小型豬頭頸部動脈血管的解剖結(jié)構(gòu)與三維建模

蘇卓經(jīng)，黃海龍(肇慶醫(yī)學高等?？茖W校 .205級臨床醫(yī)學專業(yè)； 2.人體形態(tài)學研究室，廣東 肇慶 526020)

豬是生物醫(yī)學研究中應(yīng)用最為廣泛的非嚙齒類大型實驗動物之一，在生命科學研究領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值，具有其他動物不可替代的優(yōu)越性。而利用鑄型技術(shù)構(gòu)筑豬各部位的血管系統(tǒng)分布提供形態(tài)學基礎(chǔ)是一種重要的研究手段。目前，豬部分臟器的血管鑄型標本制作已有相關(guān)文獻報道[1 - 3]，而有關(guān)豬頭頸部血管及其三維建模的報道相對甚少。為此，本研究采用管道鑄型技術(shù)和血管造影重建技術(shù)制作小型豬頭頸部動脈血管鑄型標本后行螺旋CT掃描，以重建小型豬頭頸部血管三維立體模型，旨在為小型豬腦缺血模型的建立及研究提供立體形態(tài)學的參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實驗動物

采用普通級巴馬小型豬1只，雄性，體重18 kg，7月齡，由肇慶醫(yī)學高等?？茖W校動物實驗中心提供[SCXK (粵) 2016-0041]，實驗動物取材和實驗過程均在肇慶醫(yī)學高等?？茖W校外科實驗室完成[SYXK (粵) 2016-0167]。動物實驗符合倫理要求，實驗程序通過了肇慶醫(yī)學高等?？茖W校動物實驗委員會批準(批號：2016-9-25-101)，實物動物處理嚴格遵循肇慶醫(yī)學高等?？茖W校動物實驗委員會與倫理委員會相關(guān)指南要求。

1.2 主要試劑與儀器

鑄型填充劑：E-51型環(huán)氧樹脂、環(huán)氧樹脂高性能增韌改性劑RF-400、三(二甲胺基甲基)苯酚DMP-30、改性脂環(huán)胺環(huán)氧樹脂固化劑ZY-1618、氧化鉛(9.63 g/cm3)、馬利牌油畫顏料、37%鹽酸。

手術(shù)器械(手術(shù)刀、組織剪、止血鉗、醫(yī)用縫線)，醫(yī)用塑料注射器(規(guī)格：50 mL、20 mL)，燒杯(規(guī)格：50 mL)，玻璃棒，電子秤(規(guī)格：0.01 g)，自制不同口徑塑料插管。

1.3 實驗方法

1.3.1 鑄型制作

要求豬頭各部分組織無破損，將表面血跡沖洗干凈，用自制塑料插管對其左、右頸總動脈進行插管，插管后用自來水將血管內(nèi)的淤血沖洗干凈。先將豬頭標本放置12～18 h，灌注前用50 mL注射器反復(fù)向插管內(nèi)注入空氣，盡可能排出血管內(nèi)殘余水分，然后配制改良環(huán)氧樹脂混合液-氧化鉛(100 mL/150 g)填充劑[4]，用50 mL一次性注射器分別向兩側(cè)頸總動脈緩慢推注填充劑，邊推注邊觀察豬頭表面的顏色變化，當出現(xiàn)部分微小紅斑應(yīng)立即停止推注，灌注量約為38 mL。最后將小型豬頭部標本擺正，待填充劑完全凝固后，放入37%的鹽酸溶液浸泡腐蝕，7 d后取出鑄型標本用自來水沖洗干凈，適當修剪處理，封瓶保存。

1.3.2 CT掃描與三維重建

將已制作好的小型豬頭頸部血管網(wǎng)鑄型標本作為模板，采用西門子SOMATOM Definition AS 128層螺旋CT進行薄層掃描。掃描參數(shù)：電壓120 kV，電流100 mA，旋轉(zhuǎn)時間每圈0.5 s，準直寬度64 × 0.625 mm，重建層厚0.67 mm，重建間隔0.33 mm，螺距0.973 mm，視野300 mm，矩陣512 × 512，所獲數(shù)據(jù)用DICOM格式保存，數(shù)據(jù)容量共計0.6 GB。然后將CT掃描采集的原始二維斷層圖像數(shù)據(jù)集導(dǎo)入CT后處理工作站重建小型豬頭頸部動脈三維圖像。

2 結(jié)果

2.1 小型豬頭頸部動脈血管的分布特點

小型豬頭頸部動脈血管主要來自頸總動脈，在進胸腔前處分成左、右頸總動脈，起始外徑為(5.6±0.2) mm、長度為(9.4±0.2) mm，各自沿氣管外側(cè)向頸部延伸，沿頸動脈鞘走行，終末以不同方式分出頸外動脈、頸內(nèi)動脈和枕動脈，頸內(nèi)動脈和枕動脈同起始于一短的總干，頸外動脈主要分為頜面部血管、舌部血管和鼻部血管(圖1)，具體分布特點如下。

2.1.1 頸內(nèi)動脈

與枕動脈同以一短的總干起始，略向前走行，比枕動脈大，起始外徑為(2.5±0.1) mm，在根部分出短、長兩支。短支向上行，分布于頭側(cè)直肌、咽后內(nèi)側(cè)淋巴結(jié)及頭前斜肌。長支向前上行，從破裂孔后部(頸靜脈孔)進入顱腔，在進入顱腔前參與形成硬膜后異網(wǎng)。頸內(nèi)動脈進入顱腔后，立即向后分出后交通動脈，與大腦后動脈吻合。頸內(nèi)動脈主干呈弧形彎曲向前內(nèi)側(cè)走行，在視神經(jīng)交叉的前側(cè)方分出兩支中支，即大腦中動脈和大腦前動脈。

(1)豬的大腦中動脈通常不是以一總干起始，而是以2～3支密集地由頸內(nèi)動脈發(fā)出，向背外側(cè)走，再以不同形式分成許多分支分布于大腦半球的外側(cè)、背外側(cè)及前外側(cè)部表面，并于嗅外側(cè)溝發(fā)出一些穿支至皮質(zhì)的不同區(qū)域，包括梨狀葉及腦島。

注：a：右側(cè)面觀；b：后面觀；c：正面觀。1：左頸總動脈；2：左頸外動脈；3：左枕動脈干；4：右頸總動脈；5：右頸外動脈；6：右枕動脈干；7：眶下動脈；8：鼻后動脈；9：右鼻內(nèi)動脈；10：左鼻內(nèi)動脈。圖1 小型豬頭頸部血管鑄型標本Note.a: Right side view. b: Back view. c: Front view. 1: Left common carotid artery; 2: Left external carotid artery; 3: Left occipital artery trunk; 4: Right common carotid artery; 5: Right external carotid artery; 6: Right occipital artery trunk; 7: Infraorbital artery; 8: Posterior nasal artery; 9: Right nasal artery; 10: Left nasal artery.Fig.1 Vascular cast specimen of miniature pig head and neck

(2)大腦前動脈向前走行分出交通支，與對側(cè)的同名動脈分支吻合，形成前交通支；大腦前動脈繼續(xù)前行，分出一支分支向上彎曲走行，在大腦半球間隙形成胼胝體動脈，而后與對側(cè)同名動脈匯合成胼胝體總動脈，胼胝體總動脈沿大腦半球間隙向后走行，供養(yǎng)大腦半球背側(cè)面及大腦前半部腦回；大腦前動脈分出胼胝體動脈后，繼續(xù)走行成為篩內(nèi)動脈，篩內(nèi)動脈在行程中分出分支完成整個嗅球血供。

(3)大腦后動脈從后交通動脈發(fā)出，沿大腦背外側(cè)向上，主要供養(yǎng)大腦后部表面及內(nèi)部，行至大腦半球后部及后內(nèi)部與大腦前動脈的終末部連接；后交通動脈為頸內(nèi)動脈的后分支，分出大腦后動脈后，向后延續(xù)為中腦動脈，沿大腦腳腹側(cè)面走行，沿途分出分支供應(yīng)血流至丘腦、垂體及大腦腳，然后與對側(cè)同名動脈相吻合并與基底動脈相連。

2.1.2 枕動脈

與頸內(nèi)動脈同來源于一短的總干，起始外徑為(2.1±0.1) mm，分出枕支供應(yīng)胸骨乳突肌、頭長肌、頭腹側(cè)直肌及頭外側(cè)直肌的血流；枕動脈在寰椎窩內(nèi)與椎動脈吻合后，經(jīng)寰椎椎間孔進入椎管，然后分出前、后兩支，前支為基底動脈，后支為脊髓腹側(cè)動脈?；讋用}在延髓和腦橋腹側(cè)正中前行，分別發(fā)出分支至小腦、延髓及腦橋，行至大腦腳與大腦后動脈吻合。

2.1.3 頸外動脈

起源于頸總動脈，起始外徑(4.5±0.2) mm，其走行呈S形彎曲，根據(jù)其行程主要分為舌部、頰面部、鼻部，具體分布如下。

(1)舌部：舌部的動脈主要由舌動脈發(fā)出，舌動脈自頸外動脈腹側(cè)發(fā)出，分出腭部和咽部分支到軟腭、咽部及舌骨部及周圍肌肉，后沿舌骨舌肌深面前下行，沿途發(fā)出舌深動脈和舌下動脈，舌深動脈為母干延續(xù)，一直前行到達舌尖，舌下動脈沿舌肌表面前下行，主要供養(yǎng)舌下組織；頦下動脈經(jīng)頦孔進入下頜骨，主要分布于下頜切齒。

(2)頜面部：頜面部血管較多，包括頜外動脈、耳前動脈、耳后動脈、腮腺支、顳淺動脈和頜內(nèi)動脈。頜外動脈由頸總動脈分出，沿下頜骨向外前下行，分布于下頜間隙；耳后動脈沿著耳后的向上走行，沿途發(fā)出分支至耳下肌，血管管徑較粗且長，一直行至耳甲尖；腮腺枝較細小，由頸外動脈側(cè)方發(fā)出，向外走行，分布于腮腺；顳淺動脈為頸外動脈最前方的一個分支，發(fā)出面橫動脈供養(yǎng)咬肌、顴肌和眼輪匝肌，耳前動脈由顳淺動脈發(fā)出，分布于耳前不的肌肉和耳廓內(nèi)側(cè)面；頜內(nèi)動脈為頸外動脈主干的延續(xù)部分，位于翼內(nèi)肌和翼外肌之間，分出頰肌動脈后，主干呈S形轉(zhuǎn)彎前行，依次分出腦膜中動脈、下頜齒槽動脈、翼肌支、頰肌動脈、眼外動脈、顴動脈、腭降動脈和眶下動脈，腦膜中動脈有兩支分支，最終都趨向破裂孔前部，與頸內(nèi)動脈共同形成異網(wǎng)，其余血管分別對下頜齒槽、翼肌、頰肌(包括眼角、上下唇和口角)、眼眶及其周圍組織進行供血。頜面部的血管較細小，位置也相對表淺，但分支較多，且覆蓋面較廣，血供豐富，面部血管不會出現(xiàn)血運障礙。

2.1.4 鼻部

鼻部血供主要來源于腭降動脈，腭降動脈分為蝶腭動脈和腭大動脈，蝶腭動脈進入鼻腔，分為數(shù)支，分支與于鼻腔粘膜，在鼻腔中與腭大動脈的分支吻合；腭大動脈為腭降動脈的延續(xù)，向前下側(cè)走行，穿過腭管進入鼻腔，分布于鼻腔粘膜。

2.2 小型豬頭頸部血管三維重建圖像

基于鑄型標本的CT掃描數(shù)據(jù)，利用CT后處理工作站對小型豬頭頸部血管進行三維重建，重建方式包括容積再現(xiàn)(volume rendering，VR)和最大密度投影法(maximal intensity projection，MIP)。VR圖像空間立體感強，管道飽滿、連續(xù)性好，能立體地顯示血管的分布走行、位置及其相關(guān)的毗鄰關(guān)系(圖2a)；MIP圖像能夠清晰顯示動脈血管的密度分布及血管逐漸變細的樣影，且連續(xù)性強，可通過調(diào)整窗位與窗寬顯示不同級數(shù)的血管(圖2b)。CT重建圖像可在三維空間內(nèi)進行任意角度的動態(tài)旋轉(zhuǎn)，不僅可以從不同角度對血管進行觀察，而且可以通過對重建條件的調(diào)節(jié)而選擇不同的顯示方式。

注：a：VR重建模型；b：MIP重建模型。1：左頸總動脈；2：右頸總動脈；3：右頸內(nèi)動脈；4：左頸內(nèi)動脈；5：右頸外動脈；6：左頸外動脈。圖2 小型豬頭頸部血管CT重建模型Note.a: VR reconstruction model. b: MIP reconstruction model. 1: Left common carotid artery; 2: Right common carotid artery; 3: Right internal carotid artery; 4: Left internal carotid artery; 5: Right external carotid artery; 6: Left external carotid artery.Fig.2 CT reconstruction model of the arterial vessels in the head and neck of miniature pig

3 討論

3.1 小型豬頭頸部血管灌注成型顯影的優(yōu)勢

管道鑄型技術(shù)對于顯示血管及其他管道結(jié)構(gòu)具有其獨特的意義，隨著鑄型技術(shù)的發(fā)展，鑄型標本與教學、科研的聯(lián)系也越來越緊密，為臨床、教學及科研提供可靠、直觀的形態(tài)學依據(jù)[5 - 6]。小型豬頭頸部動脈血管具有管徑小、管壁薄、彈性差等特點，其鑄型標本制作難度較大，國內(nèi)關(guān)于小型豬頭頸部動脈血管形態(tài)學詳細、完整的研究報道甚少。利用管道鑄型技術(shù)構(gòu)建小型豬頭頸部動脈血管鑄型，具有以下特點與優(yōu)勢：① 能顯示小型豬頭頸部各級動脈血管的走行及分布特點，具有層次分明、三維立體感強及形態(tài)結(jié)構(gòu)與小型豬頭頸部外形一致性高等特點，其腦部位于顱腔內(nèi)，腦部血管側(cè)支循環(huán)較少，與頜面部無血管吻合，血管分布較集中等血管之間的毗鄰關(guān)系在鑄型標本上能清楚表達。通過加入金屬氧化物氧化鉛作為造影劑，利用重金屬氧化物造影成像，圖像豐富飽滿、清晰無偽影，細節(jié)表現(xiàn)力強，CT掃描顯影度好，得到的三維圖像立體感強。② 通過觀察小型豬頭頸部動脈鑄型標本，血管的分布、結(jié)構(gòu)及其特征清晰可辨，能夠直觀、立體地從不同角度觀察血管之間的走行和吻合，這個優(yōu)勢是傳統(tǒng)二維解剖圖片不能比擬的，可為進一步研究小型豬頭頸部動脈血管的結(jié)構(gòu)以及功能奠定形態(tài)學基礎(chǔ)和提供解剖學的參考依據(jù)。

3.2 小型豬頭頸部動脈血管三維建模的特點及意義

近年來，隨著計算機軟件技術(shù)在醫(yī)學研究各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于CT掃描數(shù)據(jù)集的三維重建有了很大的發(fā)展[7]。國內(nèi)那順巴雅爾等設(shè)計與制作西藏小型豬腦的動脈血管鑄型，但是沒有構(gòu)建三維可視化模型，只能從二維圖片去觀察血管的分支與走行[8]。本研究通過制作小型豬頭頸部血管鑄型標本，后行CT掃描并重建得到的小型豬頭頸部血管三維模型，與鑄型標本相一致，能清晰表達小型豬頭頸部血管全貌，空間感強，與鑄型標本相比，具有以下特點：重建三維模型具有虛擬、靈活的特點，可在計算機三維空間內(nèi)行任意角度的旋轉(zhuǎn)、隨意放大或縮小，還可以對模型進行虛擬切割。由于鑄型標本的空間構(gòu)造特點，只能觀察到表面的血管，難以觀察到被表面覆蓋的內(nèi)部血管，對于深層血管的觀察具有很大局限性，而三維重建模型則可以很好解決這個問題，還可在計算機三維空間內(nèi)對原始圖進行解剖數(shù)據(jù)的測量。小型豬作為醫(yī)學研究的理想動物模型已得到廣泛認可，其大腦血管的解剖結(jié)構(gòu)與人相近似，且側(cè)支循環(huán)少，常被用于建立腦缺血模型[9 - 11]。本研究所構(gòu)建的三維模型對建立豬腦缺血模型具有參考意義，主要有：① 形態(tài)學基礎(chǔ)參考：豬腦缺血模型包括全腦缺血模型和局灶性腦缺血模型，其中局灶性腦缺血模型通過阻斷部分血管的血流以達到缺血的效果，其對頸內(nèi)血管的管徑大小以及解剖位置的準確定位要求較高，在建立腦缺血模型前，操作者可在計算機三維空間內(nèi)對小型豬頭頸部血管三維模型進行操作，利用切割功能充分暴露頸內(nèi)動脈的分布，再通過旋轉(zhuǎn)和放大縮小等功能觀察頸內(nèi)動脈的走行及吻合，進一步觀察血管之間的吻合情況；② 虛擬模型建立：操作者可利用有限元軟件切割功能將三維模型分離出頸內(nèi)血管及其分支，再導(dǎo)入仿真軟件，通過仿真軟件選擇建立模型的血管位置和操作方式，預(yù)測缺血的范圍，并反復(fù)進行的模擬操作和修正。通過結(jié)合三維模型建立虛擬腦缺血模型，既有助于制定和優(yōu)化建立模型的方案，又能減低建立模型過程中神經(jīng)血管組織損傷的風險，提高建立豬腦缺血模型的成功率。此外，由于鑄型標本的技術(shù)特點，制作一件鑄型標本就要消耗一件實物標本，其制作成本較高、耗時較長。因此可以將重建三維模型導(dǎo)入3D打印設(shè)備，就能打印出與原標本一致的3D立體模型，制作成本有效降低、方便攜帶且數(shù)量不限[12]。

綜上所述，采用鑄型標本與CT三維重建模型相結(jié)合的方式，能多角度、多層次地展示小型豬頭頸部血管的分布及走向情況，為探討小型豬腦部血管的分布走行特點以及建立豬腦缺血模型從實體標本與虛擬化模型兩方面提供形態(tài)學的參考依據(jù)。

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