周围神经三维重建与可视化研究进展
【摘要】 目的 对周围神经三维重建与可视化研究进展进行综述。 方法 广泛查阅近期国内外周围神经三维重建与可视化研究的相关文献，并进行回顾和综合分析。 结果 利用周围神经三维重建与可视化技术，不仅可以真实再现周围神经复杂的三维表面结构及毗邻关系，而且可以将周围神经内部的三维结构任意显示、旋转、缩放、分割和适时三维测量，并已经在臂丛神经、腰骶丛神经、神经干功能束（组）、肌内神经走行分布、周围神经再生过程、包含周围神经的复合组织三维重建与可视化研究等方面取得了初步成效。但由于周围神经信息的识别、分割、配准和融合等问题尚未解决，周围神经可视化研究目前仍处于初始阶段。 结论 周围神经三维重建与可视化研究对更新周围神经损伤的诊疗理念、完善周围神经诊疗手段，开辟周围神经科研与教学的新途径等方面均具有重要的价值，可望成为周围神经外科新的生长点。
周围神经包括 31 对脊神经及 12 对脑神经，在骨科领域常见的周围神经损伤主要为脊神经所组成的神经丛及其发出的神经干，其诊断和治疗仍然是困扰临床的难题之一。传统的诊断方法不能明确损伤程度及性质，具有局限性，影像诊断技术的迅速发展使周围神经损伤的诊断水平取得了明显进展，但准确性仍偏低，即 使 是 目 前 最 先 进 的 MRI 神 经 成 像，图 像 的 信 噪比和空间分辨率仍不十分理想 [1]，且这些诊断手段均是间接搜集证据。同时，临床医生只能凭个人经验推测周围神经干内各个神经功能束（组）的走形、走向和分布空间结构以及它们相互之间毗邻关系的“三维重建”。这种主观想象缺乏科学性和准确性，增加了手术操作不当造成神经、血管和局部脏器医源性损伤的潜在风 险。
近年来，随着计算机技术、信息技术和网络技术的迅速发展，医学数字影像设备的不断更新及新的传输标准 DICOM 的推出，建立基于解剖结构的数字化虚拟人及其器官的三维可视化模型研究已经引起越来越广泛的关注。三维重建和可视化研究是利用数字化可视人体数据集的系列二维图像或机体（尸体）二维薄层连续断面图像，重建出某个器官或结构的三维可视数字化解剖模型，逼真显示人体组织器官内在物理属性和空间毗邻关系，便于从不同方位三维显示其局部解剖关系、测量解剖结构的空间位置等。医生通过可视化技术能够精确直观地观察和处理人体病灶及其周围组织器官，极大地促进了精确诊断、外科手术计划、临床医师培训及解剖教学等的发展 [2-3]。周围神经及神经干功能束（组）的三维重建与可视化研究是虚拟周围神经模型构建的基础，同时也是解剖神经向生理神经过渡的动力来源之一，有望为周围神经诊断治疗和临床学习培训带来新的生机和活力。但由于周围神经显示困难，美国可视人计划甚至将神经显示技术难题列为全球招标项目亟待攻克 [4]。因此，目前对人体器官三维重建与可视化研究仍大多集中于头颈部，如脑及颅神经、耳、喉、颈椎等器官、骨骼和大块肌肉、腹部和盆部器官等，而对周围神经、血管、小肌肉等研究相对较少，本文拟对周围神经的计算机三维重建与可视化研究进行介绍。
1 数字化可视人体研究现状
数字化可视人体是采用人体解剖学和现代影像学方法获取人体解剖结构的断面数据信息，应用计算机技术和现代信息技术建立数字化人体器官真实结构的三维模型，将此模型作为一个基础数据平台，可应用于与人体结构有关的多个领域 [5-6]。可视人体计划是 1989 年由美国国家医学图书馆提出，1994 年－1995 年 Colorado 大学完成并向世界公布了男女两组可视人计划图像数据集，开创了数字解剖学和数字化虚拟人体的新时代。继虚拟美国人和虚拟韩国人制作完成后，目前国内外已有 9 个虚拟可视人数据集，其中我国提供了 6 个 [5]。可视人研究是一项借助计算机技术进一步认识人类，同时在医学、仿生学等多个领域具有广阔应用前景的重大课题，近年来引起广泛关注。 #p#page_title#e#
虚拟人的研究可分为 4 个阶段，即虚拟可视人、虚拟物理人、虚拟生理人和虚拟智能人 [5]。虚拟可视人是将人体结构信息数字化与可视化，使人们能通过计算机操作三维动态观察人体整个解剖结构的大小、形状、位置及器官间相互空间关系，通过虚拟反馈装置进行各种外科手术设计，模拟外科手术操作或指导医师进行手术。虚拟可视人是从几何角度定量描绘人体结构，属于解剖人；如果其中加入人体组织的力学特性和形变等物理特性，即为第 2 代的虚拟物理人；而研究人体微观结构及生物化学特性的则属于更高级的虚拟生理人，它是真正能从宏观到微观、从表象到本质全方位反映人体的交互式数字化虚拟人体。随着人类基因组计划的完成和数字化虚拟人研究的深入，利用计算机技术、信息技术实现人体结构和功能从微观到宏观的数字化、可视化，达到人体结构的精确模拟，最终实现人体功能和思维智能的模拟，即虚拟智能人。虚拟技术的不断发展，将会成为促进现代临床诊断和治疗手段更新的基础和前提，为科学研究、教育事业及临床手术设计和模拟操作开辟新的途径，并将极大地充实和更新人们的诊疗理念 [2]。
2 周围神经的三维重建与可视化研究现状
在人体形态结构研究方面，掌握某个器官或结构在人体三维空间的准确定位和测量数据，会成为推进现代临床诊断和治疗手段的基础和前提 [7]。近年来利用周围神经三维重建技术建立的可视化模型，不仅可以三维显示周围神经毗邻的复杂空间结构，而且可以将周围神经所有的内部三维结构任意显示、旋转、缩放、交互观察和适时三维测量，为影像诊断、临床选择治疗方案及手术方式提供明确依据，也为周围神经解剖教学和科研提供全新的工具和理念，目前已经在臂丛神经、腰骶丛神经、神经干功能束（组）等方面取得了一些进展。
2.1 颈部与臂丛神经三维重建与可视化研究
人类认识与诊治臂丛神经损伤经历了 200 多年，但臂丛神经损伤诊治这个世界性难题仍未解决。由于臂丛神经内部各神经束的组成在结构和功能上互相交叉混合，臂丛神经内部神经束和神经纤维的立体结构错综复杂，因此，即使是目前最理想的 MRI、CTM 等影像诊断技术，准确性仍不能令人满意。Penkert 等 [8]术前通过 CTM 和 MRI 检查前瞻性研究 40 例患者，经颈椎半椎板切除证实 CTM 的诊断准确性达 85%，而MRI 的准确性仅为 52%。因此，如何进一步发展与应用现代计算机技术和影像技术达到全方位精确显示臂丛神经损伤或病变性质，是进一步提高臂丛神经诊治水平首要解决的问题。
三维重建与可视化技术为臂丛神经的诊治和科研提供了一种全新、有价值的手段，近年有一些初步研究报道。刘光久等 [9] 应用中国男性数字化可视人体数据集进行脊柱区颈段三维可视化模型的研究。由于其主要是研究脊柱区颈段重要结构的解剖，虽然能较好显示脊柱颈段、脊髓、椎动脉、颈神经根及脊神经节等结构，但对完整的臂丛神经结构显示尚不理想。陈增淦等 [10] 取健康成年尸体臂丛神经标本的连续等距超薄切片，ALP 组织化学染色后，采用数码显微摄像系统获取二维图像信息并配准分割后，对臂丛神经显微结构进行三维重建，建立的三维可视化模型研究较好显示了臂丛神经外部及内部的大体结构特征。张元智等 [11]应用虚拟中国人女Ⅰ号数据集的薄层断面图像配准切割后，应用 Amira 3.1 软件对臂丛神经进行三维面重建与体重建，建立的臂丛神经三维可视化数字模型较好的反映了臂丛神经的解剖结构特点，同时也能较好显示臂丛神经与 C4 ～ T2 椎体及颈总动脉、锁骨下动脉和右椎动脉三维表面重建图像。刘光久等 [12] 利用中国数字化可视人体提供的连续薄层断面图像，在 P4 微机上配准后，利用 3D-DOCTOR 软件进行图像分割，采用面重建的方法建立了臂丛神经三维可视化模型，使臂丛神经的组成、走行及其与脊髓、锁骨、锁骨下动静脉和腋动静脉等解剖结构毗邻关系的三维显示良好。彭田红等 #p#page_title#e# [13] 将明胶 - 氧化铅灌注新鲜成人尸体标本，解剖出上肢的主干血管和臂丛神经主要分支，硝酸银溶液涂抹神经后，行连续 CT 扫描，应用 Amira 3.1 软件进行三维表面重建。重建的三维图像可显示臂丛神经的主要分支、上肢主干血管及骨骼与神经。
目前臂丛神经三维重建与可视化研究工作刚起步，主要是利用我国已有的数字化人体数据集或尸体标本薄层切片的二维图像，经 Adobe Photoshop 7.0 软件配准，以伪彩色对重建的不同结构加以区分，在图形工作站或个人电脑上利用已有的工具软件进行三维重建。由于原始二维图像对周围神经及其毗邻的软组织分辨困难，加上这些研究主要是针对臂丛神经部分结构而没有对毗邻解剖结构进行三维重建，因此，臂丛神经周围的软组织结构无法显示，臂丛神经的精细结构及其与周围组织的毗邻关系也不能清楚显示，且重建的图像连续性尚不能令人满意，图像输出格式较单一。
但随着计算机技术和信息技术的发展，尽管臂丛神经三维重建与可视化研究仍面临不少难题，但其应用前景广阔。
2.2 盆底与腰骶丛神经三维重建与可视化研究
骨盆和腰骶丛神经局部解剖关系复杂。尽管由于骨盆骨折、髋关节后脱位造成腰骶丛神经损伤临床较少见，但现有的临床体检、神经电生理、影像学等诊断技术尚不能对腰骶丛神经损伤做出精确定性与定位诊断，可能延误其早期诊断与早期修复的时机。因此，
对腰骶丛神经结构与毗邻关系的三维重建与可视化研究，可准确显示该区域复杂的解剖结构及其空间毗邻关系，对腰骶丛神经损伤的发病机制、诊断和治疗具有重要指导意义。目前有关腰骶丛神经解剖的研究多基于新鲜尸体神经解剖和影像学解剖，而对其连续薄层断面解剖的研究尚不十分完善 [4]。邱明国等 [14-15] 应用中国数字化可视人体数据集（男、女各 1 例）建立的盆底部局部可视化数字模型，能清晰显示盆底部肌肉与骨性结构、膀胱、子宫、前列腺及直肠等的三维解剖关系及其空间毗邻关系，但腰骶丛神经的显示仍不太满意。Jokisch 等 [16] 应用仿真椎管内窥镜虽然不能辨清组织的真实颜色，但可以在直视下观察脊髓、马尾神经、椎管、神经根管形态以及毗邻关系。为实现 L4、5 神经前支和腰骶干以及与骨盆的三维重建与可视化，张景僚等 [17] 在成年男性尸体标本上解剖显露上述神经以钛粉和粘合剂均匀涂抹，然后以螺旋 CT 扫描获取并重建的三维图像，可以直观显示腰骶丛神经与骨盆（骶髂关节）的空间位置关系、走行和毗邻关系，但不能同步显示神经血管和肌肉等信息。张元智等 [4] 应用虚拟中国人女Ⅰ号数据集重建的数字化可视模型可以清楚地显示腰骶丛神经及其主要分支与主要血管和骨盆的关系，以及腰骶干及汇合成坐骨神经的结构特征。
为进一步加深和形象化腰丛神经及周围组织的解剖结构，为腰椎前路微创手术入路、手术模拟及腰丛神经损伤无创性诊断提供直观可靠的依据。陆声等 [18]利用“虚拟中国人”Ⅰ号女性数据集进行三维面重建和体重建，构建的腰丛神经及其周围组织结构三维可视化模型，可显示腰丛神经及其主要分支与主要血管、椎体及肾脏之间的关系以及腰丛神经与腰大肌之间的关系，有望为术中快速确认腰丛神经提供便利。
2.3 神经干功能束（组）三维重建与可视化研究
解剖结构的完整性和连续性是周围神经发挥正常神经传导功能的基础。因此，能否准确对合神经束（组）是确保神经吻合准确性和提高功能恢复的关键因素，也是神经移位术时最大限度节约神经纤维、减少供区神经功能损伤、提高受区神经功能恢复需要解决的关键问题 [19]。探求一种准确、迅速、简便的方法来鉴别神经束（组）的功能成分（主要指运动纤维和感觉纤维），使相关功能神经束（组）配对吻合，提高神经修复的疗效，一直是临床面临的难题。 #p#page_title#e#Terzis [20] 认为，在周围神经修复中，正确对合神经功能纤维束（组）始终是巨大的挑战。
既往对四肢主要神经干内运动和感觉神经功能束的分布和局部定位、神经纤维定量组织学特征（横截面积、神经纤维数量和比例）进行了描述 [21]。然而，周围神经断面二维图像对量效关系的研究还处于感性认识阶段，缺乏系统深入的基础研究工作；现有的神经断面二维图像不能显示运动或感觉神经纤维错向生长、交叉吻合的关系。因此，如何尽可能地按照不同的功能进行神经束（组）的科学分类，精确地重建出神经内部神经束（组）和神经纤维错综复杂的立体结构，为准确对合相同性质的神经束（组）提供重要参考，避免神经纤维错向生长与对合带来的问题，成为医学界关注的焦点之一 [22]。
Terzis 等（1984）最早将计算机应用到周围神经显微解剖和神经纤维计数。Watchmaker 等 [23]对前臂远段及手部正中神经进行连续组织切片 HE 染色后，通过三维重建的方法进行神经束功能定位特征的研究，认为可以获得更具体、直观的神经干内部定位资料。李智等 [24] 将桡神经连续组织切片后行 ALP 组织化学染色，利用计算机重建的可视化模型可初步显示桡神
经的三维立体结构及其各神经束的三维立体行径。谢小棉等 [25] 采用成年男性新鲜尸体尺神经标本，等距切取断面后采用乙酰胆碱酯酶组织化学染色法染色，在OpenGL 支持下，采用基于轮廓的表面重建技术实现了尺神经干内部各个功能束（组）及外膜的三维可视化，并能在可视模型中区分浅支束（组）、深支（手内肌）束（组）、腕背支束（组）、尺动脉支束（组）、尺侧腕屈肌远支束（组）、指深屈肌支束（组）和尺侧腕屈肌束（组）共7 个功能束（组），初步显示了神经的内部结构。
神经干的三维可视化模型克服了二维断面的神经束组研究的孤立、静止的缺点，可以更直观、更有效地反映神经干内部各个功能束组的整体三维信息，并可在计算机上通过任意的三维旋转和虚拟切割来观察神经干内部各个功能束（组）在三维空间上的相对位置、走形与相互毗邻关系。随着研究的深入，如果能开发出能方便应用的神经修复辅助软件，将为提高显微外科修复中神经对接的准确度和神经修复的精度提供有效的辅助引导方法。
2.4 肌内神经走行分布三维重建研究
支配人体骨骼肌的神经，多数形成神经血管束，通过肌门进入骨骼肌，临床上常游离移植带血管神经的肌瓣进行功能重建。对肌内神经走行的研究将有助于指导选择和切取部分肌肉和穿支皮瓣，避免损伤肌内或皮瓣内神经，保证移植后具有正常神经支配和最佳功能恢复，以及减少供区功能损失具有重要意义。
Tay lor 等 [26] 对肌内血管的分支走行进行了较为详尽的研究。但迄今对骨骼肌内神经走行和分布尚缺乏详尽描述。随着计算机技术的发展，把肌块做成连续切片，用计算机三维重建显示神经在肌内的分布，能很方便的用于模型内部结构空间关系观察和准确定位，最大限度显示神经及其重要毗邻，并可以进行手术路径的模拟，具有良好临床应用价值。
梁力等 [27] 以失神经环构后肌为模型，采用计算机对再神经支配环构后肌的亚神经结构（运动终板）三维分布进行重建，发现神经肌蒂移植法明显优于神经植入法，前者术后环构后肌中运动终板分布以肌蒂为中心呈密集的团块状，而后者则沿植入神经方向及周围呈松散的带状分布。Loh 等 [28] 采用计算机三维重建技术重建了比目鱼肌肌内神经分布情况，发现比目鱼肌可分为背侧面、外侧前面、内侧前面三个区域，其背侧面可再分为 5 个区域，相邻的区域存在重叠支配区，而内、外侧区域由隔膜分开，比目鱼肌内神经支配区域的划分解释了一个或多个区域在不适当的时间和力量作用下肌纤维易受损伤，每个区域的功能并不是独立的，其间的交互作用非常重要。Gülekon 等 [29] 定性比较了显微解剖、 #p#page_title#e#Sihler’s 染色和计算机重建 3 种方法对18 周龄胎儿骨骼肌内神经分支分布特征的可视化研究的特点，结果表明显微解剖简便易行，而后两者比较烦琐，但结果却比显微解剖更可靠。
2.5 周围神经再生过程的三维重建与可视化研究
周围神经损伤后其远近端形态改变与神经再生及功能恢复联系密切。目前对于再生神经的观察，通常是采用 HE、氨银、甲苯胺蓝以及免疫组织化学方法对神经纤维某些结构染色后进行平面观察，无法直观地观察其立体结构。周围神经三维可视化研究使周围神经形态功能的研究突破以往二维形式的局限，为揭示神经损伤后神经纤维的再生规律及其与神经功能恢复
的关系提供一条新的研究思路和研究手段 [30]。陈菁等 [31] 采用硅胶管桥接大鼠坐骨神经缺损模型，对不同时间点、损伤区不同部位的坐骨神经进行连续切片摄像后，采用分割 - 计数的软定位方法将显微图像配准后，利用体绘制方法在 SGI 三维图形工作站上对大鼠坐骨神经损伤后变性、再生过程中形态结构改变进行三维重建和可视化研究。重建的三维图像能较好的显示大鼠再生坐骨神经纤维各组织结构的形态特点及再生神经通过吻合口界面的过程，并可观察到新生神经纤维与正常神经纤维相比有郎飞结尚未形成、排列紊乱、髓鞘较薄、轴索较细、胶原纤维增生、神经膜管形成等差异。
2.6 包括周围神经的复合组织三维重建与可视研究
随着三维重建和可视化技术的不断发展，对周围神经内部结构及其毗邻的所有解剖结构进行重建，对于帮助临床医师熟悉其周围神经的显微解剖、走行和毗邻关系，深入研究周围神经的损伤与修复机制，指导临床诊断和治疗具有重要的意义，目前该类研究报道较少。
苏秀云等 [32] 基于虚拟中国人男Ⅰ号数据集进行上肢复合组织的三维可视化研究，建立了中国数字人男Ⅰ号上肢骨骼、肌肉神经血管的高精度三维可视化模型，可以准确反应上肢复杂的解剖结构及其空间毗邻关系，并且可以通过网络发布与共享。但由于中国数字人彩色断层图像上仅能分辨出大的神经走行，关节囊、肌腱、韧带无法分割重建，因此，对较小的神经及神经内部功能束（组）和较精细的软组织仍无法显示。
3 周围神经三维重建与可视化研究面临的问题
三维重建与可视化研究是在周围神经的二维图像基础上，通过对图像结构的识别、配准、分割后，利用工具软件等在图形工作站或个人电脑上进行的。利用解剖结构连续断层图像进行计算机三维重建的方法，已逐渐在解剖学研究、临床手术及教学工作中显示出极大的优越性，并受到广泛关注。虽然已经建立了人体的部分三维模型，但由于周围神经的信息难以抽取和分割，还没有完整的神经系统三维可视化模型，神经系统的模拟仍是目前面临的最大挑战。周围神经可视化模型作为一种新的方法和手段，很多仍停留在初始阶段，尚有许多亟待解决的问题。如周围神经二维图像数据的标志点、断面间距、分辨率、光强度、对比度、灰度值、色彩值等决定三维模型的质量，同时二维图像数据的分割、配准、融合、计算机三维重建和可视化技术在实际应用中也有许多尚待解决的问题 [33-34]。更为困难的是在人体框架上，赋予周围神经物理和生理功能特征 [35]。
高品质、高清晰度的薄层解剖断面数据集是人体可视化研究的基础。目前周围神经的二维图像来源于数字虚拟人、尸体标本及各种影像设备提供的图像。尽管数字化虚拟人断面间距和图像分辨率均已达到较高的要求，并且攻克了血管全身灌注和标识方面的技术难题，但周围神经的显示仍无良好对策 [13]。由于周围神经具有管状结构细而长的特征，包含的切片层次较多，涵盖的颜色层次也很丰富并具有渐变性，且神经组织与周围脂肪组织的颜色对比度较小，小于铣间距的神经结构无法辨认，且周围神经没有类似血管系统的管道空间可借助灌注技术加以显示，需再在切面上加以染色后与其他组织区分，为图像配准和分割带来许多困难；加之神经本身柔软且缺乏周围组织支持，因而在铣切过程中有时会出现部分撕扯造成辨认困难，因而具有一定的主观性，图像的连续性尚不能令人满意。美国可视人计划在全球引起了巨大反响，但目前数字化虚拟人横断面组织图像都缺乏神经信息。因此，德国在可视人计划数据集基础上建立的具有高度现实感 #p#page_title#e# Voxel-man 人体三维重构中的血管和神经信息不得不从外部加入。而在尸体标本上进行神经的三维重建则需要先解剖出神经然后进行涂染影像扫描或直接连续切片染色摄像获取二维断面图像。在尸体标本上解剖神经涂染不仅工作量极大，而且可能造成神经组织的移位；直接切片染色则由于切片间距的限制，造成图像不连续。由此可见，清晰、精确、直观显示周围神经尤其是周围神经末梢还存在相当难度，而实现其三维重建与可视化技术是当今世界性的课题和难点。
周围神经三维重建与可视化研究是近年才兴起来的一门崭新综合性的信息技术，尚处于初创时期，远未达到成熟。随着研究的深入，如果找到一种可以检测周围神经系统结构的组织化学特性的化学标记物，使其能够将神经的图像与周围组织区别开来，以获取更精确的神经显示的断层数据来进行重建，必将使周围神经的三维可视化研究更加蓬勃发展 [19]。
4 周围神经三维重建与可视化研究的意义与展望
随着计算机技术的迅猛发展，使得人体结构的计算机三维重建与可视化研究得到快速发展。利用计算机图像重建技术将一系列二维图像转换为三维数字模型，不但能精确、直观地显示周围神经复杂的内部三维结构和毗邻众多组织的空间位置关系，而且可在三维空间任意显示、测量、旋转、切割、重组、缩放。通过三维可视化数字模型，还可进行定量分析和动态模拟，实现三维诊断分析、手术的精确模拟，使术前设计、术后效果预览、评价更加清晰，提高了手术的安全性和可靠性，减少并发症，确立科学的量化指标，使周围神经的研究从定性向三维空间的定量研究发展，从解剖结构研究向三维解剖结构与生理功能同步研究发展，并将成为未来周围神经损伤诊治新的发展方向和生长点。
三维医学图像可视化的应用几乎涉及了人体所有结构 [36]。它使信息技术和医学结合起来，并使走向成熟的三维重建图像处理技术以空前的速度普及 [37]，同时也为周围神经系统数字化和虚拟化研究提供了新的契机。可视人技术的不断完善与软、硬件技术的成熟使电脑构建的三维虚拟现实图形直接指导临床应用提供了条件 [38]，而人机交互界面及演示技术的发展为三维虚拟现实图像在临床的应用提供了一个很好的舞台。
随着计算机技术、虚拟现实技术以及功能影像学和分子影像学等成像设备的进一步发展和完善，以人类基因组计划的完成为标志，医学生物学正处于以信息化为主要特征的时代。计算机技术、医学图像处理技术和信息化技术的高速发展，给周围神经三维重建和可视化研究的发展带来新的动力和应用前景。通过临床医生和工程技术人员的能力合作，三维可视化研究将会在周围神经领域拥有更加广阔的发展前景。
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