成都华西华科研究所分析micro - CT骨成像的三个阶段：扫描重建分析与QCT骨密度软件体模检测

m i cro - CT的成像过程可以分为三个阶段：t先是 扫描，从各个角度获取投照物体的影橡；然后通过使用数 据传输转换的方法（例如FeWkamp算法）对一系列的断 层影像进行转换来审逹三维图像；第三步，从数据集组图 像中选抒获得定里数据。而其中迸行数据分析的第三步 是多数骨骼研究人员的兴趣所在。

在已经对活体或是离体背骼标本进行扫描和获取断 层图像数据后，研究人员所而临的问题是如何分析所得 到的大最数据。在实际工作中并没有一个明确的标准的 数据分析公式。实际上不同的micro-CT工作小组会使 用不同的方法来分析所得到的micro-CT影像数据，这 也反映了这一技术方法的灵活多变性。但笼统的来说， 这些方法大致可分为形态测定分析法和密度分析法

两种。

1.  骨骼micro-CT的形态测定分析法骨骼形态 测定分析法是利用组织形态测定得来的相同的结构参数 (如前所述），来分析骨小梁和骨皮质。与以往的最大区 别在于micro-CT分析是直接建立在3D影像数据上的。 组织形态测定的重要结构参数包括骨容最（BV/TV)、骨 小梁厚度（Tb. Th)、骨皮质厚度（Ct. Th>、骨小梁分离 情况和数请（Tb. Sp. Tb. N)、表面与体积比（BS/BV) 和骨小梁塱因子（TB. P0 ,后者可以进行二维或三维计 算。还有一些参数是从#骼micro-CT的三维分析中得 出的，而不是建立在组织形态测定的二维基础之上。这 些参数包括表示骨小梁平面和柱体相对关系的结构祺型 指数(SM1)、表示通过三维计箅而来的骨小梁连续性的 骨小梁模铟因子（TB. Pf)以及Euler数值（Eu. N),和各 向异性程度（DA>。这些因子在本章后面的附录中都给 出了简要的解释。

虽然绀织形态法也可以测定诸如骨小梁厚度等参 数，但是micro-CT的分析测童是完全不同于以往的任 何方法。它不需要借助假设的类似“平面”和“柱体”之类 的模型。骨小梁厚度可以通过由Hildebrand等人在1997 年发明的一种叫做“局部厚度”的方法来进行测#。这种 方法需要#骼的三维模型^在骨骼模型中的某一点的届 部厚度被这爷作者定义为满足下面两种条件的球体直 径：①球体包含这一点在内（但并不黹要这一点必须在 球体的中心），②球体完全由固体表面所包绕。这种分 析方法可以提供骨骼上某一位置的骨小梁厚度（Tb. Th)的分布情况。局部厚度分析法的优点是与被研究物 体的放置方位无关。

对一系列断层影像数据集组进行重建来实现形态测 定分析霈要两个步骤：①二进位图像化（binarisation),② 选择有兴趣的阶段。第一步，二进位法在围14-5中进 行了描述。灰阶图像来源于对有256灰阶的容童成分的 重建（如果图像是8必特）。二进位图像中1必特为黑色 代表固体，如骨骼；白色代表空气。最简单快速的方法也 同时是最广泛使用的方法，即“整体阈值”。这意味着设 *统一的灰度能级密度数值，以使每一 CT显影容量成 分有一个统一的标准，能够在高数值时表现为固体颜色， 在低数值时表现为空气颜色。整体阈值的精确度可以通 过某些影像分析技术得到提卨，例如“去斑点”技术来去 除图像噪音产生的斑点。对于离体标本的图像，只要骨 骼的ffl像的质*足够好，使用整体阈值方法就足以能获 得形态测定的数据。但对于活体的骨骼样本获得的图像 会有比较低的信噪比。这是由于若干技术原因造成。包 括骨骼周围的软组织会额外吸收X射线、从安全角度考 虑无法对样本进行长时间的照射，以及micro - CT对于 活体标本的空间可变性较差。Waareing等人（2004)描 述了“局部阈值"的软件分割技术，它能改善在活体样本 中从非骨噪H中分离出骨骼的效果。这一技术并不设定 粮体阈值，而是在骨骼图像数据中计算不同部位的局部 阔值。其原理基础是骨表面灰度随固体结构（如骨小梁〉

的厚度变化而变化。其优点足可以抑制哚卉.更好的保 存骨小梁的连续性，并能提高高密度和低密度区域在同 二micro-CT图像上显像的能力。但是尽管实现这一过 程可以自动化，它仍然要增加micro-CT的分析过程所 消耗的时间。

d图丨4-5作为进行micro-CT形态测定分析的首要条件，

灰度图惮数据必须转为二进位阁橡以区分骨骼与非伢骼。 这一过S称为二进位ffl像化。离体的高解析图像可以使用 整体阈值进行二进位阁像化U和b:离体小鼠的股骨）。而 扫描过程较短，嗓点较多的活体阁橡（c和d>需要更先进的 节段技术，比如Waarsing等人（2004)描述的局部阈值技术选择有兴趣的节段或区域（VOI)是开始进行形态测 定分析的第一步。图橡二进位化可以在选押VO丨之前 或之后进行。常见的悄况是选择啮齿H动物的一段骨小 梁作为标准钟小梁，例如股钟远端的干骺端（股骨远端生 长板下方的骨小梁）。要进行形态测定分析就有必要重 复强调Parfitt等人（1987)描述的对于组织形态测定测 馕至关重要的“指示物”比值。例如，对于相对骨小梁容 缳（BV/TV)来说其指示物为TV。在指示物的区域内进 行测ft,骨小梁容® (BV/TV)只有在该区域只包含骨小 梁和毋髄，而没冇皮质骨和#外组织时才有意义。与以 往组织形态测定术相比micro-CT的VOI选抒也具有 三维的特点。实际上这就意味着在进行micro-CT分析 时，设计的软件能够转动设备对想要研究的骨小梁区域 进行多切面的投照，获得研究区域的多个不同水平的影 像（图丨4-6)。这样才能实现进行对复杂的多边三维区 域进行选抒。这种软件包可以对断层图像进行审新取样 以获得传统组织形态测定的纵向图像，使得VOI描绘成 纵向图像来进行选择。这样的优点足在同一图像上可以 同时成像生长板和干骺端的影像,，而这一点往往足人们 关注的兴趣所在。

2.  mi_Cr〇-CT的骨密度分析法

研究人员利用micro-CT来分析骨骼结构时，常常 最关注能否通过对某一点的容敢成分灰阶分析来获得详 细的三维密度数据。然而，应特别注意micro-CT所解 释的密度倍息，因为以容缳成分方式得出的密度信息容 易产生错误和偏差。有三种伪像会出现于micro-CT的图丨4-6选择有兴趣的节段或区域（VOI)是开始进行形 态测定分析的第一步。许多形态测定测*畚数都需要存一 个容枳指示物（Parfitt等人，丨987>。在这里干骺雉VOI选 抒的是micro-CT扫描的离体小鼠的股钟远端。（a)整个小 鼠股骨远端的桶助模型。（b)软件在不同层曲所选择的 VO丨区域。（c)所选择区域的股骨远端骨《模《

密度分析中。它们是部分容积效应、射线束硬化现象（前 文已经讨论过此种情况）和骨周围组织的择度。前两种 现象在图14-7中进行了描述。

部分容积效应是指被投照物体的厚度很小，已经接 近最小可溶解厚度，那么在密度分析中可能无法M像。 这一点在图14-7中以铝箔为例说明。

其原因是在CT图像上商密度和低密度的界面之间 的容M成分密度是一个冇着一定升降率的坡度，如同图

1.  7中的半面线所示。对于一个很薄的物体来说两边 缘的密度梯度在其还没有到达真正的组织中密度时就已 经相遇了。

使用micro-CT进行骨密度分析应将样本进行容t 化。只有满足下面的条件才能准确的测S micro-CT图 像中的骨小梁密度：通过利用铝箔等物体来改变厚度降 低表观密度来进行复杂的修正，并测最骨小梁厚度分布 悄况。micro-CT图像上的表观密度不光能反映材料的 密度，也能大体的反映#小梁的厚度。而实际上更可行 的方法足选择一段包含骨小梁和骨髄的骨节段来测置其 密度。这种测ft方法可称为“区域性”骨矿物质密度测M 法，以区别梢确的钙化组织体枳测里。后者可以准确的 测敏骨皮质（或通过商分辨扫描测域骨小梁板 >。其部分 容积效应很小，能获得真实的板层密度轮廓，图丨4-7两 块较厚的铝箔所示（a)。

(b)图14-7使用micro-CT进行伢密度测S时会出现两种 伪彩（虚假结果）。U)部分容积效应。X线投射穿过4块铝 铂。它们从左至右的厚度分別是250,*20, 50和丨25(//m>。 其X线吸收轮麻在下方显示。数值低表示密度大，吸收的 X线最多。而实际上铝铂的密度是-样的，但两块薄铝箔的 密度轮廓却在ra形上显示很低，（b)射线汆硬化现象。这 时对小鼠股骨同一切面上的两个不同的重违影悚上方的 图没有进行射线朵硬化修正，而T方的图进行了纠正。在 n描胸体的边缘的薄层忐面有明显的人为密度增保的射线 束硬化现象出现O Q^ 襻•在图14-7中（b>所显现的射线籴硬化现象人为地 增加了被扫描物体的表面密度。在影像上很容易看到大 面积皮质骨所表现的射线束硬化现象。在实际操作中， 用软件来纠正射线束硬化现象主要是反复试验分析，而 纠正的程度主要取决于分析者对假象的观察。如图14- 7中所示，利用图像观察和分析物体的轮麻密度对纠正 过程冇所帮助。对于任何骨骼来说，如果想要对其进行 测》分析的话，那么努力提岛对射线束硬化现象的修正 程度都足至关重要的。而且，如上所述，射线束硬化现象 可以通过仔细进行X线图橡的筛选和选择合适的管电压 来减少。

此外，被扫描物体的密度分析还与物体周围的组织 坪度打密切关系。因为物体周围组织能明a地过滤x射 线，所以使得周闱没有或只冇很薄组织的物体，其扫描得 出的CT影像密度要明M商于那些周凼有厚层组织的物 体。在图14-8中对活体小鼠的股骨扫描的围像的密度 随荇近端的髋关节到远端的膝关作堝闱的绀织厚度减少 而足不断增加的。图丨4-8也N时M示了随宥周凼组织 阳度的减少.信噪比得到不断的改奔。基于这个原理，离 体骨组织因为没有周围软组织，因而能获得最好的扫描 效果。

〇319 〇•喝•臀ra丨4-8活体的fj■骼阁惮密度受骨周围软组织呼度的变化影响这—系列阁像显示了活体小鼠从髋关节到膝关节远端的股骨 密度ri描阁俅随符股甘周m的m织抒度减少，图悚敁；的股骨密度逐渐增加，而这一点是人为的煆象，并非实际的骨密度变化悄 况。M时• ra橡的佶嶸比也随6股讶周围软m织厚度减少得到不断的改搏虽然关于这三个人为误差的消极方面进行了如此多 的消极讨论，耑要指出的足只要仔细地进行实验步骤，这 三点误差足可以在使川micro-CT进行背密度测故的过 程中减少到最少。在这一方法中，很重要的一个环节是 用已知针密度的组织相当物质来进行校准。在g/cnT³ 的密度级别上确定其羟磷灰石密度。当对骨和软组织进 行扫描时，应尽M使样本和对照物的骨疳及骨周围软组 织厚度相等。成都华西华科研究所分析研发定量CT QCT骨密度体模软件分析系统  
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