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?xí)约t，胡春紅*

(1.天津醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，天津 300070；2.天津醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)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(fā)展過(guò)程中破壞牙周組織，牙槽骨發(fā)生病變性吸收[1]，最終導(dǎo)致牙齒松動(dòng)和掉落[2]。早期準(zhǔn)確評(píng)估牙周炎至關(guān)重要。釉牙骨質(zhì)界到牙槽嵴頂距離(cemento-enamel junction-alveolar bone crest, CEJ-ABC)是評(píng)估牙槽骨喪失量和牙周炎發(fā)展程度的重要指標(biāo)之一?，F(xiàn)有研究多基于曲面體層片[3]、錐束計(jì)算機(jī)斷層成像(cone-beam computed tomography, CBCT)[4]和顯微CT(micro-CT, μCT)[5]評(píng)估CEJ-ABC。曲面體層片存在過(guò)高可能，基于吸收衰減成像機(jī)制的CBCT和μCT對(duì)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(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，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(guò)樣品時(shí)相位變化而產(chǎn)生圖像襯度的新成像技術(shù)，具有更高空間及襯度分辨率的優(yōu)勢(shì)[6]，常用于對(duì)樣品內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，且能解決生物軟組織微觀成像問(wèn)題[7]。此外，通過(guò)調(diào)整樣品與探測(cè)器間的距離(sample-detector distance, SDD)，基于PCCT系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)X線吸收襯度CT成像(X-ray absorption-contrast CT, ACCT)。研究[8-10]表明PCCT對(duì)于軟、硬組織結(jié)構(gòu)微觀成像均具有較大優(yōu)勢(shì)。本研究比較分析大鼠離體上頜骨ACCT與PCCT成像特點(diǎn)，觀察基于PCCT技術(shù)評(píng)估大鼠牙周炎模型的價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 動(dòng)物分組與建模 將購(gòu)自中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)中心的6只8周齡SD雄性大鼠隨機(jī)分為牙周炎組(n=3)和正常組(n=3)，大鼠體質(zhì)量220～250 g，中位體質(zhì)量234.5 g，SPF級(jí)，許可證編號(hào)：SYXK(津)：2019-0002。參照文獻(xiàn)[11]采用“絲線結(jié)扎+高糖飼養(yǎng)”法構(gòu)建牙周炎模型，將0.2 mm正畸結(jié)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(yǎng)8周；對(duì)正常組不予任何處理，全程予普通飼料喂養(yǎng)8周。8周后以過(guò)量麻醉法處死大鼠，取右上頜骨標(biāo)本。所有操作均獲得中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào)：IRM-DWLL-2019036)。

1.2 圖像采集 于上海光源的BL13W1線站完成成像實(shí)驗(yàn)。采用電荷耦合器(charge-coupled device, CDD)成像探測(cè)器，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。將上頜骨固定于旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)調(diào)節(jié)SDD分別實(shí)現(xiàn)ACCT和PCCT成像。成像參數(shù)：ACCT，SDD 0.21 m，曝光時(shí)間5 s，能量33 keV，投影圖數(shù)量600張，暗場(chǎng)圖數(shù)量10張，背景圖數(shù)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(shí)樣品隨旋轉(zhuǎn)臺(tái)以轉(zhuǎn)速0.4°/s旋轉(zhuǎn)180°完成圖像采集。

1.3 圖像處理及分析 采用背景圖和暗場(chǎng)圖對(duì)原始投影圖進(jìn)行校正，再以濾波反投影算法對(duì)ACCT圖像進(jìn)行重建。重建PCCT圖像前，先提取投影圖相移信號(hào)。完成重建后將所有圖像導(dǎo)入3D可視化軟件Amira 6.3 (Visage Imaging, Berlin, Germany)進(jìn)行3D重構(gòu)，并圍繞第一磨牙舌側(cè)及頰側(cè)選擇12個(gè)位點(diǎn)，圍繞第二磨牙近中舌側(cè)及頰側(cè)選擇6個(gè)位點(diǎn)，共于18個(gè)位點(diǎn)測(cè)量CEJ-ABC[5]。

圖1 實(shí)驗(yàn)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(lán)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(dòng)勾畫(huà)方形ROI(圖2A、2B)，再于放大的ROI中勾畫(huà)1條穿過(guò)牙根各組織及背景的線段，測(cè)量局部灰度強(qiáng)度的變化，獲得灰度強(qiáng)度圖及灰度直方圖，計(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)差。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布的計(jì)量資料，以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示非正態(tài)計(jì)量資料。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)或t'檢驗(yàn)比較ACCT與PCCT圖像SNR及CNR的差異，以Mann-WhitneyU檢驗(yàn)比較組間CEJ-ABC差異。P<0.01為差異具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)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(tài)，如牙槽骨、牙齒和牙齦(圖2C、2D)。相比ACCT，PCCT能更好地展現(xiàn)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(xiàn)為牙根管內(nèi)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(qiáng)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(qiáng)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(jiàn)表1。

2.3 大鼠離體右上頜骨ACCT與PCCT的3D圖像 基于ACCT重構(gòu)的3D圖像示牙槽骨結(jié)構(gòu)表面粗糙，組織邊界輪廓欠清；而基于PCCT重構(gòu)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(jié)構(gòu)，組織間分界明顯。見(jiàn)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(jiàn)圖5、6。

3 討論

X射線穿過(guò)樣本時(shí)的相位變化敏感度高于其吸收衰減敏感度數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)，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(yōu)勢(shì)[13]。然而PCCT較小的成像視野限制了其在較大樣品中的應(yīng)用。近年來(lái)已開(kāi)展了基于傳統(tǒng)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(jìn)展。本研究比較大鼠離體上頜骨PCCT及ACCT成像特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在二維斷層圖像上，ACCT僅能顯示上頜骨整體形態(tài)，卻無(wú)法清晰顯示其軟組織結(jié)構(gòu)；而PCCT能同時(shí)高襯度地呈現(xiàn)牙槽骨硬組織和對(duì)X線弱吸收的牙齦、牙周膜軟組織結(jié)構(gòu)，清楚顯示上頜骨整體結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)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(hào)變化更大，提示其組織對(duì)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(qiáng)，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(jié)構(gòu)具有更清楚的牙齒、牙槽骨輪廓和更真實(shí)的牙齒表面紋理細(xì)節(jié)，使得PCCT在上頜骨軟硬組織成像方面更具優(yōu)勢(shì)，更適用于觀察和分析大鼠上頜骨形態(tài)及測(cè)量CEJ-ABC，在研究牙周炎大鼠上頜骨的影像學(xué)特征方面具有更大價(jià)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(qiáng)度圖和灰度直方圖 A、D.ACCT、PCCT中ROI的放大圖(紅線為勾畫(huà)的測(cè)量牙根處不同組織局部灰度強(qiáng)度變化的示意圖)； B、E.ACCT、ACCT中牙根各組織的灰度強(qiáng)度圖(綠箭：牙根；藍(lán)箭：牙根管內(nèi)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(qiáng)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(gòu)的3D圖像； B.基于PCCT重構(gòu)的3D圖像； C.A圖中黃色方框內(nèi)局部組織放大圖像； D.B圖中黃色方框內(nèi)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(shù)評(píng)估牙周炎模型大鼠離體上頜骨的影像學(xué)特征，探索PCCT對(duì)評(píng)估牙周炎模型的價(jià)值，結(jié)合3D可視化技術(shù)重建正常組和牙周炎組上頜骨3D圖像，發(fā)現(xiàn)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(fā)生病變性吸收，亦表明PCCT可用于評(píng)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(duì)大鼠上頜骨軟硬組織成像更具優(yōu)勢(shì)，對(duì)評(píng)估牙周炎大鼠模型的上頜骨具有重要價(jià)值。作為基礎(chǔ)研究，本研究存在一定不足：①僅針對(duì)離體樣本進(jìn)行成像，而未進(jìn)行活體觀察；②樣本量少，分組簡(jiǎn)單；③未進(jìn)行病理分析，有待增加樣本量進(jìn)一步深入觀察。