Längsschnitt-Mikro-Computertomographie-Bildanalyse für benutzerdefinierte Region of Interest bei Knochendefekten kritischer Größe

Summary

Wir stellen eine Methode zur Analyse einer benutzerdefinierten Region of Interest (ROI) in einem longitudinalen in vivo Ratten-Radialdefektmodell vor. Diese Methode ermöglicht eine vergleichende Analyse zwischen verschiedenen Gerüsten, die zuvor durch Schwankungen des Sichtfelds des Scans mit Mikrocomputertomographie (μCT), der Probenorientierung und der Basislinienpräsenz des Gerüsts begrenzt waren.

Abstract

Die bildgebende Analyse des Knochenvolumens mit Mikro-Computertomographie (μCT) ist ein notwendiges quantitatives Instrument zur Untersuchung des Knochenregenerationspotenzials und der Ergebnisse im Rahmen von Längsschnitt-In-vivo-Studien . Etablierte Methoden zur Knochensegmentierung nutzen Visualisierungssoftware für die μCT-Segmentierung des gesamten Knochens und die Ausrichtung komplexer anatomischer Strukturen. Diese Segmentierungsprotokolle bieten eine robuste, hochgenaue Methode für die Segmentierung, Ausrichtung und Analyse, sind jedoch in ihren Möglichkeiten der benutzerdefinierten ROI-Analyse (Region of Interest) eingeschränkt. Wir stellen ein Protokoll vor, das diese Methoden erweitert, um eine benutzerdefinierte ROI-Knochenvolumenanalyse rund um einen Knochendefekt kritischer Größe zu ermöglichen. Der benutzerdefinierte ROI rund um den Defekt kann im Laufe der Zeit für in vivo Längsschnittstudien analysiert werden. In dieser Arbeit untersuchen wir μCT-Bilder von drei einzigartigen Rattenproben, denen jeweils ein Kontrollgerüst aus Polycaprolacton (PCL) implantiert wurde. Die Modelle werden von drei Benutzern (2 erfahrene und 1 Anfänger) zu Zeitpunkten von 0 und 6 Wochen analysiert, um die Fähigkeit zu veranschaulichen, einen ROI rund um einen Defekt kritischer Größe während einer Längsschnittstudie zu messen.

Introduction

Knochendefekte kritischer Größe stellen erhebliche klinische Herausforderungen für das orthopädische Behandlungsmanagement dar. Gemäß ASTM F2721 ist ein Defekt kritischer Größe als ein Defekt mit einer Länge von 1,5 bis 2 mal so groß wie der Durchmesser des interessierenden Knochens¹. Die Reparatur dieser Defekte erfolgte traditionell durch den Einsatz von autologen und allogenen Transplantationen, die durch die Verfahrenskosten, die damit verbundenen Risiken sekundärer Operationen und das erforderliche Knochentransplantatvolumen begrenzt waren². Aktuelle Knochenregenerationstechniken ko....

Protocol

μCT-Längsschnittbilder für diese Studie wurden in den Wochen 0 und 6 von 3 mm kritischen radialen Defekten bei erwachsenen weiblichen Charles River SASCO-SD-Ratten aufgenommen, die mit einem Polycaprolacton (PCL)-basierten Gerüst behandelt wurden. Die gesamte Verwendung von Tieren erfolgte in Übereinstimmung mit den Protokollen, die vom Committee on Animal Resources (UCAR) der Universität Rochester genehmigt wurden. Die μCT-Bildaufnahme wurde mit Scanco Medical VivaCT 40 durchgeführt.

HINWEIS: Die Hauptschritte in diesem Protokoll sind unterteilt in μCT-Bildsegmentierung, Ausrichtung, ROI-Auswahl und -Zuschneiden sowie Analyse und Visualisi....

Results

μCT-Bilder von drei einzigartigen Rattenmodellen, die jeweils mit einem Polycaprolacton (PCL)-Gerüst behandelt wurden, wurden untersucht, um positive Ergebnisse zu veranschaulichen. Die Analyse einer Längsschnittstudie über Zeitpunkte hinweg erfordert, dass die gesammelten Volumenmodelle vor der Auswahl und dem Zuschneiden auf einen ROI ausgerichtet werden. Um diese Fähigkeit über mehrere Wochen hinweg zu veranschaulichen, wurden Volumenmodelle, die in den Wochen 0 und 6 gesammelt wurden, anhand gemeinsamer Regionen ausg.......

Discussion

Die Quantifizierung der Knochenvolumenveränderung ist für die Untersuchung des Knochenregenerationspotenzials und der Ergebnisse in longitudinalen In-vivo-Studien unerlässlich. Dieses Protokoll baut auf etablierten μCT-Bildsegmentierungsmethoden¹¹ auf und bietet einen systematischen Ansatz zur Spezifizierung eines benutzerdefinierten Region of Interest (ROI). Diese Technik war entscheidend bei der Analyse der Wirksamkeit von Knochengerüstimplantaten für <.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Amira 3D	FEI SAS, ein Teil von Thermo Fisher Scientific	v2024.1	Programm zur Segmentierung von microCT-Bildern.
Graph Pad Prisma	GraphPad Software GmbH	v10.0.3 (217)	Programm, das für die Entwicklung von Graphen verwendet wird.
R Statistische Software	Die R Foundation für statistisches Rechnen	v4.4.0 (24.04.2024)	Programm zur Durchführung der ICC-Analyse.
Scanco Medical VivaCT 40	Scanco Medizin	NA	microCT-Scanner zur Erfassung von microCT-Bildern.