micro-CT对于诊断中耳结构畸形的应用

董雅宁 王述立 丛金凯 张小川 孔令聪 郑体花

1 滨州医学院特殊教育学院 山东 烟台 264003; 2 滨州医学院第二临床医学院 山东 烟台 264003

目前，全世界听力损失患者已超过15亿人。遗传是引起耳聋的最主要因素，约占50%～70%。综合征性耳聋常伴肌肉骨骼异常、眼部及神经病变等。中耳及内耳发育畸形是导致听力损失的重要因素之一[1]。以往研究基因缺陷导致的听力损失动物模型时，普遍应用组织切片染色方法，如苏木素伊红(HE)染色来诊断小鼠的中耳及内耳的结构病变。

除遗传因素外，中耳炎也是引起耳聋的主要因素，其发病因素多样。颞骨岩部相对于中矢状线的角度和咽鼓管-中耳腔的通气角可能是中耳炎发病过程中的因素之一[1]。在中耳炎易感小鼠中可观察到咽鼓管骨部夹角变大[2]。咽鼓管长度和中耳腔体积异常也是中耳炎患病的诱因[2]。

本研究使用微型电脑断层扫描(micro-computed tomography，micro-CT)及mimics等三维重建软件，重建了清晰的C57BL6/J小鼠中耳及内耳模型，并测量出C57BL6/J小鼠咽鼓管骨部夹角、咽鼓管骨性部分长度和中耳腔体积，对于后续的中耳畸形动物模型提供了参考测量方法。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验动物 选取6只生长发育状况良好的同窝三月龄C57BL6/J雄鼠。为了便于拍摄，本研究随机将小鼠分成A组和B组，每组3只。A组保留中耳和内耳在颅骨内，用于观察中耳及内耳在整个头骨中的相对位置以及测量咽鼓管骨部夹角。B组取出右侧中耳及内耳(中耳和内耳不分离)，用于测量咽鼓管骨性部分长度及中耳腔体积。

1.1.2 仪器 使用美国Perkin Elmer公司生产的Quantum GX小动物活体micro-CT仪器进行扫描。

1.1.3 数据处理软件 图像的3D重建使用Mimics 21.0交互式医学影像处理软件(比利时，Materialise公司)。

1.2 方法

1.2.1 中耳及内耳的取材 使用过量的10%水合氯醛麻醉小鼠，断头。小心去除A组小鼠头部的皮毛、肌肉、眼球等多余组织，完整保留中耳和内耳在颅骨内。将B组小鼠的中耳及内耳完整取出，修整干净，置于4%多聚甲醛固定24 h。

1.2.2 样本的扫描 将样本大致摆好位置，固定到micro-CT机器上，通过预览按钮进行样本的位置调节，让样本处于仪器扫描范围的中间，然后进行拍摄。从矢状面、冠状面、横截面三个不同方位进行样本扫描成像。CT扫描参数为电压70 KV，电流为100 μA，扫描模式为标准模式，扫描时间为15 min，扫描视野(FOV)为36 mm×36 mm，像素大小为72 μm。扫描图像以DICOM格式保存。

1.2.3 DICOM数据处理及3D重建 将DICOM格式文件导入Mimics 21.0软件，根据micro-CT图像上听小骨及其他解剖学特征在矢状面上的位置，分层描绘出中耳腔范围，然后结合冠状面和水平面，进一步修改完善后得到中耳腔容积的初步蒙版a。界定中耳及内耳阈值在1 100 ～6 085 HU之间，使用阈值工具得到中耳及内耳的蒙版b。使用区域增长工具分别将蒙版a和蒙版b进行优化处理，然后将两个优化后的蒙版运用布尔运算方法处理，得到蒙版c。将蒙版c进行光滑处理和智能填充，得到最终的中耳腔内容物模型，然后在属性选项中得出中耳腔体积。

1.2.4 咽鼓管骨部夹角和骨性部分长度的测量方法 A组使用Mimics 21.0软件构建出3D图像，沿着咽鼓管骨部的走向画出辅助线，使用菜单栏-measure-angle工具测量出咽鼓管骨部夹角，每个样本测量3次，取均值，视为单个样本的咽鼓管骨部夹角。测量完成组内所有样本后，将数据记录，用于后续的统计分析。B组使用菜单栏-measure-distance工具测量出咽鼓管骨性部分长度，测量和统计方法同A组。

2 结果

2.1 小鼠咽鼓管的骨部夹角测量结果 本研究使用A组样本进行扫描及3D重建，将原始扫描图像(图1A)导入Mimics 21.0软件处理，得到3D重建图像(图1B)。本研究可观察到中耳及内耳在整个头颅内的二维和三维空间位置，同时通过描绘的咽鼓管骨部夹角参考线(图1B)，以红色虚线表示，测量出咽鼓管的角度为(99.93±1.05)°。

A.原始扫描图像；B.3D重建图像。红色矩形框标注中耳及内耳位置，X、Y、Z轴表示工作坐标系(WCS)。

2.2 小鼠咽鼓管的骨性部分长度测量结果 本研究使用B组样本进行扫描及3D重建，将原始扫描图像(图2A)导入Mimics 21.0软件处理，得到3D重建图像(图2B)。使用该软件测量得出咽鼓管骨性部分长度为(1.20±0.03)mm。

A.原始扫描图像；B.3D重建图像。红色双向箭头表示咽鼓管骨性部分长度，X、Y、Z轴表示工作坐标系(WCS)。

2.3 小鼠中耳腔容积的测量结果 本研究使用B组样本，通过Mimics 21.0软件的冠状面(图3A)、水平面(图3B)、矢状面(图3C)描绘出中耳腔体积(图3D)，测量出体积值为(7.43±0.19)mm3。

A.冠状面图像；B.水平面图像；C.失状面图像；D.中耳腔图像。紫色部分表示中耳腔内容物。

3 讨论

诊断中耳及内耳形态结构病变的常用方法为石蜡切片后的HE染色，实验周期长，且较为繁琐。随着现代成像技术的进步，高分辨率的micro-CT广泛应用于肺肿瘤[3]、乳腺肿瘤[4-5]、口腔[6]、骨骼[7]等疾病的诊断。micro-CT在技术上可以对中耳及内耳等组织的结构进行3D可视化，精准评估中耳及内耳问题，但目前在耳科疾病诊断方面应用甚少，尚未有通过micro-CT的方法测量评估咽鼓管的长度、角度及中耳腔内容物体积的报道。micro-CT三维成像方法相对于传统测量法精确度更高，可以简单快捷地进行多层扫描。本研究使用micro-CT及mimics软件较为准确地评估了小鼠咽鼓管骨性夹角和咽鼓管骨性部分长度，以及中耳腔的体积，为后续的中耳畸形动物模型评估提供了参考依据。Bryant等[8]使用micro-CT和MRI跟踪研究了C57BL6/J小鼠的内耳发育状况，本研究将进一步利用micro-CT及mimics软件补用造影剂跟踪研究新生鼠的中耳腔发育情况，这对于诊断新生鼠的中耳畸形有重要意义。