基于显微CT成像技术的单独骨小梁分割法在人体骨质疏松症和骨关节炎中应用研究

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目的：骨微观结构中杆状骨小梁和板状骨小梁形态改变和相互之间的连接方式决定了松质骨的微观结构特征和生物力学特性。骨重建过程中一旦发生失调，骨微观结构和力学性能就会改变，进而引发相应的骨疾病，如骨性关节炎和骨质疏松症等。因此发现骨微观结构和力学性能的变化特征，对骨疾病的发病机制和临床上早期诊断及治疗都能提供理论支持。目前世界上已经开发了几种不同的成像方法能够在3D下展现骨微观结构，如显微CT(μCT)和高分辨外周定量CT (HR-pQCT)。但是μCT和HR-pQCT自带的图像分析软件无法分析板状骨小梁和杆状骨小梁微观结构特性。传统的松质骨微观结构评价方法主要在模型依赖方法中获得微观结构参数。单独小梁分割技术(I TS)将骨三维连接网络结构分割成单个的板状骨小梁和杆状骨小梁。该技术完全量化了板-杆骨小梁相关的微观结构特征。ITS技术被应用于计算评价板和杆状骨小梁相关的微观结构参数。本研究将单独骨小梁分割法应用到骨科常见疾病骨性关节炎和骨质疏松症中。（1）利用ITS和显微有限元（μFE）分析我国女性群体中桡骨远端和胫骨远端的骨微结构和力学特性与年龄相关的变化，为中国女性群体ITS各参数建立正常参考范围，并分析各参数变化的影响因素。（2）使用ITS分析骨关节炎软骨下骨板-杆骨小梁微观结构的变化，探究板-杆骨小梁微观结构改变在骨关节炎起始和发展中作用。（3）使用ITS技术分析髋关节OA和OP软骨下骨板状-杆状微观结构差异，探求各自发病机理。方法:（1）在361名年龄在20-89岁的中国女性的横断面数据，利用ITS和μFE分析获得了桡骨远端和胫骨的骨微结构和有限元素骨强度与年龄相关变化。观察以下参数指标：骨体积分(BV/TV)、板状骨小梁骨体积分数(pBV/TV)、杆状骨小梁骨体积分数(rBV/TV)、板状骨小梁与杆状骨小梁比率(P-R Ratio)、板状骨小梁数量(pTb.N)、杆状骨小梁数量(rTb.N)、板状骨小梁厚度(pTb.Th)、杆状骨小梁厚度(rTb.Th)、杆-杆骨小梁连接密度(R-R Junc.D)、板-板骨小梁连接密度(R-P Junc.D)、板-板骨小梁连接密度(P-P Junc.D)、总骨组织刚度（wholebonestiffness）、破坏载荷（estimatedfailure load）和松质骨刚度（trabecular stiffness）。（2）实验组收集行膝关节置换手术OA患者的胫骨平台，收集健康捐献者胫骨平台标本作为对照。OA和对照组胫骨平台先进行μCT扫描。依据软骨破坏程度，选取胫骨平台3个区域（内侧软骨剥脱区，内侧软骨破坏区，外侧软骨完整区）进行ITS分析。然后胫骨平台进行组织学和免疫组织化学染色。使用番红固绿染色，OARSI-Modified Manking评分检测关节软骨退变情况。采用免疫组化分别对比软骨下骨中 TGF-β1，Osteocalcin， Osterix 的表达量。（3）收集60例绝经后妇女行髋关节骨置换术后股骨头，30例OA， 30例OP 。所有标本先进行μCT扫描。沿股骨头应力方向获取软骨下骨和深层松质骨图像。使用ITS技术分析软骨下骨和深层松质骨中杆状-板状骨小梁微观结构参数。结果：（1）在桡骨和胫骨远端，BV/TV、pBV/TV、rBV/TV、P-R Ratio、pTb.N、rTb.N、R-R Junc.D、R-P Junc.D、P-P Junc.D、wholebonestiffnesstrabecularstiffness、estimated failure load均发现与年龄呈显著负相关(所有p<0.001)。在桡骨远端20-89岁年龄相关变化最大的为trabecular stiffness（80.229%），其余参数依次为pBV/TV（72.441%）、wholebonestiffness（68.073%）、P-PJunc.D（67.779%）、estimated failure load（66.244%）、R-PJunc.D（62.563%）、BV/TV（56.350%）、rBV/TV（44.368%）、P-R Ratio（41.895%）、R-R Junc.D（39.007%）、pTb.N（29.438%）、rTb.N（17.074%）、rTb.Th（5.559%）。在胫骨远端20-89岁年龄相关变化最大的为whole bone stiffness（50.210%），其余参数依次为estimated failure load（50.015%）、P-P Junc.D（49.867%）、pBV/TV（49.134%）、trabecular stiffness（48.662%）、R-P Junc.D（46.173%）、aBV/TV（45.625%）、BV/TV （42.521%）、R-RJunc.D（37.986%）、rBV/TV（32.976%）、P-R Ratio（23.879%）、pTb.N（19.611%）、rTb.N（14.960%）。（2）在内侧软骨剥脱区和内侧软骨破坏区， OARSI评分,BV/TV, Modulus, P-R ratio, pBV/TV, pTb.Th, pTb.N, rBV/TV, rTb.Th, rTb.N较对照组明显增高（所有p<0.05)。在外侧软骨完整区，rTb.N较对照明显减少（p=0.013），而pTb.Th较对照组明显增高（p=0.028）。免疫组化显示关节软骨破坏的区域相比于关节软骨完整的区域，TGF-β1，Osteocalcin，Osterix 软骨下骨中表达量更高(所有p<0.01)。（3）在OA中，软骨下骨与深层松质骨相比BV/TV, pBV/TV, rBV/TV, P-R Ratio,pTb.N,rTb.N,R-R Junc.D,R-P Junc.D,P-P Junc.D, Modulus都明显增高（所有p<0.05）。在OP中，软骨下骨与深层松质骨相比BV/TV,pBV/TV,rBV/TV,P-R Ratio, pTb.N,rTb.N,R-R Junc.D,R-P Junc.D,P-P Junc.D, Modulus都无明显差异。OA病人软骨下骨与OP病人软骨下骨相比，BV/TV,pBV/TV,rBV/TV,P-R Ratio,pTb.N,rTb.N, R-R Junc.D,R-P Junc.D,P-P Junc.D, Modulus都明显增高（所有p<0.05）。结论：（1）松质骨丢失在青年期已经很明显，并在整个生命中持续。ITS技术为中国女性年龄相关骨微观结构变化提供了更加详尽的参考范围，对骨质疏松症的早期诊断和预防有着重大的意义。（2）软骨下小梁骨的杆状-板状微观结构变化在骨关节炎的发展中起着重要的作用，先进的骨微观结构分析技ITS可在OA早期发现这些细微的变化。（3）不同的骨微观结构导致了OA和OP松质骨之间的力学性能差异。

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作者
张振东;
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作者单位

新疆医科大学;

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授予单位新疆医科大学;
学科外科学(骨外)
授予学位博士
导师姓名曹力;
年度 2018
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正文语种中文
中图分类计算技术、计算机技术;
关键词
显微; 成像技术; 骨小梁; 分割法; 人体; 骨质疏松症; 骨关节炎;

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