生物體視學在骨科領域中的運用進展*

楊再清 綜述,蘇云鵬 審校

(云南省保山市人民醫院骨外一科 678000)

在過去的三十年中，生物體視學被廣泛地運用于臨床與實驗研究的各個領域，并且取得了一系列的重大成果[1]。其在骨科疾病研究中發揮著重要作用，本文主要查閱近年來國內外有關生物體視學在代謝性骨病、骨折愈合及骨腫瘤研究方面的運用，進行總結。

1 代謝性骨病的生物體視學研究

代謝性骨病是指機體因先天或后天因素破壞或干擾了正常骨代謝和生化狀態，導致骨生化代謝障礙而發生的骨疾患。代謝性骨病的發病機制包括骨吸收、骨生長和礦物質沉積3個方面的異常。運用體視學，可以更直觀、更形象地對骨質進行定量分析，評價骨轉換與骨結構，動態分析其發病機制及治療效果。

1.1骨質疏松 骨質疏松是一種以骨量低下、骨微結構損壞，骨強度下降，骨折風險增加為特征的全身性骨骼系統疾病[2]。影響因素包括骨量及骨質量兩方面，骨量反映了骨的數量及容積，其測定方法主要是進行骨密度的測定，并且骨密度的測定作為目前臨床上骨質疏松癥的主要診斷標準。骨質量反映了骨微結構、骨有機基質、礦物成分、微小損傷及修復能力，其中骨微結構和微損傷是影響骨質量的重要因素。因此，對其檢測方法已成為研究熱點。在各種檢測方法中，體視學中的骨組織形態計量學成為骨質疏松骨結構與質量檢測的客觀指標。通過相關研究，不但在二維水平獲得的大量研究骨質疏松的相關計量參數[3]，同時取得了骨小梁的三維立體結構圖像，而且還獲得了骨微損傷的三維空間分布[4]，從而更準確地闡述骨質疏松的發病機理。但骨組織形態計量學是一種有創檢測方法，需破壞檢測對象的完整性，并且對技術操作要求相當嚴格，限制了其在臨床與實驗中的運用。隨著體視學及圖像分析技術的發展，新的無創檢測方法被廣泛運用，尤其是顯微CT(Micro-CT)的運用。

Micro-CT技術是以體素為單元，在微米級水平超清晰地掃描骨小梁，能全面、精確、立體地測定骨微結構的三維形態參數,所獲得的圖像分辨率高，能區分皮質骨與松質骨，能夠早期發現骨質疏松癥骨小梁骨微結構的變化[5]。在micro-CT的基礎上，使用硫酸鋇做對比劑增強micro-CT，能夠無創地顯示微損傷的三維空間分布和積累過程[6]，使用同步輻射光源(SRuCT)能夠表征松質骨及皮質骨破壞時微裂紋積累、發展過程，骨小梁的各種微裂紋從最簡單的線性裂紋到較復雜的交叉裂紋均能夠展現，并用三維成像定量地量化[7-8]；在三維重建圖像上能夠顯示骨小梁表面的吸收陷窩，而它的二維掃描圖像可以反映骨結構中不同位置的礦化程度，為骨質疏松的診斷提供了更準確的依據[9]。

1.2腎性骨病(ROD) ROD是慢性腎臟病患者鈣、磷及維生素D代謝障礙，繼發甲狀旁腺機能亢進引起的骨骼病變，可表現為骨質疏松、骨軟化、纖維囊性骨炎、骨硬化及轉移性鈣化。依骨組織形態改變分為高轉化性骨病、低轉化性骨病和混合性骨病。

利用骨活檢及骨形態計量學方法，一方面靜態參數可以反映骨結構、形態和再吸收，另一方面動態參數可以反映骨轉化和骨形成等，在腎性骨病確診及分型中具有重要作用。錢瑩等[10]通過對40例慢性腎病5期維持性血液透析的患者行髂前上棘骨活檢術獲得骨標本，對骨病理進行骨形態計量學分析，證實高轉化性骨病骨病理以破骨細胞活化形成骨吸收陷窩伴或不伴骨礦化不全為特點。常安瑾等[11]通過使用顯微CT對腎性骨病患者的松質骨進行三維形態學測量，指出顯微CT能夠非常細致地觀測到不同腎性骨病患者單個骨小梁的厚度、數量、空間分布及整個骨小梁的三維空間結構，彌補組織形態計量學的不足，對研究腎性骨病病理生理，評估骨質量的改變具有十分重要的意義。

1.3佝僂病和骨質軟化癥 兩者是以維生素D缺乏導致鈣、磷代謝紊亂和臨床以骨骼的鈣化障礙為主要特征的疾病。發生在嬰幼兒和兒童骨骺生長板閉合以前者稱佝僂病，發生在成人骨骺生長板閉合以后者稱骨軟化癥。目前其檢查手段主要依賴于骨代謝生化指標測定、骨密度測量及X線片檢查等，但相應的檢查措施無法微觀闡述疾病的病理變化過程。蕭彥等[12]利用骨形態計量學研究佝僂病和骨質軟化癥發現其平均骨小梁板增厚、密度降低、間隙變大，單位體積骨小，單位體積骨小梁所占的骨小梁表面積減小；骨小梁類骨質表面、皮質骨和小梁骨的平均類骨質縫寬度增加，骨小梁空間排列稀疏，骨礦化前沿縮小和不規則，礦化成熟延遲，礦化障礙造成類骨質堆積。進一步闡明了軟骨病的病理特點，為疾病的診斷提供了體視學依據。

1.4氟中毒性骨病(簡稱氟骨癥) 長期攝入過量氟化物會對中樞神經系統、內分泌系統、心血管系統、消化系統、運動系統等產生不利影響[13]，當累及骨組織時可引起骨質疏松、骨軟化、骨硬化等骨骼疾病。高劑量氟可以抑制成骨細胞的增殖、分化，破骨細胞活性增強導致骨質疏松，當氟在體內與血中鈣或者磷結合形成難溶的氟化鈣沉積于骨中，能夠引起骨硬化。另外，氟對軟骨內成骨的過程產生抑制作用，延緩骨骼的生長發育。骨形態計量學研究發現氟鋁聯合中毒骨軟化畸形兒童的骨小梁膠原纖維排列紊亂，骨內出現軟骨細胞，小梁邊緣大量類骨質，且其周長和面積參數明顯增加，骨吸收陷窩明顯增加，骨礦化障礙、骨吸收增加,骨代謝嚴重失衡，出現大量質量低下的骨質[14]；氟骨癥患者與正常參考值比較脂肪細胞容積明顯減少，骨小梁容積明顯增加，生血細胞容積減少[15]。郭生瓊等[16]利用顯微CT技術檢測發現，大鼠染氟后四肢骨的骨礦物質密度、組織骨密度、骨小梁厚度、骨小梁分離度、各向異性、骨小梁與全部骨組織體積比有升高趨勢；反映骨小梁的形態、數目、間距與骨連接密度的指標-結構模型指數、骨表面積與體積比、骨小梁連接密度、骨小梁數目有下降趨勢。分析認為由于氟化物在大鼠體內促使骨轉換加速，即骨形成和骨吸收均顯活躍，但骨形成程度大于骨吸收，從而形成大量未成熟的交織骨，導致大鼠體內骨量大量增加，骨硬化形成。利用體視學原理及圖像分析技術，可以觀察分析氟骨癥的骨微結構變化，為氟對骨骼損傷機制的研究提供依據。

1.5甲狀旁腺疾病 在甲狀腺疾病中，無論是甲狀旁腺激素增高還是降低，均可影響骨質量及骨轉換，導致骨病形成[17]。利用Micro-CT掃描和三維重建，可以從骨微環境層面闡述甲狀旁腺激素對骨形成及骨吸收的雙重效應：大劑量持續給予可以誘發骨吸收,小劑量間斷給予可以刺激骨生成[18]。RUBIN等[19]通過對甲狀旁腺功能低下癥患者進行研究，發現患者松質骨體積、骨小梁寬度和皮質寬度增加，而類骨質寬度與類骨質表面有顯著減少，礦化表面的百分比、礦化沉積率和骨形成率也顯著降低。

2 骨折愈合的體視學研究

骨折愈合是一個復雜而連續的過程，臨床上評價骨折愈合主要依賴于臨床癥狀、體征和X線片，但受主觀性、X線片顯示的局限性等影響，無法客觀量化描述骨折愈合的動態進程。體視學及圖像分析技術的發展，為骨折愈合的研究鑒定提供了新方法，使得對骨折愈合的認識更加細微、客觀、立體。有研究發現骨組織形態計量學參數結果能準確地反映出骨折結構重建的演變[20]。骨折端早期血腫機化以纖維連接相續，骨小梁稀疏、數量少，骨小梁體積小，至中期編織骨大量形成，骨小梁數量增加和骨小梁體積改變至高峰，骨痂塑型期因板層骨逐漸取代編織骨，骨小梁致密度增加，骨痂在力線外的部分吸收，骨小梁數目和體積減少。通過行Micro-CT技術能夠精確測定骨折區骨痂組織體積、骨體積、骨體積分數等三維形態參數，并且可以高分辨率圖像，對骨痂形成和改建規律進行超微分析[21]。而且，微血管灌注造影結合Micro-CT掃描三維重建可無創提供直觀的高分辨率三維微血管像，并精確地定量描述微血管形成的質與量，從微血管變化層面研究骨折的愈合過程[22-23]。

3 骨腫瘤的生物體視學研究

利用圖像分析技術，可以對骨腫瘤進行鑒別，可以從三維層面表征骨腫瘤細胞形態，可以定量描述轉移性骨腫瘤的血管密度，揭示不同骨腫瘤的特異性變化特征，有助于早期發現侵襲性和惡性腫瘤[24-26]。雖然，生物體視學在骨腫瘤的診斷、預后、發生機制等方面有諸多優勢，但就目前相關文獻檢測結果顯示，這方面的研究發展緩慢，有待于繼續擴展。

4 展 望

綜上所述，鑒于生物體視學能夠更直觀、準確地表征骨組織的三維結構，定量表達代謝性骨病、骨折愈合及某些骨腫瘤的結構變化，客觀揭示疾病發生發展過程，所以其在骨科實驗及臨床研究中具有重要作用，其他任何研究方法不可代替。雖然在運用方面仍然存在取材困難、硬組織切片制作技術要求高、費用較貴等挑戰，但隨著生物體視學及圖像分析的自我完善，其在骨科疾病研究甚至在所有人類疾病研究中將有一定發展前景。

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