多参数μMRI与基于同步辐射的XPCT技术用于研究考古背景中的人类骨组织

《Journal of Archaeological Science: Reports》：Multi-parametric μMRI and Synchrotron radiation-based XPCT for studying human bone tissue in archaeological contexts

本研究采用同步辐射X射线相位对比断层扫描（SXPCT）和核磁共振微成像（μMRI）技术，对比分析罗马时期三个胫骨样本的孔隙结构和拓扑特征，评估两种技术互换性及互补性。结果显示μMRI低估孔隙尺寸，SXPCT揭示更精细的骨结构，如Haversian管，并指出表面骨炎病变与死后降解的孔隙特征差异。

　　在考古学和生物考古学的研究中，骨骼的微观结构分析对于理解古代人类的生活状况、健康状态以及死亡后的变化过程至关重要。本研究聚焦于罗马墓地出土的三块胫骨样本，其年代可追溯至公元1世纪至3世纪，旨在探讨两种非破坏性成像技术——同步辐射X射线相位对比断层扫描（SXPCT）和磁共振微成像（μMRI）在评估骨骼微孔结构和微结构拓扑方面的应用潜力。通过直接使用SXPCT图像的方法和间接利用μMRI数据的方法，研究者希望明确这两种技术是否能够提供相同的信息，或者它们是否在某些方面具有互补性。这不仅有助于理解骨骼的微观结构特征，也为揭示骨骼病理变化的成因提供了新的视角。

### 骨骼的微结构特征与病理分析

骨骼是一种复杂的多孔复合材料，其结构由皮质骨和松质骨组成，同时还包含如骨单位（osteons）、骨小管（trabeculae）和血管腔（vascular cavities）等微观结构元素。这些结构的尺寸和分布对骨骼的物理和生物特性具有重要影响。例如，Haversian骨管的直径通常在健康骨骼中约为50微米，而骨细胞腔（lacunae）的尺寸则在数微米范围内。此外，骨小管网络（canaliculi）的直径甚至小于1微米。这些微孔结构的差异性使得不同成像技术在解析骨骼内部信息时表现出不同的能力。

在本研究中，样本包括一块受骨膜炎影响的骨骼、一块保存良好的健康骨骼以及一块表现出明显死后降解特征的骨骼。这些样本的选择基于考古学家的表面观察，以确保研究结果能够反映不同的病理和降解状态。通过比较这些样本在不同深度的微孔特征，研究者希望揭示骨膜炎与其他骨骼状态之间的差异，以及死后降解如何影响骨骼的微结构。

### 技术对比：SXPCT与μMRI

SXPCT是一种基于同步辐射的高分辨率X射线成像技术，能够提供骨骼的三维可视化信息。该技术具有较高的对比度分辨率，使得在电子密度相似的结构之间也能区分出细微的形态差异。然而，SXPCT的使用受到设备可用性和成本的限制，通常需要访问同步辐射源，这对许多研究机构来说是一个挑战。

相比之下，μMRI利用磁共振成像技术，通过检测氢原子的信号来获取骨骼的结构信息。在本研究中，μMRI数据基于T?弛豫时间和分子扩散的加权信息进行处理，以间接提取微孔的尺寸。然而，研究发现，通过μMRI得到的微孔尺寸普遍小于通过SXPCT直接测量的结果。这一现象在文献中已有报道，其原因与骨骼基质和骨孔内水分之间的磁化率差异有关，这种差异在较高磁场强度下更为显著。因此，研究者采用了9.4特斯拉的磁场强度进行μMRI实验，以获得更精确的弛豫率（relaxivity）数据。

### 磁化率与微孔尺寸的关系

磁化率差异是影响μMRI测量结果的关键因素之一。在骨骼中，磁化率的差异主要来源于骨骼基质和骨孔内水分的成分差异。例如，骨骼基质中的钙和其他矿物质可能与孔隙内的水分子形成不同的磁化率对比。这一现象在μMRI中表现为不同的弛豫时间（T?值）和扩散行为（D(t)），而这些数据被用来计算微孔的尺寸。然而，由于磁化率差异的存在，μMRI测量的微孔尺寸往往比实际值偏小，这可能导致对微孔结构的误解。

研究中还发现，骨膜炎样本的磁化率值显著低于健康样本和死后降解样本。这一结果可能与骨膜炎引起的骨骼内部结构变化有关。例如，骨膜炎可能导致骨小管和骨细胞腔的排列变得更加无序，同时增加了骨孔的表面粗糙度。这些变化可能影响磁化率的计算，从而对微孔尺寸的估计产生影响。因此，研究者认为，磁化率与骨骼的微结构特征之间存在复杂的相互作用，这可能为区分骨膜炎的成因（如创伤或感染）提供线索。

### SXPCT与μMRI的互补性

尽管μMRI在某些情况下可能低估微孔尺寸，但其提供的信息具有独特的价值。例如，μMRI能够捕捉到与骨骼化学成分和生化特性相关的微结构变化，而这些变化可能无法通过SXPCT直接观察到。此外，μMRI的信号不仅依赖于骨骼的微孔结构，还受到骨骼表面粗糙度、孔隙内杂质（如土壤中的重金属）以及磁化率差异的影响。这些因素使得μMRI在某些情况下能够提供关于骨骼生理状态的额外信息，而不仅仅是形态学特征。

另一方面，SXPCT能够直接可视化骨骼的内部结构，包括Haversian骨管和Volkmann骨小管。这些结构在健康骨骼中通常具有较高的有序性和较大的横截面积，而在骨膜炎样本中则表现出更不规则的排列和较小的横截面积。这种差异可能与骨膜炎引起的骨骼重塑过程有关，例如，炎症可能导致骨组织的过度生长，从而改变骨孔的排列方式。此外，SXPCT的高空间分辨率使得研究者能够观察到更细微的结构变化，如骨孔的分布、数量以及形状，这在μMRI的分析中可能难以实现。

### 研究结果与讨论

研究结果显示，μMRI和SXPCT在分析骨骼微孔结构时存在一定的差异。例如，在骨膜炎样本中，μMRI测量的微孔尺寸明显小于SXPCT的测量结果。这一现象可能与磁化率差异和模型假设有关。在μMRI中，微孔被假设为具有特定形状的结构，而SXPCT则能够更真实地反映骨骼内部的复杂结构。此外，研究者还发现，骨膜炎样本的k值（即小孔与大孔的数量比）明显高于健康和死后降解样本。这可能表明，骨膜炎导致了更多的小孔形成，或者这些小孔的分布更加广泛。

然而，这些结果并不完全排除μMRI在某些情况下的适用性。例如，在某些情况下，μMRI能够提供关于骨骼内部结构变化的额外信息，如骨孔的分布和数量。这些信息可能对理解骨骼的病理状态和死后降解过程具有重要意义。此外，研究者还发现，健康样本和死后降解样本的磁化率值相似，这可能表明死后降解对骨骼内部结构的影响并不显著，或者这些样本的内部结构在某种程度上具有相似性。

### 结论与展望

本研究的结果表明，μMRI和SXPCT在评估考古骨骼的微孔结构和微结构拓扑方面具有各自的优势和局限性。虽然μMRI在某些情况下可能低估微孔尺寸，但其能够提供关于骨骼化学成分和生化特性的信息，这对于理解骨骼的病理状态和死后降解过程具有重要意义。相比之下，SXPCT能够直接提供高分辨率的三维图像，使得研究者能够更准确地观察骨骼内部的结构变化。

未来的研究可以进一步探讨这两种技术在不同骨骼条件下的适用性，并结合更多的样本进行分析。此外，随着成像技术的不断发展，可能会出现新的方法，使得μMRI和SXPCT的结合能够更有效地揭示骨骼的微观结构特征。这些技术的互补性将为考古学和生物考古学的研究提供更加全面的视角，从而帮助我们更深入地理解古代人类的生活和健康状况。