基于显微磁共振成像和有限元分析的股骨近端微观力学行为研究

目的本研究利用高分辨率显微磁共振成像(micro-magnetic resonance imaging,μMRI)在呈现骨微结构方面的优势和对人体无辐射的优点,结合有限元分析(finite element analysis,FEA),无创探究人体在自然站立状态下股骨近端微观力学行为,明确股骨易骨折危险区域,为μMRI-FEA未来临床应用提供理论基础。方法采集5例年龄55~63岁女性志愿者(58.4岁±3.4岁)的股骨近端μMRI图像。将图像中骨骼和软组织分割,三维重建得到包含股骨近端皮质骨和松质骨微结构的大尺度三维有限元模型(约一千万六面体单元),赋予非均匀材料属性。模拟人体自然站立时股骨的受力,将其远端固定,在股骨头部位施加压缩载荷,进行线弹性有限元分析,得到股骨近端的应力和应变分布,并选取股骨颈和大转子部位10 mm 3松质骨感兴趣区域进行比较。结果人体自然站立姿态下,股骨颈上、下侧皮质骨分别出现拉、压应力集中现象。股骨颈松质骨感兴趣区域在上下(superior-inferior,SI)、内外(medial-lateral,ML)和前后(anterior-posterior,AP)三个方向上的正应力(σSI、σML、σAP)分别为大转子部位的13.4倍、2.2倍和1.9倍;正应变(εSI、εML、εAP)分别为大转子部位的7.4倍、5.0倍和4.0倍。结论自然站立时股骨颈皮质骨和松质骨所受应力和应变较大,提示股骨颈是易发生骨折的高危区域,与临床观察一致。本研究为μMRI-FEA未来应用于临床无创评估股骨骨折风险进而鉴别骨折高风险人群提供了一定的前期理论支撑。

磁共振显微成像及其在生物医学中的相关研究

随着磁共振成像技术的发展,成像空间分辨率及信噪比不断提高。磁共振成像的对象也由宏观的解剖结构拓展至组织、细胞及分子等微观领域,形成磁共振显微成像。本文首先介绍磁共振显微成像的概念、特点、相比其它显微成像技术所具备的优势,再进一步介绍其在分子影像学、组织胚胎学及小动物实验中一些前沿的研究工作。磁共振显微成像在生物医学的研究中发挥着越来越重要的作用。

PS/APP双转基因小鼠大脑中β-淀粉样蛋白的磁共振显微成像和组织切片研究

目的探讨双转基因小鼠PS/APP大脑三维磁共振显微成像(MRM)的T2图与二维组织切片中Aβ斑块之间的关系。方法本文提出了一个高效、全自动的图像处理流程,即先通过未染色的二维组织切片重建三维脑模型,之后将其与三维MRM数据配准。配准是一个多步的过程,首先对邻接的二维切片进行配准,然后再进行迭代的二维和三维配准。结果该流程可以较好配准组织切片与MRM,并能在T2图和染色切片上发现一定的Aβ斑块间的对应关系。结论通过神经影像技术来对转基因小鼠大脑中的Aβ斑块进行监测,了解阿尔茨海默症(AD)中Aβ斑块的产生、沉积和清除过程。

基于三维纹理特征仿真和脑图谱的小鼠脑磁共振显微成像分割算法

近年来,随着脑科学研究的不断深入,基于小鼠磁共振显微成像(Magnetic Resonance Microscopy,MRM)的神经影像研究已逐渐成为该领域的研究热点。目前,小鼠脑MRM感兴趣区的分割主要还是依靠手工划分,耗时耗力。小鼠MRM脑图像的自动分割对小鼠MRM的自动分析具有重大的意义。本研究中提出了一种基于小鼠脑图谱的MRM脑图像的三维纹理合成算法,并且利用该方法对小鼠MRM的感兴趣区进行了分割。结果表明,该算法可用于小鼠脑MRM图像自动分割。

基于μMRI生物力学建模评估股骨近端微结构力学行为

目的建立并验证一种基于显微磁共振成像(micro-magnetic resonance imaging,μMRI)和微结构分割无创评估股骨近端微观力学行为的生物力学建模方法。方法首先,对股骨样本进行μMRI扫描,基于分区域图像处理的方法分割骨微结构,建立μMRI微有限元模型(μMRI模型),模拟侧向跌倒姿态进行有限元分析,计算应力和应变。其次,借助显微CT(μCT),验证μMRI图像分割骨微结构的准确性;基于μCT构建有限元模型(μCT模型),验证μMRI模型计算结果的准确性。最后,通过模拟侧向跌倒的离体力学加载实验和应变片测量,验证μMRI模型计算骨表面应变的准确性。结果μMRI与μCT模型计算得到的骨微结构参数BV/TV显著相关(r=0.89,P<0.05),μMRI模型和μCT模型计算得到的最大和最小主应力/主应变百分位数高度相关(R^(2)>0.9)。μMRI模型计算得到的应变与力学实验测量的应变高度相关(R^(2)=0.82)。结论基于μMRI分割骨微结构建立的股骨近端微有限元模型可较为准确地表征股骨近端微观力学行为,研究结果为在体无创评估髋部股骨微结构退变和骨质疏松性骨折风险提供了重要工具。

丰富环境刺激对小鼠脑认知储备影响的定量研究

目的:研究丰富环境刺激对小鼠脑认知储备的影响,以改进大脑年龄估值差(brain age gap estimation,Brain AGE)敏感度较低的问题。方法:采用21只清洁级健康成年C57BL/6J雄性小鼠(15月龄),并基于标准环境组、丰富环境组一、丰富环境组二的磁共振显微成像(magnetic resonance microcopy,MRM),运用尺度子配置模型(scaled subprofile model,SSM)对组间最能反映认知储备变化的特征进行分析。结果:丰富环境组和标准环境组的平均Brain AGE在刺激开始后始终存在显著差异。验证了基于Brain AGE预测认知储备的一些假设,经优化后的Brain AGE预测模型可以解释丰富环境刺激时间中58.9%的差异。结论:改善后的Brain AGE测量模型对测量认知储备的余度具有敏感性,可以较好地预测认知储备的余度。

基于MRM的小鼠脑模板创建的研究进展

高分辨率的磁共振显微成像(MRM)技术已被广泛应用于小鼠脑神经影像学的研究之中。脑模板和脑图谱是小鼠脑神经影像学研究中不可缺少的工具,但由于小鼠大脑具有体积小、微观变化细微等特点,为脑膜板和脑图谱的建立增加了很大的困难,当今国内外大量研究都致力于如何能更好的建立不同类型的小鼠脑模板。本文首先介绍了MRM的成像原理及图像的采集方式,探讨了MRM的优化措施。之后讨论了脑模板构建过程中的一些基本元素,如模板比较、配准算法等。最后介绍了小鼠脑模板在一些脑部疾病(如阿尔茨海默病、亨廷顿氏综合症等)动物模型上的基本应用。

运用空间协方差模型分析高血压对大鼠大脑老化的影响

随着老龄人口的增多和生活水平的提高,我国的高血压人数不断增加,由高血压引发的大脑老化已逐渐成为影响健康的重要因素之一。高血压患者的大脑在中年期已经开始受到一定程度的损害,导致其认知能力逐渐衰退。本研究利用空间协方差模型,分别从大鼠青年组、老年组的磁共振显微图像(MRM)中提取大鼠脑老化的特征模式,并将该模式运用到高血压大鼠组。结果显示青年组与高血压组的网络分数存在显著差别。水迷宫测试的结果也显示网络分数与迷宫学习指数成负相关。实验结果证实短期存在的高血压可以加速大脑老化。可以利用高分辨率的大鼠脑MRM图像结合网络分析方法,开展由高血压引起的相关的脑部变化的治疗和预防评估工作。