骨科学中显微CT的优势

骨科学中显微CT 的优势显微CT,又称微型CT；小动物CT,是一种非破坏性的3D成像技术， 可以在不破坏样本的情况下清楚的了解样本的内部显微结构，它与普通CT最大的差别在于分辨率极高，空间分辨率达到1lOm,也就是“能看见组织和细胞图像的CTT ,因此具有良好的“显微”作用，它 的这一分辨率可以达到病理活检的标准，通过显微CT,观察者可以直接看到组织和细胞的图像；因此无论是数据还是图像处理，显微CT拥有很多不可替代的优势，尤其是在骨科研究中的应用1 在测骨矿物密度中的优势骨密度（BMD :是骨质量的一个重要标志，反映骨质疏松水准，预测骨折危险性的重要依据是描述骨组织矿物含量的一个宏观指标.目前临床上测量BMD勺主要手段为双能x线系统（dualenergyX- rayabsorptiometry , DEXA检查，通过X射线管球经过一定的装置所 获得两种能量、即低能和高能光子峰此种光子峰穿透身体后，扫描系统将所接受的信号送至计算机进行数据处理，得出骨矿物质含量该仪器可测量全身任何部位的骨量，精确度高，对人体危害较小，检测一个部位的放射剂量相等于一张胸片1/30, QCT勺1%不存有放射源衰变的问题，这种方法是相对较新的方法，精度较高，测试时间长（每人1020min）,因为设计DEXA寸，人为将扫描的部位设定为兴趣区域（regionofinterest , ROD内的组织，而实际上 ROI内的组 织不仅仅只含有骨组织，还有骨髓、肌肉及周围的脂肪等成分这些成分都可以吸收x线，使得DEX惊统错误的将上述组织当作骨矿物质，从而导致骨矿物密度的测量误差 ;HHBolotln1 研究表明：在骨质疏松、低骨量的个体中，骨密度的测量的准确性误差可达20%-30%因此DEX粽统应用于活体检测BMD寸所得到的结果缺乏可信度.显微 CT能 够提供样本内部的密度分布的客观信息，具有良好的密度分辨率，并且可以通过软件计算在 ROI内的BMD和微观结构，从而可以排除骨髓、骨外肌肉及脂肪等成分的干扰，因而可以精确的测量ROI 内的骨矿物密度，还可以分别评估皮质骨和松质骨的骨矿密度，测量真正的骨矿含量（BMC和皮质骨厚度等骨参数；NuzzoS2在研究中表明，显微CT 在骨密度测量中有良好的分辨率，并且可通过软件在三维空间观察骨标本的BMG口微结构，测量真正的BMG口皮质骨厚度.而BagiCM3也 在研究中发现，与DEXA佥测骨密度相比，显微 CT的测量值更能反映 骨的力学强度2 在三维结构分析中的优势骨组织切片，是一种二维结构切片，供光学显微镜或电子显微镜观察的骨组织薄片，因要求不同，可用刀片进行徒手切片，也可将组织块包埋于石蜡或火棉胶中或以低温冰冻，用切片机切片，切成 510区m 薄片，供光学显微镜观察，用环氧树脂或甲基丙烯酸包埋组织块切制的超薄切片，具厚度在2050纳米，专供在电子显微镜下观察，InariS44 认为其制作过程繁琐复杂，而且对技术和人员的技能要求比较高，不同的人所做的结果存有一定的误差；与二维组织切片相比，显微CT的标本制备过程就简单了很多，可将新鲜的取材标本直接放入扫描，也可将标本固定、脱水后放入扫描，还可以将包埋好的标本块放入扫描，MPAkhter5研究认为显微CT不仅省去了制作切片标本中的复杂的切片、制备、染色过程，而且在其测试后还可将同一标本做进一步的切片处理.显微CT能对样本内的感兴趣区域进行 3D分析，可进 行目标体整体分割测量，在任意方向直接测定骨三维结构，具有连续性和完整性的优势，所获取的分析数据在标本真实，而且重复性好，同时可产生非失真性图像，可以辨别很多细小的病理变化；UchiyamaH碓研究中，通过对不同时间的鼠颅骨的再生过程的扫描，实现了连续观察骨修复的动态三维结构，范猛7 在研究中以亚纳米级硫酸钡作为造影剂，对动物股骨头微血管进行显影，实现了微血管的精确三维显像；而常规使用骨切片是骨二维图像形态的分析方式，使得观察者无法获得直观的三维结构模型，无法对其进行全面、立体的观察；而且组织学切片方法会破坏标本的完整性，从而使得一个标本不能同时用于结构参数分析以外的其他检测3 在松质骨测量方面的优势骨小梁厚度、骨小梁间隙、骨小梁数目、骨小梁体积传统方法测量松质骨的微观结构参数主要有骨小梁面积、骨小梁厚度、骨小梁数目、孔隙数、这些参数基于单层组织切片获得，这种方法需要高水平的专家技术评估骨小梁的微结构，存有很大的人为误差；显微CT评价骨微结构的空间参数包括：骨体积分数、骨小梁数目、骨小梁间隙、骨连接密度.所有这些都是有显微 CT形态测量软件测的，LarsMulder8研 究表明，这些参数比传统方法测得的结果更加精确，DavidV9在对小鼠骨骼的研究表明，显微 CT可以全面、立体、实时的观察骨质量的改变， 说明显微CT是观察骨组织显微结构的有效方法.IlanK10在研究中认 为显微CT在骨修复过程中也可以方便的观察骨量的变化.李展春 11 方玲娜12的研究中，显微CT可以直接观察和定量骨小梁的微结构.4 在测试精度方面的优势4.1 骨体积分数骨体积分数（BVF3是描述松质骨细微结构一个非常重 要的参数，其意义在于能反应松质骨样本内骨组织体积的含量从显微CT的三维重建图像和数据中，可以直接得出BVF准确值，ThomsenJS135用显微CT与组织学切片分别对胫骨样本进行了测量结 果的比较，认为两种方法测量所得的 BVF高度相关（r = 0.95）.4.2 构造模型指数构造模型指数（SM） I 是描述空间物体三维几何形态的附加变量，是骨小梁的结构特性的表达参数，用于描述物体表面的曲率信息.ThomsenJS13t比较了人胫骨样本SMI和组织切片法测量 松质骨结构因子（TBPf）关系，发现SMI与TBPf存有良好的相关性（r=0.95） . YangJ14研究，使用显微CT分析去卵巢大鼠和假手术组 大鼠骨微结构，实验结果表明，去卵巢大鼠比假手术组大鼠 SMI 增加， 其结果具有显著性.精确、方便、快捷、高效是显微 CT的一大优点， 但是目前显微CT也存有的很多问题.4.2.1 产生伪影王军15GEM彳散CT对松质骨块标本，可进行同水平多 标本扫描，重建显示无明显伪影存有带金属钉松质骨标本水平双标 本同扫时，会相互产生强烈伪影响，周边骨组织测试影响较大，且无法进行有效的密度校正.BevillG16研究显示显微CT是以x线吸收水准 产生影像，对新生软骨、类骨质等目标不是特别敏感，实际应用中应注意控制CT窗口与水平.4.2.2 价格昂贵显微CT检测很先进、很精确，但成本很高.设备本身 200 万元， 3000h 寿命球管价值36 万元，目前单一标本的一次扫描重建费用在10002000元左右，因此大样本量的统计实验价格昂贵，目 前较多采用的方法是在二维切片基础上选择代表性样本的精确表达与定量，或做完显微CT扫描重建的标本再进行二维切片的大样本统计； 此外在满足扫描分辨率、伪影影响不大的情况下，可选择大号样品杯，一次多标本同时扫描，分别重建，可大大降低扫描成本4.2.3 应用范围窄显微CT的空间分辨率与探头的大小属于同一数量级, 空间分辨率越高，探头体积越小；观测的样本越大，所需的探头越 多因为探头变小，单个探头检测的信号变弱，需要高灵敏低噪声放大系统，这就直接限制了显微CT在大型动物和人身上的应用.因为显 微CT的分辨率很高，其能够扫描的样品体积很小，只有几个厘米，因 此目前显微CT只应用在科研方面，还无法在临床上使用.显微 CT目 前尚无法进行类骨质观测，因此，显微CT与病理切片在骨形态计量应用中是互补的，而不能完全替代同时.显微CT在骨科研究中的应用优点很多，虽然目前显微CT还有很多问题需要解决，但随着科学技术的 持续发展，显微CT的适用范围、伪影消减以及图像清晰度都将会有很 大的提升，随着这些缺点的持续改善，显微CT在骨科研究中的应用将会越来越广泛骨科学中显微CT的优势