骨分析應用中常見參數(shù)介紹及Micro-CT在骨組織研究中的應用案例

 

Micro-CT是一種結(jié)合了影像學檢查無創(chuàng)性和組織學檢測高分辨率特點的技術(shù)。由于骨骼與其它身體組織在X射線衰減性能方面有相對明顯差別，Micro-CT特別適合骨骼成像，因此骨骼參數(shù)的研究也是MicroCT的重要應用領域之一。在小動物和大型動物離體標本的研究領域中，micro-CT已經(jīng)成為評價骨形態(tài)和骨微結(jié)構(gòu)的“金標準”。目前，Micro-CT在骨科研究中應用廣泛，例如對指定骨組織進行定量骨密度分析等。

 

 

在本篇文章中，我們將和大家介紹一些在Micro-CT骨分析應用中常見的參數(shù)，分享一些 Hiscan Micro-CT在骨研究分析中的應用案例。

 

 

 

骨由骨質(zhì)、骨膜、骨髓、骨的血管、淋巴管和神經(jīng)構(gòu)成。在Micro-CT中，可對骨質(zhì)部分進行深入的形態(tài)學分析和研究。骨質(zhì)分密質(zhì)和松質(zhì)：骨密質(zhì)分布于骨的表面，也稱皮質(zhì)骨；骨松質(zhì)由骨小梁排列而成，分布于骨的內(nèi)部，骨小梁的排列與骨所承受的壓力和張力的方向一致，因而能承受較大的重量。骨髓腔和松質(zhì)間隙內(nèi)充填有骨髓[1]。

 

借助影像處理軟件，可在Micro-CT的掃描成像圖上選擇感興趣區(qū)域（region of interest，ROI）做閾值分割等操作，可以將皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨進行分割，分別提取到不同組織區(qū)域，從而對皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨（骨小梁）的各種形態(tài)學特性進行研究和分析，得到表征骨骼生長和發(fā)育水平的參數(shù)。

 

 

骨小梁是皮質(zhì)骨在松質(zhì)骨內(nèi)的延伸部分，即骨小梁與皮質(zhì)骨相連接，在骨髓腔中呈不規(guī)則立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如絲瓜絡樣或海綿狀，起支持造血組織的作用。骨小梁連接而成的多孔網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，按應力曲線規(guī)律性排列，具有非均勻的各向異性，這種排列能增加骨強度，可以說，骨小梁的骨質(zhì)量與其微結(jié)構(gòu)密切相關。因此，對于骨小梁的微結(jié)構(gòu)分析在骨分析中是非常重要的。Micro-CT可對骨小梁微結(jié)構(gòu)進行無損3D成像，展示骨小梁的微結(jié)構(gòu)，使得對于骨小梁微結(jié)構(gòu)的拓撲學分析成為可能[3]。

 

 

相對于骨小梁而言，對于皮質(zhì)骨的研究較少。但有研究表明，在發(fā)生骨質(zhì)疏松的時候，皮質(zhì)骨會承擔更多的強度負荷，皮質(zhì)骨本身的內(nèi)在性質(zhì)及孔隙度影響著骨強度的變化。應力作用下，骨皮質(zhì)變化晚于骨小梁，起初皮質(zhì)骨寬度增加，厚度變薄且分層，進而疏松化，最終可呈細線狀，相應的骨密度檢測也證實了這一點。因此，皮質(zhì)骨的參數(shù)分析也有利于全面地了解骨生長和骨疾病中的情況。

 

 

Hiscan XM Micro-CT System是一款集離體掃描和活體掃描于一體的Micro-CT。最高分辨率可達4um。最大掃描范圍可達到75mm*210mm。使用海斯菲德圖像處理分析軟件Hiscan Analyzer，可對不同部位的骨掃描結(jié)果進行可視化骨參數(shù)分析。

 

 

▲圖1 小鼠股骨頭掃描分析圖

  60kv，130uA，10um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

在本公司的Hiscan XM Micro-CT掃描下的正常大鼠的股骨頭與骨質(zhì)疏松的大鼠的股骨頭的對比。

 

▲圖2 正常大鼠股骨頭掃描分析圖

  80kv，100uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

▲圖3 骨質(zhì)疏松大鼠股骨頭掃描圖

  80kv，100uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

在本公司的Hiscan XM Micro-CT掃描下的正常人體的松質(zhì)骨與骨質(zhì)疏松的人體的松質(zhì)骨的對比。

 

▲圖4 正常人體股骨頭掃描分析示意圖

  60kv，134uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

▲圖5 骨質(zhì)疏松的人體股骨頭掃描分析示意圖

  60kv，134uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

通過Hiscan XM Micor-CT對小鼠關節(jié)進行掃描，通過三維重建圖可以明顯觀察到關節(jié)炎引起的骨損傷，結(jié)合分析軟件可以定量分析其骨表面積與骨體積比值（BS/BV）和骨礦物質(zhì)密度（BMD）。

 

▲圖6 正常大鼠股骨頭掃描分析示意圖

  60kv，134uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT 

 

選擇特定的ROI區(qū)域，分析不同疾病類型對骨密度及骨小梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。

 

▲圖7 人體樞椎三維重建圖

  80kv，100uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

▲圖8 人體寰椎三維重建示意圖

  80kv，100uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

通過Hiscan XM Micor-CT先后對顱骨缺損修復實驗中的大鼠顱腦進行掃描，通過三維重建圖可以明顯觀察到一個月后的修復情況，結(jié)合分析軟件可以定量分析其骨表面積（BS）、骨體積（BV）和骨礦物質(zhì)密度（BMD）的變化。

 

▲圖9 大鼠顱骨損傷修復前后三維重建分析圖

  60kv，130uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

在大鼠的跟腱部位植入骨骼生長材料，通過Hiscan XM Micro-CT進行三維重建可以觀察一段時間的大鼠的跟腱部位出現(xiàn)骨化現(xiàn)象的發(fā)展情況。通過分析軟件可以定量得到骨化部位骨密度（BMD）和骨體積（BV）的變化情況。

 

▲圖10 大鼠跟腱骨化實驗三維重建分析圖

  60kv，130uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

 

▲圖11 鈦合金植入

  90kv，90uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

▲圖12 鈦合金植入

  90kv，90uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

在骨組織研究領域，Micro-CT可以很好地研究骨結(jié)構(gòu)和骨密度的數(shù)量性指標及微細改變，可用于指導組織工程、基因工程等科學研究，已逐漸發(fā)展為可加強甚至代替組織學分析的一種成熟的技術(shù)。Micro-CT在各學科的廣泛應用擁有廣闊的市場前景，也將為各學科的研究帶來新的發(fā)展機遇。

 

[1] 王云釗等.骨關節(jié)影像學（第2版）.科學出版社,2010.7

[2] Micro-CT在骨代謝研究中骨微結(jié)構(gòu)指標的解讀及應用價值.中華骨質(zhì)疏松和骨礦鹽疾病雜志[J], 2018(2): 200-205;

[3] 裴葆青;王田苗;王軍強. 松質(zhì)骨微觀骨小梁結(jié)構(gòu)的生物力學綜合分析. 北京航空航天大學學報[J], 2008(02): 215-218.