骨分析应用中常见参数介绍及Micro-CT在骨组织研究中的应用案例
2021-05-24 来源:海斯菲德 点击次数:14670Micro-CT在骨组织研究中的应用
Micro-CT是一种结合了影像学检查无创性和组织学检测高分辨率特点的技术。由于骨骼与其它身体组织在X射线衰减性能方面有相对明显差别，Micro-CT特别适合骨骼成像，因此骨骼参数的研究也是MicroCT的重要应用领域之一。在小动物和大型动物离体标本的研究领域中，micro-CT已经成为评价骨形态和骨微结构的“金标准”。目前，Micro-CT在骨科研究中应用广泛，例如对指定骨组织进行定量骨密度分析等。
在本篇文章中，我们将和大家介绍一些在Micro-CT骨分析应用中常见的参数，分享一些 Hiscan Micro-CT在骨研究分析中的应用案例。
Part1.骨分析参数介绍
骨由骨质、骨膜、骨髓、骨的血管、淋巴管和神经构成。在Micro-CT中，可对骨质部分进行深入的形态学分析和研究。骨质分密质和松质：骨密质分布于骨的表面，也称皮质骨；骨松质由骨小梁排列而成，分布于骨的内部，骨小梁的排列与骨所承受的压力和张力的方向一致，因而能承受较大的重量。骨髓腔和松质间隙内充填有骨髓[1]。
1.1 通用参数
借助影像处理软件，可在Micro-CT的扫描成像图上选择感兴趣区域（region of interest，ROI）做阈值分割等操作，可以将皮质骨和松质骨进行分割，分别提取到不同组织区域，从而对皮质骨和松质骨（骨小梁）的各种形态学特性进行研究和分析，得到表征骨骼生长和发育水平的参数。
1.2 骨小梁分析参数
骨小梁是皮质骨在松质骨内的延伸部分，即骨小梁与皮质骨相连接，在骨髓腔中呈不规则立体网状结构，如丝瓜络样或海绵状，起支持造血组织的作用。骨小梁连接而成的多孔网架结构，按应力曲线规律性排列，具有非均匀的各向异性，这种排列能增加骨强度，可以说，骨小梁的骨质量与其微结构密切相关。因此，对于骨小梁的微结构分析在骨分析中是非常重要的。Micro-CT可对骨小梁微结构进行无损3D成像，展示骨小梁的微结构，使得对于骨小梁微结构的拓扑学分析成为可能[3]。
1.3 皮质骨分析参数
相对于骨小梁而言，对于皮质骨的研究较少。但有研究表明，在发生骨质疏松的时候，皮质骨会承担更多的强度负荷，皮质骨本身的内在性质及孔隙度影响着骨强度的变化。应力作用下，骨皮质变化晚于骨小梁，起初皮质骨宽度增加，厚度变薄且分层，进而疏松化，最终可呈细线状，相应的骨密度检测也证实了这一点。因此，皮质骨的参数分析也有利于全面地了解骨生长和骨疾病中的情况。
Part2.应用案例
Hiscan XM Micro-CT System是一款集离体扫描和活体扫描于一体的Micro-CT。最高分辨率可达4um。最大扫描范围可达到75mm*210mm。使用海斯菲德图像处理分析软件Hiscan Analyzer，可对不同部位的骨扫描结果进行可视化骨参数分析。
2.1 股骨分析
① 小鼠股骨分析
▲图1 小鼠股骨头扫描分析图
60kv，130uA，10um分辨率，Hiscan XM Micro-CT
② 大鼠股骨分析
在本公司的Hiscan XM Micro-CT扫描下的正常大鼠的股骨头与骨质疏松的大鼠的股骨头的对比。
▲图2 正常大鼠股骨头扫描分析图
80kv，100uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT
▲图3 骨质疏松大鼠股骨头扫描图
80kv，100uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT
③ 人体股骨分析
在本公司的Hiscan XM Micro-CT扫描下的正常人体的松质骨与骨质疏松的人体的松质骨的对比。
▲图4 正常人体股骨头扫描分析示意图
60kv，134uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT
▲图5 骨质疏松的人体股骨头扫描分析示意图
60kv，134uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT
2.2 其它部位骨骼分析
① 小鼠关节分析
通过Hiscan XM Micor-CT对小鼠关节进行扫描，通过三维重建图可以明显观察到关节炎引起的骨损伤，结合分析软件可以定量分析其骨表面积与骨体积比值（BS/BV）和骨矿物质密度（BMD）。
▲图6 正常大鼠股骨头扫描分析示意图
60kv，134uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT
② 人体颈椎骨分析
选择特定的ROI区域，分析不同疾病类型对骨密度及骨小梁结构参数的影响。
▲图7 人体枢椎三维重建图
80kv，100uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT
▲图8 人体寰椎三维重建示意图
80kv，100uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT
③ 大鼠颅骨分析
通过Hiscan XM Micor-CT先后对颅骨缺损修复实验中的大鼠颅脑进行扫描，通过三维重建图可以明显观察到一个月后的修复情况，结合分析软件可以定量分析其骨表面积（BS）、骨体积（BV）和骨矿物质密度（BMD）的变化。
▲图9 大鼠颅骨损伤修复前后三维重建分析图
60kv，130uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT
④ 骨化参数分析
在大鼠的跟腱部位植入骨骼生长材料，通过Hiscan XM Micro-CT进行三维重建可以观察一段时间的大鼠的跟腱部位出现骨化现象的发展情况。通过分析软件可以定量得到骨化部位骨密度（BMD）和骨体积（BV）的变化情况。
▲图10 大鼠跟腱骨化实验三维重建分析图
60kv，130uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT
2.3 骨支架分析
① 钛合金支架分析
▲图11 钛合金植入
90kv，90uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT
▲图12 钛合金植入
90kv，90uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT
Part3.总结
在骨组织研究领域，Micro-CT可以很好地研究骨结构和骨密度的数量性指标及微细改变，可用于指导组织工程、基因工程等科学研究，已逐渐发展为可加强甚至代替组织学分析的一种成熟的技术。Micro-CT在各学科的广泛应用拥有广阔的市场前景，也将为各学科的研究带来新的发展机遇。
参考文献：
[1] 王云钊等.骨关节影像学（第2版）.科学出版社,2010.7
[2] Micro-CT在骨代谢研究中骨微结构指标的解读及应用价值.中华骨质疏松和骨矿盐疾病杂志[J], 2018(2): 200-205;
[3] 裴葆青;王田苗;王军强. 松质骨微观骨小梁结构的生物力学综合分析. 北京航空航天大学学报[J], 2008(02): 215-218.
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