Name: 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 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-06-24T13:20:00.000+00:00
Duration: 8 min 39 s
Description: 学习纵向显微计算机断层扫描图像分析方法，用于大鼠桡骨临界尺寸缺损模型中用户定义感兴趣区域的精准追踪。该方法可实现不同支架的对比分析，提高骨再生研究的精确度。

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我们感谢罗切斯特大学生物力学与多模态组织成像中心的Mark Kenney在当前流程培训以及本流程开发过程中的讨论，同时感谢Lindsay Schnur提供的帮助。本研究得到了美国国立卫生研究院/国家关节与肌肉骨骼疾病研究所（NIH/NIAMS）资助：H.A.A.（项目编号R01AR07061、P50AR072000和P30AR069655）以及V.Z.Z（项目编号T32GM007356、T32GM152318和T32AR076950）。

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</ol>

作者声明无利益冲突。

量化骨体积变化对于纵向研究骨再生潜力及治疗效果至关重要 体内 研究。本方案在已有的显微计算机断层扫描（µCT）图像分割方法基础上建立11，为指定用户自定义的兴趣区域（ROI）提供了一种系统化方法。该技术在分析骨支架植入物有效性方面起到了关键作用 体内 大鼠研究。通过拓展已有实验方案11，该方法在图像分割中具有良好的稳健性和可重复性，为后续的配准和裁剪技术提供了基础。采用双因素方差分析（Two-way ANOVA）结合Tukey多重比较检验分析，仅在PCL2支架上显示出经验丰富的用户与新手用户之间存在显著差异。此外，尽管在经验丰富的用户与新手用户之间观察到显著性差异，但这一差异主要由一名新手用户所得的单一结果驱动。虽然这些结果表明软件使用熟练程度对结果准确性具有一定影响，但结果也可能受到样本特异性形态的干扰。PCL5支架上，经验丰富的用户1和用户2与新手用户的结果表现出更为接近的一致性（p值为 &#62;0.9999 和 0.8658）。尽管在 PCL2 组中观察到一些局限性，但为进一步说明该过程的可靠性，进...

临界尺寸骨缺损在骨科治疗管理中构成重大的临床挑战。根据 ASTM F2721 标准，临界尺寸缺损是指长度为所关注骨骼直径 1.5 至 2 倍的骨缺损1。传统上，此类缺损的修复依赖自体移植和同种异体移植，但受限于手术费用、继发手术的相关风险以及所需骨移植物的体积2。目前的骨再生技术主要集中于使用同种异体和异种来源的支架材料，通过优化其力学性能、生物相容性、生物活性、促血管生成潜力及降解特性，以实现骨传导和骨诱导效应3,4,5。研究的生物材料广泛涵盖生物陶瓷、生物聚合物、金属及其他复合材料6。这些生物材料的不同形式均在体外（in vitro）和体内（in vivo）进行测试，以评估其作为骨再生支架的潜力。
µCT 是用于评估啮齿类动物模型骨形态、结构及微结构的非侵入性、高精度成像的金标准7,8,9。该成像技术已被用于描述骨折愈合模型中骨再生的纵向、in vivo 进展过程10。已有方法被开发用于标准化从 µCT 扫描中对皮质骨和松质骨进行定量分析9。研究人员已开发出半自动化的分割工作流程，利用 commercially available 可视化软件对具有复杂解剖结构的完整骨骼进行分割11。这些方法使得不同经验水平的用户均能采用简便、易操作的方式获得标准化且可重复的结果。然而，这些方法在针对用户自定义 ROI 的研究能力方面仍存在局限性。
在此，我们介绍一种在现有方法基础上改进的实验方案，可实现对围绕骨缺损临界尺寸区域的用户自定义感兴趣区域（ROI）骨体积进行纵向分析 体内 使用可视化软件对大鼠模型进行分析。在纵向研究的各周之间建立一致的配准和感兴趣区域（ROI）选择方法，对于开发可靠的实验方案至关重要。将最初的时间点作为基线，用于后续各周数据的配准，以确保三维实体模型方向的一致性。在此配准基础上，可从叠加的实体模型中选取对应的µCT图像切片，覆盖临界尺寸缺损区域。通过切片位置以及区域内切片数量的比较，进一步验证ROI的一致性。随后各周可复制基线模型所选的ROI，从而实现可比较的定量分析。

<table><tbody><tr><td>Amira 3D</td><td>FEI SAS，隶属于赛默飞世尔科技</td><td>v2024.1</td><td>用于微计算机断层扫描（microCT）图像分割的程序。</td></tr><tr><td>Graph Pad Prism</td><td>GraphPad Software LLC</td><td>v10.0.3 (217)</td><td>用于图表制作的程序。</td></tr><tr><td>R 统计软件</td><td>统计计算 R 基金会</td><td>v4.4.0（2024-04-24）</td><td>用于执行ICC分析的程序。</td></tr><tr><td>Scanco Medical VivaCT 40</td><td>Scanco Medical</td><td>NA</td><td>用于采集显微CT图像的显微CT扫描仪。</td></tr></tbody></table>

针对大段骨缺损中用户自定义感兴趣区域的纵向显微计算机断层成像分析

Longitudinal Micro-Computed Tomography Image Analysis for User-Defined Region of Interest in Critical-Sized Bone Defects

骨体积的微型计算机断层扫描（µCT）成像分析是纵向体内研究中评估骨再生潜力与结果所必需的定量工具。现有的骨组织分割方法利用可视化软件对整体骨组织进行µCT分割，并对复杂的解剖结构进行配准。这些分割方案为分割、配准和分析提供了稳健且高精度的方法，但在用户自定义感兴趣区域（ROI）分析方面存在局限性。本文提出了一种扩展上述方法的实验方案，可实现围绕临界尺寸骨缺损区域的用户自定义ROI骨体积分析。该围绕缺损区域的用户自定义ROI可在时间序列上进行分析，适用于体内纵向研究。在此，我们分析了三例各自植入聚己内酯（PCL）对照支架的大鼠样本的µCT图像。三名使用者（2名有经验者和1名新手）在0周和6周时间点对模型进行分析，以展示在纵向研究过程中测量围绕临界尺寸缺损的ROI的能力。

为展示积极结果，研究了三种不同大鼠模型的µCT图像，每种模型均经聚己内酯（PCL）支架处理。对多个时间点的纵向研究进行分析时，需先将采集的三维模型进行配准，然后选择并裁剪至感兴趣区域（ROI）。为展示该方法在多周时间内的应用效果，分别在第0周和第6周采集的三维模型通过共同区域进行了配准（图2）。
<img alt="骨愈合过程，第0周+第6周示意图，骨折愈合阶段的3D模型对比。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67904/67904fig2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="Figure 2"> 
图2：各周次实体模型的对齐。 使用图像配准向导以第0周作为基准方向，进行各周次之间的代表性实体模型对齐。该配准过程为半自动化，通过应用...

我们提出一种用于分析纵向研究中用户自定义感兴趣区域（ROI）的方法 体内 大鼠桡骨缺损模型。该方法实现了不同支架材料之间的比较分析，此前由于显微计算机断层扫描（µCT）扫描视野、样本取向以及支架本底存在的差异，此类比较受到限制。

骨体积的微型计算机断层扫描（µCT）成像分析是研究骨再生潜力所必需的定量工具，以及……

我们开发了纳米颗粒支架，以促进大段骨缺损中的骨再生，并旨在提高与传统支架相比的愈合速率。目前的方法通常追踪整个骨骼的骨量变化，缺乏精确定位能力，且在纵向模型中难以稳定识别局部感兴趣区域。本方案能够在实体模型中实现稳定、局部的感兴趣区域追踪，相较于全骨体积评估，提高了精确度和纵向分析能力。这些发现将使我们能够更准确地量化随时间推移的骨再生过程，并更有效地传达本研究潜在的转化应用价值。[指导教师] 首先，打开比对数据集中的提取桡骨样本，右键点击该样本。然后搜索“图像配准向导”并选择它。在属性部分，将“数据”设置为提取桡骨的比对数据集，将“参考”设置为提取桡骨的初始时间点数据集。在图像配准向导操作部分，点击“跳过”以跳过四步中的第一步。对于四步中的第二步和第三步，使用交互式光标调整标签框至两个数据集之间的共同区域，并在每一步后点击“操作”下方的“应用”。在四步中的第四步，将“度量”设置为相关性，“变换”设置为刚性，“预对齐”设置为对齐主轴，然后点击“操作”下方的“应用”。完成数据集对齐后，右键点击提取桡骨的比对周数据集，搜索“重采样变换图像”，并选择它。在属性部分，将“数据”设置为提取桡骨的比对周数据集，“插值”设置为最近邻，“模式”设置为扩展，“保留”设置为体素大小，“填充值”设置为零，然后点击“应用”。此时将生成一个新的变换后数据集。点击启用初始时间点的正交切片，并将“数据”设置为提取桡骨的初始时间点数据集。调整方向，使切面在桡骨上产生横断面。利用属性部分中的切片编号滑块，调整切片编号以识别围绕关键尺寸缺损的近端和远端切片。确定并记录骨折在两端与桡骨干相遇处的切片编号。启用比对周的正交切片，并将“数据”设置为提取桡骨的初始时间点数据集。然后调整方向，使切面在桡骨上产生横断面。在属性部分使用切片编号滑块，当初始时间点数据显示远端正交切片时，调整比对周的切片编号以匹配初始时间点的远端切片。记录比对周数据集远端切片的切片编号，并对近端切片重复此操作。点击提取桡骨的初始时间点数据，在属性部分点击“裁剪编辑器”工具。在弹出的裁剪编辑器窗口中，在X、Y或Z字段中输入最小值和最大值。观察视图窗口中感兴趣区域的调整情况，然后点击“确定”以裁剪数据集。对比对周数据集重复上述裁剪步骤。为确定初始时间点数据集的体积，右键点击提取桡骨的变换后初始时间点数据集，搜索“材料统计”，并选择它。在属性部分，将“数据”设置为变换后的初始时间点数据集，选择“材料”，然后点击“应用”。点击新生成的材料统计数据集，然后在属性窗口中点击“电子表格显示”。点击窗口上方的“表格”选项卡，查看裁剪后初始时间点数据集的体积。对比较周数据集重复体积分析步骤，然后进入“表格”选项卡，查看两个数据集各自的体积标签页。为可视化骨体积的变化，右键点击提取桡骨的比较周变换后数据集，搜索“算术运算”，并选择它。在属性窗口中，将输入A设置为比较周变换后数据集，输入B设置为初始时间点数据集，输入C设置为无源，结果类型设置为输入A，保持选项未勾选，结果通道设置为与输入A相同，表达式设置为AB。点击生成的结果数据集，按F2重命名文件，然后右键点击该结果数据集，搜索“生成表面”，并选择它。在属性窗口中点击“应用”，在弹出窗口中点击“继续”以创建新的surf数据集。右键点击surf数据集，搜索“表面视图”，并选择它。算术运算结果的表面视图将出现在视图窗口中。为更改表面视图的颜色，点击项目视图窗口中的表面视图。在属性窗口中，打开颜色下拉菜单，选择“常量”，然后点击颜色映射并指定所需颜色。为在初始周数据集中查看骨体积变化，右键点击变换后数据集，搜索“提取标签”，并选择它。在属性部分，将标签设置为变换后数据集，标签ID设置为2，勾选“导出为二值图像”，然后点击“应用”以生成结果数据集。接着按F2重命名结果文件。右键点击新生成的结果数据集，搜索“生成表面”，并选择它。在属性窗口中点击“应用”，在弹出窗口中点击“继续”以创建新的surf数据集。接下来，右键点击新的surf数据集，搜索“表面视图”，并选择它。此时将显示算术运算结果的表面视图。为更改此表面视图的颜色，点击项目视图窗口中的表面视图。在属性窗口中，打开颜色下拉菜单，选择“常量”，然后点击颜色映射并指定所需颜色。本研究分析了三种不同大鼠模型的显微CT图像，每种模型均使用聚己内酯支架治疗六周。通过共享解剖区域，成功对第零周和第六周的三维模型进行了对齐，实现了直接的纵向比较，并生成融合模型以验证配准的准确性。将第六周的感兴趣区域减去第零周的感兴趣区域，揭示了缺损部位内骨体积变化的清晰三维模型。从第零周到第六周骨体积变化的可视化叠加显示，不同的聚己内酯（PCL）支架组导致总体骨体积变化存在差异。然而，在每个PCL组内的分析结果在不同用户之间保持一致。

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

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

在骨科植入物感染的小鼠模型中，结合光学成像与显微计算机断层扫描（μCT）成像，并利用一种经基因工程改造的发光葡萄球菌（Staphylococcus...

结合 体内 光学成像与 µCT 成像以监测小鼠骨科植入物感染中的感染、炎症及骨解剖结构

在生物医学研究中，动物模型常被用于模拟严重的骨损伤。由于小鼠体型较小，大多数研究团队难以在其体内建立稳定的骨缺损模型。本文中，我们描述了一种在小鼠中建立和分析实验性股骨缺损的简便方法。...

一种简单的小鼠股骨临界尺寸缺损模型

尽管小鼠模型在骨组织工程中是不可或缺的工具，但长骨缺损模型却较为稀少。这一需求促使了本实验方案的开发，该方案采用带有四枚螺钉的锁定钢板和专用导板，以建立并稳定可重复的股骨临界尺寸缺损，且具有较低的并发症发生率。...

建立经钢板内固定稳定的鼠股骨节段性临界尺寸缺损模型

自体和同种异体骨移植是治疗严重颅面骨缺损的公认方法。然而，移植物成分对血管新生、细胞分化与骨形成之间相互作用的影响尚不明确。本文介绍一种多模态成像方案，旨在阐明移植物邻近区域血管生成与成骨作用之间的相互依赖关系。...

利用计算机断层扫描和光学成像技术研究颅骨自体移植与异体移植中成骨-血管生成偶联以评估骨整合

本实验方案旨在建立一种与骨质疏松相关的裸鼠椎体压缩性骨折模型，可用于长期纵向评估 体内...

基于半自动纵向显微计算机断层扫描的裸鼠骨质疏松相关椎体骨折模型定量结构分析

我们提出了一种基于骨外边界的二维和三维图像小梁骨分割与定量分析工作流程，该方法利用ImageJ插件实现。与当前手动勾画轮廓的方法相比，此方法更高效、更准确，并可提供逐层定量结果，而现有商业软件尚不具备此功能。...

基于ImageJ插件的骨小梁外边界辅助分割与定量分析

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。...

高通量皮质骨样本制备与同步辐射显微CT分析的切片、取芯及图像处理指南

微型计算机断层扫描（µCT）是一种非破坏性成像工具，在临床前研究中对评估骨结构具有重要作用，然而目前在分析骨愈合骨痂的µCT操作流程方面尚缺乏统一共识。本研究提供了一套逐步实施的µCT实验方案，可用于监测骨折愈合过程。...

利用微型计算机断层扫描评估骨骨折愈合

本方案通过结合苏木精-伊红（HE）染色与显微计算机断层扫描（Micro-CT）技术，提出了一种在骨质疏松小鼠模型中对骨微结构进行定量评估的经济且高效的方法。...

骨质疏松小鼠模型中骨小梁微结构的评估

本方案提出一种综合性方法，通过多模态分析手段在全球范围内评估骨再生过程中的骨形成情况。该方法旨在提供有关新骨形成定性与定量的信息，从而提高基础研究和临床前研究的严谨性与有效性。...

体外模型中组织矿化的全面表征

我们提出了一种在多个层次水平上评估骨再生的实验方案。该多模态方法能够实现跨不同长度尺度的结构分析，有效解决了样本制备中的挑战，并为评价生物材料促进骨再生的效果提供了可靠的分析流程。...

评估骨再生与支架性能的多模态方法

学习纵向显微计算机断层扫描图像分析方法，用于大鼠桡骨临界尺寸缺损模型中用户定义感兴趣区域的精准追踪。该方法可实现不同支架的对比分析，提高骨再生研究的精确度。

针对大段骨缺损中用户自定义感兴趣区域的纵向显微计算机断层成像分析

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