椎間盤的同步輻射成像研究.pdf

1、背景:椎間盤退變對(duì)人類健康有嚴(yán)重威脅性，由其引發(fā)相關(guān)疾病可能造成患者頸部、腰部疼痛，四肢的麻木疼痛、活動(dòng)障礙，大小便功能異常等嚴(yán)重后果，對(duì)個(gè)人和社會(huì)都造成了沉重的負(fù)擔(dān)。目前對(duì)椎間盤的研究成為了脊柱外科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而現(xiàn)階段我們判斷椎間盤是否退變的主要依賴對(duì)椎間盤的影像學(xué)檢查，包括傳統(tǒng)的X線成像，高分辨率CT(HRCT)檢查，以及核磁共振檢查(MRI)，但現(xiàn)有檢查手段存在技術(shù)上的不足，常規(guī)磁共振成像(MRI)的分辨率只能達(dá)到1mm，高分

2、辨率CT(HRCT)也僅可達(dá)到0.25-0.68mm。在我們需要觀察的細(xì)微結(jié)構(gòu)小于這些檢查的更高分辨率時(shí)，由于成像技術(shù)的局限性，上述檢查對(duì)一些精細(xì)的結(jié)構(gòu)以及軟組織的顯像不能達(dá)到臨床需要。為了對(duì)椎間盤終板、纖維環(huán)、髓核結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加細(xì)致的成像，本課題主要通過上海同步輻射光源(SSRF)生物醫(yī)學(xué)線站對(duì)人和小鼠的椎間盤進(jìn)行成像，目的在于研究同步輻射技術(shù)應(yīng)用于椎間盤成像的實(shí)驗(yàn)方法可行性。
　　同步輻射是速度接近光速的電子或其他帶電粒子在作曲

3、線運(yùn)動(dòng)時(shí)沿軌道切線方向發(fā)出時(shí)連續(xù)分布的輻射光。至今，同步輻射光源，以其高通量、高亮度、高準(zhǔn)直性、波長(zhǎng)可調(diào)等不可替代的優(yōu)點(diǎn)使得成像技術(shù)獲得了革命性的發(fā)展。目前，同步輻射的應(yīng)用主要集中在血管成像方面，Zhang MQ等使用同步輻射成像技術(shù)，在無(wú)造影劑的情況下，對(duì)小鼠大腦進(jìn)行成像，并三維重建，可以觀察到的最小血管的直徑為11.8μm，提出了通過同步輻射可以更加細(xì)致的顯示小鼠腦部血管，是一條研究大腦功能的有效途徑。目前為止，對(duì)同步輻射成像應(yīng)用于

4、椎間盤的實(shí)驗(yàn)方法還未有報(bào)道，為此，本課題將研究同步輻射成像技術(shù)應(yīng)用于椎間盤的成像實(shí)驗(yàn)方法，主要利用同步輻射對(duì)人椎間盤，小鼠椎間盤成像，MRI、CT、組織學(xué)染色等技術(shù)為輔助，初步研究同步輻射對(duì)椎間盤成像的方法，將觀察到的細(xì)微結(jié)構(gòu)與臨床現(xiàn)象相結(jié)合。
　　目的:本研究首先嘗試?yán)蒙虾Ｍ捷椛涔庠?SSRF) BL13W1生物醫(yī)學(xué)線站，觀察經(jīng)過酒精梯度脫水的新鮮尸體椎間盤組織，并用其線站的更高分辨率（0.65微米）對(duì)小鼠椎間盤組織進(jìn)行觀察

5、，研究在不同組織下，同步輻射成像的最佳參數(shù)。通過與MRI、CT、組織學(xué)染色等技術(shù)對(duì)比，探討同步輻射成像應(yīng)用椎間盤研究的可行性，了解椎間盤的微細(xì)結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)終板營(yíng)養(yǎng)通道以及纖維環(huán)分布情況的觀察。
　　方法:采集新鮮尸體“椎體-椎間盤-椎體”結(jié)構(gòu)單元與小鼠“椎體-椎間盤-椎體”結(jié)構(gòu)單元作為樣本。人椎間盤組織通過梯度脫水，分別MRI、CT檢查，同步輻射成像。小鼠椎間盤組織通過梯度脫水固定，同步輻射成像，石蠟包埋后進(jìn)行天狼猩紅，阿利新藍(lán)

6、，masson染色。得到的椎間盤同步輻射圖像，利用PITRE軟件對(duì)采集的TIFF格式圖像進(jìn)行處理，按順序進(jìn)行相位恢復(fù)、sinogram重建、slice重建等步驟。實(shí)驗(yàn)參數(shù)以及相位恢復(fù)與slice重建的參數(shù)均是通過反復(fù)多次嘗試，從而獲取最優(yōu)化的數(shù)值。利用VG studio Max2.1軟件包進(jìn)行小鼠椎間盤的三維重建，導(dǎo)入數(shù)據(jù)后，調(diào)整窗寬窗位，并對(duì)不同窗位的圖像進(jìn)行不同的染色，以凸顯希望顯示的結(jié)構(gòu)。
　　結(jié)果:(1)椎間盤同步輻射成像

7、實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:
　?、僭诜直媛蕿?微米的情況下，人椎間盤終板成像參數(shù):能量為17keV，束流為55mA，樣品距檢測(cè)器為50cm，曝光時(shí)間為60ms。人椎間盤纖維環(huán)成像參數(shù):能量為15keV，束流為46mA，樣品距檢測(cè)器為50cm，曝光時(shí)間為50ms。人椎間盤髓核成像參數(shù):能量為13keV，束流為37mA，樣品距檢測(cè)器為50cm，曝光時(shí)間為30ms。
　?、谠诜直媛蕿?.65微米的情況下，小鼠椎間盤終板成像參數(shù):能量為15ke

8、V，束流為46mA，樣品距檢測(cè)器為6.5cm，曝光時(shí)間為50ms。小鼠椎間盤纖維環(huán)成像參數(shù):能量為14keY，束流為40mA，樣品距檢測(cè)器為6.5cm，曝光時(shí)間為50ms。小鼠椎間盤髓核成像參數(shù):能量為11keV，束流為32mA，樣品距檢測(cè)器為6.5cm，曝光時(shí)間為60ms。
　　(2)使用同步輻射成像觀察到的微細(xì)結(jié)構(gòu):
　　在人椎間盤終板內(nèi)可以觀察到最小直徑約在50微米的骨小梁結(jié)構(gòu)，骨小梁之間相互連通，形成復(fù)雜的“海綿孔隙

9、樣”通道。在小鼠椎間盤終板的成像中我們可以觀察到最小直徑約10微米的骨小梁結(jié)構(gòu)，在近椎間盤端，終板內(nèi)骨小梁的致密程度明顯增加;在髓核中，我們觀察到最小直徑約為8微米的細(xì)胞樣結(jié)構(gòu);小鼠椎間盤纖維環(huán)可以觀察到最小的纖維直徑約為6微米，纖維環(huán)在椎間盤的分布具有不均性。結(jié)論:(1)本課題首次利用同步輻射成像觀察人和動(dòng)物的椎間盤組織，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人椎問盤終板以及小鼠椎間盤纖維環(huán)、終板、髓核的成像，在未來(lái)的臨床診療方面有巨大潛

10、力。
　　(2)本研究發(fā)現(xiàn)，使用分辨率為9微米的同步輻射成像，可以觀察到人椎間盤終板內(nèi)骨小梁結(jié)構(gòu)，最小直徑約在50微米。這些發(fā)現(xiàn)使我們對(duì)椎間盤退變的早期診斷具有重大意義，但如何將成像區(qū)域定位在需要檢查的椎間盤，如何降低輻射對(duì)人健康的傷害，這些問題還需要進(jìn)一步研究。
　　(3)本研究發(fā)現(xiàn)，使用分辨率為0.65微米的同步輻射成像，可以清晰的顯示小鼠椎間盤終板內(nèi)的骨小梁結(jié)構(gòu)，通過三維重建技術(shù)可以對(duì)椎間盤終板營(yíng)養(yǎng)通道有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，

11、從而對(duì)椎間盤退變的病理生理變化有新的研究方式。
　　(4)本研究在使用分辨率為0.65微米的同步輻射成像過程中，發(fā)現(xiàn)小鼠椎間盤纖維環(huán)的分布不均勻，鑒于椎間盤對(duì)保護(hù)髓核、緩解脊柱壓力的重要作用，其形態(tài)學(xué)的特殊性，可能與臨床上椎間盤突出的常見部位有關(guān)。
　　(5)本研究發(fā)現(xiàn)將同步輻射成像技術(shù)應(yīng)用到椎間盤組織上的做法，使得我們能夠觀察到原來(lái)難以發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象（尤其是對(duì)軟組織的成像），這些能力提示我們要充分發(fā)揮同步輻射的優(yōu)良特質(zhì)，