미세 컴퓨터 단층 촬영을 이용한 골절 치유 평가

Micro-CT는 뼈의 3D 형태와 품질을 정량화하기 위한 매우 일반적인 접근 방식입니다. 온전한 피질골 및 섬유주골을 특성화하기 위한 분석 프로토콜이 상당히 확립되어 있지만 골절 치유를 분석하기 위한 프로토콜에 대한 합의는 적습니다. 이 기술에는 비침습적 이미징과 수동 및 자동 기술의 균형을 잘 사용하여 정확하고 보정된 3D 분석이 포함됩니다.

또한 정교하고 유연한 소프트웨어 환경을 사용합니다. 절차를 시연하는 것은 내 연구실의 연구원 인 Hwabok Wee가 될 것입니다. 시작하려면 골밀도 보정을 위한 소형 하이드록시아파타이트 팬텀이 포함된 맞춤형 3D 프린팅 스캐닝 고정 장치 또는 이와 유사한 것을 사용하십시오.

여러 샘플을 동시에 스캔할 수 있도록 최대 6개의 긴 뼈 샘플을 고정 장치에 넣습니다. 준비된 고정 장치를 주사기 또는 스캐닝 필드 직경과 유사한 원뿔형 튜브에 넣습니다. 주사기에 식염수와 같은 방부제를 채워 스캔 과정에서 샘플이 마르는 것을 방지합니다.

마이크로 CT 기계의 보정을 확인한 후 샘플 고정 장치의 중심선을 마이크로 CT의 대략적인 중심선에 맞춰 샘플이 시야 내에 있고 긴 축의 방향이 결과 이미지의 축 방향과 거의 일치하는지 확인합니다. 다음으로, 에너지 또는 강도를 55 킬로전압 피크, 145 마이크로 암페어의 전류, 등방성 복셀 크기를 10.5 마이크로 미터, 그리고 300 밀리 초의 적분 시간을 설정하여 마이크로 CT 시스템의 스캐닝 매개 변수를 설정합니다. 그런 다음 모든 캘러스 샘플의 전체 볼륨을 커버하기 위해 다른 보기에서 스카우트 이미지를 육안으로 검사합니다.

스캔 수집을 시작하고, 완료되면 이미지를 DICOM 스택으로 변환하여 분석 소프트웨어로 가져옵니다. 이미지 자르기를 시작하려면 한 번에 하나의 샘플을 선택하고 각 이미지 스택을 잘라내어 전체 샘플이 잘린 볼륨에 포함되도록 합니다. 화면 왼쪽 위에 있는 파일 탭을 클릭하고 다른 이름으로 프로젝트 저장을 선택한 다음 프로젝트 크기 최소화를 선택하여 잘라낸 이미지를 저장합니다.

이미지의 노이즈를 제거하려면 [파일] 탭을 클릭하고 화면 왼쪽 상단 모서리에 있는 [프로젝트 보기] 창에서 이미지를 여는 Open Data를 사용하여 처리할 이미지를 선택합니다. 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 Image Processing(이미지 처리)을 선택한 다음 Filter Sandbox(필터 샌드박스)를 선택한 다음 Create(생성)를 클릭합니다. 화면 왼쪽 아래 모서리에 있는 속성 창에서 미리 보기 유형으로 데이터를 선택합니다.

필터 옆의 드롭다운 메뉴에서 필터 유형을 선택하고 해석을 위해 3D를 선택합니다. 드롭다운 메뉴에서 Separable을 커널 유형으로 유지하고 사용 가능한 빈 상자에 표준 편차 및 커널 크기 계수 값을 입력합니다. 그런 다음 출력 옆에 있는 드롭다운 메뉴에서 입력과 동일을 선택합니다.

마지막으로 적용을 클릭합니다. 잘못 정렬된 샘플의 경우 사용자는 프로젝트 보기 창에서 필터링되고 잘린 이미지를 선택하여 샘플의 3D 렌더링 이미지를 만들어 이미지 재정렬을 수행할 수 있습니다. 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 Display를 선택한 다음 드롭다운 메뉴에서 Volume Rendering을 선택합니다.

그런 다음 Create(생성)를 클릭하여 시상면과 정면의 3D 렌더링 이미지를 시각적으로 확인합니다. 그런 다음 렌더링된 볼륨을 수동으로 회전하여 세로 축에서 올바른 정렬을 얻습니다. 회전된 이미지에 변형을 적용하려면 속성 창에서 변형 편집기를 클릭합니다.

그런 다음 트랜스폼 에디터 매니퓰레이터(Transform Editor Manipulator)로 이동하여 드롭다운 메뉴에서 트랜스포머(Transformer)를 선택합니다. 필요한 경우 회전하고 다시 정렬한 다음 변형 편집기를 다시 클릭하여 이미지를 잠급니다. 그런 다음 새 횡단면 이미지 슬라이스를 만들려면 [프로젝트 뷰] 창에서 이미지를 선택하여 필터링된 이미지를 다시 샘플링합니다.

마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 지오메트리 변환(Geometry Transform)을 선택한 다음 드롭다운 메뉴에서 변환된 이미지 리샘플링(Resample Transformed Image)을 선택한 다음 생성(Create)을 클릭합니다. 속성 창에서 데이터로 이동하고 드롭다운 메뉴에서 보간을 위해 표준을 선택하고 모드로 확장을, 보존을 위해 복셀 크기를 선택합니다. 패딩 값에 사용할 수 있는 빈 상자에 0을 입력하고 마지막으로 적용을 클릭합니다.

관심 볼륨을 정의하려면 가로 이미지 슬라이스를 통해 골절 캘러스의 중심 평면을 식별하고 캘러스의 근위 및 원위 수정체를 기반으로 정의합니다. 캘러스 끝을 지정하기 어려운 경우 캘러스 중심 평면에서 떨어진 표준화된 거리를 기준으로 부피를 정의합니다. 변형된 이미지를 재조합한 후 캘러스의 바깥쪽 경계를 분할하려면 화면 상단의 두 번째 탭 행에 있는 분할(Segmentation) 탭을 클릭합니다.

세그멘테이션 편집기 창의 이미지 옆에 있는 드롭다운 메뉴에서 변환된 이미지를 선택합니다. MATERIALS 창에서 추가를 두 번 클릭합니다. 이렇게 하면 Material3 및 Material4라는 두 개의 탭이 나타납니다.

마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 Material3의 이름을 굳은살로, Material4의 이름을 피질골로 바꿉니다. 그런 다음 선택 창에서 올가미 아이콘을 클릭합니다. 표시되는 옵션에서 2D 모드의 경우 자유형(Freehand)을, 3D 모드의 경우 내부(Inside)를 선택하고, 옵션의 경우 자동 추적(Auto trace) 및 가장자리 추적(Trace edges)을 모두 선택합니다.

그런 다음 올가미를 사용하여 굳은살의 바깥쪽 경계를 표시합니다. 관심 있는 볼륨에서 샘플링된 슬라이스를 사용하여 윤곽선 단계를 반복하고 슬라이스의 간격을 20개 분할할 수 있습니다. 완전한 캘러스 레이블을 생성하려면 재료 창에서 캘러스 파일을 선택하고 화면 상단의 선택 탭을 클릭한 다음 드롭다운 메뉴에서 보간을 선택합니다.

그런 다음 선택 창에서 더하기 기호를 클릭합니다. 다음으로, 수질을 포함한 피질 뼈를 분할하십시오. 그런 다음 윤곽이 있는 골막 피질 표면을 보간하여 이전에 굳은살에 대해 수행한 대로 피질 뼈 레이블을 만듭니다.

캘러스의 윤곽 부피와 평균 회색 값을 계산하려면 화면 맨 위 행의 세그멘테이션 탭을 클릭하고 드롭다운 메뉴에서 재료 통계를 선택하여 계산된 값의 테이블을 생성합니다. 피질골과 캘러스의 값은 피질골을 뺀 후 별도로 제공된다는 점에 유의하십시오. 생성된 테이블을 내보내고 작업공간으로 내보내기를 클릭하여 데이터를 저장합니다.

그레이스케일 단위를 골밀도로 변환하려면 전체 이미지에서 4.5mm HA 팬텀의 3D 이미지를 자르고 분할을 클릭합니다. 첫 번째 슬라이스와 마지막 슬라이스에 원을 그리려면 재료 창에서 추가를 네 번 클릭합니다. 그런 다음 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 Material3, 4, 5 및 6의 이름을 각각 Phantom1, 2, 3 및 4로 바꿉니다.

그런 다음 Phantom1을 선택합니다. 선택 창에서 브러쉬 아이콘을 클릭하고 슬라이더를 사용하여 원의 크기가 팬텀의 크기보다 작도록 브러쉬 크기를 조정합니다. 각 HA 실린더에 대한 볼륨을 생성하려면 재질 창에서 Phantom1을 선택하고 화면 맨 위 행의 선택 탭을 클릭한 다음 드롭다운 메뉴에서 보간을 선택하여 보간을 적용합니다.

그런 다음 선택 창에서 더하기 기호를 클릭합니다. 나머지 HA 실린더에 대해 이 과정을 반복합니다. 생성된 3D 레이블을 사용하여 분석된 HA 실린더 4개의 평균 회색 값을 계산합니다.

평균 회색 값과 팬텀 제조업체에서 제공한 해당 골밀도(BMD) 값을 플로팅합니다. 선형 회귀를 사용하여 BMD와 회색 값 사이의 상관 방정식을 생성합니다. 광물화된 캘러스를 분할하려면 재료 창에서 추가를 클릭합니다.

그런 다음 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 새 재료의 이름을 callus mineralized로 바꿉니다. 그런 다음 MATERIALS 창에서 Callus를 선택한 다음 선택을 클릭합니다. 그런 다음 선택 창에서 임계값을 클릭합니다.

더 낮은 값을 선택하고 임계값 마스킹의 HA 팬텀에서 계산된 임계값을 적용합니다. 그런 다음 선택 창에서 현재 재질만 선택을 클릭한 다음 마스크된 복셀 선택을 클릭합니다. 그런 다음 MATERIALS 창에서 광물화된 캘러스를 선택하고 SELECTION 창에서 더하기 기호를 클릭합니다.

마지막으로 재료 창에서 광물화된 캘러스의 3D를 클릭합니다. 3개의 시점에서 분석된 micro-CT 이미지는 14일째에 광물화된 캘러스의 실질적인 형성을 보여주었습니다. 골 분획 부피와 골 미네랄 밀도의 점진적인 증가는 14일에서 21일 및 28일까지 치유가 진행됨에 따라 관찰되었으며, 이는 골절 간격의 뼈 브리징과 일치합니다.

예상대로 굳은살은 21일에서 28일 사이에 재흡수 또는 리모델링을 거쳤으며, 이는 총 굳은살 부피의 감소로 입증되었습니다. 굳은살의 피질 가교는 이전 어떤 시점보다 28일에 더 분명했습니다. 복잡한 골절의 경우 모든 이미지 슬라이스를 스크롤하고 때로는 다른 평면에서 스크롤하고 필요한 경우 윤곽을 조정하여 결과 반자동 분할을 주의 깊게 검토하는 것이 좋습니다.

골절 캘러스가 정확하게 분할되면 이 프로토콜에 보고된 매개변수 외에 결과 매개변수를 추가 스크립트로 계산할 수 있습니다. 여기에는 예를 들어 관성 모멘트 및 연결 밀도가 포함됩니다.