骨科學(xué)中顯微CT的優(yōu)勢范文

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顯微ct，又稱微型CT、小動物CT，是一種非破壞性的3D成像技術(shù)，可以在不破壞樣本的情況下清楚的了解樣本的內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)，它與普通CT最大的差別在于分辨率極高，空間分辨率達到1～10μm，也就是“能看見組織和細(xì)胞圖像的CT”，因此具有良好的“顯微”作用，它的這一分辨率可以達到病理活檢的標(biāo)準(zhǔn)，通過顯微CT，觀察者可以直接看到組織和細(xì)胞的圖像；因此無論是數(shù)據(jù)還是圖像處理，顯微CT擁有許多不可替代的優(yōu)勢，尤其是在骨科研究中的應(yīng)用．

1在測骨礦物密度中的優(yōu)勢

骨密度（BMD）：是骨質(zhì)量的一個重要標(biāo)志，反映骨質(zhì)疏松程度，預(yù)測骨折危險性的重要依據(jù)．是描述骨組織礦物含量的一個宏觀指標(biāo)．目前臨床上測量BMD的主要手段為雙能x線系統(tǒng)（dualenergyX-rayabsorptiometry，DEXA）檢查，通過X射線管球經(jīng)過一定的裝置所獲得兩種能量、即低能和高能光子峰．此種光子峰穿透身體后，掃描系統(tǒng)將所接受的信號送至計算機進行數(shù)據(jù)處理，得出骨礦物質(zhì)含量．該儀器可測量全身任何部位的骨量，精確度高，對人體危害較小，檢測一個部位的放射劑量相等于一張胸片1/30，QCT的1%，不存在放射源衰變的問題，這種方法是相對較新的方法，精度較高，測試時間長（每人10～20min），由于設(shè)計DEXA時，人為將掃描的部位設(shè)定為興趣區(qū)域（regionofinterest，ROI）內(nèi)的組織，而實際上ROI內(nèi)的組織不僅僅只含有骨組織，還有骨髓、肌肉及周圍的脂肪等成分．這些成分都可以吸收x線，使得DEXA系統(tǒng)錯誤的將上述組織當(dāng)作骨礦物質(zhì)，從而導(dǎo)致骨礦物密度的測量誤差;HHBolotln[1]研究表明：在骨質(zhì)疏松、低骨量的個體中，骨密度的測量的準(zhǔn)確性誤差可達20%～30%，因此DEXA系統(tǒng)應(yīng)用于活體檢測BMD時所得到的結(jié)果缺乏可信度．顯微CT能夠提供樣本內(nèi)部的密度分布的客觀信息，具有良好的密度分辨率，并且可以通過軟件計算在ROI內(nèi)的BMD和微觀結(jié)構(gòu)，從而可以排除骨髓、骨外肌肉及脂肪等成分的干擾，因而可以精確的測量ROI內(nèi)的骨礦物密度，還可以分別評估皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的骨礦密度，測量真正的骨礦含量（BMC）和皮質(zhì)骨厚度等骨參數(shù)；NuzzoS[2]在研究中表明，顯微CT在骨密度測量中有良好的分辨率，并且可通過軟件在三維空間觀察骨標(biāo)本的BMC和微結(jié)構(gòu)，測量真正的BMC和皮質(zhì)骨厚度．而BagiCM[3]也在研究中發(fā)現(xiàn)，與DEXA檢測骨密度相比，顯微CT的測量值更能反映骨的力學(xué)強度．

2在三維結(jié)構(gòu)分析中的優(yōu)勢

骨組織切片，是一種二維結(jié)構(gòu)切片，供光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡觀察的骨組織薄片，因要求不同，可用刀片進行徒手切片，也可將組織塊包埋于石蠟或火棉膠中或以低溫冰凍，用切片機切片，切成5～10μm薄片，供光學(xué)顯微鏡觀察，用環(huán)氧樹脂或甲基丙烯酸包埋組織塊切制的超薄切片，其厚度在20～50納米，專供在電子顯微鏡下觀察，InariS4[4]認(rèn)為其制作過程繁瑣復(fù)雜，而且對技術(shù)和人員的技能要求比較高，不同的人所做的結(jié)果存在一定的誤差；與二維組織切片相比，顯微CT的標(biāo)本制備過程就簡單了很多，可將新鮮的取材標(biāo)本直接放入掃描，也可將標(biāo)本固定、脫水后放入掃描，還可以將包埋好的標(biāo)本塊放入掃描，MPAkhter[5]研究認(rèn)為顯微CT不僅省去了制作切片標(biāo)本中的復(fù)雜的切片、制備、染色過程，而且在其測試后還可將同一標(biāo)本做進一步的切片處理.顯微CT能對樣本內(nèi)的感興趣區(qū)域進行3D分析，可進行目標(biāo)體整體分割測量，在任意方向直接測定骨三維結(jié)構(gòu)，具有連續(xù)性和完整性的優(yōu)勢，所獲取的分析數(shù)據(jù)在標(biāo)本真實，而且重復(fù)性好，同時可產(chǎn)生非失真性圖像，可以辨別很多細(xì)小的病理變化；UchiyamaH[6]在研究中，通過對不同時間的鼠顱骨的再生過程的掃描，實現(xiàn)了連續(xù)觀察骨修復(fù)的動態(tài)三維結(jié)構(gòu)，范猛[7]在研究中以亞納米級硫酸鋇作為造影劑，對動物股骨頭微血管進行顯影，實現(xiàn)了微血管的精確三維顯像；而常規(guī)使用骨切片是骨二維圖像形態(tài)的分析方式，使得觀察者無法獲得直觀的三維結(jié)構(gòu)模型，無法對其進行全面、立體的觀察；而且組織學(xué)切片方法會破壞標(biāo)本的完整性，從而使得一個標(biāo)本不能同時用于結(jié)構(gòu)參數(shù)分析以外的其他檢測．

3在松質(zhì)骨測量方面的優(yōu)勢

骨小梁厚度、骨小梁間隙、骨小梁數(shù)目、骨小梁體積傳統(tǒng)方法測量松質(zhì)骨的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有骨小梁面積、骨小梁厚度、骨小梁數(shù)目、孔隙數(shù)、這些參數(shù)基于單層組織切片獲得，這種方法需要高水平的專家技術(shù)評估骨小梁的微結(jié)構(gòu)，存在很大的人為誤差；顯微CT評價骨微結(jié)構(gòu)的空間參數(shù)包括：骨體積分?jǐn)?shù)、骨小梁數(shù)目、骨小梁間隙、骨連接密度．所有這些都是有顯微CT形態(tài)測量軟件測的，LarsMulder[8]研究表明，這些參數(shù)比傳統(tǒng)方法測得的結(jié)果更加精確，DavidV[9]在對小鼠骨骼的研究表明，顯微CT可以全面、立體、實時的觀察骨質(zhì)量的改變，說明顯微CT是觀察骨組織顯微結(jié)構(gòu)的有效方法．IlanK[10]在研究中認(rèn)為顯微CT在骨修復(fù)過程中也可以方便的觀察骨量的變化．李展春[11]方玲娜[12]的研究中，顯微CT可以直接觀察和定量骨小梁的微結(jié)構(gòu)．

4在測試精度方面的優(yōu)勢

4.1骨體積分?jǐn)?shù)骨體積分?jǐn)?shù)（BVF）是描述松質(zhì)骨細(xì)微結(jié)構(gòu)一個非常重要的參數(shù)，其意義在于能反應(yīng)松質(zhì)骨樣本內(nèi)骨組織體積的含量．從顯微CT的三維重建圖像和數(shù)據(jù)中，可以直接得出BVF準(zhǔn)確值，ThomsenJS[13]應(yīng)用顯微CT與組織學(xué)切片分別對脛骨樣本進行了測量結(jié)果的比較，認(rèn)為兩種方法測量所得的BVF高度相關(guān)（r＝0.95）．

4.2構(gòu)造模型指數(shù)構(gòu)造模型指數(shù)（SM）I是描述空間物體三維幾何形態(tài)的附加變量，是骨小梁的結(jié)構(gòu)特性的表達參數(shù)，用于描述物體表面的曲率信息．ThomsenJS[13]在比較了人脛骨樣本SMI和組織切片法測量松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)因子（TBPf）關(guān)系，發(fā)現(xiàn)SMI與TBPf存在良好的相關(guān)性（r＝0.95）．YangJ[14]研究，使用顯微CT分析去卵巢大鼠和假手術(shù)組大鼠骨微結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果表明，去卵巢大鼠比假手術(shù)組大鼠SMI增加，其結(jié)果具有顯著性．精確、方便、快捷、高效是顯微CT的一大優(yōu)點，但是目前顯微CT也存在的很多問題．

4.2.1產(chǎn)生偽影王軍[15]GE顯微CT對松質(zhì)骨塊標(biāo)本，可進行同水平多標(biāo)本掃描，重建顯示無明顯偽影存在．帶金屬釘松質(zhì)骨標(biāo)本水平雙標(biāo)本同掃時，會相互產(chǎn)生強烈偽影響，周邊骨組織測試影響較大，且無法進行有效的密度校正.BevillG[16]研究顯示顯微CT是以x線吸收程度產(chǎn)生影像，對新生軟骨、類骨質(zhì)等目標(biāo)不是特別敏感，實際應(yīng)用中應(yīng)注意控制CT窗口與水平．

4.2.2價格昂貴顯微CT檢測很先進、很精確，但成本很高．設(shè)備本身200萬元，3000h壽命球管價值36萬元，目前單一標(biāo)本的一次掃描重建費用在1000～2000元左右，因此大樣本量的統(tǒng)計實驗價格昂貴，目前較多采用的方法是在二維切片基礎(chǔ)上選擇代表性樣本的精確表達與定量，或做完顯微CT掃描重建的標(biāo)本再進行二維切片的大樣本統(tǒng)計；此外在滿足掃描分辨率、偽影影響不大的情況下，可選擇大號樣品杯，一次多標(biāo)本同時掃描，分別重建，可大大降低掃描成本．

4.2.3應(yīng)用范圍窄顯微CT的空間分辨率與探頭的大小屬于同一數(shù)量級，空間分辨率越高，探頭體積越小；觀測的樣本越大，所需的探頭越多．由于探頭變小，單個探頭檢測的信號變?nèi)?，需要高靈敏低噪聲放大系統(tǒng)，這就直接限制了顯微CT在大型動物和人身上的應(yīng)用．由于顯微CT的分辨率很高，其能夠掃描的樣品體積很小，只有幾個厘米，因此目前顯微CT只應(yīng)用在科研方面，還無法在臨床上使用．顯微CT目前尚無法進行類骨質(zhì)觀測，因此，顯微CT與病理切片在骨形態(tài)計量應(yīng)用中是互補的，而不能完全替代同時．顯微CT在骨科研究中的應(yīng)用優(yōu)點很多，雖然目前顯微CT還有不少問題需要解決，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，顯微CT的適用范圍、偽影消減以及圖像清晰度都將會有很大的提高，隨著這些缺點的不斷改善，顯微CT在骨科研究中的應(yīng)用將會越來越廣泛．