人体颈椎松质骨显微结构和力学性能的区域性差异研究

李天清 王军 冯亚非 张扬 马真胜 严亚波 雷伟

第四军医大学第一附属医院骨科，陕西 西安 710032

随着显微成像技术(包括μCT，μMRI)广泛应用于实验研究和临床初期研究，研究者们已经能够获得骨骼的微观三维空间结构。通过μCT采集后的数据，可以保存为标准的医学数字通信图像格式(the digital imaging and communications in medicine，DICOM)。图像为断层图像格式，层与层之间间隔一定距离(层距)。通过阈值分割，提取出μCT图像中的骨骼部分。计算松质骨的结构学指标。传统的参数评价方法主要评估：骨体积分数(BV/TV)，骨表面积体积比(BS/BV)，骨小梁平均宽度(Tb.Th)，骨小梁数量(Tb.N)，骨小梁平均间隙(Tb.Sp)等。显微CT(micro computer tomography，μCT)扫描结合显微有限元(large-scale finite element, LSFE)模型是一种无创的在体检测骨生物力学特性的手段[1]，可以用来辅助骨质疏松骨折风险预测和评价药物治疗效果。然而，目前关于准确测量松质骨的结构参数和在临床实践中应用结构参数的研究很少。本研究的目的是探讨人体脊柱松质骨骨骼显微结构和力学性能的区域性差异。

本研究采集了6具人体颈椎椎体松质骨标本，进行显微CT扫描后，应用结构参数测量、显微有限元分析、力学参数计算方法，研究人椎体内解剖部位对于结构参数和力学参数测量结果的影响。

1 材料和方法

1.1 标本制备

采集6个人颈椎C5椎体标本(表1)。标本来自第四军医大学解剖学教研室。在进行μCT扫描前，通过对标本进行筛查排除可能的代谢性骨病、骨肿瘤。拍摄X线平片，以确保没有骨骼损坏或者其他骨病。应用口腔锯切除侧块和后方结构(包括椎弓根、横突、后弓、棘突，图1)。

表1 标本年龄和性别Table 1 The age and sex of the specimen

图1 椎体分离过程 Fig.1 The separation process of vertebral bodyA.颈椎椎体的分离；B.第五颈椎；C和D:切除后方结构的示意图。

1.2 μCT扫描

椎体放置在圆形的扫描杯中，周围用泡沫塑料填充，以防止在扫描过程中标本移动。在第四军医大学西京医院全军骨科研究所，应用临床前圆锥光束CT扫描仪(Healthcare Explore Locus, GE Medical Systems, Milwaukee, USA)进行μCT扫描。该μCT是一个基于CCD的摄像头，通过固定的角速度采集平片图像。其旋转角度因扫描方式的不同而变化，一般为180°到360°。扫描仪的视窗为一个边长为4 cm的立方体。调整标本在扫描仪中的位置，确保整个标本落入视窗范围内。扫描参数包括：①球管电压为80 kV；②电流为250 μA；③快门速度为2500 ms；④重建因子为2；⑤旋转角度为180°。在进行滤波和空气校正后，应用滤波反向投影算法进行重建，重建结果为立体分辨率为42 μm的图像。

图2 μCT扫描后选择ROI并进行三维重建Fig.2 ROI selection and three-dimensional reconstruction after CT scanA.μCT下椎体的矢状位切片；B.ROI；C和D.ROI的三维重建图

1.3 椎体子区域提取结构参数

对扫描所得的μCT图像进行三维重建后，每个椎体的几何结构被划分为12个边长为4.6 mm的立方体子域。每个椎体子域的编号方法如图3所示。依据位置的不同，12个子域被划分为6个不同的位置组，每个位置组中包含不同的子域。6个位置组包括外侧子域组(包括5、6、11、12子域)，内侧子域组(包括1、2、3、4、7、8、9、10子域)，腹侧子域组(包括1、3、7、9子域)，背侧子域组(包括2、4、5、6、8、10、11、12子域)，头侧子域组(包括1、2、3、4、5、6子域)，尾侧子域组(包括7、8、9、10、11、12子域)。

在图像处理领域，Nyquist采样率规定了图像样本的最低空间采样率。依据Nyquist采样率法则，样本体积至少是所要采取的目标样本的最小特征的2倍。在松质骨，骨骼的最小特征是由两个结构参数来表达的，包括模型的骨小梁厚度和骨小梁分割度(Tb.Th和Tb.Sp)，因此子域的最小尺寸应该是2倍的Tb.Th+Tb.Sp长度。依据Hildebrand等的研究结果，Tb.Th和Tb.Sp的平均值分别为0.3 mm和0.8 mm。因此，在本研究中，扫描分辨率42 μm时，子域的一边长度包括110个体素(对应为4.6 mm)，大约包含4个Tb.Th和Tb.Sp。

1.4 结构参数和个体化骨小梁分割方法

松质骨标本的结构参数包括骨体积分数BV/TV、骨表面积体积比(BS/BV)、骨小梁数目(Tb.N)、骨小梁厚度(Tb.Th)、骨小梁分离度(Tb.Sp)，在本试验中应用μCT自带的软件MicroView (Healthcare Explore Locus, GE Medical Systems, Milwaukee, USA)来测量这些标准参数。

个体化骨小梁分割方法(individual trabeculae segmentation, ITS)是用来从μCT扫描得到的三维图像中提取出单个骨小梁，分析不同的骨小梁结构类型(板状或者杆状)对整个组织结构的贡献。在松质骨中，板状骨小梁和杆状骨小梁是决定松质骨力学特点的两种重要的显微结构特征。ITS方法可以用来评价子域中的骨小梁方向和结构特点。ITS方法最早由哥伦比亚大学的Liu等[2]提出，在本研究中，我们用17个松质骨结构参数来评价每个子域的骨小梁结构。子域的骨骼分割方法应用大津法[3]所获得全局阈值。如前所述，大津法是目前最成熟、应用最广的图像分割方法。在图像提取完后，应用ITS方法(ITS, Columbia University, Milwaukee, USA)计算子域的结构参数。本方法中，关于每个参数的计算方法见表2。

图3 颈椎椎体子域编号方法Fig.3 Regional numbers of the cervical vertebral bone

1.5 显微有限元模型计算的正交各向异性的弹性模量

应用Simpleware(Simpleware Ltd., Exter, UK)软件将子域的每个体素直接转化为8节点6面体单元。设置松质骨的组织属性是各项同性的，线性弹性材料，其弹性模量为15GPa，泊松比为0.3.应用ANSYS(ANSYS Inc., Canonsburg, PA, USA)软件中的预设共轭梯度求解器(preconditioned conjugate gradient solver, PCG)求解。每个模型进行6次仿真计算，沿着3个正交轴(x轴, y轴和z轴)模拟3个轴向压缩实验和3个剪切试验。从模拟压缩试验中，可以得到一般各向异性材料的刚度矩阵，然后通过优化方法来计算材料的最佳正交轴。通过将各向异性刚度矩阵转换一定的角度获得正交矩阵。整理弹性模量和刚度矩阵，在本研究中，Eyy代表最低轴向模量的方向，Ezz代表最高轴向模量的方向。然后从正交矩阵中，计算出正交弹性张量的3个弹性模量(Eyy，Exx，Ezz)和3个剪切模量(Gxy,Gxz,Gyz)。

表2 ITS方法计算的17个结构参数的描述和算法Table 2 Characterizations of the 17 parameters calculated with ITS method

1.6 统计学处理

应用配对t检验比较结构参数和松质骨的表观刚度在不同部位的差异，以P<0.05为差异有显著统计学意义。

2 结果

从表3 来看，腹侧和背侧的结构参数仅有rBV/TV、R-R junc、tBV/TV存在差异，外侧和内侧的结构参数仅有pTb.Th、rTb.Th、P-P Junc、R-P Junc、lBV/TV不存在差异，头侧和尾侧的结构参数均存在明显差异。代表骨质增多的指标，在尾侧均大于头侧，比如BV/TV、rBV/TV、pBV/TV、Tb.Th、Tb.N。

从表4来看，腹侧和背侧的表观弹性模量没有差异，表观剪切模量存在差异；外侧和内侧的表观弹性模量在非主方向上存在显著差异，在主方向上无显著差异，表观剪切模量无显著差异；头侧和尾侧的表观弹性模量在主方向上存在显著差异。

表3 颈椎椎体松质骨不同解剖部位的结构参数及差异Table 3 Microarchitectural parameters of different anatomical regions in the cervical vertebral bone

表4 不同解剖部位的表观弹性模量及差异Table 4 Apparent elastic modulus values of different anatomical regions in the cervical vertebral bone

3 讨论

在本研究中，我们探讨了在人体椎体松质骨中，结构参数和表观强度在不同解剖部位的差异。发现这些指标均在头侧和尾侧有显著性差异。说明结构参数和表观强度在人体脊柱的椎体松质骨存在显著的区域性差异。而常规的文献报道只是模糊的报道了某个解剖部位的μCT研究。在本研究中，应用显微CT研究了常规的5个结构参数和17个应用ITS方法测量的特殊结构参数在人体颈椎不同解剖部位的差异。我们主要的结果是：①在颈椎椎体松质骨，头侧和尾侧的结构参数均存在显著差异，其余部位的结构参数无显著差异。②在颈椎椎体松质骨，头侧和尾侧的表观弹性模量在主方向上存在显著差异；此外外侧和内侧的表观弹性模量在非主方向上存在显著差异，在主方向上无显著差异，表观剪切模量无显著差异。

本研究中观察到，头侧和尾侧的结构参数和力学参数的区别均有统计学意义。头-尾方向是椎体松质骨承受载荷的主要方向[4]。也是骨小梁分布的主要方向。在椎体的头侧或者尾侧采样会导致测量结果的显著不同。这个差异在临床应用中具有实际的指导意义，提示在影像学检查或者活检采样中应该尽量采集沿头-尾侧长度的样本。如果采集的样本尺寸过小，不能同时覆盖头侧和尾侧的组织，可能会带来较大的采样误差。

对这种区域性差异的一种合理的解释就是局部的生物力学环境的不同。尤其是对于椎体松质骨部分。在日程生活中，人体无论在运动或者静止的状态下，负载主要沿着椎体部分垂直传播。因此，越靠近尾侧的松质骨，承受的压力负载越大。依据Wolff定律：骨质量和结构总是适应力学载荷的形式[5]。此外，骨小梁的结构参数与组织水平的力学属性相一致[6]。因为椎体的骨小梁部分大约承受60%的轴向载荷，骨小梁结构也与周围的局部环境相适应。事实上，在尾侧区域的骨小梁的厚度更大，其孔隙率更小，密度更大，各向异性更大。这个研究结果也与腰椎的研究结果相似[7]。

与一般的总体的显微结构研究相比，关于显微结构区域性差异的分析也具有重要的应用价值。例如，在典型的椎体轴向暴力导致的爆裂性骨折中，应力沿着椎体向下传递，从而导致在椎体的薄弱部位产生高的应变能密度[8]。这个与本研究显微结构的研究结果相吻合。尤其对于老年女性，骨折多发生于骨骼结构比较薄弱的部位[9]。局部骨骼属性的区域差异性分析结合动力学分析，可以为骨折的预防方法提供重要参考。

本研究表明骨骼结构在空间上不是均匀分布的。在尾侧有较优的结构参数和较高的弹性模量。随着年龄的增大，松质骨结构逐渐疏松，这种差异会变得更加明显。这种情况在绝经后的女性可能更加严重，因为雌激素水平的降低会导致骨量丢失，反映在μCT上就是BV/TV、 Tb.Th和Tb.N的降低和Tb.Sp的增高[10]。我们的研究结果与之前Ito等[11]发表的动物实验的研究结果一致。

本研究的局限性在于对子域的划分具有随意性。但是，由于人体的椎体松质骨是正交各向异性的，因此这个划分方法与解剖系统和人体的载荷方位相一致。测量的部位从椎体的核心向周围扩展，这么做的主要目的是尽量选择松质骨而不会接触到皮质骨壳而造成误差。我们下一步的研究希望能够建立一个松质骨结构参数和力学参数之间的关系，并研究这个关系的区域性差异，为临床诊断和活检提供进一步参考。