三维内部构造显微镜设计

　　1　引　言

　　随着医学影像技术的日益成熟以及各种各样的医学影像设备(如CT、MRI等)在医院中的广泛使用,研究人员可以通过这些设备重建生物体内部组织的三维图像。以连续切片的方法获取生物体二维断层图像然后进行三维重建同样也在不断发展中,并成为研究生物体内部三维立体结构的另一重要途径。

　　从一组二维断层图像上理解研究对象内部的三维结构是非常困难的,即使对于经验丰富的人员也很难准确地描述内部组织的立体结构和确定变体的方位。所以,三维重建是对病变体进行定量分析(如计算体积,表面积和空间定位等),提高诊断准确率的重要保证。[1]

　　图1描述了体视化的主要过程[2]:

　　无论采用什么显示方式,首先则要获取连续的二维图像。由CT等断层扫描设备经过图像重建可以产生一系列断层图像,断层图像经过图像插值就得到所需要的各向同性的体数据[3]。CT断层图像厚度在mm尺度,丢失了层与层间的大部分信息,重建结果的分辨率低,并且CT只能得到灰度图像,所以只能做灰度和伪彩色重建。CT是通过射线扫描而得到样品的断层图像,没有破坏样品的完整性。在实际研究中,研究对象并非均要求保持结构的完整,并且CT设备受切片厚度的限制对于体积较小的样品不能适用。本文提出了三维内部构造显微镜的设计方案,可以进行连续薄切片,利用CCD扫描样品剩余部分截面而得到样品的一系列真彩色、高分辨率的断层图像。

　　2　内部构造显微镜观察法

　　连续切片的计算机三维重建是要对研究对象进行连续薄切片,利用图像采集系统获取二维断层图像,然后对这一系列二维图像利用计算机进行处理从而得到结构的立体形态。

　　医院普遍都备有切片机,可以制作石蜡和冰冻切片,并且切片的厚度在μm尺度,超薄切片机则可以制作几十nm的切片。能够制作薄切片是相对于CT的明显的优势。图2(a)描述了目前三维重建的流程,即样本固定→切片制作→切片染色→观察统计及三维重建[4]。

　　按照图2(a)的流程,每张切片染色以后,目标区色彩鲜明,边缘清晰,易于目标图像检出和图像分割。但是事实上目前的应用主要是对二维切片图像进行观察及做一些参数统计,三维可视化则存在着一些问题。这些问题集中在切片的形状精度和切片间的相互位置上。切得的每一张切片展平后要粘着在载玻片上在显微镜下读取数据,切片间的相互位置事实上已经发生了变动,切片已经几何变形。正确地判断切片数据和将切片图形准确地对齐是连续切片三维重建的重要步骤,它直接影响着重建结果和参数计算的准确性。目前在切片定位上并没有有效的方法[5-6]。