三维整体图像对比的计算机应用程序。数据模型采用WinCC（Windows Control Center）组态软件组态监控界面，能够显示WinCC OPC服务器端标签数据值的变化，用WinCCTAG Simulator 为WinCC OPC 服务器提供数据[8，9]。
建立的数模为五层横品形窗口界面编排（图见文末）：一层为部位选择界面（图1），二层为方位选择界面（图2），三层为三窗口层面选择及对比断层结构辨识层面（图3），四层为三维图像与断层图像对比辨识层面（图4），五层为品字小窗口放大观察界面（图5、6、7）。从第三层开始后面的界面均为横品字三窗口操控界面（图2、3、4），三窗口界面为主控界面。
首层部位选择头部进入第二层，二层界面有三个选择（图2），分别对应横、矢、冠状方位，鼠标左键单击选择某一方位，界面跳转成第三层三窗口主界面（以冠状为例）。三层界面（图2）三个小窗口分别为层面选择界面（左边窗口）、标本图像界面（右边上窗）、MRI图像界面（右边下窗）。在层面选择区拖动基准线选择要观察的层面，用鼠标拖动基准线，标本和MRI随层面不同而变化，横断层上下移动，矢状层左右移动，冠状前后移动。左击鼠标选定层面以后，标本和MRI图像固定为第三层断层标本和MRI图像对比观察界面（图3）。双击断层标本或MRI图像界面跳转到第五层图像放大界面（图5、6），双击界面返回第三层。右键单击层面选择窗口界面大脑皮质任意部位跳转到四层断层平面和端脑皮质三维整体图像对比界面（图4），此时左边的窗口即转变为端脑皮质沟回三维整体图像，左键单击图像左侧向左旋转，点击右侧向右旋转，右键单击可以放大三维端脑图像（图7）。点击放大图片左侧向左旋转，点击图片右侧向右旋转。观察完毕后双击左键返回四层三窗口主控界面，重新选择图像。观察完毕后通过右键双击返回主控界面，从主控界面可以通过返回键返回到方位选择界面重新选择。
四、讨论
大脑皮质是端脑的一部分，属脑和整个神经系统发育较中后期出现的中枢神经系统最高级部位。大脑皮质发育过程复杂多变，经历分裂、分化、增殖、突触形成、沟回形成及髓鞘化等过程[10]。端脑由左右两个大脑半球借中间的胼胝体连接起来共同组成，每一侧的大脑半球分为三个面，即上外侧面、内侧面和下面。胚胎发育期由于脑皮质发育速度快，而颅骨发育速度慢且颅腔容积有限，导致脑皮质折叠形成脑沟和脑回。在端脑表面脑皮质有众多的脑沟和脑回，不同人的脑皮质沟回存在差别，甚至同一人两侧半球大脑皮质的沟回都不同，脑皮质表面有3条相对恒定的脑沟，即上外侧面上的中央沟和外侧沟、内侧面的顶枕沟，利用这三条相对恒定的脑沟将每侧的大脑半球分成5个叶，即额叶、顶叶、枕叶、颞叶、岛叶，另外，大脑内侧面和底面围绕胼胝体周围的脑回组成边缘叶。不同脑叶具有不同的功能，脑叶上的脑回是脑叶功能的基础。大脑两半球及各叶有着很复杂的发展和分化，两侧大脑半球也不完全一样，一般右利者以左侧为优势半球。端脑皮质的不同部位是管理人体某一部位某种功能的中枢，例如中央前回是躯体运动中枢，负责全身骨骼肌的随意运动，距状沟周围的皮质是视觉中枢，颞叶颞横回是听觉中枢等。
脑皮质疾病，如脑皮质的挫裂伤、皮质梗死、皮质肿瘤等导致脑皮质中枢功能障碍，不同的部位损伤产生不同的症状[11]。额叶外侧面运动区即中央前回损伤产生对侧躯肢瘫痪，如病变累及运动前区即额上中下回后部则瘫痪肢肌张力增高。运动前区病变产生对侧面部和肢体痉挛性肌张力增高，可伴有轻度瘫痪，强握、摸索、吸吮反射释放，可出现运动性失用。如左侧病变则产生双侧上肢的运动性失用。岛盖区病损产生运动性失语。双侧前额叶病损表现情感淡漠、记忆力减退。额叶内侧面额上回后部及叩带回前部受损时可产生大小便失禁。旁中央小叶病变产生对侧下肢瘫痪，以足部为重，膝关节以上肌力多不受损。额叶底面包括眶回、直回，主要为植物神经功能与精神功能。该区病变可产生饮食过量、胃肠道蠕动过度、血压和呼吸的改变。颞叶前端是颞极，外侧面有侧裂与上方的额叶分界明显，后上方及后方与顶叶及枕叶分界不明。颞上回形成岛盖的颞部，后部称为颞横回是听觉区，其外周是听觉冲动转变为听觉意象的感受性言语区。前庭功能皮质在听觉感受区的后方。颞中回尚有感知音乐的皮质，颞中回及颞下回后部与记忆有关。颞叶内侧面的钩回与海马回是嗅觉区。味觉皮质尚未确定。顶叶前界为中央沟，后界以顶枕沟及枕前切迹的连线与枕叶分界，下界以外侧裂后部达到顶枕线的连线与颞叶分界。顶叶分为中央后回、顶上回与顶下回。顶叶损伤中央后回与顶上回产生皮质性感觉障碍，顶下回损害产生失用、失算、失读、失写、体象障碍和视觉性空间定向障碍。枕叶损害主要表现为皮质性失明，偏盲、错觉与视幻觉及视觉失认等。单侧视区破坏性病变产生对侧相应的视野缺损，有同向偏盲或象限盲，两侧病变产生全盲或水平型上方或下方偏盲，皮质性偏盲不累及中央黄斑区（黄斑回避）和对光反应不消失。岛叶被额、顶、颞叶岛盖所覆盖，损伤导致内脏植物神经功能紊乱。边缘叶包括扣带回、穹窿回峡、海马回和海马沟。边缘系统由边缘叶和有关的皮质下结构所组成。边缘系统对内脏活动、植物神经有广泛的调节作用，对人的情绪行为也有很大影响。脑皮质的损伤严重威胁人们的健康，其辅助检查手段主要靠CT和MRI，影像断层上精确定位沟回的中枢部位，这对病变的治疗和预后尤为重要。如额叶上额中回在断层上的判定，一般情况下通过讲解断层标本图片上的位置形态和不同层面上的位置变化，讲解的是什么，为什么会这样变化往往需要个人的领悟及通过断层图像反推整体形态，而对于病变的精准定位对脑皮质沟回三维立体形态要求必要，这也是端脑皮质断层解剖困惑点。另外，成年人大脑沟回的变异较大，这给MRI断层图像中脑皮质沟、回的辨认增加了难度，在端脑沟回脑叶断层解剖教学和学生学习过程，该部位一直是有一个比较难理解的知识点，对比模型的建立，将端脑沟回整体图像与断层图像结合到一起，在一定程度上改变了脑皮质沟回脑叶的断层解剖教学以脑整体标本、模型及断层标本二维图像PPT讲解的形式，将可旋转三维立体脑皮质沟回图像结合到应用程序当中，讲解过程中，先有脑皮质整体讲解，然后进行皮质沟回讲解，对于同一沟回不同层面的连续变化特点可以返回三维脑皮质整体进行巩固，有利于学生对端脑皮质沟回的断层的学习和理解，标本断层后进行影像断层沟回的辨识，促进学生专业素养的形成，辅助模型的构建有助于脑皮质沟回脑叶断层解剖学的教学，是一种比较理想的辅助教学方式。利用信息技术实现端脑断层解剖结构的的数字化、可视化，促进学生影像断层思维的建立，另外，端脑对比数模的建立为断层解剖学的辅助教学手段开发提高教育教学学习效果提供了方法和经验。
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编辑 张 慧
