マイクロCTは、骨の3D形態と質を定量化するための非常に一般的なアプローチです。無傷の皮質骨および骨梁を特徴付けるための分析プロトコルはかなり確立されていますが、骨折治癒を分析するためのプロトコルに関するコンセンサスはあまりありません。この手法には、非侵襲的なイメージングと、手動と自動の手法のバランスのとれた正確なキャリブレーションされた3D分析が含まれます。
また、洗練された柔軟なソフトウェア環境を使用しています。手順を実演するのは、私の研究室の研究員であるファボク・ウィーです。まず、骨塩密度のキャリブレーション用のミニチュアハイドロキシアパタイトファントムを含むカスタム開発の3Dプリントスキャンフィクスチャなどを使用します。
最大6つの長骨サンプルをフィクスチャに入れて、複数のサンプルを同時にスキャンします。準備した固定具を、スキャン視野の直径と同様のシリンジまたは円錐管に入れます。シリンジに生理食塩水などの防腐剤を充填して、スキャンプロセス中にサンプルが乾燥するのを防ぎます。
マイクロCT装置のキャリブレーションを確認した後、サンプルフィクスチャの中心線をマイクロCTのおおよその中心線に合わせ、サンプルが視野内にあり、長軸の向きが結果の画像の軸方向とほぼ一致することを確認します。次に、エネルギーまたは強度を55キロ電圧ピーク、電流を145マイクロアンペア、等方性ボクセルサイズを10.5マイクロメートル、積分時間を300ミリ秒に設定して、マイクロCTシステムのスキャンパラメータを設定します。次に、さまざまなビューでスカウト画像を視覚的に検査して、すべてのカルスサンプルの全体積をカバーします。
スキャン取得を開始し、完了したら、画像をDICOMスタックに変換して解析ソフトウェアにインポートします。画像のトリミングを開始するには、一度に1つのサンプルを選択し、各画像スタックをトリミングして、サンプル全体がトリミングされたボリュームに含まれるようにします。トリミングされた画像を保存するには、画面の左上にある [ファイル] タブをクリックし、[名前を付けてプロジェクトを保存]、[プロジェクト サイズの最小化] の順に選択します。
イメージのノイズを除去するには、[ファイル]タブをクリックし、[オープンデータ]を使用して処理するイメージを選択すると、画面の左上隅にある[プロジェクト ビュー]ウィンドウにイメージが開きます。右クリックして [画像処理]、[フィルター サンドボックス] の順に選択し、[作成] をクリックします。画面の左下隅にある [プロパティ] ウィンドウで、プレビューの種類として [データ] を選択します。
[フィルター]の横にあるドロップダウンメニューからフィルタータイプを選択し、解釈に[3D]を選択します。ドロップダウンメニューのカーネルタイプとして分離可能なままにして、使用可能な空のボックスに標準偏差とカーネルサイズ係数の値を入力します。次に、出力の横にあるドロップダウンメニューから[入力と同じ]を選択します。
そして最後に、[適用]をクリックします。ミスアライメントされたサンプルの場合、ユーザーは、プロジェクトビューウィンドウからフィルタリングされトリミングされた画像を選択して、サンプルの3Dレンダリング画像を作成することにより、画像の再調整を実行できます。右クリックして[表示]を選択し、ドロップダウンメニューから[ボリュームレンダリング]を選択します。
次に、[作成]をクリックして、矢状面と正面面の3Dレンダリング画像を視覚的に確認します。次に、レンダリングされたボリュームを手動で回転させて、縦軸の適切な位置合わせを取得します。回転したイメージに変換を適用するには、[プロパティ] ウィンドウで [変換エディター] をクリックします。
次に、[変換エディタ マニピュレータ]に移動し、ドロップダウン メニューから[トランスフォーマー]を選択します。必要に応じて、回転、再整列してから、変換エディタをもう一度クリックしてイメージをロックします。次に、新しい平面イメージ スライスを作成するには、[プロジェクト ビュー]ウィンドウからイメージを選択して、フィルタされたイメージをリサンプリングします。
右クリックして[ジオメトリ変換]を選択し、ドロップダウンメニューから[変換された画像の再サンプル]を選択して、[作成]をクリックします。[プロパティ] ウィンドウで [データ] に移動し、ドロップダウン メニューから補間用に [標準] を選択し、モードに [拡張] を選択し、保存に [ボクセル サイズ] を選択します。値をパディングするために使用可能な空白のボックスにゼロを入力し、最後に[適用]をクリックします。
対象の体積を定義するには、横方向の画像スライスを調べ、骨折カルスの中心面を特定し、カルスの近位レンズと遠位レンズに基づいて定義します。カルスの端部を指定するのが難しい場合は、カルスの中心面から離れた標準化された距離に基づいて体積を定義します。変換された画像の再アセンブリ後にカルスの外側の境界をセグメント化するには、画面上から 2 番目のタブ行にある [セグメンテーション] タブをクリックします。
セグメンテーションエディタウィンドウで、画像の横にあるドロップダウンメニューから変換された画像を選択します。[マテリアル]ウィンドウで、[追加]をダブルクリックします。これにより、マテリアル 3 とマテリアル 4 という名前の 2 つのタブが表示されます。
右クリックして、マテリアル 3 の名前をカルスに、マテリアル 4 の名前を皮質ボーンに変更します。次に、[選択]ウィンドウで、なげなわアイコンをクリックします。表示されるオプションから、2D モードの場合はフリーハンド、3D モードの場合は [内側] を選択し、オプションの場合は [自動トレース] と [エッジのトレース] の両方を選択します。
次に、なげなわを使用してカルスの外側の境界をマークします。対象のボリューム全体でサンプリングされたスライスを使用してコンター手順を繰り返します。スライスの間隔を 20 スライスにすることができます。完全なカルスラベルを作成するには、[マテリアル]ウィンドウでカルスファイルを選択し、画面上部の[選択]タブをクリックして、ドロップダウンメニューから[補間]を選択します。
次に、[選択]ウィンドウで、プラス記号をクリックします。次に、髄腔を含む皮質骨をセグメント化します。次に、輪郭のある骨膜皮質表面を補間して、カルスに対して以前に行ったように皮質骨ラベルを作成します。
カルスの輪郭体積と平均グレー値を計算するには、画面の一番上の行にある[セグメンテーション]タブをクリックし、ドロップダウンメニューから[材料統計]を選択して、計算値のテーブルを生成します。皮質骨とカルスの値は、皮質骨を差し引いた後に別々に提供されることに注意してください。生成されたテーブルをエクスポートし、[ワークスペースにエクスポート] をクリックしてデータを保存します。
グレースケール単位を骨塩密度に変換するには、画像全体から4.5ミリメートルHAファントムの3D画像を切り抜き、[セグメンテーション]をクリックします。最初と最後のスライスに円を描画するには、[マテリアル]ウィンドウで[追加]を 4 回クリックします。次に、右クリックして、マテリアル 3、4、5、および 6 の名前をそれぞれ Phantom1、2、3、および 4 に変更します。
次に、Phantom1 を選択します。選択ウィンドウのブラシアイコンをクリックし、スライダーを使用して、円のサイズがファントムのサイズよりも小さくなるようにブラシのサイズを調整します。各 HA シリンダのボリュームを作成するには、[MATERIALS] ウィンドウで [Phantom1] を選択し、画面の一番上の行にある [選択] タブをクリックして、ドロップダウン メニューから [補間] を選択して補間を適用します。
次に、[選択] ウィンドウで、プラス記号をクリックします。残りの HA シリンダでこのプロセスを繰り返します。生成された 3D ラベルを使用して、分析された 4 つの HA シリンダの平均グレー値を計算します。
ファントムメーカーから提供された平均グレー値と対応する骨塩密度(BMD)値をプロットします。線形回帰を使用して、BMDとグレー値の間の相関式を生成します。石灰化カルスをセグメント化するには、[マテリアル]ウィンドウで[追加]をクリックします。
次に、右クリックして、新しい材料の名前を鉱化カルスに変更します。次に、[マテリアル]ウィンドウでカルスを選択し、[選択]をクリックします。次に、[選択]ウィンドウで[しきい値]をクリックします。
小さい方の値を選択し、しきい値マスキングで HA ファントムから計算されたしきい値を適用します。次に、[選択]ウィンドウで[現在のマテリアルのみを選択]をクリックし、[マスクされたボクセルを選択]をクリックします。次に、[材料]ウィンドウで鉱化されたカルスを選択し、[選択]ウィンドウでプラス記号をクリックします。
最後に、マテリアルウィンドウで鉱化されたカルスの3Dをクリックします。3つの時点で分析されたマイクロCT画像は、14日目に石灰化カルスの実質的な形成を示しました。骨画分体積および骨塩密度の漸進的増加は、治癒が14日目から21日目および28日目に進行するにつれて見られ、骨折ギャップの骨の橋渡しと一致した。
予想通り、カルスは21日目から28日目の間に吸収またはリモデリングを受け、総カルス量の減少によって証明されました。カルスの皮質架橋は、それ以前のどの時点よりも28日目に顕著でした。複雑なフラクチャーの場合は、すべての画像スライスをスクロールし、場合によっては異なる平面でスクロールし、必要に応じて輪郭を調整することにより、結果の半自動セグメンテーションを注意深く確認することをお勧めします。
骨折カルスが正確にセグメント化されると、このプロトコルで報告されているものに加えて、追加のスクリプトを使用して結果パラメータを計算できます。これらには、たとえば、慣性モーメントや接続密度が含まれます。
