Ocena gojenia złamań kości za pomocą mikrotomografii komputerowej

Mikrotomografia komputerowa jest bardzo powszechnym podejściem do ilościowego określania morfologii 3D i jakości kości. Chociaż protokoły analityczne są dość ugruntowane w celu scharakteryzowania nienaruszonej kości korowej i beleczkowej, istnieje mniejszy konsensus co do protokołu analizy gojenia złamań. Technika ta obejmuje nieinwazyjne obrazowanie i dokładną, skalibrowaną analizę 3D przy użyciu dobrej równowagi między technikami ręcznymi i automatycznymi.

Wykorzystuje również wyrafinowane i elastyczne środowisko oprogramowania. Procedurę zademonstruje Hwabok Wee, pracownik naukowy z mojego laboratorium. Aby rozpocząć, weź specjalnie opracowane urządzenie do skanowania wydrukowane w 3D lub podobne, które zawiera miniaturowy fantom hydroksyapatytu do kalibracji gęstości mineralnej kości.

Umieść do sześciu próbek kości długich w uchwycie w celu jednoczesnego skanowania wielu próbek. Umieść przygotowane urządzenie w strzykawce lub stożkowej rurce podobnej do średnicy pola skanowania view. Napełnij strzykawkę środkiem konserwującym, takim jak sól fizjologiczna, aby zapobiec wysychaniu próbek podczas procesu skanowania.

Po potwierdzeniu kalibracji urządzenia do mikro-CT, wyrównaj linię środkową oprawy sample z przybliżoną linią środkową mikro-CT, aby upewnić się, że próbki znajdują się w polu view, a ich długie osie mają orientację w przybliżeniu pokrywającą się z kierunkiem osiowym wynikowych obrazów. Następnie ustaw parametry skanowania systemu mikro-CT, ustawiając energię lub intensywność na szczyt 55 kilonapięć, prąd na 145 mikroamperów, rozmiar woksela izotropowego na 10,5 mikrometra i czas integracji na 300 milisekund. Następnie przeprowadź wizualne oględziny obrazów zwiadowczych w różnych widokach, aby pokryć całą objętość wszystkich próbek kalusa.

Rozpocznij akwizycję skanowania, a po zakończeniu przekonwertuj obrazy na stos DICOM, aby zaimportować je do oprogramowania analitycznego. Aby rozpocząć przycinanie obrazu, wybieraj jedną próbkę na raz i przycinaj każdy stos obrazów, upewniając się, że cała próbka jest uwzględniona w przyciętym woluminie. Zapisz przycięty obraz, klikając kartę Plik w lewym górnym rogu ekranu, wybierając pozycję Zapisz projekt jako, a następnie wybierając pozycję Minimalizuj rozmiar projektu.

Aby odszumić obraz, kliknij kartę Plik i wybierz obraz do przetworzenia za pomocą polecenia Otwórz dane, co spowoduje otwarcie obrazu w oknie Project View w lewym górnym rogu ekranu. Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wybrać Przetwarzanie obrazu, a następnie Filtruj piaskownicę, a następnie kliknij Utwórz. W oknie Właściwości w lewym dolnym rogu ekranu wybierz Dane jako typ podglądu.

Wybierz typ filtra z menu rozwijanego obok opcji Filtr i wybierz opcję 3D do interpretacji. Zachowując Rozdzielny jako typ jądra w menu rozwijanym, wypełnij wartości odchylenia standardowego i współczynnika wielkości jądra w dostępnym pustym polu. Następnie wybierz opcję Takie same jak dane wejściowe z menu rozwijanego obok danych wyjściowych.

I na koniec kliknij Zastosuj. W przypadku nieprawidłowo wyrównanych próbek użytkownik może wykonać ponowne wyrównanie obrazu, tworząc renderowany obraz próbki w 3D, wybierając przefiltrowany, przycięty obraz w oknie Widok projektu. Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wybrać Wyświetlanie, a następnie Renderowanie woluminów z menu rozwijanego.

Następnie kliknij przycisk Utwórz, aby wizualnie sprawdzić obraz renderowany w 3D w płaszczyźnie strzałkowej i czołowej. Następnie ręcznie obróć renderowaną objętość, aby uzyskać dobre wyrównanie w osi podłużnej. Aby zastosować przekształcenie w obróconych obrazach, w oknie Właściwości kliknij Edytor przekształceń.

Następnie przejdź do Transform Editor Manipulator i wybierz Transformer z menu rozwijanego. W razie potrzeby obróć, wyrównaj, a następnie ponownie kliknij Edytor przekształceń, aby zablokować obraz. Następnie, aby utworzyć nowe plasterki obrazu płaszczyzny poprzecznej, ponownie próbkuj przefiltrowany obraz, wybierając go w oknie Widok projektu.

Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wybrać opcję Geometry Transform (Przekształć geometrię), a następnie z menu rozwijanego wybierz opcję Resample Transformed Image (Ponownie próbkuj przekształcony obraz), a następnie kliknij polecenie Create (Utwórz). W oknie Właściwości przejdź do pozycji Dane, a następnie z menu rozwijanego wybierz pozycję Standardowy dla interpolacji, wybierz pozycję Rozszerzony dla trybu i Rozmiar woksela dla zachowania. Wprowadź zero w dostępnym pustym polu dla wartości dopełnienia, a na koniec kliknij przycisk Zastosuj.

Aby określić objętość zainteresowania, przejdź przez poprzeczne wycinki obrazu, zidentyfikuj płaszczyznę środkową kalusa złamania i zdefiniuj ją na podstawie bliższej i dalszej soczewki kalusa. Jeśli końce kalusa są trudne do określenia, zdefiniuj objętość na podstawie znormalizowanej odległości od płaszczyzny środkowej kalusa. Aby podzielić zewnętrzną granicę kalusa po ponownym złożeniu przekształconych obrazów, kliknij kartę Segmentacja w drugim wierszu kart od góry ekranu.

W oknie edytora segmentacji wybierz przekształcony obraz z menu rozwijanego obok obrazu. W oknie MATERIAŁY kliknij dwukrotnie przycisk Dodaj. W ten sposób pojawią się dwie karty o nazwach Materiał3 i Materiał4.

Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby zmienić nazwę Materiał3 na kalus i Materiał4 na kość korową. Następnie w oknie WYBÓR kliknij ikonę lassa. Z wyświetlonych opcji wybierz opcję Odręczny dla trybu 2D, Wewnątrz dla trybu 3D oraz opcje Automatyczne obrysowywanie i Śledź krawędzie.

Następnie użyj lassa, aby zaznaczyć zewnętrzną granicę kalusa. Powtórz kroki konturowania z plasterkami próbkowanymi w całej objętości zainteresowania, a wycinki mogą być oddalone od siebie, na przykład o 20 plasterków. Aby utworzyć kompletną etykietę kalusa, w oknie MATERIAŁY wybierz plik kalusa, kliknij kartę Wybór w górnej części ekranu, a następnie z menu rozwijanego wybierz opcję Interpoluj.

Następnie w oknie Wybór kliknij znak plus. Następnie podziel kość korową na segmenty, w tym jamę szpikową. Następnie interpoluj wyprofilowaną powierzchnię kory okostnej, aby utworzyć etykietę kości korowej, tak jak to miało miejsce wcześniej dla modzela.

Aby obliczyć objętość konturową kalusa i średnią wartość szarości, kliknij kartę Segmentacja w górnym wierszu ekranu i wybierz Statystyka materiału z menu rozwijanego, aby wygenerować tabelę obliczonych wartości. Należy pamiętać, że wartości kości korowej i kalusa są podawane oddzielnie po odjęciu kości korowej. Wyeksportuj wygenerowaną tabelę i zapisz dane, klikając przycisk Eksportuj do obszaru roboczego.

Aby przekonwertować jednostki skali szarości na gęstość mineralną kości, przytnij obraz 3D 4,5-milimetrowego fantomu HA z całego obrazu i kliknij opcję Segmentacja. Aby narysować okręgi na pierwszym i ostatnim plasterku, w oknie MATERIAŁY kliknij przycisk Dodaj cztery razy. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy, aby zmienić nazwy Materiał3, 4, 5 i 6 odpowiednio na Fantom1, 2, 3 i 4.

Następnie wybierz opcję Phantom1. Kliknij ikonę pędzla w oknie Wybór i użyj suwaka, aby dostosować rozmiar pędzla tak, aby rozmiar okręgu był mniejszy niż rozmiar fantomu. Aby utworzyć wolumin dla każdego cylindra HA, zastosuj interpolację, wybierając Phantom1 w oknie MATERIALS, klikając kartę Selection (Zaznaczenie) w górnym wierszu ekranu i wybierając opcję Interpoluj z menu rozwijanego.

Następnie w oknie WYBÓR kliknij znak plus. Powtórz ten proces z pozostałymi butlami HA. Użyj wygenerowanych etykiet 3D, aby obliczyć średnie wartości szarości dla czterech analizowanych cylindrów HA.

Wykreślić średnie wartości graju i odpowiadające im wartości gęstości mineralnej kości (BMD) dostarczone przez producenta fantomu. Wygeneruj równanie korelacji między BMD a wartościami szarości za pomocą regresji liniowej. Aby podzielić zmineralizowany kalus na segmenty, kliknij przycisk Dodaj w oknie MATERIAŁY.

Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy, aby zmienić nazwę nowego materiału na zmineralizowany kalus. Następnie wybierz Callus w oknie MATERIALS, a następnie kliknij Select. Następnie kliknij przycisk Próg w oknie WYBÓR.

Wybierz dolną wartość i zastosuj obliczony próg z fantomu HA w maskowaniu progu. Następnie kliknij Wybierz tylko bieżący materiał w oknie WYBÓR, a następnie kliknij Wybierz zamaskowane woksele. Następnie w oknie MATERIAŁY wybieramy kalus mineralizowany i klikamy znak plus w oknie WYBÓR.

Na koniec kliknij 3D kalusa zmineralizowanego w oknie MATERIAŁY. Obrazy mikro-CT analizowane w trzech punktach czasowych wykazały znaczne tworzenie się zmineralizowanego kalusa w 14 dniu. Stopniowy wzrost objętości frakcji kostnej i gęstości mineralnej kości obserwowano w miarę gojenia postępującego od 14 dnia do 21 i 28 dnia, co było zgodne z kostnym mostkowaniem szczeliny złamania.

Zgodnie z oczekiwaniami, kalus uległ resorpcji lub przebudowie między 21 a 28 dniem, o czym świadczy spadek całkowitej objętości kalusa. Mostkowanie kory kalusa było bardziej widoczne w 28 dniu niż w jakimkolwiek poprzednim punkcie czasowym. W przypadku złożonych pęknięć zalecamy dokładne przejrzenie wynikowej półautomatycznej segmentacji poprzez przewijanie wszystkich wycinków obrazu, czasami w różnych płaszczyznach, i dostosowywanie konturów w razie potrzeby.

Po dokładnej segmentacji kalusa złamania, parametry wyniku, oprócz tych zgłoszonych w tym protokole, można obliczyć za pomocą dodatkowych skryptów. Należą do nich na przykład momenty bezwładności i gęstość połączeń.