器官的神经网三维立体模型建模方法与流程

1.本发明属于神经网络模型构建领域。具体的，本发明涉及神经网三维立体模型的建模方法。


背景技术：

2.近年来，早期前列腺癌的年轻化，使得降低根治性前列腺切除术后并发症显得尤为重要。在保证肿瘤控制的前提下，尽量保留周围神经的根治性前列腺切除术已成为治疗前列腺癌不可或缺的技术。如果对解剖区域的神经分布不清楚，必然导致术中损伤相关神经，出现术后勃起功能和尿控功能障碍等并发症的发生。尽管目前机器人神经保留手术使并发症有所降低，但疗效仍不满意。可见，要在降低根治性前列腺切除术后并发症上取得实质性的突破，关键取决于获取准确的前列腺周围神经网三维立体信息。但目前还没有方法获得直观的神经网三维立体模型及其构建方法，以协助开展根治性前列腺切除术。
3.3d打印技术(three dimensional printing)被誉为“第三次工业革命的重要标志之一，是一种基于计算机数字成像技术及多层次连续打印的新兴快速成型技术。它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。近几年来，随着精准医疗及个体化医疗概念的提出，3d打印技术在医学领域的应用日益广泛。例如利用3d生物打印制造出人工器官和组织，用于器官移植等。或利用3d打印制造个体化器官，例如骨科个体化钢板、人工关节、个性化种植牙等方面。3d打印技术也越来越多的应用于医学模型领域，比如用于手术计划、练习和教学，还可通过模型向患者展示疾病情况和手术操作过程。目前，3d打印模型使用多种材质进行打印，能够用于骨科医疗器械，活体组织和器官打印，其应用前景非常广阔。
4.如何通过3d打印技术打印出逼真、精确、可视化的生物模型，在手术设计、手术演练、手术培训、手术复盘中变得越来越重要。要获得精确的3d打印模型，需要在标本的选择、相关生物信息的数字化以及三维立体模型的建模等方面，持续改进和提高。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供了一种器官的神经网三维立体模型的建模方法，包括以下步骤：
6.(1)创建神经网三维数据：将器官分为不同部位，每个部位设置若干观察区，获得各部每个观察区内的神经元数量；
7.(2)建立神经网三维立体模型：根据前列腺神经网各部分的形状，绘制各部分横截面轮廓；依据步骤(1)中获得的数据，获得每个截面某区域的神经元个数，并以特定形状随机分布在该区域，绘制神经元在各区域的分布图，每个截面某区域的神经元个数＝该部对应区域的神经元总数/横截面个数；将各部分各截面各个区域内或相邻区域内的神经元用曲线进行连接，绘制各截面之间单根神经的连接曲线；利用软件的扫描功能，依次将每根连接曲线扫描成单根神经；在软件的装配体工作环境下进行基准面重合装配，装配完成神经
网整体模型。
8.进一步的，如神经元总数不足以分布到每个横截面或平均后有余数，随机选若干个横截面分配这些剩余部分。
9.进一步的，所述特定形状选自小圆点或星号。
10.进一步的，每个横截面分为里层、外层、中间层三层。
11.进一步的，将每层等分为i至xii的12个区域。
12.进一步的，采用显微镜下观察切片中染色后的神经组织数量，获得某部对应区域的神经元总数的数据。
13.进一步的，连接时，神经元从基底部到尖部以随机选取的方式连接。
14.进一步的，软件为solidworks软件。
15.本发明还提供了该方法在体外构建前列腺、直肠、膀胱的等器官神经网络上的应用。
16.本发明还提供了该方法在分析前列腺、直肠、膀胱的神经网络上的应用。
17.进一步的，将前列腺器官划分为前列腺的基底部、中部和尖部。
18.本发明还提供了一种前列腺周围神经网分布模型分为三层，分别是里层的神经网三维模型、中间层的神经网三维模型、外层的神经网三维模型，所述里层、中间层和外层三部分神经网三维模型由内而外套接在一起。所述里层、中间层和外层均包含基底部、中部、尖部三个部分。该模型分为i至xii的12个区域。
19.里层、中间层和外层三部分神经网三维模型分别由单根神经和神经间的空隙组成，不同层的单根神经通过插入至另一层的空隙而使里层、中间层和外层相互套接在一起。单根神经的形状为圆形。
20.有益效果：利用本发明方法获得的三维神经网三维立体模型，简洁、直观，对手术中避免神经损伤，显微神经网络组织工程的神经再造，其他器官显微神经模型的临床研究和治疗具有较显著的临床价值。外科医生可利用本发明方法获得的神经网三维立体图或三维模型，结合患者的病灶情况，可有效减少手术(如根治性前列腺切除术)中对神经的损伤，降低术后并发症。因此本发明对外科手术和医学教育有着重要意义。
附图说明
21.图1是神经网外形轮廓示意图。
22.图2是将横截面分为36个区域的示意图。
23.图3是尖部第三张大切片第i区域神经元数量的示意图。
24.图4是基底部区域划分以及每个区域内的神经元总数。
25.图5是中部区域划分以及每个区域内的神经元总数。
26.图6是尖部区域划分以及每个区域内的神经元总数。
27.图7是基底部一个横截面轮廓图。
28.图8是中部一个横截面轮廓图。
29.图9是尖部一个横截面轮廓图。
30.图10是基底部某一横截面的神经元随机分布图。
31.图11是中部某一横截面的神经元随机分布图。
32.图12是顶部某一横截面的神经元随机分布图。
33.图13是神经元之间的曲线连接图。
34.图14是图13的另一个角度。
35.图15是里层神经网三维图。
36.图16是图15的俯视图。
37.图17是外层神经网三维图。
38.图18是中间层神经网三维图。
39.图19是将图15、17和18中的三维图装配后的神经网整体模型示意图。
具体实施方式
40.以前列腺周围神经网络构建为例具体说明神经网三维立体模型的建模方法。
41.一、总体建模方案
42.采用三维设计建模软件solidworks2018，根据神经网三维数据模型，分别构建里层、外层、中间层神经网立体图，然后对三层立体图进行基准面重合装配，完成整个神经网立体图的建模。
43.二、建立神经网三维数据模型
44.1、将神经网在z轴方向上分为基底部、中部、尖部三个部分。按基底部高度为13mm，中部高度为14mm，尖部高度为13mm，基底部的开口直径为30mm，中部最大直径是32mm，尖部开口直径为10mm，绘制出如图1所示的外形轮廓。
45.2、首先将神经网基底部、中部和尖部分别在z轴方向上等间距分隔为50个横截面；将每个横截面分为里层、外层、中间层三层；最后将每层等分为i至xii的12个区域，即获得36个观察区。如图2的附图标记1所示的观察区即为外层第iv区域，附图标记2所示的观察区是外层第xii区域。
46.分别将基底部、中部和尖部中每个区域的神经元总数除以横截面个数，即获得该部每个横截面中每个区域的神经元个数，即每个截面某区域的神经元个数＝该部对应区域的神经元总数/横截面个数。如神经元数不足以分布到每个横截面或平均后有余数，则将它们归入随机选的若干个横截面中。确定横截面区域中的神经元个数后，将这些神经元随机分布到每个区域内，可用小圆点或星号表示。
47.某部对应区域的神经元总数的数据可以通过但不限于以下方式获得：显微镜下观察切片中染色后的神经组织数量。
48.以显微镜下观察切片中染色后的神经组织数量为例，具体说明。
49.获得没有前列腺癌或前列腺手术史的新鲜成年男性整个膀胱和前列腺全切标本。
50.按自然解剖结构将前列腺器官划分为前列腺的基底部、中部和尖部三个解剖区块平面。在距离底部周围部分大约1cm距离内设为基底部，在距离顶点周围部分大约1cm距离内设为尖部，在基底和顶部之间设为中部。每个解剖区块平面进一步冠状横切面横断切割成3-5毫米厚的病理大切片区块，其冠状横切面即垂直于前列腺尿道。将标本横断切成病理大切片区块后，再用10％的福尔马林固定，常规程序石蜡包埋，用切片机制作出分区块的连续大切片，例如，连续切成3μm的大切片。
51.将按不同解剖区块制作的连续大切片进行神经组织染色，获得能将神经组织与其
他组织区分开的染色切片。神经组织染色方法可选自但不限于s100免疫组化染色法、一氧化氮合酶(nnos)、酪氨酸羟化酶(th)和降钙素基因相关肽(cgrp)染色法等。也可采用常规苏木精和曙红(h&e)染色并由病理科专家区分神经纤维与其他组织进行神经元的计数。
52.例如，按不同解剖区块制作的连续大切片进行神经组织染色，获得能将神经组织与其他组织区分开的染色切片。
53.s100免疫组化染色法：两个相邻大切片的神经纤维染色可采用多克隆抗体蛋白s100的免疫组化法进行神经染色，该染色能将所有类型神经均染色为同一颜色。
54.nnos免疫组化染色法：采用不同免疫组化染色试剂合，将不同类型神经，如交感与副交感神经染色成不同的颜色。具体通过二步法进行：第一步：使用masson trichrome(mt)对包含标本的玻片进行染色，其中髓磷脂染成鲜艳的红橙色；第二步：副交感神经是使用针对神经元一氧化氮合酶的抗体进行鉴定(nnos)，使用的抗体是兔单克隆抗体，抗nnos(神经元)抗体，通过识别nnos阴性为有髓神经不同颜色来区分交感与副交感神经。
55.为了提高神经染色剂使用效率，可以在进行神经染色前抽检切片，预判连续切片是否包含了完整的周围神经组织。例如利用苏木精(上海蓝季生物公司)和伊红(上海展云化工有限公司)的he染色法抽检切片，以判断切片是否包含了完整的周围神经组织。具体的，抽取大切片用he染色，由病理学家对he染色大切片进行初步评估，明确该张抽取大切片是否含有较完整的周围神经组织。对包含周围神经组织不完整或制作质量较差的切片予以排除或丢弃；对包含神经组织内容足够的大切片，即以该切片为中心抽取其附近大切片进行神经组织染色。抽检切片显示含有完整神经组织，则保留抽检切片附近的大切片。然后采用s100免疫组化染色法、nnos免疫组化染色等方法对包含神经组织完整的大切片进行神经组织染色。
56.显微镜扫描每张已神经染色且分区的大切片，通过计算机软件读取和分析该大切片观察区的神经纤维数目，并在各部观察区中记录神经元总数。例如图3所示是尖部第三张大切片，通过显微镜扫描和计算机软件分析获得该切片第i区域的外层、中间层和里层的神经元数量分别为2、6、7。计算机根据每张切片的数据，运算后获得如图4至6所示基底部、中部和尖部各观察区的神经元总数。例如图4所示，基底部的外层第xii区域的神经元总数是154；例如图5所示，中部中间层第xii区域的神经元总数是112；例如图6所示，里层第xii区域的神经元总数是152。
57.三、具体建模步骤
58.根据图4至6建立的前列腺周围神经网三维数据，创建前列腺周围神经网三维立体模型。本实施例以基底部、中部和尖部各部分的里层为例进一步说明该步骤。
59.1.绘制各部分横截面轮廓
60.根据前列腺神经网各部分的形状，近似绘制各部分横截面轮廓如图7至9所示。各轮廓在z轴方向上的间距由各部分高度决定。为使扫描的曲线平滑过渡，还可在各部分内等间距增加2～3个横截面，其轮廓尺寸等比例进行缩放。
61.2.绘制神经元在各区域的分布图
62.根据神经元在各区域的分布个数计算方法，计算出各区域的神经元个数，然后在相应区域内随机点取相应数量，神经元用小圆点或星号表示，如图10-12所示。计算公式为每个区域的神经元个数＝总数/截面数，且如神经元总数不足以分布到每个横截面或平均
后有余数，随机选若干个横截面分配这些剩余部分。
63.以横截面数量50个为例。
64.如图4所示基底部的里层第xii区域的神经元总数为70个，按公式计算得该区域每个截面可获得1个神经元，因此将图7的相应区域内点上一个小圆点，剩余的20个神经元则随机分配到50个截面中(获得随机分配的截面示意图未示出)。基底部该截面每一个区域均按上述方法标示出小圆点，获得如图10的基底部里层其中一个截面的神经元分布图。
65.如图5所示，中部里层第xii区域的神经元总数是356，按公式计算得该区域每个截面可获得7个神经元，因此将图8的相应区域内点上一个小圆点，剩余的6个神经元则随机分配到50个截面中(获得随机分配的截面示意图未示出)。中部该截面每一个区域均按上述方法标示出小圆点，获得如图11的中部里层其中一个截面的神经元分布图。
66.如图6所示，尖部里层第xii区域的神经元总数是152，按公式计算得该区域每个截面可获得3个神经元，因此将图9的相应区域内点上一个小圆点，剩余的2个神经元则随机分配到50个截面中(获得随机分配的截面示意图未示出)。尖部该截面每一个区域均按上述方法标示出小圆点，获得如图12的尖部里层其中一个截面的神经元分布图。
67.3.绘制各截面之间单根神经的连接曲线
68.在z轴方向上，将各部分各截面各个区域内或相邻区域内的神经元用曲线进行连接。连接时神经元从基底部到尖部以随机选取的方式连接。由于神经元个数在各个截面各个区域内不同，如下一截面没有神经元与上截面对应连接，则将曲线在该截面收尾，部分曲线如图13和14所示。
69.4.将曲线扫描成神经网
70.在三维制图软件中，选取绘制的曲线为扫描轨迹，神经元小圆点为轮廓，通过软件的扫描功能，依次将每根曲线扫描成单根神经，进而完成里层神经网的创建，如图15和16所示。
71.按照上述步骤分别构建出外层和中间层的神经网，如图17和18所示。
72.5.装配
73.将单独创建的外层的神经网三维模型(图17所示)、中间层的神经网三维模型(图18所示)和里层的神经网三维模型(图15所示)，在三维制图软件的装配体工作环境下进行基准面重合装配，装配完成如图19所示的前列腺神经网整体模型。由图19可知，第xii和i区域的神经分布相比vii和vi区域的神经网分布较稀疏。
74.装配好的神经网整体模型还可通过3d打印方法，获得实物模型。
75.利用本发明方法构建完成的前列腺神经网可以清楚地展示出前列腺显微神经网在前列腺周围的三维立体分布情况，例如神经在各部分的疏密分布及距离前列腺包膜的远近程度情况。由于人体各器官的神经网络是非常复杂的，不同的个体的神经分布还存在细微的差异。而本发明方法获得的神经网络模型，对于神经的疏密分布及距离前列腺包膜的远近程度具有统计学意义，已足够指导外科手术时尽可能避开神经的要求。这个模型可以很好地帮助到外科手术医生在前列腺手术时，依据患者的病情，尽量选择神经分布较稀疏的部位开刀，从而降低前列腺神经的损伤，使患者能在术后保持较为完整的根治性前列腺切除后功能。
76.外科医生依据该模型在实际的临床外科手术中取得了很好的效果。外科医生根据
本发明所述神经网的分布模型创新并实施了完全保留耻骨膀胱复合体的前列腺癌根治手术59例，术后拔除尿管即刻和1个月控尿率分别为71％和86％，而常规手术组分别为24％和54％，具有统计学意义(p<0.01)。术后6个月iief—5评分分别为16分和12分，术后6个月勃起功能恢复至术前状态的比例分别53％和21％，也有有统计学意义(p<0.01)。由此可见，参考神经网三维立体模型，采用完全保留耻骨膀胱复合体技术能显著提高患者早期控尿功能恢复率，使性功能较快恢复至术前水平；对经过选择的前列腺癌患者，不增加psm率。
77.同样的方法，还可以构建其他器官(如直肠、膀胱等)的神经网整体模型。用本发明方法构建的各种器官神经网模型可以协助相关教学和练习。结合患者实际影像资料，规划手术入路，制定术前预计划手术操作流程，提出最佳手术方式等。同时对术后神经损伤的预判，还可通过模型向患者展示疾病情况和手术操作过程。