東亞蝗蟲是重要的農(nóng)業(yè)害蟲之一，國內(nèi)學(xué)者對(duì)其進(jìn)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(gòu)造；陸近仁和虞佩玉[6]對(duì)東亞飛蝗頭部、胸部的骨骼肌肉系統(tǒng)進(jìn)行了研究和闡述，但這些研究都是基于昆蟲的解剖技術(shù)。本文采用基于計(jì)算機(jī)輔助的三維重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)東亞飛蝗內(nèi)部消化系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)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(duì)東亞飛蝗消化道結(jié)構(gòu)和生理功能有更深入的了解以及能更有效地對(duì)東亞飛蝗進(jìn)行生物防治。同時(shí)，東亞飛蝗作為一種教學(xué)模式昆蟲，其三維重建可視化模型也可為昆蟲研究和教學(xué)提供形象直觀、立體感強(qiáng)的三維動(dòng)態(tài)圖像資料及形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，有助于闡明組織結(jié)構(gòu)與生理功能的相互關(guān)系。 

 

1　材料和方法

1.1　材料準(zhǔn)備  

　　將東亞飛蝗卵塊放入滅菌的蛭石中，于溫度28～30 ℃、相對(duì)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(shí)驗(yàn)標(biāo)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(shí)驗(yàn)中采用LeiCa CM3050S冰凍切片機(jī)對(duì)樣本以25 ?m為步進(jìn)連續(xù)切片，在切片的同時(shí)，用固定的數(shù)碼相機(jī)對(duì)每一切片進(jìn)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(jì)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(jié)構(gòu)的配準(zhǔn)與分割

　　本實(shí)驗(yàn)采用Bitplane公司的Imaris三維重建軟件對(duì)消化道結(jié)構(gòu)進(jìn)行配準(zhǔn)與分割，該軟件自帶有配準(zhǔn)與分割的功能。在分割的過程中，由于圖像內(nèi)部結(jié)構(gòu)可區(qū)分度較差，不同結(jié)構(gòu)之間的表觀信息較接近，所以完全自動(dòng)分割出的效果難以滿足精度要求。在本實(shí)驗(yàn)中，我們結(jié)合軟件自動(dòng)分割與手工調(diào)整的方法對(duì)消化道進(jìn)行分割。圖2給出了消化道分割后的結(jié)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(jié)構(gòu)的外形輪廓后，采用matlab編程方法單獨(dú)提取出消化道結(jié)構(gòu)，最后采用Bitplane公司的Imaris三維重建軟件對(duì)分割好的消化道結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)標(biāo)尺的校正，以圖像實(shí)際像素和切片的層距進(jìn)行計(jì)算，將X，Y，Z坐標(biāo)軸的比例設(shè)置為1:1:6，得到東亞飛蝗消化道結(jié)構(gòu)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(cè)量

    選擇Imaris軟件中的3D Measurements功能，對(duì)表面重建的立體圖像進(jìn)行分割，測(cè)量各段的表面積、體積和長度，即獲得東亞飛蝗消化道結(jié)構(gòu)三維模型的形態(tài)學(xué)參數(shù)。

 

2　結(jié)果與分析      

2.1　東亞飛蝗消化道三維重建可視化結(jié)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(jié)構(gòu)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(shí)從不同角度觀察消化道形態(tài)結(jié)構(gòu)。

    

Ph：咽，Es：食道，Pr:前胃， St：中腸，Il：回腸，Co：結(jié)腸，Re：直腸，An：肛門

2.2　基于三維模型的數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果

　　利用Imaris軟件中的3D Measurements功能，對(duì)重建后的立體圖像進(jìn)行分割，測(cè)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(xué)參數(shù)。表1給出東亞飛蝗消化道三維模型的測(cè)量結(jié)果。

　　

3　結(jié)論

　　本研究通過對(duì)東亞飛蝗進(jìn)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(duì)東亞飛蝗消化道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、分割和信息提取，利用Bitplane公司的Imaris三維重建軟件對(duì)分割后的消化道連續(xù)切片圖像進(jìn)行三維重建，從而成功構(gòu)建了消化道的三維模型，并利用測(cè)量功能準(zhǔn)確地得到消化道的三維模型形態(tài)學(xué)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(qiáng)，為其功能研究提供完美的結(jié)構(gòu)支持。更進(jìn)一步了解東亞飛蝗消化道結(jié)構(gòu)和生理功能的關(guān)系；而消化道是農(nóng)藥作用的靶標(biāo)，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(chǔ)和依據(jù)。為更進(jìn)一步了解東亞飛蝗內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和生理關(guān)系提供了依據(jù)；這也為昆蟲解剖學(xué)提供重要的形態(tài)學(xué)依據(jù)和解剖學(xué)基礎(chǔ)；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。