基于同步辐射X射线实时显微CT结合定量力学测试方法的大鼠骨质疏松模型运动治疗研究

The quantitative study of the diagnosis and treatment of osteoporosis is of great significance to the scientific research and clinical treatment of osteoporosis. This project first proposed the study of exercise-based treatment for rat osteoporosis model based on synchrotron radiation X-ray real-time micro CT combined with quantitative mechanical test and finite element simulation. In this project, the ability of the bone tissues under different amount of exercise to resist pressure and impact was analyzed to reveal the mechanism of exercise-based treatment for rat osteoporosis, and to provide the theoretical basis for the design of the best exercise therapy. At present, the project has complete animal model and synchrotron radiation X-ray real-time micro CT device, and bone histomorphometry analysis and finite element analysis have been carried out to analyze the changes of bone tissue in the process of osteoporosis, and preliminary analysis of the role of bone strength in predicting osteoporosis has been accomplished. Main innovations include three aspects. First, the combination of synchrotron radiation micro CT and mechanical on-line test make it possible to obtain the microstructural changes of osteoblastic bone in the response to different forces in real time. Second, through the finite element analysis and experiments, the mechanism of exercise-based treatment for osteoporosis can be revealed quantitatively. The study of the treatment of rat osteoporosis model can provide the theoretical basis for the design of the clinical treatment.

骨质疏松诊断和治疗的定量研究，对引导骨质疏松的科学研究和临床治疗具有重要意义。本项目首次提出了大鼠骨质疏松模型运动治疗的定量研究，将基于同步辐射X射线实时显微CT，结合力学在线测试方法和有限元模拟，分析不同运动量的骨组织承受压力和冲击力的能力，从而揭示运动缓解骨质疏松症的作用机制，并为设计最佳运动治疗方案提供理论依据。目前本项目已具备完善的动物模型和同步辐射实时显微CT装置，并已通过骨组织形态学参数以及有限元分析对大鼠形成骨质疏松过程中骨组织的变化进行量化分析，初步分析了骨强度在判断骨质疏松中的作用。本项目的主要创新包括：首先，将同步辐射显微CT和力学在线测试方法相结合，可实时采集到骨质疏松骨对不同作用力响应的微结构变化；第二、通过有限元分析和实验测量的对照，可定量地揭示运动治疗缓解骨质疏松症的作用机制，并为临床最佳治疗方案的制定提供理论依据。

骨质疏松诊断和治疗的定量研究，对引导骨质疏松的科学研究和临床治疗具有重要意义。本项目基于同步辐射X射线实时显微CT结合定量力学测试和有限元分析方法，首次提出了大鼠骨质疏松模型运动治疗的定量研究，揭示了运动治疗骨质疏松症的作用机制，并为临床最佳治疗方案的制定提供了理论依据。.本项目组不仅很好地完成了计划任务，实现了预期目标，而且有些研究任务提前或超额完成。主要包括：（1）建立了无运动治疗和不同负荷运动治疗的骨质疏松症大鼠活体模型，并采用同步辐射X射线成像技术获得了各组大鼠不同部位的骨微结构（2）结合骨形态学参数和有限元分析方法，定量研究了游泳运动治疗对骨质疏松症的影响及作用机制，并确定了最佳的运动治疗方案（3）建立了结合形态学参数和生物力学特征的新的骨质疏松症骨强度评价标准（4）建立了一套可用于同步辐射成像线站的实时力学测试系统（5）设计了一组同步辐射与普通X光源联合成像装置并初步完成了联合重建算法研究（6）开发了基于先验的极低剂量 CT重建算法。 .我们的研究结果表明，游泳运动能够通过抑制骨量丢失速度，改善骨微结构来提高骨骼抵抗压缩变形、弯曲变形和扭转变形的能力。不同强度的游泳运动都能对骨质疏松症起到治疗作用，但存在最适宜的负重强度即中等强度的游泳运动对骨质疏松的治疗效果最好。我们建立的骨质疏松症骨强度评价标准能实现更高效准确的骨强度评估，对于骨质疏松症的早期诊断预防和疗效监测具有重要意义。此外，我们在上海光源建立的实时力学测试成像系统，可以以极高的分辨率观察骨骼的微观结构，同时测量其力学性能，有助于阐明骨的层次结构和机械性能之间的关系，帮助研究人员更好的理解骨骼老化和骨脆性的病理生理学机理。