构建基于MR数据人正常离体胎盘动静脉血管网数字化三维模型的方法研究

发布时间：2017-06-17 06:07

  本文关键词：构建基于MR数据人正常离体胎盘动静脉血管网数字化三维模型的方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：胎盘是联系胎儿及母亲的一个重要的高度血管化的器官,血管容量大约占据了胎盘体积的50%。胎盘血管是胎儿和母体进行物质交换的场所,为胎儿正常的生长发育提供其所必需的血液营养物质供应、气体交换以及代谢产物的排泄。异常胎盘血管形成包括胎盘血管形成及发生发展障碍、胎盘血管网发育异常、胎盘绒毛的毛细血管数量减少等,这些因素均可以影响胎盘的血流灌注情况,从而影响母胎之间的正常胎盘循环,使物质交换面积减少,胎盘血流有效灌注不足,引起胎盘功能下降,进而可能导致胎儿发育异常,甚至胎儿宫内死亡。国内外均有文献报道,在对胎儿生长受限、子痫前期、妊娠期高血压等胎盘源性疾病的胎盘形态、功能研究中,发现其在胎盘整体形态、血容量、血管网分支、血管管径以及血流灌注分数等方面与正常妊娠胎盘均有显著差异综上所述,胎盘血管研究无论在正常妊娠或是妊娠疾病中均有重要意义,同时,胎盘血管的研究也一直是产科研究的重要方向。目前,国内外对胎盘血管网形态结构的研究方法主要有血管铸型技术和基于电子计算机断层扫描(Computed Tomography, CT)数据的数字化三维重建等,其方法各有利弊。离体胎盘血管铸型技术是目前用于研究和观察胎盘血管网形态结构的最常用的方法,同时也是数字化三维重建技术的基础。1966年意大利学者La Torretta尝试使用液态橡胶溶液灌注离体胎盘血管,但是该方法制作的铸型标本未能良好地显示胎盘血管。随后,国内外学者对胎盘血管铸型技术进行研究并取得了成功,并分别对正常妊娠胎盘、妊娠高血压胎盘、子痫前期胎盘、胎儿生长受限胎盘以及双胎胎盘等标本进行灌注并观察其胎盘血管网形态结构的特点[8-10,16-20]。胎盘血管铸型标本可以良好地显示胎盘微小血管,清晰地重现胎盘血管网和胎盘血管形态结构的特点,但是其作为一个实体标本,其在搬动、展示、触摸过程中容易出现折断、微小血管掉落等损坏情况而破坏标本完整性；其次,随着时间的延长,铸型标本可出现铸型材料变脆易断、颜料褪色等情况,加重其损坏的程度；再次,由于铸型标本数量有限,作为研究和教学模型必须在现场观察学习研究,受到场所限制,且无法满足大批量学生同时学习的要求,对受损的铸型标本进行学习研究也会造成一定的结果偏差。而基于CT的数字化三维重建技术正好解决了胎盘铸型标本存在的缺点。2012年陈淑滢等[12,15]对适用于CT扫描进行胎盘血管数字化重建的灌注材料及灌注方法进行了研究,成功构建出20例人离体胎盘血管网数字化三维模型,该模型的血管形态结构与铸型标本一致,并可清晰显示胎盘的6-7级血管,同时作者利用该模型对胎盘血管网结构形态进行了初步研究。根据此技术重建的血管网三维重建模型可真实重现血管网形状结构、走行、角度、分支等细节,并可任意旋转、放大和缩小,以便从不同角度研究血管网的特征形态,提高对血管网研究认识的准确性。此外,血管网三维重建模型作为电子数据可以在任意电脑中传递、展示,且并不会随着时间的延长而发生变化,可满足多人同时进行学习研究,亦可用于长期的科学研究工作,极大地方便了教学、研究工作的数据传递及工作便利性。但是,由于CT扫描具有放射性,对胎儿的健康发育生长可能造成影响,其在妊娠期间的使用受到明显限制,使这种方法无法运用于在体胎盘血管网的研究中。因此,寻找另外一种可用于妊娠期进行的影像学检查方法,并利用此方法对胎盘血管网灌注模型进行扫描、数字化三维重建,是我们目前所需要的。磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)具有高分辨率、多平面多角度成像以及良好的软组织对比度等优点,并且由于不存在放射性,使其可在妊娠期间使用。因此,我们提出了一种对胎盘血管网形态结构研究的全新方法-—将MRI影像医学与数字化三维重建相结合,构建出基于MR数据的离体胎盘动静脉血管网数字化三维模型。本研究将分两部分进行：离体胎盘血管网在MR扫描中的显影探索、基于MR数据的离体胎盘动静脉血管网的数字化三维重建研究。第一部分离体胎盘血管网在MR扫描中的显影探索第一章显影材料在离体胎盘血管网铸型MR扫描中的应用探索[目的]探索适用于离体胎盘血管网MR扫描的显影材料。[材料与方法]1、研究对象选择在南方医科大学南方医院妇产科住院足月分娩正常孕妇的胎盘8例。根据在灌注剂中加入的显影材料不同分为3组,分别是“硫酸钡粉组”、“银朱粉组”和“钆喷酸葡胺组”,此外另设1组不含显影材料的“空白对照组”,每组各2例胎盘。2、灌注剂制备采用改良的自凝牙托材料,每100ml灌注剂含自凝牙托粉30g、自凝牙托水70ml、邻苯二甲酸二丁酯30ml、红色和蓝色油画颜料适量。3、分组(1)空白对照组：灌注剂中不加入任何显影剂。(2)硫酸钡粉组：自凝牙托材料灌注剂、10mg/L硫酸钡粉混合。(3)银朱粉组：自凝牙托材料灌注剂、1000g/L银朱粉混合。(4)钆喷酸葡胺(Gd-DTPA)组：自凝牙托材料灌注剂、10mmol/L钆喷酸葡胺和20%甘油混合。4、离体胎盘动静脉血管网灌注及MR扫描(1)胎盘血管的预处理：胎盘血管的预处理参考陈淑滢等[15]的方法。胎盘娩出后挤出多余的血液、冲洗表面血污,然后置于盛肝素生理盐水(每500 mL中加入肝素100 IU)的方盘内,分离并插管其中的1根脐静脉和2根脐动脉,用肝素生理盐水滴注冲洗血管内血液,直至流出的液体较清澈或组织呈苍白为止。(2)胎盘动脉血管网灌注：使用20ml塑料注射器抽取蓝色灌注剂,从脐动脉插管处缓慢注入灌注剂,速度控制在0.15ml/min,直至胎盘母体面有广泛的蓝色灌注剂渗出,取出玻璃插管,结扎脐动脉。硫酸钡粉组采用的是含有硫酸钡粉的灌注剂,银朱粉组采用的是含有银朱粉的灌注剂,Gd-DTPA组采用的是含有Gd-DTPA的灌注剂。(3)MR扫描及数据保存：MR扫描采用荷兰Philips公司生产的Achieva3.0T超导型MR扫描仪,16通道相控表面线圈,常规轴位扫描,空白对照组扫描序列为TSE T2WI,其余3组的扫描序列均为T1 e-THRIVE。从图像存储和通信系统(PACS)中获取扫描图像并刻碟保存。(4)胎盘静脉血管网的补灌注、MR扫描及数据保存：按照以上分组使用相同成分的灌注剂,对每组胎盘静脉血管网注入红色灌注剂,MR扫描及数据保存方法同上。[结果]4组行血管灌注后的离体胎盘进行MR扫描的图像均表现为：胎盘软组织呈现灰黑色偏低信号,胎盘血管网(灌注剂)呈现为黑色低信号,胎盘血管几乎无法显示。[结论]在灌注剂中加入硫酸钡粉、银朱粉以及钆喷酸葡胺3种显影材料均无法达到使离体胎盘血管网在MR扫描中显影的效果。第二章 离体胎盘血管网在MR扫描中显影方法的探索[目的]探讨适用于离体胎盘血管网MR扫描的显影方法。[材料与方法]1、研究对象选择在南方医科大学南方医院妇产科住院足月分娩正常孕妇的胎盘6例,随机分为3组。根据灌注剂和浸泡液是否含有Gd-DTPA造影剂,设为“实验1组”和“实验2组”,此外另设一组是不含造影剂,为“空白对照组”,每组各2例胎盘。2、灌注剂制备方法同第一章。3、浸泡液采用0.9%氯化钠溶液作为浸泡液。4、造影剂采用Gd-DTPA作为MR造影剂。5、分组(1)空白对照组：灌注剂及浸泡液中均不加入Gd-DTPA。(2)实验1组：自凝牙托材料灌注剂和10mmol/L钆喷酸葡胺混合,浸泡液不加入造影剂。(3)实验2组：氯化钠浸泡液和10mmol/L钆喷酸葡胺混合,灌注剂不加入造影剂。6、离体胎盘动静脉血管网铸型标本及数字化三维模型的构建(1)胎盘血管的预处理：方法同第一章。(2)胎盘动脉血管网灌注：方法同第一章。空白对照组和实验2组采用的是不含造影剂的灌注剂,实验1组采用的是含有造影剂Gd-DTPA的灌注剂。(3)胎盘浸泡：将灌注后的胎盘母体面向下,完全浸泡于浸泡液中行MR增强扫描。空白对照组和实验1组采用的是不含造影剂的浸泡液,实验2组采用的是含有造影剂Gd-DTPA的浸泡液。(4)MR扫描及数据保存：MR扫描采用荷兰Philips公司生产的Achieva 3.0T超导型MR扫描仪,16通道相控表面线圈,常规轴位扫描。空白对照组采用MR平扫,扫描序列为TSE T2W。实验1组和实验2组采用MR增强扫描,扫描序列为T1 e-THRIVE。从图像存储和通信系统(PACS)中获取扫描图像并刻碟保存。(5)胎盘静脉血管网的补灌注、MR扫描及数据保存：按照以上分组使用相同成分的灌注剂和浸泡液,对每组胎盘静脉血管网注入红色灌注剂,MR扫描及数据保存方法同上。(6)离体胎盘动静脉血管网数字化三维模型的构建：将胎盘动静脉血管灌注行MR扫描所获得的全部DICOM数据导入Mimics 14.0重建软件中,构建方法参照陈春林等的报道。经区域增长(region growing)、蒙罩编辑(edit masks)、三维重建(calculate 3D from mask)和光滑处理(smoothing)计算得出胎盘动静脉血管网数字化三维模型。(7)离体胎盘动静脉血管网铸型标本的制作：在完成胎盘血管网MR扫描后,将铸型标本浸泡于37%浓盐酸中将胎盘软组织进行腐蚀,除去已腐蚀的软组织后数码相机拍照保存。[结果]1、空白对照组的MR图像、数字化三维模型及铸型标本浸泡液呈高信号,胎盘软组织呈中等偏低信号,胎盘血管呈低信号,大部分管径较小的胎盘血管与胎盘软组织信号接近,无法区分。重建的数字化三维模型仅可观察到胎盘1-3级部分血管,3级以下血管出现片状融合或缺失。2、实验1组的MR图像、数字化三维模型及铸型标本浸泡液呈中等偏低信号,胎盘软组织呈中等至中等偏高信号,胎盘血管呈低信号,部分管径较小的胎盘血管无法区分。重建的数字化三维模型仅可观察到部分3-5级胎盘血管,有部分微细血管的缺失,其与同一胎盘血管铸型标本相比较存在差异。3、实验2组的MR图像、数字化三维模型及铸型标本浸泡液呈中等偏高信号,胎盘软组织信号强度与胎盘浸泡液接近,胎盘血管呈低信号,胎盘血管与胎盘软组织信号相差大,二者可清晰区分,无论管径大小的胎盘血管均可被观察到。重建的数字化三维模型真实清晰地再现了胎盘各级血管,可提供大小的缩放、任意角度的旋转,其结构形态、走行方向等均与同一铸型标本具有高度一致性。[结论]将完成血管灌注后的离体胎盘浸泡于含Gd-DTPA的氯化钠浸泡液中行MR扫描是离体胎盘血管网MR扫描显影的最佳方法。第二部分基于MR数据的离体胎盘动静脉血管网的数字化三维重建研究[目的]1、探讨适用于离体胎盘血管网三维模型重建的MR扫描序列。2、探讨离体胎盘血管网三维模型中动、静脉血管网图像配准的方法。[方法]1、研究对象及方法流程选择在南方医科大学南方医院妇产科住院足月分娩正常孕妇的胎盘20例。离体胎盘标本按照胎盘预处理、脐动脉灌注、胎盘浸泡MR增强扫描、脐静脉补灌注、胎盘浸泡MR增强扫描、离体胎盘血管网数字化三维模型构建和铸型标本制作的顺序处理。其中,灌注剂采用不含造影剂的改良自凝牙托材料,浸泡液采用含Gd-DTPA造影剂的生理盐水。胎盘预处理、灌注剂配方、浸泡液配方、灌注方法和铸型标本制作方法同实验第一部分。2、MR扫描序列的选择已灌注并浸泡好的胎盘标本采用南方医科大学南方医院医学影像中心荷兰Philips公司生产的Achieva 3.0T超导型MR扫描仪,16通道相控表面线圈,常规轴位增强扫描。扫描采用两个不用序列：T1快速场回波(T1-FFE)序列和T1高分辨力各向同性容积激发多期动态增强扫描(e-THRIVE)序列。3、离体胎盘动静脉血管网数字化三维模型的构建(1)离体胎盘动脉血管网数字化三维模型的获得：将灌注脐动脉后扫描所得的MR原始数据以DICOM格式输出,刻碟保存,随后导入Mimics 14.0软件,经过自动定位图像、组织图片、内插值处理、阈值设定后,经区域增长(region growing)、蒙罩编辑(edit masks)、三维重建(calculate 3D from mask)、光滑处理(smoothing)计算得出离体胎盘动脉血管网数字化三维模型。(2)离体胎盘动静脉血管网数字化三维模型的获得：将补灌注脐静脉后扫描所得的MR原始数据以DICOM格式输出,刻碟保存,方法同上。(3)离体胎盘动、静脉血管网的配准融合：将STL格式的离体胎盘动脉血管网数字化三维模型图像导入离体胎盘动静脉血管网数字化三维模型中,采用不同的配准方法(registration)计算得出可区分的离体胎盘动、静脉血管网数字化三维模型。其中,配准融合(registration)使用两种不同的方法：①STL配准方法(STL registration);②对应点配准方法(point registration)。比较两种不同配准融合方法区分离体胎盘动、静脉血管网的效果。[结果]1、不同MR扫描序列的扫描图像及三维模型(1)采用T1-FFE序列扫描所得的MR原始图像有100张,采用e-THRIVE序列扫描所得的MR原始图像有160张。两种序列的MR二维图像均表现为：浸泡液呈中等偏高信号,胎盘软组织信号与胎盘浸泡液接近,胎盘血管呈低信号,可清楚将胎盘血管与周围软组织区分。两种不同序列扫描图像的相近层面未见明显区别。(2)根据两种不同序列所得的MR原始数据集所构建的离体胎盘血管网数字化三维模型均呈现为立体感强、血管光滑饱满、可任意角度旋转的三维图像。但根据T1-FFE序列原始数据所构建的离体胎盘血管网数字化三维模型与铸型标本相比较,其血管网较稀疏；根据e-THRIVE序列原始数据所构建的离体胎盘血管网数字化三维模型的胎盘血管显示充分,与同一胎盘铸型标本的血管分布相一致。2、不同配准方法所构建的胎盘动静脉血管网数字化三维模型(1)使用STL配准融合方法所构建的离体胎盘动、静脉血管网数字化三维模型图像显示动脉血管网与动静脉血管网无法配准、融合,二者存在角度差。(2)使用对应点配准融合方法所构建的体胎盘动、静脉血管网数字化三维模型图像显示动脉血管网与动静脉血管网准确配准、融合,最终所得图像可清晰区分胎盘动脉和静脉血管网并且两者可完整结合。[结论]1、在MR扫描中宜选取扫描层面薄、连续性好的e-THRIVE序列,所获得的图像质量高,图像数据完整、真实、可靠,可用于后续的离体胎盘动静脉血管网数字化三维模型的构建。2、使用对应点配准方法可清晰区分胎盘动脉和静脉血管网,立体感强,具有较佳的视觉效果,是离体胎盘血管网数字化三维模型动、静脉配准融合的最佳方法。
【关键词】：MR扫描 胎盘动静脉血管网 数字化三维模型 重建方法
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R714.56
【目录】：

• 摘要3-12
• ABSTRACT12-23
• 前言23-28
• 第一部分 离体胎盘血管网在MR扫描中的显影探索28-52
• 第一章 显影材料在离体胎盘血管网铸型MR扫描中的应用探索30-38
• 第一节 材料与方法30-35
• 第二节 结果35-36
• 第三节 讨论36-38
• 第二章 离体胎盘血管网在MR扫描中显影方法的探索38-52
• 第一节 材料与方法38-43
• 第二节 结果43-48
• 第三节 讨论48-52
• 第二部分 基于MR数据的离体胎盘动静脉血管网的数字化三维重建研究52-68
• 第一节 材料与方法54-60
• 第二节 结果60-63
• 第三节 讨论63-68
• 全文小结68-69
• 参考文献69-75
• 成果75-76
• 致谢76-78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 尹格平,陈铭,陈诵芬,李云飞,杨树君;人胎盘血管三维筑型的建立[J];山东医药;2001年08期

2 王卉;吴涛;;Mimics三维重建模型在人体解剖学学习中的应用[J];中国医学教育技术;2012年06期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 陈春林;刘萍;郭传家;唐怡欣;任道坤;谭欢庆;黄璐;陈若兰;;基于MRI的在体女性骨盆数字化三维模型的构建[A];中华医学会第十次全国妇产科学术会议妇科肿瘤会场（妇科肿瘤学组、妇科病理学组）论文汇编[C];2012年

  本文关键词：构建基于MR数据人正常离体胎盘动静脉血管网数字化三维模型的方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：457546