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显微 CT 无损成像技术在牙科研究中的应用

发布时间: 2024-01-25  点击次数: 814次

引言

自 1895 年伦琴发明 X 射线以来,非侵入性成像技术在诊断医学领域产生了深远的影响。20 世纪 80 年代,Jim Elliott 开发了显微 CT,最初用于实验性牙髓研究。随着显微技术的不断发展,凭借其非破坏性 3D 分析的特点,显微 CT 已成为硬组织研究领域的一项重要工具。它在各种牙科领域得到了广泛应用,对相关主题的研究也在逐步增加。本文我们简要为大家分享显微 CT 无损成像技术在牙科研究中的应用。

显微 CT 技术在牙科领域的应用领域涵盖了组织工程、用于有限元分析的真实数据识别、确定牙齿中的矿物质浓度,以及人类学研究中牙釉质厚度、颅面骨结构和发育的测量,同时也应用于牙髓研究,用于评估种植体和周围骨(见下图)。显微 CT 为牙髓研究提供了巨大便利,尤其是在识别牙根管形态、检查根管准备情况、评估填充物,并能在治疗后进行检查方面发挥着重要作用。

显微 CT 在牙科中的应用

01 组织工程学

组织工程研究的主要目标是在实验室中构建生物合成器官,以替代患病或损伤的组织。近年来,显微 CT 在组织工程结构支架的研究中扮演重要角色,主要用于表征结构支架的构造、体外结构支架的破坏模式以及聚合物和磷酸钙结构支架中的骨生长。在检查结构支架的破坏过程中,它能清晰显示材料丧失的位置,这对于评估结构变化至关重要。简言之,显微CT 可用于研究新生组织的获取和损失组织的确定。

在牙槽突裂治疗方面,显微 CT 进行了ɛ-caprolactone(金标准)、自体移植物以及添加到新浓缩胶原中的磷酸三钙聚合物的比较研究。研究结果显示,自体移植物具有最佳的成骨效果,而新开发的材料则展现出与这一标准组相近的效果,添加到胶原蛋白中的磷酸三钙聚合物可以作为组织支架的可行选择。

显微 CT 观察新骨形成。(A):0 周标本显示,骨缺损边缘清晰、锐利。(B):术后 4 周标本显示,骨缺损区有新骨生成,成骨量约为原骨缺损的一半,骨缺损区边缘圆钝。(C):术后 8 周示骨缺损区有大部分新骨形成,与原牙槽嘴水平相比,仅有轻度凹陷。图片来源于文献 [1].

02 有限元法(FEM)分析数据学

近年来,有限元建模(FEM)已经成为一种广泛用于生物力学和物理事件分析的技术。显微 CT 可用于形成牙齿、种植体和牙齿修复体等小物体的有限元模型。

工况中牙本质 Von mises 应力分布云图

工况中牙本质 Von mises 应力分布云图,图片来源于文献 [2].

牙齿有限元分析

牙齿有限元分析,图片来源于网络

03 颅面骨的生长发育

显微 CT 无损成像可用于颅面骨生长发育的评估。这种方法的性质和更广泛的用途使其成为测量骨结构的新黄金标准技术。显微 CT 成像已用于评估啮齿动物颌骨中牙槽骨重塑、牙周膜厚度变化以及皮质骨和小梁骨变化。

大鼠牙槽骨显微 CT 二维图像(上图)。大鼠牙槽骨显微 CT三维图像(下图) , 三维重建图像直观地反映大鼠牙槽骨骨小梁的改变,图片来源于文献 [3].

04 牙齿中矿物质浓度的测定

牙齿组织的矿物质浓度可以用化学分析或接触显微放射照相法来测量。然而,这些方法是耗时的过程,并且对组织造成不可逆的损伤。利用显微 CT 可以在不损伤组织的情况下,通过灵敏的测量来确定矿物质浓度。由于该应用中的切片厚度取决于X射线束的大小,因此可以获得比其他方法更精细的切片(如下图)。

显微 CT 提供了被扫描物体的完整的三维结构,且 X 射线不透性很好地对应于矿物密度,非常适合检测龋齿病变的脱矿性质。

用显微 CT 方法检测,显示矿物质浓度

用显微 CT 方法检测,显示矿物质浓度,图片来源于文献 [4]

05 釉质厚度的测量

人类学研究中常用的釉质厚度测定方法之一是切片测量,然而这种方法会对样品造成无法逆转的损伤。针对化石样本切割导致的损失,该领域需要一种全新的技术。螺旋 CT 虽然可行,但分辨率低,无法提供高质量图像,因此已被淘汰。显微 CT 在测量釉质厚度方面具备所需的高灵敏度,同时又不会对样品造成不可逆损伤。使用这一技术,不仅能确定牙釉质厚度,还可以测量牙釉质、牙本质和牙髓的体积。


使用 NEOSCAN 台式高分辨显微 CT 以 9.8 μm 像素大小扫描一颗臼齿,显示牙本质和牙釉质中存在裂纹,填充材料被腐蚀。

06 牙髓研究

牙齿解剖成像的新技术已经采用了多种非侵入性成像方法。这些方法使样本可用于其他研究或为先进治疗程序提供控制。

传统的临床射线摄影只提供二维信息,缺乏牙齿 X 光的 3D 视角。传统 CT 中的厚切片会降低分辨率,图像质量有限。相比之下,显微 CT 扫描提供丰富信息,切片可在多个平面重建,数据可呈现为 2D 或 3D 图像,内外解剖结构可同时或分别显示,并可进行定性和定量评估,显微 CT 在牙髓病学中已成为硬组织成像的关键工具。

 

显微 CT 扫描牙齿根管,可视化根管内部详情,图片来源于文献 [4]

07 小结

随着数字成像技术的进步,显微 CT 在多个领域,尤其是牙科研究中得到广泛应用。具体应用包括但不限于:

1. 观察正畸牙齿移动过程中骨骼变化,评估不同方法、力模型或药物的效果。

2. 确定牙槽骨形态和矿物质浓度,观察外科手术材料或方法对愈合过程的影响。

3. 测量全身活动(如营养、药物等)对牙槽骨的影响。

4. 比较不同骨丢失情况(如牙周炎、根尖周病变)、治疗方法和疗程的影响。

5. 通过评估种植体稳定性来确定骨整合情况,比较不同种植体材料和组合物的效果。

6. 通过矿物质浓度测量不同病变的脱矿质率。

7. 比较牙釉质和牙本质修复中不同处理方法和材料对再矿化的影响。

8. 在牙髓学中,对根管进行详细成像,包括确定根管形态和再治疗过程中的各个阶段。

相较于其他检测方法,显微 CT 不仅节省时间,而且不会对样品造成损伤,且因其三维成像能力、安全性以及高分辨特性,使其成为牙科研究的青睐的检测手段。

关于 CT 与显微 CT 的区别

CT 和显微 CT 的基本区别可以通过两个点来区分:

一是光源大小:CT 为 1mm,显微 CT 为 5-10 μm。显微 CT 的更小光源减少了半影,使图像更清晰。

二是工作方式:在 CT 中,X 射线源围绕检测样品旋转以形成图像,而在显微 CT 中,X 射线源静止,样品本身旋转。稳定的 X 射线源减少了机械振动,提高了图像分辨率。

显微 CT 成像的示意图

显微 CT 成像的示意图

 

参考文献

[1] 许悦;陈振琦;吴军;李壬媚;刘广鹏. SD大鼠人造牙槽突骨缺损自愈率的显微CT评价 [J]. 中国口腔颌面外科杂志, 2011, 9(2): 126-129.

[2] 杜珊珊.不同复合树脂修复下颌第一前磨牙多类型楔状缺损的三维有限元分析[J].浙江临床医学,2020,(4):538-540.

[3] 代庆刚, 房兵, 张鹏, 等. 不同去势时间大鼠牙槽骨微结构变化的 Micro-CT 研究[J]. 上海口腔医学, 2014, 23(6): 641.

[4] Erpaçal, B., Adıgüzel, Özkan, & Cangül, S. (2019). The use of micro-computed tomography in dental applications.  International Dental Research, 9(2), 78–91.

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