显微CT与组织切片技术在骨形态计量研究中的比较

1、显微CT与组织切片技术在骨形态计量研究中的比较<                   作者：王军，毕龙，白建萍，吕荣，杨彬奎【摘要】   目的通过比较显微CT技术与 组织 切片技术在骨形态计量分析中的差异，探讨显微CT在骨形态三维结构研究方面的技术优势。方法分别 应用 显微CT和组织切片技术分析不同类型的骨组织标本，并从标本处理、表达形式与测试指标等方面比较两者的差异。结果显微CT在反映骨组织三维结构

2、特征和对骨组织“量”与“质”变化的精确测量方面明显优于组织切片技术;而组织切片技术对反映标本局部的细胞形态和生长发育变化等方面则更具优势。结论显微CT技术在标本处理、表达形式两方面均提供了全新的测试手段，通过结合组织切片技术能够更加理想地反映骨组织形态和结构的特点。 【关键词】   骨形态计量; 显微CT; 组织切片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)与“质”(Quality)分别反映了骨的数量或容积以及微结构、骨胶原、骨基质矿化、微骨折发生和修复能力等方面的特征。传统骨形态计量手段主要以二维的骨切片显微图像为分析对象，侧重于骨“量”方面的研究，而骨体积中的三维骨量参数和部分二维结构参数主要是根据体视学原理，推导获得2。由于受二维平面及生物标本非均匀性影响，骨“质”的体素结构形态、密度分布、方向分布及功能力学特征等分析则比较困难。显微CT技术以体素为测试单元，在微米级高清晰的扫描重建骨小梁立体结构，除能精确计量标本整体骨量参数外，还能测试大量骨结构参数，为骨组织“量”与“质”两方面均提供了全新的测试方法与手段2。本实验通过对不同类型骨

7、组织标本的显微CT扫描分析，比较与传统组织切片计量方式的差异，探讨显微CT在骨形态三维结构方面的技术特长，为骨形态计量研究提供更为精确和完善的技术方法。 1 材料与方法 显微CT选用美国通用公司GE Healthcare Locus SP显微CT，分析处理 软件 为Micview三维重建处理软件及ABA专用骨骼分析软件，扫描分辨率根据不同动物骨小梁大小选择6.540 m。扫描标本为骨科动物实验常用的裸鼠、小鼠、大鼠、兔、犬、羊胫骨和股骨标本，部分含金属植入物的骨标本以及不同生物材料体内成骨标本。首先观察显微CT不同分辨率扫描协议对不同动物标本、不同处理方式标本、不同材料标本形态计量的适应性，然

8、后以显微CT骨形态分析指标测试上述标本骨量、骨密度、骨形态几何指标以及骨小梁结构指数、骨小梁各向异性等骨质结构指标，最后将所测参数结果与传统二维组织切片进行相关比较。 2 结果 2.1 显微CT对不同动物、不同处理方式骨标本的适应性不同动物标本扫描重建后显示：裸鼠腰椎骨小梁形态只能用6.5 m最高分辨率扫描，细微结构有少量丢失，但仍能满足基本测试分析;810 m的高分辨扫描协议可满足小鼠骨小梁形态表达，基本无丢失;1015 m分辨扫描则有部分骨量丢失，但可完整表达体积大于大鼠的大动物骨小梁形态;2140 m扫描模式只适用于兔以上的大动物标本(见表1，图13)。表1 不同动物骨组织适应的扫描分辨

9、率2.2 显微CT对不同种类骨标本扫描、重建的结果观察显微CT可清晰观察支架材料的三维微结构，对比不同组成材料含量、密度、孔径、孔内连通径、孔隙率等多种指标(图4)。并可采用密度与空间配合分割方法，分别测量不同时期材料的降解与新生骨小梁生长状况(图5)。显微CT可观察主要动脉三维走向及连续性，应用骨形态计量的部分参数，可测试不同直径动脉的多少与分布(图7a、b)。牙釉质、牙本质及牙根管经显微CT扫描重建显示，三者分别具有很强的CT梯度值差，分割良好，形态及密度计量较为便利(图8)。显微CT可以重建软骨层面，并与面下骨小梁结构重叠构建，观察测量软骨体积、层厚及密度指标，但无法观测片切影像中所表达

10、的软骨细胞静止、增殖、成熟、破裂状况(图9)。2.3 显微CT与病理切片骨形态计量测试比较与二维病理切片骨形态计量参数相比，显微CT骨分析系统提供了6类更丰富的三维结构指标。将CT数据转换为标准Hounsfield Units后，可以准确定量(见表2)。显微CT骨体积分数(BVF)结果与二维切片结果正相关，骨矿物质密度(BMD)、骨矿物质含量(BMC)结果与双能X线骨密度仪正相关。基于Locus SP特有的组织骨密度(TMD)、组织矿含量(TMC)与骨灰重量极为相近(R2>0.98)，TMD、TMC指标由于直接分割出目标区的骨小梁，而不包括非骨骼部分的体素，因此在测试骨小梁早期细小变化时具有更强的敏感度。 图7a显微CT从去基因小鼠头部重建结果 图7b中分割出脑动脉血管结构 图8牙体釉质、本质及根管三维重建效果 图9