骨科学中显微CT的优势范文

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1～10μm，也就是“能看见组织和细胞图像的CT”，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拥有许多不可替代的优势，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，反映骨质疏松程度，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的主要手段为双能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的1%，不存在放射源衰变的问题，这种方法是相对较新的方法，精度较高，测试时间长（每人10～20min），由于设计DEXA时，人为将扫描的部位设定为兴趣区域（regionofinterest，ROI）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DEXA系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;HHBolotln[1]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DEXA系统应用于活体检测BMD时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；NuzzoS[2]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BMC和微结构，测量真正的BMC和皮质骨厚度．而BagiCM[3]也在研究中发现，与DEXA检测骨密度相比，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5～10μm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，其厚度在20～50纳米，专供在电子显微镜下观察，InariS4[4]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在一定的误差；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，MPAkhter[5]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[6]在研究中，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，存在很大的人为误差；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，LarsMulder[8]研究表明，这些参数比传统方法测得的结果更加精确，DavidV[9]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．IlanK[10]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（BVF）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，ThomsenJS[13]应用显微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．ThomsenJS[13]在比较了人胫骨样本SMI和组织切片法测量松质骨结构因子（TBPf）关系，发现SMI与TBPf存在良好的相关性（r＝0.95）．YangJ[14]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也存在的很多问题．

4.2.1产生伪影王军[15]GE显微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在．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.BevillG[16]研究显示显微CT是以x线吸收程度产生影像，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1000～2000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．由于探头变小，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．由于显微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还有不少问题需要解决，但随着科学技术的不断发展，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高，随着这些缺点的不断改善，显微CT在骨科研究中的应用将会越来越广泛．