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))，記號筆標(biāo)記不同樣本同一測量點，分別采用OCT技術(shù)、3.0 T MRI、超聲測量方法，由專業(yè)技師對軟骨厚度進(jìn)行測量，比較OCT技術(shù)與其他兩種方法測量兔膝關(guān)節(jié)軟骨厚度的差異。結(jié)果同一測量點OCT技術(shù)、3.0T MRI、超聲法軟骨厚度測量數(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)測量數(shù)據(jù)比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義。單個樣本同一測量點，OCT、3.0T MRI、超聲測量平均結(jié)果獲得時間分別為(2.5±0.3)min、(6.3±0.7)min、(3.3±0.6)min。三種測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，值得在組織工程軟骨修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損動物實驗中廣泛推廣。

光學(xué)相干斷層掃描；MRI；超聲；軟骨厚度 ；動物實驗

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)軟骨缺損動物實驗中，軟骨細(xì)胞復(fù)合生物支架的厚度需要與動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必需解決的實際問題。OCT是近幾年發(fā)展起來的非侵入層析測量新技術(shù)[5,6]，本研究通過與MRI及超聲法測量軟骨厚度[7]相比，探索使用OCT無創(chuàng)測量兔膝關(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驗動物中心標(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]同一測量點關(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，測量點為環(huán)形標(biāo)記圓心處(圖1)。分別采用OCT、3.0TMRI、超聲測量法采集實驗兔雙膝關(guān)節(jié)測量點厚度數(shù)據(jù)。

1.2.1OCT測量使用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，測量組織中的軸向分辨率為5～10 μm。將待測樣本固定在儀器支架上，選擇自動對焦模式，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模式下分析測量點厚度(圖2)。

1.2.2MRI測量參照文獻(xiàn)[9]報道的MRI對兔膝關(guān)節(jié)軟骨測量方法，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超聲測量根據(jù)薛麗芳等[10]報道的超聲測厚方法，采用美國GE公司生產(chǎn)的四維彩色超聲診斷儀voluson730，測量兔膝關(guān)節(jié)軟骨測量點軟骨厚度，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，使水面剛好沒過測量點軟骨面并與之平行，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)記測量點處選取橫斷清晰的優(yōu)質(zhì)圖像，凍結(jié)圖像，測量軟骨厚度(圖3)。

圖1　兔股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨測量點標(biāo)記方法

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

圖2　OCT技術(shù)測量兔膝關(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.超聲測量兔股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨厚度；C.3.0T MRI測量兔股骨內(nèi)側(cè)髁軟骨厚大體定位；D.磁共振下軟骨成像及厚度測量

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

2　結(jié)　　果

三種測量方法獲得數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，OCT、MRI、超聲方法測量軟骨厚度結(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)測量數(shù)據(jù)比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義；超聲測量值>OCT測量值>MRI測量值；OCT、MRI、超聲測量方法的變異度分別為9.68%、16.67%、18.18%，三種測量方法單樣本所需平均時間分別為OCT (2.50±0.35) min，超聲(3.30±0.64)min，MRI (6.30±0.79)min。OCT用時最少，與超聲(t=10.788，P=0.00)、MRI測量時間差異均有統(tǒng)計學(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)動物實驗。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)軟骨缺損實驗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)軟骨缺損動物實驗中，軟骨細(xì)胞復(fù)合生物支架的厚度需要與動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必需解決的實際問題。文獻(xiàn)[7]就軟骨測量問題也進(jìn)行了較多的探索，非接觸檢測手段可以在活體上進(jìn)行測量，目前主要的非接觸性測量手段主要有超聲技術(shù)、核磁共振成像等方法[15]，這些方法同樣因為定位困難、測量不夠精確、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間或者回聲延遲時間來測量距離，反射光的強度用來標(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。有報道此項技術(shù)應(yīng)用于軟骨測量的精確度可達(dá)到0.1 μm[16]。軟骨厚度測量中的難題是軟骨-軟骨下骨邊界的確定，OCT軟骨測量技術(shù)采用的邊界檢測系統(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)、邊緣檢測和用圖形搜索進(jìn)行邊緣連接、圖像處理及配套的計算機(jī)圖形用戶界面[16]，可以選擇處理參數(shù)，檢測軟骨邊界，測量軟骨厚度，得到動物膝關(guān)節(jié)軟骨的三維數(shù)據(jù)庫。國外也曾有文獻(xiàn)報道，利用OCT技術(shù)可以非常精確地測量關(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)動物實驗的相關(guān)報道[16]。

需要指出的是，當(dāng)前關(guān)節(jié)軟骨厚度測量的金標(biāo)準(zhǔn)仍然是組織切片后顯微鏡下直接測量。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量軟骨厚度的差異，驗證了磁共振和超聲法無創(chuàng)測量關(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)測量軟骨的技術(shù)方法，與之對比探索使用OCT技術(shù)對兔膝關(guān)節(jié)負(fù)重區(qū)同一測量點進(jìn)行了厚度測量，通過實驗數(shù)據(jù)說明了OCT技術(shù)在軟骨厚度測量方面較3.0T MRI、超聲測量差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但具有精確、快速、重復(fù)性好、人為誤差小的特點，在指導(dǎo)組織工程軟骨修復(fù)兔膝關(guān)節(jié)軟骨缺損動物實驗方面有著一定的參考價值和實踐意義。

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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；100039北京，武警總醫(yī)院：2.科訓(xùn)科，3.醫(yī)學(xué)實驗中心，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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