顯微CT與組織切片技術(shù)在骨形態(tài)計(jì)量研究中的比較

1、顯微CT與組織切片技術(shù)在骨形態(tài)計(jì)量研究中的比較<                   作者：王軍，畢龍，白建萍，呂榮，楊彬奎【摘要】   目的通過比較顯微CT技術(shù)與 組織 切片技術(shù)在骨形態(tài)計(jì)量分析中的差異，探討顯微CT在骨形態(tài)三維結(jié)構(gòu)研究方面的技術(shù)優(yōu)勢。方法分別 應(yīng)用 顯微CT和組織切片技術(shù)分析不同類型的骨組織標(biāo)本，并從標(biāo)本處理、表達(dá)形式與測試指標(biāo)等方面比較兩者的差異。結(jié)果顯微CT在反映骨組織三維結(jié)構(gòu)

2、特征和對骨組織“量”與“質(zhì)”變化的精確測量方面明顯優(yōu)于組織切片技術(shù);而組織切片技術(shù)對反映標(biāo)本局部的細(xì)胞形態(tài)和生長發(fā)育變化等方面則更具優(yōu)勢。結(jié)論顯微CT技術(shù)在標(biāo)本處理、表達(dá)形式兩方面均提供了全新的測試手段，通過結(jié)合組織切片技術(shù)能夠更加理想地反映骨組織形態(tài)和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。 【關(guān)鍵詞】   骨形態(tài)計(jì)量; 顯微CT; 組織切片Abstract: ObjectiveTo investigate the technical advantages of micro-CT in the research of three dimensional structure of bone tissues ov

3、er histological section technology. MethodDifferent kinds of bone tissue related specimen were observed by micro-CT and histological section,respectively.The diversity of the sample treatments, result expressions and test data were compared.ResultMicro-CT showed great advantages in displaying three

4、dimensional structure characteristics of bone tissues. Both quantity and quality changes of bone tissues could be precisely determined by micro-CT which was much better than histological section technology. However, histology showed great advantages in displaying the cell figures, growth and differe

5、ntiation.ConclusionMicro-CT provides a novel test method for both sample treatments and result expressions. Compound with histological technology, micro-CT can display the appearance and structure of bone tissues more sufficiently.Key words：bone morphometry; micro-CT; histological section骨“量”(Quanti

6、ty)與“質(zhì)”(Quality)分別反映了骨的數(shù)量或容積以及微結(jié)構(gòu)、骨膠原、骨基質(zhì)礦化、微骨折發(fā)生和修復(fù)能力等方面的特征。傳統(tǒng)骨形態(tài)計(jì)量手段主要以二維的骨切片顯微圖像為分析對象，側(cè)重于骨“量”方面的研究，而骨體積中的三維骨量參數(shù)和部分二維結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是根據(jù)體視學(xué)原理，推導(dǎo)獲得2。由于受二維平面及生物標(biāo)本非均勻性影響，骨“質(zhì)”的體素結(jié)構(gòu)形態(tài)、密度分布、方向分布及功能力學(xué)特征等分析則比較困難。顯微CT技術(shù)以體素為測試單元，在微米級高清晰的掃描重建骨小梁立體結(jié)構(gòu)，除能精確計(jì)量標(biāo)本整體骨量參數(shù)外，還能測試大量骨結(jié)構(gòu)參數(shù)，為骨組織“量”與“質(zhì)”兩方面均提供了全新的測試方法與手段2。本實(shí)驗(yàn)通過對不同類型骨

7、組織標(biāo)本的顯微CT掃描分析，比較與傳統(tǒng)組織切片計(jì)量方式的差異，探討顯微CT在骨形態(tài)三維結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)特長，為骨形態(tài)計(jì)量研究提供更為精確和完善的技術(shù)方法。 1 材料與方法 顯微CT選用美國通用公司GE Healthcare Locus SP顯微CT，分析處理 軟件 為Micview三維重建處理軟件及ABA專用骨骼分析軟件，掃描分辨率根據(jù)不同動物骨小梁大小選擇6.540 m。掃描標(biāo)本為骨科動物實(shí)驗(yàn)常用的裸鼠、小鼠、大鼠、兔、犬、羊脛骨和股骨標(biāo)本，部分含金屬植入物的骨標(biāo)本以及不同生物材料體內(nèi)成骨標(biāo)本。首先觀察顯微CT不同分辨率掃描協(xié)議對不同動物標(biāo)本、不同處理方式標(biāo)本、不同材料標(biāo)本形態(tài)計(jì)量的適應(yīng)性，然

8、后以顯微CT骨形態(tài)分析指標(biāo)測試上述標(biāo)本骨量、骨密度、骨形態(tài)幾何指標(biāo)以及骨小梁結(jié)構(gòu)指數(shù)、骨小梁各向異性等骨質(zhì)結(jié)構(gòu)指標(biāo)，最后將所測參數(shù)結(jié)果與傳統(tǒng)二維組織切片進(jìn)行相關(guān)比較。 2 結(jié)果 2.1 顯微CT對不同動物、不同處理方式骨標(biāo)本的適應(yīng)性不同動物標(biāo)本掃描重建后顯示：裸鼠腰椎骨小梁形態(tài)只能用6.5 m最高分辨率掃描，細(xì)微結(jié)構(gòu)有少量丟失，但仍能滿足基本測試分析;810 m的高分辨掃描協(xié)議可滿足小鼠骨小梁形態(tài)表達(dá)，基本無丟失;1015 m分辨掃描則有部分骨量丟失，但可完整表達(dá)體積大于大鼠的大動物骨小梁形態(tài);2140 m掃描模式只適用于兔以上的大動物標(biāo)本(見表1，圖13)。表1 不同動物骨組織適應(yīng)的掃描分辨

9、率2.2 顯微CT對不同種類骨標(biāo)本掃描、重建的結(jié)果觀察顯微CT可清晰觀察支架材料的三維微結(jié)構(gòu)，對比不同組成材料含量、密度、孔徑、孔內(nèi)連通徑、孔隙率等多種指標(biāo)(圖4)。并可采用密度與空間配合分割方法，分別測量不同時期材料的降解與新生骨小梁生長狀況(圖5)。顯微CT可觀察主要動脈三維走向及連續(xù)性，應(yīng)用骨形態(tài)計(jì)量的部分參數(shù)，可測試不同直徑動脈的多少與分布(圖7a、b)。牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)及牙根管經(jīng)顯微CT掃描重建顯示，三者分別具有很強(qiáng)的CT梯度值差，分割良好，形態(tài)及密度計(jì)量較為便利(圖8)。顯微CT可以重建軟骨層面，并與面下骨小梁結(jié)構(gòu)重疊構(gòu)建，觀察測量軟骨體積、層厚及密度指標(biāo)，但無法觀測片切影像中所表達(dá)

10、的軟骨細(xì)胞靜止、增殖、成熟、破裂狀況(圖9)。2.3 顯微CT與病理切片骨形態(tài)計(jì)量測試比較與二維病理切片骨形態(tài)計(jì)量參數(shù)相比，顯微CT骨分析系統(tǒng)提供了6類更豐富的三維結(jié)構(gòu)指標(biāo)。將CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)Hounsfield Units后，可以準(zhǔn)確定量(見表2)。顯微CT骨體積分?jǐn)?shù)(BVF)結(jié)果與二維切片結(jié)果正相關(guān)，骨礦物質(zhì)密度(BMD)、骨礦物質(zhì)含量(BMC)結(jié)果與雙能X線骨密度儀正相關(guān)?；贚ocus SP特有的組織骨密度(TMD)、組織礦含量(TMC)與骨灰重量極為相近(R2>0.98)，TMD、TMC指標(biāo)由于直接分割出目標(biāo)區(qū)的骨小梁，而不包括非骨骼部分的體素，因此在測試骨小梁早期細(xì)小變化時具有更強(qiáng)的敏感度。 圖7a顯微CT從去基因小鼠頭部重建結(jié)果 圖7b中分割出腦動脈血管結(jié)構(gòu) 圖8牙體釉質(zhì)、本質(zhì)及根管三維重建效果 圖9