一、背景簡述

MicroCT是一種結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，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的重要應用領域之一。
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、骨膜、骨髓、骨的血管、淋巴管和神經(jīng)構成。在Micro CT中，可對骨質部分進行深入的形態(tài)學分析和研究。骨質分密質和松質：骨密質配布于骨的表面，也稱皮質骨；骨松質由骨小梁排列而成，配布于骨的內部，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。骨髓腔和松質間隙內充填有骨髓。[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，可以將皮質骨和松質骨進行分割，分別提取到不同組織區(qū)域，從而對皮質骨和松質骨（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)（見表1）。
 

表1、 通用骨分析參數(shù)表
 

 

在通常情況下，當比較對象感興趣區(qū)域骨組織（TV）相同時，BV和骨體積分數(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；骨體及分數(shù)(BV/TV)是皮質骨和松質骨骨量評價常用指標，對于髓腔內松質骨而言，該比值能夠反應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，從而能夠間接反應骨代謝狀況。在評價長骨中段皮質骨骨量和骨代謝狀況方面具有同樣的價值。

進一步的，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，來計算和分析皮質骨/松質骨的組織骨密度（TMD，Tissue Mineral Density）或骨礦物質密度（BMD，Bone Mineral Density）。因骨組織總礦物質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本結構，這與傳統(tǒng)評價礦化程度的方法（如定量顯微成像術、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 骨小梁分析及結構參數(shù)
 

骨小梁是皮質骨在松質骨內的延伸部分，即骨小梁與皮質骨相連接，在骨髓腔中呈不規(guī)則立體網(wǎng)狀結構，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)架結構，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，骨小梁的骨質量與其微結構密切相關[3]。因此，對于骨小梁的微結構分析在骨分析中是非常重要的。Micro CT可對骨小梁微結構進行無損3D成像，展示骨小梁的微結構，使得對于骨小梁微結構的拓撲學分析成為可能。

從骨小梁的微結構可計算得到骨小梁數(shù)（Tb.N）、骨小梁厚度（Tb.Th）和骨小梁分離度（Tb.Sp），這些是評價骨小梁空間形態(tài)結構的主要指標。在骨分解代謝大于骨合成代謝時情況下，比如發(fā)生骨質疏松時，Tb.N和Tb.Th數(shù)值減少；Tb.Sp數(shù)值增加。（注：進一步的，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，其與結構模式指數(shù)（SMI），是描述小梁結構組成結構中板層結構和桿狀結構比例的參數(shù)。如果結構中骨小梁主要為板層結構，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)生骨質疏松時，骨小梁從板狀向桿狀轉變，該值增大。2）各向異性程度（DA）用于評價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。在骨質疏松早期，承重骨小梁DA值通常增加，隨著骨質疏松加劇，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)狀結構之間的連接數(shù)量。

在Micro CT的掃描成像結果中，對這些參數(shù)進行分析，便可對骨小梁的強度和骨質量進行研究。
 

 

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：骨質疏松大鼠股骨骨小梁）

表2、骨小梁分析參數(shù)表
 

 

 

2.2 皮質骨分析及相關參數(shù)
 

相對于骨小梁而言，對于皮質骨的研究較少。但有研究表明，在發(fā)生骨質疏松的時候，皮質骨會承擔更多的強度負荷，皮質骨本身的內在性質及孔隙度影響著骨強度的變化。應力作用下，骨皮質變化晚于骨小梁，起初皮質骨寬度增加，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掃描下的皮質骨對比
（左圖紫色部分：正常大鼠股骨皮質骨；右圖紫色部分：骨質疏松大鼠股骨皮質骨）

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

表3、皮質骨分析參數(shù)表

 
三、總結

在骨組織研究領域，Micro CT可以很好地研究骨結構和骨密度的數(shù)量性指標及微細改變，可指導組織工程、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，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。
 
注：