使用显微计算机断层扫描评估骨折愈合

显微计算机断层扫描（μCT）是一种无损成像工具，有助于评估临床前研究中的骨结构，但对用于分析骨愈合愈伤组织的μCT程序缺乏共识。本研究提供了一种循序渐进的μCT方案，可以监测骨折愈合。

显微CT是量化3D骨骼形态和质量的一种非常常见的方法。尽管分析方案在表征完整皮质和小梁骨方面已经相当成熟，但对分析骨折愈合的方案的共识较少。该技术涉及无创成像和精确的校准3D分析，使用手动和自动技术的良好平衡。

它还使用复杂而灵活的软件环境。演示该程序的将是我实验室的研究助理Hwabok Wee。首先，使用定制开发的3D打印扫描夹具或类似装置，其中包括用于骨矿物质密度校准的微型羟基磷灰石模型。

将多达六个长骨样品放入夹具中，以便同时扫描多个样品。将准备好的夹具放在注射器或锥形管中，类似于扫描视场的直径。用盐水等防腐剂填充注射器，以防止样品在扫描过程中变干。

确认微型CT机的校准后，将样品夹具的中心线与显微CT的近似中心线对齐，以确保样品在视野内，并且其长轴的方向与结果图像的轴向方向大致一致。接下来，通过将能量或强度设置为55千米电压峰值，电流设置为145微安，各向同性体素大小设置为10.5微米，积分时间为300毫秒来设置micro-CT系统的扫描参数。然后目视检查不同视图中的侦察图像，以覆盖所有愈伤组织样本的整个体积。

开始扫描采集，完成后，将图像转换为DICOM堆栈以将其导入分析软件。要从图像裁剪开始，请一次选择一个样本，然后裁剪每个图像堆栈，确保整个样本包含在裁剪的体积中。通过单击屏幕左上角的"文件"选项卡，选择"将项目另存为"，然后选择"最小化项目大小"来保存裁剪的图像。

要对图像进行降噪，请单击"文件"选项卡，然后选择要使用"打开数据"处理的图像，这将在屏幕左上角的"项目视图"窗口中打开图像。右键单击以选择"图像处理"，然后选择"筛选器沙盒"，然后单击"创建"。在屏幕左下角的"属性"窗口中，选择"数据"作为预览类型。

从过滤器旁边的下拉菜单中选择过滤器类型，然后选择 3D 进行解释。将可分离保留为下拉菜单中的核类型，在可用的空框中填写标准偏差和核大小因子的值。然后从输出旁边的下拉菜单中选择与输入相同。

最后，单击应用。对于未对齐的样本，用户可以通过从"项目视图"窗口中选择经过过滤的裁剪图像来创建样本的 3D 渲染图像来执行图像重新对齐。右键单击以选择 显示 然后 体积渲染 从下拉菜单中。

然后单击"创建"以目视检查矢状面和额平面中的 3D 渲染图像。然后手动旋转渲染的体积，以便在纵轴上获得良好的对齐。要在旋转的图像中应用变换，请在"属性"窗口中单击"变换编辑器"。

然后转到变换编辑器操纵器并从下拉菜单中选择转换器。如果需要，请旋转、重新对齐，然后再次单击变换编辑器以锁定图像。接下来，要创建新的横向平面图像切片，请通过从"项目视图"窗口中选择图像来重新取样过滤后的图像。

右键单击以选择 几何变换，然后选择 重新采样变换后的图像 从下拉菜单中，然后单击创建。在属性窗口中，转到数据，然后从下拉菜单中选择标准进行插值，选择扩展模式，选择体素大小进行保留。在填充值的可用空白框中输入零，最后，单击应用。

要定义感兴趣的体积，请浏览横向图像切片，识别骨折愈伤组织的中心平面，并根据愈伤组织的近端和远端晶状体对其进行定义。如果难以指定愈伤组织末端，请根据距愈伤组织中心平面的标准化距离定义体积。要在重新组装转换后的图像后分割愈伤组织的外部边界，请单击屏幕顶部第二个选项卡行中的分割选项卡。

在分割编辑器窗口中，从图像旁边的下拉菜单中选择转换后的图像。在"材料"窗口中，双击"添加"。这样，将出现两个名为"材料3"和"材料4"的选项卡。

右键单击将材料 3 重命名为愈伤组织，将材料 4 重命名为皮质骨。接下来，在"选择"窗口中，单击套索图标。从出现的选项中，为 2D 模式选择"徒手"，为 3D 模式选择"内部"，为选项选择"自动描摹"和"描摹边"。

然后使用套索标记愈伤组织的外边界。对在感兴趣的体积中采样的切片重复轮廓步骤，切片可以间隔开来，例如，间隔 20 个切片。要创建完整的愈伤组织标签，请在"材料"窗口中选择愈伤组织文件，单击屏幕顶部的选择选项卡，然后从下拉菜单中选择插值。

然后，在"选择"窗口中，单击加号。接下来，分割皮质骨，包括髓腔。然后插入轮廓的骨膜皮层表面以创建皮质骨标签，就像之前对愈伤组织所做的那样。

要计算愈伤组织的轮廓体积和平均灰度值，请单击屏幕顶行的分割选项卡，然后从下拉菜单中选择材料统计以生成计算值表。请注意，皮质骨和愈伤组织的值在减去皮质骨后分别提供。导出生成的表，然后单击导出到工作区保存数据。

要将灰度单位转换为骨矿物质密度，请从整个图像中裁剪 4.5 毫米 HA 模型的 3D 图像，然后单击分割。要在第一个和最后一个切片处绘制圆，请在"材料"窗口中单击"添加"四次。然后右键单击以将材料 3、4、5 和 6 分别重命名为 Phantom1、2、3 和 4。

接下来，选择幻影 1。单击"选择"窗口中的画笔图标，然后使用滑块调整画笔大小，使圆的大小小于幻像的大小。要为每个 HA 圆柱体创建一个体积，请应用插值，方法是在"材料"窗口中选择 Phantom1，单击屏幕顶行上的"选择"选项卡，然后从下拉菜单中选择插值。

然后，在"选择"窗口中，单击加号。对剩余的 HA 气缸重复此过程。使用生成的 3D 标签计算四个分析的 HA 圆柱体的平均灰度值。

绘制模型制造商提供的平均灰度值和相应的骨矿物质密度 （BMD） 值。使用线性回归生成 BMD 和灰度值之间的相关方程。要分割矿化愈伤组织，请单击"材料"窗口中的"添加"。

然后右键单击以将新材料重命名为愈伤组织矿化。接下来，在"材料"窗口中选择"愈伤组织"，然后单击"选择"。然后在"选择"窗口中单击"阈值"。

选择较低的值，并在阈值屏蔽中应用HA虚拟中计算的阈值。然后在"选择"窗口中单击"仅选择当前材料"，然后单击"选择蒙版体素"。然后在"材料"窗口中选择愈伤组织矿化，然后单击"选择"窗口中的加号。

最后，在"材料"窗口中单击愈伤组织矿化的 3D。在三个时间点分析的显微CT图像显示，在第14天大量形成了矿化愈伤组织。随着愈合从第14天到第21天和第28天，骨分数体积和骨矿物质密度的增量增加，与骨折间隙的骨桥接一致。

正如预期的那样，愈伤组织在第 21 天和第 28 天之间经历了吸收或重塑，这可以从愈伤组织总体积的下降中得到证明。愈伤组织的皮质桥接在第28天比之前的任何时间点都更明显。对于复杂的骨折，我们建议仔细检查生成的半自动分割，方法是滚动浏览所有图像切片，有时在不同的平面上，并根据需要调整轮廓。

一旦骨折愈伤组织被准确分割，除了本协议中报告的参数外，还可以使用其他脚本计算结果参数。例如，这些包括惯性矩和连接密度。