CT分辨率对腰椎松质骨显微结构和力学参数评估的影响

摘要

骨质疏松症（osteoporosis，OP）是“以骨量减少，骨小梁变细、断裂、数量减少，皮质骨多孔、变薄为特征，以致骨的脆性增高及骨折危险性增加的一种全身性骨病”。如何及时准确地发现人椎体骨显微结构及力学参数的改变，对骨折风险评估并指导临床骨折发生的预防十分重要。椎体骨强度受到骨几何结构、皮质骨的致密度、松质骨的显微结构、骨组织的固有属性等多因素的影响，其中决定椎体骨强度的最主要因素是松质骨的显微结构。骨强度测量的金标准是骨标本的体外力学实验，由于临床上不能对患者骨骼进行在体的力学实验，只能基于骨结构的高分辨图像建立有限元模型来无创的评估骨的表观刚度和表观强度。因此，随着拥有超高分辨率的实验室显微CT发展，众多学者开始深入研究如何利用松质骨的显微结构参数实现对表观力学属性的预测。
　　已有研究发现，CT得出的结构参数对分辨率有强烈的依赖性。由于部分容积效应的影响，较低的分辨率在计算显微结构时会出现较大的误差。但基于临床实际工作中的限制，分析高分辨率图像存在耗时长，射线剂量高，处理步骤繁琐等诸多问题。我们推测，在理论上存在一个临界分辨率，采用该临界分辨率，既能提高运算效率、降低射线暴露计量，又不降低椎体显微结构和力学参数评估的准确性。
　　研究目的：
　　探索不同CT分辨率对腰椎松质骨显微结构和生物力学参数评估的影响，寻找平衡CT射线辐射剂量、计算机运算效率和评估准确性的最优分辨率值，促进高分辨率CT成像设备的临床应用，提高临床评估效率。
　　研究方法：
　　采集6具新鲜尸体腰椎标本（L5），设定显微CT扫描分辨率为14μm，通过扫描得到人体腰椎L5椎体标本松质骨显微CT数据，通过合并像素点将显微CT分辨率降低至28μm~224μm等15个不同分辨率，分别测量不同分辨率下，松质骨标本的结构参数；利用不同分辨率下的松质骨CT数据建立显微有限元模型，计算各正交异性的弹性模量，应用统计学分析比较结构参数和力学参数在不同分辨率下的差异。
　　研究结果：
　　1．各显微结构参数与分辨率间相关性不尽相同：（1）BV/TV（骨体积分数）和Tb.Th（平均骨小梁厚度）的数值大小随着分辨率的降低呈增高趋势，分别在56μm（P=0.014）和84μm（P=0.003）处开始与对照组产生显著性差异。（2）BS/BV（骨表面积体积比），Conn.D（骨小梁连接度），Tb.Sp（平均骨小梁间距）和Tb.N（平均骨小梁密度）随着分辨率的降低呈降低趋势，分别在42μm（P=0.031）、112μm（P=0.001）、126μm（P=0.028）、154μm（P=0.043）处开始与对照组产生显著性差异。（3）分辨率的改变对SMI（结构模型指数）和DA（骨小梁各向异性度）没有显著影响。
　　2．在三个正交轴向，弹性模量均随分辨率的降低呈增高趋势，当分辨率大于126μm时，该分辨率下的弹性模量和对照组存在显著性差异（P<0.05）。
　　研究结论：
　　不同分辨率对显微 CT测量腰椎松质骨显微结构参数和显微有限元分析测试生物力学参数有显著影响。采用相对较低分辨率（不低于126μm），既可以提高运算效率、降低射线暴露剂量，又不降低测量准确性，有助于促进高分辨率CT成像设备的临床应用，提高临床腰椎松质骨显微结构和力学参数测量效率。

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前言

文献回顾

1．骨质疏松研究背景

1.1 骨质疏松定义

1.2 中国骨质疏松现状

1.3 骨折风险的评估

2．松质骨结构模型研究

2.1 松质骨胞元及理想化规则胞元模型

2.2 松质骨图像扫描模型

2.3 动物模型研究

2.4 临床研究

第一部分 CT分辨率对腰椎松质骨结构参数评估的影响

1 目的

2 材料方法

2.1 标本的制备

2.2 显微CT扫描

2.3 结构参数测定

2.4 统计分析和数据拟合

3 结果

3.1 CT分辨率对SMI、DA评估的影响

3.2 CT分辨率对BV/TV、Tb.Th评估的影响

3.3 CT分辨率对BS/BV、Conn.D、Tb.Sp和Tb.N评估的影响

4 讨论

4.1 显微CT与松质骨结构参数评估

4.2 骨显微结构参数评估与分辨率间关系

5 结论

第二部分 CT分辨率对腰椎松质骨显微有限元模型生物力学性能评估的影响

1 目的

2 材料与方法

2.1 标本制备

2.2 显微CT扫描

2.3 显微有限元模型测试弹性模量1) 数字图像导出

2.4 数据处理和统计学分析

3 结果

4 讨论

4.1骨生物力学性能评估

4.2 CT分辨率对松质骨生物力学评估的影响

5 结论

小结

参考文献

个人简历和研究成果

致谢