張加廷，郭　靜，吳　美，鐘　心，高永艷，柳　川，張仲文

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光學(xué)相干斷層掃描與3.0T MRI、超聲法測(cè)量兔膝關(guān)節(jié)軟骨厚度的比較

張加廷1，郭靜2，吳美3，鐘心4，高永艷5，柳川6，張仲文7

目的探索使用光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)(optical coherence tomography，OCT)無創(chuàng)測(cè)量兔膝關(guān)節(jié)軟骨厚度的可行性。方法選擇標(biāo)準(zhǔn)化飼養(yǎng)成年雄性新西蘭大白兔40只(80膝關(guān)節(jié))，記號(hào)筆標(biāo)記不同樣本同一測(cè)量點(diǎn)，分別采用OCT技術(shù)、3.0 T MRI、超聲測(cè)量方法，由專業(yè)技師對(duì)軟骨厚度進(jìn)行測(cè)量，比較OCT技術(shù)與其他兩種方法測(cè)量兔膝關(guān)節(jié)軟骨厚度的差異。結(jié)果同一測(cè)量點(diǎn)OCT技術(shù)、3.0T MRI、超聲法軟骨厚度測(cè)量數(shù)值結(jié)果分別為(0.31±0.03)mm、(0.30±0.05)mm、(0.33±0.06)mm， OCT與超聲(t=1.995，P=0.051 )、MRI(t=1.955，P=0.054)測(cè)量數(shù)據(jù)比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。單個(gè)樣本同一測(cè)量點(diǎn)，OCT、3.0T MRI、超聲測(cè)量平均結(jié)果獲得時(shí)間分別為(2.5±0.3)min、(6.3±0.7)min、(3.3±0.6)min。三種測(cè)量方法的精確度分別為0.001 mm、0.01 mm、0.01 mm。結(jié)論光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)測(cè)量兔膝關(guān)節(jié)軟骨厚度具有精確、快速、重復(fù)性好、人為誤差小的特點(diǎn)，值得在組織工程軟骨修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中廣泛推廣。

光學(xué)相干斷層掃描；MRI；超聲；軟骨厚度 ；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

關(guān)節(jié)軟骨損傷是一種常見病[1]。多層生物復(fù)合材料誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞移植修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損是當(dāng)前軟骨缺損修復(fù)重要的研究領(lǐng)域和發(fā)展方向[2]。在多層生物復(fù)合材料修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，軟骨細(xì)胞復(fù)合生物支架的厚度需要與動(dòng)物缺損處軟骨厚度相匹配，以保證細(xì)胞支架植入后最小限度發(fā)生形變，為軟骨細(xì)胞的穩(wěn)定生長、分化提供相對(duì)穩(wěn)定的微環(huán)境[3，4]。如何采用無創(chuàng)方法確定擬構(gòu)建軟骨缺損區(qū)軟骨的厚度就成為一個(gè)必需解決的實(shí)際問題。OCT是近幾年發(fā)展起來的非侵入層析測(cè)量新技術(shù)[5,6]，本研究通過與MRI及超聲法測(cè)量軟骨厚度[7]相比，探索使用OCT無創(chuàng)測(cè)量兔膝關(guān)節(jié)軟骨厚度的可行性。

1　材料與方法

1.1一般材料選擇我院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心標(biāo)準(zhǔn)化飼養(yǎng)成年雄性新西蘭大白兔40只，體重(2.33±0.09)kg，測(cè)量兔雙側(cè)膝關(guān)節(jié)股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨負(fù)重區(qū)[8]同一測(cè)量點(diǎn)關(guān)節(jié)軟骨厚度(80膝關(guān)節(jié))。

1.2方法根據(jù)文獻(xiàn)[8]報(bào)道的兔膝關(guān)節(jié)軟骨負(fù)重區(qū)，與股骨軸線成90°方向記號(hào)筆標(biāo)記后用直徑2 mm環(huán)鉆于股骨內(nèi)側(cè)髁做一標(biāo)記，內(nèi)外方向上使環(huán)形標(biāo)記位于股骨內(nèi)側(cè)髁中點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)為環(huán)形標(biāo)記圓心處(圖1)。分別采用OCT、3.0TMRI、超聲測(cè)量法采集實(shí)驗(yàn)兔雙膝關(guān)節(jié)測(cè)量點(diǎn)厚度數(shù)據(jù)。

1.2.1OCT測(cè)量使用OCT機(jī)為ZEISS CirrusTMHD-OCT Model 4000(Cirrus HD-OCT 或 Cirrus)，每秒A掃描次數(shù)分別為 27 000 次和 400次，測(cè)量組織中的軸向分辨率為5～10 μm。將待測(cè)樣本固定在儀器支架上，選擇自動(dòng)對(duì)焦模式，掃描模式為anterior segment，矩陣512×128，在Acquire模式下采集厚度數(shù)據(jù)，在Analyze模式下分析測(cè)量點(diǎn)厚度(圖2)。

1.2.2MRI測(cè)量參照文獻(xiàn)[9]報(bào)道的MRI對(duì)兔膝關(guān)節(jié)軟骨測(cè)量方法，采用德國西門子公司3.0T TrioTim超導(dǎo)磁共振掃描儀檢查，15 通道膝關(guān)節(jié)表面線圈。使用Siemens1.5T超導(dǎo)型磁共振機(jī)。掃描

線圈:17 cm CP Flex Small和21 cm CPFlex Large。掃描序列: FLASH- FS- T1WI, TR/TE/FA= 669 ms/11 ms/60°,矩陣512× 512,層厚1.08 mm,間隔0.3 mm；3D-FISP-FS-T2WI:TR/TE/FA= 38 ms/10 ms/40°,矩陣512×512,層厚1.5 mm，無間隔(圖3)。

1.2.3超聲測(cè)量根據(jù)薛麗芳等[10]報(bào)道的超聲測(cè)厚方法，采用美國GE公司生產(chǎn)的四維彩色超聲診斷儀voluson730，測(cè)量兔膝關(guān)節(jié)軟骨測(cè)量點(diǎn)軟骨厚度，探頭頻率 5～12 MHz。 選用儀器內(nèi)置肌骨條件，將股骨髁置于水盤中，使水面剛好沒過測(cè)量點(diǎn)軟骨面并與之平行，探頭置于股骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面前方，做系列橫斷掃查，全面觀察軟骨，在標(biāo)記測(cè)量點(diǎn)處選取橫斷清晰的優(yōu)質(zhì)圖像，凍結(jié)圖像，測(cè)量軟骨厚度(圖3)。

圖1　兔股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨測(cè)量點(diǎn)標(biāo)記方法

A.沿股骨干常軸側(cè)方固定樣本；B.在股骨髁上中點(diǎn)與股骨干長軸呈90°方向標(biāo)記測(cè)量點(diǎn)

圖2　OCT技術(shù)測(cè)量兔膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)股骨髁厚度

圖3　磁共振與超聲軟骨測(cè)量比較

A.超聲下觀察兔膝關(guān)節(jié)軟骨(白色箭頭指示柳葉狀影為軟骨層)；B.超聲測(cè)量兔股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨厚度；C.3.0T MRI測(cè)量兔股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨厚大體定位；D.磁共振下軟骨成像及厚度測(cè)量

1.3數(shù)據(jù)獲得OCT采集圖像由計(jì)算機(jī)軟件處理并進(jìn)行厚度分析，操作技師根據(jù)掃描圖像，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成軟骨與空氣、軟骨與軟骨下骨邊界線，獲得測(cè)量點(diǎn)的厚度數(shù)據(jù)；MRI測(cè)量由影像科兩位具有副主任醫(yī)師職稱的醫(yī)師對(duì)同一樣本分別測(cè)量，取平均值獲得厚度數(shù)據(jù)；超聲測(cè)量由超聲科兩位高年資醫(yī)師分別對(duì)樣本測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并取平均值獲得測(cè)量數(shù)據(jù)。

2　結(jié)　　果

三種測(cè)量方法獲得數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，OCT、MRI、超聲方法測(cè)量軟骨厚度結(jié)果分別為(0.31±0.03)mm、(0.30±0.05)mm、(0.33±0.06)mm。OCT與超聲(t=1.995，P=0.051 )、MRI(t=1.955，P=0.054)測(cè)量數(shù)據(jù)比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；超聲測(cè)量值>OCT測(cè)量值>MRI測(cè)量值；OCT、MRI、超聲測(cè)量方法的變異度分別為9.68%、16.67%、18.18%，三種測(cè)量方法單樣本所需平均時(shí)間分別為OCT (2.50±0.35) min，超聲(3.30±0.64)min，MRI (6.30±0.79)min。OCT用時(shí)最少，與超聲(t=10.788，P=0.00)、MRI測(cè)量時(shí)間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=41.681，P=0.00)。

3　討　　論

近年來，軟骨組織工程飛速發(fā)展，并被證明是目前修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損較為有效和安全的方式，也是國內(nèi)外在軟骨方面研究的熱點(diǎn)問題。當(dāng)前，組織工程修復(fù)軟骨缺損的目標(biāo)是通過復(fù)合膠原膜支架、脫細(xì)胞仿生支架等細(xì)胞載體與軟骨細(xì)胞或干細(xì)胞體外培養(yǎng)后移植于軟骨缺損區(qū)域，使再生軟骨為最大限度接近健康軟骨的透明軟骨。在研究這些治療方法的過程中，動(dòng)物模型的構(gòu)建是必不可少的。新西蘭大白兔被廣泛應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。但是目前不同國家、地區(qū)的研究者在研究組織工程軟骨修復(fù)兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺損實(shí)驗(yàn)中采用的搭載軟骨細(xì)胞支架材料厚薄不一[11-14]，難以進(jìn)行有說服力的橫向比較。多層生物復(fù)合材料修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，軟骨細(xì)胞復(fù)合生物支架的厚度需要與動(dòng)物缺損處軟骨厚度相匹配，以保證細(xì)胞支架植入后最小限度發(fā)生形變，為軟骨細(xì)胞的穩(wěn)定生長、分化提供相對(duì)穩(wěn)定的微環(huán)境。如何采用無創(chuàng)方法確定擬構(gòu)建軟骨缺損區(qū)軟骨的厚度就成為一個(gè)必需解決的實(shí)際問題。文獻(xiàn)[7]就軟骨測(cè)量問題也進(jìn)行了較多的探索，非接觸檢測(cè)手段可以在活體上進(jìn)行測(cè)量，目前主要的非接觸性測(cè)量手段主要有超聲技術(shù)、核磁共振成像等方法[15]，這些方法同樣因?yàn)槎ㄎ焕щy、測(cè)量不夠精確、人為因素干擾大、成本較高等因素的限制難以得到大樣本的客觀數(shù)據(jù)。

OCT是一項(xiàng)當(dāng)前廣泛應(yīng)用于眼底及角膜檢查的技術(shù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。此項(xiàng)技術(shù)是利用超短波光脈沖或者低相干光線從樣本上被折射回來的時(shí)間或者回聲延遲時(shí)間來測(cè)量距離，反射光的強(qiáng)度用來標(biāo)繪深度，光線掃描樣本來產(chǎn)生二維或三維的數(shù)據(jù)集。有報(bào)道此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于軟骨測(cè)量的精確度可達(dá)到0.1 μm[16]。軟骨厚度測(cè)量中的難題是軟骨-軟骨下骨邊界的確定，OCT軟骨測(cè)量技術(shù)采用的邊界檢測(cè)系統(tǒng)包括用以提高圖像質(zhì)量和減少斑紋的自適應(yīng)濾波技術(shù)、邊緣檢測(cè)和用圖形搜索進(jìn)行邊緣連接、圖像處理及配套的計(jì)算機(jī)圖形用戶界面[16]，可以選擇處理參數(shù)，檢測(cè)軟骨邊界，測(cè)量軟骨厚度，得到動(dòng)物膝關(guān)節(jié)軟骨的三維數(shù)據(jù)庫。國外也曾有文獻(xiàn)報(bào)道，利用OCT技術(shù)可以非常精確地測(cè)量關(guān)節(jié)軟骨厚度，但目前國內(nèi)外研究還沒有給出利用OCT技術(shù)指導(dǎo)兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道[16]。

需要指出的是，當(dāng)前關(guān)節(jié)軟骨厚度測(cè)量的金標(biāo)準(zhǔn)仍然是組織切片后顯微鏡下直接測(cè)量。在前期的研究中，國內(nèi)外學(xué)者通過比較磁共振和超聲法與組織切片法測(cè)量軟骨厚度的差異，驗(yàn)證了磁共振和超聲法無創(chuàng)測(cè)量關(guān)節(jié)軟骨厚度的可靠性和可行性。本研究參考國內(nèi)外應(yīng)用3.0T MRI、超聲技術(shù)測(cè)量軟骨的技術(shù)方法，與之對(duì)比探索使用OCT技術(shù)對(duì)兔膝關(guān)節(jié)負(fù)重區(qū)同一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行了厚度測(cè)量，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了OCT技術(shù)在軟骨厚度測(cè)量方面較3.0T MRI、超聲測(cè)量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但具有精確、快速、重復(fù)性好、人為誤差小的特點(diǎn)，在指導(dǎo)組織工程軟骨修復(fù)兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺損動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方面有著一定的參考價(jià)值和實(shí)踐意義。

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(2015-12-25收稿2016-03-18修回)

(責(zé)任編輯尤偉杰)

Comparison of optical coherence tomography with 3.0 TMRI and ultrasonic pachymetry for thickness measurement of rabbit knee joint cartilage

ZHANG Jiating1，GUO jing2, WU Mei3, ZHONG Xin4，GAO Yongyan5,LIU Chuan6,and ZHANG Zhongwen7.

1.Current Master Degree Students of Logistics University of People’s Armed Police Force, Tianjin 300309 , China. 2. Department of Scientific Research Office, 3.Department of Medical Experimental Center, 4. Department of MRI Center, 5.Department of Oltrasoun,6.Department of Ophthalmology,7.Department of Orthopeadics, General Hospital of Chinese People’s Armed Police Force,Beijing 100039 , China

ObjectiveTo verify the feasibility of optical coherence tomography(OCT) for thickness measurement of rabbit knee joint cartilage as a non-invasive measurement method via comparing with 3.0 T MRI and ultrasonic pachymetry. Methods40 standardized culturea, adult and male New Zealand white rabbits were recruited for this study(80 knees). Ultrafine probe was used to mark measurement point. Using OCT, 3.0 T MRI and ultrasonic techniques, cartilage thickness data were obtained at the same point,respectively. The difference between OCT and the other two methods was compared. ResultsThe numerical results of OCT, 3.0 T MRI, ultrasonic pachymetry measurement method of cartilage thickness were(0.31±0.03)mm,(0.30±0.05)mm,(0.33±0.06)mm,respectively, without statistically significant difference (OCT- ultrasonict=1.995，P=0.051,OCT-MRIt=1.955，P=0.054). And the time required were(2.5±0.3)min、(6.3±0.7)min、(3.3±0.6)min, respectively. The accuracy of the three measuring methods were 0.001 mm, 0.01 mm and 0.01 mm. ConclusionsCompared with 3.0 TMRI and ultrasonic pachymetry, OCT measurement of rabbit knee joint cartilage thickness has the advantages of precision, time-saving, good repeatability, low cost ,and human error small, worthy of animal experimental practice.

optical coherence tomography; MRI; ultrasonic pachymetry; cartilage thickness; animal experiment

張加廷，碩士研究生。

1.300309天津，武警后勤學(xué)院研究生管理大隊(duì)；100039北京，武警總醫(yī)院：2.科訓(xùn)科，3.醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，4.核磁共振中心，5.超聲科，6.眼科，7.骨科

張仲文，E-mail：zhang6816151@163.com

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