顯微 CT 無損成像技術(shù)在牙科研究中的應(yīng)用

引言

自 1895 年倫琴發(fā)明 X 射線以來，非侵入性成像技術(shù)在診斷醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。20 世紀(jì) 80 年代，Jim Elliott 開發(fā)了顯微 CT，最初用于實(shí)驗(yàn)性牙髓研究。隨著顯微技術(shù)的不斷發(fā)展，憑借其非破壞性 3D 分析的特點(diǎn)，顯微 CT 已成為硬組織研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要工具。它在各種牙科領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)相關(guān)主題的研究也在逐步增加。本文我們簡(jiǎn)要為大家分享顯微 CT 無損成像技術(shù)在牙科研究中的應(yīng)用。

顯微 CT 技術(shù)在牙科領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了組織工程、用于有限元分析的真實(shí)數(shù)據(jù)識(shí)別、確定牙齒中的礦物質(zhì)濃度，以及人類學(xué)研究中牙釉質(zhì)厚度、顱面骨結(jié)構(gòu)和發(fā)育的測(cè)量，同時(shí)也應(yīng)用于牙髓研究，用于評(píng)估種植體和周圍骨(見下圖)。顯微 CT 為牙髓研究提供了巨大便利，尤其是在識(shí)別牙根管形態(tài)、檢查根管準(zhǔn)備情況、評(píng)估填充物，并能在治療后進(jìn)行檢查方面發(fā)揮著重要作用。

顯微 CT 在牙科中的應(yīng)用

01 組織工程學(xué)

組織工程研究的主要目標(biāo)是在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建生物合成器官，以替代患病或損傷的組織。近年來，顯微 CT 在組織工程結(jié)構(gòu)支架的研究中扮演重要角色，主要用于表征結(jié)構(gòu)支架的構(gòu)造、體外結(jié)構(gòu)支架的破壞模式以及聚合物和磷酸鈣結(jié)構(gòu)支架中的骨生長(zhǎng)。在檢查結(jié)構(gòu)支架的破壞過程中，它能清晰顯示材料喪失的位置，這對(duì)于評(píng)估結(jié)構(gòu)變化至關(guān)重要。簡(jiǎn)言之，顯微CT 可用于研究新生組織的獲取和損失組織的確定。

在牙槽突裂治療方面，顯微 CT 進(jìn)行了?-caprolactone（金標(biāo)準(zhǔn)）、自體移植物以及添加到新濃縮膠原中的磷酸三鈣聚合物的比較研究。研究結(jié)果顯示，自體移植物具有最佳的成骨效果，而新開發(fā)的材料則展現(xiàn)出與這一標(biāo)準(zhǔn)組相近的效果，添加到膠原蛋白中的磷酸三鈣聚合物可以作為組織支架的可行選擇。

顯微 CT 觀察新骨形成。(A):0 周標(biāo)本顯示,骨缺損邊緣清晰、銳利。(B):術(shù)后 4 周標(biāo)本顯示,骨缺損區(qū)有新骨生成,成骨量約為原骨缺損的一半，骨缺損區(qū)邊緣圓鈍。(C):術(shù)后 8 周示骨缺損區(qū)有大部分新骨形成,與原牙槽嘴水平相比,僅有輕度凹陷。圖片來源于文獻(xiàn) [1].

02 有限元法(FEM)分析數(shù)據(jù)學(xué)

近年來，有限元建模(FEM)已經(jīng)成為一種廣泛用于生物力學(xué)和物理事件分析的技術(shù)。顯微 CT 可用于形成牙齒、種植體和牙齒修復(fù)體等小物體的有限元模型。

工況中牙本質(zhì) Von mises 應(yīng)力分布云圖，圖片來源于文獻(xiàn) [2].

牙齒有限元分析，圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

03 顱面骨的生長(zhǎng)發(fā)育

顯微 CT 無損成像可用于顱面骨生長(zhǎng)發(fā)育的評(píng)估。這種方法的性質(zhì)和更廣泛的用途使其成為測(cè)量骨結(jié)構(gòu)的新黃金標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。顯微 CT 成像已用于評(píng)估嚙齒動(dòng)物頜骨中牙槽骨重塑、牙周膜厚度變化以及皮質(zhì)骨和小梁骨變化。

大鼠牙槽骨顯微 CT 二維圖像（上圖）。大鼠牙槽骨顯微 CT三維圖像（下圖） ， 三維重建圖像直觀地反映大鼠牙槽骨骨小梁的改變，圖片來源于文獻(xiàn) [3].

04 牙齒中礦物質(zhì)濃度的測(cè)定

牙齒組織的礦物質(zhì)濃度可以用化學(xué)分析或接觸顯微放射照相法來測(cè)量。然而，這些方法是耗時(shí)的過程，并且對(duì)組織造成不可逆的損傷。利用顯微 CT 可以在不損傷組織的情況下，通過靈敏的測(cè)量來確定礦物質(zhì)濃度。由于該應(yīng)用中的切片厚度取決于X射線束的大小，因此可以獲得比其他方法更精細(xì)的切片(如下圖)。

顯微 CT 提供了被掃描物體的完整的三維結(jié)構(gòu)，且 X 射線不透性很好地對(duì)應(yīng)于礦物密度，非常適合檢測(cè)齲齒病變的脫礦性質(zhì)。

用顯微 CT 方法檢測(cè)，顯示礦物質(zhì)濃度，圖片來源于文獻(xiàn) [4]

05 釉質(zhì)厚度的測(cè)量

人類學(xué)研究中常用的釉質(zhì)厚度測(cè)定方法之一是切片測(cè)量，然而這種方法會(huì)對(duì)樣品造成無法逆轉(zhuǎn)的損傷。針對(duì)化石樣本切割導(dǎo)致的損失，該領(lǐng)域需要一種全新的技術(shù)。螺旋 CT 雖然可行，但分辨率低，無法提供高質(zhì)量圖像，因此已被淘汰。顯微 CT 在測(cè)量釉質(zhì)厚度方面具備所需的高靈敏度，同時(shí)又不會(huì)對(duì)樣品造成不可逆損傷。使用這一技術(shù)，不僅能確定牙釉質(zhì)厚度，還可以測(cè)量牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙髓的體積。

使用 NEOSCAN 臺(tái)式高分辨顯微 CT 以 9.8 μm 像素大小掃描一顆臼齒，顯示牙本質(zhì)和牙釉質(zhì)中存在裂紋，填充材料被腐蝕。

06 牙髓研究

牙齒解剖成像的新技術(shù)已經(jīng)采用了多種非侵入性成像方法。這些方法使樣本可用于其他研究或?yàn)橄冗M(jìn)治療程序提供控制。

傳統(tǒng)的臨床射線攝影只提供二維信息，缺乏牙齒 X 光的 3D 視角。傳統(tǒng) CT 中的厚切片會(huì)降低分辨率，圖像質(zhì)量有限。相比之下，顯微 CT 掃描提供豐富信息，切片可在多個(gè)平面重建，數(shù)據(jù)可呈現(xiàn)為 2D 或 3D 圖像，內(nèi)外解剖結(jié)構(gòu)可同時(shí)或分別顯示，并可進(jìn)行定性和定量評(píng)估,顯微 CT 在牙髓病學(xué)中已成為硬組織成像的關(guān)鍵工具。

顯微 CT 掃描牙齒根管，可視化根管內(nèi)部詳情，圖片來源于文獻(xiàn) [4]

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07 小結(jié)

隨著數(shù)字成像技術(shù)的進(jìn)步，顯微 CT 在多個(gè)領(lǐng)域，尤其是牙科研究中得到廣泛應(yīng)用。具體應(yīng)用包括但不限于：

1. 觀察正畸牙齒移動(dòng)過程中骨骼變化，評(píng)估不同方法、力模型或藥物的效果。

2. 確定牙槽骨形態(tài)和礦物質(zhì)濃度，觀察外科手術(shù)材料或方法對(duì)愈合過程的影響。

3. 測(cè)量全身活動(dòng)（如營(yíng)養(yǎng)、藥物等）對(duì)牙槽骨的影響。

4. 比較不同骨丟失情況（如牙周炎、根尖周病變）、治療方法和療程的影響。

5. 通過評(píng)估種植體穩(wěn)定性來確定骨整合情況，比較不同種植體材料和組合物的效果。

6. 通過礦物質(zhì)濃度測(cè)量不同病變的脫礦質(zhì)率。

7. 比較牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)修復(fù)中不同處理方法和材料對(duì)再礦化的影響。

8. 在牙髓學(xué)中，對(duì)根管進(jìn)行詳細(xì)成像，包括確定根管形態(tài)和再治療過程中的各個(gè)階段。

相較于其他檢測(cè)方法，顯微 CT 不僅節(jié)省時(shí)間，而且不會(huì)對(duì)樣品造成損傷,且因其三維成像能力、安全性以及高分辨特性，使其成為牙科研究的青睞的檢測(cè)手段。

關(guān)于 CT 與顯微 CT 的區(qū)別

CT 和顯微 CT 的基本區(qū)別可以通過兩個(gè)點(diǎn)來區(qū)分：

一是光源大?。篊T 為 1mm，顯微 CT 為 5-10 μm。顯微 CT 的更小光源減少了半影，使圖像更清晰。

二是工作方式：在 CT 中，X 射線源圍繞檢測(cè)樣品旋轉(zhuǎn)以形成圖像，而在顯微 CT 中，X 射線源靜止，樣品本身旋轉(zhuǎn)。穩(wěn)定的 X 射線源減少了機(jī)械振動(dòng)，提高了圖像分辨率。

顯微 CT 成像的示意圖

參考文獻(xiàn)

[1] 許悅;陳振琦;吳軍;李壬媚;劉廣鵬. SD大鼠人造牙槽突骨缺損自愈率的顯微CT評(píng)價(jià) [J]. 中國(guó)口腔頜面外科雜志, 2011, 9(2): 126-129.

[2] 杜珊珊.不同復(fù)合樹脂修復(fù)下頜第一前磨牙多類型楔狀缺損的三維有限元分析[J].浙江臨床醫(yī)學(xué),2020,(4):538-540.

[3] 代慶剛, 房兵, 張鵬, 等. 不同去勢(shì)時(shí)間大鼠牙槽骨微結(jié)構(gòu)變化的 Micro-CT 研究[J]. 上海口腔醫(yī)學(xué), 2014, 23(6): 641.

[4] Erpa?al, B., Ad?güzel, ?zkan, & Cangül, S. (2019). The use of micro-computed tomography in dental applications.  International Dental Research, 9(2), 78–91.