数字化虚拟胎儿全身动脉系统的构建方法

摘要

本发明涉及一种数字化虚拟胎儿全身动脉系统的构建方法。本发明以环氧树脂—氧化铁填充剂灌注胎儿全身动脉铸型标本为模板，采用64层螺旋CT扫描和CT自带EBW工作站进行图像处理和三维重建，建立21-36周胎儿全身动脉系统的三维数字化模型。本发明21-36周胎儿全身动脉系统的三维数字化模型可为临床应用和医学教学提供三维立体构筑的动脉虚拟模型，对帮助临床教学训练、改进与创新胎儿宫内手术方案、提高宫内手术技术水平与临床诊疗水平等具有重要应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及人体解剖学铸型技术及3D模型构建方法。

技术背景

    数字化虚拟人是指在解剖结构、物理特征、生理生化机能等方面系统建立起的一个交互式数字化人体模型。其目的在于从宏观到微观将人体结构和功能信息全面集成与三维可视化，构建起能够为计算机处理的模型。自1989年美国国立医学图书馆(NLM)正式启动Visible Human Project(VHP)以来，对数字化虚拟人的研究引起了世界范围的广泛关注和积极参与。我国也在2001年第174次香山科学会议后由国家863项目资助，正式启动了中国数字虚拟人的研究，之后由广州第一军医大学完成了对一女性标本的数据采集。

胎儿宫内手术学基于多年的动物和临床研究，已成为一门快速发展的学科。1981年美国加利福尼亚大学的Harrison医生成功地为一名尿路梗阻的胎儿实施膀胱造口术，这是世界上首例胎儿宫内手术，随后在动物身上进行了大量试验和评价。目前所应用的胎儿宫内手术方案以及胎儿畸形选择手术治疗的标准均来自大量的动物试验，多数手术以改善胎儿脏器机能为目的。国外已有从动物实验发展到人类胎儿手术成功的报道，如2000年奥地利医生阿茨特和图勒泽成功为一名还在母亲子宫内27周大的胎儿进行全球首例心脏手术，母子均告平安；2007年底,澳大利亚墨尔本市莫纳什医学中心的医生为胎儿进行了子宫内手术, 最终成功挽救22周胎儿双腿。国内胎儿宫内手术发展较晚，2011年5月佛山市妇幼保健院胎儿医学中心医疗组专家成功对孕期29周胎儿进行国内首例宫内手术。因此，开展胎儿宫内手术是显微外科未来的发展趋势，宫内手术最大的优点是能在最早期(出生前)给予可能的干预措施以取得最佳的预后，既可以良好地改善患儿的器官功能,又可以防止疾病的进一步发展，还可以达到胎儿的无瘢痕愈合效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字化虚拟胎儿全身动脉系统的构建方法，以 “环氧树脂—氧化铁”填充剂灌注胎儿全身动脉铸型标本为模板，采用64层螺旋CT扫描和CT自带EBW工作站进行图像处理和三维重建，建立21-36周胎儿全身动脉系统的三维数字化模型。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种数字化虚拟胎儿全身动脉系统的构建方法，其特征在于，以环氧树脂—氧化铁填充剂灌注胎儿全身动脉铸型标本为模板，采用64层螺旋CT扫描和CT自带EBW工作站进行图像处理和三维重建，建立21-36周胎儿全身动脉系统的三维数字化模型，所述环氧树脂—氧化铁填充剂配比：E-51型环氧树脂100ml，593环氧树脂固化剂50 ml，2,4,6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30）1ml，丙酮10～15ml，氧化铁130～150g。

本发明用于灌注21-28周胎儿全身动脉铸型标本，所述环氧树脂—氧化铁填充剂配比：E-51型环氧树脂30ml，593环氧树脂固化剂15 ml，2,4,6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30）0.3ml，丙酮3～4ml，氧化铁40～42g。

本发明用于灌注29-36周胎儿全身动脉铸型标本，所述环氧树脂—氧化铁填充剂配比：E-51型环氧树脂40ml，593环氧树脂固化剂20 ml，2,4,6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30）0.4ml，丙酮4～6ml，氧化铁50～60g。

本发明具体技术步骤如下：

1.胎儿标本选取与预处理

选取21-36周新鲜引产正常胎儿标本（死后6小时以内）若干件，在距脐部1.5cm处剪断脐带，并去掉胎盘，将标本平卧摆放。然后沿前正中线切开，打开胸腔和心包，找到主动脉根部，作一V型小口并向远心端插管，用502胶水粘固。最后用自来水管连接插管进行加压冲洗动脉管道，直到标本脐动脉端流出清水或标本四肢末端组织变白即止。

2.制作胎儿全身动脉铸型标本

2.1胎儿全身动脉铸型填充剂配方比例：E-51型环氧树脂100ml，593环氧树脂固化剂50 ml，2,4,6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30）1ml，丙酮10～15ml，氧化铁130～150g。

填充剂配制方法：常温下，用50ml规格塑料注射器分别抽取E-51型环氧树脂100ml（冬天粘度稍大，可适当加热至40～50℃）、593环氧树脂固化剂50 ml，2,4,6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30）1ml和丙酮10～15ml注入400ml烧杯中，然后再用电子称称量氧化铁130～150g加入烧杯中并充分搅拌均匀即可。

2.2胎儿标本灌注过程及腐蚀

用50ml规格塑料注射器抽取上述2.1搅拌均匀后的填充剂，以连续缓慢的方式注入胎儿标本主动脉中，同时观察标本头面部、手指及足趾末端的皮肤颜色变化，当能观察到填充剂的颜色时，即可停止灌注，灌注量为23～60ml。标本灌注好后静置水中18～24小时，待填充剂完全硬化后放入37%盐酸溶液中腐蚀，3～5天后对胎儿全身动脉铸型标本进行酌情修剪，最后封瓶保存。

3.CT扫描获取数据集

将上述2.2制作好的胎儿全身动脉铸型标本进行螺旋CT扫描，扫描机器型号：Philips Brillance 64排螺旋CT，扫描参数：电压120kv（千伏），电流180—250mAs（毫安秒），旋转时间0.75秒/圈，准直宽度64×0.625mm，重建层厚0.67mm，重建间隔-0.33mm，螺距1.014，FOV（视野）350mm，矩阵512×512，所获数据用DICOM格式保存，数据容量0.7—1.4GB。

原始图像经Philips EBW工作站（软件版本V4.5.340140）使用MPR（多平面重建）、MIP（最大密度投影）、CPR（曲面重建）、VR（容积重建）、SSD（表面遮盖）等CTA重建技术进行动脉的三维重建，包括以下几个方面：

3.1胎儿头面部动脉系统的三维重建：主要重建颈总动脉、颈外动脉、舌动脉、颞浅动脉、面动脉、上颌动脉、脑膜中动脉、颏动脉、枕动脉、椎动脉、基底动脉、颈内动脉、大脑前动脉、大脑中动脉、小脑后下动脉、小脑前下动脉、小脑上动脉、大脑后动脉、大脑动脉环、后交通动脉、前交通动脉等。

3.2胎儿胸部动脉系统的三维重建：主要重建升主动脉、主动脉弓、胸主动脉、头臂干、支气管动脉、肋间后动脉、肺动脉及其分支。

3.3胎儿腹部动脉系统的三维重建：主要重建腹主动脉、腹腔干、肝总动脉、脾动脉、胃十二指肠动脉、肝固有动脉、胃右动脉、胃左动脉、肝左动脉、肝右动脉、胆囊动脉、肾动脉、肾上腺动脉、肠系膜上动脉及其分支等。

3.4胎儿盆部动脉系统的三维重建：主要重建髂总动脉、髂内动脉、髂外动脉、膀胱上动脉、膀胱下动脉、脐动脉、睾丸动脉（男）、子宫动脉（女）、卵巢动脉（女）、阴道动脉（女）、阴部内动脉、直肠下动脉、髂腰动脉、骶正中动脉、骶外侧动脉、臀上动脉、臀下动脉、闭孔动脉等。

3.5胎儿上肢主要动脉的三维重建：主要重建锁骨下动脉、腋动脉、肱动脉、桡动脉、尺动脉以及骨间前动脉和骨间后动脉的分支，包括管径约0.5mm的指末节血管，能清晰显示以下重要结构：腕掌、背侧动脉（弓）网、掌浅弓、掌深弓、指固有动脉。

3.6胎儿下肢主要动脉的三维重建：主要重建股动脉、股深动脉、旋股外侧动脉、腘动脉、膝降动脉、胫前动脉、腓动脉、筋后动脉、足底内侧动脉、足底外侧动脉、足底动脉弓、足底深动脉、趾足底固有动脉、足背动脉、跖背动脉、趾背动脉等，并能清晰显示膝关节网、内踝网及外踝网等重要结构。

4.本发明的优点及应用

4.1本发明的优点：

4.1.1胎儿全身动脉系统的三维数字化模型是以采用“环氧树脂—氧化铁”填充剂灌注胎儿全身动脉铸型标本为模板，经过64层螺旋CT扫描和CT自带EBW工作站建立起数字化虚拟模型。

4.1.2胎儿全身动脉系统的三维数字化模型能够从不同角度观察动脉，清晰认识不同部位的动脉构筑、吻合及走行等，对于观察者了解某局部的供血特点具有无可比拟的优越性。

4.1.3胎儿全身动脉系统的三维数字化模型可以永久保存，根据需要随时调用。也可以制作成小电影或3D动画进行播放与展示。

4.1.4胎儿全身动脉系统的三维数字化模型可以为患者进行术前手术设计和手术模拟。

4.2本发明的应用：

本发明胎儿全身动脉系统的三维数字化模型为临床应用和医学教学提供三维立体构筑的动脉虚拟模型，对帮助临床教学训练、改进与创新胎儿宫内手术方案、提高宫内手术技术水平与临床诊疗水平等具有重要应用价值。

具体实施方式

实施例1 数字化虚拟21-28周胎儿全身动脉系统3D模型的构建

1.材料与方法

1.1胎儿标本选取与预处理

选取21-28周新鲜引产正常胎儿标本（死后6小时以内），在距脐部1.5cm处剪断脐带，并去掉胎盘，将标本平卧摆放。然后沿前正中线切开，打开胸腔和心包，找到主动脉根部，作一V型小口并向远心端插管，用502胶水粘固。最后用自来水管连接插管进行加压冲洗动脉管道，直到标本脐动脉端流出清水或标本四肢末端组织变白即止。

1.2制作21-28周胎儿全身动脉铸型标本

1.2.1  21-28周胎儿全身动脉铸型填充剂比例：E-51型环氧树脂30ml，593环氧树脂固化剂15 ml，2,4,6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30）0.3ml，丙酮3～4ml，氧化铁40～42g。

填充剂配制方法：常温下，用50ml规格塑料注射器分别抽取E-51型环氧树脂30ml（冬天粘度稍大，可适当加热至40～50℃）、593环氧树脂固化剂15 ml，2,4,6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30）0.3ml和丙酮3～4ml注入100ml烧杯中，然后再用电子称称量氧化铁40～42g加入烧杯中并充分搅拌均匀即可。

1.2.2  21-28周胎儿标本灌注及腐蚀

用50ml规格塑料注射器抽取上述2.1搅拌均匀后的填充剂注入标本主动脉中，同时观察标本头面部、手指及足趾末端的皮肤颜色变化，当能观察到填充剂的颜色时，即可停止灌注，灌注量约为23～45ml。标本灌注好后静置水中18～24小时，待填充剂完全硬化后放入37%盐酸溶液中腐蚀，3～5天后对胎儿全身动脉铸型标本进行酌情修剪，最后封瓶保存。

1.3 CT扫描获取数据集：

将制作好的21-28周胎儿全身动脉铸型标本进行CT扫描，扫描参数：电压120kv（千伏），电流180—250mAs（毫安秒），旋转时间0.75秒/圈，准直宽度64×0.625mm，重建层厚0.67mm，重建间隔-0.33mm，螺距1.014，FOV（视野）350mm，矩阵512×512，所获数据用DICOM格式保存，数据容量0.7-1.0GB。

1.4三维可视化

1.4.1工作平台

戴尔Precision T5500双路塔式工作站，Intel Xeon E5506处理器（2颗），16G ECC DDR3内存，nVIDIA Quadro NVS295显卡，500G硬盘，操作系统Windows XP Pro x64英文版。

1.4.2重建步骤

1.4.2.1导入文件

以自动导入的形式将获取的CT数据集导入飞利浦EBW（Extended Brilliance Workspace）V4.5.340140工作站，然后用CT Viewer（CT查看器）软件包载入，默认以Slab（层厚）查看模式打开，点击Volume（实体）即可以三维模式打开。

1.4.2.2重建仿真

所获取的CT数据集在CT Viewer软件包打开后进入Volume模式，软件自动确定合适的窗宽窗位并默认以VR实体着色RIB CAGE方案显示，点击左侧主面板的High Quality（高精度）按钮，图像以高质量模式显示，血管边缘将更平滑。主要利用Clip(剪裁)模块里手动造型工具Exclude Freehand把扫描床干扰影像切除即可显示完整的胎儿全身动脉系统影像，使用主面板的Swivel按钮可以360°全方位旋转图像。使用手动造型工具Exclude Freehand把感兴趣区域以外的动脉手动自由的切除，以达到单独显示某部位动脉网的目的，以同样方法自由切割可以单独显示某单支构成动脉。利用通用工具面板里面的测量、缩放、平移、旋转等工具，结合VR、MPR、MIP、CPR及SSD等重建技术，通过模型透视及多剖面呈现三维立体结构，能真实反映局部动脉间的复杂解剖关系，动脉管腔显示清晰逼真，能任意多角度旋转、缩放，并且可从各个角度测量相关数据。

1.4.2.3文件保存

将生成的文件保存为DICOM格式并刻录光盘，光盘自带有CT Viewer（CT查看器）简易版本，可以在普通的Windows计算机平台上打开，并可进行二维、三维查看，以及进行距离测量、管径测量、角度测量、CT值测量、多角度旋转等操作。

2. 21-28周胎儿全身动脉系统的三维重建结果

2.1胎儿头面部动脉系统的三维重建：主要重建颈总动脉、颈外动脉、舌动脉、颞浅动脉、面动脉、上颌动脉、脑膜中动脉、颏动脉、枕动脉、椎动脉、基底动脉、颈内动脉、大脑前动脉、大脑中动脉、小脑后下动脉、小脑前下动脉、小脑上动脉、大脑后动脉、大脑动脉环、后交通动脉、前交通动脉等。

2.2胎儿胸部动脉系统的三维重建：主要重建升主动脉、主动脉弓、胸主动脉、头臂干、支气管动脉、肋间后动脉、肺动脉及其分支。

2.3胎儿腹部动脉的系统三维重建：主要重建腹主动脉、腹腔干、肝总动脉、脾动脉、胃十二指肠动脉、肝固有动脉、胃右动脉、胃左动脉、肝左动脉、肝右动脉、胆囊动脉、肾动脉、肾上腺动脉、肠系膜上动脉及其分支等。

2.4胎儿盆部动脉系统的三维重建：主要重建髂总动脉、髂内动脉、髂外动脉、膀胱上动脉、膀胱下动脉、脐动脉、睾丸动脉（男）、子宫动脉（女）、卵巢动脉（女）、阴道动脉（女）、阴部内动脉、直肠下动脉、髂腰动脉、骶正中动脉、骶外侧动脉、臀上动脉、臀下动脉、闭孔动脉等。

2.5胎儿上肢主要动脉的三维重建：主要重建锁骨下动脉、腋动脉、肱动脉、桡动脉、尺动脉以及骨间前动脉和骨间后动脉的分支，包括管径约0.5mm的指末节血管，能清晰显示以下重要结构：腕掌、背侧动脉（弓）网、掌浅弓、掌深弓、指固有动脉。

2.6胎儿下肢主要动脉的三维重建：主要重建股动脉、股深动脉、旋股外侧动脉、腘动脉、膝降动脉、胫前动脉、腓动脉、筋后动脉、足底内侧动脉、足底外侧动脉、足底动脉弓、足底深动脉、趾足底固有动脉、足背动脉、跖背动脉、趾背动脉等，并能清晰显示膝关节网、内踝网及外踝网等重要结构。

实施例2数字化虚拟29-36周胎儿全身动脉系统的构建

1.材料与方法

1.1胎儿标本选取与预处理

选取29-36周新鲜引产正常胎儿标本（死后6小时以内），在距脐部1.5cm处剪断脐带，并去掉胎盘，将标本平卧摆放。然后沿前正中线切开，打开胸腔和心包，找到主动脉根部，作一V型小口并向远心端插管，用502胶水粘固。最后用自来水管连接插管进行加压冲洗动脉管道，直到标本脐动脉端流出清水或标本四肢末端组织变白即止。

1.2制作29-36周胎儿全身动脉铸型标本

1.2.1  29-36周胎儿全身动脉铸型填充剂比例：E-51型环氧树脂40ml，593环氧树脂固化剂20 ml，2,4,6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30）0.4ml，丙酮4～6ml，氧化铁50～60g。

填充剂配制方法：常温下，用50ml规格塑料注射器分别抽取E-51型环氧树脂40ml（冬天粘度稍大，可适当加热至40～50℃）、593环氧树脂固化剂20ml，2,4,6-三（二甲胺基甲基）苯酚（DMP-30）0.4ml和丙酮4～6ml注入100ml烧杯中，然后再用电子称称量氧化铁50～60g加入烧杯中并充分搅拌均匀即可。

1.2.2  29-36周胎儿标本灌注及腐蚀

用50ml规格塑料注射器抽取上述2.1搅拌均匀后的填充剂注入标本主动脉中，同时观察标本头面部、手指及足趾末端的皮肤颜色变化，当能观察到填充剂的颜色时，即可停止灌注，灌注量约为33～60ml。标本灌注好后静置水中18～24小时，待填充剂完全硬化后放入37%盐酸溶液中腐蚀，3～5天后对胎儿全身动脉铸型标本进行酌情修剪，最后封瓶保存。

1.3 CT扫描获取数据集

将制作好的29-36周胎儿全身动脉铸型标本进行CT扫描，扫描参数：电压120kv（千伏），电流180—250mAs（毫安秒），旋转时间0.75秒/圈，准直宽度64×0.625mm，重建层厚0.67mm，重建间隔-0.33mm，螺距1.014，FOV（视野）350mm，矩阵512×512，所获数据用DICOM格式保存，数据容量1.0-1.4GB。

1.4三维可视化

1.4.1工作平台

戴尔Precision T5500双路塔式工作站，Intel Xeon E5506处理器（2颗），16G ECC DDR3内存，nVIDIA Quadro NVS295显卡，500G硬盘，操作系统Windows XP Pro x64英文版。

1.4.2重建步骤

1.4.2.1导入文件

以自动导入的形式将获取的CT数据集导入飞利浦EBW（Extended Brilliance Workspace）V4.5.340140工作站，然后用CT Viewer（CT查看器）软件包载入，默认以Slab（层厚）查看模式打开，点击Volume（实体）即可以三维模式打开。

1.4.2.2重建仿真

所获取的CT数据集在CT Viewer软件包打开后进入Volume模式，软件自动确定合适的窗宽窗位并默认以VR实体着色RIB CAGE方案显示，点击左侧主面板的High Quality（高精度）按钮，图像以高质量模式显示，血管边缘将更平滑。主要利用Clip(剪裁)模块里手动造型工具Exclude Freehand把扫描床干扰影像切除即可显示完整的胎儿全身动脉系统影像，使用主面板的Swivel按钮可以360°全方位旋转图像。使用手动造型工具Exclude Freehand把感兴趣区域以外的动脉手动自由的切除，以达到单独显示某部位动脉网的目的，以同样方法自由切割可以单独显示某单支构成动脉。利用通用工具面板里面的测量、缩放、平移、旋转等工具，结合VR、MPR、MIP、CPR及SSD等重建技术，通过模型透视及多剖面呈现三维立体结构，能真实反映局部动脉间的复杂解剖关系，动脉管腔显示清晰逼真，能任意多角度旋转、缩放，并且可从各个角度测量相关数据。

1.4.2.3文件保存

将生成的文件保存为DICOM格式并刻录光盘，光盘自带有CT Viewer（CT查看器）简易版本，可以在普通的Windows计算机平台上打开，并可进行二维、三维查看，以及进行距离测量、管径测量、角度测量、CT值测量、多角度旋转等操作。

2. 29-36周胎儿全身动脉的三维重建结果

2.1胎儿头面部动脉系统的三维重建：主要重建颈总动脉、颈外动脉、舌动脉、颞浅动脉、面动脉、上颌动脉、脑膜中动脉、颏动脉、枕动脉、椎动脉、基底动脉、颈内动脉、大脑前动脉、大脑中动脉、小脑后下动脉、小脑前下动脉、小脑上动脉、大脑后动脉、大脑动脉环、后交通动脉、前交通动脉等。

2.2胎儿胸部动脉系统的三维重建：主要重建升主动脉、主动脉弓、胸主动脉、头臂干、支气管动脉、肋间后动脉、锁骨下动脉、肺动脉及其分支。

2.3胎儿腹部动脉的系统三维重建：主要重建腹主动脉、腹腔干、肝总动脉、脾动脉、胃十二指肠动脉、肝固有动脉、胃右动脉、胃左动脉、肝左动脉、肝右动脉、胆囊动脉、肾动脉、肾上腺动脉、肠系膜上动脉及其分支等。

2.4胎儿盆部动脉系统的三维重建：主要重建髂总动脉、髂内动脉、髂外动脉、膀胱上动脉、膀胱下动脉、脐动脉、睾丸动脉（男）、子宫动脉（女）、卵巢动脉（女）、阴道动脉（女）、阴部内动脉、直肠下动脉、髂腰动脉、骶正中动脉、骶外侧动脉、臀上动脉、臀下动脉、闭孔动脉等。

2.5胎儿上肢主要动脉的三维重建：主要重建锁骨下动脉、腋动脉、肱动脉、桡动脉、尺动脉以及骨间前动脉和骨间后动脉的分支，包括管径约0.5mm的指末节血管，能清晰显示以下重要结构：腕掌、背侧动脉（弓）网、掌浅弓、掌深弓、指固有动脉。

2.6胎儿下肢主要动脉的三维重建：主要重建股动脉、股深动脉、旋股外侧动脉、腘动脉、膝降动脉、胫前动脉、腓动脉、筋后动脉、足底内侧动脉、足底外侧动脉、足底动脉弓、足底深动脉、趾足底固有动脉、足背动脉、跖背动脉、趾背动脉等，并能清晰显示膝关节网、内踝网及外踝网等重要结构。

以上具体实施例1（21-28周）和实施例2（29-36周）胎儿全身各部位动脉系统的三维重建模型均清晰逼真显示不同部位的动脉构筑、吻合及走行等，能任意多角度旋转、缩放。通过模型透视及多剖面呈现三维立体结构，能真实反映不同胎龄段（21-36周）胎儿局部动脉间的复杂解剖关系，并且可从各个角度测量相关数据，对于观察者了解某局部的供血变化特点具有无可比拟的优越性。