我们采用地质学(钻孔)取样方法,从人类股骨前侧获取用于同步辐射显微计算机断层扫描(SRµCT)实验的、尺寸均一的皮质骨样本。该方法具有破坏性小、效率高的特点,所获得的圆柱形样本可最大限度减少因样本形状不规则导致的成像伪影,从而改善骨微结构的可视化效果与分析质量。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
我们采用地质学(钻孔)取样方法,从人类股骨前侧获取用于同步辐射显微计算机断层扫描(SRµCT)实验的、尺寸均一的皮质骨样本。该方法具有破坏性小、效率高的特点,所获得的圆柱形样本可最大限度减少因样本形状不规则导致的成像伪影,从而改善骨微结构的可视化效果与分析质量。
骨是一种动态且具有机械活性的组织,其结构会随着人类生命周期而发生变化。以往,骨重建过程的产物主要通过传统的二维技术进行研究。近年来,X射线成像技术的进步,特别是台式显微计算机断层扫描(µCT)和同步辐射显微计算机断层扫描(SRµCT),使得能够在比其他三维成像技术(例如SEM)更大的视场(FOV)范围内获取高分辨率的三维(3D)扫描图像,从而更全面地揭示人皮质骨内部的微观结构。然而,为减少可能影响数据分析的条纹伪影的出现,样本必须被精确地置于视场中心。先前的研究报道,获取的不规则矩形骨块常因边缘不均或图像截断而导致成像伪影。我们采用了一种地质采样方法(钻取法),从人股骨前侧获取尺寸一致的皮质骨芯样本,用于SRµCT实验。该钻取法高效且对组织损伤极小,可制备出均匀的圆柱形样品,因其在旋转过程中具有等距特性,并在整个扫描过程中为X射线束提供一致的路径长度,从而减少成像伪影。对钻取样品与不规则形状样品的X射线断层扫描数据进行图像处理后,证实该技术在改善皮质骨微结构可视化与分析方面的潜力。本方案的目标是提供一种可靠、可重复的皮质骨芯提取方法,适用于多种高分辨率骨成像实验。本研究的总体目标是建立一种经济、一致且简便的SRµCT用皮质骨样本标准化获取流程。该方法还可被相关领域的研究人员进一步调整应用,例如在生物人类学、地球科学或材料科学中常需评估硬质复合材料的研究领域。
随着成像技术的最新进展,如今已能够以极高的分辨率获取X射线成像数据。由于其非破坏性特点,台式微计算机断层扫描(µCT)系统目前已成为成像松质骨的标准方法1。然而,在成像皮质骨的微结构特征时,µCT的应用则较为有限。由于分辨率的限制,台式系统无法达到成像小于皮质骨孔隙的微结构特征(如骨细胞陷窝)所需的分辨率。对于此类应用,同步辐射微计算机断层扫描(SRµCT)因其更高的分辨率而成为理想选择1。例如,在加拿大光源(CLS)的生物医学成像与治疗(BMIT)光束线上进行的实验2,已获得体素小至0.9 µm的图像。以往的研究1,3,4,5 利用该分辨率,对人类长骨皮质骨样本(图1)获取投影图像并重建三维(3D)图像,用于量化骨细胞陷窝密度4,6,7,8,9,以及分析陷窝形态和大小在人类生命周期中及两性之间的差异3。进一步的研究还揭示了人类骨单位带状结构的存在10,这一现象此前在法医人类学文献中仅被认为存在于非人类哺乳动物中。
为了实现优异的分辨率,X射线束必须在视场(FOV)内精确聚焦,这通常将最大样品尺寸限制在直径几毫米以内。目前,文献中尚未描述一套全面且标准化的骨样本采集流程,以满足这些限制条件。将样品置于视场中心至关重要,以确保:1)样品在成像过程中旋转180°时仍保持居中;2)减少扫描伪影,避免图像被截断。换句话说,样品中位于视场外的部分不会干扰进入视场内焦点的射线。若发生此类情况,重建算法将缺失部分必要的衰减数据,从而无法实现完全准确的重建。还需注意的是,360°(全旋转)扫描可最小化射线硬化效应,但会增加因对准偏差和成像过程中样品移动所导致的伪影。因此,尽管360°扫描通常能获得更清晰的数据,但成像时间会加倍,必须在实验成本与数据质量之间做出权衡。
骨成像实验中一个关键但常被忽视的方面是在扫描前进行准确且可重复的样本制备。许多研究在实验中引入同步辐射显微计算机断层扫描(SRµCT)方法时,仅简要提及取样方案,但对获取样本所用的具体方法学细节描述极少或完全未予说明。许多此类研究提到切割任意尺寸的矩形骨块,但通常未进一步说明所使用的工具或包埋材料3,4,10,11,12,13,14。一些研究人员通常使用手持式旋转工具(例如 Dremel)从感兴趣区域(ROI)切取矩形骨块3,4,10,11,12,13,14。该方法获得的样本尺寸不均,可能大于视场(FOV),从而增加扫描伪影和图像截断的可能性。此类样本通常需要进一步使用精密金刚石切片锯(例如 Buehler Isomet)进行修整。获取尺寸一致(精确至百分之一毫米)的样本对于确保所获得的数据集具有最高质量以及后续结果具有可重复性至关重要。
样本获取方法的报道有限,这在尝试应用和/或验证先前研究中所使用的方法时增加了额外的难度。目前,研究人员必须直接联系作者以获取有关其采样程序的更多细节。本文详细描述了一种经过充分记录、可重复且成本效益高的采样技术,为生物医学研究人员提供了便利。本文的主要目的是提供一份全面的操作指南,介绍如何使用铣钻机和金刚石取芯钻头获取尺寸一致的皮质骨芯样本,以准确地可视化和提取微结构数据。该方法改编自高压岩石力学领域中常规用于从硬质材料块体上采集均匀小直径(1–5 mm)圆柱体的操作流程15,16,17,18,19。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
所有标本均来自托莱多大学医学院与生命科学学院以及东北俄亥俄医学院(NEOMED)的经防腐处理的遗体捐赠者,捐赠均获得捐赠者本人或其法定亲属的知情同意。阿克伦大学保护人类受试者机构审查委员会(IRB)认定,由于这些标本并非取自活体个体,因此无需接受完整的IRB审查。所有捐赠者的年龄、性别及死亡原因等人口统计学信息均可获取。所选个体在死亡时均无已知影响骨骼的疾病史,也未接受可能影响骨重建的治疗方案。皮质骨样本取自现代男性和女性遗体的股骨,其年龄范围为19至101岁(平均年龄=73.9岁)。股骨中段已被广泛研究,包括皮质骨孔隙率20,21,22,23,24和骨组织材料密度25,26,27的变异分析,因此已成为微结构分析中常用的部位。
1. 组织获取与研磨
2. 组织切片
3. 样品取芯
4. 用于评估皮质骨微结构参数的骨组织芯像处理流程
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
所描述的钻芯取样方法被证明具有高度的有效性和效率。采用本方案进行钻芯取样,可成功获取 >300 个尺寸一致的样品,用于 CLS BMIT-BM 光束线上的实验2,视野范围约为 2 mm 1.49 µm 体素大小。为验证核心直径的一致性,对部分人类股骨前侧核心样本沿其长度方向(上部、中部、底部)进行三次测量(n=69)。芯体的平均直径为1.96 ± 0.11 mm,沿芯体长度方向的平均变细程度为0.06 ± 0.06 mm/mm。为了突出该方法对其他硬质复合材料的适用性,我们尝试将该方法应用于白云岩样品n=32),平均直径为1.06 ± 0.02 mm。沿岩心样品长度方向的变细程度记录为0.01 ± 0.005 mm/mm。代表性图示比较了岩心样品与使用旋转工具(如Dremel)获取的样品的图像处理流程,具体如步骤4.2.3所述,可参见 图7使用普通旋转工具切割的样本相较于钻取样本,显示出更多的管道数量(Ca.N)和陷窝数量(Lc.N),以及更小的平均管道直径(Ca.Dm)、管道体积(Ca....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
目前尚无获取均匀且呈圆柱形皮质骨核心样本的全面标准化方案,以用于视野受限的高分辨率同步辐射显微计算机断层扫描(SRµCT)成像。本文详述的方案填补了这一空白。 通过提供关于如何获取尺寸一致的皮质骨芯样本用于同步辐射显微计算机断层扫描(SRµCT)成像,以及后续准确可视化和提取微结构数据的全面教程,弥补了这一空白。我们已证明,与以往描述的切割任意尺寸矩形骨块的方法相比,本方案为获取皮质骨芯样本提供了更为标准化且可靠的方法。因此,依赖手持式旋转工具(例如 Dremel)切除不规则尺寸骨块的研究人员,在成像过程中可能面临更长的样本准备时间,并在分析过程中出现更高的阈值设定误差和皮质孔隙提取误差。这一差异凸显了本标准化方案在骨样本制备、后续可视化与分析以及结果解读方面的重要性和必要性。
本方案还可供相关领域的研究人员进一步调整使用,例如常需评估骨组织的生物人类学家和考古学家。然而,在本研究所描述的实验流程中,并未对任何成岩作用相关的或具有考古学/历史价值的骨样本进行取芯。在地质学中,成岩作用(diagenesis)是指材料(如骨骼)沉积后发生的改变,可能包括由物理、化学或生物因素...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
作者无任何利益冲突需要披露。
本文所述研究在加拿大光源中心(Canadian Light Source)的BMIT设施进行,该设施得到加拿大创新基金会、加拿大自然科学与工程研究委员会、萨斯喀彻温大学、萨斯喀彻温省政府、加拿大西部经济多元化署、加拿大国家研究委员会以及加拿大卫生研究院的支持。作者谨向加拿大光源中心光束线科学家表示感谢,特别是Adam Webb、Denise Miller、Sergey Gasilov和Ning Zu,在SkyScan SRµCT及白光显微镜系统的安装与故障排查过程中提供了协助。我们还感谢托莱多大学医学院与生命科学学院的Beth Dalzell,以及东北俄亥俄医学院的Jeffrey Wenstrup博士,为本研究提供尸体样本。JM Andronowski的研究得到了阿克伦大学提供的启动研究资金以及美国国家 司法研究与教育研究所 法医学领域的进展 用于刑事司法目的的资助(2018-DU-BX-0188)。 RA Davis 获得了阿克伦大学提供的研究生助研奖学金。用于取芯和切割的设备与耗材由阿克伦大学的启动资金以及美国国家科学基金会(NSF)资助项目 EAR-1624242(授予 CW Holyoke)购得。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1-1/8" 复合材料用硬质合金下切刀 | Warrior | 61812 | 28.6mm 下切深度 |
| 70% 乙醇 | Fisher Scientific | BP8201500 | 3.8 升 |
| 钝头镊子 | Fisher Scientific | 10-300 | |
| 离心管 | ThermoFisher | 55398 | |
| Crystalbond 509-3 环氧树脂 | Ted Pella | 821-3 | |
| CTAnalyser | Bruker microCT | v.1.15.4.0 | 在 https://www.bruker.com/products/microtomography/micro-ct-software/3dsuite.html 下载并安装 |
| 牙科工具套装 | Amazon | 787269885110 | |
| 复合材料用金刚石切片锯片 | Buehler | #11-4247 | |
| 台式钻床 | Jet Mill/Drill | 350017 | 型号:JMD-15,台式钻床可作为合适替代设备,但通常缺乏可移动的机床工作台以精确定位钻头下方的样品 |
| 细头镊子 | Fisher Scientific | 22-327379 | |
| 铣床/钻床用 XY 机床工作台夹具 | MSC Industrial Supply | #04804571 | |
| 玻璃显微镜载玻片 | Ted Pella | 26005 | 75×50 mm 载玻片,厚度 1 mm |
| 玻璃载玻片卡盘 | Buehler | #112488 | 尺寸需足以固定 75×50 mm 玻璃载玻片 |
| 可加热至 140 °C 的加热板 | ThermoScientific | HP88850105 | |
| 培养箱 | NAPCO | Model 4200 | |
| Isocut 切割液 | Buehler | 111193032 | 润滑剂;30 mL |
| 珠宝商用金刚石空心钻头 | Otto Frei | #119.050 | 内径 2 mm 的空心杆取芯钻头 |
| NRecon | Bruker microCT | v.1.6.10.2 | 在 https://www.bruker.com/products/microtomography.html 下载并安装 |
| 往复锯 | Harbor Freight | 62866 | |
| 耐高温玻璃器皿 | Pyrex | 1117715 | 玻璃食品储存容器 |
| 精密低速切割机(Isomet 1000) | Buehler | 111280160 | |
| 剃须刀片 | Amazon | 25181 | |
| 浅铝制盘 | Amazon | B01MRWLD0R | 直径约 8 cm |
| 样品杯 | Amazon | 616784425436 885334344729 | |
| Tergazyme 洗涤剂 | Alconox | 1304-1 | 1.8 kg 盒装 |
| 超声波清洗器 | MTI Corporation | KJ201508006 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。