Micro CT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Micro CT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。
在前面的文章里，我们分享了Micro CT在骨分析中的一些案例，今天再和大家介绍一下Micro CT中的骨分析参数。

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Micro CT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。[1]
借助影像处理软件，可在Micro CT的扫描成像图上选择感兴趣区域（region of interest，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）。

表1、 通用骨分析参数表

指标名称	简写	单位	解释及意义
通用参数	骨表面积	BS	mm2	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	TV	mm3	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	BV	mm3	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/BV	1/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/TV	1/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	BMC	mg	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	BMD	g/cm3	表示感兴趣区域骨组织中，骨矿物密度的多少

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Micro CT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，Tissue Mineral Density）或骨矿物质密度（BMD，Bone Mineral Density）。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，Micro CT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[2]。

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[3]。因此，对于骨小梁的微结构分析在骨分析中是非常重要的。Micro CT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。）

骨小梁模式因子（Tb.Pf）、各向异性程度（degree of anisotropy，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Micro CT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。

图1、平生公司NEMO®Micro CT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）

表2、骨小梁分析参数表

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.N	1/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.Th	μm	表示骨小梁平均厚度
骨小梁分离度	Tb.Sp	μm	表示骨小梁之间髓腔平均宽度
骨小梁模式因子	Tb.Pf	1/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.D	1/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

2.2 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® Micro CT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[4]。

表3、皮质骨分析参数表

指标名称	简写	单位	解释及意义
皮质骨参数	皮质骨总面积	Tt.Ar	mm2	为皮质骨横断面的总面积
皮质骨面积	Ct.Ar	mm2	为皮质骨横断面的平均截面积
皮质骨厚度	Ct.Th	μm	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.Ar	mm2	表示骨髓腔在中段骨横截面骨组织中的平均截面积

三、总结

在骨组织研究领域，Micro CT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，Micro CT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。
 
注：

• 王云钊等.骨关节影像学（第2版）.科学出版社,2010.7

• 魏占英,章振林. Micro-CT在骨代谢研究中骨微结构指标的解读及应用价值.中华骨质疏松和骨矿盐疾病杂志[J], 2018(2): 200-205;

• 裴葆青;王田苗;王军强. 松质骨微观骨小梁结构的生物力学综合分析. 北京航空航天大学学报[J], 2008(02): 215-218.

• [4]. 骨形态计量学目前应用专家共识. 中国骨质疏松杂志. 2014, 20(9): 1031-1038.