成像模型（精选八篇）
成像模型 篇1
1 Monte Carlo方法
Monte Carlo方法 (MC) 是在传统的方法基础上, 运用较多的随机数据来模拟某一个物理过程, 并且将这一物理过程出现的规律统计下来, 经过长时间的实践, MC方法已经逐渐成为了模拟生物组织内管子传输中较为常用的方法之一, 因其模拟的结果准确性是有目共睹的, 而且也得到了多方面的验证, 证明其是经得起考验的。
2 算法描述
2.1 MC方法
在体生物光学成像中我们主要研究的是光子在生物组织中的产生问题和传输问题, 光子在生物组织中的传输主要描述的是光子与生物组织之间的相互作用, 再有就是光子在生物组织中所发生的一系列光学反映, 像光的反射、光的散射等等, 而本文主要是利用MC方法来实现在体生物光学成像中的光子传输模型, 并给出实验的结果, 最后对这一实验结果进行相应的验证。本文提到的MC方法就是一种随机的统计方法, 还有一种就是确定性方法, 这一方法在本文没有涉及到, 像有限元法就属于确定性方法的一种, 除了有限元法, 还有一种就是有限差分法, 这一方法是较早应用在传输模型的一种方法, 这一方法之所以最早被运用, 主要是因为这一方法算法相对比价简单, 但是这一方法也是存在一定缺陷的, 比如说这一方法在处理那些不是特别规则的几何形状时就会非常困难, 在这一方法遇到瓶颈的时候, 有限元方法出现了, 有限元方法能够有效的处理复杂的几何形状问题, 而且其计算的速度也是非常快的, 所以有限元方法近几年受到了较为广泛的应用, 而本文所提到的MC方法则是在计算机的随机数模拟方法的基础上出现的, MC方法可以通过对大量光子进行统计计算, 而且能够求解出任意一个区域的物理信息, MC方法也不是全才, 它也有其优缺点, 优点就是它可以准确的处理非常复杂的集合形状, 但是相应的缺点就是计算量太大, 每一次进行计算的时间都要非常长, 由于我们需要的是物理量信息和模拟光子光源发射光子的过程, 所以运用MC方法是比较好的选择。
2.2 MC方法与Trace Pro的比较
Trace Pro是一个以ACIS为基础的光学仿真程序, 其模拟光线传输的算法主要是MC方法, 与我们的算法有可比性。当生物体内的发光光源为球形体光源, 探测器为球形生物组织的外表面时, 分别通过MC方法和Trace Pro软件获得探测器上光子能量之和的数值模拟结果, 如图1、2所示, 由对比结果可见, 二者吻合度极高, 这也从另一个角度说明了我们的验证是非常准确的。
3 运行时间
虽然说MC是一种比较随机的统计方法, 而且在保证统计可靠性的时候还要进行大量随机样本的采集, 这也间接的体现了MC方法的一个难以摆脱的缺点, 那就是如果想要用MC方法来进行一次模拟实验的话, 所消耗的时间是非常多的, 如果在遇到生物组织特别复杂的情况的话, 那么用MC方法进行统计可以说不是一个理智的选择, 所以说想要让MC方法更好的应用在统计当中, 减少其运行统计时间是关键, 在光子传输的过程当中, 如果说光子到达了一个它还没有到过的位置的时候, 我们想要判断这一位置在哪个生物组织中其实是最消耗时间的, 因此我们采用了粗细相结合的搜说方法, 这样不仅可以有效的保证搜索结果的准确, 而且还极大的缩短的运行的时间, 一举两得。
摘要：现代科学技术的发展带动了各个领域的科学发展, 分子标记技术以及光学成像技术就是较大的受益者, 尤其是在体生物光学成像上, 广大学者还在其基础上研究出了光子传输模型和管子传输的规律。基于此种情况, 提出了Monte Carlo方法的在体生物光学成像中的光子传输模型。
关键词：Monte Carlo方法,光子传输模型在体生物光学成像
参考文献
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成像模型 篇2
针对遥感成像过程中普遍存在的退化现象,通过遥感成像模拟,揭示了不同退化程度对遥感数据质量的影响,反映了考虑成像退化因素对提高卫星遥感数据信息提取能力的.作用.基于成像退化采用的支持向量机方法对遥感图像地物分类的实验研究表明,这种方法使遥感图像地物分类精度得到明显提高,特别是支持向量机方法与图像恢复技术的结合,效果更为明显.
作 者：王先华 易维宁 杜尚宇 WANG Xian-hua YI Wei-ning DU Shang-yu 作者单位：中国科学院安徽光学精密机械研究所,通用光学定标与表征技术重点实验室,安徽合肥,230031 刊 名：大气与环境光学学报 英文刊名：JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND ENVIRONMENTAL OPTICS 年，卷(期)： 4(2) 分类号：P407 关键词：遥感 成像退化 信息 提取
成像模型 篇3
【关键词】 关节炎，类风湿；关节炎，胶原诱导性；磁共振成像；分子磁共振成像
类风湿关节炎（rheumatoid arthritis，RA）是一种以关节及关节周围组织的非感染性炎症为主要表现的自身免疫性疾病。本病病情迁延，可出现关节软骨和骨破坏，最终导致关节畸形和功能丧失 [1]。有研究表明，RA疾病进展出现关节破坏多在发病后1年，甚至4个月内，该阶段之前的炎性改变是可逆的，因此该阶段是积极治疗、阻止关节破坏、避免关节畸形的关键时期。早期诊断、早期正规治疗对于RA的病情控制及预后改善至关重要，寻求一种早期诊断RA的敏感检查方法是各国学者研究的热点[2]。影像学检查是评估RA关节破坏的重要方法，常规X线片检查对早期RA的诊断作用有限[3]；CT的分辨率明显优于常规X线片，对于早期RA的轻微骨质破坏有较高价值；而磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）对于软组织的分辨率优于CT，并可对RA滑膜炎症程度进行量化。早期RA 的MRI敏感性明显优于X线片，其能清晰显示关节正常结构及RA早期滑膜炎症改变，与病理改变有较好的相关性[4]，有助于早期RA的诊断。
1 胶原诱导性关节炎模型的建立 Ⅱ型胶原诱导性关节炎（collagen induced arthritis，CIA）大鼠模型是已被公认的研究人类RA的经典模型，但国内外实验室尚未采取统一的造模方法[5-6]；目前CIA模型在大鼠品系、性别、乳化方法、注射剂量、注射部位等方面都存在差异，并且造模成功率普遍较低，约为65.00%[7]。因此，构建发病率、稳定性及可重复性高的CIA大鼠模型仍需进一步探索。
李艳等[8]研究认为，CIA大鼠模型的造模成功率与胶原给药剂量有关，与性别因素无关。发病率与胶原给药剂量成正相关，200 μg发病率为50.00%，300 μg为83.30%，而400 μg的胶原蛋白注射量能够达到最高的100%发病率。200～400 μg
胶原给药剂量是安全的。为了避免弗氏完全佐剂对实验的干扰，造成佐剂性关节炎（adjuvant arthritis，AA），建议选择弗氏不完全佐剂建立模型。另外，为了提高成模率，降低实验费用，许多研究者选用了相对经济且制剂纯度较高的鸡Ⅱ型胶原蛋白进行胶原乳剂制备。
模型评价多为一般观察、足容积测定、关节炎评分、血清抗CⅡ抗体与TNF-α浓度测定及病理观察的联合评价。CIA病理改变自首次免疫后3～4周
为急性期，为滑膜炎症增生期；免疫10 d后关节内只有纤维沉积物，而滑膜细胞未见明显改变；12 d
后肉眼可见踝关节肿胀，光镜下滑膜细胞增多，层数增加到3～7层，并向软骨鼓面爬行，滑膜下有纤维沉积；19 d后为急性期的第2期，滑膜由6～10 μm
增厚至200～250 μm，血管翳形成，并可见大量单核细胞、巨噬细胞等浸润，在微血管周围形成微脓肿，可见单核细胞侵入软骨连接处的软组织。7～8周为慢性期，逐渐出现软骨及软骨下骨破坏[9-10，17]。此过程动态模拟了RA的不同病变进程。
2 磁共振成像
急性期、慢性期CIA模型及正常对照大鼠在麻醉后，俯卧固定于扫描床使大鼠双膝关节呈屈曲位，经尾静脉注射钆喷替酸葡甲胺（Gd-DPTA）
0.2 mmol·kg-1，5 min内增强造影，注射前后以1.5或3.0 T核磁扫描仪行膝关节磁共振扫描。扫描参数：快速自旋回波序列T1增强压脂像（TSE-FS-T1WI），重复时间（repetition time，TR）= 300 ms，回波时间（echo time，TE）= 14 ms；快速自旋回波序列T2增强压脂像（TSE-FS-T2WI），TR = 1 700 ms，
TE = 103 ms，回波链长15，扫描方向为矢状位，层厚2 mm，矩阵256×154，视野42 mm×56 mm。第2次扫描结束后处死大鼠，取下双膝关节滑膜，质量分数10.00%中性甲醛溶液固定，常规固定、脱色、透明、包埋、制成蜡块、切片，行常规苏木素-伊红（HE）染色，病理学观察。
正常滑膜在MRI各序列中均不显示，而CIA模型急性期滑膜逐渐增厚，在MRI上表现为关节边缘软组织信号影，其中T1加权像（T1 weighted image，T1WI）上显示为低到中等信号，T2WI上表现为中等到高等信号，T2压脂像上则表现为滑膜厚度大于正常，显示信号强于正常，注入增强剂后，T1WI上病灶出现强化。临床研究显示，T2压脂像和T1增强压脂像在轴位切面能较好显示滑膜炎症信号的强度与滑膜厚度，增强MRI能反应滑膜增生和炎性血管翳，准确显示滑膜炎[11]，并且增强后动态MRI还可区分RA的活动性与非活动性。
扫描序列一般包括自旋回波序列（SE）T1WI冠状面，快速自旋回波序列（TSE）T2WI冠状面及轴面扫描，应用抑脂技术。注射造影剂Gd-DTPA后行SE-T1WI冠状面及轴面扫描，应用抑脂技术。崔延安等[12]采用结合T1加权成像的三维脂肪抑制扰相梯度回波序列（FS-3D-FLASH）和结合T2加权成像的三维脂肪抑制快速进动成像序列（FS-3D-FISP），因为FS-3D-FLASH在滑膜增生或/和血管翳形成时多呈低信号改变，而FS-3D-FISP呈中高信号改变，早期RA由于滑膜增生及血管翳生成，血流灌注增加，注射钆对比剂后，增厚的滑膜在FS-3D-FLASH增强序列上明显呈高信号改变，明确显示滑膜增厚的部位和范围。
钆喷替酸葡甲胺（Gd-DPTA）是常用的快速增强造影剂，能够缩短被引入组织的 T1弛豫时间，增强组织的T1WI信号，对T2弛豫时间的影响较小，因其敏感性和特异性较高，已经广泛应用于临床与实验研究。王艳艳等[4]运用Gd-DPTA作为CIA大鼠关节炎早期病变的造影剂，比较MRI与普通X线片、病理组织检查的检出率，证实MRI对早期滑膜炎、滑膜增生、血管翳等病理学的诊断生成方面有明显的优势。但临床研究也证明其仍有一定的漏检率，并且大鼠关节和组成骨过小，炎症早期滑膜增生不明显，1.5 T的MRI分辨率偏低也是造成漏检的原因之一。
3 分子磁共振成像
随着分子生物学和医学影像学的发展，产生了通过无损害实时成像技术及目标靶向标记的分子显影相结合的交叉学科——分子影像学。分子MRI是在活体内组织水平、细胞及亚细胞水平，通过MRI成像技术对体内及特定探针结合的分子进行成像，并对特定分子进行分析研究。分子MRI已经应用于肿瘤、心血管及神经系统等的临床和实验研究[13]，而在风湿疾病的应用研究相对较少。
目前常采用巨噬细胞、细胞黏附分子、基质金属蛋白酶等作为标记物，与某些造影剂进行特异性结合，从而提高检出率，并进行特征性描述。MRI常规造影剂为钆类顺磁性螯合物（如Gd-DPTA），其结构非常稳定，难以与生物大分子螯合，不能作为生物分子标记物的载体应用于MRI分子影像学研究[14]。新型分子MRI造影剂成为分子影像学研究热点。
超顺磁性氧化铁纳米颗粒（ultrasmall superparamagnetic iron oxide，USPIO）近年来受到较多关注，是一种能被巨噬细胞摄取的细胞特异性MR对比剂，它的粒径小，穿透力强，可以明显缩短T1、T2弛豫时间，从而提高信噪比多；另外，其纳米颗粒表面易于修饰，可以与特定物质连接，甚至携带治疗性物质，因此其应用前景较好。现主要应用于动脉粥样硬化、实体器官移植排斥反应、细菌软组织感染等多种炎性疾病的研究，但应用于RA相关文献报道不多。
巨噬细胞在RA滑膜炎及关节破坏中发挥重要作用[15]，大量存在于炎症滑膜和软骨-血管翳连接处，活化后具有广泛的促炎和组织破坏能力。特异性对比剂USPIO被巨噬细胞吞噬后，在局部造成不均匀磁场，可缩短T2弛豫时间，使T2WI和T2*WI信号降低[16]，运用高分辨率核磁成像扫描仪，或许从细胞分子水平上显示RA滑膜炎症，为RA的早期诊断提供新思路。
顾娟芳等[17]对CIA大鼠模型早、中、晚期行静脉注射USPIO，注射前及24 h后分别在7.0 T动物磁共振扫描仪上行膝关节T1WI、T2WI和T2*WI序列扫描，随后取膝关节滑膜制成病理组织切片，行HE染色、普鲁士蓝染色及CD68免疫组织化学染色。结果提示，USPIO增强T2WI和T2*WI序列上，CIA模型早、中、晚期均可见到滑膜组织的负增强效应，且病理组织学证实由巨噬细胞吞噬铁颗粒引起。
由于USPIO既能被骨关节、脑等组织的巨噬细胞摄取，还能被网状内皮系统（如肝、脾、淋巴结）中的巨噬细胞吞噬[16]，不可避免的存在很高的假阳性率。而且进入体内的SPIO迅速为巨噬细胞吞噬或经肝清除，因而影响其与靶分子的结合效率，用于细胞标记时，SPIO也可能抑制标记细胞的增殖和分化，甚至导致细胞的死亡。
细胞间黏附分子-1（intercellular adhesion molecule，ICAM-1）是滑膜内皮细胞的主要表达成分，有助于募集淋巴细胞、单核细胞和中性粒细胞等至炎性关节，并且在活化的中性粒细胞与在滑膜衬里下层的纤维样滑膜细胞和巨噬细胞样滑膜细胞相互作用中占重要角色。另外，由于ICAM-1免疫组化的结果在RA不同阶段是不同的，因此，ICAM-1可以作为特异性靶向分子成像的目标分子。
Lee S-II等[18]尝试用ICAM-1抗体与Gd-DPTA螯合物作为CIA模型MRI的造影剂。实验选取Gd-DPTA作为非靶向造影剂，Gd-DPTA-抗-ICAM-1作为靶向造影剂，Gd-DPTA-IgG作为控制造影剂，以无关节炎小鼠、早期CIA模型（造模28 d后）小鼠、慢性CIA模型（造模56 d后）小鼠为实验对象，动态观察各造影剂经小鼠尾静脉注射时，注射后
10 min、30 min、80 min、2 h及24 h的MRI。
实验结果显示，以Gd-DPTA-抗-ICAM-1为造影剂的CIA模型MRI上，T1像信号显示逐渐增强，并且持续时间达24 h，而Gd-DPTA增强T1像的时间仅维持了数分钟；动态磁共振显示，结合了与Gd-DPTA-抗-ICAM-1相同量Gd的Gd-DPTA-IgG，增强信号也只持续了30～60 min。低于Gd-DPTA 1/10剂量Gd的Gd-DPTA-抗-ICAM-1，就可以显示更加明显的T1增强信号。另外，由Gd-DPTA-抗-ICAM-1在MRI上显示的增强信号只在CIA模型早期炎症组出现，而在慢性破坏期则未出现增强信号。提示Gd-DPTA-抗-ICAM-1与表达于CIA模型炎性滑膜上的ICAM-1特异性结合，能够在分子MRI上显示特异性的图像，或许可以作为早期诊断RA及区分RA不同阶段的无创性新方法。
4 小 结
2010年ACR/EULAR发表了新的RA分类标准，以强调RA的早期诊断、早期治疗，但在临床中发现RA患者早期即可出现 MRI 异常，且与临床表现并不平行[19]。MRI可以显示临床没有表现的关节炎处的滑膜增生[20]，在临床活动性指标好转的患者中仍可提示部分患者骨侵蚀的进展[21]。MRI作为一种敏感而又可靠的手段，可以早期发现滑膜炎、骨髓水肿及骨侵蚀等病变，为RA的早期诊断和治疗提供信息。所以，MRI对于RA早期诊断有一定的价值，其与分子生物学结合形成的分子MRI技术将对RA的研究起到推动作用。
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成像模型 篇4
由于鱼眼镜头具有视场角广 (可达180°) 的优点, 特别适合于大场景视频监控应用, 近年来在视频监控领域的应用日渐广泛。由于鱼眼镜头拍摄图像带有大量的桶形径向畸变[1], 故鱼眼图像不符合人类视觉习惯。为解决这个问题, 国内外学者提出了多种方法以校正鱼眼镜头图像。应用最早的方法为基于多项式模型的校正算法[2,3], Basu等[4]提出了基于对数运算的FET变换方法 (Fish-Eye Transform) , 以及基于抛物面成像模型的漫游及深度恢复算法[5,6], Kedzierski等人[7]提出了一种基于微分几何的精确校正算法, Wang等人[8]提出了基于参数方程的鱼眼镜头畸变数学模型, 并将主光轴偏转也包含在内。需要说明的是, 这些现有算法不是从鱼眼镜头的构造出发, 或者没有区分不同类型的鱼眼镜头, 因此无法针对不同的镜头类型的图像给出校正参数的解析解。
有鉴于此, 本研究基于“非相似”成像理论, 类比小孔成像模型构造不同鱼眼镜头的几何模型, 提出一种鱼眼镜头图像校正算法;同时, 为保证算法的实时性, 还对算法的快速实现问题进行研究。
1 非相似成像理论
鱼眼镜头是人们模仿鱼眼工作原理而设计的镜头。其特点是视场角广, 可以达到180°范围, 但所获得的图像具有径向桶形畸变的特征。鱼眼镜头摄像机在水平视场角180°、垂直视场角160°拍摄的图像如图1所示。
根据相似成像原理, 普通光学镜头远距成像像高公式为:
式中:y0′—理想像高度, f—镜头物方焦距, ω—物方半视场角。
鱼眼镜头远距成像模型为非相似成像模型, 针对不同镜头, 有以下成像公式[9,10]:
式 (2~5) 都可提供相应的径向桶形畸变, 但是特点各不相同。其中式 (3) 称为“等距投影”成像, 是应用最为广泛的鱼眼镜头成像模式。
2 等距投影成像几何模型
笔者以式 (3) 和式 (5) 为例, 研究鱼眼镜头的几何模型。上述式 (1) 的几何模型为“小孔成像”模型, 如图2所示。
根据图2, 如果把像平面π替换为原点为O、半径为f的半球面π2, 则像高y0′满足式 (5) 。由此推广, 通过替换不同的曲面作为像面, 可以做出不同鱼眼镜头的几何模型, 几何模型如图3所示。
图3中, 曲面π2为球面, 曲面π1即满足式 (3) 的“等距成像”的像曲面。由式 (3) 以及鱼眼镜头的对称性, 可知π1的解析式为:
3 鱼眼镜头图像的校正算法
平面校正, 就是去掉鱼眼镜头图像的畸变, 使输出图像符合人类视觉习惯的操作。具体来说, 没有畸变的图像是由小孔成像原理得出的, 也就是在平面π上的成像。因此, 如果能根据曲面π1上的像计算出π上的像, 即可得到校正图像。图3中的物点p在平面π和曲面π1上分别形成像点q和q1, 像高分别为y′00和y′01。由式 (1) 和式 (3) 可得:
通过左右移动平面π, 也就是改变小孔成像的焦距, 就可以改变校正后图像的视场角, 实现“拉近推远” (zoom) 的效果。设校正后图像的成像焦距为f′, 原图像焦距为f, 则有:
式 (7) 即为由几何模型得到的等距影鱼眼镜头图像平面校正公式。
同理可得对于式 (2, 4, 5) 的鱼眼镜头模型, 其平面校正公式分别为:
4 实时实现技术
计算机内部以像素为单位存储图像, 所以必须将式 (7) 转化为以像素为单位的图像。为此, 首先需要确定原图像的光学中心, 即主光轴通过的位置。由图3知, 水平和竖直视场角都为180°的鱼眼镜头拍摄的图像为圆形, 其圆心就是光学中心, 图像的其他部分为空白 (实际为黑色) 。如果图像的光学中心固定, 可以事先获取一幅图像, 鱼眼镜头图像如图4所示, 本研究先使用形态学方法找到图像的圆形边缘, 再使用Hough变换计算圆心坐标, 应用于后续图像。光学中心示意图如图5所示。
为实现实时确定上述圆心 (光学中心) , 本研究提出了一种快速计算方法。
通过观察图4可知, 圆上最靠近图像左边缘的点和最靠近右边缘的点连接起来就是一条直径, 而直径的中点就是圆心。所以本研究可以通过扫描图像找到这两个距边缘最近的灰度不为零的像素p和q, 从而快速求取圆心坐标。实际图像中由于采样间隔, 可能找不到相应的像素, 同时由于边缘找取的结果可能不光滑, 从而影响算法的精确度。此时研究者可将与左、右边缘距离最小的各3个像素纵坐标分别取平均值, 横坐标不变, 构造出p和q的坐标。具体实现时, 图像数据存储为二维数组, 像素坐标即数组下标。如果从第一行开始扫描, 将当前距左、右边缘距离最小的3个像素坐标分别缓存在数组中, 如果遇到距离更小的点就替换缓存中的数据。最终找到距左边缘距离最小的3个点p1、p2、p3, 距右边缘距离最小的3个点q1、q2、q3, 则可得出圆心坐标 (x, y) 和半径r分别为:
另外, 根据式 (3) 可知, 摄像机焦距为:
式中:r—圆的半径;f—焦距, 单位为像素。
设校正后的图像高为h, 宽为w, 其上有一点A (x, y) , 对应原图像像点A′ (x′, y′) 。假设校正后图像的光学中心位于几何中心, 重合于O (w/2, h/2) , 则A′点像高和坐标为:
由式 (11, 12) 可得校正后图像的任意像点对应原图像的像点位置, 一般不为整数, 笔者使用插值方法计算出像素颜色值。遍历所有像素点得到的校正后的图像如图6所示。
在实际应用中, 式 (11, 12) 涉及到多次根号和三角函数运算, 研究者可以采用映射表的方法提高算法效率。另外, 具体实现中研究者可以根据需要, 在满足精度要求的前提下, 选择快速的插值算法以提高效率。
5 实时性优化
由于式 (11, 12) 包含多次平方根和三角函数运算, 如果逐点运算, 复杂度太高, 实际应用中可能达不到实时性要求。为了提高效率, 研究者可以在参数确定的前提下提前算出所有结果, 将其缓存为文件, 程序启动时将数据读入内存。
由于式 (11, 12) 的计算结果不为整数。为了减少计算量, 可以直接缓存插值所需的参数。以双线性差值为例, 某一点p (x, y) 的灰度值f (x, y) 计算公式为:
式中:Qij—p左上、右上、左下、右下的4个相邻点, kij—双线性插值参数。
如果摄像机的参数不变, 那么Qij和kij都不变, 可以将它们缓存起来使用。数据结构可如下设计:
这样的数据结构可以方便地存入磁盘或从磁盘中读取。
采用缓存之后, 由于系数kij不为整数, 依然无法避免浮点数计算。在满足精度要求的前提下, 可以使用整形变量近似浮点数变量。当浮点数赋值给整形变量时, 小数部分将被忽略, 无法保证精度, 所以需要额外的处理。
观察式 (13) , 如果将kij乘以一个相同的系数, 等式左边只要乘以同一个系数等式依然成立。所以可以使用“将kij乘以一个系数m”的方法, 将kij的小数部分中的一部分, 移至整数部分。这样将kij赋值给整形变量时, 忽略的小数部分就可以按照研究者的要求增大或减小, 改变m的值就可以改变精度。计算出结果后, 只要将f (x, y) 除以m, 即可得到实际的结果。因为计算机中的移位操作比除法效率高, 笔者建议m的取值为2的幂级数的形式, 这样便可以用移位操作代替除法操作。
为说明本研究优化算法的计算效率, 现以典型图像处理为例, 计算考察了不同算法的实时处理能力。两种不同方法的性能比较结果如表1所示。显然, 本研究算法的计算效率明显高于原算法的计算效率。
6 结束语
本研究基于几何成像模型研究了鱼眼镜头图像的校正算法和技术。这种方法基于镜头成像原理, 可对不同镜头的图像进行精确校正, 并可通过参数调节实现校正后图像的视场角变化。本研究以“等距投影”模型为例, 给出了其实现方法。最后, 为解决算法工程应用的实时性, 本研究提出了基于缓存的优化的快速计算方法和快速双线性插值实现方法。经过实验验证, 根据上述方法开发的图像校正系统可以实现鱼眼图像实时精确校正。
因为鱼眼镜头图像畸变为非线性畸变, 离光学中心越远的点畸变越大, 校正后的图像较边缘的区域存在模糊和锯齿现象。如何减少锯齿和模糊现象, 将是下一步研究工作的重点。
参考文献
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成像模型 篇5
在本文的研究中,我们应用三维超声微成像技术检测前列腺特异性蛋白94(prostate specific protein 94,PSP94)转基因小鼠前列腺腺癌模型,并通过对转基因前列腺癌小鼠模型(transgenic mouse adenocarcinoma prostate model,TGMAP)前列腺癌的三维超声图像和前列腺癌标本的比较,验证该超声系统检测活体小鼠肿瘤大小的可靠性。与其他的微成像方法相比,小鼠前列腺癌模型的三维超声微成像具有诸多优点,如:空间分辨率高,与软组织的对比强,操作快速简易,设备便宜可携带等,有望成为小鼠临床前期研究的新的微成像手段。
1 材料与方法
1.1 转基因前列腺癌小鼠模型
在以往的研究中,使用PSP94基因的3.84 kb启动子/增强子特异性在小鼠前列腺组织表达SV40T/t抗原,建立PSP-TGMAP模型(PSP94转基因小鼠前列腺癌模型)[4,5,6,7,8]。大部分PSP94-TGMAP小鼠能在4～8个月内在前列腺腹侧叶(ventral prostate,VP)、背外侧叶(dorsolateralprostate,DLP)、前叶(anterior prostate,AP)等形成快速生长的肿瘤。转基因小鼠均通过快速PCR基因分型实验鉴定。最后一次成像后荷瘤小鼠被安乐死,然后解剖小鼠,切除包括腹侧叶、背外侧叶、前叶等的前列腺组织、雄性性腺、整个膀胱,进行全面检查和组织切片。
1.2 三维超声图像采集
小鼠吸入含有2%异氟烷的氧气麻醉,在成像过程中小鼠置于一加热的平板(THM-100,Indus Instruments,Houston,TX)上。腹部用脱毛霜去毛,防止毛发中的空气影响超声与动物腹部接触。凝胶外涂于小鼠脱毛的皮肤,通过腹壁获取前列腺和邻近结构的冠状面和矢状面图像。
超声成像是通过三维微超声成像系统(Vevo660,Visual Sonics Inc.,Toronto,ON)完成的,在设计上与FOSTER等人描述的器械相似,使用三维影像采集方法、三维影像重建和可视化软件[9,10]。这个系统使用30MHz中心频率探头在12.7 mm焦点深度产生55μm×115μm×115μm分辨容积。在三维影像采集方法中,计算机控制的平板匀速、缓慢的线性移动,使得二维B超影像每隔一定的距离被获得。因此,获得的二维B超影像是间隔30 mm的一系列的12 mm×12 mm×9 mm的平行图像。三维影像重建和可视化软件自动生成三维重建影像,大约需要30 s,通过软件可以计算成像部位的各个截面的直径,并可以计算体积。
1.3 肿瘤直径的测量与数据分析
肉眼可见的肿瘤解剖标本的最大直径用刻度尺测量,与用三维重建超声图像分析软件测量的直径比较。分析配对的超声和大体病理学直径的皮尔森相关系数r,进行t检验,P<0.05确定为统计学上差异有显著性。超声和大体病理学直径测量的一致性也通过Bland and Altman图解法评价[11,12]。在这种评价中,从大体病理学测量的直径减去超声测量的直径,差值标绘在两种测量方式的均数附近。计算出测量方式差值的均数和标准差,与估计的直径相比较。
2 结果
2.1 三维超声成像结果
在4～8月龄的14只转基因PSP-TGMAP小鼠中,超声成像发现了19个肿瘤(其中4只小鼠为多发肿瘤)并被大体和组织病理学证实,其中包括12例VP肿瘤,4例DLP肿瘤,3例AP肿瘤。
图1是代表性的1只具有巨大VP肿瘤的小鼠在9个不同时间点获得的三维超声图像的二维断面。小鼠30周龄,第1次检测到肿瘤的日期设定为0天,肿瘤直径5.33 mm,见图1A。VP肿瘤生长迅速,在第1、4、5、10、12、14、15和18天分别生长到5.52、6.30、6.71、8.32、8.79、9.86、10.04和10.53 mm。图1B为在第18天解剖的大体病理标本。图1C为HE染色的组织学切片,放大倍数为4倍,图1D放大倍数25倍,可见大量侵袭性低分化的前列腺肿瘤组织。前列腺癌在超声图像中主要是低回声、表现黑色、中心区域回声稍强。
(A)小鼠在9个不同时间点获得的三维超声图像的二维断面;(B)第18天解剖的大体病理标本;(C,D)低倍(×4)和高倍(×25)组织学切片
2.2 超声和大体病理直径测量的一致性
11例小鼠肿瘤的三维超声图像获得的最大直径测量结果与大体病理标本测量获得的最大直径标绘在图2A中。曲线符合线性回归,皮尔森相关系数为0.998,表明了超声和大体病理直径测量的显著相关(P<0.001)。两种测量方法的一致性也通过Bland-Altman方法进行分析,见图2B,超声和大体病理测量的平均差大约为零,这种差别的标准差为0.30 mm,与肿瘤直径相比很小。
(A)线性回归分析(r=0.998,P<0.001);(B)Bland-Altman分析
2.3 超声诊断的灵敏度和特异性
超声系统的操作者对33只小鼠进行了诊断,其中14只小鼠有前列腺癌,随后被病理学证实,19只没有肿瘤。直径为2.40 mm的VP肿瘤是超声操作者检测到的最小肿瘤。超声操作者肿瘤检测的灵敏度和特异性分别为93%和100%。
3 讨论
非侵袭性测定转基因小鼠模型体内肿瘤的能力有助于发展更精确的、更适合评价优化临床前期肿瘤治疗方案的肿瘤模型。在小动物模型中,肿瘤成像的目的包括:减少临床前期试验中进行随访和统计分析的病例数、减少试验需要小鼠的数量、最大程度获取每只小鼠的资料。体内成像提供的资料在动物死亡之后是得不到的,例如量化的肿瘤进展和对治疗反应的动力学生长曲线[13,14,15]。
小动物肿瘤成像可以利用下列任何临床诊断成像技术完成,包括CT(computed tomography,CT)、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)、正电子发射X线断层摄影术(positron emission tomography,PET)、单光子发射X线断层摄影术(single photon emission computed tomography,SPECT)和超声,除此之外还有几种新出现的光学技术[14]。每种技术都有不同的优缺点。理想的小动物肿瘤成像技术应该对模型的肿瘤敏感、产生高分辨率图像以便检测和测量早期小肿瘤体积、快速获取图像、成像设备便宜、便于操作和维修。而且,进行长期实验时,成像检查应该对动物无害,以便可以频繁成像,而成像使用的射线不影响动物模型肿瘤的进展。
三维超声微成像具有适合于小动物肿瘤成像的诸多优点:微成像的超声强弱类似于临床诊断成像的超声;超声是不电离的,能够在不需要静脉造影剂的情况下提供良好的软组织对比度和高分辨率;实时超声帧频(Vevo 660系统每秒32帧)结合自动、固定的超声探头,能使超声检查者快速准确地探查病变的器官,从而提高复杂的长期肿瘤监测研究的效率;超声仪器是便携式的、价格适中。超声成像的缺点包括:超声的穿透深度和检查视野比X线、CT或者MRI小;不能为骨骼或者存在气体的结构成像;成像质量有赖于操作者的经验。但是,本文描述的三维微成像技术与二维超声相比,明显的降低了对操作者经验的依赖,提高了体积测量的准确性[16,17]。
PSP-TGMAP转基因模型的肿瘤快速指数生长期时,肿瘤体积太小,不能通过触诊诊断,但此期的肿瘤是最适合评价抗肿瘤治疗反应的。本组的结果说明三维超声成像在快速指数生长期检测前列腺癌的敏感性可以达到100%。因此,应用超声成像能够监测肿瘤生长,并能监测在治疗性研究中肿瘤生长率的变化。
成像模型 篇6
磁共振扩散加权成像(DWI)是目前唯一可以在活体组织内观察水分子运动的方法,对每一个体素内大量的水复之运动幅度进行成像,可间接反映活体组织的微观结构和细胞密度等机体微观信息,检测出病变的形态学及生理学的早期改变,并可通过表观弥散系数(ADC)对组织特性进行量化。近年来,DWI开始应用于肿瘤性病变,如肿瘤的分期及疗效评价等。本研究采用大腿肌肉注射的方法建立兔VX2肿瘤模型,对照病理及常规磁共振成像(MRI)表现,探讨DWI技术在动态监测肿瘤生长及淋巴结转移中的应用价值。
1材料与方法
1.1 实验动物和瘤株
新西兰大白兔(由江汉大学卫生职业技术学院动物房提供并饲养)12只,月龄2.5～3个月,体重约2.5～3.0 kg,雌雄不限。VX2瘤细胞传代兔由江汉大学卫生职业技术学院动物房提供。
1.2 兔大腿VX2移植瘤模型制备
荷瘤兔耳缘静脉注射3%戊巴比妥钠(1 mL·kg-1)麻醉,对肿瘤部位进行剃毛、消毒,切开皮肤,剥离肿瘤,将瘤块纵行切开,剔除周围的包膜、肌肉及坏死组织,剪取肿瘤边缘生长旺盛的鱼肉样组织,加入生理盐水漂洗,剪切成大小约为1～2 mm 的组织碎片,研制成肿瘤组织悬液备用。抽取VX2肿瘤细胞悬液,以每只0.5 mL注射于健康兔后腿外侧肌肉内。
1.3 MR扫描及图像分析
采用荷兰飞利浦公司1.5TINTIRA磁共振扫描仪,腹部线圈,实验兔麻醉后仰卧位固定于自制扫描架上,于接种后第7天,14天,21天进行MRI常规及DWI扫描。MRI扫描参数:常规TSE T1WI(TR 1 150 ms,TE 12 ms)和T2WI(TR 7 450 ms,TE 101 ms),层厚2.5 mm,NEX 4,矩阵384X256,FOV 210X220。轴位DWI采用单次激发、短翻转恢复平面回波序列(STIR-EPI),成像参数如下:TR 3 500 ms,TE 90 ms,TI 160 ms,层厚2.5 mm,层间距1,NSA 4,FOV 210*220,b值800 s·mm-2。平扫后经兔耳缘静脉注射钆喷酸葡胺1 mL·kg-1行增强扫描。
测量接种后21天T2WI、DWI图像上肿瘤的最大径。DWI图像传入后处理工作站,ADC值测定感兴趣区(ROI)病灶最大直径层面,避开中心坏死区,取圆形ROI(不少于40个像素),测量3次,取平均值。
1.4 病理学检查
接种后第21天MR检查完成后, 实验兔耳缘静脉注射空气处死,切开皮肤,剥离肿瘤组织,测量肿瘤最大径,随后浸泡入10%福尔马林固定液中,制作病理组织切片,常规HE染色,中性树胶封片,光镜下观察、分析。
1.5 统计学分析
所得数据经SPSS 18.0统计软件,计量资料以均数±标准差表示。T2WI、DWI图像上肿瘤的最大径与病理标本测量的肿瘤最大径比较,采用方差分析。肿瘤ADC值与转移淋巴结ADC值比较,采用t检验。p<0.05为差异显著,具有统计学意义。
2结果
2.1 MRI表现
接种后第7天,12只兔右侧大腿均可见异常信号肿块影,边界不清,T1WI呈等信号或稍低信号,DWI、T2WI呈高信号,增强后呈明显均匀强化。接种后第14天,2只实验兔瘤体内出现坏死,T1WI呈等信号或稍低信号影,中央呈更低信号;T2WI上呈现高信号、中央呈更高信号;DWI上肿瘤呈高信号,中央呈稍低信号(图1);增强扫描肿瘤实体部分显著强化,坏死、囊变区无强化。接种后21天,全部12只实验兔瘤体内出现坏死,9只实验兔同侧髂窝内见肿大淋巴结,边界清楚,T1WI呈等信号,T2WI呈高信号,DWI呈高信号,与周围结构对比明显(图2)。
2.2 病理学结果
肿瘤表面有包膜覆盖,表面呈现灰白色,切开后中央有坏死的液体,可见生长旺盛的鱼肉样肿瘤组织,镜下肿瘤细胞排列不规则,多呈梭形或不规则形,浸润性生长,核大深染,多见核分裂相。髂窝内肿大淋巴结呈灰白色,镜下见淋巴结构破坏,被瘤细胞取代,核大深染,有明显的异型性,可见残存的淋巴结成分,见图3。
2.3 肿瘤MR图像最大径与病理标本最大径比较
接种21天后MR T2WI、DWI及病理标本测得肿瘤最大径分别为:4.26±0.41 cm、4.21±0.30 cm及4.32±0.39 cm,三者间差别无统计学意义(F=2.734,p>0.05),见表1。
2.4 肿瘤实体部分ADC值与转移淋巴结ADC值比较
肿瘤实体部分与髂窝内转移淋巴结ADC值分别为:0.829±0.109×10-3 mm25s-1及0.868±0.121×10-3 mm25s-1,两者间差别无统计学意义(t=0.062,p>0.05)。
注:a:T1WI,肿瘤呈等稍低信号;b:T2WI,肿瘤呈高信号,内见更高信号区;c:DWI,肿瘤呈高信号,内见低信号区。箭头为瘤体内出现坏死
注:a:T2WI显示为高信号;b:DWI,相对于周围低信号背景,病灶显示明显高信号
3讨论
兔VX2肿瘤是一种来源于Shope病毒致乳头瘤恶变形成的鳞状上皮细胞恶性肿瘤,属于鳞状细胞癌。1940年建株保存[1],它可接种在兔的肝脏、肾脏、肌肉、骨骼和颅脑等处。兔VX2肿瘤广泛用于各脏器肿瘤模型的建立,其侵袭方式及淋巴结及血道转移特点与人类头颈部鳞癌、肝癌等极为相似,经常被用于该类肿瘤的动物模型研究[2,3],其形态学和生物学特性与人类癌瘤相似,具有易移植、侵袭性强、成功率高和富血供的特点,且生长迅速、病程短,尤其适用于实验研究。VX2肿瘤可直接将肿瘤组织块用于肿瘤移植,实验成本较细胞培养方法低廉,技术操作简单,易于推广。本研究造模方式为无创性的大腿肌肉注射,成瘤率达到100%,模型建立简便、成瘤率高、肿瘤生长迅速、图像质量好,易于肿瘤观测,有利于疗效评价,是一种较好的肿瘤治疗学研究的实验肿瘤模型。
本研究发现,兔大腿VX2肿瘤在种植后第1～2周生长旺盛,肿瘤内部较少出现变性坏死,张景峰等[4]认为此阶段为供瘤血管形成期,毛细血管大量形成,供养丰富,此后,肿瘤中心开始出现变性坏死,这主要是由于瘤体增长快于血管增生,肿瘤中心因缺血而坏死。研究中兔大腿VX2肿瘤种植后第7天,12只兔大腿内均可见片状异常信号,增强扫描可见强化,但此阶段肿瘤体积过小,没有明显包膜形成;肿瘤种植后第14天,MR常规序列及DWI均可清晰显示肿瘤,此时肿瘤信号较均匀,包膜基本形成,提示肿瘤生长良好;肿瘤种植后第21天,肿瘤生长迅速,肿瘤中央均出现坏死灶,部分实验兔同侧髂窝内见肿大淋巴结。
VX2肿瘤瘤体主要为实质成分,血供丰富,水分子扩散受到限制,因而DWI呈高信号,易于观察。袁友红等[5]对兔肝VX2瘤种植后DWI与其病理进行了动态对照研究,发现第7天DWI病灶发现率明显高于T1WI与T2WI。本研究结果显示,DWI与T2WI早期发现病灶数相同,同时我们测量第21天时病灶大小,并与大体标本进行对比分析,结果显示T2WI、DWI图像上所测肿瘤大小与大体标本无明显差异,可见DWI在早期发现病变及监测肿瘤大小变化方面有潜在的临床应用价值。
DWI除了具有早期发现病灶的高敏感性外,近来研究发现,DWI可早期有效区分中心坏死与周围存活肿瘤组织、监测肿瘤对治疗的早期反应[6,7,8]。坏死区细胞膜破裂,其内水分子扩散较肿瘤实质部分明显增强,DWI显示为低信号,其内ADC值升高。目前DWI是检测坏死区最准确的方法之一。本组实验中,接种后14天,2只实验兔瘤体内出现坏死,接种后21天,全部实验兔瘤体内出现坏死,DWI上肿瘤实质部分呈高信号,中央坏死区呈稍低信号,DWI所见与病理结果一致。
恶性肿瘤常伴有淋巴结的转移,淋巴结有无转移及转移程度不仅是肿瘤患者临床分期的依据,对治疗方案的选择也具有重要的临床价值。在MR常规序列中,淋巴结较易受周围结构的影响而导致观察不清,但在DWI图像中,包括血管、肌肉、骨髓及脂肪等组织信号,能够得到良好地抑制。在几乎全是低信号的背景中,高信号的淋巴结尤其容易辨认,可以清晰地显示淋巴结的形态、大小及数量,即使是很小的淋巴结也可以显示清楚。本组12只实验兔肿瘤种植后21天,9只实验兔见髂窝内淋巴结肿大,DWI呈高信号,相对于周围低信号的背景,病灶显示清晰,易于辨认。
DWI是通过检测水分子的扩散运动异常来发现和诊断病变的。而ADC值则可以定量评价活体组织内水分子弥散运动的状况。Babskey等[9]研究证实DWI对细胞内间隙、细胞外间隙水分子的弥散运动变化以及因钠钾泵功能障碍造成的细胞水肿非常敏感,ADC值则可反映这些情况,并作为组织微观水平变化的生物标记。由于不同组织的成分及细胞排列不同,其水分子扩散能力也不相同。肿瘤组织细胞生长迅速,细胞核增大,核浆比增高,肿瘤细胞排列紧密,导致细胞外间隙减小,水分子弥散受限,其整体弥散速度慢于正常组织[10],因而在DWI图像上呈现明显的高信号,ADC值明显低于正常组织。恶性肿瘤的转移性淋巴结与原发肿瘤同源,其病理学改变相似,其内水分子弥散运动状况相近。本组研究中,9例转移性淋巴结的ADC值与原发肿瘤实体部分ADC值间差别无统计学意义,推测肿瘤及相应淋巴回流区域淋巴结的ADC值测定,可用于判断淋巴结的性质。
磁共振弥散加权成像为肿瘤实验研究提供了丰富的影像学信息,可监测兔大腿VX2肿瘤的生长,有效区分肿瘤早期坏死成分,并判断相应引流区域淋巴结的性质。
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成像模型 篇7
1 资料与方法
1.1 一般资料
从2010年10月至2011年10月因各类妇科疾病在南方医科大学南方医院行盆腔MRI检查的患者中,选取25例无骨盆、脊柱及下肢外伤史,无盆腔手术史的患者作为研究对象。年龄22～62岁,平均年龄33.8±7.2岁。检查前均签署知情同意书。
1.2 MRI原始数据集的获取
采用美国GE公司生产的Signal Excite超导型3.0 T全身磁共振扫描仪,对选取的25例需进行MRI检查的患者行快速自旋回波T2加权序列(FSE-T2WI)轴位薄层扫描。
磁共振扫描方法及数据保存:患者检查前禁食、禁水6小时,未予其他特殊处理。扫描时患者取仰卧位,身体位于床面中央,且正中矢状面与床面垂直,双手抱头,双腿伸直并拢。常规盆腔扫描后行不压脂的FSE-T2WI轴位薄层扫描。薄层扫描的具体参数如下:重复时间/回波时间(TR/TE)3000/102 ms,翻转角 180°,视野(FOV)260 mm×260 mm,矩阵512×512,层厚3.0 mm,层间距0 mm,体素大小0.5 mm×0.5 mm×3.0 mm,扫描范围从第五腰椎上缘至坐骨结节下缘。薄层扫描共获得骨盆轴位图像约80张,将全部数据以Dicom 3.0的格式刻碟保存。
1.3 骨盆数字化三维模型的构建
将薄层扫描所获取的全部Dicom原始断层图像直接导入重建软件Mimics 10.01(Materialise 公司,比利时)中。Mimics软件对图像进行自动定位、组织及内插值处理后,生成冠状面、矢状面和横断面三类视图界面。可以选择其中任意一个视图界面进行编辑,本研究中选用的是横断面。调整二维图像的亮度和对比度后,通过阈值分割(thresholding)设定骨组织的重建阈值为1250～4095 Hu,此时Mimics 软件会自动生成各层面骨组织蒙罩,该蒙罩内尚包含有其他与骨组织信号强度相近的临近组织及噪声。进一步使用Mimics中的区域选择(segmantation)模块对蒙罩边界进行修正,去除无关边缘噪声及冗余数据,并弥补丢失的骨盆信号。最后经区域增长(region growing)、蒙罩三维重建(calculate 3D from mask)和光滑处理(smoothing)计算得出包含部分腰椎及股骨在内的女性骨盆数字化三维模型,并分别以BMP、AVI及STL等格式导出保存。见图1。
(1A:导入Mimics后的MRI图像;1B:阈值分割后的骨盆蒙罩;1C:修正后的骨盆蒙罩;1D:3D显示骨盆数字化三维模型)
1.4 三维骨盆测量
选择Mimics软件中的工具(tools)模块,利用三维直线测量(measure 3D distance)和三维角度测量(measure 3D angle)工具在骨盆模型上分别测量临床上常用骨盆径线和角度。具体测量方法:在骨盆模型正面观上测量髂棘间径、髂嵴间径;在上面观上测量骨盆入口前后径和横径;在背面观上测量中骨盆横径、坐骨结节间径;在底面观上测量耻骨弓角度等。见图2。
(2A:正面观测量髂嵴间径和髂棘间径;2B:上面观测量骨盆入口前后径和横径;2C:背面观测量中骨盆横径和坐骨结节间径;2D:底面观测量耻骨弓角度)
2 结 果
利用MRI薄层扫描数据构建的在体女性骨盆数字化三维模型形态规则、边缘清晰、表面光滑。不仅骶尾骨及双侧髋骨层次分明,而且骶岬、骶孔、坐骨棘等精细解剖结构也清晰可辨(见图2)。构建的骨盆数字化三维模型不仅可以进行任意角度的旋转及观察,还可以对其进行任意径线及角度的精确测量。此外,以BMP和AVI格式所保存的图片和动画格式通用,便于交流,而保存为STL格式的文件还可与多个相关计算机软件互认,进行有限元分析及功能学处理。
从中选取1例27岁女性骨盆,其三维测量数值如下:髂棘间径211.39 mm,髂嵴间径236.31 mm,骨盆入口前后径115.05 mm,骨盆入口横径 121.80 mm,中骨盆横径 106.10 mm,坐骨结节间径 114.96 mm,耻骨弓角度93.7°。
3 讨 论
3.1 女性骨盆的测量方法及对比
研究女性骨盆的主要方法有尸体解剖测量、X线骨盆测量、CT骨盆测量及MRI骨盆测量,其中CT和MRI测量又可以分为二维测量和三维重建测量两种方式。传统的尸体解剖测量由于标本获取困难、无法直接为临床患者提供个性化指导等原因现已较少使用。而X线骨盆测量、CT及MRI二维骨盆测量也都存在二维性以及可重复性差等缺点,其准确性及价值已越来越受到学者们的质疑[2,3]。一般认为导致测量误差的主要原因为难以在二维的断层图像上准确地定位出骨盆的测量标定点[2,3]。
计算机三维重建技术在骨盆研究中的运用为解决上述问题提供了新的思路及方法。2003年法国学者Balleyguier等[4]首次报道了基于CT的女性骨盆三维重建的方法。随后Lenhard等[1]和Miriam等[5]的研究进一步证实了骨盆CT三维重建测量在准确性及可重复性上较X线骨盆测量、CT和MRI二维骨盆测量具有明显的优势。国内的刘萍等也于2010年报道了利用CT三维重建技术构建女性骨盆数字化三维模型及三维测量的具体方法。但是,由于技术上的限制,目前国内外尚未见利用MRI数据集构建完整女性骨盆数字化三维模型的研究报道。
3.2 基于MRI的在体女性骨盆数字化三维模型构建的方法
MRI在显示女性盆腔软组织等方面有着X线和CT所无法比拟的优势。已有不少学者利用计算机技术对盆底肌肉、盆腔脏器等进行了成功的构建[6,7,8]。但由于骨组织内氢质子含量较少,临床上常用的自旋回波/梯度回波的T1WI、T2WI脂肪抑制序列对骨盆显示欠佳,无法直接对其进行三维重建。目前国内外的相关研究均只构建出了部分骨盆结构,无法用于骨盆的精确测量及功能学分析等[6,8]。因此,在本研究中我们选用不压脂的FSE-T2WI轴位薄层扫描,使得含脂肪和水分较多的骨松质呈中等高信号,盆腔内浆膜、骶孔内的结缔组织呈明亮的高信号,肌肉呈等信号,而骨皮质、韧带、肌腱等呈低信号,极大地增强了骨盆与周围组织的对比度,便于进一步的分割重建。此外,由于骨皮质与肌肉、韧带等组织的信号相近,传统的分割主要依靠技术人员的经验进行,受主观因素影响大,常导致重建的骨盆形态失真、表面粗糙。在本研究中我们采用了分割松质骨与密质骨界限的方法进行骨盆分割。因为骨盆主要由扁骨及不规则骨构成,骨皮质厚度均匀,且多在1～2 mm,骨皮质的厚度对骨盆形态及测量结果的影响较小。分割结束后可以利用Mimics的形态运算功能将骨松质的蒙罩向外拓展1～3个体素单位以弥补丢失的骨皮质信息。本研究的结果表明,利用该方法构建的在体女性骨盆数字化三维模型形态规则、边缘清晰、表面光滑。不仅骶尾骨及双侧髋骨层次分明,而且骶岬、骶孔、坐骨棘等精细解剖结构也均可清晰可辨,是一种研究在体女性骨盆的好方法。
3.3 基于MRI的在体女性骨盆数字化三维模型构建的意义
利用MRI数据集构建的在体女性骨盆数字化三维模型是对女性骨盆及盆腔数字化研究的一个重要补充,在临床医学、法医学及仿真手术学等方面均有广阔的运用前景。目前骨盆测量在产科中运用越来越少,除受超声的广泛运用、剖宫产率高等原因的影响外,传统的X线及CT骨盆测量存在的X线辐射也是限制其运用的重要因素[9]。基于MRI构建的在体女性骨盆数字化模型不仅去除了X线辐射对母儿的影响,也实现了骨盆精确的三维测量,为骨盆测量在产科中的运用提供了新的思路和方法。此外,精确的骨盆测量在骨科学、外科学及法医学中运用价值已在多个研究中得到了证实。如Killeen 等[10]研究发现,利用术前MRI对患者骨盆进行精确测量,可以较好地预测腹腔镜下盆底肿瘤手术的难易程度等。随着计算机三维重建技术在人体的广泛运用,不少学者对女性盆腔的三维重建也进行了详细的研究。由于MRI对盆腔软组织显示尤佳,已有学者使用MRI数据集对其进行了三维重建[8,9]。但MRI对骨盆,尤其是骶尾骨显示不佳,至今未见基于MRI构建出完整女性骨盆数字化三维模型的研究报道。此外,骨盆与盆底肌肉和盆腔脏器在结构和功能上密切相连,是相关手术设计及实施等的重要标志点。因此,基于MRI的在体女性骨盆数字化模型的成功构建不仅是对完整女性盆腔数字化三维模型构建的重要补充,也为相关问题的顺利解决提供了条件。
摘要：目的:探讨利用磁共振成像(MRI)原始数据集构建在体女性骨盆数字化三维模型的方法及意义。方法:对25例因各类妇科疾病在南方医科大学南方医院行盆腔MRI检查的患者,利用快速自旋回波T2加权(FSE-T2WI)序列对其行不压脂轴位高分辨薄层扫描,将采集的原始Dicom3.0数据集导入Mimics10.01软件中行骨盆三维重建及测量。结果:成功构建了在体女性骨盆的数字化三维模型,该模型解剖结构清晰、形态逼真、表面光滑,可以从任意角度观察骨盆的形态,并完成骨盆的三维测量。其中1例的数值如下:髂棘间径211.39mm,髂嵴间径236.31mm,骨盆入口前后径115.05mm,骨盆入口横径121.80mm,中骨盆横径106.10mm,坐骨结节间径114.96mm,耻骨弓角度93.7°。结论:基于MRI构建在体女性骨盆数字化三维模型是一种研究女性骨盆的新方法,具有立体感强、无辐射、可进行三维测量等优点,具有广阔的应用前景。
关键词：磁共振成像,三维重建,女性骨盆,骨盆测量
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成像模型 篇8
多巴胺转运蛋白(DAT) 位于DA能神经元突触前膜。中脑黑质DA能神经元变性将累及纹状体部位DA能神经终末DAT的密度。DAT密度的改变与DA能神经元数量的变化相一致。正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography, PET)是以发射正电子的核素及其标记的化合物作为示踪剂,用符合探测方式采集并以断层图像显示的技术。利用正电子示踪剂标记的DAT显像剂在体显示、评价动物模型脑内DAT功能状态,有利于PD临床诊断和疗效监测研究。
1 材料和方法
1.1 PD大鼠模型制备
健康成年Sprague-Dawley大鼠,均为雌性,体重180-210g(平均196±12g)。10% 水合氯醛溶液腹腔注射麻醉 (5ml/kg) 。调整门齿钩平面高度使其比耳间线平面低2.4mm。依据大鼠脑立体定位图谱,采用中脑腹侧背盖区(VTA)和黒质致密部(SNc)两点毁损法。借助大鼠脑立体定向仪,将6-OHDA溶液 (2 μg/μl) 10μL分别注射至VTA点(前囟后4.2mm,中线右旁开1.1mm,硬膜表面下7.5mm);SNc点(前囟后5.2mm,中线右旁开2.0mm,硬膜表面下7.6mm)。
模型的评价方法 术后第2周开始,腹腔注射阿扑吗啡(Apomorphine, APO)(0.25mg/kg)后置于旋转测试仪中测试。连续测试4周,记录30min内的旋转圈数,向健侧(左侧)旋转圈数平均>7 圈/min (210 圈/30 min)者为成功PD大鼠模型,<7 圈/min者为建模不成功,不再进一步研究。
1.2 多巴胺转运蛋白显像剂11C-β-CFT的制备
将11C-Triflate-CH3通入到新配制含0.1mg的nor-β-CFT的50μL丙酮溶液中,并置于0℃的冰浴中。停止输入11C-Triflate-CH3,将反应瓶脱离冰浴1min。程序自动将注射用水注入到反应瓶稀释反应液,产品被Sep-Pak C-18吸附,淋洗Sep-Pak C-18柱, 用1ml乙醇将加11C-β-CFT从Sep-Pak C-18柱上洗脱下来,无菌滤膜过滤得最终11C-β-CFT,测量产品的放射化学纯度,应大于95%。
1.3 PD大鼠模型的PET成像
使用SIEMENS ECAT EXACT HR+ PET仪,轴向视野(FOV)的径长为15.56cm。扫描程序采用脑3D采集模式,横向和轴向视野中心分辨力(FWHM)分别为4.53mm和5.17mm。其中发射扫描(Emission scan)4min,透射扫描(Transmission scan)4min。采用滤波反投影(Filter Backprojection, FBP)图像重建方式,透射扫描衰减校正,Matrix 128,Zoom =4,滤波函数为Hann,截止频率为0.4,层厚0.25cm。
1.4 显像过程
麻醉用10% 水合氯醛溶液(5ml/kg)腹腔注射。大鼠尾静脉注射DAT显像剂11C-β-CFT(7.4～11.1MBq/只)。因每次显像实验要成像多只大鼠,而11C核素半衰期短(T1/2=20.3min),故利用动物框架每次扫描4只大鼠,框架分为两层,每层2只大鼠,扫描视野包括大鼠整个脑部及颈部,中心点位于4只大鼠中心。
1.5 PET成像感兴趣区(ROI)分析
画取左侧纹状体,大小为15～16像素(pixel)。镜像方法划取右侧纹状体。同样方法划取两侧小脑区域,大小为20～21pixel。测量计数以Bq/ml为单位,每个解剖结构测量3次,取平均值计算同侧纹状体/小脑比值。
1.6 PD大鼠脑组织酪氨酸羟化酶(TH)免疫组织化学染色
正常大鼠、PD模型大鼠各1只。大鼠处死后迅速剥离、取出完整脑组织,浸泡于10%福尔吗啉溶液中3～4天。直至标本硬化。脑组织标本经脱水、石蜡包埋后冷却,以层厚10μm黑质层面处进行切片。滴加1: 100的兔抗鼠酪氨酸羟化酶多克隆抗体(Chemicon公司),滴加生物素化山羊抗兔IgG。DAB显色,常规脱水,透明,封片。
1.7 统计学处理
统计分析PD模型大鼠左、右侧间纹状体/小脑比值,行t检验。
2 结果
2.1 PD模型大鼠
根据测试共筛选出22只成功模型大鼠,显像后一只用于免疫组化染色。另取不成功建模鼠和正常大鼠各一只进行对照显像。
2.211C-β-CFT质控结果
选用0.1mg的前体,无需HPLC分离纯化,放化纯度大于98%, 比活度大于2000GBq/mmol,标记效率达到92.4 %。
2.3 PD大鼠模型的PET成像结果
正常大鼠11C-β-CFT PET显像可见大鼠泪腺、唾液腺等腺体显影清晰且浓聚。于横断面、冠状面可见大鼠纹状体显影,左右侧放射性浓聚程度显示对称,但视觉上两侧纹状体较难清晰分开。
而在PD模型大鼠显像横断面、冠状面可见大鼠纹状体显影,左右侧显示不对称,其中右侧(6-OHDA毁损侧)显示不同程度放射性示踪剂稀疏,近乎缺失,左侧较为浓聚,不成功建模鼠的毁损侧仍可见少许浓聚(图1～3)。
2.4 ROI分析结果
22只PD模型大鼠ROI测量两侧纹状体/小脑比值分别为2.272±0.504(左侧)和1.953±0.400(右侧)。左右侧纹状体/小脑比值,毁损侧均明显低于正常侧。
2.5 TH免疫组织化学染色
正常大鼠黑质处可见较多的TH阳性细胞,着色较深,纤维多而密集。胞体轮廓清晰,数量较多,体积较大,呈锥体形或椭圆形,神经元突起明显。PD模型大鼠染色可见黑质处TH阳性神经元数量明显减少,分布稀疏,神经元胞体轮廓及突起不清晰,着色浅(图4,5)。
3 讨论
目前在PD动物模型研究中,最常用的模型之一是6-OHDA致大白鼠旋转模型。6-OHDA作为递质摄入到神经元内,通过形成羟自由基和抑制线粒体氧化呼吸链复合物Ⅰ和Ⅳ等机制选择性地造成DA神经元死亡。本研究选用SNc及VTA两点注药,以是增加操作的准确性,更大程度地破坏中脑向尾壳核投射通路中DA能神经元,同时增加大鼠的旋转强度,提高建立模型的成功率。应用此方法建立的模型为完全毁损型偏侧PD模型,大鼠多巴胺能神经元的损伤高达90%以上,相当于人类疾病的终晚期阶段。
判断模型成功标准主要包括动物行为学变化,如判断6-OHDA大鼠PD模型是否成功通常以药物诱发实验,即以动物出现旋转的次数为标准。大鼠旋转行为的发生是由于突触前神经元DA含量明显下降,而突触后膜DA受体因失神经支配代偿性大量增加且敏感性增高[1]。此时应用DA受体激动剂使损伤侧兴奋作用占优势而产生向健侧旋转。在对PD疾病的研究中,DAT为多巴胺转运蛋白,位于中枢DA能神经元突触前膜,是一种膜蛋白。其主要功能是在DA能神经元发放冲动后,再摄取突触间隙的DA,以终止神经细胞间的信息传递[2]。根据病理学研究,PD由于中脑黑质多巴胺能神经元大量丧失,所以纹状体多巴胺含量降低,导致多巴胺逆轴突转运减少。所以,在PD研究中,DAT的检测有助于PD的早期诊断和病情监测。
β-CFT为N-甲基-2β-甲基酯-3β-(4-F-苯基)托烷,为研究中常用的DAT示踪剂[3]。注射11C-β-CFT后先在纹状体内呈指数方式浓聚,20min后再缓慢增加,小脑摄取11C-β-CFT在15min达到峰值后迅速下降,1小时后纹状体/小脑比达到稳定值。
在国外研究中,6-OHDA毁损大鼠PD模型中,患侧纹状体内DA神经元大量丢失,造成DAT含量下降[4]。研究业已证实,在PD模型大鼠11C-β-CFT显像中,患侧纹状体CFT摄取较健侧明显降低,两侧不对称[5]。在人类CFT显像中也显示患侧尾壳核降低[6]。而本研究显示,PD大鼠模型患侧纹状体放射性明显低于正常侧,放射性摄取近乎缺失,证明完全毁损型偏侧模型神经元丢失严重。而不成功模型的显像(旋转圈数<210 圈/30 min),观察到毁损侧纹状体尚有不同程度放射性摄取,并非完全缺失(图3)。说明PET多巴胺转运蛋白显像能够客观反应模型大鼠患侧纹状体的DAT缺失程度。因放射性药物制备原因,本研究仅对个别不成功大鼠模型进行了显像,仅从视觉上来区分正常大鼠及成功模型,未进行成组ROI分析。
除视觉分析显像图像外,课题应用ROI方法进行纹状体与小脑区放射性强度的测量,将结果进行半定量分析,使数据更加客观。纹状体/小脑比值是在进行PET脑研究中经常使用的参数,因小脑相对稳定,故常以小脑为对照区域。国外研究显示注射11C-β-CFT后20～30min比值约为2.2～2.8[7]。本课题中根据测量结果纹状体/小脑比值健侧约为2.1～2.4,患侧1.8～2.4,比值略低于国外研究,原因考虑这与PET分辨力密切相关,国外研究多采用高分辨PET或MicroPET。
除了PET显示大鼠纹状体DAT缺失与行为学观察一致以外,研究从病理学免疫组化染色方面证实了这一结果。TH染色是成熟的检测DA神经元形态及数量的方法[8],因此TH染色阳性细胞直接反应DA神经元情况。研究结果证明,PD模型大鼠染色黑质处TH阳性神经元数量明显减少,分布稀疏,与PET成像结果一致。
因此,除利用传统的行为学、生化及病理学改变判断PD大鼠物模型外,DAT的PET成像技术可以显示模型大鼠患侧纹状体DAT缺失程度,可以结合行为学方法评价模型成功与否,为基础研究及临床诊断PD提供了一种分子水平的在体显像工具,同时为药物、基因、干细胞及外科治疗PD提供了有效的监测手段。
摘要：目的:研究多巴胺转运蛋白(11C-β-CFT)PET成像技术在判别帕金森病(PD)大鼠模型中的作用。材料和方法:22只成功的PD大鼠模型分别进行11C-β-CFTPET显像,ROI方法测量模型大鼠两侧纹状体/小脑比值并进行统计分析,比较两侧有无显著性差异。正常与模型大鼠分别进行TH免疫组化染色。结果:模型大鼠毁损侧纹状体放射性明显下降(P=0.000)。同时模型大鼠TH染色黑质处阳性神经元数量减少。结论:PET多巴胺转运蛋白成像可结合行为学观察作为证实模型成功的检验方法之一,为基础研究及临床诊断PD提供了一种分子成像工具。
关键词：帕金森病,帕金森病大鼠模型,多巴胺转运蛋白,PET
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