人体正中神经内部显微结构的三维重建与可视化研究.doc

1人体正中神经内部显微结构的三维重建 与可视化研究作者：孙廓,胡平,张峰,张键,李华【摘要】 ［目的］探索应用计算机处理人体正中神经全长连续冰冻组织切片的二维图像信息，开发 3DNerve 神经三维可视化系统，重建人体正中神经内部显微结构并实现三维可视化 ［方法］取新鲜人尸正中神经标本 1 例，以人长发为定位线、OCT 包埋剂包埋、采用连续冰冻组织切片、乙酰胆碱脂酶组织化学法染色、高分辨率扫描仪获取二维数码信息后、应用 3DNerve 对正中神经显微结构进行三维重建 ［结果］正中神经在不同断面神经束的数目、位置以及神经束内神经纤维的性质变化较大连续断面观察显示各神经束均是混合束，未见有纯粹的感觉束或运动束的出现通过 3D Nerve 可在任意断面放大的视野下观察正中神经的显微结构，追踪各神经束在正中神经内的立体行径从而动态地展示正中神经内部神经束的复杂结构 ［结论］重建的正中神经三维可视化真实地再现正中神经干全长及其内部各神经束和束组的三维立体结构，可为临床修复正中神经损伤提供精确的断层解剖图像 【关键词】 正中神经； 三维重建； 三维可视化； 乙酰胆碱脂酶Abstract：［Objective］To explore the application of computer in dealing with twodimensional image information of human median nerve series freezing tissue sections, in order to develop nerve threedimensional visualization system (3D Nerve) , and finally to reconstruct 3D internal microstructure of human median nerve and realize 3D visualization.［Method］One fresh cadaver median nerve was taken, located with human hair and embedded in OCT. Series freezing tissue sections were made and stained with ACHE histochemistry method, and 2D image information was obtained through high resolution scanner. Microstructure of median nerve was finally 2reconstructed with 3D Nerve.［Result］Different cross sections of median nerve had quite different number and positions of fasciculi. In addition, characters of fasciculus' s internal nerve fiber were also quite different.Scross sections observation showed that all fasciculi were mixed fasciculi. With the 3D Nerve, the microstructure of median nerve was able to be observed in magnifying visual field at any cross section, and the tracking of stereo course of fasciculi in median nerve became possible.［Conclusion］ Reconstructed 3D visualization can reveal the whole microstructure of median nerve and the three dimensional stereostructure of fasciculi and fasciculus groups exactly and truly. It can provide exact topographic atlas and facilitate precise clixical repair of median nerve injury.Key words：median nerve; threedimensional reconstruction; threedimensional visualization; acetylcholinesterase尽管显微外科技术不断进步，正中神经损伤后修复的结果仍然难以预料和满意。

其中重要原因是不能分辨运动和感觉神经束支［1］由于神经纤维不是始终沿着某一神经束行走，而是在束间互相穿插移行，呈丛状反复交叉，使神经束的大小、数目和位置不断发生变化因此迫切需要一个精确真实的正中神经内部显微结构的三维立体图谱目前正中神经显微结构的三维重建研究国内外报道均极少1945 年Sunderland［2］通过大体解剖学和组织学方法描述了神经内部结构复杂的束型变化，并绘制了神经断面的二维分布图据 Sunderland 的研究，甚至相距 0.8 mm，神经的局部排列已有差异1980 年 Jabaley［3］描绘出正中神经远端的一幅三维概念图，发现在正中神经的远端，束型在较长段内保持稳定1984 年 Terzis［4］在实体解剖和组织学切片的基础上建立了正中神经的三维模型1991 年 Greg P.Watchmaker［5］等对前臂远段及手部的正中神经进行连续组织切片邢染色后，应用开发的软件进行图像识别和统计处理并通过三维构建的方法进行了神经束交错变化特征的研究但是这些以结构研究为目的的三维构建仍然缺乏临床的实用性2006 年 Meek MF［6］等采用磁共振 DTI 技术来重建在体正中神经，但其只能3显示正中神经主干的走形，无法更进一步显示正中神经内部结构的显微图像。

本研究基于正中神经连续冰冻组织切片的二维图像信息，制备成正中神经从其起始处到腕部连续的染色前、后神经断面的二维图像信息数据库，并根据该数据库实现了一个具备神经三维可视化全套功能的 3D Nerve 神经三维可视化软件系统，逼真地重现了包括正中神经结构信息的三维立体图谱，为临床上正中神经损伤修复方式的选择提供有益帮助，同时对组织工程化的人工神经的仿生构建也具有参考意义1 材料与方法1.1 标本准备获取自愿捐献尸体的成人新鲜左侧正中神经标本 1 例(从内、外侧根组成正中神经处至桡骨茎突，长约 47 cm)将其固定在自行设计的支架上，用 4 根人长发(直径约 80 μm)等距离平行地固定在标本四周作为定位线，然后用 OCT 包埋剂将标本与定位线一起包埋，液氮速冻1.2 连续组织切片将正中神经作连续冰冻组织切片(LEICA CM1850 型冰冻切片机)，切片厚度 20 μm，切片间距为 100 μm，共切取 4650 张切片1.3 染色前的切片扫描为了防止因切片在染色后的定位点丢失或移位而导致重建的困难，染色前先以 2 400 dpi 的分辨率对原始图像进行扫描(Epson 4990 型扫描仪)，以便染色前、后图4像上的定位点的对比配准，以保证定位点的准确性。

1.4 切片染色将切片用乙酰胆碱脂酶(acetylcholinesterase, AChe)组织化学法进行染色，24 h 即可1.5 图像获取将染色后的切片以 2 400 dpi 的分辨率进行扫描，同时将所得 JPEG 格式的图像输入计算机采用 Photoshop CS 29.0 将染色前、后的图像进行定位点的比对，以保证定位点的原始可靠性然后对图像进行边缘锐化、图像增强，去除噪声等二维处理，使图像在进行轮廓分割时更易于识别1.6 三维重建于可视化将所得系列染色后的二维图像按顺序逐幅输入计算机后，采用作者研发的用于三维神经可视化的 3D Nerve 软件系统进行三维重建，获得正中神经干全长及内部各神经束的三维立体行径图谱2 结 果2.1 正中神经连续断面观察正中神经在不同断面的神经束的数目以及位置变化均较大，各神经束均是混合束，未见有纯粹的感觉束或运动束的出现2.1.1 起始部及上臂部 正中神经在内、外侧根组成处呈椭圆形，神经束数量为517 个，其中以运动神经纤维为主的混合束为 6 个，其余 11 个是以感觉神经纤维为主的混合束(图 1)连续断面观察显示神经束数量逐渐减少，在大圆肌下缘有神经束 8 个，均为混合神经束。

在肱骨中段部位神经束数量减少到 6 个，继续向下走行神经束数量又逐渐增加2.1.2 肘部 正中神经在肘关节部呈扁带状，与正中神经下行穿过旋前圆肌两头之间，受到肌肉的挤压有关由于 该处有骨间前神经及前臂浅组屈肌等分支加入，所以神经束数量有所增加在肱骨内、外髁连线处神经束数量为 14 个，其中以运动神经纤维为主的混合神经束为 9 个，其余 5 个是以感觉神经纤维为主的混合神经束(图 2)2.１.3 前臂部及腕部正中神经在前臂接近圆形，神经束组成数量不等的神经功能束组连续的神经断面观察显示正中神经在前臂神经束与束之间的神经纤维交错较少，并且运动神经纤维有所增加正中神经在腕部呈扁平状，在桡骨茎突部位神经束的数量为 21 个，桡侧有 1 个以运动神经纤维为主的混合束，其余 20 个均为混合束(图 3)，为神经束数量最多的部位与正中神经在腕部发出大量终末支分布于拇收肌以外的鱼际肌、第 l、2 蚓状肌以及掌心、鱼际、桡侧 3 个半指的掌面及其中节和远节手指背面的皮肤相符合2.2 三维显示在正中神经三维可视化过程中，利用 3D Nerve 采用不同的颜色来标识区分不同的神经束，束的粗细按内部各神经束的实际粗细进行适当缩小，这样可以看清正中神经内部的各神经束三维行径(图 4)。

为了更清晰地观测正中神经内部各神经6束的三维立体行径，将正中神经全长等距离地分成九段进行三维显示 (图 5)正中神经可视化结果能够真实地再现正中神经干全长及其内部各神经束和束组的三维立体结构；形象地展示各神经束的交叉穿插、混合重组的变化规律；既能单独显示正中神经干或单个神经束的立体行径，又能将二者叠加混合显示，还能隐藏其它的结构，追踪单个神经束或整个正中神经干，从而动态地展示正中神经内部神经束的复杂结构(图 6)通过 3D Nerve，重建的正中神经能在空间位置上绕任意轴旋转任意角度，或者以不同的速度连续旋转，便于从不同的角度对各神经束的形态、空间位置及相互毗邻关系进行观察；还可在任意断面进行任意角度的切割，并可在放大的视野下观察正中神经的显微结构(图 1～7)图 1 正中神经内、外侧根汇合部神经断面示意图 共有神经束 17 个，其中 6 个神经束是以运动神经纤维为主的混合束，其余 11 个神经束是以感觉神经纤维为主的混合束 图 2 正中神经在肘部肱骨内、外髁连线处神经断面示意图 共有神经束 14 个，其中 9 个神经束是以运动神经纤维为主的混合束，其余 5 个神经束是以感觉神经纤维为主的混合束 图 3 正中神经在桡骨茎突部神经断面示意图 共有神经束 21 个，桡侧有1 个以运动神经纤维为主的混合束，余 20 个均为混合束。

图 1～3 中 A 为该神经断面的扫描图片进行轮廓分割的示意图(分辨率为 2400 dpi),B 为在 3D Nerve 中该神经断面的轮廓匹配示意图淡蓝色代表以感觉神经纤维为主的混合束;绿色代表以运动神经纤维为主的混合束；紫蓝色代表混合神经束 图 4 正中神经起始部位，长 5 cmA 为神经束中心线示意图，每一中心线代表一神经束的走。