為了給鯉魚機器人腦電極準確植入進行定位導航，本研究擬建立腦結構及腦電極三維立體模型。借助腦立體定位儀將鎢電極植入鯉魚小腦，通過離水電刺激實驗和水下控制實驗發現腦運動區并獲取其三維坐標值，應用 3.0 T 磁共振成像儀對顱腦及電極成像，應用 3D-DOCTOR 和 Mimics 軟件進行三維重建。結果顯示，所發現的腦運動區及坐標值是準確的，構建的腦組織及腦電極三維重建圖再現了腦立體結構，可觀察到腦電極與腦組織、腦組織與顱骨表面的相對空間位置關系；通過構建的腦組織三維重建綜合顯示圖，可觀察到三維重建的腦組織在磁共振圖像中的解剖位置，以及腦組織與顱骨表面的相對空間位置關系。本研究所構建的三維重建模型可為腦電極植入提供定位導航工具。
引用本文： 彭勇, 王愛迪, 王婷婷, 李京龍, 王占秋, 趙洋, 王子霖, 趙政. 面向生物控制的鯉魚腦組織及腦電極三維重建. 生物醫學工程學雜志, 2020, 37(5): 885-891. doi: 10.7507/1001-5515.201911011 復制
引言
生物機器人是人類通過控制技術施加干預信號調控生物行為從而實現人類操控的生物[1]，可應用于環境監測、生態研究、地貌勘探、災難搜救和反恐偵查等方面，是具有潛在廣泛應用前景的重要領域。對于動物機器人的研究工作，目前多集中于對其腦運動區及腦控神經機制的探索，實現對腦的控制是最本質的控制，這樣才有可能使動物機器人按照人類的意愿去行動[2]。目前國際上對各種動物機器人的控制主要是應用控腦技術，通過植入在腦運動區的腦電極施加模擬電刺激信號來控制動物的運動，因此，腦電極能否準確植入腦運動區是一個關鍵問題，也是生物控制領域的一個重要課題。在鯉魚水生動物機器人控制中也需植入腦電極，為有助于解決這個問題，本研究應用磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）和三維重建技術建立鯉魚腦結構及腦電極的三維立體模型，該模型可為腦電極的精準植入直觀顯示腦電極的植入方向和植入位點，可為腦電極的精準植入提供定位與導航。
MRI 是利用射頻脈沖激發處于磁場中的原子核（如氫核），再利用原子核退激弛豫時釋放的能量成像[3]。基于 MRI 的優勢和特點，MRI 技術在臨床醫學和科研方面的應用越來越成為無法替代的技術手段，迅速擴大了多學科領域的發展空間，也為生物腦的研究提供了一種更為精準且可靠的技術支持。
三維醫學圖像的重建與可視化技術是利用人類的視覺特性對圖像進行研究處理的一種技術[4]，是在二維平面上展示物體的三維形態，可以對該物體的三維立體形態進行還原，用于觀察組織結構的內部信息，在結構成像和功能成像融合中起著重要的作用。由于目前利用磁共振成像儀掃描得到的圖像是二維圖像，對于結構復雜的組織器官來說，并不能完整地顯示出其立體結構信息，無法直觀了解組織器官與周圍結構的相對空間位置關系，不能提供直觀的立體印象。而三維重建技術可以解決這些問題，在結構和功能成像融合中發揮作用，尤其是從 MRI 圖像入手來重建三維模型更是得到了廣泛應用。
在鯉魚機器人控制中需植入腦電極，通過腦電極對腦運動區進行電刺激實現對鯉魚機器人水下運動的控制。由于植入式電極比較細，一般成像手段不易觀察到電極針道和植入位點，難以直觀確定鯉魚腦組織與腦電極的相對空間位置關系，而且由于鯉魚腦組織較小，也不易觀察到腦組織結構及形態。為此，本研究借助腦立體定位儀將鎢電極植入鯉魚小腦腦運動區，通過離水電刺激實驗和水下控制實驗兩種方法來發現腦運動區并獲取其三維坐標值，應用 3.0 T 磁共振成像儀對腦組織及腦電極同時掃描成像，再利用 3D-DOCTOR 軟件和 Mimics 軟件實現腦組織及植入腦電極的三維可視化，構建出鯉魚腦結構及腦電極的三維立體模型。
1 材料和方法
1.1 材料與儀器
68025 數顯式腦立體定位儀（深圳市瑞沃德生命科技有限公司）；F013020058 FZ-10 華瑞電動磨具（上海豪海設備有限公司）；生理藥理電子刺激儀（北京眾實迪創科技發展有限公司）；自制鎢電極；自制無線遙控系統；3.0 T 磁共振成像儀（德國 SIEMENS TRIO）；丁香酚水門汀（上海榮祥齒科材料有限公司）；3D-DOCTOR 軟件（美國 Able Software Corp）；Mimics 20.0 軟件（比利時 Materialise 公司）。
1.2 鯉魚機器人離水電刺激實驗
1.2.1 實驗動物
30 尾成年鯉魚，體重（1.16 ± 0.12）kg，購于秦皇島市興龍廣緣超市。
1.2.2 鯉魚麻醉
配置丁香酚麻醉劑，將鯉魚放入麻醉劑溶液中進行藥浴麻醉。
1.2.3 實驗方法
將實驗鯉魚（n = 30）按照小腦的左側區、右側區、中間區隨機等分，每個腦區實驗用魚 10 尾，每個腦區實驗重復 3 次，則每個腦區實驗次數合計為 30 次。應用開顱法，使用電動磨具開顱，充分暴露小腦。將鯉魚固定在腦立體定位儀上，借助腦立體定位儀將自制鎢電極植入在小腦中（見圖 1），測量腦電極的 X、Y、Z 三維坐標值范圍。將電子刺激儀的輸出端正極連接刺激電極，輸出端負極連接參考電極，進行淺麻醉狀態下的鯉魚離水電刺激實驗，觀察電刺激小腦不同腦區過程中鯉魚出現的動作。電刺激參數：刺激方式為連續波輸出，正負脈沖，引起鯉魚興奮所需電壓閾值為 5 V，電壓范圍為 5～15 V，刺激時間為 10～20 s，每一個位點重復刺激 3 次，每兩次重復刺激的間隔時間為 30 s。
圖1
借助腦立體定位儀植入腦電極
Figure1.
Implantation of brain electrodes with brain stereotaxic instrument
1.3 鯉魚機器人水下控制實驗
1.3.1 實驗動物
30 尾成年鯉魚，體重（1.18 ± 0.12）kg，購于秦皇島市興龍廣緣超市。
1.3.2 實驗方法
將實驗鯉魚（n = 30）按照小腦的左側區、右側區、中間區隨機等分，每個腦區實驗用魚 10 尾，每個腦區實驗重復 3 次，則每個腦區實驗次數合計為 30 次。應用不開顱法，按照離水電刺激實驗獲得的腦電極刺激位點 X、Y、Z 坐標值，應用腦立體定位儀將自制鎢電極植入在小腦中，再應用本團隊發明的一種顱腔防水封固方法（CN107789088A）[5]處理。置鯉魚機器人于水池中，應用自制無線遙控系統[6]，觀察電刺激小腦不同腦區過程中鯉魚機器人的水中動作。電刺激參數：刺激方式為連續波輸出，正負脈沖，刺激頻率 0～20 Hz，波寬 0～30 ms，電壓強度 0～10 V，刺激時間 0～255 s。
1.4 鯉魚腦組織磁共振掃描成像
將進行水下控制實驗后的鯉魚保留腦電極，對其進行藥浴麻醉，再應用 3.0 T 磁共振成像儀對植入腦電極的鯉魚顱腦進行軸狀位掃描，主要掃描參數見表 1。
表1
鯉魚顱腦軸狀位的 MRI 掃描參數
Table1.
The MRI scanning parameters for the axial position of carp brain
為了更好地再現鯉魚整體腦組織的解剖形態及特征，應用 3.0 T 磁共振成像儀對鯉魚顱腦的軸狀位、冠狀位、矢狀位三個方向進行掃描，主要掃描參數見表 2。
表2
鯉魚顱腦的磁共振掃描參數
Table2.
The MRI scanning parameters of carp brain
1.5 植入腦電極的鯉魚腦組織三維重建
將鯉魚顱腦 MRI 軸狀位的全部磁共振圖像導入 3D-DOCTOR 軟件中，對鯉魚腦組織及腦電極的磁共振圖像進行表面重建。為同時觀察到三根腦電極在鯉魚腦組織中的植入針道和植入位點，本文只顯示鯉魚小腦的部分結構。
1.6 鯉魚腦組織的三維重建
將鯉魚腦組織的軸狀位、冠狀位、矢狀位三個方向的磁共振圖像導入 Mimics 軟件中。通過手動勾勒感興趣區域和調節閾值進行軸狀位、冠狀位、矢狀位的鯉魚腦組織顯影，再對選中的感興趣區域進行三維重建，編輯 3D 模型，進行鯉魚整體腦組織的模型提取，實現鯉魚腦組織結構的識別。將三維重建后的鯉魚腦組織與三個方向的 MRI 圖像進行綜合顯示，根據三個方向的腦組織成像中的焦點位置則可對應出重建后腦組織的實際位置，也可在腦組織重建后的任意部位顯示其三個不同方向的具體位點。
2 結果
2.1 鯉魚機器人離水電刺激實驗
通過在淺麻醉狀態下的離水電刺激實驗鯉魚（n = 30）小腦的左側區、右側區、中間區，誘發鯉魚出現左側單向擺尾、右側單向擺尾、雙側擺尾的動作，發現了控制擺尾運動的小腦腦運動區并測量出腦運動區的 X、Y、Z 三維坐標值范圍（見表 3）。
表3
鯉魚腦運動區三維坐標值范圍（n = 30）
Table3.
The three-dimensional coordinate values range of carp brain motor areas (n = 30)
2.2 鯉魚機器人水下控制實驗
參照離水電刺激實驗數據，在實驗鯉魚（n = 30）小腦運動區植入電極，并在鯉魚清醒狀態下給予電刺激。實驗結果如表 4 所示，應用無線遙控系統電刺激實驗鯉魚小腦的左側區、右側區、中間區三個腦區，鯉魚機器人水下控制實驗的成功率均超過 76%。實驗表明：電刺激小腦左側區，鯉魚出現左轉運動；電刺激小腦右側區，鯉魚出現右轉運動；電刺激小腦中間區，鯉魚出現前進運動。
表4
鯉魚機器人水下控制實驗成功率（n = 30）
Table4.
The success rates of underwater control test of carp robots (n = 30)
2.3 鯉魚腦組織磁共振掃描成像
應用 3.0 T 磁共振成像儀對植入鎢電極的鯉魚顱腦進行軸狀位掃描成像（見圖 2）。
圖2
植入腦電極的鯉魚顱腦 MRI
a. 出現左轉向的腦電極針孔；b. 出現前進的腦電極針孔；c. 出現右轉向的腦電極針孔
Figure2. MRI of carp brain after the implantation of brain electrodesa. brain electrode pinhole of left turning; b. brain electrode pinhole of forward; c. brain electrode pinhole of right turning
2.4 植入腦電極的鯉魚腦組織三維重建
利用 3D-DOCTOR 軟件對植入腦電極的鯉魚腦組織進行三維重建，對鯉魚各部分腦組織進行識別，可觀察到三根腦電極在鯉魚小腦中的植入方向和植入位點，將鯉魚小腦的一半結構不做處理，只對部分腦組織進行三維重建，三維重建效果見圖 3。
圖3
植入腦電極的鯉魚腦組織三維重建圖
a. 出現左轉向的腦電極；b. 出現前進的腦電極；c. 出現右轉向的腦電極
Figure3. The chart of three-dimensional reconstruction on carp brain tissue with implanted brain electrodesa. brain electrode of left turning; b. brain electrode of forward; c. brain electrode of right turning
2.5 鯉魚腦組織的三維重建
利用 Mimics 軟件通過手動勾勒感興趣區域和調節閾值進行軸狀位、冠狀位、矢狀位的鯉魚腦組織顯影（見圖 4），再對選中的感興趣區域進行三維重建，編輯 3D 模型，三維重建后的鯉魚腦組織整體結構顯示出嗅球、嗅莖、端腦、中腦、小腦、迷葉、延腦等組織結構（見圖 5）。
圖4
鯉魚腦組織閾值提取
Figure4.
Threshold extraction of carp brain tissue
圖5
鯉魚腦組織的三維重建圖
Figure5.
The chart of three-dimensional reconstruction on carp brain tissue
將鯉魚腦組織軸狀位、冠狀位、矢狀位的三個 MRI 圖像與三維重建后的腦組織模型進行融合（見圖 6），融合后的圖像能夠直觀觀察到三維重建后的腦組織在 MRI 圖像中的解剖位置和形態，也能夠直觀觀察到腦組織與顱骨表面的相對位置關系。
圖6
鯉魚腦組織三維重建綜合顯示圖
Figure6.
The comprehensive display of three-dimensional reconstruction on carp brain tissue
3 討論
生物機器人是當今世界多學科交叉融合的一個嶄新的前沿科技領域，國內外已進行了相關研究，如蟑螂機器人[7]、大鼠機器人[8]、猴子機器人[9]、蜻蜓機器人[10]、大壁虎機器人[11]、蜜蜂機器人[12]、鴿子機器人[13]、腸道生物機器人[14]、家兔機器人[15]和鯉魚機器人[16]等，這些都是通過對動物腦運動區或其他運動神經植入電極施以電刺激來控制其運動[17]。
腦運動區的發現與定位對人類認識和理解動物腦組織的行為控制機制起著關鍵作用，是控制動物機器人運動行為的重要前提和工作基礎。本研究進行了離水電刺激實驗和水下控制實驗，通過離水電刺激實驗發現控制鯉魚出現運動行為的小腦腦運動區并測定出其三維立體坐標值范圍（見表 3）；水下控制實驗結果如表 4 所示，鯉魚小腦的左側區、右側區、中間區的三個腦區實驗成功率均超過 76%，表明鯉魚機器人的左右轉向及前進運動是可以通過電刺激小腦運動區實現的。通過水下控制實驗，我們也對離水電刺激實驗結果進行了驗證，并由此推斷：控制鯉魚出現左側單向擺尾的小腦左側區為控制左轉運動的腦運動區，控制鯉魚出現右側單向擺尾的小腦右側區為控制右轉運動的腦運動區，控制鯉魚出現雙側擺尾的小腦中間區為控制前進運動的腦運動區。通過水下控制實驗與離水電刺激實驗的相互印證，我們認為本研究發現的鯉魚小腦腦運動區是可信的，且測量的腦運動區三維立體坐標值也是準確的。
本團隊在前期研究中應用常規石蠟組織切片與蘇木精—伊紅染色方法觀察腦電極的電極針道與植入位點，由于鯉魚腦組織體積較小，電極又較細，且腦細胞會隨著時間的推移而發生細胞自溶，因而電極針道與植入位點會逐漸消失，故應用常規石蠟組織切片與蘇木精—伊紅染色方法不容易觀察到腦電極的植入針道與植入位點。對此，本研究提出應用 MRI 技術來解決這個問題，選用鎢絲為腦電極材料，由于鎢材料不影響磁共振的掃描成像，因此可以將鎢電極保留在腦組織中，并可直接將植入鎢電極后的鯉魚進行磁共振掃描，從磁共振圖像中就可觀察到電極針道與植入位點（見圖 2），避免了腦電極針道與植入位點消失的問題。
三維重建技術是把一系列斷層二維圖像導入計算機中進行處理，利用計算機圖像處理功能及圖形生成理論，在二維平面上顯示出目標物體的三維模型，從而還原目標物體三維立體結構的一種技術，已經得到越來越廣泛的應用。例如，在科學研究領域，通過對豚鼠顳骨的三維重建，測量其聽骨鏈、耳蝸及半規管等結構，為進一步研究豚鼠耳科學動物模型提供了三維解剖學參考[18]；在醫學領域，建立人丘腦的可視化三維模型，為大腦立體定向手術提供了解剖學基礎[19]。利用二維圖像重建三維結構并展示三維特征以及空間的相對位置關系，在各領域研究中均起到了重要作用。
由于二維的磁共振圖像不能觀察到腦組織的三維立體結構與形態特征，因此本研究利用 3D-DOCTOR 軟件和 Mimics 軟件實現鯉魚腦組織及植入腦電極的三維重建。圖 3 是植入腦電極的鯉魚腦組織三維重建圖，能夠顯示電極植入方向和植入位點，能夠觀察到腦電極與腦組織的相對空間位置關系。利用 Mimics 軟件通過手動勾勒感興趣區域和調節閾值，進行了軸狀位、冠狀位、矢狀位的鯉魚腦組織顯影（見圖 4）。在此基礎上，進行腦組織的三維重建，圖 5 是鯉魚腦組織的三維重建圖，構建出了嗅球、嗅莖、端腦、中腦、小腦、迷葉、延腦等結構，其中嗅莖連接于端腦，直達鼻部嗅囊，嗅莖末端各有一橢圓形的嗅球；端腦位于腦的最前部，含有嗅覺中樞；中腦較大，是視覺中樞所在區域；小腦是運動的主要協調中樞；迷葉在小腦后側面；此后是延腦。本文鯉魚腦組織三維重建圖與秉志[20]在《鯉魚解剖》專著中所述的腦結構基本一致，表明本文鯉魚腦組織三維重建圖不僅是成功的也是可信的。
如圖 6 所示，本研究將鯉魚腦組織軸狀位、冠狀位、矢狀位三個方向的二維磁共振圖像與重建后的三維腦組織立體模型進行融合，構建出鯉魚腦組織三維重建綜合顯示圖。通過比對，可以看出三維重建腦組織立體模型的外輪廓與二維腦組織磁共振圖像的外輪廓相契合，無論是軸狀位、冠狀位還是矢狀位都能夠吻合，三維重建后的鯉魚腦組織結構、形狀和大小均不失真。通過三維重建綜合顯示圖，可以直觀觀察到三維重建的腦組織在磁共振圖像中的解剖位置和形狀，有利于觀察腦組織與顱骨表面的相對空間位置關系。腦結構及腦電極三維立體模型的構建，可為腦電極的精準植入提供定位與導航的依據和工具，對提升動物機器人控制的精確性和有效性具有重要的研究價值和意義。
4 結論
本研究將鎢電極植入鯉魚小腦的左側區、右側區、中間區，通過離水電刺激實驗和水下控制實驗兩種方法發現了鯉魚小腦運動區并獲取其三維立體坐標值范圍；應用 3.0 T 磁共振成像儀對腦組織及腦電極同時進行掃描成像；利用 3D-DOCTOR 和 Mimics 軟件實現了鯉魚腦組織及腦電極的三維可視化，觀察到腦電極與腦組織的相對空間位置關系以及腦結構，再現腦組織的三維立體結構及特征。構建的腦組織及腦電極三維重建圖，有助于掌握腦結構以及腦組織與腦電極的相對位置關系，為腦電極精準植入提供形態學基礎；構建的腦組織三維重建綜合顯示圖，有助于觀察三維重建的腦組織在 MRI 圖像中解剖位置以及腦組織與顱骨表面的相對空間位置關系。經三維重建的腦立體模型既能夠為研究腦運動區提供形態學基礎，又能夠為腦電極植入提供定位與導航的工具。鯉魚腦結構及腦電極三維立體模型的構建，將有助于提升鯉魚水生動物機器人控制的精準度和有效性。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
生物機器人是人類通過控制技術施加干預信號調控生物行為從而實現人類操控的生物[1]，可應用于環境監測、生態研究、地貌勘探、災難搜救和反恐偵查等方面，是具有潛在廣泛應用前景的重要領域。對于動物機器人的研究工作，目前多集中于對其腦運動區及腦控神經機制的探索，實現對腦的控制是最本質的控制，這樣才有可能使動物機器人按照人類的意愿去行動[2]。目前國際上對各種動物機器人的控制主要是應用控腦技術，通過植入在腦運動區的腦電極施加模擬電刺激信號來控制動物的運動，因此，腦電極能否準確植入腦運動區是一個關鍵問題，也是生物控制領域的一個重要課題。在鯉魚水生動物機器人控制中也需植入腦電極，為有助于解決這個問題，本研究應用磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）和三維重建技術建立鯉魚腦結構及腦電極的三維立體模型，該模型可為腦電極的精準植入直觀顯示腦電極的植入方向和植入位點，可為腦電極的精準植入提供定位與導航。
MRI 是利用射頻脈沖激發處于磁場中的原子核（如氫核），再利用原子核退激弛豫時釋放的能量成像[3]。基于 MRI 的優勢和特點，MRI 技術在臨床醫學和科研方面的應用越來越成為無法替代的技術手段，迅速擴大了多學科領域的發展空間，也為生物腦的研究提供了一種更為精準且可靠的技術支持。
三維醫學圖像的重建與可視化技術是利用人類的視覺特性對圖像進行研究處理的一種技術[4]，是在二維平面上展示物體的三維形態，可以對該物體的三維立體形態進行還原，用于觀察組織結構的內部信息，在結構成像和功能成像融合中起著重要的作用。由于目前利用磁共振成像儀掃描得到的圖像是二維圖像，對于結構復雜的組織器官來說，并不能完整地顯示出其立體結構信息，無法直觀了解組織器官與周圍結構的相對空間位置關系，不能提供直觀的立體印象。而三維重建技術可以解決這些問題，在結構和功能成像融合中發揮作用，尤其是從 MRI 圖像入手來重建三維模型更是得到了廣泛應用。
在鯉魚機器人控制中需植入腦電極，通過腦電極對腦運動區進行電刺激實現對鯉魚機器人水下運動的控制。由于植入式電極比較細，一般成像手段不易觀察到電極針道和植入位點，難以直觀確定鯉魚腦組織與腦電極的相對空間位置關系，而且由于鯉魚腦組織較小，也不易觀察到腦組織結構及形態。為此，本研究借助腦立體定位儀將鎢電極植入鯉魚小腦腦運動區，通過離水電刺激實驗和水下控制實驗兩種方法來發現腦運動區并獲取其三維坐標值，應用 3.0 T 磁共振成像儀對腦組織及腦電極同時掃描成像，再利用 3D-DOCTOR 軟件和 Mimics 軟件實現腦組織及植入腦電極的三維可視化，構建出鯉魚腦結構及腦電極的三維立體模型。
1 材料和方法
1.1 材料與儀器
68025 數顯式腦立體定位儀（深圳市瑞沃德生命科技有限公司）；F013020058 FZ-10 華瑞電動磨具（上海豪海設備有限公司）；生理藥理電子刺激儀（北京眾實迪創科技發展有限公司）；自制鎢電極；自制無線遙控系統；3.0 T 磁共振成像儀（德國 SIEMENS TRIO）；丁香酚水門汀（上海榮祥齒科材料有限公司）；3D-DOCTOR 軟件（美國 Able Software Corp）；Mimics 20.0 軟件（比利時 Materialise 公司）。
1.2 鯉魚機器人離水電刺激實驗
1.2.1 實驗動物
30 尾成年鯉魚，體重（1.16 ± 0.12）kg，購于秦皇島市興龍廣緣超市。
1.2.2 鯉魚麻醉
配置丁香酚麻醉劑，將鯉魚放入麻醉劑溶液中進行藥浴麻醉。
1.2.3 實驗方法
將實驗鯉魚（n = 30）按照小腦的左側區、右側區、中間區隨機等分，每個腦區實驗用魚 10 尾，每個腦區實驗重復 3 次，則每個腦區實驗次數合計為 30 次。應用開顱法，使用電動磨具開顱，充分暴露小腦。將鯉魚固定在腦立體定位儀上，借助腦立體定位儀將自制鎢電極植入在小腦中（見圖 1），測量腦電極的 X、Y、Z 三維坐標值范圍。將電子刺激儀的輸出端正極連接刺激電極，輸出端負極連接參考電極，進行淺麻醉狀態下的鯉魚離水電刺激實驗，觀察電刺激小腦不同腦區過程中鯉魚出現的動作。電刺激參數：刺激方式為連續波輸出，正負脈沖，引起鯉魚興奮所需電壓閾值為 5 V，電壓范圍為 5～15 V，刺激時間為 10～20 s，每一個位點重復刺激 3 次，每兩次重復刺激的間隔時間為 30 s。
圖1
借助腦立體定位儀植入腦電極
Figure1.
Implantation of brain electrodes with brain stereotaxic instrument
1.3 鯉魚機器人水下控制實驗
1.3.1 實驗動物
30 尾成年鯉魚，體重（1.18 ± 0.12）kg，購于秦皇島市興龍廣緣超市。
1.3.2 實驗方法
將實驗鯉魚（n = 30）按照小腦的左側區、右側區、中間區隨機等分，每個腦區實驗用魚 10 尾，每個腦區實驗重復 3 次，則每個腦區實驗次數合計為 30 次。應用不開顱法，按照離水電刺激實驗獲得的腦電極刺激位點 X、Y、Z 坐標值，應用腦立體定位儀將自制鎢電極植入在小腦中，再應用本團隊發明的一種顱腔防水封固方法（CN107789088A）[5]處理。置鯉魚機器人于水池中，應用自制無線遙控系統[6]，觀察電刺激小腦不同腦區過程中鯉魚機器人的水中動作。電刺激參數：刺激方式為連續波輸出，正負脈沖，刺激頻率 0～20 Hz，波寬 0～30 ms，電壓強度 0～10 V，刺激時間 0～255 s。
1.4 鯉魚腦組織磁共振掃描成像
將進行水下控制實驗后的鯉魚保留腦電極，對其進行藥浴麻醉，再應用 3.0 T 磁共振成像儀對植入腦電極的鯉魚顱腦進行軸狀位掃描，主要掃描參數見表 1。
表1
鯉魚顱腦軸狀位的 MRI 掃描參數
Table1.
The MRI scanning parameters for the axial position of carp brain
為了更好地再現鯉魚整體腦組織的解剖形態及特征，應用 3.0 T 磁共振成像儀對鯉魚顱腦的軸狀位、冠狀位、矢狀位三個方向進行掃描，主要掃描參數見表 2。
表2
鯉魚顱腦的磁共振掃描參數
Table2.
The MRI scanning parameters of carp brain
1.5 植入腦電極的鯉魚腦組織三維重建
將鯉魚顱腦 MRI 軸狀位的全部磁共振圖像導入 3D-DOCTOR 軟件中，對鯉魚腦組織及腦電極的磁共振圖像進行表面重建。為同時觀察到三根腦電極在鯉魚腦組織中的植入針道和植入位點，本文只顯示鯉魚小腦的部分結構。
1.6 鯉魚腦組織的三維重建
將鯉魚腦組織的軸狀位、冠狀位、矢狀位三個方向的磁共振圖像導入 Mimics 軟件中。通過手動勾勒感興趣區域和調節閾值進行軸狀位、冠狀位、矢狀位的鯉魚腦組織顯影，再對選中的感興趣區域進行三維重建，編輯 3D 模型，進行鯉魚整體腦組織的模型提取，實現鯉魚腦組織結構的識別。將三維重建后的鯉魚腦組織與三個方向的 MRI 圖像進行綜合顯示，根據三個方向的腦組織成像中的焦點位置則可對應出重建后腦組織的實際位置，也可在腦組織重建后的任意部位顯示其三個不同方向的具體位點。
2 結果
2.1 鯉魚機器人離水電刺激實驗
通過在淺麻醉狀態下的離水電刺激實驗鯉魚（n = 30）小腦的左側區、右側區、中間區，誘發鯉魚出現左側單向擺尾、右側單向擺尾、雙側擺尾的動作，發現了控制擺尾運動的小腦腦運動區并測量出腦運動區的 X、Y、Z 三維坐標值范圍（見表 3）。
表3
鯉魚腦運動區三維坐標值范圍（n = 30）
Table3.
The three-dimensional coordinate values range of carp brain motor areas (n = 30)
2.2 鯉魚機器人水下控制實驗
參照離水電刺激實驗數據，在實驗鯉魚（n = 30）小腦運動區植入電極，并在鯉魚清醒狀態下給予電刺激。實驗結果如表 4 所示，應用無線遙控系統電刺激實驗鯉魚小腦的左側區、右側區、中間區三個腦區，鯉魚機器人水下控制實驗的成功率均超過 76%。實驗表明：電刺激小腦左側區，鯉魚出現左轉運動；電刺激小腦右側區，鯉魚出現右轉運動；電刺激小腦中間區，鯉魚出現前進運動。
表4
鯉魚機器人水下控制實驗成功率（n = 30）
Table4.
The success rates of underwater control test of carp robots (n = 30)
2.3 鯉魚腦組織磁共振掃描成像
應用 3.0 T 磁共振成像儀對植入鎢電極的鯉魚顱腦進行軸狀位掃描成像（見圖 2）。
圖2
植入腦電極的鯉魚顱腦 MRI
a. 出現左轉向的腦電極針孔；b. 出現前進的腦電極針孔；c. 出現右轉向的腦電極針孔
Figure2. MRI of carp brain after the implantation of brain electrodesa. brain electrode pinhole of left turning; b. brain electrode pinhole of forward; c. brain electrode pinhole of right turning
2.4 植入腦電極的鯉魚腦組織三維重建
利用 3D-DOCTOR 軟件對植入腦電極的鯉魚腦組織進行三維重建，對鯉魚各部分腦組織進行識別，可觀察到三根腦電極在鯉魚小腦中的植入方向和植入位點，將鯉魚小腦的一半結構不做處理，只對部分腦組織進行三維重建，三維重建效果見圖 3。
圖3
植入腦電極的鯉魚腦組織三維重建圖
a. 出現左轉向的腦電極；b. 出現前進的腦電極；c. 出現右轉向的腦電極
Figure3. The chart of three-dimensional reconstruction on carp brain tissue with implanted brain electrodesa. brain electrode of left turning; b. brain electrode of forward; c. brain electrode of right turning
2.5 鯉魚腦組織的三維重建
利用 Mimics 軟件通過手動勾勒感興趣區域和調節閾值進行軸狀位、冠狀位、矢狀位的鯉魚腦組織顯影（見圖 4），再對選中的感興趣區域進行三維重建，編輯 3D 模型，三維重建后的鯉魚腦組織整體結構顯示出嗅球、嗅莖、端腦、中腦、小腦、迷葉、延腦等組織結構（見圖 5）。
圖4
鯉魚腦組織閾值提取
Figure4.
Threshold extraction of carp brain tissue
圖5
鯉魚腦組織的三維重建圖
Figure5.
The chart of three-dimensional reconstruction on carp brain tissue
將鯉魚腦組織軸狀位、冠狀位、矢狀位的三個 MRI 圖像與三維重建后的腦組織模型進行融合（見圖 6），融合后的圖像能夠直觀觀察到三維重建后的腦組織在 MRI 圖像中的解剖位置和形態，也能夠直觀觀察到腦組織與顱骨表面的相對位置關系。
圖6
鯉魚腦組織三維重建綜合顯示圖
Figure6.
The comprehensive display of three-dimensional reconstruction on carp brain tissue
3 討論
生物機器人是當今世界多學科交叉融合的一個嶄新的前沿科技領域，國內外已進行了相關研究，如蟑螂機器人[7]、大鼠機器人[8]、猴子機器人[9]、蜻蜓機器人[10]、大壁虎機器人[11]、蜜蜂機器人[12]、鴿子機器人[13]、腸道生物機器人[14]、家兔機器人[15]和鯉魚機器人[16]等，這些都是通過對動物腦運動區或其他運動神經植入電極施以電刺激來控制其運動[17]。
腦運動區的發現與定位對人類認識和理解動物腦組織的行為控制機制起著關鍵作用，是控制動物機器人運動行為的重要前提和工作基礎。本研究進行了離水電刺激實驗和水下控制實驗，通過離水電刺激實驗發現控制鯉魚出現運動行為的小腦腦運動區并測定出其三維立體坐標值范圍（見表 3）；水下控制實驗結果如表 4 所示，鯉魚小腦的左側區、右側區、中間區的三個腦區實驗成功率均超過 76%，表明鯉魚機器人的左右轉向及前進運動是可以通過電刺激小腦運動區實現的。通過水下控制實驗，我們也對離水電刺激實驗結果進行了驗證，并由此推斷：控制鯉魚出現左側單向擺尾的小腦左側區為控制左轉運動的腦運動區，控制鯉魚出現右側單向擺尾的小腦右側區為控制右轉運動的腦運動區，控制鯉魚出現雙側擺尾的小腦中間區為控制前進運動的腦運動區。通過水下控制實驗與離水電刺激實驗的相互印證，我們認為本研究發現的鯉魚小腦腦運動區是可信的，且測量的腦運動區三維立體坐標值也是準確的。
本團隊在前期研究中應用常規石蠟組織切片與蘇木精—伊紅染色方法觀察腦電極的電極針道與植入位點，由于鯉魚腦組織體積較小，電極又較細，且腦細胞會隨著時間的推移而發生細胞自溶，因而電極針道與植入位點會逐漸消失，故應用常規石蠟組織切片與蘇木精—伊紅染色方法不容易觀察到腦電極的植入針道與植入位點。對此，本研究提出應用 MRI 技術來解決這個問題，選用鎢絲為腦電極材料，由于鎢材料不影響磁共振的掃描成像，因此可以將鎢電極保留在腦組織中，并可直接將植入鎢電極后的鯉魚進行磁共振掃描，從磁共振圖像中就可觀察到電極針道與植入位點（見圖 2），避免了腦電極針道與植入位點消失的問題。
三維重建技術是把一系列斷層二維圖像導入計算機中進行處理，利用計算機圖像處理功能及圖形生成理論，在二維平面上顯示出目標物體的三維模型，從而還原目標物體三維立體結構的一種技術，已經得到越來越廣泛的應用。例如，在科學研究領域，通過對豚鼠顳骨的三維重建，測量其聽骨鏈、耳蝸及半規管等結構，為進一步研究豚鼠耳科學動物模型提供了三維解剖學參考[18]；在醫學領域，建立人丘腦的可視化三維模型，為大腦立體定向手術提供了解剖學基礎[19]。利用二維圖像重建三維結構并展示三維特征以及空間的相對位置關系，在各領域研究中均起到了重要作用。
由于二維的磁共振圖像不能觀察到腦組織的三維立體結構與形態特征，因此本研究利用 3D-DOCTOR 軟件和 Mimics 軟件實現鯉魚腦組織及植入腦電極的三維重建。圖 3 是植入腦電極的鯉魚腦組織三維重建圖，能夠顯示電極植入方向和植入位點，能夠觀察到腦電極與腦組織的相對空間位置關系。利用 Mimics 軟件通過手動勾勒感興趣區域和調節閾值，進行了軸狀位、冠狀位、矢狀位的鯉魚腦組織顯影（見圖 4）。在此基礎上，進行腦組織的三維重建，圖 5 是鯉魚腦組織的三維重建圖，構建出了嗅球、嗅莖、端腦、中腦、小腦、迷葉、延腦等結構，其中嗅莖連接于端腦，直達鼻部嗅囊，嗅莖末端各有一橢圓形的嗅球；端腦位于腦的最前部，含有嗅覺中樞；中腦較大，是視覺中樞所在區域；小腦是運動的主要協調中樞；迷葉在小腦后側面；此后是延腦。本文鯉魚腦組織三維重建圖與秉志[20]在《鯉魚解剖》專著中所述的腦結構基本一致，表明本文鯉魚腦組織三維重建圖不僅是成功的也是可信的。
如圖 6 所示，本研究將鯉魚腦組織軸狀位、冠狀位、矢狀位三個方向的二維磁共振圖像與重建后的三維腦組織立體模型進行融合，構建出鯉魚腦組織三維重建綜合顯示圖。通過比對，可以看出三維重建腦組織立體模型的外輪廓與二維腦組織磁共振圖像的外輪廓相契合，無論是軸狀位、冠狀位還是矢狀位都能夠吻合，三維重建后的鯉魚腦組織結構、形狀和大小均不失真。通過三維重建綜合顯示圖，可以直觀觀察到三維重建的腦組織在磁共振圖像中的解剖位置和形狀，有利于觀察腦組織與顱骨表面的相對空間位置關系。腦結構及腦電極三維立體模型的構建，可為腦電極的精準植入提供定位與導航的依據和工具，對提升動物機器人控制的精確性和有效性具有重要的研究價值和意義。
4 結論
本研究將鎢電極植入鯉魚小腦的左側區、右側區、中間區，通過離水電刺激實驗和水下控制實驗兩種方法發現了鯉魚小腦運動區并獲取其三維立體坐標值范圍；應用 3.0 T 磁共振成像儀對腦組織及腦電極同時進行掃描成像；利用 3D-DOCTOR 和 Mimics 軟件實現了鯉魚腦組織及腦電極的三維可視化，觀察到腦電極與腦組織的相對空間位置關系以及腦結構，再現腦組織的三維立體結構及特征。構建的腦組織及腦電極三維重建圖，有助于掌握腦結構以及腦組織與腦電極的相對位置關系，為腦電極精準植入提供形態學基礎；構建的腦組織三維重建綜合顯示圖，有助于觀察三維重建的腦組織在 MRI 圖像中解剖位置以及腦組織與顱骨表面的相對空間位置關系。經三維重建的腦立體模型既能夠為研究腦運動區提供形態學基礎，又能夠為腦電極植入提供定位與導航的工具。鯉魚腦結構及腦電極三維立體模型的構建，將有助于提升鯉魚水生動物機器人控制的精準度和有效性。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
