引用本文
张加廷, 郭静, 吴美, 钟心, 高永艳, 柳川, 张仲文. 光学相干断层扫描与3.0T MRI、超声法测量兔膝关节软骨厚度的比较[J]. 武警医学, 2016,27(5): 472-475
ZHANG Jiating, GUO jing, WU Mei, ZHONG Xin, GAO Yongyan, LIU Chuan, ZHANG Zhongwen. Comparison of optical coherence tomography with 3.0 TMRI and ultrasonic pachymetry for thickness measurement of rabbit knee joint cartilage[J]. Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces, 2016,27(5): 472-475  
Permissions
Copyright©2016, 《武警医学》编辑部
《武警医学》编辑部 所有
光学相干断层扫描与3.0T MRI、超声法测量兔膝关节软骨厚度的比较
张加廷1, 郭静2, 吴美3, 钟心4, 高永艳5, 柳川6, 张仲文7
1.300309 天津,武警后勤学院研究生管理大队
100039北京,武警总医院:2.科训科,3.医学实验中心,4.核磁共振中心,5.超声科,6.眼科,7.骨科
通讯作者:张仲文,E-mail:zhang6816151@163.com

作者简介:张加廷,硕士研究生。

收稿日期: 2015-12-25
摘要

目的 探索使用光学相干断层扫描技术(optical coherence tomography,OCT)无创测量兔膝关节软骨厚度的可行性。方法 选择标准化饲养成年雄性新西兰大白兔40只(80膝关节),记号笔标记不同样本同一测量点,分别采用OCT技术、3.0 T MRI、超声测量方法,由专业技师对软骨厚度进行测量,比较OCT技术与其他两种方法测量兔膝关节软骨厚度的差异。结果 同一测量点OCT技术、3.0T MRI、超声法软骨厚度测量数值结果分别为(0.31±0.03)mm、(0.30±0.05)mm、(0.33±0.06)mm, OCT与超声( t=1.995, P=0.051 )、MRI( t=1.955, P=0.054)测量数据比较差异无统计学意义。单个样本同一测量点,OCT、3.0T MRI、超声测量平均结果获得时间分别为(2.5±0.3)min、(6.3±0.7)min、(3.3±0.6)min。三种测量方法的精确度分别为0.001 mm、0.01 mm、0.01 mm。结论 光学相干断层扫描技术测量兔膝关节软骨厚度具有精确、快速、重复性好、人为误差小的特点,值得在组织工程软骨修复关节软骨缺损动物实验中广泛推广。

关键词: 光学相干断层扫描; MRI; 超声; 软骨厚度; 动物实验
中图分类号:R445.2
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, 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
Abstract

Objective To 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.Methods 40 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.Results The 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- ultrasonic t=1.995, P=0.051,OCT-MRI t=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.Conclusions Compared 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.

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

关节软骨损伤是一种常见病[1]。多层生物复合材料诱导的软骨细胞移植修复关节软骨缺损是当前软骨缺损修复重要的研究领域和发展方向 [2]。在多层生物复合材料修复关节软骨缺损动物实验中, 软骨细胞复合生物支架的厚度需要与动物缺损处软骨厚度相匹配, 以保证细胞支架植入后最小限度发生形变, 为软骨细胞的稳定生长、分化提供相对稳定的微环境[3, 4]。如何采用无创方法确定拟构建软骨缺损区软骨的厚度就成为一个必需解决的实际问题。OCT是近几年发展起来的非侵入层析测量新技术[5, 6], 本研究通过与MRI及超声法测量软骨厚度[7]相比, 探索使用OCT无创测量兔膝关节软骨厚度的可行性。

1 材料与方法
1.1 一般材料

选择我院实验动物中心标准化饲养成年雄性新西兰大白兔40只, 体重(2.33± 0.09)kg, 测量兔双侧膝关节股骨内侧髁软骨负重区[8]同一测量点关节软骨厚度(80膝关节)。

1.2 方法

根据文献[8]报道的兔膝关节软骨负重区, 与股骨轴线成90° 方向记号笔标记后用直径2 mm环钻于股骨内侧髁做一标记, 内外方向上使环形标记位于股骨内侧髁中点, 测量点为环形标记圆心处(图1)。分别采用OCT、3.0TMRI、超声测量法采集实验兔双膝关节测量点厚度数据。

图1 兔股骨内侧髁软骨测量点标记方法
A.沿股骨干常轴侧方固定样本; B.在股骨髁上中点与股骨干长轴呈90° 方向标记测量点

1.2.1 OCT测量 使用OCT机为ZEISS CirrusTM HD-OCT Model 4000(Cirrus HD-OCT 或 Cirrus), 每秒A扫描次数分别为 27 000 次和 400次, 测量组织中的轴向分辨率为510 μ m。将待测样本固定在仪器支架上, 选择自动对焦模式, 扫描模式为anterior segment, 矩阵512× 128, 在Acquire模式下采集厚度数据, 在Analyze模式下分析测量点厚度(图2)。

图2 OCT技术测量兔膝关节内侧股骨髁厚度
A.OCT条件下定位测量点; B.软骨测量点的二维成像; C.软骨测量点的三维成像

1.2.2 MRI测量 参照文献[9]报道的MRI对兔膝关节软骨测量方法, 采用德国西门子公司3.0T TrioTim超导磁共振扫描仪检查, 15 通道膝关节表面线圈。使用Siemens1.5T超导型磁共振机。扫描线圈:17 cm CP Flex Small和21 cm CPFlex Large。扫描序列: FLASH- FS- T1WI, TR/TE/FA= 669 ms/11 ms/60° , 矩阵512× 512, 层厚1.08 mm, 间隔0.3 mm; 3D-FISP-FS-T2WI:TR/TE/FA= 38 ms/10 ms/40° , 矩阵512× 512, 层厚1.5 mm, 无间隔(图3)。

图3 磁共振与超声软骨测量比较
A.超声下观察兔膝关节软骨(白色箭头指示柳叶状影为软骨层); B.超声测量兔股骨内侧髁软骨厚度; C.3.0T MRI测量兔股骨内侧髁软骨厚大体定位; D.磁共振下软骨成像及厚度测量

1.2.3 超声测量 根据薛丽芳等[10]报道的超声测厚方法, 采用美国GE公司生产的四维彩色超声诊断仪voluson730, 测量兔膝关节软骨测量点软骨厚度, 探头频率 512 MHz。 选用仪器内置肌骨条件, 将股骨髁置于水盘中, 使水面刚好没过测量点软骨面并与之平行, 探头置于股骨远端关节面前方, 做系列横断扫查, 全面观察软骨, 在标记测量点处选取横断清晰的优质图像, 冻结图像, 测量软骨厚度(图3)。

1.3 数据获得

OCT采集图像由计算机软件处理并进行厚度分析, 操作技师根据扫描图像, 由计算机自动生成软骨与空气、软骨与软骨下骨边界线, 获得测量点的厚度数据; MRI测量由影像科两位具有副主任医师职称的医师对同一样本分别测量, 取平均值获得厚度数据; 超声测量由超声科两位高年资医师分别对样本测量点进行测量并取平均值获得测量数据。

1.4 统计学处理

采用SPSS 20.0软件, 计量资料以 x̅± s表示, 计量资料比较采用两样本均数比较的t检验, P< 0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

三种测量方法获得数据符合正态分布, OCT、MRI、超声方法测量软骨厚度结果分别为(0.31± 0.03)mm、(0.30± 0.05)mm、(0.33± 0.06)mm。OCT与超声(t=1.995, P=0.051 )、MRI(t=1.955, P=0.054)测量数据比较差异无统计学意义; 超声测量值> OCT测量值> MRI测量值; OCT、MRI、超声测量方法的变异度分别为9.68%、16.67%、18.18%, 三种测量方法单样本所需平均时间分别为OCT (2.50± 0.35) min, 超声(3.30± 0.64)min, MRI (6.30± 0.79)min。OCT用时最少, 与超声(t=10.788, P=0.00)、MRI测量时间差异均有统计学意义(t=41.681, P=0.00)。

3 讨 论

近年来, 软骨组织工程飞速发展, 并被证明是目前修复关节软骨缺损较为有效和安全的方式, 也是国内外在软骨方面研究的热点问题。当前, 组织工程修复软骨缺损的目标是通过复合胶原膜支架、脱细胞仿生支架等细胞载体与软骨细胞或干细胞体外培养后移植于软骨缺损区域, 使再生软骨为最大限度接近健康软骨的透明软骨。在研究这些治疗方法的过程中, 动物模型的构建是必不可少的。新西兰大白兔被广泛应用于膝关节软骨缺损修复动物实验。但是目前不同国家、地区的研究者在研究组织工程软骨修复兔膝关节软骨缺损实验中采用的搭载软骨细胞支架材料厚薄不一[11, 12, 13, 14], 难以进行有说服力的横向比较。多层生物复合材料修复关节软骨缺损动物实验中, 软骨细胞复合生物支架的厚度需要与动物缺损处软骨厚度相匹配, 以保证细胞支架植入后最小限度发生形变, 为软骨细胞的稳定生长、分化提供相对稳定的微环境。如何采用无创方法确定拟构建软骨缺损区软骨的厚度就成为一个必需解决的实际问题。文献[7]就软骨测量问题也进行了较多的探索, 非接触检测手段可以在活体上进行测量, 目前主要的非接触性测量手段主要有超声技术、核磁共振成像等方法[15], 这些方法同样因为定位困难、测量不够精确、人为因素干扰大、成本较高等因素的限制难以得到大样本的客观数据。

OCT是一项当前广泛应用于眼底及角膜检查的技术, 在医学领域有非常广泛的应用。此项技术是利用超短波光脉冲或者低相干光线从样本上被折射回来的时间或者回声延迟时间来测量距离, 反射光的强度用来标绘深度, 光线扫描样本来产生二维或三维的数据集。有报道此项技术应用于软骨测量的精确度可达到0.1 μ m[16]。软骨厚度测量中的难题是软骨-软骨下骨边界的确定, OCT软骨测量技术采用的边界检测系统包括用以提高图像质量和减少斑纹的自适应滤波技术、边缘检测和用图形搜索进行边缘连接、图像处理及配套的计算机图形用户界面[16], 可以选择处理参数, 检测软骨边界, 测量软骨厚度, 得到动物膝关节软骨的三维数据库。国外也曾有文献报道, 利用OCT技术可以非常精确地测量关节软骨厚度, 但目前国内外研究还没有给出利用OCT技术指导兔膝关节软骨缺损修复动物实验的相关报道[16]。

需要指出的是, 当前关节软骨厚度测量的金标准仍然是组织切片后显微镜下直接测量。在前期的研究中, 国内外学者通过比较磁共振和超声法与组织切片法测量软骨厚度的差异, 验证了磁共振和超声法无创测量关节软骨厚度的可靠性和可行性。本研究参考国内外应用3.0T MRI、超声技术测量软骨的技术方法, 与之对比探索使用OCT技术对兔膝关节负重区同一测量点进行了厚度测量, 通过实验数据说明了OCT技术在软骨厚度测量方面较3.0T MRI、超声测量差异无统计学意义, 但具有精确、快速、重复性好、人为误差小的特点, 在指导组织工程软骨修复兔膝关节软骨缺损动物实验方面有着一定的参考价值和实践意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Marcacci M, Filardo G, Kon E. Treatment of cartilage lesions: what works and why?[J]. Injury, 2013, 44: S11-S15. [本文引用:1]
[2] Kon E, Delcogliano M, Filardo G, et al. Novel nanocomposite multilayered biomaterial for osteochondral regeneration: a pilot clinical trial[J]. Am J Sports Med, 2011, 39(6): 1180-1190. [本文引用:1]
[3] Kuyinu E L, Narayanan G, Nair L S, et al. Animal models of osteoarthritis: classification, update, and measurement of outcomes[J]. J Orthop Surg Res, 2016, 11(1): 19. [本文引用:1]
[4] Lee J W, Ahn G, Kim J Y, et al. Evaluating cell proliferation based on internal pore size and 3D scaffold architecture fabricated using solid freeform fabrication technology[J]. J Mater Sci Mater Med, 2010, 21(12): 3195-3205. [本文引用:1]
[5] 孙延奎. 光学相干层析医学图像处理及其应用[J]. 光学精密工程, 2014, 4(2): 1086-1104. [本文引用:1]
[6] Rogowska J, Bryant C M, Brezinski M E. Cartilage thickness measurements from optical coherence tomography[J]. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis, 2003, 20(2): 357-367. [本文引用:1]
[7] Ohashi S, Ohnishi I, Matsumoto T, et al. Measurement of articular cartilage thickness using a three-dimensional image reconstructed from B-mode ultrasonography mechanical scans feasibility study by comparison with MRI-derived data[J]. Ultrasound Med Biol, 2012, 38(3): 402-411. [本文引用:2]
[8] Tochigi Y, Buckwalter J A, Brown T D. Toward improved clinical relevance of cartilage insult models in the rabbit knee: surgical access to the habitual weight-bearing region[J]. Iowa Orthop J, 2013, 33: 196-201. [本文引用:1]
[9] Laurent D, Wasvary J, O'Byrne E, et al. In vivo qualitative assessments of articular cartilage in the rabbit knee with high-resolution MRI at 3 T[J]. Magn Reson Med, 2003, 50(3): 541-549. [本文引用:1]
[10] 薛利芳, 王元利, 卢艳丽, 等. 正常成年人股骨远端关节软骨厚度的超声测量[J]. 临床影响技术, 2014, 29(11): 154-156. [本文引用:1]
[11] Jansen E J, Emans P J, Van Rhijn L W, et al. Development of partial-thickness articular cartilage injury in a rabbit model[J]. Clin Orthop Relat Res, 2008, 466(2): 487-494. [本文引用:1]
[12] Tuncay I C, Ozdemir B H, Demir H, et al. Pedunculated synovium grafts in articular cartilage defects in rabbits[J]. J Invest Surg, 2005, 18(3): 115-122. [本文引用:1]
[13] Tanideh N, Dehghani Nazhvani S, Mojtahed Jaberi F, et al. The healing effect of bioglue in articular cartilage defect of femoral condyle in experimental rabbit model[J]. Iran Red Crescent Med J, 2011, 13(9): 629-633. [本文引用:1]
[14] 张维杰, 连芩, 李涤尘, 等. 基于3-D 打印技术的软骨修复及软骨下骨重建[J]. 中国修复重建外科杂志, 2014, 28(3): 318-324 [本文引用:1]
[15] Ohashi S, Ohnishi I, Matsumoto T. Measurement of articular cartilage thickness using a three-dimensional image reconstructed from B-mode ultrasonography mechanical scans feasibility study by comparison with MRI-derived data[J]. Ultrasound Med Biol, 2012, 38(3): 402-411. [本文引用:1]
[16] Cernohorsky P, Kok A C, Bruin D M, et al. Comparison of optical coherence tomography and histopathology in quantitative assessment of goat talus articular cartilage[J]. Acta Orthop, 2015, 86(2): 257-263. [本文引用:3]