Micro-CT应用中的骨分析参数

1/7MicroCT中的骨分析参数解读一、背景简述MicroCT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，因此MicroCT特别适合骨骼成像，骨骼参数的研究也是MicroCT的重要应用领域之一。今天和大家介绍一下MicroCT中的骨分析参数及相关案例。二、骨分析参数解读骨由骨质、骨膜、骨髓、骨的血管、淋巴管和神经构成。在MicroCT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：骨密质配布于骨的表面，也称皮质骨；骨松质由骨小梁排列而成，配布于骨的内部，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。借助影像处理软件，可在MicroCT的扫描成像图上选择感兴趣区域（regionofinterest，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2/7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（见表1）。指标名称简写单位解释及意义通用参数骨表面积BSmm2通过移动立方体算法对骨组织进行三角测量计算的骨组织表面积组织体积TVmm3指感兴趣区域总体积，该指标主要根据研究者或研究重点观察区域而定骨体积BVmm3指感兴趣区域中被定义为骨组织的体积骨表面积骨体积比BS/BV1/mm表示单位体积骨组织的面积大小骨表面积组织体积比BS/TV1/mm又称为骨表面积密度，可以间接反映骨量多少骨体积分数BV/TV%表示骨组织体积与组织体积比值，可直接反应骨量变化情况骨矿物质含量BMCmg表示感兴趣区域骨组织中，所含骨矿物质量的多少骨矿物质密度BMDg/cm3表示感兴趣区域骨组织中，骨矿物密度的多少表1、通用骨分析参数表在通常情况下，当比较对象感兴趣区域骨组织（TV）相同时，BV和骨体积分数BV/TV都能反映骨量多少；骨表面积骨体积比值(BS/BV)和骨表面积组织体积比值(BS/TV)，可以间接反映骨量多少；骨体及分数(BV/TV)是皮质骨和松质骨骨量评价常用指标，对于髓腔内松质骨而言，该比值能够反应不同样本骨小梁骨量的多少，该值增高说明骨合成代谢大于分解代谢，骨量增加，反之亦然，从而能够间3/7接反应骨代谢状况。在评价长骨中段皮质骨骨量和骨代谢状况方面具有同样的价值。进一步的，借助主要成分为羟基磷灰石的体模，可以根据体模在MicroCT中的成像灰度值，来计算和分析皮质骨/松质骨的组织骨密度（TMD，TissueMineralDensity）或骨矿物质密度（BMD，BoneMineralDensity）。因骨组织总矿物质含量和矿化程度因解剖部位、生长状态、性别及年龄等因素存在较大差异，对于骨骼研究有重要价值，MicroCT不仅可以迅速地获得样本的BMD，而且不会破坏骨组织标本结构，这与传统评价矿化程度的方法（如定量显微成像术、散射电子显微镜及灰份含量）相比，具有显著优越性错误!未找到引用源。。2.1骨小梁分析及结构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。MicroCT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。从骨小梁的微结构可计算得到骨小梁数（Tb.N）、骨小梁厚度（Tb.Th）和骨小梁分离度（Tb.Sp），这些是评价骨小梁空间形态结构的主要指标。在骨分解代谢大于骨合成代谢时情况下，比如发生骨质疏松时，Tb.N和Tb.Th数值减少；Tb.Sp数值增加。（注：进一步的，这些参数分析可推广到多孔材料的研究，Tb.Th和Tb.Sp数值可理解为孔壁厚度和孔隙率。）4/7骨小梁模式因子（Tb.Pf）、各向异性程度（degreeofanisotropy，DA）和骨小梁连接密度（Conn.D）也是表现骨质状态的重要参数。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，其与结构模式指数（SMI），是描述小梁结构组成结构中板层结构和杆状结构比例的参数。如果结构中骨小梁主要为板层结构，那么SMI接近于0；反之，如果主要是杆状骨小梁，SMI则接近3。发生骨质疏松时，骨小梁从板状向杆状转变，该值增大。2）各向异性程度（DA）用于评价骨小梁的方向性和对称性，指椭圆体截距长度平均值（MIL）中长径和短径的比值，该比值越大说明各向异性程度越大。在骨质疏松早期，承重骨小梁DA值通常增加，随着骨质疏松加剧，DA会减小。3）骨小梁连接密度（Conn.D）表示每立方毫米体积中骨小梁网状结构之间的连接数量。在MicroCT的扫描成像结果中，对这些参数进行分析，便可对骨小梁的强度和骨质量进行研究。A5/7图1、平生公司NEMO®MicroCT扫描下的骨小梁对比（上：正常大鼠股骨骨小梁；下：骨质疏松大鼠股骨骨小梁）指标名称简写单位解释及意义骨小梁分析参数骨小梁数目Tb.N1/mm代表感兴趣区域中，每mm中骨组织与非骨组织交点数量的平均值骨小梁厚度Tb.Thμm表示骨小梁平均厚度骨小梁分离度Tb.Spμm表示骨小梁之间髓腔平均宽度骨小梁模式因子Tb.Pf1/mm是衡量骨小梁连接度的一个指标，有相对凸性或凹性。该值降低提示骨小梁由杆状向板状变化，发生骨质疏松时Tb.Pf增加，即骨小梁从板状变为杆状结构模式指数SMI--描述小梁结构组成结构中板层结构和杆状结构比例的参数。如果结构中骨小梁主要为板层结构，那么SMI接近于0；反之，如果主要是杆状骨小梁，SMI则接近3各向异性程度DA--用于评价骨小梁的方向性和对称性骨小梁连通性Connectivity--表示感兴趣区域内骨小梁网状结构之间的连接数量骨小梁连接密度Conn.D1/mm3表示每立方毫米体积中骨小梁网状结构之间的连接数量分形维数FD--用于评价骨小梁的不规则度和复杂度表2、骨小梁分析参数表6/72.2皮质骨分析及相关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。图2、平生公司的NEMO®MicroCT扫描下的皮质骨对比（左图紫色部分：正常大鼠股骨皮质骨；右图紫色部分：骨质疏松大鼠股骨皮质骨）除了通用的参数计算外，皮质骨分析中还可以获得如下指标：皮质骨总面积（Tt.Ar）、皮质骨面积（Ct.Ar）、皮质骨厚度（Ct.Th）和骨髓腔面积（Ma.Ar）。皮质骨总面积（Tt.Ar）的增大表示骨形成的增加；皮质骨面积（Ct.Ar）能综合反映内外骨表面的变化；骨髓腔面积（Ma.Ar）能反映骨内膜骨吸收的情况错误!未找到引用源。。指标名称简写单位解释及意义BA7/7皮质骨参数皮质骨总面积Tt.Armm2为皮质骨横断面的总面积皮质骨面积Ct.Armm2为皮质骨横断面的平均截面积皮质骨厚度Ct.Thμm感兴趣区域皮质骨的平均厚度皮质骨面积和总面积的比值Ct.Ar/Tt.Ar%表示皮质骨横断面的平均截面积和总面积的比值骨髓腔面积Ma.Armm2表示骨髓腔在中段骨横截面骨组织中的平均截面积表3、皮质骨分析参数表三、总结在骨组织研究领域，MicroCT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，MicroCT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。