基于蝗蟲切片圖像的消化道三維結構重建研究

2014-10-07 15:12:58 大云網(wǎng)　點擊量：評論 (0)

摘　要：蝗蟲是我國重要的害蟲之一，如何有效地預防是研究者們共同關注的問題。本文從三維結構重建入手，研究東亞飛蝗數(shù)字化連續(xù)切片圖像數(shù)據(jù)集的采集，蝗蟲消化道的分割、三維重建及其各部分的形態(tài)學參數(shù)測量。

摘　要：蝗蟲是我國重要的害蟲之一，如何有效地預防是研究者們共同關注的問題。本文從三維結構重建入手，研究東亞飛蝗數(shù)字化連續(xù)切片圖像數(shù)據(jù)集的采集，蝗蟲消化道的分割、三維重建及其各部分的形態(tài)學參數(shù)測量。構建出的三維模型能夠任意旋轉(zhuǎn)，從不同角度進行觀察，其結果為防蝗治蝗提供科學依據(jù)。

關鍵詞：　蝗蟲　消化道數(shù)據(jù)集　三維可視化測量

三維可視化技術已成為研究生物體組織的重要手段[1]，但基于昆蟲的數(shù)字化虛擬和三維結構的重建卻研究較少。目前，國外大多采用核磁共振(Magnetic resonance imaging,MRI)技術[2]和連續(xù)切片技術[3]對昆蟲的表面進行三維重建。國內(nèi)也開展了基于塵螨消化系統(tǒng)生物組織切片的三維重建的研究[4]。這些方法都是針對體積較小的昆蟲或其局部結構進行的三維重建，不適合對較大型的昆蟲（如東亞蝗蟲）或其內(nèi)部結構的三維重建。

　　東亞蝗蟲是重要的農(nóng)業(yè)害蟲之一，國內(nèi)學者對其進行了長期的研究。劉玉素和盧寶廉[5]研究并闡述了東亞飛蝗消化系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、感覺器官和附肢的解剖和組織構造；陸近仁和虞佩玉[6]對東亞飛蝗頭部、胸部的骨骼肌肉系統(tǒng)進行了研究和闡述，但這些研究都是基于昆蟲的解剖技術。本文采用基于計算機輔助的三維重建技術實現(xiàn)對東亞飛蝗內(nèi)部消化系統(tǒng)的三維結構重建。重建的數(shù)字化虛擬東亞飛蝗三維模型能夠使研究者對東亞飛蝗消化道結構和生理功能有更深入的了解以及能更有效地對東亞飛蝗進行生物防治。同時，東亞飛蝗作為一種教學模式昆蟲，其三維重建可視化模型也可為昆蟲研究和教學提供形象直觀、立體感強的三維動態(tài)圖像資料及形態(tài)學數(shù)據(jù)，有助于闡明組織結構與生理功能的相互關系。

1　材料和方法

1.1　材料準備

　　將東亞飛蝗卵塊放入滅菌的蛭石中，于溫度28～30 ℃、相對濕度50 %～70 %、光照2 000 lx 條件下孵化。在30 cm ×30 cm ×40 cm 養(yǎng)蟲籠中以新鮮小麥苗飼喂。待其羽化為成蟲后，選擇體長2.5~2.6 cm之間的雄成蟲作為實驗標本。

1.2　冰凍切片圖像數(shù)據(jù)采集

　　將成蟲體裝入7 mL離心管中，注入OCT包埋劑后，于液氮中速凍，制成圓柱形樣本。實驗中采用LeiCa CM3050S冰凍切片機對樣本以25 ?m為步進連續(xù)切片，在切片的同時，用固定的數(shù)碼相機對每一切片進行拍攝，采集切片的圖像數(shù)據(jù)，建立原始圖像數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集共計有1176張連續(xù)橫截面圖像數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量約為12GB。圖1給出了東亞飛蝗冰凍切片圖像樣本。

1.3　消化道結構的配準與分割

　　本實驗采用Bitplane公司的Imaris三維重建軟件對消化道結構進行配準與分割，該軟件自帶有配準與分割的功能。在分割的過程中，由于圖像內(nèi)部結構可區(qū)分度較差，不同結構之間的表觀信息較接近，所以完全自動分割出的效果難以滿足精度要求。在本實驗中，我們結合軟件自動分割與手工調(diào)整的方法對消化道進行分割。圖2給出了消化道分割后的結果。逐一將所有圖像分割后得到的消化道輪廓圖像數(shù)據(jù)。

1.4　消化道三維重建及可視化

　　在獲得了消化道結構的外形輪廓后，采用matlab編程方法單獨提取出消化道結構，最后采用Bitplane公司的Imaris三維重建軟件對分割好的消化道結構進行三維重建，然后輸出東亞飛蝗消化道的三維模型。在重建的過程中，根據(jù)軟件對標尺的校正，以圖像實際像素和切片的層距進行計算，將X，Y，Z坐標軸的比例設置為1:1:6，得到東亞飛蝗消化道結構的三維模型。圖3給出三維重建過程流程。

1.5　基于三維模型的消化道數(shù)據(jù)測量

選擇Imaris軟件中的3D Measurements功能，對表面重建的立體圖像進行分割，測量各段的表面積、體積和長度，即獲得東亞飛蝗消化道結構三維模型的形態(tài)學參數(shù)。

2　結果與分析

2.1　東亞飛蝗消化道三維重建可視化結果

　　基于分割出的東亞飛蝗消化道外形輪廓連續(xù)切片圖像數(shù)據(jù)集，利用Bitplane公司的Imaris三維重建軟件，重建出東亞飛蝗消化道結構的三維模型。圖4給出重建后的東亞飛蝗消化道三維模型。該三維模型可以任意旋轉(zhuǎn)，同時從不同角度觀察消化道形態(tài)結構。

(a) 和 (b) 從不同視點觀察（外部輪廓透明），(c) 消化道的三維模型。

Ph：咽，Es：食道，Pr:前胃， St：中腸，Il：回腸，Co：結腸，Re：直腸，An：肛門

2.2　基于三維模型的數(shù)據(jù)測量結果

　　利用Imaris軟件中的3D Measurements功能，對重建后的立體圖像進行分割，測量各段的體積、表面積和長度，獲得東亞飛蝗消化道的三維模型形態(tài)學參數(shù)。表1給出東亞飛蝗消化道三維模型的測量結果。

3　結論

　　本研究通過對東亞飛蝗進行整體的連續(xù)冰凍切片，獲得東亞飛蝗完整的數(shù)字化數(shù)據(jù)集，在此數(shù)據(jù)集上，對東亞飛蝗消化道的結構進行圖像配準、分割和信息提取，利用Bitplane公司的Imaris三維重建軟件對分割后的消化道連續(xù)切片圖像進行三維重建，從而成功構建了消化道的三維模型，并利用測量功能準確地得到消化道的三維模型形態(tài)學參數(shù)。三維立體視覺效果使東亞飛蝗消化道形態(tài)直觀性增強，為其功能研究提供完美的結構支持。更進一步了解東亞飛蝗消化道結構和生理功能的關系；而消化道是農(nóng)藥作用的靶標，為數(shù)字化模擬農(nóng)藥與蝗蟲消化道相互作用模型建立研究，提供了基礎和依據(jù)。為更進一步了解東亞飛蝗內(nèi)部組織結構和生理關系提供了依據(jù)；這也為昆蟲解剖學提供重要的形態(tài)學依據(jù)和解剖學基礎；從而為建立昆蟲數(shù)字圖書館的提供很好的三維數(shù)字模型。