Micro-CT是一種結合了影像學檢查無創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，Micro-CT特別適合骨骼成像，因此骨骼參數的研究也是MicroCT的重要應用領域之一。在小動物和大型動物離體標本的研究領域中，micro-CT已經成為評價骨形態和骨微結構的“金標準”。目前，Micro-CT在骨科研究中應用廣泛，例如對指定骨組織進行定量骨密度分析等。

 

 

在本篇文章中，我們將和大家介紹一些在Micro-CT骨分析應用中常見的參數，分享一些 Hiscan Micro-CT在骨研究分析中的應用案例。

 

 

 

骨由骨質、骨膜、骨髓、骨的血管、淋巴管和神經構成。在Micro-CT中，可對骨質部分進行深入的形態學分析和研究。骨質分密質和松質：骨密質分布于骨的表面，也稱皮質骨；骨松質由骨小梁排列而成，分布于骨的內部，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域，從而對皮質骨和松質骨（骨小梁）的各種形態學特性進行研究和分析，得到表征骨骼生長和發育水平的參數。

 

 

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，在骨髓腔中呈不規則立體網狀結構，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架結構，按應力曲線規律性排列，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。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[3]。

 

 

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，皮質骨的參數分析也有利于全面地了解骨生長和骨疾病中的情況。

 

 

Hiscan XM Micro-CT System是一款集離體掃描和活體掃描于一體的Micro-CT。最高分辨率可達4um。最大掃描范圍可達到75mm*210mm。使用海斯菲德圖像處理分析軟件Hiscan Analyzer，可對不同部位的骨掃描結果進行可視化骨參數分析。

 

 

▲圖1 小鼠股骨頭掃描分析圖

  60kv，130uA，10um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

在本公司的Hiscan XM Micro-CT掃描下的正常大鼠的股骨頭與骨質疏松的大鼠的股骨頭的對比。

 

▲圖2 正常大鼠股骨頭掃描分析圖

  80kv，100uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

▲圖3 骨質疏松大鼠股骨頭掃描圖

  80kv，100uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

在本公司的Hiscan XM Micro-CT掃描下的正常人體的松質骨與骨質疏松的人體的松質骨的對比。

 

▲圖4 正常人體股骨頭掃描分析示意圖

  60kv，134uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

▲圖5 骨質疏松的人體股骨頭掃描分析示意圖

  60kv，134uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

通過Hiscan XM Micor-CT對小鼠關節進行掃描，通過三維重建圖可以明顯觀察到關節炎引起的骨損傷，結合分析軟件可以定量分析其骨表面積與骨體積比值（BS/BV）和骨礦物質密度（BMD）。

 

▲圖6 正常大鼠股骨頭掃描分析示意圖

  60kv，134uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT 

 

選擇特定的ROI區域，分析不同疾病類型對骨密度及骨小梁結構參數的影響。

 

▲圖7 人體樞椎三維重建圖

  80kv，100uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

▲圖8 人體寰椎三維重建示意圖

  80kv，100uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

通過Hiscan XM Micor-CT先后對顱骨缺損修復實驗中的大鼠顱腦進行掃描，通過三維重建圖可以明顯觀察到一個月后的修復情況，結合分析軟件可以定量分析其骨表面積（BS）、骨體積（BV）和骨礦物質密度（BMD）的變化。

 

▲圖9 大鼠顱骨損傷修復前后三維重建分析圖

  60kv，130uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

在大鼠的跟腱部位植入骨骼生長材料，通過Hiscan XM Micro-CT進行三維重建可以觀察一段時間的大鼠的跟腱部位出現骨化現象的發展情況。通過分析軟件可以定量得到骨化部位骨密度（BMD）和骨體積（BV）的變化情況。

 

▲圖10 大鼠跟腱骨化實驗三維重建分析圖

  60kv，130uA，50um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

 

▲圖11 鈦合金植入

  90kv，90uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

▲圖12 鈦合金植入

  90kv，90uA，25um分辨率，Hiscan XM Micro-CT  

 

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量性指標及微細改變，可用于指導組織工程、基因工程等科學研究，已逐漸發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展機遇。

 

[1] 王云釗等.骨關節影像學（第2版）.科學出版社,2010.7

[2] Micro-CT在骨代謝研究中骨微結構指標的解讀及應用價值.中華骨質疏松和骨礦鹽疾病雜志[J], 2018(2): 200-205;

[3] 裴葆青;王田苗;王軍強. 松質骨微觀骨小梁結構的生物力學綜合分析. 北京航空航天大學學報[J], 2008(02): 215-218.