Method Article

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

DOI:

10.3791/67904

⸱

June 24th, 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

In This Article

Summary

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

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.

Abstract

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

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.

Introduction

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

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.

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

Protocol

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

Podłużne obrazy μCT do tego badania zebrano w 0 i 6 tygodniu z krytycznych wad promieniowych 3 mm u dorosłych samic szczurów Charles River SASCO-SD leczonych rusztowaniem opartym na polikaprolaktonie (PCL). Wykorzystanie zwierząt odbyło się zgodnie z protokołami zatwierdzonymi przez Komitet ds. Zasobów Zwierzęcych (UCAR) Uniwersytetu w Rochester. Pobranie obrazu μCT wykonano za pomocą skanera Scanco Medical VivaCT 40.

UWAGA: Podstawowe kroki w tym protokole są podzielone na segmentację obrazu μCT, wyrównanie, wybór i przycinanie ROI oraz analizę i wizualizację (rysunek 1). Protokół segmentacji obrazu μCT został zaadaptowany z Kenney et al. (2022)11.

figure-protocol-1
Rysunek 1: Diagram przepływu pracy podsumowania. Kroki protokołu są przede wszystkim podzielone na segmentację obrazu, wyrównanie modelu, wybór zwrotu z inwestycji i analizę objętości. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

1. Segmentacja obrazu μCT

  1. Otwieranie obrazów w oprogramowaniu
    1. Uruchom oprogramowanie Amira (zwane dalej oprogramowaniem do wizualizacji) i wybierz opcję Otwarte dane. W wyskakującym okienku przejdź do żądanego katalogu folderów, aby wybrać początkowy punkt czasowy .dcm plików. Naciśnij CTRL+A , aby zaznaczyć wszystkie obrazy, a następnie kliknij przycisk Otwórz obrazy.
    2. Wyskakujące okienko wyświetli informacje o otwartym zestawie danych obrazu; kliknij OK , aby kontynuować.
    3. Pojawi się ostrzeżenie o skalowaniu. Kliknij przycisk Konwertuj na zmiennoprzecinkowy (opcja domyślna), aby kontynuować.
    4. Ikona zestawu danych pojawi się w sekcji Widok projektu . Aby zmienić nazwę zestawu danych, kliknij raz ikonę zestawu danych i naciśnij F2; po wprowadzeniu żądanej nazwy kliknij przycisk OK. Ustal wzorzec nazewnictwa w celu identyfikacji skanu (na przykład "Materiał rusztowania kostnego" - "WKX").
  2. Filtrowanie i progowanie obrazu μCT
    1. Po załadowaniu obrazów do sekcji Widok projektu kliknij domyślną przeglądarkę 2D Orto Slice , aby wyświetlić orientacje i przekroje 2D. Wizualizacja 2D pojawi się w oknie podglądu po prawej stronie.
    2. Aby zwizualizować obrazy w 3D, kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych, wyszukaj Renderowanie objętościowe i wybierz. W sekcji Właściwości renderowania objętościowego dostosuj dolny próg mapy kolorów do 2500 i naciśnij Enter.
      UWAGA: Funkcje 2D i 3D można włączać i wyłączać, klikając niebieski kwadrat obok opcji odpowiednio Plasterek orto lub Renderowanie objętościowe. W przypadku okna podglądu po prawej stronie dostępnych jest wiele opcji widoku w górnej części paska. Należą do nich różne narzędzia do przesuwania, obracania lub powiększania/pomniejszania 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 edycji woluminu. Aby dodać edycję woluminu, kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych, wyszukaj pozycję Edycja woluminu i wybierz.
    4. Kliknij Edycja woluminu w sekcji Widok projektu . W sekcji Właściwości wybierz pozycję TabBox z pierwszego okna listy rozwijanej po prawej stronie pozycji Narzędzie.
    5. Podczas wybierania regionów do zachowania dostosuj pole TabBox , klikając i przeciągając zielone rogi za pomocą kursora Interakcja (ikona kursora skierowanego wzdłuż górnego paska okna wyświetlania). Dostosowanie TabBox może wymagać użycia alternatywnych widoków (XY, XZ lub YZ) w celu zidentyfikowania regionów do usunięcia.
    6. Gdy TabBox otoczy region, który ma zostać zachowany, wybierz opcję Wytnij na zewnątrz , aby usunąć artefakt lub dane poza TabBox. Nowy, zmodyfikowany zestaw danych zostanie wygenerowany w widoku projektu.
    7. Kliknij i przeciągnij ciąg renderowania woluminu z oryginalnego zestawu danych do zmodyfikowanego zestawu danych. Spowoduje to zmianę obrazu wyświetlanego w oknie podglądu na zmodyfikowany zestaw danych. W sekcji Właściwości renderowania objętościowego dostosuj dolny próg mapy kolorów do 2500 i naciśnij Enter.
    8. Kliknij prawym przyciskiem myszy zmodyfikowane dane, wyszukaj Filtr mediany i wybierz. W sekcji Właściwości filtru mediany wybierz opcję 3D dla interpretacji i kliknij przycisk Zastosuj. Spowoduje to utworzenie nowego filtrowanego (filtrowanego) zestawu danych w sekcji Widok projektu .
    9. Kliknij prawym przyciskiem myszy przefiltrowane dane, wyszukaj pozycję Interaktywne progowanie i wybierz. W sekcji Właściwości interaktywnego progowania wybierz opcję 3D dla opcji Typ podglądu, dostosuj dolną wartość zakresu intensywności do 2500 i kliknij przycisk Zastosuj. Spowoduje to utworzenie nowego zestawu danych progowych (.thresholded) w sekcji Widok projektu.
    10. Kliknij i przeciągnij ciąg renderowania woluminu ze zmodyfikowanego zestawu danych do progowego zestawu danych. Wyłącz interaktywne progowanie i włącz rozkręcanie głośności (jeśli jest wyłączone).
  3. Segmentacja obrazu μCT
    1. Kliknij przefiltrowany zestaw danych, a następnie przejdź do zakładki Segmentacja , klikając Segmentacja pod paskiem menu. Na karcie Segmentacja kontrolki są podobne do tych na karcie Projekt .
      UWAGA: Na karcie Segmentacja znajduje się kilka dodatkowych narzędzi związanych z oknem wyświetlania . W górnym rogu okna podglądu znajduje się przycisk powiększania +/- , którego można użyć, aby obraz wypełnił okno podglądu. Obraz można wyśrodkować w oknie podglądu za pomocą lewego/prawego paska przewijania u dołu okna podglądu. Nad tym paskiem przewijania znajduje się drugi pasek przewijania, który umożliwia poruszanie się po wycinkach danych μCT.
    2. Aby upewnić się, że karta Segmentacja jest odpowiednio skonfigurowana, w sekcji Edytor segmentacji obraz jest ustawiany na filtrowany zestaw danych, a pole Etykieta jest ustawiane na progowy zestaw danych. W sekcji Materiały kliknij dwukrotnie materiał o nazwie Materiał i zmień jego nazwę na Kość.
    3. Kliknij Nowy w Edytorze segmentacji, aby utworzyć nowe pole etykiety. W oknie podręcznym zmień nazwę tego elementu, używając podobnej konwencji nazewnictwa (na przykład "Materiał rusztowania kostnego" - "WKX" - Znaczniki) jak poprzednio i jako Znaczniki, a następnie kliknij przycisk OK.
    4. Dostosuj okno widoku 2D przy użyciu widoków alternatywnych (XY, XZ lub YZ), aby wyświetlić obraz w płaszczyźnie strzałkowej lub koronalnej.
    5. Użyj pędzla, lassa, różdżki i progu w sekcji Zaznaczenie , aby zidentyfikować obszary zainteresowania. W przypadku tego protokołu wybierz narzędzie Pędzel . Dostosuj rozmiar narzędzia pędzla ; Ogólnie rzecz biorąc, dobrze sprawdza się wskaźnik średniej wielkości.
    6. Dopasuj stos obrazów do pierwszego przekroju, w którym kość promieniowa zaczyna być widoczna. Może to wymagać wielokrotnego przechodzenia przez wycinki w celu określenia, które objętości należą do promienia i kości łokciowej oraz kiedy się zaczynają.
    7. Po zidentyfikowaniu wycinka użyj kursora pędzla , aby narysować, klikając i przeciągając kursor wokół tego segmentu kości. W miejscu, w którym narysowano kursor, pojawi się czerwona linia. Rysuj w obrębie części kości, a nie na zewnątrz kości; Pomoże to oprogramowaniu do wizualizacji w rozróżnieniu dwóch kości.
    8. Kontynuuj przechodzenie między plasterkami i rysowanie wokół promienia. Ogólnie rzecz biorąc, przez środkową część stosu obrazów rysunki można tworzyć co 20-30 plasterków obrazu. Wzdłuż końca stosu obrazów lub wokół defektu o krytycznym rozmiarze wykonuj rysunki co 5-10 wycinków obrazu, aby wspomóc oprogramowanie do wizualizacji w miarę pojawiania się lub zanikania kości.
    9. Po wykonaniu pełnej długości promienia kliknij Zaznaczenie, Wypełnienie, a następnie Wszystkie plasterki w menu rozwijanym. Spowoduje to wypełnienie wszystkich rysunków wykonanych za pomocą narzędzia pędzla. Będą one teraz wyświetlane jako zacienione na czerwono, a nie konturami.
    10. Kliknij opcję Zaznaczenie i interpolacja na pasku menu. Spowoduje to wypełnienie zacienionych obszarów kości promienia na wszystkich przekrojach na podstawie wykonanych rysunków.
      UWAGA: Czasami spowoduje to pominięcie niektórych sekcji kości. Przed kontynuowaniem przewijaj wszystkie plasterki, aby upewnić się, że ogólnie zidentyfikował kość. Jeśli pominięto jakiś fragment kości, użyj narzędzia pędzel, aby zatoczyć kółko wokół tego obszaru na kilku plasterkach otaczających brakującą sekcję i powtórz powyższe dwa kroki (1.3.9 i 1.3.10).
    11. Gdy promień zostanie w pełni zidentyfikowany, w sekcji Materiały kliknij dwukrotnie materiał o nazwie Wewnątrz i zmień jego nazwę na Promień.
    12. Kliknij symbol Dodaj (+) znajdujący się w sekcji Wybór , aby dodać go jako materiał. Promień jest teraz obrysowany w oknie podglądu. Zanim przejdziesz dalej, kliknij ikonę kłódki dla materiału o promieniu w sekcji Materiały ; Zapewni to, że w tym materiale nie zostaną wprowadzone żadne zmiany.
    13. Wykonaj ten sam proces dla kości łokciowej. W sekcji Materiały kliknij przycisk Dodaj , aby utworzyć nowy materiał. Kliknij dwukrotnie nowy materiał i zmień jego nazwę na Kość łokciowa.
    14. Powtórz kroki od 1.3.6 do 1.3.12 dla kości łokciowej.
    15. Po wykonaniu kroków zarówno dla kości promieniowej, jak i kości łokciowej, odblokuj promień, klikając ikonę kłódki dla materiału promienia w sekcji Materiały . Przejdź do zakładki Projekt , klikając Projekt pod paskiem menu. Do przefiltrowanego zestawu danych w sekcji Widok projektu został zastosowany zestaw danych o nazwie Znaczniki.
    16. Kliknij prawym przyciskiem myszy przefiltrowany zestaw danych i wyszukaj Znacznik wododziału opartego na znaczniku Inside Mark (segmentacja obrazu) i wybierz. W sekcji Właściwości , klikając menu rozwijane, ustaw Dane jako filtrowany zestaw danych, Znaczniki jako zestaw danych znaczników oraz maskę binarną jako progowy zestaw danych, a następnie kliknij przycisk Zastosuj.
    17. Plik .grown zostanie wygenerowany w sekcji Widok projektu . Kliknij i przeciągnij ciąg renderowania woluminu z progowego zestawu danych do zestawu danych .grown, aby wyświetlić segmentację kości promieniowej i łokciowej w oknie wyświetlania.
    18. Aby przekonwertować plik .grown na 8-bitowy, kliknij zestaw danych .grown i wyszukaj Konwertuj typ obrazu i wybierz. Plik .grown zostanie przekonwertowany z wersji 16-bitowej na 8-bitową.

2. Wyrównanie

  1. Wyrównanie osi i ekstrakcja promienia i kości łokciowej
    UWAGA: Jeśli bieżący model jest początkowym punktem czasowym, wszystkie kroki muszą zostać wykonane. W przeciwnym razie rozpocznij tę sekcję od kroku 2.1.4. Aby umożliwić przekroj poprzeczny promienia, początkowy model punktu czasu musi być wyrównany prostopadle do płaszczyzny przekroju ortofotokątnego; Model ten posłuży jako punkt odniesienia dla wyrównania w kolejnych tygodniach.
    1. W sekcji Widok projektu włącz opcję Orto Slice (jeśli jest wyłączona), a następnie kliknij zestaw danych .grown. W sekcji Właściwości kliknij ikonę Edytora przekształceń . Za pomocą kursora Interakcja dostosuj kąt promienia i kości łokciowej, klikając zielone punkty wyrównania osi, tak aby przekrój Orto utworzył poprzeczny przekrój przez promień.
    2. Po wyrównaniu należy utworzyć nowy zestaw danych, aby zapisać tę transformację. Kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych .grow, wyszukaj Resample Transformed Image i wybierz.
    3. Kliknij przycisk Resample Transformed Image (Zmień próbkowanie przekształconego obrazu) i w sekcji Properties (Właściwości) ustaw Dane na zestaw danych .grown, Interpolation (Interpolacja) na Nearest Neighbor (Najbliższy sąsiad), Mode (Tryb) na extended, Preserve to Voxel Size (Zachowaj rozmiar woksela) i wartość Padding (Uzupełnienie) na 0. Kliknij przycisk Zastosuj, a zostanie utworzony nowy zestaw danych .transformated.
    4. Aby wyodrębnić promień i kość łokciową z połączonego modelu segmentacji, kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych .transformated, wyszukaj pozycję Wyodrębnij etykietę i wybierz.
    5. Kliknij pozycję Wyodrębnij etykietę w sekcji Właściwości , ustaw Etykiety na zestaw danych .transformated , Identyfikator etykiety na 1 i zaznaczone pole wyboru Eksportuj do pliku binarnego. Kliknij przycisk Zastosuj, a zostanie utworzony zestaw danych wynikowych.
    6. Kliknij i przeciągnij ciąg renderowania woluminu z zestawu danych .grown do zestawu danych Wynik . Kliknij zestaw danych wynikowych i naciśnij F2 , aby zmienić nazwę pliku (na przykład "Materiał rusztowania kostnego" - "WKX" - Promień).
    7. Powtórz kroki od 2.1.4 do 2.1.6 dla kości łokciowej, ustawiając identyfikator etykiety na 2 i zmieniając nazwę pliku wynikowego na kość łokciową.
  2. Zapisywanie plików i otwieranie obrazów podłużnych
    UWAGA: Jeśli bieżący model jest początkowym punktem czasowym, wszystkie kroki muszą zostać wykonane. W przeciwnym razie rozpocznij tę sekcję od kroku 2.2.2.
    1. Aby zapisać początkowy plik punktu czasowego, kliknij Plik, Zapisz projekt jako i Ustaw lokalizację katalogu plików w menu rozwijanym. Ustaw typ zapisu jako plik Amira Project i plików danych (pack &go) (*.hx) i nazwij plik jako wersję główną (na przykład 'Materiał rusztowania kostnego'_ 'WKX' MASTER).
    2. Otwórz początkowy plik główny punktu czasowego (jeśli nie został jeszcze otwarty) i zapisz kopię , klikając Plik, Zapisz projekt jako i Ustaw lokalizację katalogu plików z menu rozwijanego. Ustaw typ zapisu jako Amira Project i plik plików danych (pack &go) (*.hx) i nazwij plik (na przykład 'Materiał rusztowania kostnego'_ 'WK0' i 'WKX'). Plik ten będzie używany do porównywania początkowego punktu czasowego z kolejnymi tygodniami bez nadpisywania pliku głównego.
    3. W nowym pliku porównania otwórz obrazy dla punktu czasowego porównania, klikając przycisk Otwórz dane w sekcji Widok projektu . W wyskakującym okienku przejdź do żądanego katalogu folderów, aby wybrać początkowy punkt czasowy .dcm plików. Naciśnij CTRL+A , aby zaznaczyć wszystkie obrazy, a następnie kliknij przycisk Otwórz obrazy.
    4. Wyskakujące okienko dostarczy informacji dotyczących otwartego zestawu danych obrazu; kliknij OK , aby kontynuować.
    5. Pojawi się ostrzeżenie o skalowaniu. Kliknij przycisk Konwertuj na zmiennoprzecinkowy (opcja domyślna), aby kontynuować.
    6. Ikona zestawu danych pojawi się w sekcji Widok projektu . Aby zmienić nazwę zestawu danych, kliknij raz ikonę zestawu danych i naciśnij F2; po wprowadzeniu żądanej nazwy kliknij przycisk OK. Można ustalić wzorzec nazewnictwa w celu identyfikacji skanu (na przykład "Materiał rusztowania kostnego" - "WKX").
  3. Wyrównanie modelu
    UWAGA: W tym procesie omówione zostanie wyrównanie segmentów kości promieniowej. W razie potrzeby ten sam proces można zastosować do kości łokciowej. Nie wyrównywaj obu kości w tym samym czasie; Spowoduje to problemy z prawidłowym wyrównaniem.
    1. Wyłącz renderowanie woluminów w początkowym punkcie czasowym. W oknie podglądu nie jest nic wyświetlane.
    2. Kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych porównania (z następnego tygodnia), wyszukaj wycinek orto i wybierz.
    3. Powtórz sekcję 1 (zaczynając od kroku 1.2), sekcję 2 (krok 2.1) zgodnie z wszelkimi dodatkowymi uwagami dotyczącymi podanych numerów kroków. Po wykonaniu tych sekcji wróć do kroku 2.3.4. Wykonanie tych sekcji spowoduje segmentację zestawu danych z następnego tygodnia i wyodrębnienie kości promieniowej i łokciowej.
    4. Kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych porównania (w kolejnym tygodniu) dla wyodrębnionej kości promieniowej, wyszukaj Kreatora rejestracji obrazu i wybierz. W sekcji Właściwości ustaw Dane jako zestaw danych tygodnia porównania dla wyodrębnionej kości promieniowej, Odwołanie jako początkowy zestaw danych punktu czasowego dla wyodrębnionej kości promieniowej.
    5. W sekcji Akcje Kreatora rejestracji obrazu kliknij przycisk Pomiń , aby przejść do kroku 1 z 4. W kroku 2 i 3 z 4, używając kursora Interakcja, dostosuj pole TabBox do wspólnego regionu między początkowym punktem czasowym a zestawami danych tygodnia porównania, klikając przycisk Zastosuj w obszarze Akcja po każdym kroku. W kroku 4 z 4 ustaw Metryka jako Korelacja, Transformacja jako Sztywna i Wyrównanie wstępne jako Wyrównaj główne osie, a następnie kliknij przycisk Zastosuj w obszarze Akcja.
    6. Po wyrównaniu zestawów danych kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych porównawczych (w kolejnym tygodniu) dla wyodrębnionej kości promieniowej, a następnie wyszukaj opcję Ponowne próbkowanie przekształconego obrazu i wybierz. W sekcji Właściwości ustaw Dane jako zestaw danych tygodnia porównania dla wyodrębnionej kości promieniowej, Interpolacji na Najbliższego sąsiada, Trybu na Wydłużone, Zachowaj do Rozmiaru woksela i Wartości dopełnienia na 0 , a następnie kliknij przycisk Zastosuj. Dla zestawu danych porównania zostanie utworzony nowy zestaw danych .transformated.

3. Wybór i przycinanie ROI

UWAGA: Najpierw wykonaj uprawę ROI, aby określić numery plasterków wokół pęknięcia o krytycznym rozmiarze. Po ustaleniu tych numerów plastrów, można je użyć w tym samym punkcie czasowym dla kości łokciowej, w razie potrzeby. W tym procesie nie można cofnąć kadrowania po zastosowaniu do modelu.

  1. Uprawa w regionie zainteresowania
    1. Kliknij i włącz plasterek Orto dla początkowego punktu czasu, a następnie ustaw Dane na początkowy zestaw danych punktu czasowego dla wyodrębnionego promienia. Ustaw orientację tak, aby płaszczyzna dawała poprzeczne cięcie przez kość promieniową.
    2. Korzystając z suwaka Numer przekroju w sekcji Właściwości , zmień numer przekroju, aby określić proksymalne i dystalne lokalizacje przekroju otaczające defekt o krytycznym rozmiarze. W przypadku obu plasterków określ plasterek najbardziej dystalny i proksymalny, w którym złamanie styka się z trzonem kości promieniowej. Udokumentuj numer plasterka; Liczba ta będzie się różnić w zależności od modelu.
    3. Kliknij i włącz plasterek orto dla tygodnia porównania, a następnie ustaw dane na początkowy zestaw danych punktu czasowego dla wyodrębnionego promienia. Ustaw orientację tak, aby płaszczyzna dawała poprzeczne cięcie przez kość promieniową.
    4. Korzystając z suwaka Numer przekroju w sekcji Właściwości i z początkowym zestawem danych punktu czasowego pokazującym dystalny wycinek orto, zmień numer tygodnia porównania tak, aby był wyrównany z dystalnym wycinkiem początkowego punktu czasu. Oprogramowanie do wizualizacji pozwala na wizualną kontrolę wyrównania; Gdy plasterki nałożą się na siebie, pojawią się jako pojedynczy plasterek w oknie podglądu.
    5. Zanotuj numer wycinka dystalnego zestawu danych tygodnia porównania. Powtórz krok 3.1.4 dla wycinka proksymalnego.
      UWAGA: W ramach dodatkowego sprawdzenia określ różnicę między wycinkiem proksymalnym i dystalnym zarówno dla początkowego, jak i porównawczego zestawu danych z tygodnia. Wartości te muszą być równoważne, co ilustruje zwrot z inwestycji o stałej wielkości.
    6. Kliknij początkowy punkt czasowy dla wyodrębnionego promienia. W sekcji Właściwości kliknij narzędzie Edytor przycinania .
    7. W wyskakującym okienku Edytora kadrowania wprowadź wartości minimalne i maksymalne w odpowiednim polu X, Y lub Z ( okno podglądu zmieni ROI podczas ich wprowadzania). Po wprowadzeniu wartości kliknij przycisk OK. Zestaw danych zostanie przycięty do wejściowego zwrotu z inwestycji.
    8. Powtórz krok 3.1.7 dla zestawu danych z tygodnia porównania.

4. Analiza i wizualizacja

  1. Analiza objętości
    1. Aby określić objętość początkowego zestawu danych punktu czasowego, kliknij prawym przyciskiem myszy przekształcony zestaw danych początkowego punktu czasowego dla wyodrębnionego promienia, wyszukaj Statystykę materiału i wybierz. W sekcji Właściwości ustaw Dane jako początkowy punkt czasu przekształcony dla wyodrębnionego promienia, a następnie ustaw opcję Wybierz jako materiały i kliknij przycisk Zastosuj. Nowy plik . Zestaw danych MaterialStatistics zostanie utworzony dla początkowego zestawu danych punktu czasowego.
    2. Kliknij przycisk . MaterialStatistics zestaw danych dla początkowego punktu czasowego dla wyodrębnionego promienia i w oknie Właściwości kliknij Pokaż arkusz kalkulacyjny. Kliknij kartę Tabele nad oknem Właściwości . Na tej karcie wyświetlany jest wolumin dla przyciętego początkowego zestawu danych punktu czasowego dla wyodrębnionego promienia.
    3. Powtórz kroki 4.1.1 i 4.1.2 dla zestawu danych tygodnia porównania dla wyodrębnionego promienia. Na karcie Tabela początkowy punkt czasowy i tydzień porównania będą miały osobne zakładki, które można kliknąć.
  2. Wizualizacja zbiorów danych
    1. Aby zobrazować zmianę objętości kości, kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych przekształconych w tygodniu porównania dla wyodrębnionego promienia, wyszukaj pozycję Arytmetyka i wybierz. Kliknij Arytmetyka i w oknie Właściwości ustaw Wejście A jako tydzień porównania przekształcony zestaw danych dla wyodrębnionego promienia, ustaw Wejście B jako początkowy zestaw danych punktu czasowego dla wyodrębnionego promienia, ustaw Wejście C jako BRAK ŹRÓDŁA, ustaw Typ wyniku jako Wejście A, pozostaw Opcję niezaznaczoną, ustaw Kanały wyników jako takie jak wejście A, i ustaw Wyrażenie jako A-B.
    2. Kliknij zestaw danych wynikowych i naciśnij F2 , aby zmienić nazwę pliku (na przykład "Materiał rusztowania kostnego" - "WKX" - Zmiana kości). Kliknij prawym przyciskiem myszy ten zestaw danych wynikowych, wyszukaj pozycję Generuj powierzchnię i wybierz. Kliknij opcję Generuj powierzchnię i w oknie Właściwości kliknij przycisk Zastosuj, a następnie w wyskakującym okienku kliknij przycisk Kontynuuj. Zostanie utworzony nowy zestaw danych .surf.
    3. Kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych .surf, wyszukaj Surface View i wybierz. Widok powierzchni wyniku arytmetyki zostanie wyświetlony w oknie Podgląd.
    4. Aby zmienić kolor widoku powierzchni, kliknij widok powierzchni w oknie Widok projektu , a następnie w oknie Właściwości kliknij listę rozwijaną Kolory i wybierz opcję Stała. Kliknij na Mapę kolorów i przypisz preferowany kolor.
    5. Aby wyświetlić zmianę objętości kości w początkowym zestawie danych tygodniowych, kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych .transformated, wyszukaj pozycję Wyodrębnij etykietę i wybierz. Kliknij pozycję Wyodrębnij etykietę, a następnie w sekcji Właściwości ustaw etykiety na zestaw danych .transformated , identyfikator etykiety na 1 i zaznaczone pole wyboru eksportuj do pliku binarnego. Kliknij przycisk Zastosuj, a zostanie utworzony zestaw danych wynikowych . Kliknij zestaw danych wynikowych i naciśnij F2 , aby zmienić nazwę pliku (na przykład "Materiał rusztowania kostnego" - "WKX" - Pełny - Promień).
    6. Kliknij prawym przyciskiem myszy ten zestaw danych wynikowych, wyszukaj pozycję Generuj powierzchnię i wybierz. Kliknij opcję Generuj powierzchnię, a następnie w oknie Właściwości kliknij przycisk Zastosuj , a następnie w wyskakującym okienku kliknij przycisk Kontynuuj. Zostanie utworzony nowy zestaw danych .surf.
    7. Kliknij prawym przyciskiem myszy zestaw danych .surf, wyszukaj Surface View i wybierz. Widok powierzchni wyniku arytmetyki zostanie wyświetlony w oknie Podgląd.
    8. Aby zmienić kolor widoku powierzchni, kliknij widok powierzchni w oknie Widok projektu , a następnie w oknie Właściwości kliknij listę rozwijaną Kolory i wybierz opcję Stała. Kliknij na Mapę kolorów i przypisz preferowany kolor.
    9. Aby kontynuować z dodatkowymi tygodniami, wróć do kroku 2.2.2.

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

Results

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

Zbadano obrazy μCT trzech unikalnych modeli szczurów, z których każdy był traktowany rusztowaniem z polikaprolaktonu (PCL), aby zilustrować pozytywne wyniki. Analiza badania podłużnego w różnych punktach czasowych wymaga, aby zebrane modele bryłowe zostały wyrównane przed wyborem i przycięciem do zwrotu z inwestycji. Aby zilustrować tę zdolność przez wiele tygodni, modele bryłowe zebrane w tygodniach 0 i 6 zostały wyrównane przy użyciu wspólnych regionów (rysunek 2).

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

Discussion

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

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

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

Disclosures

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

Autorzy nie mają do ujawnienia konfliktu interesów.

Acknowledgements

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

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).

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
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.

References

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

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

Micro Computed TomographyBone Volume AnalysisLongitudinal ImagingRegion Of InterestCritical Sized DefectBone RegenerationImage RegistrationPolycaprolactone ScaffoldVolume QuantificationRat Bone Model

Related Articles