人股骨头松质骨表面微观形貌的表征提取及参数分析

人股骨头松质骨表面微观形貌的表征提取及参数分析
[目的]利用SEM技术手段表征不同年龄、性别、骨密度条件下多个人股骨头内松质骨的表面微观形貌,并对图像进行处理提取表面形貌参数分析和总结,以期能提供不同状态下的人股骨头松质骨表面形貌参数范围,完善人体骨表面微观形貌参数数据库,为今后设计仿生材料提供数据支持。

[方法]1.人股骨头松质骨样本的收集股骨头样本的收集全部来自2016.11-2017.10昆明医科大学第一附属医院骨科需行髋关节置换术的患者,制定排除和纳入标准,取术后废弃的股骨头共43例。

并按照年龄、性别、术前骨密度结果进行分组:青中年组(42-59)岁/老年组(60-83)岁;男性组21例/女性组22例;骨量正常组9例,骨量减少组13例,骨质疏松组21例2.人股骨头松质骨电镜样本的制作及表面微观形貌的表征将股骨头从冠状面剖开后,并放入CT中进行扫描,根据股骨头CT的影像学图像及截骨面的大致情况初步划分非坏死区和坏死区,取非坏死区域骨样本若干(n>3)并将样本进行超声水浴、梯度脱水、喷金等手段处理后,放入扫描电子显微镜下进行表征,得到高分辨的骨表面微观形貌图像。

3.人股骨头松质骨表面形貌参数的提取和分析基于课题组前期自主开发的图像处理方法提取来源于SEM图像的形貌参数即纤维取向分布、纤维长度、纤维直径,对得到的微观形貌参数按照两组间比较采用独立样本t检验,三组间比较采用完全随机方差分析,两两比较采用LSD-t 两两比较的方法进行统计分析,得到不同性别、年龄、骨状态的形貌参数的参考值范围和可信区间。

[结果]1.不同因素分组下的表面微观形貌的电镜图像:1)中青年组矿化胶原纤维束直径与老年组相比较粗,排列整齐紧密。

2)男性组的矿化胶原纤维束直径
普遍比女性组的较粗。

3)正常组中矿化胶原纤维束交叉排列,直径较粗,骨矿化胶原纤维束间隙较小;减少组中骨矿胶原纤维束直径与正常组相比较细,胶原纤维束间隙较大;疏松组中骨矿化胶原纤维束直径最细,排列错杂不规则,部分纤维束存在断裂、缺失的现象。

2.不同因素分组下的微观形貌参数:1)男性组:矿化胶原纤维束直径1.91±0.65um,长度21.11±7.95um,角度55.78±15.40°;女性组:矿化胶原纤维束直径1.76±0.92um,长度22.57±10.20um,角度 60.67±12.27°。

2)中青年组:矿化胶原纤维束直径2.22±0.25um,长度27.02±12.25um,角度46.85±7.53°;老年组:矿化胶原纤维束直径1.76±0.62um,长度20.89±8.11um,角度 60.51±13.99°。

3)疏松组:矿化胶原纤维束直径1.57±0.46um,长度19.14±7.98um,角度66.67±9.40°;减少组:矿化胶原纤维束直径2.02±0.71um,长度23.10±7.89um,角度51.66±14.78°;正常组:矿化胶原纤维束直径2.22±0.25um,长度 27.02±12.25um,角度 46.85±7.53°。

3.不同因素分组下的统计学分析结果:1)疏松组、减少组、正常组之间直径差异有统计学意义(P<0.001),进一步行两两比较后疏松组和正常组直径组间差异有统计学意义(P<0.05),其余两组组间直径差异无统计学意义
(P>0.05);三组之间及组间的角度、长度差异有统计学意义(P<0.05);2)老年组和青年组直径、角度、长度差异均有统计学意义(P<0.05);3)男性组和女性组除角度差异有统计学意义外(P=0.019),直径和长度差异均无统计学意义(P>0.05)。

[结论]1.扫描电镜技术可以对骨表面微观形貌进行清晰完整的表征,运用ImageJ软件中的数字图像模块程序(Directionality和Orientation J)处理电镜图像可以准确可靠地提取微观形貌参数,这两种方法满足本次研究的需
要。

2.确定了人股骨头松质骨表面微观形貌(矿化胶原纤维束的直径、长度、角度)的置信区间。

3.根据统计学分析,骨量与微观形貌参数中矿化胶原直径和长度呈正相关关系,年龄和角度则呈负相关关系;通过本次研究得到的不同条件下的形貌参数范围,可以为今后临床中判断人体股骨头骨状态提供依据。