研究背景:椎间盘退变对人类健康有严重威胁性,由其引发相关疾病可能造成患者颈部、腰部疼痛,四肢的麻木疼痛、活动障碍,大小便功能异常等严重后果,对个人和社会都造成了沉重的负担。目前对椎间盘的研究成为了脊柱外科领域的研究热点,而现阶段我们判断椎间盘是否退变的主要依赖对椎间盘的影像学检查,包括传统的X线成像,高分辨率CT(HRCT)检查,以及核磁共振检查(MRI),但现有检查手段存在技术上的不足,常规磁共振成像(MRI)的分辨率只能达到1mm,高分辨率CT(HRCT)也仅可达到0.25-0.68mm。在我们需要观察的细微结构小于这些检查的更高分辨率时,由于成像技术的局限性,上述检查对一些精细的结构以及软组织的显像不能达到临床需要。为了对椎间盘终板、纤维环、髓核结构进行更加细致的成像,本课题主要通过上海同步辐射光源(SSRF)生物医学线站对人和小鼠的椎间盘进行成像,目的在于研究同步辐射技术应用于椎间盘成像的实验方法可行性。同步辐射是速度接近光速的电子或其他带电粒子在作曲线运动时沿轨道切线方向发出时连续分布的辐射光。至今,同步辐射光源,以其高通量、高亮度、高准直性、波长可调等不可替代的优点使得成像技术获得了革命性的发展。目前,同步辐射的应用主要集中在血管成像方面,Zhang MQ等[1]使用同步辐射成像技术,在无造影剂的情况下,对小鼠大脑进行成像,并三维重建,可以观察到的最小血管的直径为11.8μm,提出了通过同步辐射可以更加细致的显示小鼠脑部血管,是一条研究大脑功能的有效途径。目前为止,对同步辐射成像应用于椎间盘的实验方法还未有报道,为此,本课题将研究同步辐射成像技术应用于椎间盘的成像实验方法,主要利用同步辐射对人椎间盘,小鼠椎间盘成像,MRI、CT、组织学染色等技术为辅助,初步研究同步辐射对椎间盘成像的方法,将观察到的细微结构与临床现象相结合。目的:本研究首先尝试利用上海同步辐射光源(SSRF)BL13W1生物医学线站,观察经过酒精梯度脱水的新鲜尸体椎间盘组织,并用其线站的更高分辨率(0.65微米)对小鼠椎间盘组织进行观察,研究在不同组织下,同步辐射成像的最佳参数。通过与MRI、CT、组织学染色等技术对比,探讨同步辐射成像应用椎间盘研究的可行性,了解椎间盘的微细结构,特别是对终板营养通道以及纤维环分布情况的观察。研究内容及方法:采集新鲜尸体“椎体-椎间盘-椎体”结构单元与小鼠“椎体-椎间盘-椎体”结构单元作为样本。人椎间盘组织通过梯度脱水,分别MRI、CT检查,同步辐射成像。小鼠椎间盘组织通过梯度脱水固定,同步辐射成像,石蜡包埋后进行天狼猩红,阿利新蓝,masson染色。得到的椎间盘同步辐射图像,利用pitre软件对采集的tiff格式图像进行处理,按顺序进行相位恢复、sinogram重建、slice重建等步骤。实验参数以及相位恢复与slice重建的参数均是通过反复多次尝试,从而获取最优化的数值。利用vgstudiomax2.1软件包进行小鼠椎间盘的三维重建,导入数据后,调整窗宽窗位,并对不同窗位的图像进行不同的染色,以凸显希望显示的结构。结果:(1)椎间盘同步辐射成像实验参数如下:(1)在分辨率为9微米的情况下,人椎间盘终板成像参数:能量为17kev,束流为55ma,样品距检测器为50cm,曝光时间为60ms。人椎间盘纤维环成像参数:能量为15kev,束流为46ma,样品距检测器为50cm,曝光时间为50ms。人椎间盘髓核成像参数:能量为13kev,束流为37ma,样品距检测器为50cm,曝光时间为30ms。(2)在分辨率为0.65微米的情况下,小鼠椎间盘终板成像参数:能量为15kev,束流为46ma,样品距检测器为6.5cm,曝光时间为50ms。小鼠椎间盘纤维环成像参数:能量为14kev,束流为40ma,样品距检测器为6.5cm,曝光时间为50ms。小鼠椎间盘髓核成像参数:能量为11kev,束流为32ma,样品距检测器为6.5cm,曝光时间为60ms。(2)使用同步辐射成像观察到的微细结构:在人椎间盘终板内可以观察到最小直径约在50微米的骨小梁结构,骨小梁之间相互连通,形成复杂的“海绵孔隙样”通道。在小鼠椎间盘终板的成像中我们可以观察到最小直径约10微米的骨小梁结构,在近椎间盘端,终板内骨小梁的致密程度明显增加;在髓核中,我们观察到最小直径约为8微米的细胞样结构;小鼠椎间盘纤维环可以观察到最小的纤维直径约为6微米,纤维环在椎间盘的分布具有不均性。结论:(1)本课题首次利用同步辐射成像观察人和动物的椎间盘组织,通过对实验参数的反复实验,实现了对人椎间盘终板以及小鼠椎间盘纤维环、终板、髓核的成像,在未来的临床诊疗方面有巨大潜力。(2)本研究发现,使用分辨率为9微米的同步辐射成像,可以观察到人椎间盘终板内骨小梁结构,最小直径约在50微米。这些发现使我们对椎间盘退变的早期诊断具有重大意义,但如何将成像区域定位在需要检查的椎间盘,如何降低辐射对人健康的伤害,这些问题还需要进一步研究。(3)本研究发现,使用分辨率为0.65微米的同步辐射成像,可以清晰的显示小鼠椎间盘终板内的骨小梁结构,通过三维重建技术可以对椎间盘终板营养通道有进一步的认识,从而对椎间盘退变的病理生理变化有新的研究方式。(4)本研究在使用分辨率为0.65微米的同步辐射成像过程中,发现小鼠椎间盘纤维环的分布不均匀,鉴于椎间盘对保护髓核、缓解脊柱压力的重要作用,其形态学的特殊性,可能与临床上椎间盘突出的常见部位有关。(5)本研究发现将同步辐射成像技术应用到椎间盘组织上的做法,使得我们能够观察到原来难以发现的结构和现象(尤其是对软组织的成像),这些能力提示我们要充分发挥同步辐射的优良特质,使用多种模型论证,使得同步辐射成像在研究疾病的早期诊断、治疗中发挥更重要作用。