1 颅脑真实结构介绍

为了之后对颅脑真实结构模型进行构建，首先需要了解颅脑的真实结构。

本文中，将颅脑结构基本分为4层:由外及内分别是头皮、颅骨、脑脊液和脑实质。根据解剖学，头皮层可分为皮肤层、帽状健膜层、键膜下层、健膜下间隙和骨膜层。其中，骨膜层紧贴颅骨外表面，可从颅骨上剥离。

颅骨主要分为脑颅骨和面颅骨两个部分。颅骨总共由23块不同的骨头组成，起着保护和支持脑实质以及其他感觉器官、消化器官等的作用。脑颅骨厚度并不均匀，从Smm到1Smm不等。脑颅骨位于颅骨的后上方，脑颅骨内有颅腔;面颅骨位于颅骨的前下方，组成人的面部结构。脑颅骨底部有着枕骨大孔、颈静脉孔、梅克尔腔、卵圆孔等孔洞。颅骨的分类和示意图如图2.1所示。

在脑颅骨以内，脑实质以外，介于两者之间存在脑被膜，如图2.2所示。脑被膜又包括硬脑膜、蛛网膜和软脑膜。硬脑膜外层通过骨膜内层附着在颅骨内表面上，硬脑膜质地坚固，内层与蛛网膜相连;蛛网膜介于硬脑膜和软脑膜之间，软脑膜紧贴在脑实质表面，深入到脑沟和脑回之中，内部布满毛细血管。介于蛛网膜和软脑膜之间的蛛网膜下腔中充满着脑脊液(cerebrospinalfluid,CSF>，.成年人的脑脊液平均约为100-150m1,蛛网膜下腔并不均匀，在某些部位扩展成蛛网膜下池。

脑实质位于脑被膜内，也就是通常意义上的脑。脑是神经系统最重要的器官，成年男性脑的平均重量是1380g，女性是1250g。根据结构和功能，脑主要分为端脑、间脑、小脑、中脑、脑桥、延髓6个部分，其中中脑、脑桥与延髓组成脑干。

端脑，也就是通常意义上的左右大脑半球。脑的表面，即大脑皮层充满着脑沟和脑回，扩大了脑的表面积。大脑纵裂将端脑划分为左右半球，另外根据结构，端脑又被划分为额叶、枕叶、顶叶、颗叶与岛叶，具体结构如图2.3所示。

前文已经提到，在本研究中，仅考虑颅脑分层结构的传热特性，并对颅脑分层传热结构做了几点假设，因而在之后的建模中相应地对颅脑结构进行简化。具体上，将头皮层划分为一层;将骨膜、脑颅骨、硬脑膜划分为一层，去除掉面颅骨，并将脑颅骨底部的孔洞去除;将蛛网膜、脑脊液划分为一层;将软脑膜、脑实质划分为一层。尽管不太严谨，但是考虑到M}和CT扫描无法区分开骨膜和脑膜的体素，另外各层骨膜和脑膜相对于总体传热而言影响并不大，因而不会对最终计算结果产生太大影响。

2 颅脑断层扫描数据导入

前文已经提到，在本研究中将利用医学影像软件对人颅脑的CT及MRI扫描数据进行三维重建。在医学影像重建三维模型领域，Materialise公司提供的Mimics软件以其出色的断层图像分割、三维模型编辑查看等功能被广泛应用于手术预演、病灶查看等领域。本节将主要就用Mimics软件重建颅骨及脑实质进行说明。

本研究采用的人颅脑MRI和CT扫描数据由Mimics软件自带的同一志愿受试的健康青年男性扫描数据;MRI扫描为无间距扫描，每个扫描层厚度为0.67mm,像素矩阵密度为256x256，共256张;CT扫描层厚度为Imm，像素矩阵密度为512X512，共245张。两组图像都以Dicom格式保存。接下来我将就对MRI扫描图像处理得到脑实质的过程加以说明。

首先将MRI扫描的Dicom文件导入Mimics软件，如图2.4所示。我们可以分别看到图片导入后颅脑的冠状面、横断面和矢状面，可以通过调节任意一个位面的滑块观看其他两个面坐标的变化，同时可以通过选取鼠标停留的位置确定当前点在整个坐标系统的坐标位置，图中右下角图为三维显示图，现在仍是空白。

我们可以使用Mimics的“间距测量，，(measuredistance)命令，如图2.5所示，红字表示长度，蓝字表示宽度，在Mimics软件中进行测量的横断面视图进行测量，在横断面中我们可以测量得到该名健康成年男子脑实质前后最长为I87.82mm,脑实质左右最宽为I35.02mmo

3 对断层扫描数据进行处理

为了得到脑实质的三维模型，首先我们要确定脑实质的区域，这里我们采用灰度值分割的方法。亨氏值(hounsfieldunit,HU)，又称灰度值，是定量衡量组织对X射线的吸收率。在Mimics中，我们可以通过使用“灰度分割"<threshold)命令，选中一定灰度值范围来选择所感兴趣的生物组织。首先，我们在横断面画一条剖面线(DrawProfileLine)，之后可以在剖面线属性中查看随剖面线坐标变化的不同的灰度值范围。由图2.6，横断面中的红线为剖面线，我们可以发现在脑实质范围内，灰度值变化范围不大，而当剖面线横坐标在185mm到200mm时，灰度值剧烈上升，这是由于剖面线穿过了头骨，头骨灰度值较高。为了保留尽量多的脑实质区域，我们设定灰度间值为400-1330HU，选择应用(Apply)即可得到当前灰度阂值范围内的蒙罩Cmask)。

“修剪蒙罩"tCropMask>命令可以将通过选中某一区域，再对灰度值范围内的区域进行计算。如图2.7，蒙罩的区域比之前相比，去除了部分头骨部分。

执行修剪蒙罩命令后，新的蒙罩仍然包含了部分干扰成分，为了进一步去除，使用“区域增长”命令(RegionGrowing)去除与脑实质不相连的体素，得到如图2.8(b)的新蒙罩，与之前的蒙罩相比，经区域增长命令后产生的蒙罩基本上包含了整个脑实质部分，又去除了其他干扰体素。

4 重建人脑及头骨三维面模型

经过一系列操作后，我们得到了脑实质的完整蒙罩，之后就可以执行“罩计算3D模型”命令(Calculate3DfromMask)，计算脑实质的三维模型，2.9所示。由蒙如图

用类似的方法，通过对同一名健康成年男子的CT扫描数据进行三维重建，进而可以得到颅骨和头部的三维数据，需要指出的是，由于我们仅考虑选择性亚低温治疗时颅脑内部的温度，所以仅保留了头部的上半部以及脑颅骨部分，具体操作如下:

（1）执行与创建脑实质类似的步骤，使用灰度分割、修剪蒙罩、区域增长、由蒙罩创建三维等命令建立完整颅骨和头部三维模型，完整颅骨和头部的三维模型如图2.10所示。

（2）由于完整人类头部的传热特性过于复杂，包括呼吸散热、眼球散热、腮腺散热等，另外完整头部的内部结构也难以一一复原，前文也已经提过，在本次研究中我们假设选择性亚低温治疗时，颅脑分层模型的底部是动态绝热的，因而在这里我将人头部的下半部以及面颅骨去除，仅留下头部的上半部以及脑颅骨部分。具体操作上使用“多层编辑”命令(Multiplesliceedit)，接下来以对头部的编辑为例。

在矢状面的某一层选中所要去除的体素部分，然后可以每隔十层或者自己调整间隔，再次选中所要去除的部分，最后点击插值按钮(interpolate)，即可夸层选中所要去除的部分。经过多级编辑后的脑颅骨和头部上半部如图2.11和2.12所示。同时，通过对CT图片每一层的颅骨进行“间距测量”，可以发现该名对象脑颅骨最厚处的厚度为15.70mm，最薄仅有4.81mm，可见并不能简单的把脑颅骨作为半球进行替代。

这样，通过分别对MRI和CT医学扫描数据的处理，我们分别得到了脑实质、脑颅骨和头部上半部的三维重建模型。尽管这三种组织都属于同一健康成年男子，但是由于CT与MRI断层扫描数据的扫描坐标系不同，为了后续将各擎织组合成同一颅脑结构模型，进而求出头皮和脑脊液部分，我们需要对MRI和CT重建的组织进行配准。