椎間盤的同步輻射成像研究.pdf

1、背景:椎間盤退變對人類健康有嚴重威脅性，由其引發(fā)相關疾病可能造成患者頸部、腰部疼痛，四肢的麻木疼痛、活動障礙，大小便功能異常等嚴重后果，對個人和社會都造成了沉重的負擔。目前對椎間盤的研究成為了脊柱外科領域的研究熱點，而現階段我們判斷椎間盤是否退變的主要依賴對椎間盤的影像學檢查，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)，但現有檢查手段存在技術上的不足，常規(guī)磁共振成像(MRI)的分辨率只能達到1mm，高分

2、辨率CT(HRCT)也僅可達到0.25-0.68mm。在我們需要觀察的細微結構小于這些檢查的更高分辨率時，由于成像技術的局限性，上述檢查對一些精細的結構以及軟組織的顯像不能達到臨床需要。為了對椎間盤終板、纖維環(huán)、髓核結構進行更加細致的成像，本課題主要通過上海同步輻射光源(SSRF)生物醫(yī)學線站對人和小鼠的椎間盤進行成像，目的在于研究同步輻射技術應用于椎間盤成像的實驗方法可行性。
　　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、線運動時沿軌道切線方向發(fā)出時連續(xù)分布的輻射光。至今，同步輻射光源，以其高通量、高亮度、高準直性、波長可調等不可替代的優(yōu)點使得成像技術獲得了革命性的發(fā)展。目前，同步輻射的應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，在無造影劑的情況下，對小鼠大腦進行成像，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，對同步輻射成像應用于

4、椎間盤的實驗方法還未有報道，為此，本課題將研究同步輻射成像技術應用于椎間盤的成像實驗方法，主要利用同步輻射對人椎間盤，小鼠椎間盤成像，MRI、CT、組織學染色等技術為輔助，初步研究同步輻射對椎間盤成像的方法，將觀察到的細微結構與臨床現象相結合。
　　目的:本研究首先嘗試利用上海同步輻射光源(SSRF) BL13W1生物醫(yī)學線站，觀察經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）對小鼠椎間盤組織進行觀察

5、，研究在不同組織下，同步輻射成像的最佳參數。通過與MRI、CT、組織學染色等技術對比，探討同步輻射成像應用椎間盤研究的可行性，了解椎間盤的微細結構，特別是對終板營養(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”結構單元與小鼠“椎體-椎間盤-椎體”結構單元作為樣本。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，石蠟包埋后進行天狼猩紅，阿利新藍

6、，masson染色。得到的椎間盤同步輻射圖像，利用PITRE軟件對采集的TIFF格式圖像進行處理，按順序進行相位恢復、sinogram重建、slice重建等步驟。實驗參數以及相位恢復與slice重建的參數均是通過反復多次嘗試，從而獲取最優(yōu)化的數值。利用VG studio Max2.1軟件包進行小鼠椎間盤的三維重建，導入數據后，調整窗寬窗位，并對不同窗位的圖像進行不同的染色，以凸顯希望顯示的結構。
　　結果:(1)椎間盤同步輻射成像

7、實驗參數如下:
　　①在分辨率為9微米的情況下，人椎間盤終板成像參數:能量為17keV，束流為55mA，樣品距檢測器為50cm，曝光時間為60ms。人椎間盤纖維環(huán)成像參數:能量為15keV，束流為46mA，樣品距檢測器為50cm，曝光時間為50ms。人椎間盤髓核成像參數:能量為13keV，束流為37mA，樣品距檢測器為50cm，曝光時間為30ms。
　?、谠诜直媛蕿?.65微米的情況下，小鼠椎間盤終板成像參數:能量為15ke

8、V，束流為46mA，樣品距檢測器為6.5cm，曝光時間為50ms。小鼠椎間盤纖維環(huán)成像參數:能量為14keY，束流為40mA，樣品距檢測器為6.5cm，曝光時間為50ms。小鼠椎間盤髓核成像參數:能量為11keV，束流為32mA，樣品距檢測器為6.5cm，曝光時間為60ms。
　　(2)使用同步輻射成像觀察到的微細結構:
　　在人椎間盤終板內可以觀察到最小直徑約在50微米的骨小梁結構，骨小梁之間相互連通，形成復雜的“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微米的骨小梁結構，在近椎間盤端，終板內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微米的細胞樣結構;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。結論:(1)本課題首次利用同步輻射成像觀察人和動物的椎間盤組織，通過對實驗參數的反復實驗，實現了對人椎問盤終板以及小鼠椎間盤纖維環(huán)、終板、髓核的成像，在未來的臨床診療方面有巨大潛

10、力。
　　(2)本研究發(fā)現，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骨小梁結構，最小直徑約在50微米。這些發(fā)現使我們對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，如何降低輻射對人健康的傷害，這些問題還需要進一步研究。
　　(3)本研究發(fā)現，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的骨小梁結構，通過三維重建技術可以對椎間盤終板營養(yǎng)通道有進一步的認識，

11、從而對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)現小鼠椎間盤纖維環(huán)的分布不均勻，鑒于椎間盤對保護髓核、緩解脊柱壓力的重要作用，其形態(tài)學的特殊性，可能與臨床上椎間盤突出的常見部位有關。
　　(5)本研究發(fā)現將同步輻射成像技術應用到椎間盤組織上的做法，使得我們能夠觀察到原來難以發(fā)現的結構和現象（尤其是對軟組織的成像），這些能力提示我們要充分發(fā)揮同步輻射的優(yōu)良特質，