Method Article

Przewodnik po cięciu, rdzeniowaniu i przetwarzaniu obrazów do wysokoprzepustowego pobierania i analizy próbek kości korowych do synchrotronowej mikrotomografii komputerowej

DOI:

10.3791/61081

⸱

June 12th, 2020

 ,  , 
1Department of Biology, The University of Akron, 2Department of Geosciences, The University of Akron

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zastosowaliśmy protokół geologicznego (rdzeniowego) pobierania próbek, aby pozyskać próbki kości korowej o jednakowej wielkości do eksperymentów SRμCT z przedniej strony ludzkiej kości udowej. Metoda ta jest minimalnie destrukcyjna, wydajna, daje w wyniku cylindryczne próbki, które minimalizują artefakty obrazowania z nieregularnych kształtów próbek oraz poprawiają wizualizację i analizę mikroarchitektoniczną.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kość to dynamiczna i mechanicznie aktywna tkanka, której struktura zmienia się w ciągu życia człowieka. Produkty procesu przebudowy kości zostały dokładnie przebadane przy użyciu tradycyjnych technik dwuwymiarowych. Ostatnie postępy w technologii obrazowania rentgenowskiego za pomocą stacjonarnej mikrotomografii komputerowej (μCT) i mikrotomografii komputerowej promieniowania synchrotronowego (SRμCT) pozwoliły na uzyskanie trójwymiarowych (3D) skanów o wysokiej rozdzielczości o większym polu widzenia (FOV) niż inne techniki obrazowania 3D (np. SEM), zapewniając pełniejszy obraz mikroskopijnych struktur w ludzkiej kości korowej. Próbka powinna być jednak dokładnie wyśrodkowana w obrębie pola widzenia, aby ograniczyć pojawianie się artefaktów smug, o których wiadomo, że wpływają na analizę danych. Wcześniejsze badania donosiły o pozyskiwaniu prostoliniowych bloków kostnych o nieregularnych kształtach, które powodują artefakty obrazowania z powodu nierównych krawędzi lub obcięcia obrazu. Zastosowaliśmy protokół pobierania próbek geologicznych (rdzeniowanie) w celu uzyskania próbek rdzenia kostnego kory kostnej o spójnej wielkości do eksperymentów SRμCT z przedniej części ludzkiej kości udowej. Ta metoda rdzeniowania jest wydajna i minimalnie destrukcyjna dla tkanek. Tworzy jednolite cylindryczne próbki, które zmniejszają artefakty obrazowania ze względu na to, że są izometryczne podczas obrotu i zapewniają jednolitą długość ścieżki dla wiązek promieniowania rentgenowskiego podczas skanowania. Przetwarzanie obrazowe danych tomograficznych rentgenowskich próbek rdzeniowych i o nieregularnych kształtach potwierdza potencjał tej techniki w zakresie poprawy wizualizacji i analizy mikroarchitektury kości korowej. Celem tego protokołu jest dostarczenie niezawodnej i powtarzalnej metody ekstrakcji rdzeni kostnych kory mózgowej, którą można dostosować do różnych typów eksperymentów obrazowania kości w wysokiej rozdzielczości. Nadrzędnym celem prac jest stworzenie ustandaryzowanego procesu pozyskiwania kości korowej do SRμCT, który będzie przystępny cenowo, spójny i prosty. Procedura ta może być dalej adaptowana przez badaczy z pokrewnych dziedzin, którzy zwykle oceniają twarde materiały kompozytowe, takie jak antropologia biologiczna, nauki o Ziemi lub nauki o materiałach.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dzięki najnowszym postępom w technologii obrazowania, możliwe jest teraz pozyskiwanie danych z obrazowania rentgenowskiego o bardzo wysokiej rozdzielczości. Stacjonarne systemy mikrotomografii komputerowej (μCT) są obecnie standardem w obrazowaniu kości gąbczastej ze względu na ich nieniszczący charakter1. Jednak podczas obrazowania cech mikrostrukturalnych kości korowej zastosowanie μCT jest bardziej ograniczone. Ze względu na ograniczenia rozdzielczości systemy stacjonarne nie mogą osiągnąć rozdzielczości wymaganej do obrazowania cech mikrostrukturalnych mniejszych niż pory korowe, takich jak luki w osteocytach. Do tego zastosowania SRμCT jes....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wszystkie próbki pochodziły od zabalsamowanych zwłok z Uniwersytetu w Toledo, College of Medicine and Life Sciences oraz Northeast Ohio Medical University (NEOMED), za świadomą zgodą samego dawcy lub jego najbliższej rodziny. Instytucjonalna Komisja Rewizyjna Uniwersytetu w Akron ds. Ochrony Ludzi (IRB) uznała te okazy za zwolnione z pełnej oceny IRB, ponieważ nie zostały pozyskane od żywych osób. Informacje demograficzne, w tym wiek, płeć i przyczyna zgonu, były dostępne dla wszystkich dawców. Wybrane osoby nie miały udokumentowanych schorzeń wpływających na kości ani ekspozycji na schematy leczenia, które mogły mieć wpływ na przebudowę kości w momencie śmierci. Prób....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Opisana metoda próbkowania rdzenia okazała się bardzo skuteczna i wydajna. Rdzeniowanie próbek przy użyciu tego protokołu pozwoliło na pozyskanie >300 próbek o stałej wielkości do eksperymentów na linii badawczej CLS BMIT-BM2, o polu widzenia ~2 mm przy rozmiarze woksela 1,49 μm. Aby potwierdzić spójność średnicy rdzenia, wykonano trzy pomiary wzdłuż długości (góra, środek, dół) podzbioru ludzkich rdzeni przedniej części kości udowej (n = 69). Średnia średnica rdzeni wynosiła 1,96 ± 0,.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nie istnieje kompleksowy, ustandaryzowany protokół pozyskiwania jednolitych i cylindrycznych próbek rdzenia kostnego kory mózgowej do obrazowania SRμCT o wysokiej rozdzielczości z ograniczonymi ustawieniami pola widzenia. Opisany tutaj protokół wypełnia tę lukę, zapewniając obszerny samouczek dotyczący sposobu pozyskiwania próbek rdzenia kostnego o stałej wielkości do obrazowania SRμCT oraz późniejszej dokładnej wizualizacji i ekstrakcji danych mikroarchitektonicznych. Wykazaliśmy, że nasz protokół zapewnia bardziej usta.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Badania opisane w tym artykule zostały przeprowadzone w ośrodku BMIT w Kanadyjskim Źródle Światła, które jest wspierane przez Kanadyjską Fundację Innowacji, Nauk Przyrodniczych i Inżynierii Research Council of Canada, University of Saskatchewan, Rząd Saskatchewan, Western Economic Diversification Canada, National Research Council Canada oraz Canadian Institutes of Health Research. Autorzy chcieliby podziękować naukowcom z Canadian Light Source, w szczególności Adamowi Webbowi, Denise Miller, Sergeyowi Gasilovowi i Ning Zu za pomoc w konfiguracji i rozwiązywaniu problemów z systemami SkyScan SRμCT i mikroskopu białej wiązki. Pragniemy również podziękować Beth Dalzell z....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
1-1/8" węglik spiekany do kompozytówWarrior6181228,6 mm wgłębny
70% etanoluFisher ScientificBP82015003,8 litra
Kleszcze z końcówkąFisher Scientific10-300
Probówki wirówkoweThermoFisher55398
Crystalbond 509-3 Żywica epoksydowaTed Pella821-3
CTAnalyserBruker microCTv.1.15.4.0Pobierz i zainstaluj w https://www.bruker.com/products/microtomography/micro-ct-software/3dsuite.html
Zestaw narzędzi dentystycznychAmazon787269885110
Diamentowy brzeszczot do wafli do materiałów kompozytowychBuehler#11-4247
WiertarkaJet Mill / Wiertarka350017Model: JMD-15, wiertarki stołowe są odpowiednimi substytutami, ale zazwyczaj brakuje im przekładalnego stołu maszynowego do umieszczania próbek pod trzpieniem wiertła
Kleszcze z cienką końcówkąFisher Scientific22-327379
Zaciski mocujące do stołu maszyny XY do frezarki/wiertarkiMSC Industrial Supply#04804571
Szkiełka mikroskopoweszklane Ted Pella26005Szkiełka 75x50mm, grubość 1mm
Uchwyt do prowadnic szklanychBuehler#112488Wystarczająco duży, aby pomieścić szkiełka o wymiarach 75x50mm
Płyta grzejna o prędkości 140 stopni CInkubatorHP88850105
NAPCOModel 4200
Isocut Płynnapełniania111193032smarem; 30mL
Wiertło diamentowe jubileraOtto Frei#119.050Wiertło rdzeniowe z pustym trzpieniem o średnicy wewnętrznej 2 mm
NReconBruker microCTv.1.6.10.2Pobierz i zainstaluj pod adresem https://www.bruker.com/products/microtomography.html
Piła oscylacyjnaHarbor Freight62866
Naczynia szklane nadające się do pieczenia w piekarnikuPyrex1117715Szklany pojemnik do przechowywania żywności
Precyzyjna piła wolnoobrotowa (Isomet 1000)Buehler111280160
ŻyletkiAmazon25181
Płytkie puszki aluminioweAmazonkaKubkiśrednicy B01MRWLD0R ~ 8 cm
Amazon616784425436 885334344729
Tergazyme detergentAlconox1304-1Pudełko 1,8 kg
Myjka ultradźwiękowaMTI CorporationKJ201508006
ThermoScientific do na próbki o

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Andronowski, J. M., Crowder, C., Soto Martinez, M. Recent advancements in the analysis of bone microstructure: New dimensions in forensic anthropology. Forensic Sciences Research. 3 (4), 278-293 (2018).
  2. Wysokinski, T. W., et al.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Cortical Bone ProcurementSynchrotron Micro CTBone Core SamplingImage Processing GuideSectioning and CoringHigh Throughput AnalysisBone Specimen PreparationMicro CT Artifact ReductionCylindrical Bone SamplesBone Microarchitecture Analysis

Related Articles