X射线微计算机断层扫描（XMT）与横向显微放射照相（TMR）评估釉质再矿化的方法学比较：Cμ-CT、SR-CT与TMR的一致性及伪影影响

《Journal of Dentistry》：Comparison of X-ray microtomography with transverse microradiography for assessment of enamel remineralisation

　　

摘要：比较X射线微计算机断层扫描（XMT）与横向显微放射照相（TMR）用于釉质再矿化评估。XMT测得的釉质再矿化与TMR所得结果显著不同；Bland-Altman分析显示XMT方法与TMR之间存在约28%的偏倚；两种XMT方法之间未检测到再矿化差异；束硬化和相位衬度伪影损害了XMT对表面层的准确性；TMR仍是离体釉质再矿化分析的参考标准。研究目的为比较台式/常规X射线微计算机断层扫描（Cμ-CT）、同步辐射计算机断层扫描（SR-CT）与TMR评估酪蛋白磷酸肽-无定形磷酸钙氟化物（CPP-ACFP）体外诱导釉质子表面病变再矿化的实用性和一致性，并采用体积病变分割利用XMT三维数据，以TMR为参考标准。方法上，研究人员将8颗拔除人第三磨牙制备为釉质块，人工脱矿后以一半病变作对照、另一半暴露于2%（w/v）CPP-ACFP（pH 5.5）8天；分别行Cμ-CT、SR-CT和TMR分析，并以线性混合效应模型及Bland-Altman分析比较。结果显示，Cμ-CT与SR-CT的平均再矿化百分比（%R）分别为20.77±7.12%和20.55±6.27%，二者无显著差异；TMR为49.29±3.23%，显著高于两种XMT方法。Bland-Altman分析显示TMR与Cμ-CT、TMR与SR-CT的偏倚分别约28.52%和28.74%，一致性界限宽，提示一致性差。结论认为，在本研究条件下，束硬化、相位衬度和环状伪影影响XMT矿物密度计算；在可接受样本破坏的离体釉质再矿化分析中，TMR优于所评估的XMT方案。

研究背景与问题：牙硬组织再矿化评估长期以横向显微放射照相（TMR）为参考标准，但TMR破坏样本且技术敏感；牙本质薄片在X线曝光时易脆裂。X射线微计算机断层扫描（XMT）可三维测量牙硬组织矿物含量，台式/常规X射线微计算机断层扫描（Cμ-CT）和同步辐射计算机断层扫描（SR-CT）具应用潜力；但Cμ-CT存在束硬化（低能X线表面吸收导致假高密度）、低信噪比等伪影，SR-CT可消除束硬化但可能存在相位衬度（密度界面小角折射伪影）等问题。既往Cμ-CT与TMR比较有限，且多用相关系数而非准确性和一致性评估。James Rohan Fernando等因此比较Cμ-CT、SR-CT与TMR评估CPP-ACFP体外诱导釉质子表面病变再矿化的实用性和一致性，采用新型体积病变分割利用XMT三维数据，并以TMR为参考标准。该研究测得两种XMT平均再矿化约20%，显著低于TMR的49%，据此推荐TMR；其意义在于定量提示XMT在表面层和伪影影响下不宜与TMR互换，为方法学选择提供证据。

关键技术方法（≤250字）：8颗拔除人第三磨牙来自私人牙科诊所（墨尔本大学人类研究伦理委员会批准ID 1441572），切为釉质块并人工脱矿，半病变作对照，另一半经2%（w/v）CPP-ACFP pH 5.5处理8天。Cμ-CT采用Bruker Skyscan 1172（4 μm像素、100 kV、100 μA、3帧平均、Al/Cu滤片、羟基磷灰石体模校准）；SR-CT在澳大利亚同步辐射装置以45 keV、5.75 μm像素扫描；TMR制备90–120 μm切片并以铜Kα辐射和铝阶梯楔校准。XMT以CTAn行体积病变分割，计算平均矿物密度及ΔZ_d、ΔZ_r、%R；统计采用线性混合效应模型、Tukey HSD和Bland-Altman分析。

3. Results（结果部分）：所有8个釉质块均形成可见白斑，重建XMT图像可分割病变；SR-CT显示相位衬度所致表面不透射线层，Cμ-CT信噪比较低，二者均有不同程度环状伪影。线性混合效应模型显示，平均ΔZ_d分别为Cμ-CT 29.14±3.15、SR-CT 22.80±1.97、TMR 26.60±1.98 vol%_min，方法间显著（p<0.02），SR-CT与Cμ-CT及TMR显著不同，Cμ-CT与TMR无显著差异；平均ΔZ_r分别为23.16±3.19、18.18±2.37、13.44±0.58 vol%_min，三者显著（p<0.001），TMR最低；平均%R分别为20.77±7.12%、20.55±6.27%、49.29±3.23%，TMR显著高于两种XMT（p<0.00001），两种XMT间无显著差异。Bland-Altman分析显示TMR与Cμ-CT偏倚28.52%（95%一致性界限LoA 14.08–42.96%），TMR与SR-CT偏倚28.74%（LoA 15.39–42.09%），Cμ-CT与SR-CT偏倚0.22%（LoA ?12.19–12.63%）；前两者一致性差，两种XMT间较接近。

讨论部分：4.1 Calculating enamel mineral density from x-ray attenuation（X线衰减计算釉质矿物密度）：X线衰减受光电效应和康普顿效应影响；CTAn假设衰减、灰度与羟基磷灰石（HA）密度线性相关，需线性衰减系数（LAC）；研究假设釉质有机内容LAC同HA体模环氧树脂、矿物相为化学计量HA，但天然釉质近缺钙碳酸化磷灰石，再矿化区可能含氟磷灰石或氟羟基磷灰石，故绝对矿物密度略不准；HA体模0.25和0.75 g/cm³远低于声釉质2.57–3.00 g/cm³，需外推；但%R为同方法同校准比值，系统偏移可部分抵消。4.2 Noise（噪声）：高信噪比（SNR）需高分辨率、最小束硬化校正、去噪或帧平均；Cμ-CT采用3帧平均、约6 h/样本，Gaussian平滑降噪但未消除；BM3D可改善诊断价值，但TMR噪声更低仍为金标准。4.3 Beam hardening and phase contrast（束硬化与相位衬度）：Cμ-CT多色源低能X线表面吸收造成假高密度；Al/Cu滤片和NRecon软件校正（0–100%多项式）可减轻，但校正百分比凭视觉，且表面釉质密度较高，校正降低表面灰度使ΔZ_d与ΔZ_r接近，可能解释%R偏低；SR-CT单色源消除束硬化，但相位衬度伪影在密度界面明显，软件校正后表面仍呈高衰减并改变表面灰度。4.4 Ring artefact（环状伪影）：入射束或探测不均形成环状条纹；平场校正后仍存在，NRecon环状伪影校正值20可减少但未完全消除，SR-CT亦未完全消除；降低特定深度衰减准确性；MuCat 2可消除但扫描时间显著增加。4.5 Application of XMT for tooth mineral studies（XMT在牙齿矿物研究中的应用）：多项Cμ-CT研究采用HA和线性假设，常遇类似伪影；单色源理论最准确，但本同步辐射条件下未显现优势，分辨率5.75 μm且相位校正不足；与Cμ-CT诊断价值相似；BAMline等合适设置可高分辨率成像。此前仅两项比较TMR与Cμ-CT再矿化/脱矿并认为Cμ-CT合适，但Lo等比较不同测量，Hamba等用相关系数，不能评估准确性；本研究Bland-Altman显示系统偏倚大、LoA宽，不能互换，替代结论需重新考虑。4.6 Concluding remarks（结论性评论）：鉴于噪声和伪影，TMR推荐用于体外和离体再矿化分析，尤其需测表面层；TMR的%R更高；局限为全病变分割操作者依赖，需标准化分割/VOI；Bland-Altman确认一致性差；小样本限制LoA精度但偏倚系统且大，警示不可互换；设备成本高和设施有限；TMR技术敏感且纵向矿物变化或牙本质矿物含量评估困难，但已有方案；若需完整样本纵向分析，XMT有前景；XMT最适合三维形态分析，适当设置可在保持样本完整性下计算矿物密度。

研究结论翻译：本研究比较Cμ-CT、SR-CT和TMR评估CPP-ACFP体外诱导釉质子表面病变再矿化。两种XMT方式测得平均再矿化约20%，显著低于TMR的49%。Cμ-CT与SR-CT的%R无显著差异，表明在可获得的分辨率和设施条件下，单色同步辐射源的预期优势未实现。成像伪影包括釉质表面区的束硬化和相位衬度信号及样本体积内环状伪影，导致两种方式矿物密度计算不准确。基于本研究，在可接受样本破坏的离体再矿化分析中，推荐TMR优于所评估的XMT方案。