利用原位同步辐射显微成像和深度学习揭示胶原损伤对骨折的影响

作者：施云威 北京积水潭医院

在研究骨脆性疾病时，很难确定哪些因素降低了骨的抗骨折能力，因为这些疾病在许多长度尺度上改变了骨。在这里，我们使用牛热处理脆性模型研究了纳米级胶原行为对宏观韧性和微观增韧机制的贡献。通过开发用于同步辐射微计算机断层成像的原位韧性测试技术来评估该模型，以研究三维微尺度裂纹扩展的演化。低剂量成像与深度学习结合使用，在保持骨骼固有力学特性的同时对图像进行去噪。我们发现胶原损伤显著降低了宏观韧性和屈服后性能。我们还发现，具有受损胶原网络的骨样品的裂纹偏转量减少，这是抗断裂的主要微观机制。这项研究表明，纳米级的胶原损伤会对骨的微观增韧机制产生不利影响，并降低骨的整体韧性。
骨骼从其跨越多个长度尺度的层次结构中获得其独特的抗断裂能力，也称为韧性。这种分层结构包括骨的基本构建块，主要包括纳米级的胶原和矿物相，以及微观级的骨结构（中心哈弗氏管周围同心薄层的圆柱形特征）。在复杂的复合骨结构中，每个长度尺度的特征都有助于其具有高韧性和轻重量的特点。在影响骨韧性的许多因素中，传统上仅使用骨基质矿物含量的变化来评估和预测骨折风险。虽然新的、令人鼓舞的骨折风险评估方法和辅助工具正在临床上使用，如小梁骨评分、骨材料强度指数和基于计算机的算法（如FRAX），但目前骨折风险的主要临床指标是骨矿物质密度，有证据表明，矿物成分主要赋予骨的弹性和强度7,8，而胶原蛋白成分主要促进骨的屈服后性能和失效能量。降解和变性胶原蛋白在各种情况下普遍存在，包括11、14岁、癌症、成骨不全骨关节炎、骨质疏松、，糖尿病和机械损伤。在这些情况下，降解的胶原分子通常会导致胶原三螺旋的局部展开或松弛。这种展开可能是由少量连续氢键断裂造成的。胶原蛋白损伤增加了这些人群的骨折风险，并降低了骨骼对裂纹形成和裂纹生长的抵抗力。因此，在研究骨骼骨折时，应考虑骨矿物质密度以外的因素的作用，如胶原蛋白损伤。
骨中的抗断裂性来源于内部和外部增韧机制。内部（材料）机制在纳米尺度上起作用，已知会阻碍裂纹尖端周围塑性区的裂纹萌生和扩展。裂纹尖端周围的材料塑性由胶原蛋白赋予。胶原蛋白对骨骼力学性能的影响受到许多因素的影响，例如酶交联和非酶交联以及取决于钙离子含量的分子水平键。相比之下，在裂纹之后，外部机制在数十至数百微米的长度范围内起作用。外部增韧机制利用微结构特征通过裂纹偏转、裂纹桥接和微损伤累积耗散能量。最主要的外部增韧机理是横向裂纹偏转。裂纹偏转由驱动裂纹生长的外加应力方向和骨微结构的各向异性（例如，骨中骨单元边界处的高矿化水泥线）控制。总之，内在韧性通过材料特性和胶原的塑性变形吸收能量，而外在韧性主要通过微结构特征周围的裂纹偏转耗散能量。
外部增韧已被证明比内部增韧耗散更多的能量。因此，骨结构的变化，如椎管直径和密度，将是增韧的主要因素。然而，这提出了以下问题：（1）骨的增韧机制是独立作用还是协同作用；以及（2）纳米级材料性质的变化，例如胶原损伤，是否会影响微观级的外部增韧机制？胶原损伤（存在于许多骨脆性疾病中）对外部韧性的影响知之甚少。
同步辐射微计算机断层扫描（SRμ。该技术使用高通量x射线重建与扫描样本的三维（3D）结构和材料组成相对应的图像堆栈。先前的研究表明，SRμCT能够揭示骨折骨样本的裂纹路径。通过短采集时间和高分辨率成像，动态SRμCT非常适合于原位机械测试，以确定微观结构在实际载荷和失效条件下如何抵抗裂纹扩展。
利用SRμCT的数字体积相关（DVC）可以近实时地表征加载和破坏条件下的骨变形。目前，由于小梁的独特、多样的结构，DVC在小梁骨或多孔骨中得到了更广泛的研究。在皮质骨中，相反，DVC可以通过跟踪不同SRμ。将皮质骨原位力学测试与SRμ。
然而，原位SRμ。当辐射累积剂量达到35μ kGy及以上。使用降低的辐射剂量获得较低质量的扫描有助于保持机械性能。低剂量扫描保持机械性能的代价是降低信噪比。反过来，这些低剂量图像中的特征无法成功分割，从而消除了执行DVC的可能性。我们对此问题的解决方案是利用深度学习在DVC之前处理低质量图像。
近年来，深度学习在去除噪声和增强图像信号方面表现出了希望。具体而言，卷积神经网络（CNN）在生物医学工程领域的图像去噪和分割方面取得了成功。使用CNN执行这些任务提供了一个前所未有的机会，可以实现低辐射的SRμCT成像并加速图像分析。据我们所知，CNN与低剂量SRμ。