本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)中的一種標(biāo)記物及其用途,特別涉及基于三維重建圖像分析的定量或半定量參數(shù)作為影像生物標(biāo)記物。
背景技術(shù):
胸腰椎骨骨折經(jīng)皮椎體成形術(shù)(PVP)通過向新近發(fā)生的壓縮性骨折的椎骨注入骨水泥來固定椎骨微骨折并通過高熱(中心平均75度左右)殺死椎體內(nèi)感覺神經(jīng)末梢,從而達(dá)到解除病人痛苦和恢復(fù)功能的目的。在國際上Gakibert在1987年首次在臨床上使用PVP,而我國自1999年開始使用,因為其相對的低創(chuàng)性、低風(fēng)險、低成本、一般能夠立即和長期減除病人痛苦的優(yōu)點,已經(jīng)成為骨科中的一種常見治療手段,是治療因為壓縮性椎骨骨折而引起的劇烈疼痛甚至傷殘的首選方法。但是,目前的PVP手術(shù)操作中,醫(yī)生完全依賴于一些敘述性的經(jīng)驗規(guī)則和實時X射線影像反饋來完成操作,通常是在穿刺后向病灶內(nèi)注入1-2毫升的骨水泥,然后在C臂下觀察有無前后滲漏,視情況再注入3-6毫升,基本上是邊觀察邊注射,不知道應(yīng)該注入多少骨水泥和注入量對治療結(jié)果的影響。不同的醫(yī)生可能有不同的方式,這樣既不準(zhǔn)確也不規(guī)范。注入量太少, 達(dá)不到治療的效果,注入太多,有可能導(dǎo)致危險的滲漏,從而引發(fā)嚴(yán)重并發(fā)癥。此外, 手術(shù)中反復(fù)使用實時X射線影像給病人和治療者都帶來輻射危害。
PVP治療最大的臨床問題是骨水泥滲漏,研究報道PVP總體滲漏率為41%。某些情況下的滲漏將可能導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥,比如骨水泥進(jìn)入椎管直接造成脊髓損傷而引發(fā)病人癱瘓, 或者骨水泥在椎旁靜脈中滲漏讓骨水泥進(jìn)入血液循環(huán)從而引起肺栓塞。 過量的骨水泥還能顯著改變病變椎體鄰近椎體的載荷分布,可能造成鄰近椎體產(chǎn)生新的骨折。過少的骨水泥又達(dá)不到治療的效果。 這樣一個行之有效但又可能造成嚴(yán)重并發(fā)癥的手術(shù)已經(jīng)在臨床中使用超過20多年,但至今為止還沒有形成一個治療程序標(biāo)準(zhǔn),臨床有效性也只能被認(rèn)為在70%以上,其原因在于還沒有一個技術(shù)能夠確定特定病人的最優(yōu)骨水泥注入量和注入后骨水泥如何分布、如何連接微骨折,以及判斷這些因素對病人恢復(fù)的影響。
骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折患者個體差異大,因此,需要根據(jù)患者的個體化信息制定相應(yīng)的治療方案。目前,臨床上患者的個性化信息主要來源于影像學(xué)結(jié)果。由于椎體解剖學(xué)的特殊性,使用常規(guī)的醫(yī)學(xué)圖像很難得到清楚、直觀的圖像。骨科醫(yī)生雖然可以依靠其豐富的閱片經(jīng)驗確定椎體成形術(shù)手術(shù)參數(shù),但對手術(shù)參數(shù)的定量分析和評估仍然存在較大的難度。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種用于指導(dǎo)經(jīng)皮椎體成形術(shù)的影像生物標(biāo)記物及其用途,使骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折的影像學(xué)診斷從定性診斷階段推向定量診斷階段,能夠使得椎體成形術(shù)的術(shù)前計劃、術(shù)后預(yù)后規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是:一種用于指導(dǎo)經(jīng)皮椎體成形術(shù)的影像生物標(biāo)記物,該影像生物標(biāo)記物包括術(shù)前影像生物標(biāo)記物和術(shù)后影像生物標(biāo)記物,術(shù)前影像生物標(biāo)記物分別為:椎體壓縮程度、椎體高度、椎弓根左右徑及上下徑大小、椎體皮質(zhì)完整性;術(shù)后影像生物標(biāo)記物分別為:椎體壓縮程度、椎體高度、椎體皮質(zhì)完整性、骨水泥分布情況。
本發(fā)明采用的進(jìn)一步技術(shù)方案是:所述影像生物標(biāo)記物是通過下面方法獲得:采用CT機(jī)獲取術(shù)前和術(shù)后CT影像,進(jìn)一步運用開放源代碼軟件對CT影像完成三維重建,在三維重建過程中利用包括X射線管響應(yīng)的光學(xué)性質(zhì)模型、檢測器響應(yīng)模型、X射線物理模型以及錐形束和吸收像素的精準(zhǔn)模型來準(zhǔn)確的描述CT成像的全部過程,并在這些模型約束下極小化目標(biāo)函數(shù)來給出三維重建模型的解,進(jìn)而完成三維重建,再結(jié)合圖像增強(qiáng)、分割算法及圖像測距的圖像處理方法,分析CT截面圖像和三維重建椎體模型得的定量或半定量參數(shù)作為影像生物標(biāo)記物。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是:一種用于指導(dǎo)經(jīng)皮椎體成形術(shù)的影像生物標(biāo)記物的用途,可用于指導(dǎo)設(shè)計椎體成形術(shù)相關(guān)手術(shù)參數(shù),為手術(shù)方案提供定量的依據(jù)。
本發(fā)明用于指導(dǎo)經(jīng)皮椎體成形術(shù)的影像生物標(biāo)記物及其用途具有如下有益效果:通過三維影像重建、計算機(jī)技術(shù)分析得到影像生物標(biāo)記物,為骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折的影像學(xué)診斷從定性診斷階段推向定量診斷階段提供解決方案,通過精細(xì)到骨水泥量化問題,進(jìn)一步驗證骨水泥注入量與PVP療效之間的關(guān)系,這樣就能最大限度的減少發(fā)生嚴(yán)重并發(fā)癥的可能,降低病人和治療者對X射線輻射的曝光量。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明用于指導(dǎo)經(jīng)皮椎體成形術(shù)的影像生物標(biāo)記物及其用途作進(jìn)一步的說明。
附圖說明
圖1是采用本發(fā)明影像生物標(biāo)記物指導(dǎo)經(jīng)皮椎體成形術(shù)的試驗流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明用于指導(dǎo)經(jīng)皮椎體成形術(shù)的影像生物標(biāo)記物,該影像生物標(biāo)記物包括術(shù)前影像生物標(biāo)記物和術(shù)后影像生物標(biāo)記物,術(shù)前影像生物標(biāo)記物分別為:椎體壓縮程度、椎體高度、椎弓根左右徑及上下徑大小、椎體皮質(zhì)完整性;術(shù)后影像生物標(biāo)記物分別為:椎體壓縮程度、椎體高度、椎體皮質(zhì)完整性、骨水泥分布情況。
影像生物標(biāo)記物是通過下面方法獲得:采用CT機(jī)獲取術(shù)前和術(shù)后CT影像,進(jìn)一步運用開放源代碼軟件(比如ImageJ平臺上的3D Viewer插件擴(kuò)展包)對CT影像完成三維重建,在三維重建過程中利用包括X射線管響應(yīng)的光學(xué)性質(zhì)模型、檢測器響應(yīng)模型、X射線物理模型以及錐形束和吸收像素的精準(zhǔn)模型來準(zhǔn)確的描述CT成像的全部過程,并在這些模型約束下極小化目標(biāo)函數(shù)來給出三維重建模型的解,進(jìn)而完成三維重建,再結(jié)合圖像增強(qiáng)、分割算法及圖像測距的圖像處理方法,分析CT截面圖像和三維重建椎體模型得的定量或半定量參數(shù)作為影像生物標(biāo)記物。定量或半定量參數(shù)包括椎體壓縮程度、椎體高度、椎弓根左右徑及上下徑大小、骨皮質(zhì)完整性和凝固后骨水泥分布情況等。
本發(fā)明用于指導(dǎo)經(jīng)皮椎體成形術(shù)的影像生物標(biāo)記物的用途,可用于指導(dǎo)設(shè)計椎體成形術(shù)相關(guān)手術(shù)參數(shù),為手術(shù)方案提供定量的依據(jù)。
通過動物模型驗證三維影像生物標(biāo)記物:①基于三維重建圖像分析的定量或半定量參數(shù)作為影像生物標(biāo)記物,術(shù)前分析病椎的破壞情況,指導(dǎo)進(jìn)針及設(shè)計骨水泥相關(guān)參數(shù):穿刺角度、深度、注射壓力、速率,骨水泥量及骨水泥黏度;②在兔骨質(zhì)疏松性椎體壓縮骨折模型上模擬經(jīng)皮椎體成形術(shù);③術(shù)后評價兔行椎體成形術(shù)療效:通過組織形態(tài)學(xué)、生物力學(xué)及分子生物學(xué)等方法全面評價骨質(zhì)疏松壓縮性骨折行椎體成形術(shù)后,對機(jī)體的長期影響及轉(zhuǎn)歸提供一定的理論及實驗依據(jù)。
采用本發(fā)明影像生物標(biāo)記物指導(dǎo)經(jīng)皮椎體成形術(shù)的試驗過程如下(試驗流程圖如圖1所示):
(1)采用卵巢去勢法建立兔骨質(zhì)疏松模型,進(jìn)一步在實驗動物L(fēng)4和L5椎體上通過手術(shù)造成骨缺損。
(2)術(shù)前三維影像生物標(biāo)記:術(shù)前完成CT,收集圖像數(shù)據(jù)采用三維重建軟件(ImageJ平臺上的3D Viewer插件擴(kuò)展包)進(jìn)行處理,通過使用專用軟件生成冠狀面、矢狀面、橫斷面等多平面圖像,類似橫斷面CT的軟組織圖像,以及椎體三維重建。通過重建的三維圖像定量描述椎體壓縮程度、椎體高度、椎弓根左右徑及上下徑大小、以及椎體皮質(zhì)完整性作為術(shù)前三維影像生物標(biāo)記。進(jìn)一步設(shè)計椎體成形術(shù)相關(guān)參數(shù):穿刺角度、深度、注射壓力、速率,骨水泥量及骨水泥黏度。
(3)兔模擬PVP手術(shù):根據(jù)設(shè)計的手術(shù)參數(shù),對形成骨缺損的兔椎體行椎體成形術(shù)。
在三維影像生物標(biāo)記指導(dǎo)下,對形成骨缺損的椎體行經(jīng)皮椎體成形術(shù)。
(4)術(shù)后評價兔行椎體成形術(shù)療效:通過組織形態(tài)學(xué)、生物力學(xué)及分子生物學(xué)等方法全面評價骨質(zhì)疏松壓縮性骨折行椎體成形術(shù)后,對機(jī)體的長期影響及轉(zhuǎn)歸提供一定的理論及實驗依據(jù)。
①生物力學(xué)性能測試:軸向壓縮測試、三點彎曲測試;
②組織形態(tài)學(xué)觀察:蘇木精-伊紅染色(HE染色);
③分子生物學(xué)檢測:將椎體標(biāo)本液氮研磨后分別提取組織總蛋白和總RNA,進(jìn)一步采用Western Blot,RT-PCR檢測Collagen I、VEGF的蛋白及mRNA表達(dá)情況。
(5)修正PVP相關(guān)參數(shù):術(shù)后再次重建三維圖像,以椎體壓縮程度、椎體高度、椎體皮質(zhì)完整性以及骨水泥分布情況作為術(shù)后三維影像生物標(biāo)記。經(jīng)術(shù)前、術(shù)后三維影像生物標(biāo)記比較后修正PVP相關(guān)參數(shù)(椎弓根進(jìn)針角度、深度,骨水泥注入量、注射壓力、速率等),以期完善PVP手術(shù)方案。
我們的發(fā)明基于CT三維重建圖像的三維影像生物標(biāo)記將能夠使得椎體成形術(shù)的術(shù)前計劃、術(shù)后預(yù)后規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。