本发明涉及医学中的一种标记物及其用途，特别涉及基于三维重建图像分析的定量或半定量参数作为影像生物标记物。
背景技术：
胸腰椎骨骨折经皮椎体成形术（PVP）通过向新近发生的压缩性骨折的椎骨注入骨水泥来固定椎骨微骨折并通过高热（中心平均75度左右）杀死椎体内感觉神经末梢，从而达到解除病人痛苦和恢复功能的目的。在国际上Gakibert在1987年首次在临床上使用PVP，而我国自1999年开始使用，因为其相对的低创性、低风险、低成本、一般能够立即和长期减除病人痛苦的优点，已经成为骨科中的一种常见治疗手段，是治疗因为压缩性椎骨骨折而引起的剧烈疼痛甚至伤残的首选方法。但是，目前的PVP手术操作中，医生完全依赖于一些叙述性的经验规则和实时X射线影像反馈来完成操作，通常是在穿刺后向病灶内注入1-2毫升的骨水泥，然后在C臂下观察有无前后渗漏，视情况再注入3-6毫升，基本上是边观察边注射，不知道应该注入多少骨水泥和注入量对治疗结果的影响。不同的医生可能有不同的方式，这样既不准确也不规范。注入量太少， 达不到治疗的效果，注入太多，有可能导致危险的渗漏，从而引发严重并发症。此外， 手术中反复使用实时X射线影像给病人和治疗者都带来辐射危害。
PVP治疗最大的临床问题是骨水泥渗漏，研究报道PVP总体渗漏率为41%。某些情况下的渗漏将可能导致严重的并发症，比如骨水泥进入椎管直接造成脊髓损伤而引发病人瘫痪， 或者骨水泥在椎旁静脉中渗漏让骨水泥进入血液循环从而引起肺栓塞。 过量的骨水泥还能显著改变病变椎体邻近椎体的载荷分布，可能造成邻近椎体产生新的骨折。过少的骨水泥又达不到治疗的效果。 这样一个行之有效但又可能造成严重并发症的手术已经在临床中使用超过20多年，但至今为止还没有形成一个治疗程序标准，临床有效性也只能被认为在70%以上，其原因在于还没有一个技术能够确定特定病人的最优骨水泥注入量和注入后骨水泥如何分布、如何连接微骨折，以及判断这些因素对病人恢复的影响。
骨质疏松性椎体压缩骨折患者个体差异大，因此，需要根据患者的个体化信息制定相应的治疗方案。目前，临床上患者的个性化信息主要来源于影像学结果。由于椎体解剖学的特殊性，使用常规的医学图像很难得到清楚、直观的图像。骨科医生虽然可以依靠其丰富的阅片经验确定椎体成形术手术参数，但对手术参数的定量分析和评估仍然存在较大的难度。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于指导经皮椎体成形术的影像生物标记物及其用途，使骨质疏松性椎体压缩骨折的影像学诊断从定性诊断阶段推向定量诊断阶段，能够使得椎体成形术的术前计划、术后预后规范化和标准化。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种用于指导经皮椎体成形术的影像生物标记物，该影像生物标记物包括术前影像生物标记物和术后影像生物标记物，术前影像生物标记物分别为：椎体压缩程度、椎体高度、椎弓根左右径及上下径大小、椎体皮质完整性；术后影像生物标记物分别为：椎体压缩程度、椎体高度、椎体皮质完整性、骨水泥分布情况。
本发明采用的进一步技术方案是：所述影像生物标记物是通过下面方法获得：采用CT机获取术前和术后CT影像，进一步运用开放源代码软件对CT影像完成三维重建，在三维重建过程中利用包括X射线管响应的光学性质模型、检测器响应模型、X射线物理模型以及锥形束和吸收像素的精准模型来准确的描述CT成像的全部过程，并在这些模型约束下极小化目标函数来给出三维重建模型的解，进而完成三维重建，再结合图像增强、分割算法及图像测距的图像处理方法，分析CT截面图像和三维重建椎体模型得的定量或半定量参数作为影像生物标记物。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种用于指导经皮椎体成形术的影像生物标记物的用途，可用于指导设计椎体成形术相关手术参数，为手术方案提供定量的依据。
本发明用于指导经皮椎体成形术的影像生物标记物及其用途具有如下有益效果：通过三维影像重建、计算机技术分析得到影像生物标记物，为骨质疏松性椎体压缩骨折的影像学诊断从定性诊断阶段推向定量诊断阶段提供解决方案，通过精细到骨水泥量化问题，进一步验证骨水泥注入量与PVP疗效之间的关系，这样就能最大限度的减少发生严重并发症的可能，降低病人和治疗者对X射线辐射的曝光量。
下面结合附图和实施例对本发明用于指导经皮椎体成形术的影像生物标记物及其用途作进一步的说明。
附图说明
图1是采用本发明影像生物标记物指导经皮椎体成形术的试验流程图。
具体实施方式
本发明用于指导经皮椎体成形术的影像生物标记物，该影像生物标记物包括术前影像生物标记物和术后影像生物标记物，术前影像生物标记物分别为：椎体压缩程度、椎体高度、椎弓根左右径及上下径大小、椎体皮质完整性；术后影像生物标记物分别为：椎体压缩程度、椎体高度、椎体皮质完整性、骨水泥分布情况。
影像生物标记物是通过下面方法获得：采用CT机获取术前和术后CT影像，进一步运用开放源代码软件（比如ImageJ平台上的3D Viewer插件扩展包）对CT影像完成三维重建，在三维重建过程中利用包括X射线管响应的光学性质模型、检测器响应模型、X射线物理模型以及锥形束和吸收像素的精准模型来准确的描述CT成像的全部过程，并在这些模型约束下极小化目标函数来给出三维重建模型的解，进而完成三维重建，再结合图像增强、分割算法及图像测距的图像处理方法，分析CT截面图像和三维重建椎体模型得的定量或半定量参数作为影像生物标记物。定量或半定量参数包括椎体压缩程度、椎体高度、椎弓根左右径及上下径大小、骨皮质完整性和凝固后骨水泥分布情况等。
本发明用于指导经皮椎体成形术的影像生物标记物的用途，可用于指导设计椎体成形术相关手术参数，为手术方案提供定量的依据。
通过动物模型验证三维影像生物标记物：①基于三维重建图像分析的定量或半定量参数作为影像生物标记物，术前分析病椎的破坏情况，指导进针及设计骨水泥相关参数：穿刺角度、深度、注射压力、速率，骨水泥量及骨水泥黏度；②在兔骨质疏松性椎体压缩骨折模型上模拟经皮椎体成形术；③术后评价兔行椎体成形术疗效：通过组织形态学、生物力学及分子生物学等方法全面评价骨质疏松压缩性骨折行椎体成形术后，对机体的长期影响及转归提供一定的理论及实验依据。
采用本发明影像生物标记物指导经皮椎体成形术的试验过程如下（试验流程图如图1所示）：
（1）采用卵巢去势法建立兔骨质疏松模型，进一步在实验动物L4和L5椎体上通过手术造成骨缺损。
（2）术前三维影像生物标记：术前完成CT，收集图像数据采用三维重建软件（ImageJ平台上的3D Viewer插件扩展包）进行处理，通过使用专用软件生成冠状面、矢状面、横断面等多平面图像，类似横断面CT的软组织图像，以及椎体三维重建。通过重建的三维图像定量描述椎体压缩程度、椎体高度、椎弓根左右径及上下径大小、以及椎体皮质完整性作为术前三维影像生物标记。进一步设计椎体成形术相关参数：穿刺角度、深度、注射压力、速率，骨水泥量及骨水泥黏度。
（3）兔模拟PVP手术：根据设计的手术参数，对形成骨缺损的兔椎体行椎体成形术。
在三维影像生物标记指导下，对形成骨缺损的椎体行经皮椎体成形术。
（4）术后评价兔行椎体成形术疗效：通过组织形态学、生物力学及分子生物学等方法全面评价骨质疏松压缩性骨折行椎体成形术后，对机体的长期影响及转归提供一定的理论及实验依据。
①生物力学性能测试：轴向压缩测试、三点弯曲测试；
②组织形态学观察：苏木精-伊红染色（HE染色）；
③分子生物学检测：将椎体标本液氮研磨后分别提取组织总蛋白和总RNA，进一步采用Western Blot，RT-PCR检测Collagen I、VEGF的蛋白及mRNA表达情况。
（5）修正PVP相关参数：术后再次重建三维图像，以椎体压缩程度、椎体高度、椎体皮质完整性以及骨水泥分布情况作为术后三维影像生物标记。经术前、术后三维影像生物标记比较后修正PVP相关参数（椎弓根进针角度、深度，骨水泥注入量、注射压力、速率等），以期完善PVP手术方案。
我们的发明基于CT三维重建图像的三维影像生物标记将能够使得椎体成形术的术前计划、术后预后规范化和标准化。