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生物器官模型数字化与纹理映射技术研究

生物器官模型数字化与纹理映射技术研究

作者：伍新中西北工业大学

学位级别：硕士

数字化技术是当今世界研究最热门、应用领域最广的技术之一。得益于“数字化人”的研究进展，人体器官的数字化三维模型的获取已经变的容易。但对这些三维模型增加彩色纹理以体现真实感的研究并不多见。另外，在全国各学校、医院存有大... 详细信息

数字化技术是当今世界研究最热门、应用领域最广的技术之一。得益于“数字化人”的研究进展，人体器官的数字化三维模型的获取已经变的容易。但对这些三维模型增加彩色纹理以体现真实感的研究并不多见。另外，在全国各学校、医院存有大量的医学教具模型，将这类模型数字化并增加纹理对多媒体教学、远程教育以及搭建虚拟手术平台均有重要意义。因此，本文对器官模型的数字化和纹理映射技术展开研究，并满足真实感渲染的需要。本文的主要研究内容和研究成果有： 1．基于MITK的QEM三角网格简化算法集成。本文对MITK进行了一定深度的学术研究，解决了不同数据结构之间数据交换的难题，成功将MITK的mitkQEMSimplification模块集成到本系统中，完成了器官模型三角网格的简化。 2．基于轮廓线与已有纹理的纹理配准技术。本文利用器官模型的轮廓线进行纹理配准。提出利用已配准纹理进行配准的方式，弥补了单纯利用轮廓线配准信息不足的问题。对轮廓线的提取进行了研究，利用Laplacian算子和Sobel算子实现了轮廓线特征与纹理特征的提取。实现了基于OpenGL可视化平台下的人机交互配准，对纹理自动配准技术进行了深入研究。 3．基于分块映射的纹理拼接技术。本文提出一种利用三角面片与视线垂直的判定方法选用纹理进行拼接。利用这一准则对三维模型进行自然分块，而不用考虑具体的分块位置。可对任意角度的纹理进行配准与拼接，整个纹理拼接操作过程简单友好“所见即所得”。并对纹理接缝进行了融合处理。本文提出并实现了一种将多块纹理拼接成一块完整纹理的正方形缩进递归算法，输出了拼接纹理并自动生成拼接后的纹理坐标。 4．基于OpenGL的生物器官模型可视化平台开发。利用面向对象的编程思想，在Visual Studio ***平台下开发了一个基于OpenGL的生物器官模型可视化平台BOVS。该平台除单纯的可视化功能外，还集成了网格简化，纹理配准，纹理拼接，纹理输出等功能。本文以采集的心脏、肝脏和胃模型为实例，进行了多项相关实验，并给出了实验结果。对本文中的相关技术和算法进行了有力的验证。

关键词：器官模型数字化 MITK 配准拼接纹理映射 OpenGL

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大鼠血管平滑肌增殖器官模型的机制探讨

大鼠血管平滑肌增殖器官模型的机制探讨

作者：张艳林苏州大学

学位级别：硕士

研究目的:探讨大鼠动脉在体外培养条件下其血管平滑肌细胞增殖的形成机制,为本室已建立的血管平滑肌增殖器官模型的应用提供理论依据。实验方法:实验分组:在无菌条件下取大鼠腹主动脉,剪成1.5cm左右小段,实验分成:20%FBS培养(其中又分为... 详细信息

研究目的:探讨大鼠动脉在体外培养条件下其血管平滑肌细胞增殖的形成机制,为本室已建立的血管平滑肌增殖器官模型的应用提供理论依据。实验方法:实验分组:在无菌条件下取大鼠腹主动脉,剪成1.5cm左右小段,实验分成:20%FBS培养(其中又分为:内皮损伤、损伤+BQ123、未损伤、未损伤+ BQ123四个组)和无血清培养(其中也分为:内皮损伤、损伤+ BQ123、未损伤、未损伤+ BQ123四个组)共8个实验组。每组10个血管条,分两个培养瓶在DMEM培养基中培养10d,每隔24h半量换液一次。其中一瓶于培养第5天时加入5-Brdu(8×10-4mol/l)标记,收集后用4%多聚甲醛固定,作石蜡切片用于HE染色和免疫组织化学染色。另一瓶用于提取总RNA做RT-PCR。收集每组培养上清贮存于-80℃,用于检测ET-1。正常对照组用未培养的血管。免疫组织化学染色:每组5个血管条各取2张切片做免疫组织化学,具体步骤如下:将切片脱蜡至水后,用含0.3%双氧水的甲醇封闭;2N盐酸37℃1h;正常羊血清封闭20 min,以上各步之间用0.1M PBS冲洗3次。5-BrDU抗体(1:250)4℃过夜;二抗(1:50)37℃30 min;SABC 37℃20 min;DAB显色3 min,以上各步之间用0.1M PBS冲洗3次。脱水,二甲苯透明,封片,显微镜下观察。每张切片都进行阳性细胞计数,每组阳性标记细胞以X±表示,用X±t检验显著性差异。上清液中ET-1的测定:将上述收集的培养上清液,使用放射免疫试剂盒和放免检测仪,按照说明书操作测定各组样品中的内皮素含量。每一实验重复3次。结果以X±表示,组间用X±检验显著性差异。RT-PCR检测:将上述实验收集的血管用一步法(Trizol试剂)提取总RNA,在20μl反应体系中42℃50 min,70℃15 min,逆转录mRNA为cDNA。取逆转录产物3μl加入聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction , PCR)体系,在50μl反应体系中进行聚合酶链反应。聚合酶链反应:94℃变性50 s,56℃退火50 s,72℃延伸1 min,共32个循环。产物经图像处理系统进行分析,同一实验重复3次。结果:1.血管平滑肌细胞的增殖:(1)HE染色可见,内皮损伤血管经体外培养10天后平滑肌细胞明显增生,肌纤维排列紊乱。(2)抗5-Brdu免疫组织化学染色显示,各组培养血管中膜均有标记的平滑肌增殖细胞,但内皮损伤后用20%血清培养组标记的增殖细胞明显多于无血清培养组,在培养基中加入内皮素受体阻断剂BQ123能明显抑制血管平滑肌的增殖(P〈0.05)。(3)RT-PCR检测发现,血管平滑肌增殖负调控基因Hrg-1在正常血管平滑肌中都有表达,而各组内皮损伤后体外培养10天的血管表达均明显减弱,血清培养组更为显著,加ET-1特异性阻断剂BQ123后各组表达均明显上调。这说明ET-1分泌及血清刺激对内皮损伤后体外培养的血管平滑肌细胞增殖起了重要作用。2.血管平滑肌表型的转化:RT-PCR检测发现,血管平滑肌收缩表型标志基因SM22α在正常血管平滑肌中都有表达,但在内皮损伤后体外培养10天的血管表达明显减弱,其中血清培养组血管基本不表达,加内皮素受体阻断剂BQ123后,各组SM22α的表达均有所上调,这表明内皮素分泌和血清培养促进了血管平滑肌的表型由收缩型向分泌型的转化。3.培养上清中ET-1的变化:内皮损伤后血管ET-1分泌增加,其中血清培养组增加更为显著(P模型平滑肌增殖的主要因素。本模型为研究血管平滑肌增殖性疾病的机理和防治提供了一个较好的实验平台。

关键词：器官模型平滑肌增殖机制表型转化内皮素-1 血清

降钙素基因相关肽对大鼠血管平滑肌增殖及表型转化的影响——用血...

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作者：杨芹苏州大学

学位级别：硕士

研究目的:通过CGRP作用血管平滑肌增殖器官和细胞模型,检测与血管平滑肌增殖及表型转化的相关基因HRG-1和SM22α的表达,阐明CGRP对血管平滑肌增殖及表型转化是否有影响和它们之间的关系,并同时对本实验室建立的血管平滑肌增殖器官和细... 详细信息

研究目的:通过CGRP作用血管平滑肌增殖器官和细胞模型,检测与血管平滑肌增殖及表型转化的相关基因HRG-1和SM22α的表达,阐明CGRP对血管平滑肌增殖及表型转化是否有影响和它们之间的关系,并同时对本实验室建立的血管平滑肌增殖器官和细胞模型的应用价值作出评估。研究方法:实验一(用平滑肌增殖器官模型):取150-200g健康雄性SD大鼠的主动脉,按本实验室建立血管平滑肌增殖器官模型方法体外培养血管,实验分为A:模型组CGRP作用;B:模型组无CGRP作用;C:正常对照组(不培养)。每组4条血管,血管培养在含20%胎牛血清DMEM培养基中培养8天后取出做实验(CGRP的终浓度为2×10-7mol/L),用于免疫细胞化学检测的血管取出前24小时用5-Brdu(8×10-4mol/L)标记,作石蜡切片,其它血管用于RT-PCR实验。实验二(用细胞增殖模型):血管平滑肌增殖模型细胞取大鼠主动脉经体外培养8天后,再贴壁传代培养,对照组细胞则用新鲜血管直接贴壁传代培养。实验分为A:细胞模型组CGRP作用;B:细胞模型组无CGRP作用;C:正常对照组。细胞培养在含20%胎牛血清DMEM培养基中培养(CGRP的终浓度为2×10-7mol/L),用于免疫细胞化学检测的细胞取出前24小时用5-Brdu(8×10-4mol/L)标记,其它细胞用于RT-PCR实验。以上实验用HE染色和抗5-BrdU免疫细胞化学染色观察细胞增殖,RT-PCR检测与血管平滑肌增殖相关基因HRG-1和表型标志基因SM22α的表达。结果:实验一:HE染色可见体外培养8天的血管有增生斑块,而加了CGRP组血管壁除有弹性纤维紊乱外,未见有增生斑块;用免疫细胞化学染色进一步证实未加CGRP组的血管中膜可见大量被标记的增生细胞;而加CGRP作用组则标记细胞明显减少。RT-PCR检测表明CGRP对HRG-1和SM22αmRNA的表达都有明显的上调作用。提示:CGRP对血管平滑肌细胞增殖起抑制作用可能与SM22α和HRG-1基因上调有关。实验二:从免疫细胞化学染色可以看出:未加CGRP的模型组有大量棕黄色标记增殖的细胞核;而加入CGRP共培养组标记的增殖细胞核数量大大减少;正常对照组未见标记的增殖细胞。RT-PCR检测表明各组平滑肌细胞中均有HRG-1和SM22αmRNA的表达,未加CGRP的模型组HRG-1和SM22αmRNA

关键词：器官模型平滑肌增殖表型转化高血压相关基因-1 平滑肌22α 细胞模型

利用CT扫描图片制作人体器官模型实体的简易方法

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医学理论与实践 2009年第4期22卷 493-494页

作者：郭楠楠李捷于长海解放军总医院第一附属医院胸心外科北京100037

断层图像序列重建物体的三维结构是随CT技术而发展起来的,一直是医学领域研究的课题.利用CT扫描、计算机重建技术制作三维立体模型实体因其技术含量高,材料要求严格,制作周期长,模型成本高,因此难以普及.本文利用CT扫描图片制作人体器... 详细信息

断层图像序列重建物体的三维结构是随CT技术而发展起来的,一直是医学领域研究的课题.利用CT扫描、计算机重建技术制作三维立体模型实体因其技术含量高,材料要求严格,制作周期长,模型成本高,因此难以普及.本文利用CT扫描图片制作人体器官模型实体的简易方法棗曲面体重建方法,能够处理并制作任何层面的断面成像(即各个器官的CT影像),通过影像叠加,构建立体实体模型,以拓宽各种人体器官重建的范围.

关键词： CT扫描图片器官模型

3D打印技术在肝胆胰外科中的应用进展（英文）

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Journal of Zhejiang University-Science B(Biomedicine & Biotechnology) 2024年第2期 123-135页

作者：史武江王健岗高坚钧邹欣蕾董青福黄子越盛嘉麟关沧海徐艺崔云甫钟翔宇哈尔滨医科大学附属第二医院肝胆胰外科空军军医大学唐都医院普外科遵义医科大学基础药理学教育部重点实验室厦门医学院临床转化医学重点实验室香港大学李嘉诚医学院病理科江苏省肿瘤靶向纳米诊断与治疗材料工程研究中心浙江省生物标志物与体外诊断转化重点实验室福建医科大学基础医学院胃肠道肿瘤教育部重点实验室哈尔滨医科大学心肌缺血教育部重点实验室

3D打印技术兴起于20世纪70年代末，经历长期的发展后，在机械工程、工业设计和生物医学领域得到了广泛的应用。在生物医学领域，多项研究初步发现3D打印技术可在肝胆胰外科相关疾病的治疗中发挥重要作用。例如，3D打印技术已被应用于创... 详细信息

3D打印技术兴起于20世纪70年代末，经历长期的发展后，在机械工程、工业设计和生物医学领域得到了广泛的应用。在生物医学领域，多项研究初步发现3D打印技术可在肝胆胰外科相关疾病的治疗中发挥重要作用。例如，3D打印技术已被应用于创建疾病器官的详细解剖模型，用于术前制定个性化手术策略、手术模拟、术中导航、医师培训和患者教育。此外，还可利用3D打印技术创建癌症模型，用于化疗药物的研究和选择。为了阐明3D打印技术在肝胆胰外科领域的发展和应用现状，本文介绍了七种常见的3D打印技术，并对3D打印技术在肝胆胰外科领域的研究和应用现状进行了综述。

关键词： 3D打印肝胆胰外科器官模型癌症模型

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大鼠血管平滑肌增殖器官和细胞模型的建立

大鼠血管平滑肌增殖器官和细胞模型的建立

作者：王彩英苏州大学

学位级别：硕士

研究目的:为了建立血管平滑肌增殖模型,通过体外培养大鼠主动脉和用体外培养血管再传代培养血管平滑肌细胞(Vascular Smooth Muscle Cell,VSMC)方法,采用5-溴脱氧尿嘧啶核苷(Bromodeoxyuridine, 5-BrdU)标记增殖细胞并检测与血管平滑肌... 详细信息

研究目的:为了建立血管平滑肌增殖模型,通过体外培养大鼠主动脉和用体外培养血管再传代培养血管平滑肌细胞(Vascular Smooth Muscle Cell,VSMC)方法,采用5-溴脱氧尿嘧啶核苷(Bromodeoxyuridine, 5-BrdU)标记增殖细胞并检测与血管平滑肌细胞增殖和表型转化相关的基因高血压相关基因-1(Hypertension-Related Gene-1,HRG-1)和平滑肌22α(Smooth Muscle 22 alpha ,SM22α),探讨一种较为理想的血管平滑肌增殖的器官和细胞模型,为血管平滑肌增殖性疾病的研究提供一个实验平台。实验方法:器官模型用成年雄性SD大鼠19只,体重150-200g,用水合氯醛麻醉动物,取主动脉放入Hanks液中去除周围多余的脂肪组织和外周组织,剪成1.5cm左右小段,用竹签损伤内皮,分成培养5天、8天和13天3个实验组,在含20%胎牛血清DMEM培养基中培养,2-3天半量换液一次。正常对照组用未培养的血管,收集血管前24小时用BrdU标记。细胞模型用体外培养8天的血管和正常未培养的血管,用贴块法分别培养平滑肌细胞。用第3-4代细胞做实验,在收集细胞前24小时用BrdU标记。以上实验用HE染色和抗5-BrdU免疫细胞化学染色观察细胞增殖,用透射电镜观察血管平滑肌细胞的亚细胞结构变化;RT-PCR检测与血管平滑肌增殖相关基因HRG-1和表型标志基因SM22α的表达。结果:器官模型:体外培养5天、8天、13天的大鼠主动脉用HE染色可见到不同程度的平滑肌细胞增生,第13天组的血管有明显斑块形成,突向管腔。BrdU标记的免疫细胞化学结果进一步表明:体外培养的主动脉血管可见标记的增殖平滑肌细胞,且随着培养天数增多标记细胞也增多,透射电镜观察到体外培养8天的血管平滑肌细胞与对照组相比,胞浆中肌丝减少,内质网明显增多,并可见大量的分泌小泡。RT-PCR结果表明正常血管平滑肌都表达HRG-1和SM22αmRNA,随体外培养时间延长表达逐渐减少,至培养第13天基本完全消失。提示:体外培养血管可使平滑肌表型从收缩型向分泌型转化,并有平滑肌增殖。细胞模型:用体外先培养8天的血管传代培养的平滑肌与正常血管(未培养)传代培养的平滑肌细胞相比,BrdU标记增生细胞明显增多,RT-PCR结果显示:正常血管传代培养的平滑肌HRG-1和SM22αmRNA均有表达,而体外先培养8天后血管再传代

关键词：器官模型血管平滑肌增殖表型转化高血压相关基因-1 平滑肌22α 细胞模型

体外急性痛风性关节炎模型的构建及其应用研究

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体外急性痛风性关节炎模型的构建及其应用研究

作者：刘艾萍浙江大学

学位级别：硕士

痛风是一种尿酸盐沉积物诱导的炎症性疾病,由体内尿酸离子与钠离子形成的尿酸单钠(MSU)晶体引起,该晶体沉积在关节或软组织中会引发疼痛性炎症反应。尿酸浓度并非是引发痛风的唯一风险因素,其它理化因素也可能促MSU晶体产生而引发痛风,... 详细信息

痛风是一种尿酸盐沉积物诱导的炎症性疾病,由体内尿酸离子与钠离子形成的尿酸单钠(MSU)晶体引起,该晶体沉积在关节或软组织中会引发疼痛性炎症反应。尿酸浓度并非是引发痛风的唯一风险因素,其它理化因素也可能促MSU晶体产生而引发痛风,多因素的理化环境增加了痛风管理的困难。然而,现有的痛风研究模型仍局限于缺乏组织相关性的细胞培养模型和造模程序繁琐的动物模型,严重制约痛风药物开发效率,目前仅有几种药物成功运用于临床。因此,本文构建了一种兼有仿生结构、信号传递和动态培养的体外急性痛风性关节炎模型,并应用该模型发现了 3-羟基癸酸(HDA)作为痛风抗炎候选药物的可行性。本文首先观察了 MSU晶体的形成过程及各理化因素对其的影响,分别考察了溶液温度、pH、离子浓度以及多种化学因素(透明质酸、白蛋白、硫酸软骨素、氨基葡聚糖及Ⅰ型胶原蛋白)对MSU结晶过程中晶体形貌和总结晶率的影响。实验发现,较低的温度、弱碱性、较高的离子浓度以及低浓度的白蛋白均促进MSU结晶,而硫酸软骨素、氨基葡聚糖、Ⅰ型胶原蛋白和较高浓度的白蛋白却抑制MSU结晶。随后,引入小鼠单核巨噬细胞白血病细胞(Raw264.7),观察其对不同长度MSU晶体的响应。结果发现,短晶体能引起更剧烈的炎症反应,适合用于诱导急性痛风性关节炎模型。随后,构建由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、水凝胶薄膜和Raw264.7细胞组成的急性痛风性关节炎模型,反映急性痛风性关节炎的病理产生过程。将水凝胶薄膜夹在PDMS上下层嵌合结构的中间,形成两个独立的密闭腔室,上层外接灌流系统作为类血管通道,下层为封闭的类关节腔室。采用F127-DA(聚醚F127二丙烯酸酯)和Gel-MA(甲基丙烯酰化明胶)制备水凝胶薄膜,并考察其渗透特性和细胞黏附性,确定适宜的制作条件为:F127-DA:Gel-MA的质量比为1:1,总浓度为15%(w/w),薄膜厚度为50 μm。在类血管通道和类关节腔室中考察了 MSU结晶形成的条件,发现小的流速和较低的温度更容易使MSU产生结晶。然后,在类血管通道中接入绿色荧光标记的Raw264.7,而在类关节腔室中接入MSU晶体和无荧光标记的Raw264.7,构建了急性痛风性关节炎模型。我们观察到无荧光的Raw264.7对MSU晶体产生响应,并伴随IL-1β、IL-6和TNF-α等促炎因子浓度的增加,荧光标记的Raw264.7从类血管通道内可穿过水凝胶薄膜到达类关节腔室;若类关节腔室不含MSU晶体,则荧光标记Raw264.7就不会迁移到类关节腔室。该现象与体内炎症发生过程中的白细胞募集现象相似。探究了细胞迁移的机理,发现由Raw264.7分泌的大量基质金属蛋白酶-9(MMP-9)侵蚀了水凝胶膜,使其形成多孔网状结构。最后,利用所建立的急性痛风性关节炎模型探索了 3-HDA作为痛风抗炎候选药物的应用可行性。初步探索发现3-HDA具有与治疗急性痛风性关节炎的临床一线药物吲哚美辛(Indo)类似的抑制MSU晶体炎症反应的作用。40 mg/L的3-HDA和20 mg/L的Indo能显著抑制MSU晶体造成的细胞炎性反应,且前者效果更好。急性痛风性关节炎模型被进一步用于模拟体内血液注射或经皮吸收两种给药方式的作用效果,可以观察到:1)在类血管通道侧给药,3-HDA比Indo更显著地下调了类血管通道和类关节腔室中的促炎因子浓度;2)皮肤侧给药,3-HDA也同样比Indo表现出更突出的抗MSU晶体炎性反应的作用,且两者在皮肤侧给药的结果均优于血液给药时的作用效果。综上所述,本文设计了一种急性痛风性关节炎模型,可反映体内因MSU过饱和产生的结晶现象及其引发的炎症反应。而且,该模型可以检验候选药物在血液给药和透皮给药两种方式下的可能作用效果,为痛风药物开发提供了新的基础性研究平台。

关键词：尿酸单钠急性痛风性关节炎器官模型水凝胶抗炎

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基于微流控技术的药物分析新进展

药物分析杂志 2023年第10期43卷 1631-1644页

作者：艾永建何梦崎梁琼麟清华大学化学系生命有机磷化学及化学生物学教育部重点实验室国家中医药管理局中药化学三级实验室中药现代化研究中心北京100084

微流控是指通过微纳加工技术将微通道或微腔室整合到几平方厘米的芯片上并用于模拟各种功能和特征。其核心理念是通过构建微纳器件将复杂的实验室功能集成到单个芯片上。近年来,微流控技术在医药相关学科,尤其是药物分析学领域显示了广... 详细信息

微流控是指通过微纳加工技术将微通道或微腔室整合到几平方厘米的芯片上并用于模拟各种功能和特征。其核心理念是通过构建微纳器件将复杂的实验室功能集成到单个芯片上。近年来,微流控技术在医药相关学科,尤其是药物分析学领域显示了广阔的发展前景。微流控技术有望成为一种变革新药研发路径和精准医疗模式的“颠覆性技术”。本综述总结了基于微流控技术的药物分析研究新进展。首先归纳了不同类型的微流控芯片及基于微流控的药物分离和分析技术;之后评述了用于药物分析的各种微流控芯片仿生模型,主要总结了基于微流控芯片的三维器官结构仿生模型和器官微生理环境模型;接着评述了近年来微流控芯片在药物成分与药物效应分析中的应用研究新进展;最后讨论了微流控芯片在药物分析研究领域的挑战与机遇。

关键词：微流控药物分析仿生模型器官芯片器官模型微生理模型药品安全与质量控制分析新方法与新技术

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编委推荐

遗传 2023年第2期45卷 97-98页

Nature|体外重建人的体节发生2022年12月21日,Nature以快速文章预览的方式在线发表了题为“Reconstituting human somitogenesis in vitro”的研究论文(doi:10.1038/s41586-022-05649-2)。该研究主要由日本京都大学人类生物学高级研究所(ASHBi)Cantas Alev团队利用PSC(pluripotent stem cell)来源中胚层,通过3D培养建立了名为“类中轴”(axioloid)的类器官模型。

关键词：日本京都大学人类生物学预览 Recon 器官模型