用 Imagej 插件对小梁骨的外边界辅助分割和量化

Summary

我们提出了一个工作流, 以分割和量化的小梁骨2D 和3D 图像基于骨骼的外部边界使用一个 ImageJ 插件。这种方法比当前手工轮廓方法更有效和准确, 并提供了一层层的 quantifications, 在当前的商业软件中是不可用的。

Abstract

微计算机断层扫描 (显微 CT) 通常用于评估不同骨质流失情况下小动物骨量和微梁的显微结构特征。然而, 显微 CT 图像小梁分析的标准方法是切片半自动手工轮廓, 这是劳动密集型和易出错的。本文描述的是根据骨的外边界自动分割小梁骨的有效方法, 在适当的情况下, 在合适的情况下, 可自动识别和分割短梁骨。设置了分割参数。为了分析满意的分割参数, 给出了分割结果的图像栈, 将分割参数的所有可能组合按顺序变化, 并通过相关参数的分割结果可以易于目视检查。作为插件的质量控制特性, 模拟标准对象被量化, 在测量量可以与理论值进行比较。该插件报告了小梁性质和小梁厚度的逐层量化, 并能很容易地对所选区域内的这种性质分布进行分析。虽然逐层量化保留了关于小梁骨的更多信息, 并有助于进一步统计分析结构变化, 但此类措施无法从当前商业软件的输出中获得, 只有单一每个示例都报告每个参数的量化值。因此, 所描述的工作流是比较准确、高效地分析小梁骨的较好方法。

Introduction

小梁骨显微 CT 分析是跟踪不同骨丢失情况下动物骨骼形态学变化的标准方法^1,2,3, 其中几个变量与报告了骨骼的结构⁴。但是, 此类参数在长骨骼的骺中不均匀分布⁵, 并且仅报告每个样本的每个结构变量的汇总值或平均值 (由当前商用微 CT 机^6,7, 但单个值不能完全表示分析区域中测量参数的特征。一层一层定量的小梁骨不仅保留了对每个变量的更多信息, 而且还能够在分析区域中对此类变量的分布进行分析, 便于随后对结构进行统计分析。在不同条件下的更改⁵。因此, 该方法的目的是量化微梁骨的显微 ct 扫描在每个切片水平, 这是没有在任何商业可用的微 ct 分析包目前。

为了有效地分割小梁骨切片, 需要自动分割方法。然而, 目前的显微 CT 分析标准技术是基于人工交互式轮廓, 然后是半自动插补, 将小梁骨从皮质隔间分离出来, 这是劳动密集型、易出错和与大量运算符偏差关联^8,

Protocol

涉及动物主题的程序是按照《动物保育和使用指南》 (NIH 出版, 第八版, 2011) 进行的, 并已由武汉机构动物保育和使用委员会审查和批准。大学.

1. 软件安装

1. 安装 ImageJ 软件。从 https://imagej.nih.gov/ij/下载与64位 Java 捆绑在一起的 ImageJ (版本 1.51p) 软件的 Windows 版本。将下载的软件解压到一个文件夹中, 随后将其称为 "ImageJ 目录"。
   注: 小梁分析插件需要64位 java 运行时间 (版本 1.8) 和64位 windows 操作系统, 最好是64位 windows 7 操作系统。
2. 安装小梁分析插件。请求小梁分析插件从 http://www.bomomics.com, 并解压的内容到 ImageJ 的插件目录, 这是 "ImageJ 目录/插件"。
   注: 该插件可以作为一个自由版本获得, 其中5指定相邻切片的测量报告, 或作为商业版本, 其中的切片范围可以指定和测量。

2. 为小梁分析准备3D 数据集

1. 在标准扫描协议⁵之后, 用微型 CT 扫描大鼠股骨, 然后以可导入 ImageJ 的格式 (例如) tiff 格式保存数据。如果在单个样本管中同时扫描多个骨样本, 首先将数据导入 Im....

Results

小梁分析插件旨在自动分割和量化小梁骨的准确性。最初, 骨外边界被发现和划定后, 一个孔充填手术, 其中任何孔内的骨外皮质壳填补。然后进行侵蚀手术, 排除外皮质骨, 并获得分割小梁骨。最后, 对分段区小梁骨的测量方法进行量化。

由于微 CT 图像固有的噪音, 分割使用预定义的任意参数往往无法准确识别骨骼的外部边界。为了选择满意的分割参数, 尝试大量的参数组合, 是一种繁琐而又费力的工作。因此, 提供了一个参数分析插件, 用于在设置范围内自动更改参数, 以帮助选择满意的参数组合, 这也便于为一组骨骼选择一条共同的参数集。样品.图 1A显示用于分析好的分割参数的设置。如果指定了皮质骨阈值 (Cort 骨) 的参数、要分析的阈值范围 (范围) 以及每个步骤的阈值 (步长) 的增量量, 则会生成一系列要分析的阈值。随后, 通过设置相应的参数, 生成了一系列类似的噪声和孔.......

Discussion

本研究介绍了一种用于分析小梁骨的 ImageJ 插件, 它具有自动、高效和人性化的功效。该插件还可用于量化任何2D 或3D 对象, 用于逐层度量区域、卷和厚度。目前, 通过标准的显微 CT 分析, 每个样品的每一个小梁参数只有一个测量值, 不能完全代表所选分析区域中测量实体的特征。所述插件报告每个样本的每一个参数的逐层数量, 在选定的分析区域充分保留测量参数的分布信息, 因此更先进和敏感的统计方法适用于分析此类数据。

采用标准的半自动手工轮廓分割方法, 用算子偏置法观察了不同手形切片之间的显著差异^8,9,10, 要求更统一和自动法进行小梁分割。由于扫描背景与骨外边界之间的对比度最大, 外边界辅助小梁的分割是由插件执行的, 在适当的时候, 骨骼的外边界可以自动检测出准确的提供阈值、噪音和孔设置。为便于对分割参数的确定, 在分析区域中用代表性切片对一系列参数组合进行了描述, 并对满意的分割结果进行了直.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ImageJ	NIH	imagej	任何带有 java 1.8 运行时
小梁分析插件	Bomomics	bomomics	免费或商业版
Micro CT 扫描仪	Scanco	μ-50	micro CT 来自任何供应商
计算机系统	Lenovo		任何品牌
Windows作系统	Microsoft	Windows 7 x64	任何 64 位 Windows作系统
办公软件	Microsoft	Office 2010	任何具有 xy 图表功能的 speadsheet 软件