基于包埋技術(shù)的小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型三維建模及價(jià)值應(yīng)用

鄭二來(lái),陳金鋒*,陳進(jìn)軍,黃海龍,陳小宇,鄧健全

(1.肇慶醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部,廣東 肇慶 526020;2.肇慶市中醫(yī)院影像科,廣東 肇慶 526020)

心臟相關(guān)疾病因其復(fù)雜性及患病人群的普遍性一直都受到國(guó)內(nèi)外研究員和臨床醫(yī)生的普遍關(guān)注。豬的心臟解剖結(jié)構(gòu)與人較為接近,更適合構(gòu)建心血管動(dòng)物研究模型[1-2]。目前,豬心冠狀動(dòng)脈鑄型標(biāo)本制作已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[3-4],而有關(guān)小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型標(biāo)本保存處理及其三維建模的研究報(bào)道甚少。為此,本研究在采用水晶滴膠包埋和三維重建技術(shù)構(gòu)筑小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型模型及其三維立體模型,旨在為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物血管鑄型的后期保存方式及其三維模型構(gòu)建提供一條可參考制作方法。現(xiàn)報(bào)告如下。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

普通級(jí)廣西巴馬小型豬5只,6月齡,體重為15~20 kg,雌性2只,雄性3只,并分別選取其完整新鮮豬心5個(gè)(外科實(shí)驗(yàn)不超過(guò)1 h),豬心外觀及主動(dòng)脈近心端完整,左、右冠狀動(dòng)脈管道通暢,本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)動(dòng)物由南方醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心[SCXK(粵)2016-0167]提供,飼養(yǎng)于肇慶醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心普通級(jí)實(shí)驗(yàn)室[SYXK(粵)2016-0013],本研究經(jīng)肇慶醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心倫理委員會(huì)審核及批準(zhǔn)實(shí)施((肇醫(yī)專)2019-D07-04),所有實(shí)驗(yàn)操作均遵循實(shí)驗(yàn)動(dòng)物3R原則,符合動(dòng)物倫理學(xué)要求。

1.2 主要試劑與儀器

E-51型環(huán)氧樹(shù)脂、RF-400型環(huán)氧樹(shù)脂增韌改性劑、DMP-30、2、4、6三(二甲氨基甲基)苯酚、ZY-1618型改性脂環(huán)胺環(huán)氧樹(shù)脂固化劑、環(huán)氧樹(shù)脂消泡劑、氧化鉛金屬造影粉末、馬利牌油畫(huà)顏料、自制塑料插管、OS-810型水晶AB膠(深圳市歐斯邦新材料有限公司);亞克力板;0.074 mm直徑魚(yú)線;50 mL注射器;DJ1C-100W增力電動(dòng)攪拌器,DBS001打磨機(jī),320#~10000#鷹斧牌水磨砂紙,0.5 w油溶性鉆石研磨膏。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋標(biāo)本制作

用自制塑料插管于豬心主動(dòng)脈近心端插管,并用50 mL一次性塑料注射器不斷抽取5%普通肝素生理鹽水對(duì)插管內(nèi)冠狀動(dòng)脈進(jìn)行推注沖洗,待上腔靜脈近心端流出無(wú)色液體為止,后采用環(huán)氧樹(shù)脂-混合金屬氧化鉛(填充劑與造影劑比例為10 mL:11.3 g)方式進(jìn)行灌注[5],觀察到小型豬心左、右冠狀動(dòng)脈各級(jí)分支清晰可見(jiàn)紅色填充劑后即可停止,靜置標(biāo)本7~12 h,待填充劑完全硬化后放入37%鹽酸腐蝕,3~6 d后將標(biāo)本取出將標(biāo)本放到5%~10%過(guò)氧化氫水溶液內(nèi)漂白12 h,再用自來(lái)水反復(fù)沖洗干凈,得到小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型。再根據(jù)小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型標(biāo)本的比例制作包埋模具及推算所需水晶A膠和B膠的量(A膠∶B膠比例為2.5 mL∶1 mL),用工業(yè)攪拌機(jī)將水晶A膠和水晶B膠反復(fù)攪拌至兩種膠體充分混合,再利用水晶凝膠包埋小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型標(biāo)本(采用最細(xì)魚(yú)線懸吊在模具正中),常溫靜置小型豬心冠狀動(dòng)脈新型包埋模型48 h,待水晶凝膠固化后拆除亞克力板模具,最后利用打磨機(jī)及鉆石研磨膏對(duì)小型豬心冠狀動(dòng)脈新型包埋模型局部凹凸的缺陷分別打磨、拋光,得到小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋標(biāo)本。

1.3.2 CT掃描及三維重建

將小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋標(biāo)本利用64排128層CT進(jìn)行薄層掃描(掃描參數(shù):管電壓120 kV,管電流250 mA,旋轉(zhuǎn)時(shí)間每圈0.5 s,準(zhǔn)直寬度64×0.55 mm,層厚0.6 mm,層距0.6 mm,螺距0.55 mm,視野350 mm,矩陣512×512。)得到的數(shù)據(jù)以DICOM格式保存。后將小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋標(biāo)本數(shù)據(jù)行三維重建,三維重建方式分別為:(1)將標(biāo)本數(shù)據(jù)導(dǎo)入Syngo.via工作站后,用層厚10 mm重建出小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋標(biāo)本的MIP三維圖像,采用調(diào)整窗位窗寬技術(shù)進(jìn)行觀察三維圖像;(2)將標(biāo)本數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 19.0軟件進(jìn)行動(dòng)脈血管重建與分割,獲取不同閾值的小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋標(biāo)本三維可視化模型。

2 結(jié)果

2.1 小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋模型構(gòu)筑

小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型標(biāo)本動(dòng)脈走行分明、各分支分布明確,毗鄰關(guān)系明了,解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)飽滿(圖1)。小型豬心冠狀動(dòng)脈新型包埋模型構(gòu)筑整體無(wú)明顯色變及波紋等現(xiàn)象,表面較為光滑,具有耐水、耐摔、保存時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。而且透亮度高,水晶包埋仍可觀察到小型豬心冠狀動(dòng)脈血管毗鄰關(guān)系(圖2)。小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型分支延續(xù)良好,無(wú)斷落鑄型分支,水晶包埋可較好保護(hù)小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型標(biāo)本。

圖1 小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型Note.a,Anterior aspect view of coronary artery casting in miniature pig heart.b,Posterior aspect view of coronary artery casting in miniature pig heart.1,Right coronary artery.2,Right circumflex artery.3,Right atrioventricular nodal artery.4,Right post descending branch.5,Left coronary artery.6,Left circumflex artery.7,Left post descending branch.8,Diagonal branches.9,Left interventricular branch.Figure 1 Coronary artery casting of miniature pig heart

圖2 包埋后小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型Note.a,Unsalted Crystal embedding model.b,Crystal embedding model with Frosted Paper 400#.c,Crystal embedding model with Frosted Paper 7000#.d,Coronary artery casting in miniature pig heart based on embedding technology.Figure 2 Coronary artery casting of miniature pig heart after embedding

2.2 小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋三維可視化模型構(gòu)建

小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋標(biāo)本利用CT后處理工作站對(duì)小型豬心冠狀動(dòng)脈進(jìn)行最大密度投影(MIP)三維重建,小型豬冠狀動(dòng)脈的血管走行可透過(guò)MIP圖像清晰辨別(圖3a、3b)小型豬心冠狀動(dòng)脈動(dòng)脈主干血管分布及分支走行。MIP重建圖像可在三維操作系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)及不同角度觀測(cè),亦可通過(guò)對(duì)重建條件的調(diào)整選擇改變顯影方式,得到不同的觀察視效。而利用Mimics 19.0軟件構(gòu)建的小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋三維可視化模型清晰逼真、立體感強(qiáng)、管道飽滿、效果逼真,其最大特點(diǎn)在于可利用其軟件功能行閾值分割及虛擬操作構(gòu)建出不同的三維重建模型,通過(guò)調(diào)整閾值獲取不同閾值的小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋標(biāo)本三維可視化模型(圖3c~3f)可在三維操作系統(tǒng)行任意角度旋轉(zhuǎn)及比例縮放,當(dāng)閾值范圍調(diào)整為427~2808HU,可構(gòu)筑小型豬心冠狀動(dòng)脈整體結(jié)構(gòu)(圖3c、3d),能清晰完整地顯示各分支的走行及分布,由粗至細(xì)逐漸至分支末端,當(dāng)閾值范圍調(diào)整為2527~3071 HU,可觀察到由左冠狀動(dòng)脈發(fā)出對(duì)角支、左后降支、左旋支、左室間支;由左冠狀動(dòng)脈發(fā)出的右旋支、右后降支。部分分支消失,此時(shí)小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋三維模型稀疏有度、邊緣光滑,更容易觀察動(dòng)脈主干走行。以上兩種三維重建方式都清晰顯示了的小型豬心冠狀動(dòng)脈血管形態(tài)結(jié)構(gòu)的分布及走行,觀察的結(jié)果均與小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型包埋模型相一致。

圖3 小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型三維可視化模型Note.a,Anterior aspect view of MIP reconstruction model.b,Posterior aspect view of MIP reconstruction model.c/d,Mimics threshold value of 427~2808HU.e/f,Mimics threshold value of 2527~3071 HU.1,Right coronary artery.2,Right circumflex artery.3,Right atrioventricular nodal artery.4,Right post descending branch.5,Left coronary artery.6,Left circumflex artery.7,Left post descending branch.8,Diagonal branches.9,Left interventricular branch.Figure 3 Three dimensional visualization model of coronary artery casting in miniature pig heart

3 討論

3.1 動(dòng)物血管鑄型模型包埋技術(shù)改進(jìn)

動(dòng)物血管鑄型作為解剖標(biāo)本制作及觀測(cè)結(jié)構(gòu)形態(tài)的手段,常規(guī)利用5%甲醇溶液混合蒸餾水營(yíng)造濕性環(huán)境保存血管鑄型,易導(dǎo)致鑄型枝折斷,不利于鑄型標(biāo)本的血管網(wǎng)保存及臨床教學(xué)[6-7],而利用水晶包埋技術(shù)對(duì)血管鑄型標(biāo)本進(jìn)行保護(hù)性處理,得到鑄型包埋標(biāo)本,可較好地保存原始完整動(dòng)物血管鑄型標(biāo)本。目前,李長(zhǎng)征等[8]報(bào)道水晶包埋人體器官血管鑄型,從圖片整體上觀察效果比較好,清晰度較好,但是介紹制作過(guò)程描述過(guò)于簡(jiǎn)單化,不利于研究者學(xué)習(xí)。由于每一件動(dòng)物血管鑄型標(biāo)本尺寸大小不一,必須個(gè)性化定制模具。因此,制作模具成本及后續(xù)打磨拋光難易度是包埋血管鑄型需要考慮重要因素。本研究團(tuán)隊(duì)在參考其基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)節(jié)改進(jìn)[9],具體為:(1)模具選擇,采用內(nèi)外層相結(jié)合定制模具,內(nèi)層采用1 cm厚PVC薄板,外層采用2.8 cm厚鋁塑板,其優(yōu)點(diǎn):①成本低廉,制作小包埋標(biāo)本(如小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型)模具成本在1.5~2.5元,而同規(guī)格1 cm厚有機(jī)玻璃模具成本需10~12元。如制作包埋中大血管鑄型標(biāo)本(如小型豬肝血管或頭頸部等),本研究模具只需擴(kuò)大表面積成本,增加費(fèi)用不明顯,而需要采用更大厚度有機(jī)玻璃封裝,厚度越大其成本越昂貴。②制作簡(jiǎn)便,本研究模具內(nèi)外層只需要普通美工刀切割和熱熔膠黏板只可以,而有機(jī)玻璃模具厚度越大,則需要精密機(jī)器切割和封裝,操作相對(duì)復(fù)雜。③密封安全性好,在灌膠過(guò)程中,即使內(nèi)層隨灌膠量增多,底部壓力增大發(fā)生小口側(cè)漏,外層是最好固定屏障,保障包埋血管鑄型制作不失敗。而有機(jī)玻璃一旦漏膠,則無(wú)法補(bǔ)救,這也是本研究模具獨(dú)特優(yōu)勢(shì)所在。④標(biāo)本大小不限制,由于有機(jī)玻璃承壓能力有限,不適合制作動(dòng)物全身血管鑄型等標(biāo)本包埋,而本模具非常靈活操作,只需要在外層多處加上固定鉗就可以穩(wěn)固,是本研究模具最大優(yōu)勢(shì)。⑤脫模方便,待灌膠固化后撕掉內(nèi)層就可以,外層在沒(méi)有損壞情況下可以重復(fù)使用,比一次性有機(jī)玻璃模具較大地節(jié)省制作成本和重復(fù)制作工序。(2)包埋標(biāo)本固定,將標(biāo)本置于模具正中央位置是最佳的,而在實(shí)際灌膠過(guò)程中往往出現(xiàn)標(biāo)本上浮(肺支氣管等)或下沉(肝內(nèi)管道等),均影響包埋后標(biāo)本觀察效果及后續(xù)打磨拋光處理。本研究采用最細(xì)魚(yú)線懸吊標(biāo)本于模具正中,模具尺寸一般為標(biāo)本直徑1.25倍,這樣既能展示包埋標(biāo)本美觀大方,又能為后續(xù)精磨拋光留有足夠厚度凝膠。(3)精打細(xì)磨,是衡量制作動(dòng)物血管鑄型包埋標(biāo)本質(zhì)量效果好壞最后工序,根據(jù)脫模后模型情況,選擇不同型號(hào)磨砂紙(400#-8000#)進(jìn)行研磨,采取“先機(jī)后人”、“先粗后細(xì)”原則,若模型部分邊界成型后表面凹凸不平明顯先采用打磨機(jī)砂帶磨削(＜2000#),待模型表面平整后,再采用2500#以上砂紙進(jìn)行人工細(xì)磨,直至標(biāo)本透亮度清晰可見(jiàn),最后再使用散粒拋光膏對(duì)死角劃痕紋理持續(xù)拋光處理即可。

3.2 基于鑄型包埋技術(shù)下構(gòu)筑小型豬心冠狀動(dòng)脈三維模型的優(yōu)勢(shì)

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,心血管疾病的術(shù)前治療方案也逐漸多樣,術(shù)前規(guī)劃與治療效果的科學(xué)預(yù)測(cè)在心血管手術(shù)中顯得尤為重要,目前術(shù)前規(guī)劃方案數(shù)據(jù)的獲取多依賴于醫(yī)學(xué)圖像的獲取和三維重建,對(duì)冠狀動(dòng)脈血管的三維重建及分割算法的研究也成為了數(shù)字可視化領(lǐng)域熱點(diǎn)[10-13]。目前,鄧健全等[14]利用氧化鉛造影填充劑制作小型豬心冠狀動(dòng)脈鑄型,后經(jīng)CT掃描及Mimics軟件成功構(gòu)建小型豬心冠狀動(dòng)脈三維模型,實(shí)現(xiàn)了由二維圖像到三維立體模型的轉(zhuǎn)變,直觀、立體觀察小型豬心冠狀動(dòng)脈血管分布及走行,對(duì)了解小型豬心冠狀動(dòng)脈結(jié)構(gòu)有較大的優(yōu)勢(shì)。本研究在其研究基礎(chǔ)上則利用水晶滴膠包埋技術(shù)、血管鑄型技術(shù)及三維重建技術(shù)構(gòu)建構(gòu)筑小型豬心冠狀動(dòng)脈三維模型,與國(guó)內(nèi)動(dòng)物研究文獻(xiàn)[15-17]相比較,具有以下優(yōu)勢(shì):(1)血管鑄型標(biāo)本保護(hù)性強(qiáng),小型豬心冠狀動(dòng)脈細(xì)小分支多且易折斷,頻繁翻動(dòng)觀察容易損壞其分支血管,而血管鑄型標(biāo)本經(jīng)過(guò)水晶包埋后,具有耐磨損、防酸堿、攜帶方便及任意角度旋轉(zhuǎn)觀摩等特點(diǎn),非常適合臨床現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)本示教和生命科學(xué)館展示。(2)構(gòu)筑三維模型清晰度高,根據(jù)計(jì)算機(jī)圖像處理原理[18],水晶滴膠主要是環(huán)氧樹(shù)脂固化物,閾值為0,即是水晶滴膠包埋前后基于CT掃描數(shù)據(jù)構(gòu)筑小型豬心冠狀動(dòng)脈三維模型效果一樣,建立三維模型清晰度無(wú)差別。(3)封裝成本低廉,保存周期長(zhǎng)。采用水晶滴膠包埋血管鑄型標(biāo)本封裝成本明顯低于常規(guī)有機(jī)玻璃盒,封裝血管鑄型標(biāo)本越大,成本性價(jià)比越明顯。并且克服有機(jī)玻璃盒定期更換保存液及日常維護(hù)等缺點(diǎn),性價(jià)比高。

綜上所述,通過(guò)水晶滴膠包埋技術(shù)、血管鑄型技術(shù)及三維重建技術(shù)三者融合一體構(gòu)筑小型豬心冠狀動(dòng)脈三維模型,可以直觀顯示虛擬和真實(shí)小型豬心冠狀動(dòng)脈的三維立體狀態(tài),為今后數(shù)字化實(shí)驗(yàn)動(dòng)物血管研究及人體數(shù)字標(biāo)本三維模型建立提供創(chuàng)新性思維方法。