Micro CT中的骨分析參數(shù)解讀

一、背景簡述

MicroCT是一種結(jié)合了影像學(xué)檢查無創(chuàng)性和組織學(xué)檢測高分辨率特點(diǎn)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，因此Micro CT特別適合骨骼成像，骨骼參數(shù)的研究也是MicroCT的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。
在前面的文章里，我們分享了Micro CT在骨分析中的一些案例，今天再和大家介紹一下Micro CT中的骨分析參數(shù)。

二、骨分析參數(shù)解讀
 

 

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(jìn)行深入的形態(tài)學(xué)分析和研究。骨質(zhì)分密質(zhì)和松質(zhì)：骨密質(zhì)配布于骨的表面，也稱皮質(zhì)骨；骨松質(zhì)由骨小梁排列而成，配布于骨的內(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(jìn)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(xué)特性進(jìn)行研究和分析，得到表征骨骼生長和發(fā)育水平的參數(shù)（見表1）。
 

表1、 通用骨分析參數(shù)表
 

 

在通常情況下，當(dāng)比較對象感興趣區(qū)域骨組織（TV）相同時，BV和骨體積分?jǐn)?shù)BV/TV都能反映骨量多少；骨表面積骨體積比值(BS/BV)和骨表面積組織體積比值(BS/TV)，可以間接反映骨量多少；骨體及分?jǐn)?shù)(BV/TV)是皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨骨量評價(jià)常用指標(biāo)，對于髓腔內(nèi)松質(zhì)骨而言，該比值能夠反應(yīng)不同樣本骨小梁骨量的多少，該值增高說明骨合成代謝大于分解代謝，骨量增加，反之亦然，從而能夠間接反應(yīng)骨代謝狀況。在評價(jià)長骨中段皮質(zhì)骨骨量和骨代謝狀況方面具有同樣的價(jià)值。

進(jìn)一步的，借助主要成分為羥基磷灰石的體模，可以根據(jù)體模在Micro CT中的成像灰度值，來計(jì)算和分析皮質(zhì)骨/松質(zhì)骨的組織骨密度（TMD，Tissue Mineral Density）或骨礦物質(zhì)密度（BMD，Bone Mineral Density）。因骨組織總礦物質(zhì)含量和礦化程度因解剖部位、生長狀態(tài)、性別及年齡等因素存在較大差異，對于骨骼研究有重要價(jià)值，Micro CT不僅可以迅速地獲得樣本的BMD，而且不會破壞骨組織標(biāo)本結(jié)構(gòu)，這與傳統(tǒng)評價(jià)礦化程度的方法（如定量顯微成像術(shù)、散射電子顯微鏡及灰份含量）相比，具有顯著優(yōu)越性[2]。
 

2.1 骨小梁分析及結(jié)構(gòu)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(luò)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(yīng)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(qiáng)度，可以說，骨小梁的骨質(zhì)量與其微結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[3]。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(jìn)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?fù)鋵W(xué)分析成為可能。

從骨小梁的微結(jié)構(gòu)可計(jì)算得到骨小梁數(shù)（Tb.N）、骨小梁厚度（Tb.Th）和骨小梁分離度（Tb.Sp），這些是評價(jià)骨小梁空間形態(tài)結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)。在骨分解代謝大于骨合成代謝時情況下，比如發(fā)生骨質(zhì)疏松時，Tb.N和Tb.Th數(shù)值減少；Tb.Sp數(shù)值增加。（注：進(jìn)一步的，這些參數(shù)分析可推廣到多孔材料的研究，Tb.Th和Tb.Sp數(shù)值可理解為孔壁厚度和孔隙率。）

骨小梁模式因子（Tb.Pf）、各向異性程度（degree of anisotropy，DA）和骨小梁連接密度（Conn.D）也是表現(xiàn)骨質(zhì)狀態(tài)的重要參數(shù)。

比如1）骨小梁模式因子（Tb.Pf）用于形容骨小梁表面凹凸程度，其與結(jié)構(gòu)模式指數(shù)（SMI），是描述小梁結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)中板層結(jié)構(gòu)和桿狀結(jié)構(gòu)比例的參數(shù)。如果結(jié)構(gòu)中骨小梁主要為板層結(jié)構(gòu)，那么SMI接近于0；反之，如果主要是桿狀骨小梁，SMI則接近3。發(fā)生骨質(zhì)疏松時，骨小梁從板狀向桿狀轉(zhuǎn)變，該值增大。2）各向異性程度（DA）用于評價(jià)骨小梁的方向性和對稱性，指橢圓體截距長度平均值（MIL）中長徑和短徑的比值，該比值越大說明各向異性程度越大。在骨質(zhì)疏松早期，承重骨小梁DA值通常增加，隨著骨質(zhì)疏松加劇，DA會減小。3）骨小梁連接密度（Conn.D）表示每立方毫米體積中骨小梁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間的連接數(shù)量。

在Micro CT的掃描成像結(jié)果中，對這些參數(shù)進(jìn)行分析，便可對骨小梁的強(qiáng)度和骨質(zhì)量進(jìn)行研究。
 

 

圖1、平生公司NEMO®Micro CT掃描下的骨小梁對比
（上：正常大鼠股骨骨小梁；下：骨質(zhì)疏松大鼠股骨骨小梁）

表2、骨小梁分析參數(shù)表
 

 

 

2.2 皮質(zhì)骨分析及相關(guān)參數(shù)
 

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(dān)更多的強(qiáng)度負(fù)荷，皮質(zhì)骨本身的內(nèi)在性質(zhì)及孔隙度影響著骨強(qiáng)度的變化。應(yīng)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(jìn)而疏松化，最終可呈細(xì)線狀，相應(yīng)的骨密度檢測也證實(shí)了這一點(diǎn)。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。

圖2、平生公司的NEMO® Micro CT掃描下的皮質(zhì)骨對比
（左圖紫色部分：正常大鼠股骨皮質(zhì)骨；右圖紫色部分：骨質(zhì)疏松大鼠股骨皮質(zhì)骨）

 
除了通用的參數(shù)計(jì)算外，皮質(zhì)骨分析中還可以獲得如下指標(biāo)：皮質(zhì)骨總面積（Tt.Ar）、皮質(zhì)骨面積（Ct.Ar）、皮質(zhì)骨厚度（Ct.Th）和骨髓腔面積（Ma.Ar）。皮質(zhì)骨總面積（Tt.Ar）的增大表示骨形成的增加；皮質(zhì)骨面積（Ct.Ar）能綜合反映內(nèi)外骨表面的變化；骨髓腔面積（Ma.Ar）能反映骨內(nèi)膜骨吸收的情況[4]。
 

表3、皮質(zhì)骨分析參數(shù)表

 
三、總結(jié)

在骨組織研究領(lǐng)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(biāo)及微細(xì)改變，可指導(dǎo)組織工程、基因工程等科學(xué)研究，已逐漸發(fā)展為可加強(qiáng)甚至代替組織學(xué)分析的一種成熟的技術(shù)，Micro CT在各學(xué)科的廣泛應(yīng)用擁有廣闊的市場前景，也將為各學(xué)科的研究帶來新的發(fā)展機(jī)遇。
 
注：