Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Podłużna analiza obrazu mikrotomografii komputerowej dla zdefiniowanego przez użytkownika obszaru zainteresowania w ubytkach kostnych o krytycznej wielkości

941 wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/67904

⸱

24 czerwca 2025

 ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Rochester, 2Center for Musculoskeletal Research, Department of Orthopaedics, University of Rochester Medical Center, 3Department of Translational Biomedical Science, University of Rochester Medical Center, 4Department of Orthopaedics, University of Rochester Medical Center

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiamy metodę analizy zdefiniowanego przez użytkownika obszaru zainteresowania (ROI) w podłużnym modelu defektu promieniowego szczura in vivo . Metoda ta umożliwia analizę porównawczą różnych rusztowań, które wcześniej były ograniczone przez różnice w polu widzenia skanowania metodą tomografii komputerowej (μCT), orientacji próbki i wyjściowej obecności rusztowania.

Streszczenie

Analiza objętości kości za pomocą mikrotomografii komputerowej (μCT) jest niezbędnym narzędziem ilościowym do badania potencjału regeneracji kości i wyników w podłużnych badaniach in vivo . Sprawdzone metody segmentacji kości wykorzystują oprogramowanie wizualizacyjne do segmentacji μCT całej kości i wyrównania złożonych struktur anatomicznych. Te protokoły segmentacji zapewniają solidną, bardzo dokładną metodę segmentacji, dopasowania i analizy, ale mają ograniczone możliwości analizy regionu zainteresowania (ROI) zdefiniowanego przez użytkownika. Przedstawiamy protokół rozszerzający te metody, aby umożliwić zdefiniowaną przez użytkownika analizę objętości kości ROI otaczającej ubytek kostny o krytycznym rozmiarze. Zdefiniowany przez użytkownika zwrot z inwestycji wokół wady może być analizowany w czasie na potrzeby badań podłużnych in vivo . W niniejszym artykule badamy obrazy μCT trzech unikalnych próbek szczurów, z których każda ma wszczepione rusztowanie kontrolne polikaprolaktonu (PCL). Modele są analizowane przez trzech użytkowników (2 doświadczonych i 1 nowicjusza) w punktach czasowych 0 i 6 tygodni, aby zilustrować możliwość pomiaru zwrotu z inwestycji wokół defektu o krytycznej wielkości w trakcie badania podłużnego.

Wprowadzenie

Ubytki kostne o krytycznej wielkości stanowią poważne wyzwanie kliniczne w leczeniu ortopedycznym. Zgodnie z ASTM F2721 wada o krytycznym rozmiarze jest charakteryzowana jako wada o długości od 1,5 do 2 razy większej niż średnica kości będącej przedmiotem zainteresowania1. Naprawa tych wad tradycyjnie odbywała się za pomocą przeszczepów autologicznych i allogenicznych, ograniczonych wydatkami proceduralnymi, powiązanym ryzykiem wtórnych operacji i wymaganą objętością przeszczepu kostnego2. Obecne techniki regeneracji kości koncentrują się na wykorzystaniu rusztowań allogenicznych i ksenogenicznych zaprojektowanych do wywoływania efektów zarówno osteokondukcyjnych, jak i osteoindukcyjnych poprzez optymalizację ich właściwości mechanicznych, biokompatybilności, bioaktywności, potencjału angiogennego i profili degradacji 3,4,5. Badane biomateriały obejmują szeroki zakres biomateriałów, od bioceramiki i biopolimerów po metale i inne materiały kompozytowe6. Warianty tych biomateriałów są testowane zarówno in vitro, jak i in vivo, aby zbadać ich potencjał jako rusztowań do regeneracji kości.

μCT jest złotym standardem w nieinwazyjnym, bardzo dokładnym obrazowaniu do oceny morfologii, struktury i mikrostruktury kości w modelach gryzoni 7,8,9. Ta metoda obrazowania została opisana w celu oceny podłużnej progresji in vivo regeneracji kości w modelach gojenia złamań10. Opracowano metody standaryzacji kwantyfikacji kości korowej i beleczkowej na podstawie skanów μCT9. Półautomatyczne procesy segmentacji zostały opracowane przy użyciu dostępnego na rynku oprogramowania do wizualizacji segmentacji całych kości ze złożonymi strukturami anatomicznymi11. Metody te pozwalają na uproszczone, przystępne metody dla użytkowników na różnych poziomach doświadczenia w celu uzyskania ustandaryzowanych, powtarzalnych wyników. Jednak te metody pozostają ograniczone pod względem możliwości badania zwrotu z inwestycji zdefiniowanego przez użytkownika.

W tym miejscu przedstawiamy protokół, który rozszerza obecne metody, aby umożliwić zdefiniowaną przez użytkownika analizę objętości kości ROI otaczającej ubytek kostny o krytycznym rozmiarze dla podłużnych modeli szczurów in vivo przy użyciu oprogramowania do wizualizacji. Ustalenie spójnej metody dopasowania i wyboru zwrotu z inwestycji między tygodniami badania podłużnego miało zasadnicze znaczenie dla opracowania solidnego protokołu. Początkowy punkt czasowy jest używany jako linia bazowa dla wyrównania kolejnych tygodni w celu zapewnienia spójnej orientacji modeli bryłowych. Pod warunkiem takiego wyrównania można wybrać odpowiednie wycinki obrazu μCT z nałożonych modeli bryłowych, obejmujące defekt o krytycznym rozmiarze. Stały zwrot z inwestycji jest weryfikowany nie tylko poprzez lokalizację wycinków, ale także poprzez porównanie liczby wycinków w regionie. Wybrany zwrot z inwestycji z modelu bazowego może być następnie powielany w kolejnych tygodniach, co pozwala na analizę porównawczą, ilościową.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Podłużne obrazy µCT dla niniejszego badania wykonano w 0. i 6. tygodniu w 3 mm krytycznych defektach promienia u dorosłych samic szczurów Charles River SASCO-SD leczonych rusztowaniem na bazie polikaprolaktonu (PCL). Wszystkie zabiegi z udziałem zwierząt przeprowadzono zgodnie z protokołami zatwierdzonymi przez Komitet ds. Zasobów Zwierzęcych Uniwersytetu w Rochester (UCAR). Akwizycję obrazów µCT wykonano przy użyciu urządzenia Scanco Medical VivaCT 40.

UWAGA: Główne etapy niniejszego protokołu dzielą się na segmentację obrazów µCT, dopasowanie, wybór i wycinanie obszarów ROI oraz analizę i wizualizację (Rysunek 1). Protokół segmentacji obrazów µCT został opracowany na podstawie pracy Kenney i wsp. (2022)11.

Proces analizy kości: segmentacja obrazu, dopasowanie modelu, wybór ROI, schemat analizy objętości.
Rycina 1: Schematyczny przebieg pracy. Kroki protokołu są podzielone przede wszystkim na segmentację obrazu, dopasowanie modelu, wybór ROI oraz analizę objętości. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

1. Segmentacja obrazów µCT

  1. Otwieranie obrazów w oprogramowaniu
    1. Uruchom oprogramowanie Amira (zwane dalej oprogramowaniem do wizualizacji) i wybierz Open Data. W oknie pop-up przejdź do żądanego folderu, aby wybrać pliki .dcm dla początkowego punktu czasowego. Naciśnij CTRL+A, aby zaznaczyć wszystkie obrazy, i kliknij Open Images.
    2. W oknie pop-up zostaną wyświetlone informacje o otwartym zestawie danych obrazowych; kliknij OK, aby kontynuować.
    3. Pojawi się ostrzeżenie dotyczące skalowania. Kliknij Convert to Float (opcja domyślna), aby kontynuować.
    4. Ikona zestawu danych pojawi się w sekcji Project View. Aby zmienić nazwę zestawu danych, kliknij raz ikonę zestawu danych i naciśnij F2; po wprowadzeniu żądanej nazwy kliknij OK. Ustal schemat nazewnictwa w celu identyfikacji skanu (na przykład „Bone Scaffold Material” – „WKX”).
  2. Filtrowanie i progowanie obrazu µCT
    1. Po załadowaniu obrazów do sekcji Project View, kliknij Ortho Slice default 2D viewer, aby wyświetlić orientacje 2D i przekroje. W oknie podglądu po prawej stronie pojawi się wizualizacja 2D.
    2. Aby zwizualizować obrazy w 3D, kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych, wyszukaj Volume Rendering i wybierz tę opcję. W sekcji Properties dla Volume Rendering dostosuj dolny próg Colormap do wartości 2500 i naciśnij Enter.
      UWAGA: Widok 2D i 3D można włączać i wyłączać, klikając odpowiednio niebieski kwadrat obok Ortho Slice lub Volume Rendering. W oknie podglądu po prawej stronie, wzdłuż górnego paska, dostępne są wiele opcji wyświetlania. Obejmują one różne narzędzia do przesuwania, obracania lub przybliżania/oddalania obrazu, narzędzia do zmiany orientacji obrazu na widoki XY, XZ i YZ oraz narzędzia do prostych pomiarów.
    3. W razie potrzeby niektóre zestawy danych mogą wymagać usunięcia artefaktów lub danych spoza obszaru zainteresowania za pomocą funkcji Volume Edit. Aby dodać Volume Edit, kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych, wyszukaj Volume Edit i wybierz tę opcję.
    4. Kliknij Volume Edit w sekcji Project View. W sekcji Properties wybierz TabBox z pierwszego rozwijanego okna po prawej stronie opcji Tool.
    5. Podczas zaznaczania obszarów do zachowania, dostosuj TabBox, klikając i przeciągając zielone narożniki za pomocą kursora Interact (ikona ostro zakończonego kursora na górnym pasku okna podglądu). Dostosowanie TabBox może wymagać użycia alternatywnych widoków (XY, XZ lub YZ) w celu zidentyfikowania obszarów do usunięcia.
    6. Gdy TabBox otoczy obszar do zachowania, wybierz Cut Outside, aby usunąć artefakt lub dane poza obszarem TabBox. W widoku projektu zostanie wygenerowany nowy, zmodyfikowany zestaw danych.
    7. Kliknij i przeciągnij ciąg Volume Rendering z oryginalnego zestawu danych do zestawu zmodyfikowanego. Spowoduje to zmianę obrazu wyświetlanego w oknie podglądu na zestaw zmodyfikowany. W sekcji Properties dla Volume Rendering dostosuj dolny próg Colormap do wartości 2500 i naciśnij Enter.
    8. Kliknij prawym przyciskiem myszy zmodyfikowane dane, wyszukaj Median Filter i wybierz tę opcję. W sekcji Properties dla Median Filter wybierz 3D w polu Interpretation i kliknij Apply. Spowoduje to utworzenie nowego, przefiltrowanego zestawu danych (.filtered) w sekcji Project View.
    9. Kliknij prawym przyciskiem myszy przefiltrowane dane, wyszukaj Interactive Thresholding i wybierz tę opcję. W sekcji Properties dla Interactive Thresholding wybierz 3D w polu Preview Type, dostosuj dolną wartość dla Intensity Range do 2500 i kliknij Apply. Spowoduje to utworzenie nowego, przeprogowanego zestawu danych (.thresholded) w sekcji Project View.
    10. Kliknij i przeciągnij ciąg Volume Rendering ze zmodyfikowanego zestawu danych do zestawu przeprogowanego. Wyłącz funkcję Interactive Thresholding i włącz Volume Rendering (jeśli jest wyłączona).
  3. Segmentacja obrazu µCT
    1. Kliknij przefiltrowany zestaw danych, a następnie przejdź do karty Segmentation, klikając Segmentation poniżej paska menu. W karcie Segmentation elementy sterujące są podobne do tych w karcie Project.
      UWAGA: W karcie Segmentation dostępne są dodatkowe narzędzia istotne dla okna podglądu. W górnym rogu okna podglądu znajduje się przycisk +/- zoom, który można wykorzystać, aby obraz wypełnił okno podglądu. Obraz można wycentrować w oknie podglądu za pomocą paska przewijania lewo/prawo u dołu okna. Powyżej tego paska znajduje się drugi pasek przewijania służący do przemieszczania się po przekrojach danych µCT.
    2. Aby upewnić się, że karta Segmentation jest odpowiednio skonfigurowana, w sekcji Segmentation Editor pole Image powinno być ustawione na przefiltrowany zestaw danych, a pole Label na zestaw danych przeprogowany. W sekcji Materials kliknij dwukrotnie materiał o nazwie Material i zmień jego nazwę na Bone.
    3. Kliknij New w sekcji Segmentation Editor, aby utworzyć nowe pole etykiety. W oknie pop-up zmień nazwę, stosując podobną konwencję nazewnictwa jak poprzednio (na przykład „Bone Scaffold Material” – „WKX” – Markers), nazwij go jako Markers i kliknij OK.
    4. Dostosuj okno podglądu 2D, korzystając z alternatywnych widoków (XY, XZ lub YZ), aby wyświetlić obraz w płaszczyźnie strzałkowej lub czołowej.
    5. Użyj narzędzi brush, lasso, wand oraz threshold w sekcji Selection, aby zidentyfikować obszary zainteresowania. W tym protokole wybierz narzędzie brush. Dostosuj rozmiar narzędzia brush; zazwyczaj dobrze sprawdza się wskaźnik o średniej wielkości.
    6. Dostosuj stos obrazów do pierwszego przekroju, w którym zaczyna być widoczna kość promieniowa. Może to wymagać wielokrotnego przechodzenia przez przekroje, aby ustalić, które objętości należą do kości promieniowej i łokciowej oraz w którym miejscu się one zaczynają.
    7. Po zidentyfikowaniu przekroju użyj kursora brush, aby obrysować ten segment kości, klikając i przeciągając kursor wokół niego. W miejscu, w którym kursor rysował, pojawi się czerwona linia. Rysuj wewnątrz sekcji kości, nie poza nią; pomoże to oprogramowaniu do wizualizacji odróżnić obie kości.
    8. Kontynuuj przemieszczanie się przez przekroje i obrysowywanie kości promieniowej. Zazwyczaj w środkowej części stosu obrazów rysunki można wykonywać co 20–30 przekrojów. Pod koniec stosu obrazów lub wokół defektu o rozmiarze krytycznym wykonuj rysunki co 5–10 przekrojów, aby pomóc oprogramowaniu do wizualizacji w momentach, gdy kość staje się widoczna lub znika.
    9. Po zakończeniu obrysowywania całej długości kości promieniowej kliknij Selection, Fill, a następnie All Slices w rozwijanym menu paska narzędzi. Spowoduje to wypełnienie wszystkich rysunków wykonanych narzędziem brush. Będą one teraz widoczne jako zacienione na czerwono, a nie jako kontury.
    10. Kliknij Selection i Interpolate w rozwijanym menu paska narzędzi. Spowoduje to wypełnienie zacienionych obszarów kości promieniowej we wszystkich przekrojach na podstawie wykonanych rysunków.
      UWAGA: Czasami niektóre sekcje kości mogą zostać pominięte. Przed kontynuacją przejrzyj wszystkie przekroje, aby upewnić się, że kość została generalnie zidentyfikowana. Jeśli pominięto sekcję kości, użyj narzędzia brush, aby obrysować ten obszar na kilku przekrojach otaczających brakującą sekcję, a następnie powtórz dwa powyższe kroki (1.3.9 i 1.3.10).
    11. Po pełnej identyfikacji kości promieniowej w sekcji Materials kliknij dwukrotnie materiał o nazwie Inside i zmień jego nazwę na Radius.
    12. Kliknij symbol Add (+) znajdujący się w sekcji Selection, aby dodać to jako materiał. Kość promieniowa jest teraz obrysowana w oknie podglądu. Przed kontynuacją kliknij ikonę Lock dla materiału Radius w sekcji Materials; zapewni to, że w tym materiale nie zostaną wprowadzone żadne zmiany.
    13. Wykonaj ten sam proces dla kości łokciowej. W sekcji Materials kliknij Add, aby utworzyć nowy materiał. Kliknij dwukrotnie nowy materiał i zmień jego nazwę na Ulna.
    14. Powtórz kroki od 1.3.6 do 1.3.12 dla kości łokciowej.
    15. Po zakończeniu kroków dla kości promieniowej i łokciowej odblokuj kość promieniową, klikając ikonę Lock dla materiału Radius w sekcji Materials. Przejdź do karty Project, klikając Project poniżej paska menu. W sekcji Project View znajduje się teraz zestaw danych o nazwie Markers zastosowany do przefiltrowanego zestawu danych.
    16. Kliknij prawym przyciskiem myszy przefiltrowany zestaw danych, wyszukaj Marker Based Watershed Inside Mark (Image Segmentation) i wybierz tę opcję. W sekcji Properties, korzystając z rozwijanych menu, ustaw Data jako przefiltrowany zestaw danych, Markers jako zestaw danych markerów, a binary mask jako zestaw danych przeprogowany, a następnie kliknij apply.
    17. W sekcji Project View zostanie wygenerowany plik .grown. Kliknij i przeciągnij ciąg Volume Rendering z przeprogowanego zestawu danych do zestawu danych .grown, aby zwizualizować segmentację kości promieniowej i łokciowej w oknie podglądu.
    18. Aby przekonwertować plik .grown na 8-bitowy, kliknij zestaw danych .grown, wyszukaj Convert Image Type i wybierz tę opcję. Plik .grown zostanie przekonwertowany z formatu 16-bitowego na 8-bitowy.

2. Dopasowanie

  1. Wyrównanie osi oraz ekstrakcja kości promieniowej i łokciowej
    UWAGA: Jeśli obecny model stanowi punkt czasowy wyjściowy, należy wykonać wszystkie kroki. W przeciwnym razie należy rozpocząć tę sekcję od kroku 2.1.4. Aby umożliwić wykonanie przekroju poprzecznego kości promieniowej, model z punktu czasowego wyjściowego musi zostać wyrównany prostopadle do płaszczyzny Ortho Slice; model ten będzie służył jako punkt odniesienia dla wyrównania w kolejnych tygodniach.
    1. W obrębie Widok projektu sekcja, włącz Przekrój ortogonalny (jeśli jest wyłączony), a następnie kliknij zestaw danych .grown. W Właściwości sekcja, kliknij w Edytor Transformacji ikona. Używając kursora Interact, dostosuj kąt nachylenia kości promieniowej i łokciowej, klikając w zielone punkty wyrównania osi, tak aby funkcja Ortho Slice utworzyła przekrój poprzeczny kości promieniowej.
    2. Po wykonaniu wyrównania należy utworzyć nowy zestaw danych, aby zapisać tę transformację. Kliknij prawym przyciskiem myszy na zestawie danych .grown, a następnie wyszukaj Ponowne próbkowanie przetransformowanego obrazu i wybierz.
    3. Kliknij w Próbkowanie obrazu po przekształceniu oraz w obrębie Właściwości sekcja, ustawić Dane do powiększony zestaw danych, Interpolacja Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia. Najbliższy sąsiad, moda do rozszerzony, Zachowaj do Rozmiar woksela, i Wartość dopełnienia do 0Kliknij Zastosuji zostanie utworzony nowy zestaw danych przetworzonych.
    4. Aby wyodrębnić kość promieniową i łokciową z połączonego modelu segmentacji, należy kliknąć prawym przyciskiem myszy na zbiorze danych .transformed, a następnie wyszukać Ekstrakcja etykiety i wybierz.
    5. Kliknij w Ekstrakcja etykietyw obrębie Właściwości sekcja, ustawić Etykiety do przetransformowane dane zbiór, Identyfikator etykiety do 1oraz Eksport do Sprawdzono binarnieKliknij Zastosujoraz zostanie utworzony zestaw danych wyników.
    6. Kliknij i przeciągnij Rendering objętościowy ciąg ze zbioru danych .grown do Wynik zestaw danych. Kliknij w Wynik zbiór danych i prasa F2 aby zmienić nazwę pliku (na przykład: „Bone Scaffold Material” – „WKX” – Radius).
    7. Powtórz kroki od 2.1.4 do 2.1.6 dla kości łokciowej, ustawiając Identyfikator etykiety do 2 or zmiana nazwy pliku z wynikami dla kości ulny.
  2. Zapisywanie i otwieranie plików obrazów podłużnych
    UWAGA: Jeśli bieżący model stanowi początkowy punkt czasowy, należy wykonać wszystkie kroki. W przeciwnym razie należy rozpocząć tę sekcję od kroku 2.2.2.
    1. Aby zapisać plik dla początkowego punktu czasowego, kliknij Plik, Zapisz projekt jakoi Ustawienie lokalizacji katalogu plików w menu rozwijanym paska menu. Ustaw typ zapisu jako Amira Project and data files (pack &pliku (*.hx) i nazwij plik jako wersję główną (na przykład „Bone Scaffold Material_WKX MASTER”).
    2. Otwórz plik główny dla początkowego punktu czasowego (jeśli nie jest jeszcze otwarty) i zapisz kopię, klikając w Plik, Zapisz projekt jako, i Ustaw lokalizację katalogu plików w rozwijanym menu paska narzędzi. Ustaw typ zapisu jako Amira Project and data files (pack &plik (*.hx) i nazwij go (na przykład „Bone Scaffold Material”_ „WK0” oraz „WKX”). Plik ten będzie służył do porównania punktu czasowego początkowego z kolejnymi tygodniami, bez nadpisywania pliku głównego.
    3. W nowym pliku porównawczym otwórz obrazy dla punktu czasowego porównania, klikając Otwarte dane w Widok projektu sekcję. W wyskakującym oknie przejdź do wybranego katalogu folderu, aby wybrać pliki .dcm dla początkowego punktu czasowego. Naciśnij CTRL+A należy zaznaczyć wszystkie obrazy i kliknąć Otwórz obrazy.
    4. W oknie wyskakującym zostaną wyświetlone informacje dotyczące otwartego zestawu danych obrazowych; kliknij Proszę dostarczyć tekst źródłowy do tłumaczenia. kontynuować.
    5. Pojawi się ostrzeżenie dotyczące skalowania. Kliknij Konwersja na typ zmiennoprzecinkowy (opcja domyślna), aby kontynuować.
    6. Ikona zestawu danych pojawi się w obrębie Widok projektu sekcji. Aby zmienić nazwę zestawu danych, należy kliknąć raz ikonę zestawu danych, a następnie nacisnąć F2po wprowadzeniu żądanej nazwy kliknij Proszę przesłać tekst źródłowy do tłumaczenia.Można ustalić wzorzec nazewnictwa w celu zidentyfikowania skanu (na przykład „Bone Scaffold Material” – „WKX”).
  3. Dostrajanie modelu
    UWAGA: W niniejszym procesie omówiono dopasowanie segmentacji kości promieniowej. Ten sam proces można zastosować do kości łokciowej, w razie potrzeby. Nie należy dopasowywać obu kości jednocześnie, ponieważ spowoduje to problemy z prawidłowym ustawieniem.
    1. Wyłącz którykolwiek z punktów czasowych początkowych Wizualizacja wolumetrycznaNic nie jest wyświetlane wewnątrz Okno obserwacyjne.
    2. Kliknij prawym przyciskiem myszy na zestawie danych porównawczych (kolejny tydzień), wyszukaj opcję Ortho Slice i zaznacz ją.
    3. Powtórz sekcję 1 (zaczynając od kroku 1.2) oraz sekcję 2 (krok 2.1), zgodnie z wszelkimi dodatkowymi uwagami dotyczącymi numeracji kroków. Po zakończeniu tych sekcji powróć do kroku 2.3.4. Wykonanie tych sekcji pozwoli na przeprowadzenie segmentacji zestawu danych z kolejnego tygodnia oraz wyodrębnienie kości promieniowej i łokciowej.
    4. Kliknij prawym przyciskiem myszy na zestaw danych porównawczych (z kolejnego tygodnia) dla wyekstrahowanej kości promieniowej, wyszukaj Kreator rejestracji obrazóworaz wybierz. W obrębie Właściwości sekcja, zestaw Dane jako zestaw danych porównawczych z tygodnia dla wyekstrahowanej kości promieniowej, Bibliografia jako zestaw danych dla punktu czasowego początkowego dla wyekstrahowanej kości promieniowej.
    5. Dla Działania kreatora rejestracji obrazów sekcja, kliknij Pomiń dla kroku 1 z 4. W krokach 2 i 3 z 4, używając kursora Interact, należy dostosować Panel kart kliknięcie w obszarze wspólnym dla zestawów danych z punktu czasowego początkowego oraz z tygodnia porównawczego Zastosuj pod Czynność postępując zgodnie z każdym krokiem. W kroku 4 z 4 ustaw Metryka Jako Korelacja, Transformacja Jako Sztywnyi Wstępne wyrównanie jako Wyrównanie głównych osi i kliknij Zastosuj pod Działanie.
    6. Po wyrównaniu zestawów danych, należy kliknąć prawym przyciskiem myszy na zestawie danych porównawczych (kolejnego tygodnia) dla wyekstrahowanej kości promieniowej i wyszukać Ponowna próbkowanie przekształconego obrazu oraz wybrać. W obrębie Właściwości sekcja, ustawić Dane jako zestaw danych z tygodnia porównawczego dla wyekstrahowanej kości promieniowej, Interpolacja do najbliższy sąsiad, moda do Rozszerzony, Zachowaj do Wielkość wokselai Wartość dopełnienia do 0 i kliknij ZastosujZostanie utworzony nowy przekształcony zestaw danych dla porównawczego zestawu danych.

3. Wybór i przycięcie ROI

UWAGA: Najpierw wykonaj przycinanie regionu zainteresowania (ROI Crop), aby określić numery przekrojów wokół złamania o rozmiarze krytycznym. Po ustaleniu tych numerów przekrojów można je wykorzystać w tym samym punkcie czasowym dla kości promieniowej, jeśli jest to konieczne. W tym procesie przycinanie po zastosowaniu do modelu jest nieodwracalne.

  1. Kadrowanie obszaru zainteresowania (ROI)
    1. Kliknij i włącz funkcję Ortho Slice dla początkowego punktu czasowego i ustaw Data na zbiór danych dla początkowego punktu czasowego dla wyekstrahowanej kości promieniowej. Ustaw Orientation tak, aby płaszczyzna tworzyła przekrój poprzeczny kości promieniowej.
    2. Używając suwaka Slice Number w sekcji Properties, zmień numer przekroju, aby wyznaczyć proksymalną i dystalną lokalizację przekrojów otaczających defekt o rozmiarze krytycznym. Dla obu przekrojów wyznacz przekrój najbardziej dystalny i proksymalny, w którym złamanie łączy się z trzonem kości promieniowej. Zanotuj numer przekroju; liczba ta będzie się różnić dla każdego modelu.
    3. Kliknij i włącz funkcję Ortho Slice dla tygodnia porównawczego i ustaw Data na zbiór danych dla początkowego punktu czasowego dla wyekstrahowanej kości promieniowej. Ustaw Orientation tak, aby płaszczyzna tworzyła przekrój poprzeczny kości promieniowej.
    4. Używając suwaka Slice Number w sekcji Properties, przy wyświetlonym dystalnym przekroju Ortho Slice dla początkowego punktu czasowego, zmień numer przekroju dla tygodnia porównawczego tak, aby był on zgodny z przekrojem dystalnym punktu początkowego. Oprogramowanie do wizualizacji umożliwia wizualną weryfikację wyrównania; gdy przekroje się pokrywają, będą one widoczne jako jeden przekrój w oknie podglądu.
    5. Zanotuj numer przekroju dla przekroju dystalnego zbioru danych tygodnia porównawczego. Powtórz krok 3.1.4 dla przekroju proksymalnego.
      UWAGA: W ramach dodatkowej weryfikacji wyznacz różnicę między przekrojem proksymalnym a dystalnym dla zbiorów danych zarówno z punktu początkowego, jak i tygodnia porównawczego. Wartości te muszą być równoważne, co potwierdza spójny rozmiar ROI.
    6. Kliknij początkowy punkt czasowy dla wyekstrahowanej kości promieniowej. W sekcji Properties kliknij narzędzie Crop Editor.
    7. W oknie Crop Editor wprowadź wartości minimalne i maksymalne w odpowiednie pola X, Y lub Z (pole Viewing Window będzie zmieniać ROI w miarę wprowadzania danych). Po wprowadzeniu wartości kliknij OK. Zbiór danych zostanie przycięty do wprowadzonego ROI.
    8. Powtórz krok 3.1.7 dla zbioru danych tygodnia porównawczego.

4. Analiza i wizualizacja

  1. Analiza objętości
    1. Aby określić objętość zbioru danych z początkowego punktu czasowego, kliknij prawym przyciskiem myszy na przetransformowanym zbiorze danych z początkowego punktu czasowego dla wyekstrahowanego promienia, wyszukaj Material Statistics i wybierz tę opcję. W sekcji Properties ustaw Data na przetransformowany zbiór danych z początkowego punktu czasowego dla wyekstrahowanego promienia, ustaw Select na Materials i kliknij Apply. Dla zbioru danych z początkowego punktu czasowego zostanie utworzony nowy zbiór danych .MaterialStatistics.
    2. Kliknij zbiór danych .MaterialStatistics dla początkowego punktu czasowego dla wyekstrahowanego promienia i w oknie Properties kliknij Spreadsheet Show. Kliknij kartę Tables nad oknem Properties. W tej karcie wyświetlona zostanie objętość dla przyciętego zbioru danych z początkowego punktu czasowego dla wyekstrahowanego promienia.
    3. Powtórz kroki 4.1.1 i 4.1.2 dla zbioru danych z tygodnia porównawczego dla wyekstrahowanego promienia. W karcie Table początkowy punkt czasowy i tydzień porównawczy będą miały oddzielne karty, które można otwierać.
  2. Wizualizacja zbiorów danych
    1. Aby zwizualizować zmianę objętości kości, kliknij prawym przyciskiem myszy na przetransformowanym zbiorze danych z tygodnia porównawczego dla wyekstrahowanego promienia, wyszukaj Arithmetic i wybierz tę opcję. Kliknij Arithmetic i w oknie Properties ustaw Input A jako przetransformowany zbiór danych z tygodnia porównawczego dla wyekstrahowanego promienia, ustaw Input B jako zbiór danych z początkowego punktu czasowego dla wyekstrahowanego promienia, ustaw Input C na NO SOURCE, ustaw Result Type na Input A, pozostaw opcję Option odznaczoną, ustaw Result Channels jako input A oraz ustaw Expression na A-B.
    2. Kliknij zbiór danych Result i naciśnij F2, aby zmienić nazwę pliku (na przykład „Bone Scaffold Material” – „WKX” – Bone Change). Kliknij prawym przyciskiem myszy na tym zbiorze danych wynikowych, wyszukaj Generate Surface i wybierz tę opcję. Kliknij Generate Surface i w oknie Properties kliknij Apply, a w wyskakującym oknie kliknij Continue. Zostanie utworzony nowy zbiór danych .surf.
    3. Kliknij prawym przyciskiem myszy na zbiorze danych .surf, wyszukaj Surface View i wybierz tę opcję. W oknie podglądu zostanie wyświetlony widok powierzchni (Surface View) wyniku arytmetycznego.
    4. Aby zmienić kolor Surface View, kliknij Surface view w oknie Project View, a następnie w oknie Properties kliknij menu rozwijane Colors i wybierz Constant. Kliknij Colormap i przypisz preferowany kolor.
    5. Aby wyświetlić zmianę objętości kości na zbiorze danych z pierwszego tygodnia, kliknij prawym przyciskiem myszy na zbiorze danych .transformed, wyszukaj Extract Label i wybierz tę opcję. Kliknij Extract Label i w sekcji Properties ustaw Labels na zbiór danych .transformed data, Label ID na 1 oraz Export na Binary checked. Kliknij Apply, a następnie zostanie utworzony zbiór danych Result. Kliknij zbiór danych Result i naciśnij F2, aby zmienić nazwę pliku (na przykład „Bone Scaffold Material” – „WKX” – Full – Radius).
    6. Kliknij prawym przyciskiem myszy na tym zbiorze danych wynikowych, wyszukaj Generate Surface i wybierz tę opcję. Kliknij Generate Surface i w oknie Properties kliknij Apply, a w wyskakującym oknie kliknij Continue. Zostanie utworzony nowy zbiór danych .surf.
    7. Kliknij prawym przyciskiem myszy na zbiorze danych .surf, wyszukaj Surface View i wybierz tę opcję. W oknie podglądu zostanie wyświetlony widok powierzchni (Surface View) wyniku arytmetycznego.
    8. Aby zmienić kolor Surface View, kliknij Surface view w oknie Project View, a następnie w oknie Properties kliknij menu rozwijane Colors i wybierz Constant. Kliknij Colormap i przypisz preferowany kolor.
    9. Aby kontynuować dla kolejnych tygodni, wróć do kroku 2.2.2.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Obrazy µCT trzech unikalnych modeli szczurzych, z których każdy był traktowany rusztowaniem z polikaprolaktonu (PCL), zostały poddane badaniu w celu przedstawienia pozytywnych wyników. Analiza badania podłużnego w różnych punktach czasowych wymaga, aby zebrane modele bryłowe zostały wyrównane przed wyborem i wycięciem obszaru zainteresowania (ROI). Aby zaprezentować tę możliwość w okresie wielu tygodni, modele bryłowe zebrane w tygodniu 0 i 6 zostały wyrównane przy użyciu wspólnych obszarów (Rycina 2...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Kwantyfikacja zmiany objętości kości jest niezbędna do zbadania potencjału regeneracji kości i wyników w podłużnych badaniach in vivo . Protokół ten opiera się na uznanych metodach segmentacji obrazów μCT11, zapewniając systematyczne podejście do określania zdefiniowanego przez użytkownika regionu zainteresowania (ROI). Technika ta miała kluczowe znaczenie w analizie skuteczności implantów rusztowań kostnych w badaniach in vivo na szczurach. Rozszerzając ustalone protokoły

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają do ujawnienia konfliktu interesów.

Podziękowania

Chcemy podziękować Markowi Kenneyowi za szkolenie na temat bieżących procesów i dyskusji na temat rozwoju tego procesu, a także Lindsay Schnur z Biomechanics and Multimodal Tissue Imaging Core na University of Rochester. Badanie to było wspierane przez granty z NIH/NIAMS: H.A.A. (R01AR07061, P50AR072000 i P30AR069655) oraz V.Z.Z (T32GM007356, T32GM152318 i T32AR076950).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Amira 3DFEI SAS, część Thermo Fisher Scientificwersja 2024.1Program służący do segmentacji obrazów mikrotomografii komputerowej.
Pryzmat graficznyOprogramowanie GraphPad LLCwersja 10.0.3 (217)Program służący do tworzenia wykresów.
Oprogramowanie statystyczne RPodstawa języka R do obliczeń statystycznychWersja 4.4.0 (2024-04-24)Program służący do wykonywania analizy ICC.
Scanco Medical VivaCT 40Scanco MedicalNIESkaner microCT służący do pobierania obrazów mikrotomografii komputerowej.

Bibliografia

  1. ASTM Standard F-2721-09. Standard Guide for Pre-clinical in vivo Evaluation in Critical Size Segmental Bone Defects. , ASTM International. West Conshohocken, PA. (2023).
  2. Amini, A. R., Laurencin, C. T., Nukavarapu, S. P. Bone tissue engineering: recent advances and challenges. Crit Rev Biomed Eng. 40 (5), 363-408 (2012).
  3. Ghassemi, T., et al. Current concepts in scaffolding for bone tissue engineering. Arch Bone Jt Surg. 6 (2), 90-99 (2018).
  4. Tang, G., et al. Recent trends in the development of bone regenerative biomaterials. Front Cell Dev Biol. 9, 665813(2021).
  5. Battafarano, G., et al. Strategies for bone regeneration: from graft to tissue engineering. Int J Mol Sci. 22 (3), 1128(2021).
  6. Ghelich, P., et al. (Bio)manufactured solutions for treatment of bone defects with emphasis on US-FDA regulatory science perspective. Adv Nanobiomed Res. 2 (4), 2100073(2022).
  7. Kim, Y., Brodt, M. D., Tang, S. Y., Silva, M. J. MicroCT for scanning and analysis of mouse bones. Methods Mol Biol. 2230, 169-198 (2021).
  8. Wang, F., et al. Methods for bone quality assessment in human bone tissue: a systematic review. J Orthop Surg Res. 17, 174(2022).
  9. Bouxsein, M. L., et al. Guidelines for assessment of bone microstructure in rodents using micro-computed tomography. J Bone Miner Res. 25, 1468-1486 (2010).
  10. Wee, H., Khajuria, D. K., Kamal, F., Lewis, G. S., Elbarbary, R. A. Assessment of bone fracture healing using micro-computed tomography. J Vis Exp. (190), e64262(2022).
  11. Kenney, H. M., et al. A high-throughput semi-automated bone segmentation workflow for murine hindpaw micro-CT datasets. Bone Rep. 16, 101167(2022).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Analiza objętości kościobrazowanie podłużnedefekt o rozmiarze krytycznymregeneracja kościrejestracja obrazurusztowanie z polikaprolaktonukwantyfikacja objętościmodel kostny szczura
Podłużna analiza obrazu mikrotomografii komputerowej dla zdefiniowanego przez użytkownika obszaru zainteresowania w ubytkach kostnych o krytycznej wielkości
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.