micro-CT對于診斷中耳結(jié)構(gòu)畸形的應(yīng)用

董雅寧 王述立 叢金凱 張小川 孔令聰 鄭體花

1 濱州醫(yī)學(xué)院特殊教育學(xué)院 山東 煙臺 264003; 2 濱州醫(yī)學(xué)院第二臨床醫(yī)學(xué)院 山東 煙臺 264003

目前，全世界聽力損失患者已超過15億人。遺傳是引起耳聾的最主要因素，約占50%～70%。綜合征性耳聾常伴肌肉骨骼異常、眼部及神經(jīng)病變等。中耳及內(nèi)耳發(fā)育畸形是導(dǎo)致聽力損失的重要因素之一[1]。以往研究基因缺陷導(dǎo)致的聽力損失動物模型時，普遍應(yīng)用組織切片染色方法，如蘇木素伊紅(HE)染色來診斷小鼠的中耳及內(nèi)耳的結(jié)構(gòu)病變。

除遺傳因素外，中耳炎也是引起耳聾的主要因素，其發(fā)病因素多樣。顳骨巖部相對于中矢狀線的角度和咽鼓管-中耳腔的通氣角可能是中耳炎發(fā)病過程中的因素之一[1]。在中耳炎易感小鼠中可觀察到咽鼓管骨部夾角變大[2]。咽鼓管長度和中耳腔體積異常也是中耳炎患病的誘因[2]。

本研究使用微型電腦斷層掃描(micro-computed tomography，micro-CT)及mimics等三維重建軟件，重建了清晰的C57BL6/J小鼠中耳及內(nèi)耳模型，并測量出C57BL6/J小鼠咽鼓管骨部夾角、咽鼓管骨性部分長度和中耳腔體積，對于后續(xù)的中耳畸形動物模型提供了參考測量方法。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗動物 選取6只生長發(fā)育狀況良好的同窩三月齡C57BL6/J雄鼠。為了便于拍攝，本研究隨機將小鼠分成A組和B組，每組3只。A組保留中耳和內(nèi)耳在顱骨內(nèi)，用于觀察中耳及內(nèi)耳在整個頭骨中的相對位置以及測量咽鼓管骨部夾角。B組取出右側(cè)中耳及內(nèi)耳(中耳和內(nèi)耳不分離)，用于測量咽鼓管骨性部分長度及中耳腔體積。

1.1.2 儀器 使用美國Perkin Elmer公司生產(chǎn)的Quantum GX小動物活體micro-CT儀器進行掃描。

1.1.3 數(shù)據(jù)處理軟件 圖像的3D重建使用Mimics 21.0交互式醫(yī)學(xué)影像處理軟件(比利時，Materialise公司)。

1.2 方法

1.2.1 中耳及內(nèi)耳的取材 使用過量的10%水合氯醛麻醉小鼠，斷頭。小心去除A組小鼠頭部的皮毛、肌肉、眼球等多余組織，完整保留中耳和內(nèi)耳在顱骨內(nèi)。將B組小鼠的中耳及內(nèi)耳完整取出，修整干凈，置于4%多聚甲醛固定24 h。

1.2.2 樣本的掃描 將樣本大致擺好位置，固定到micro-CT機器上，通過預(yù)覽按鈕進行樣本的位置調(diào)節(jié)，讓樣本處于儀器掃描范圍的中間，然后進行拍攝。從矢狀面、冠狀面、橫截面三個不同方位進行樣本掃描成像。CT掃描參數(shù)為電壓70 KV，電流為100 μA，掃描模式為標(biāo)準(zhǔn)模式，掃描時間為15 min，掃描視野(FOV)為36 mm×36 mm，像素大小為72 μm。掃描圖像以DICOM格式保存。

1.2.3 DICOM數(shù)據(jù)處理及3D重建 將DICOM格式文件導(dǎo)入Mimics 21.0軟件，根據(jù)micro-CT圖像上聽小骨及其他解剖學(xué)特征在矢狀面上的位置，分層描繪出中耳腔范圍，然后結(jié)合冠狀面和水平面，進一步修改完善后得到中耳腔容積的初步蒙版a。界定中耳及內(nèi)耳閾值在1 100 ～6 085 HU之間，使用閾值工具得到中耳及內(nèi)耳的蒙版b。使用區(qū)域增長工具分別將蒙版a和蒙版b進行優(yōu)化處理，然后將兩個優(yōu)化后的蒙版運用布爾運算方法處理，得到蒙版c。將蒙版c進行光滑處理和智能填充，得到最終的中耳腔內(nèi)容物模型，然后在屬性選項中得出中耳腔體積。

1.2.4 咽鼓管骨部夾角和骨性部分長度的測量方法 A組使用Mimics 21.0軟件構(gòu)建出3D圖像，沿著咽鼓管骨部的走向畫出輔助線，使用菜單欄-measure-angle工具測量出咽鼓管骨部夾角，每個樣本測量3次，取均值，視為單個樣本的咽鼓管骨部夾角。測量完成組內(nèi)所有樣本后，將數(shù)據(jù)記錄，用于后續(xù)的統(tǒng)計分析。B組使用菜單欄-measure-distance工具測量出咽鼓管骨性部分長度，測量和統(tǒng)計方法同A組。

2 結(jié)果

2.1 小鼠咽鼓管的骨部夾角測量結(jié)果 本研究使用A組樣本進行掃描及3D重建，將原始掃描圖像(圖1A)導(dǎo)入Mimics 21.0軟件處理，得到3D重建圖像(圖1B)。本研究可觀察到中耳及內(nèi)耳在整個頭顱內(nèi)的二維和三維空間位置，同時通過描繪的咽鼓管骨部夾角參考線(圖1B)，以紅色虛線表示，測量出咽鼓管的角度為(99.93±1.05)°。

A.原始掃描圖像；B.3D重建圖像。紅色矩形框標(biāo)注中耳及內(nèi)耳位置，X、Y、Z軸表示工作坐標(biāo)系(WCS)。

2.2 小鼠咽鼓管的骨性部分長度測量結(jié)果 本研究使用B組樣本進行掃描及3D重建，將原始掃描圖像(圖2A)導(dǎo)入Mimics 21.0軟件處理，得到3D重建圖像(圖2B)。使用該軟件測量得出咽鼓管骨性部分長度為(1.20±0.03)mm。

A.原始掃描圖像；B.3D重建圖像。紅色雙向箭頭表示咽鼓管骨性部分長度，X、Y、Z軸表示工作坐標(biāo)系(WCS)。

2.3 小鼠中耳腔容積的測量結(jié)果 本研究使用B組樣本，通過Mimics 21.0軟件的冠狀面(圖3A)、水平面(圖3B)、矢狀面(圖3C)描繪出中耳腔體積(圖3D)，測量出體積值為(7.43±0.19)mm3。

A.冠狀面圖像；B.水平面圖像；C.失狀面圖像；D.中耳腔圖像。紫色部分表示中耳腔內(nèi)容物。

3 討論

診斷中耳及內(nèi)耳形態(tài)結(jié)構(gòu)病變的常用方法為石蠟切片后的HE染色，實驗周期長，且較為繁瑣。隨著現(xiàn)代成像技術(shù)的進步，高分辨率的micro-CT廣泛應(yīng)用于肺腫瘤[3]、乳腺腫瘤[4-5]、口腔[6]、骨骼[7]等疾病的診斷。micro-CT在技術(shù)上可以對中耳及內(nèi)耳等組織的結(jié)構(gòu)進行3D可視化，精準(zhǔn)評估中耳及內(nèi)耳問題，但目前在耳科疾病診斷方面應(yīng)用甚少，尚未有通過micro-CT的方法測量評估咽鼓管的長度、角度及中耳腔內(nèi)容物體積的報道。micro-CT三維成像方法相對于傳統(tǒng)測量法精確度更高，可以簡單快捷地進行多層掃描。本研究使用micro-CT及mimics軟件較為準(zhǔn)確地評估了小鼠咽鼓管骨性夾角和咽鼓管骨性部分長度，以及中耳腔的體積，為后續(xù)的中耳畸形動物模型評估提供了參考依據(jù)。Bryant等[8]使用micro-CT和MRI跟蹤研究了C57BL6/J小鼠的內(nèi)耳發(fā)育狀況，本研究將進一步利用micro-CT及mimics軟件補用造影劑跟蹤研究新生鼠的中耳腔發(fā)育情況，這對于診斷新生鼠的中耳畸形有重要意義。