基于X線同步輻射吸收CT和X線相襯CT牙周炎大鼠模型離體上頜骨成像

楊婷婷，趙雨晴，呂文娟，劉大勇，辛曉紅，胡春紅*

(1.天津醫科大學生物醫學工程與技術學院，天津 300070；2.天津醫科大學口腔醫學院牙體牙髓科，天津 300070)

牙周炎是牙周支持組織的慢性炎癥，發展過程中破壞牙周組織，牙槽骨發生病變性吸收[1]，最終導致牙齒松動和掉落[2]。早期準確評估牙周炎至關重要。釉牙骨質界到牙槽嵴頂距離(cemento-enamel junction-alveolar bone crest, CEJ-ABC)是評估牙槽骨喪失量和牙周炎發展程度的重要指標之一。現有研究多基于曲面體層片[3]、錐束計算機斷層成像(cone-beam computed tomography, CBCT)[4]和顯微CT(micro-CT, μCT)[5]評估CEJ-ABC。曲面體層片存在過高可能，基于吸收衰減成像機制的CBCT和μCT對于牙槽骨成像而言空間分辨率和成像襯度不足，難以清晰顯示其內部微觀結構，尤其牙齦等軟組織。X射線相襯CT(X-ray phase-contrast CT, PCCT)是基于X射線穿過樣品時相位變化而產生圖像襯度的新成像技術，具有更高空間及襯度分辨率的優勢[6]，常用于對樣品內部微觀結構進行成像，且能解決生物軟組織微觀成像問題[7]。此外，通過調整樣品與探測器間的距離(sample-detector distance, SDD)，基于PCCT系統能實現X線吸收襯度CT成像(X-ray absorption-contrast CT, ACCT)。研究[8-10]表明PCCT對于軟、硬組織結構微觀成像均具有較大優勢。本研究比較分析大鼠離體上頜骨ACCT與PCCT成像特點，觀察基于PCCT技術評估大鼠牙周炎模型的價值。

1 材料與方法

1.1 動物分組與建模 將購自中國醫學科學院放射醫學研究所實驗中心的6只8周齡SD雄性大鼠隨機分為牙周炎組(n=3)和正常組(n=3)，大鼠體質量220～250 g，中位體質量234.5 g，SPF級，許可證編號：SYXK(津)：2019-0002。參照文獻[11]采用“絲線結扎+高糖飼養”法構建牙周炎模型，將0.2 mm正畸結扎絲纏繞大鼠右上頜第一磨牙頸部，以10%高糖黏性飼料喂養8周；對正常組不予任何處理，全程予普通飼料喂養8周。8周后以過量麻醉法處死大鼠，取右上頜骨標本。所有操作均獲得中國醫學科學院放射醫學研究所實驗動物倫理委員會批準(批準號：IRM-DWLL-2019036)。

1.2 圖像采集 于上海光源的BL13W1線站完成成像實驗。采用電荷耦合器(charge-coupled device, CDD)成像探測器，實驗裝置見圖1。將上頜骨固定于旋轉臺上，通過調節SDD分別實現ACCT和PCCT成像。成像參數：ACCT，SDD 0.21 m，曝光時間5 s，能量33 keV，投影圖數量600張，暗場圖數量10張，背景圖數量10張，CDD 9 μm；PCCT，SDD 0.9 m，余同ACCT；成像視野均為36 mm(水平)×5 mm(垂直)。掃描時樣品隨旋轉臺以轉速0.4°/s旋轉180°完成圖像采集。

1.3 圖像處理及分析 采用背景圖和暗場圖對原始投影圖進行校正，再以濾波反投影算法對ACCT圖像進行重建。重建PCCT圖像前，先提取投影圖相移信號。完成重建后將所有圖像導入3D可視化軟件Amira 6.3 (Visage Imaging, Berlin, Germany)進行3D重構，并圍繞第一磨牙舌側及頰側選擇12個位點，圍繞第二磨牙近中舌側及頰側選擇6個位點，共于18個位點測量CEJ-ABC[5]。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 離體大鼠右上頜骨ACCT及PCCT圖像 A.矢狀位ACCT圖像； B.矢狀位PCCT圖像； C.軸位ACCT圖像； D.軸位PCCT圖像 (白箭：牙周膜；紅箭：牙齦；綠箭：牙髓；藍箭：牙槽骨；紅色方框：ROI)

分別于ACCT和PCCT重建圖像中選取20幅含有牙齦軟組織、牙槽骨硬組織和背景(空氣)的斷層圖像，采用matlab軟件手動勾畫方形ROI(圖2A、2B)，再于放大的ROI中勾畫1條穿過牙根各組織及背景的線段，測量局部灰度強度的變化，獲得灰度強度圖及灰度直方圖，計算圖像中組織的信噪比(signal to noise ratio, SNR)與襯度噪聲比(contrast to noise ratio,CNR)。計算公式[12]如下：

(1)

(2)

其中，Ssample、σsample和Sbackground、σbackground分別為圖像中組織和背景灰度值的均值和標準差。

1.4 統計學分析 采用SPSS 19.0統計分析軟件。以±s表示符合正態分布的計量資料，以中位數(上下四分位數)表示非正態計量資料。采用獨立樣本t檢驗或t'檢驗比較ACCT與PCCT圖像SNR及CNR的差異，以Mann-WhitneyU檢驗比較組間CEJ-ABC差異。P<0.01為差異具有顯著統計學意義。

2 結果

2.1 大鼠離體右上頜骨ACCT及PCCT成像 ACCT及PCCT成像均可清晰顯示大鼠上頜骨整體形態，如牙槽骨、牙齒和牙齦(圖2C、2D)。相比ACCT，PCCT能更好地展現牙齦、牙髓和牙周膜軟組織(圖2A～C)。觀察2組ROI放大圖像(圖3A、3B)，PCCT較ACCT顯示牙髓更清晰，表現為牙根管內明顯的白色亮線。

2.2 ACCT及PCCT圖像的CNR及SNR 相比ACCT，PCCT中背景和牙髓間灰度強度變化較大，且ACCT中組織噪聲影響較明顯(圖3C、3D)。2組圖像的灰度直方圖(圖3E、3F)顯示ACCT灰度強度分布范圍窄于PCCT，PCCT中空氣與骨的灰度峰值間距離寬于ACCT。PCCT中組織的SNR和CNR均大于ACCT(P均<0.01)，見表1。

2.3 大鼠離體右上頜骨ACCT與PCCT的3D圖像 基于ACCT重構的3D圖像示牙槽骨結構表面粗糙，組織邊界輪廓欠清；而基于PCCT重構的上頜骨3D圖像能清晰顯示上頜骨牙齒和牙槽骨的完整結構，組織間分界明顯。見圖4。

2.4 2組大鼠上頜骨CEJ-ABC比較 基于PCCT重建的上頜骨斷層圖像及3D圖像顯示牙周炎組CEJ-ABC [1 167.22(1 026.17,1 304.08) μm]明顯大于正常組[620.91(437.35,830.14) μm，Z=-9.43，P<0.01]；且牙周炎組牙槽骨高度明顯降低，牙根暴露程度增大，見圖5、6。

3 討論

X射線穿過樣本時的相位變化敏感度高于其吸收衰減敏感度數個數量級，相比ACCT，PCCT在軟組織和硬組織成像方面具有更高的空間和襯度分辨率優勢[13]。然而PCCT較小的成像視野限制了其在較大樣品中的應用。近年來已開展了基于傳統X射線光源的大視野PCCT研究[14]，基于PCCT的大鼠活體研究[15]亦取得了進展。本研究比較大鼠離體上頜骨PCCT及ACCT成像特點，發現在二維斷層圖像上，ACCT僅能顯示上頜骨整體形態，卻無法清晰顯示其軟組織結構；而PCCT能同時高襯度地呈現牙槽骨硬組織和對X線弱吸收的牙齦、牙周膜軟組織結構，清楚顯示上頜骨整體結構，呈現出具有更高SNR和CNR的上頜骨軟、硬組織斷層圖像。相比ACCT，PCCT圖像灰度分布圖顯示的牙髓與背景間信號變化更大，提示其組織對比度更佳；PCCT的灰度直方圖顯示背景與骨組織間距離較大，亦表明其組織分辨能力更強，能更清晰地展示上頜骨的牙齦、牙髓等軟組織。在重建圖像上，與ACCT相比，基于PCCT重建的上頜骨3D結構具有更清楚的牙齒、牙槽骨輪廓和更真實的牙齒表面紋理細節，使得PCCT在上頜骨軟硬組織成像方面更具優勢，更適用于觀察和分析大鼠上頜骨形態及測量CEJ-ABC，在研究牙周炎大鼠上頜骨的影像學特征方面具有更大價值和潛力。

表1 不同方法采集上頜骨CT的SNR及CNR比較

圖3 ACCT及PCCT圖像中組織及背景的灰度強度圖和灰度直方圖 A、D.ACCT、PCCT中ROI的放大圖(紅線為勾畫的測量牙根處不同組織局部灰度強度變化的示意圖)； B、E.ACCT、ACCT中牙根各組織的灰度強度圖(綠箭：牙根；藍箭：牙根管內牙髓；紫箭：牙根與牙髓間的背景)； C、F.ACCT、PCCT中牙根各組織的灰度直方圖，空氣與骨組織的灰度峰值之間的灰度強度為含軟組織的其他組織

圖4 上頜骨3D圖像 A.基于ACCT重構的3D圖像； B.基于PCCT重構的3D圖像； C.A圖中黃色方框內局部組織放大圖像； D.B圖中黃色方框內局部組織放大圖像

圖6 基于PCCT重建的2組上頜骨斷層圖像和3D圖像 A.牙周炎組矢狀位上頜骨斷層圖像，紅線示牙槽骨高度； B.牙周炎組上頜骨3D圖像，紅箭示牙周炎組牙槽骨明顯喪失，綠線示CEJ-ABC； C.正常組矢狀位上頜骨斷層圖像，紅線示牙槽骨高度； D.正常組上頜骨3D圖像，紅箭示牙周炎組牙槽骨明顯喪失，綠線示CEJ-ABC

本研究基于PCCT技術評估牙周炎模型大鼠離體上頜骨的影像學特征，探索PCCT對評估牙周炎模型的價值，結合3D可視化技術重建正常組和牙周炎組上頜骨3D圖像，發現與正常組相比，牙周炎組CEJ-ABC明顯增大，提示受牙周炎影響，大鼠牙槽骨發生病變性吸收，亦表明PCCT可用于評估牙大鼠模型的牙周炎情況。

圖5 2組間上頜骨CEJ-ABC的柱狀圖(注：*表示P<0.01)

綜上所述，PCCT對大鼠上頜骨軟硬組織成像更具優勢，對評估牙周炎大鼠模型的上頜骨具有重要價值。作為基礎研究，本研究存在一定不足：①僅針對離體樣本進行成像，而未進行活體觀察；②樣本量少，分組簡單；③未進行病理分析，有待增加樣本量進一步深入觀察。