纵向显微计算机断层扫描图像分析，用于临界尺寸骨缺损中用户定义的感兴趣区域

Summary

我们提出了一种在纵向 体内 大鼠径向缺陷模型中分析用户定义的感兴趣区域 （ROI） 的方法。该方法能够在以前受显微计算机断层扫描 （μCT） 扫描视野变化、标本方向和支架基线存在限制的不同支架之间进行比较分析。

Abstract

骨体积的显微计算机断层扫描 （μCT） 成像分析是研究纵向 体内 研究中骨再生潜力和结果的必要定量工具。已建立的骨分割方法利用可视化软件对复杂解剖结构进行全骨 μCT 分割和对齐。这些分割协议为分割、对齐和分析提供了一种强大、高精度的方法，但在用户定义的感兴趣区域 （ROI） 分析能力方面受到限制。我们提出了一种协议，扩展了这些方法，以允许围绕临界大小的骨缺损进行用户定义的 ROI 骨体积分析。随着时间的推移，可以分析围绕缺陷的用户定义 ROI，以进行 体内 纵向研究。在此，我们研究了三个独特的大鼠标本的 μCT 图像，每个标本都植入了聚己内酯 （PCL） 对照支架。三个用户（2 名经验丰富的用户和 1 名新手）在 0 周和 6 周的时间点分析模型，以说明在整个纵向研究中测量围绕临界尺寸缺陷的投资回报率的能力。

Introduction

临界大小的骨缺损对骨科治疗管理构成了重大的临床挑战。根据 ASTM F2721，临界尺寸缺损的特征是长度为感兴趣骨骼直径^1.5 至 2 倍的缺损。传统上，这些缺陷的修复是通过使用自体和同种异体移植来实现的，这些移植受手术费用、二次手术的相关风险和所需的骨移植量的限制²。目前的骨再生技术侧重于使用同种异体和异种体支架，旨在通过优化其机械性能、生物相容性、生物活性、血管生成潜力和降解曲线来产生骨传导和骨诱导效应 ^3,4,5。生物材料研究范围广泛，从生物陶瓷和生物聚合物到金属和其他复合材料⁶。这些生物材料的变体在体外和体内都经过测试，以询问它们作为骨再生支架的潜力。

μCT 是非侵入性、高精度成像的金标准，用于评估啮齿动物模型的骨骼形态、结构和微观结构 ^7,8,9。这种....

Protocol

本研究的纵向 μCT 图像是在第 0 周和第 6 周从用基于聚己内酯 （PCL） 的支架治疗的成年雌性 Charles River SASCO-SD 大鼠的 3 mm 严重径向缺损中收集的。所有动物使用均按照罗切斯特大学动物资源委员会 （UCAR） 批准的方案进行。使用 Scanco Medical VivaCT 40 进行 μCT 图像采集。

注意：该协议中的主要步骤分为 μCT 图像分割、对齐、ROI 选择和裁剪以及分析和可视化（图 1）。μCT 图像分割协议改编自 Kenney 等人 （2022）¹¹。

图 1：摘要工作流程图。 协议步骤主要分为图像分割、模型对齐、ROI 选择和体积分析。

Results

研究了三种独特大鼠模型的 μCT 图像，每种模型都用聚己内酯 （PCL） 支架处理，以说明阳性结果。跨时间点的纵向研究分析需要在选择和裁剪为 ROI 之前对齐收集的实体模型。为了在多周内说明这种能力，在第 0 周和第 6 周收集的实体模型使用公共区域对齐（图 2）。

图 2：每周实体模型的对齐。 使用图像配准向导在周之间使用第 0 周作为基线方向的代表性实体模型对齐。此套准过程是半自动化的，在两个模型之间应用用户定义的公共区域（虚线）以帮助自动对齐实体模型。

Discussion

量化骨体积变化对于研究纵向 体内 研究中的骨再生潜力和结果至关重要。该协议建立在已建立的 μCT 图像分割方法¹¹ 的基础上，提供了一种指定用户定义的感兴趣区域 （ROI） 的系统方法。该技术在 体内大鼠研究 的骨支架植入物有效性分析中至关重要。通过扩展已建立的协议¹¹，该方法确保了图像分割的稳健性和可重复性，是对齐和裁剪技术的基础。使用 Tukey 的多重比较检验分析的双向方差分析显示，仅在 PCL2 支架上，有经验的用户和新手用户之间存在显著差异。此外，尽管在有经验的用户和新手用户之间观察到显著性，但这主要是由从新手用户那里获得的一个结果驱动的。虽然这些结果表明软件熟悉度对结果准确性的贡献，但这些结果也可能受到标本特异性形态的影响。PCL5 表明，有经验的用户 1 和 2 与新手用户之间的结果关联要紧密得多（p 值分别为 >0.9999 和 0.8658）。尽管在 PCL2 组中注意到了一些局限性，但为了进一步说明该过程的可靠性，我们进.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
阿米拉 3D	FEI SAS，赛默飞世尔科技旗下公司	2024.1 版	用于分割 microCT 图像的程序。
图形板棱镜	GraphPad 软件有限责任公司	v10.0.3 （217）	用于图开发的程序。
R 统计软件	统计计算的 R 基础	v4.4.0 （2024-04-24）	用于执行 ICC 分析的程序。
Scanco 医疗 VivaCT 40	斯堪科医疗	那	用于收集 microCT 图像的 microCT 扫描仪。