基于蝗虫切片图像的消化道三维结构重建研究

2014-10-07 15:12:58 大云网　点击量：评论 (0)

摘　要：蝗虫是我国重要的害虫之一，如何有效地预防是研究者们共同关注的问题。本文从三维结构重建入手，研究东亚飞蝗数字化连续切片图像数据集的采集，蝗虫消化道的分割、三维重建及其各部分的形态学参数测量。

摘　要：蝗虫是我国重要的害虫之一，如何有效地预防是研究者们共同关注的问题。本文从三维结构重建入手，研究东亚飞蝗数字化连续切片图像数据集的采集，蝗虫消化道的分割、三维重建及其各部分的形态学参数测量。构建出的三维模型能够任意旋转，从不同角度进行观察，其结果为防蝗治蝗提供科学依据。

关键词：　蝗虫　消化道数据集　三维可视化测量

三维可视化技术已成为研究生物体组织的重要手段[1]，但基于昆虫的数字化虚拟和三维结构的重建却研究较少。目前，国外大多采用核磁共振(Magnetic resonance imaging,MRI)技术[2]和连续切片技术[3]对昆虫的表面进行三维重建。国内也开展了基于尘螨消化系统生物组织切片的三维重建的研究[4]。这些方法都是针对体积较小的昆虫或其局部结构进行的三维重建，不适合对较大型的昆虫（如东亚蝗虫）或其内部结构的三维重建。

　　东亚蝗虫是重要的农业害虫之一，国内学者对其进行了长期的研究。刘玉素和卢宝廉[5]研究并阐述了东亚飞蝗消化系统、生殖系统、感觉器官和附肢的解剖和组织构造；陆近仁和虞佩玉[6]对东亚飞蝗头部、胸部的骨骼肌肉系统进行了研究和阐述，但这些研究都是基于昆虫的解剖技术。本文采用基于计算机辅助的三维重建技术实现对东亚飞蝗内部消化系统的三维结构重建。重建的数字化虚拟东亚飞蝗三维模型能够使研究者对东亚飞蝗消化道结构和生理功能有更深入的了解以及能更有效地对东亚飞蝗进行生物防治。同时，东亚飞蝗作为一种教学模式昆虫，其三维重建可视化模型也可为昆虫研究和教学提供形象直观、立体感强的三维动态图像资料及形态学数据，有助于阐明组织结构与生理功能的相互关系。

1　材料和方法

1.1　材料准备

　　将东亚飞蝗卵块放入灭菌的蛭石中，于温度28～30 ℃、相对湿度50 %～70 %、光照2 000 lx 条件下孵化。在30 cm ×30 cm ×40 cm 养虫笼中以新鲜小麦苗饲喂。待其羽化为成虫后，选择体长2.5~2.6 cm之间的雄成虫作为实验标本。

1.2　冰冻切片图像数据采集

　　将成虫体装入7 mL离心管中，注入OCT包埋剂后，于液氮中速冻，制成圆柱形样本。实验中采用LeiCa CM3050S冰冻切片机对样本以25 ?m为步进连续切片，在切片的同时，用固定的数码相机对每一切片进行拍摄，采集切片的图像数据，建立原始图像数据集。该数据集共计有1176张连续横截面图像数据，总数据量约为12GB。图1给出了东亚飞蝗冰冻切片图像样本。

1.3　消化道结构的配准与分割

　　本实验采用Bitplane公司的Imaris三维重建软件对消化道结构进行配准与分割，该软件自带有配准与分割的功能。在分割的过程中，由于图像内部结构可区分度较差，不同结构之间的表观信息较接近，所以完全自动分割出的效果难以满足精度要求。在本实验中，我们结合软件自动分割与手工调整的方法对消化道进行分割。图2给出了消化道分割后的结果。逐一将所有图像分割后得到的消化道轮廓图像数据。

1.4　消化道三维重建及可视化

　　在获得了消化道结构的外形轮廓后，采用matlab编程方法单独提取出消化道结构，最后采用Bitplane公司的Imaris三维重建软件对分割好的消化道结构进行三维重建，然后输出东亚飞蝗消化道的三维模型。在重建的过程中，根据软件对标尺的校正，以图像实际像素和切片的层距进行计算，将X，Y，Z坐标轴的比例设置为1:1:6，得到东亚飞蝗消化道结构的三维模型。图3给出三维重建过程流程。

1.5　基于三维模型的消化道数据测量

选择Imaris软件中的3D Measurements功能，对表面重建的立体图像进行分割，测量各段的表面积、体积和长度，即获得东亚飞蝗消化道结构三维模型的形态学参数。

2　结果与分析

2.1　东亚飞蝗消化道三维重建可视化结果

　　基于分割出的东亚飞蝗消化道外形轮廓连续切片图像数据集，利用Bitplane公司的Imaris三维重建软件，重建出东亚飞蝗消化道结构的三维模型。图4给出重建后的东亚飞蝗消化道三维模型。该三维模型可以任意旋转，同时从不同角度观察消化道形态结构。

(a) 和 (b) 从不同视点观察（外部轮廓透明），(c) 消化道的三维模型。

Ph：咽，Es：食道，Pr:前胃， St：中肠，Il：回肠，Co：结肠，Re：直肠，An：肛门

2.2　基于三维模型的数据测量结果

　　利用Imaris软件中的3D Measurements功能，对重建后的立体图像进行分割，测量各段的体积、表面积和长度，获得东亚飞蝗消化道的三维模型形态学参数。表1给出东亚飞蝗消化道三维模型的测量结果。

3　结论

　　本研究通过对东亚飞蝗进行整体的连续冰冻切片，获得东亚飞蝗完整的数字化数据集，在此数据集上，对东亚飞蝗消化道的结构进行图像配准、分割和信息提取，利用Bitplane公司的Imaris三维重建软件对分割后的消化道连续切片图像进行三维重建，从而成功构建了消化道的三维模型，并利用测量功能准确地得到消化道的三维模型形态学参数。三维立体视觉效果使东亚飞蝗消化道形态直观性增强，为其功能研究提供完美的结构支持。更进一步了解东亚飞蝗消化道结构和生理功能的关系；而消化道是农药作用的靶标，为数字化模拟农药与蝗虫消化道相互作用模型建立研究，提供了基础和依据。为更进一步了解东亚飞蝗内部组织结构和生理关系提供了依据；这也为昆虫解剖学提供重要的形态学依据和解剖学基础；从而为建立昆虫数字图书馆的提供很好的三维数字模型。