人丘脑断面解剖及磁共振图像三维重建

任 珂，金保哲，张新中

(新乡医学院第一附属医院神经外科 河南省神经修复重点实验室，河南 卫辉 453100)

丘脑是脑皮质下最大的中继站，其纤维联系广泛，可将身体内外刺激引起的冲动整合后传递到大脑皮层[1]。帕金森病被认为与丘脑病变有关[2]。目前，深部电刺激(deep brain stimulation，DBS)已经成为治疗顽固性帕金森病的主要手段[3]，但DBS的目标靶核位于脑组织深部，且体积较小，因此，准确的定位对手术成败至关重要。目前对丘脑形态的识别主要依赖于大体解剖或影像学解剖，但由于主观因素及图像分辨率等原因，影响到丘脑三维形态展示和术者对丘脑核团的有效识别。本研究通过测量丘脑体积及各断面数据，并利用交互式医学影像控制系统 (Materialise′s interactive medical image control system，Mimics)对丘脑形态进行三维重建，旨在获得丘脑的可视化立体模型，为临床立体定向手术提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 头颅标本无肉眼病变、无手术史的成年男性尸体头颅标本6例，由河南省神经修复重点实验室提供。本研究经新乡医学院第一附属医院伦理委员会审核批准。

1.2 丘脑三维模型重建选取1 例尸体头颅标本，使用 3.0T signa HDxt磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)仪(美国General Electric公司) 进行扫描，将获得的MRI图像导入计算机，利用Mimics 医学三维重建软件提取丘脑轮廓，重建丘脑三维模型。

1.3 大脑整体标本获取将6例尸体头颅沿正中矢状位、眉弓和枕外隆突连线水平位依次切开皮肤及皮下组织，用手摇钻依次在皮肤切缘上方间隔 5 cm 打孔，用线锯锯开颅骨，显示并切开硬脑膜，在天幕裂孔处断开脑干，完整取出大脑，去除表面软脑膜、血管及神经，然后将整大脑于-20 ℃下冷冻保存。

1.4 大脑切片标本制作选用自制容器，在容器中提前埋设3 根互相平行的定标线，其垂直截面的连线呈直角三角形，将底部用碎冰块铺满至最下方定标线，放入-20 ℃冰箱冰冻2 h后取出，将6例冰冻的大脑标本放入其中，将容器加满冰水，放入 -20 ℃ 冰箱冷冻72 h，在预定时间将切片机的载物台和刀具预冻15 min，将冰冻的大脑标本用夹具固定于载物台上，将6例大脑标本随机分为矢状位、冠状位、水平位3组，每组2例，设定层厚为0.5 mm，进行连续切割。其中矢状位组大脑标本行矢状位切片，从大脑中线向颞叶方向做连续切片，出现丘脑间黏合层面定义为0，丘脑消失定义为最后1层；冠状位组大脑标本行冠状位切片，从额叶向枕叶方向做连续切片，将侧脑室前角最先出现的层面定义为0，丘脑枕消失定义为最后1层；水平位组大脑标本行水平位切片，从顶叶向大脑底部做连续切片，将胼胝体最先出现的层面定义为0，丘脑消失定义为最后1层。

1.5 大脑切片标本丘脑图像采集及数据测量在每1份大脑切片标本旁放置刻度标尺，用Nikon D100高清数码相机(日本尼康公司)对切片中丘脑观测较好的层面进行拍摄照片，在相同自然光下进行拍摄，图片存入计算机，利用photoshopCS6软件逐层对图像中丘脑轮廓边界进行识别提取，以刻度标尺为依据测量单位长度所含像素值的大小，将以像素为单位的数据转换成以毫米为单位的数据，获得每毫米所含像素值，再结合手工测量，获得断面上丘脑的前后径、左右径、上下径、面积及像素值，所得结果除以像素值/长度值，即为实测值。单层面积与层厚相乘得出单层体积，逐层体积相加即丘脑总体积[4]。应用SPSS20.0软件对测得的数据进行处理，结果以均值表示。

2 结果

2.1 丘脑结构三维重建结果结果见图1。经Mimics软件对MRI扫描获得的头颅图像进行逐层边界识别并提取，获得了丘脑的三维重建图像模型，清晰显示了丘脑的空间位置、立体形态。

A：丘脑前面观；B：丘脑后面观。

图1 丘脑的三维重建图像

Fig.1 Three-dimensional reconstructed image of thalamus

2.2 大脑水平位切片观察结果水平位组大脑标本从顶叶向大脑底部做连续切片，丘脑出现在距离胼胝体层面43 mm处，可见连于胼胝体膝后方的透明隔，透明隔后方为穹窿，穹窿两侧为丘脑。尾状核头和背侧丘脑的外侧为内囊(图2)。丘脑位于第三脑室外侧，背侧丘脑和尾状核头外侧是“> <”形的内囊，再向外依次是苍白球、壳、外囊、屏状核、最外囊、岛叶皮质及岛盖。距离胼胝体层面约61 mm处丘脑消失。

1：尾状核；2：壳；3：内囊；4：丘脑；5：透明隔；6：胼胝体。

图2 人脑水平位切片图

Fig.2 Horizontal slice of human brain

2.3 大脑冠状位切片观察结果冠状位组大脑标本从额叶向枕叶方向做连续切片，在距原点层面 25 mm 处出现丘脑，丘脑为长约3 cm卵圆形的灰质核团，两侧丘脑的内侧壁参与构成第三脑室的侧壁和侧脑室的下壁(图3)，丘脑与尾状核体外侧的白质为内囊。在穹窿柱与丘脑前核间有室间孔沟通第三脑室与侧脑室。室间孔后方有丘脑间黏合连接两侧丘脑，此时胼胝体移行为胼胝体干。在距原点层面55 mm处丘脑消失。

1：侧脑室；2：丘脑；3：第三脑室。

图3 人脑冠状位切片图

Fig.3 Coronal slice of human brain

2.4 大脑矢状位切片观察结果矢状位组大脑标本从大脑中线向颞叶方向做连续切片，丘脑间黏合(又称中间块，是第三脑室内连接两侧丘脑的灰质结构)出现在正中矢状位上，在正中矢状面可观察到丘脑轮廓(图4)，丘脑和下丘脑内侧面为第三脑室，借下丘脑沟分为上、下部。室间孔位于穹窿柱与丘脑之间，穹窿体沿丘脑和胼胝体之间向后下方延续为穹窿脚。第三脑室脉络丛位于丘脑的背侧面与内侧面交界处。在距离丘脑间黏合10 mm处、侧脑室三角区前方出现丘脑枕，其与豆状核之间的白质纤维为内囊后肢。在距离丘脑间黏合层面4 mm处，丘脑消失。

1：胼胝体；2：尾状核；3：内囊；4：丘脑。

图4 人脑矢状位切片图

Fig.4 Sagittal slice of human brain

2.5 丘脑各径线及体积丘脑前后径、左右径、上下径分别为(29.52±0.47)、(14.51±0.18)、(18.66±0.35)mm，左、右侧丘脑体积分别为(6 218.56±563.60)、(5 764.37±485.48)mm3，总体积为(5 946.95±403.15)mm3。

3 讨论

丘脑为一个有着复杂而广泛生理功能的灰质核团，在帕金森病的发生、发展中扮演着重要角色。近年来，随着立体定向手术的开展，DBS已经成为治疗顽固性帕金森病的主要手段。DBS是通过在丘脑相应的目标核团放置电极，通过发放电刺激，从而可逆地调节病理性神经活动，达到缓解帕金森病患者震颤的目的[5]。DBS电极置入手术成功的关键是电极准确放置[5]，从而使神经调节作用最大化，而准确定位对手术至关重要。

考虑到帕金森病患者行DBS手术的安全性，术者必须熟悉丘脑的三维形态及其体积。传统的解剖书籍不足以明确丘脑的三维结构。目前，随着影像学的发展，丘脑的形态得到进一步展示，但仍无法真实直观展现丘脑的三维形态，而且其易受个人经验及主观因素的干扰[6]。本研究基于人脑标本MRI图像，运用Mimics软件重建出丘脑的三维模型，能很好地显示出丘脑的立体形态，为临床立体定向手术提供了形态学依据。在关于丘脑体积的研究中，基于尸体切片对丘脑体积的分析鲜有报道。本研究测得丘脑的平均体积为(5 946.95±403.15)mm3，这与 BYNE等[7]报告的(4 610.00±0.51)mm3有较大差别，这可能与其测定的是精神分裂症患者的丘脑标本有关。CHUNG等[8]将大脑标本浸泡在明胶溶液中固定，然后在MRI上将其图像分割成不同的平面，使用虚拟切片程序测定了丘脑的体积，但未对丘脑的立体形态进行展示。

近年来，三维重建技术因其有较好的立体展示效果而广泛应用于医学领域[9]，在三维重建与定量测量相结合方面取得了较大进展。李七渝等[10]采用低温冷冻铣切技术采集人体大脑标本的横断层图像，对大脑各结构进行了空间定位和三维测量。本研究通过对大脑标本精确切割，利用计算机软件进行计算，将断层解剖和计算机三维重建相结合，对丘脑形态进行三维重建，获得了丘脑的可视化模型，所得数据真实可靠，清晰展示了丘脑真实的解剖结构，为丘脑影像学研究提供了资料，并且观察到在同一标本中左、右丘脑的体积并不相同，这可能与大多数人左侧为优势半球，左侧丘脑发育较好有关。

综上所述，本研究通过丘脑的薄层断面定位解剖和三维重建，得到了丘脑的空间结构及形态，为立体定向手术提供了数据及形态学参考依据。但本研究仅限于尸体头颅标本，经甲醛浸泡及低温冷冻后脑组织的正常结构难免变形移位，从而使测量数据与正常活体有一定差异。未来随着生物切片、显微技术的提高和高分辨率影像技术的应用，丘脑精细核团的定位及三维重建将会更加清晰，对丘脑的整体参数测量及模型制作将会更加细致。