microc在口腔種植中的應(yīng)用

microc在口腔種植中的應(yīng)用

空間分辨率為1.10m的醫(yī)學(xué)ct稱為顯微外科ct（微ct），相應(yīng)地對應(yīng)于肉眼的分辨率水平ct和宏觀ct。細(xì)胞直徑平均為10～50μm,而細(xì)胞器約為0.2～1μm。所以,microCT是“能看見組織和細(xì)胞圖像的CT”。由于普通CT無法滿足科學(xué)研究對分辨率的苛刻要求,學(xué)術(shù)界開始研發(fā)microCT。其主要構(gòu)造由六部分組成(圖1)。microCT與普通CT不同之處是采用微焦點(diǎn)線球管。采用錐形線束代替扇形X線束,不僅能夠獲得真正各向同性的容積圖像,空間分辨率達(dá)1～10μm,而且在采集相同三維圖像時速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通CT。microCT能夠在不破壞樣品的情況下,對骨骼、牙齒、活體小動物和生物材料等進(jìn)行高分辨率X線成像,利用強(qiáng)大的圖像處理軟件,可以觀察任意研究區(qū),分割或合并多個三維圖像,定量計(jì)算樣品內(nèi)部選定區(qū)域的體積、面積、空隙率、連接密度、結(jié)構(gòu)模型指數(shù)、各向異性度等。根據(jù)已知密度的標(biāo)準(zhǔn)品(體模),還可以得到樣品的密度值(如BMD),分析物質(zhì)的種類、組成、強(qiáng)度和完整性等參數(shù),并進(jìn)行三維有限元分析。在骨組織研究領(lǐng)域,microCT可以很好地研究骨結(jié)構(gòu)和骨密度的數(shù)量性指標(biāo)及微細(xì)改變,結(jié)合有限元分析方法能夠反映力學(xué)特性變化,并可指導(dǎo)組織工程、轉(zhuǎn)基因、血管顯影技術(shù)及主要臟器疾病的研究。X射線源:X線束焦點(diǎn)直徑5μm;磷酸感應(yīng)屏:感光單元尺寸48μm;CCD:2048×2048×14bit;雙信息處理器:帶形態(tài)和三維有限元分析系統(tǒng);監(jiān)控器:圖像矩陣512×512至2048×2048。microCT在口腔種植領(lǐng)域研究中也顯示了很好的應(yīng)用前景,主要應(yīng)用于骨組織的研究,現(xiàn)就microCT在口腔種植領(lǐng)域的最新應(yīng)用介紹如下。一、掃描技術(shù)在頜骨診斷技術(shù)中的應(yīng)用Hounsfield等首次報道CT的臨床應(yīng)用,醫(yī)學(xué)CT由原始的第一代CT發(fā)展到第五代高速電子束掃描CT。目前臨床上使用的多為螺旋CT,其缺點(diǎn)是費(fèi)用較高、放射量較大。螺旋CT的掃描層厚最小單位為1mm,三維重建圖像精確,但只能顯示頜骨的立體表面形態(tài),無法顯示頜骨的內(nèi)部特征,而且存在金屬偽影影響影像質(zhì)量。microCT掃描除螺旋CT三維重建技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)外,最大特點(diǎn)是掃描辨析率能達(dá)14μm,可以清楚地顯示頜骨的細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上可同時進(jìn)行頜骨矢狀面、冠狀面、水平面的多層面掃描,最高為320層。排除了人為因素干擾,減少了診斷誤差,為種植術(shù)前頜骨質(zhì)量的檢查、測量、種植修復(fù)的設(shè)計(jì)、模型分析等方面提供更直接、更準(zhǔn)確的信息。microCT三維重建技術(shù)通過數(shù)字減影技術(shù),可進(jìn)行多角度觀察,如旋轉(zhuǎn)、正面觀、側(cè)面觀、上面觀、底面觀等,還可以改變X線的投照角度進(jìn)行三維圖像切割,使三維圖像顯示更佳。Suomalainen等對一牙科診所6個月獲取198幅三維microCT圖像進(jìn)行分析,將microCT圖像有效信息與曲面斷層片和口內(nèi)X線片進(jìn)行對比。其中49%microCT圖像用于種植體定位,3例由于根管充填、倒充填或金屬材料的影響形成偽影而未獲得所需的信息。其與傳統(tǒng)的影像學(xué)技術(shù)相比,可以補(bǔ)充更多的影像信息。二、基礎(chǔ)研究(一)骨結(jié)合研究的應(yīng)用1.織學(xué)分析的討論Butz等應(yīng)用microCT對種植體的骨結(jié)合進(jìn)行三維分析。經(jīng)酸蝕無螺紋的圓柱狀種植體植入大鼠右側(cè)股骨,兩周后microCT和組織學(xué)對比分析,在骨皮質(zhì)(r=0.65,P<0.05)和距離種植體24～240μm的骨松質(zhì)(r=0.92,P<0.05),兩者具有顯著的相關(guān)性。在距離種植體0～24μm的骨松質(zhì),兩者沒有顯著的相關(guān)性。結(jié)果顯示microCT快速無破壞性,對種植體骨結(jié)合進(jìn)行三維分析具有可行性。但需要進(jìn)一步的研究影響鄰近種植體骨測量的金屬偽影。我院金光春教授對骨結(jié)合的三維成像有相關(guān)研究(圖2)。2.種植體與骨組織的關(guān)系有研究表明,表面鈦涂層的PMMA種植體可以克服金屬偽影給種植體骨結(jié)合等研究帶來的影響。Shalabi等應(yīng)用microCT和組織學(xué)觀察對PMMA周圍骨組織行為進(jìn)行研究,400～500nm鈦涂層螺旋狀PMMA植入羊的左右側(cè)脛骨,12周后進(jìn)行microCT分析、光學(xué)micro鏡和X線微量分析,結(jié)果顯示骨組織與種植體鈦涂層很好地結(jié)合。組織學(xué)觀察發(fā)現(xiàn),種植體被機(jī)體所耐受沒有非典型的組織反應(yīng)。PMMA消除了microCT圖像鄰近種植體處的金屬偽影。3.營養(yǎng)成分分析同步輻射microCT(SRmicroCT)由同步加速器獲取高光子通量單色光代替?zhèn)鹘y(tǒng)microCT的標(biāo)準(zhǔn)X線而建立的一種新影像學(xué)技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)microCT的優(yōu)點(diǎn)包括:應(yīng)用單色光避免了非單色光成像時所形成的偽影,高光子通量可在短時間內(nèi)獲取高信噪比、高空間分辨率的圖像,使用平行光束有利于進(jìn)行圖像重建。至今除SRmicroCT外沒有其他的技術(shù)可以通過三維對骨礦物密度進(jìn)行定量檢測。去除金屬偽影干擾的優(yōu)點(diǎn),SRmicroCT可更好地應(yīng)用于骨結(jié)合研究。Bernhardt等將傳統(tǒng)microCT與SRmicroCT對Ti6Al4V種植體骨結(jié)合的分析進(jìn)行對比,只有SRmicroCT與組織學(xué)結(jié)果相符。傳統(tǒng)的microCT由于金屬偽影的影響,影響距離種植表面直至200μm的成像效果。另有Jung等探討應(yīng)用SRmicroCT作為一種新的評價骨結(jié)合方法的可行性。實(shí)驗(yàn)選取新西蘭大白兔,脛骨植入帶螺紋的鈦種植體,獲得的組織切片未經(jīng)脫鈣,應(yīng)用SRmicroCT、microCT和傳統(tǒng)的牙科X線系統(tǒng)進(jìn)行影像學(xué)分析,SRmicroCT對愈合階段的骨結(jié)合情況比其他的影像學(xué)手段提供更為詳細(xì)的信息。Chappard等對傳統(tǒng)的microCT與SRmicroCT對人股骨頭骨小梁的微結(jié)構(gòu)評價進(jìn)行對比。雖然系統(tǒng)不同,但兩者具有高相關(guān)性,兩者的區(qū)別并不影響研究組之間的辨別結(jié)果。0.23和0.45轉(zhuǎn)速時microCT提供準(zhǔn)確的人脫脂骨三維圖像,0.9轉(zhuǎn)速時無法進(jìn)行準(zhǔn)確的骨微結(jié)構(gòu)分析。(二)植物周圍骨骼微結(jié)構(gòu)研究的應(yīng)用1.種植體的組織病理學(xué)測量Rebaudi等通過實(shí)驗(yàn)證明了應(yīng)用microCT對種植體周圍骨組織研究的可行性。以含鈦螺旋種植體的活體組織為研究對象,以骨體積、骨面積、骨小梁厚度、骨小梁分離度、骨連接密度,以及上頜骨與植入體的附著關(guān)系作為參數(shù),所有測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的不脫鈣的組織形態(tài)學(xué)測量結(jié)果相似。VanOossterwyck等選用羊?yàn)閷?shí)驗(yàn)動物,對比分析種植體周圍骨組織結(jié)構(gòu),結(jié)果microCT與組織學(xué)分析相似,鄰近種植體的結(jié)合表面也未形成嚴(yán)重偽影。金光春教授應(yīng)用microCT對骨微觀結(jié)構(gòu)的描述與X線片形成鮮明的對比(圖2～4)。2.骨組織微形態(tài)結(jié)構(gòu)microCT分辨率達(dá)微米級可以完成更為精細(xì)的病理學(xué)診斷。老年患者普遍存在低蛋白攝入量的問題,影響骨結(jié)合并減緩骨折的愈合。Dayer等選取雌性小鼠,低蛋白和高蛋白飲食組作對照,鈦種植體植入脛骨,標(biāo)本通過microCT組織形態(tài)測量評價骨結(jié)合和種植體周圍骨小梁的微結(jié)構(gòu)。結(jié)論是低蛋白攝入量影響骨結(jié)合并改變種植體周圍骨組織微結(jié)構(gòu)。Akca等應(yīng)用切除卵巢小鼠研究不同生物學(xué)生理刺激作用下種植體周圍骨組織的微形態(tài)結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示不同刺激作用下骨小梁厚度、骨小梁分離度沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但骨小梁的數(shù)量差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Gabet等在甲狀旁腺素1～34增加低密度骨小梁中種植體穩(wěn)定性研究中,通過microCT對種植體周圍骨測量,主要參數(shù)包括骨小梁體積密度(BV/TV)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁數(shù)量(Tb.N)、連接密度(Conn.D)。相同的標(biāo)本進(jìn)行拔出式生物力學(xué)測驗(yàn),結(jié)果證明骨組織微結(jié)構(gòu)參數(shù)與生物力學(xué)參數(shù)具有顯著相關(guān)性,microCT對骨組織微結(jié)構(gòu)的研究對生物力學(xué)能力有指導(dǎo)意義。Wiskott等使用控制式加荷方式對骨內(nèi)種植體進(jìn)行持續(xù)加力,用microCT分析顯示骨內(nèi)種植體骨皮質(zhì)反應(yīng)分兩個階段:首先生成的是多孔薄層的骨皮質(zhì),接著形成大量密質(zhì)骨,種植體周圍只形成大量的密質(zhì)骨。為了證明具有骨誘導(dǎo)表面特性和骨誘導(dǎo)支架的種植體系統(tǒng)具有引導(dǎo)牙槽骨垂直生長的能力,Freilich等進(jìn)行了相關(guān)研究。結(jié)果microCT測量含DBM與不含DBM支架組的牙槽骨垂直生長量分別為(2.1±0.9)mm和(0.8±0.9)mm(P=0.008),含DBM組組織學(xué)測量為(2.4±0.6)mm?？梢?microCT測量結(jié)果與組織學(xué)相似。(三)種植體參數(shù)的計(jì)算Lima等應(yīng)用microCT研究鈦種植體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征,計(jì)算種植體參數(shù),主要包括:材料體積和總體積比,材料表面和材料體積比,涂層厚度,涂層分離度,最優(yōu)化的各向異性程度等。結(jié)果證明應(yīng)用microCT分析這種微結(jié)構(gòu)是可行的。(四)生物力學(xué)研究的應(yīng)用1.呼吸骨小梁微結(jié)構(gòu)骨的力學(xué)行為是骨結(jié)合獲得與保持的一個關(guān)鍵因素。Fanuscu等利用microCT三維形態(tài)學(xué)分析尸體標(biāo)本上下頜骨的骨小梁微結(jié)構(gòu),取適當(dāng)吸收的牙齒缺失的人上下頜骨。microCT三維形態(tài)學(xué)分析獲取上下頜骨前部結(jié)構(gòu)值域范圍:骨密度(0.12～0.291),骨小梁厚度(0.12～0.16mm),骨小梁分離度(0.46～0.82mm)。研究認(rèn)為了解骨小梁的力學(xué)性能可以為種植的診斷、設(shè)計(jì)、手術(shù)技術(shù)等提供更多的信息。2.種植體-骨界面應(yīng)力分布的有限元分析和模型材料的選擇以microCT為基礎(chǔ)建立的FEM可以作為一種生物力學(xué)分析工具定量天然骨和組織工程骨的應(yīng)力應(yīng)變。有限元分析法(FEAM)是一種理論力學(xué)的分析計(jì)算方法,建立能夠真實(shí)再現(xiàn)實(shí)體狀態(tài)的幾何模型是決定其研究結(jié)論是否具有科學(xué)性和實(shí)用價值的關(guān)鍵所在。由于microCT可獲取種植體周圍的骨小梁完整的數(shù)據(jù),可以建立種植體系統(tǒng)的FEM,在骨小梁水平研究骨界面機(jī)械應(yīng)力的傳遞。李湘霞等模擬單個下頜磨牙缺失的種植修復(fù),分析不同下頜骨形態(tài)對種植體-骨界面應(yīng)力分布的影響。方法采用三維有限元法,根據(jù)下頜骨測量資料建立不同頜骨截面形態(tài)的種植修復(fù)模型并進(jìn)行分析。結(jié)果不論垂直載荷或斜向載荷,不同頜骨形態(tài)模型骨界面應(yīng)力分布規(guī)律及應(yīng)力值差異均無顯著性。其中Von-Mises應(yīng)力最大差異為6.4%,壓應(yīng)力最大差異為2.8%,拉應(yīng)力最大差異為6.2%。結(jié)論是在有限元研究中將下頜骨形態(tài)簡化為規(guī)則形態(tài)是合理的。Cattaneo等通過microCT獲取圖像建立三維FEM描述口腔正畸用種植體周圍的應(yīng)力和應(yīng)變,并且評價應(yīng)變與組織形態(tài)學(xué)測量參數(shù)觀測的生物學(xué)反應(yīng)之間的關(guān)系。在4只成年獼猴第二前磨牙和第一磨牙植入共16枚種植體,17周愈合后,彈簧加力16周,處死后取含種植體和周圍骨組織的組織塊,microCT掃描后每個樣本單獨(dú)建立FEM后,組織形態(tài)測量分析。有限元分析種植體周圍牙槽骨的應(yīng)力和應(yīng)變因樣本不同呈多樣性。個體差異對于模系統(tǒng)力學(xué)性能和負(fù)載傳遞有重要的影響。骨與種植體結(jié)合處負(fù)載的傳遞是全面分析負(fù)載的關(guān)鍵要素,對種植體的成敗起決