基于X线同步辐射吸收CT和X线相衬CT牙周炎大鼠模型离体上颌骨成像

2020-06-02杨婷婷赵雨晴吕文娟刘大勇辛晓红胡春红

中国医学影像技术 2020年5期

杨婷婷，赵雨晴，吕文娟，刘大勇，辛晓红，胡春红*

(1.天津医科大学生物医学工程与技术学院，天津 300070；2.天津医科大学口腔医学院牙体牙髓科，天津 300070)

牙周炎是牙周支持组织的慢性炎症，发展过程中破坏牙周组织，牙槽骨发生病变性吸收[1]，最终导致牙齿松动和掉落[2]。早期准确评估牙周炎至关重要。釉牙骨质界到牙槽嵴顶距离(cemento-enamel junction-alveolar bone crest, CEJ-ABC)是评估牙槽骨丧失量和牙周炎发展程度的重要指标之一。现有研究多基于曲面体层片[3]、锥束计算机断层成像(cone-beam computed tomography, CBCT)[4]和显微CT(micro-CT, μCT)[5]评估CEJ-ABC。曲面体层片存在过高可能，基于吸收衰减成像机制的CBCT和μCT对于牙槽骨成像而言空间分辨率和成像衬度不足，难以清晰显示其内部微观结构，尤其牙龈等软组织。X射线相衬CT(X-ray phase-contrast CT, PCCT)是基于X射线穿过样品时相位变化而产生图像衬度的新成像技术，具有更高空间及衬度分辨率的优势[6]，常用于对样品内部微观结构进行成像，且能解决生物软组织微观成像问题[7]。此外，通过调整样品与探测器间的距离(sample-detector distance, SDD)，基于PCCT系统能实现X线吸收衬度CT成像(X-ray absorption-contrast CT, ACCT)。研究[8-10]表明PCCT对于软、硬组织结构微观成像均具有较大优势。本研究比较分析大鼠离体上颌骨ACCT与PCCT成像特点，观察基于PCCT技术评估大鼠牙周炎模型的价值。

1 材料与方法

1.1 动物分组与建模将购自中国医学科学院放射医学研究所实验中心的6只8周龄SD雄性大鼠随机分为牙周炎组(n=3)和正常组(n=3)，大鼠体质量220～250 g，中位体质量234.5 g，SPF级，许可证编号：SYXK(津)：2019-0002。参照文献[11]采用“丝线结扎+高糖饲养”法构建牙周炎模型，将0.2 mm正畸结扎丝缠绕大鼠右上颌第一磨牙颈部，以10%高糖黏性饲料喂养8周；对正常组不予任何处理，全程予普通饲料喂养8周。8周后以过量麻醉法处死大鼠，取右上颌骨标本。所有操作均获得中国医学科学院放射医学研究所实验动物伦理委员会批准(批准号：IRM-DWLL-2019036)。

1.2 图像采集于上海光源的BL13W1线站完成成像实验。采用电荷耦合器(charge-coupled device, CDD)成像探测器，实验装置见图1。将上颌骨固定于旋转台上，通过调节SDD分别实现ACCT和PCCT成像。成像参数：ACCT，SDD 0.21 m，曝光时间5 s，能量33 keV，投影图数量600张，暗场图数量10张，背景图数量10张，CDD 9 μm；PCCT，SDD 0.9 m，余同ACCT；成像视野均为36 mm(水平)×5 mm(垂直)。扫描时样品随旋转台以转速0.4°/s旋转180°完成图像采集。

1.3 图像处理及分析采用背景图和暗场图对原始投影图进行校正，再以滤波反投影算法对ACCT图像进行重建。重建PCCT图像前，先提取投影图相移信号。完成重建后将所有图像导入3D可视化软件Amira 6.3 (Visage Imaging, Berlin, Germany)进行3D重构，并围绕第一磨牙舌侧及颊侧选择12个位点，围绕第二磨牙近中舌侧及颊侧选择6个位点，共于18个位点测量CEJ-ABC[5]。

图1 实验装置示意图

图2 离体大鼠右上颌骨ACCT及PCCT图像 A.矢状位ACCT图像； B.矢状位PCCT图像； C.轴位ACCT图像； D.轴位PCCT图像 (白箭：牙周膜；红箭：牙龈；绿箭：牙髓；蓝箭：牙槽骨；红色方框：ROI)

分别于ACCT和PCCT重建图像中选取20幅含有牙龈软组织、牙槽骨硬组织和背景(空气)的断层图像，采用matlab软件手动勾画方形ROI(图2A、2B)，再于放大的ROI中勾画1条穿过牙根各组织及背景的线段，测量局部灰度强度的变化，获得灰度强度图及灰度直方图，计算图像中组织的信噪比(signal to noise ratio, SNR)与衬度噪声比(contrast to noise ratio,CNR)。计算公式[12]如下：

(1)

(2)

其中，Ssample、σsample和Sbackground、σbackground分别为图像中组织和背景灰度值的均值和标准差。

1.4 统计学分析采用SPSS 19.0统计分析软件。以±s表示符合正态分布的计量资料，以中位数(上下四分位数)表示非正态计量资料。采用独立样本t检验或t'检验比较ACCT与PCCT图像SNR及CNR的差异，以Mann-WhitneyU检验比较组间CEJ-ABC差异。P<0.01为差异具有显著统计学意义。

2 结果

2.1 大鼠离体右上颌骨ACCT及PCCT成像 ACCT及PCCT成像均可清晰显示大鼠上颌骨整体形态，如牙槽骨、牙齿和牙龈(图2C、2D)。相比ACCT，PCCT能更好地展现牙龈、牙髓和牙周膜软组织(图2A～C)。观察2组ROI放大图像(图3A、3B)，PCCT较ACCT显示牙髓更清晰，表现为牙根管内明显的白色亮线。

2.2 ACCT及PCCT图像的CNR及SNR 相比ACCT，PCCT中背景和牙髓间灰度强度变化较大，且ACCT中组织噪声影响较明显(图3C、3D)。2组图像的灰度直方图(图3E、3F)显示ACCT灰度强度分布范围窄于PCCT，PCCT中空气与骨的灰度峰值间距离宽于ACCT。PCCT中组织的SNR和CNR均大于ACCT(P均<0.01)，见表1。

2.3 大鼠离体右上颌骨ACCT与PCCT的3D图像基于ACCT重构的3D图像示牙槽骨结构表面粗糙，组织边界轮廓欠清；而基于PCCT重构的上颌骨3D图像能清晰显示上颌骨牙齿和牙槽骨的完整结构，组织间分界明显。见图4。

2.4 2组大鼠上颌骨CEJ-ABC比较基于PCCT重建的上颌骨断层图像及3D图像显示牙周炎组CEJ-ABC [1 167.22(1 026.17,1 304.08) μm]明显大于正常组[620.91(437.35,830.14) μm，Z=-9.43，P<0.01]；且牙周炎组牙槽骨高度明显降低，牙根暴露程度增大，见图5、6。

3 讨论

X射线穿过样本时的相位变化敏感度高于其吸收衰减敏感度数个数量级，相比ACCT，PCCT在软组织和硬组织成像方面具有更高的空间和衬度分辨率优势[13]。然而PCCT较小的成像视野限制了其在较大样品中的应用。近年来已开展了基于传统X射线光源的大视野PCCT研究[14]，基于PCCT的大鼠活体研究[15]亦取得了进展。本研究比较大鼠离体上颌骨PCCT及ACCT成像特点，发现在二维断层图像上，ACCT仅能显示上颌骨整体形态，却无法清晰显示其软组织结构；而PCCT能同时高衬度地呈现牙槽骨硬组织和对X线弱吸收的牙龈、牙周膜软组织结构，清楚显示上颌骨整体结构，呈现出具有更高SNR和CNR的上颌骨软、硬组织断层图像。相比ACCT，PCCT图像灰度分布图显示的牙髓与背景间信号变化更大，提示其组织对比度更佳；PCCT的灰度直方图显示背景与骨组织间距离较大，亦表明其组织分辨能力更强，能更清晰地展示上颌骨的牙龈、牙髓等软组织。在重建图像上，与ACCT相比，基于PCCT重建的上颌骨3D结构具有更清楚的牙齿、牙槽骨轮廓和更真实的牙齿表面纹理细节，使得PCCT在上颌骨软硬组织成像方面更具优势，更适用于观察和分析大鼠上颌骨形态及测量CEJ-ABC，在研究牙周炎大鼠上颌骨的影像学特征方面具有更大价值和潜力。

表1 不同方法采集上颌骨CT的SNR及CNR比较

图3 ACCT及PCCT图像中组织及背景的灰度强度图和灰度直方图 A、D.ACCT、PCCT中ROI的放大图(红线为勾画的测量牙根处不同组织局部灰度强度变化的示意图)； B、E.ACCT、ACCT中牙根各组织的灰度强度图(绿箭：牙根；蓝箭：牙根管内牙髓；紫箭：牙根与牙髓间的背景)； C、F.ACCT、PCCT中牙根各组织的灰度直方图，空气与骨组织的灰度峰值之间的灰度强度为含软组织的其他组织

图4 上颌骨3D图像 A.基于ACCT重构的3D图像； B.基于PCCT重构的3D图像； C.A图中黄色方框内局部组织放大图像； D.B图中黄色方框内局部组织放大图像

图6 基于PCCT重建的2组上颌骨断层图像和3D图像 A.牙周炎组矢状位上颌骨断层图像，红线示牙槽骨高度； B.牙周炎组上颌骨3D图像，红箭示牙周炎组牙槽骨明显丧失，绿线示CEJ-ABC； C.正常组矢状位上颌骨断层图像，红线示牙槽骨高度； D.正常组上颌骨3D图像，红箭示牙周炎组牙槽骨明显丧失，绿线示CEJ-ABC

本研究基于PCCT技术评估牙周炎模型大鼠离体上颌骨的影像学特征，探索PCCT对评估牙周炎模型的价值，结合3D可视化技术重建正常组和牙周炎组上颌骨3D图像，发现与正常组相比，牙周炎组CEJ-ABC明显增大，提示受牙周炎影响，大鼠牙槽骨发生病变性吸收，亦表明PCCT可用于评估牙大鼠模型的牙周炎情况。