Внешняя граница помогал сегментации и количественная оценка трабекулярной кости плагинов Imagej

Резюме

Мы представляем рабочий процесс для сегментации и количественного определения трабекулярной кости для 2D и 3D изображений, основанный на внешней границе кости с помощью плагинов ImageJ. Этот подход является более эффективным и точным, чем нынешний подход ручной контурной обработки рук и обеспечивает количественной слой за слоем, которые не доступны в текущем коммерческого программного обеспечения.

Аннотация

Микро Компьютерная томография (микро CT) обычно используется для оценки количества кости и трабекулярной микроструктурных свойства в условиях различных костной потери мелких животных. Однако стандартный подход к трабекулярной анализ микро КТ изображений является срез, ломтик полуавтоматический рука-Контурная пластика, трудоемким и подвержены ошибкам. Описанные здесь является эффективным методом для автоматической сегментации трабекулярной кости согласно кости внешние границы, где трабекулярной кости могут быть определены и сегментированных автоматически с точностью с уклоном менее оператора при необходимости задаются параметры сегментации. Для профилирования параметры удовлетворительного сегментации, отображается стек изображений результатов сегментации, где все возможные комбинации параметров сегментации по одному, измененные в последовательности, и результаты сегментации с связанные параметры можно легко быть визуально проверены. Как функция контроля качества плагина моделируемых стандартных объектов являются количественно, где измеренных величин можно сравнить с теоретического значения. Количественная оценка слой за слоем трабекулярной свойств и трабекулярной толщины сообщается такой плагин, и распределения таких свойств в отдельных регионах можно профилировать легко. Хотя слой за слоем количественной сохраняет дополнительные сведения о трабекулярной кости и облегчает дальнейшее статистического анализа структурных изменений, такие меры являются недоступными из выходных данных текущего коммерческого программного обеспечения, где только один сообщается, что количественные значения для каждого параметра для каждого образца. Таким образом описанные процессы являются более совершенных подходов для анализа трабекулярной кости с точностью и эффективностью.

Введение

Анализ микро-CT трабекулярной кости-это стандартный подход для отслеживания морфологические изменения костей в мелких животных под различными костной потери условия^1,2,3, где несколько переменных, относящиеся к структуры костей, сообщил⁴. Однако такие параметры не распределяются равномерно в метафизе длинных костей⁵, и только сводные или усредненное значение сообщает для каждой структурной переменной каждого образца текущих коммерческих машин микро CT^6,7 , хотя одно значение не может представлять полностью характеристик измеряемого параметра в регионе анализа. Слой за слоем количественная оценка трабекулярной кости не только сохраняет больше информации для каждой переменной, но также включает профилирование распределения таких переменных в регионе, анализа, содействия последующим статистический анализ структурных изменения в различных условиях⁵. Таким образом цель данного метода является количественная трабекулярной кости микро-КТ на каждом уровне фрагмент, который не доступен в любом пакете анализа микро CT в настоящее время.

Эффективно сегмент трабекулярной кости срез по-фрагмент методы автоматической сегментации являются желательными. Однако, текущий стандарт техника для микро CT анализ основывается на ручной интерактивный контурной следуют полуавтоматический интерполяции для разделения трабекулярной кости от корковых отсеков, который является трудоемким, подверженной ошибкам, и связанные с существенной оператор смещения^8,9,10. ^11,методы автоматической сегментации¹² сообщалось, однако такие методы являются оптимальными только в регионах с хорошее разделение между трабекулярной кости и трубчатых костей, но не в регионах без четких цветоделения. Кроме того различные сегментации параметры требуются для¹²различных образцов, и это утомительно, чтобы вручную выбрать удовлетворительного сегментации параметры, применимые к группам образцов костей, пробуя различные комбинации параметров¹², Несмотря на то, что процесс сегментации является автоматическим, когда все соответствующие параметры. Как кость внешняя граница имеет наибольший контраст с сканирования фоном и метафизарных корковых снарядов длинных костей показать несколько изменений в выбранном анализ региона, методы сегментации по внешней границы контура длинных костей может надежно и точно отделите трабекулярной кости от корковых снарядов. Преимуществом такого метода сегментации, что сегментация основан на разнице между фоном и внешние границы костей, а не на различия между трабекулярной и кортикальной кости^{6,12, 13}, поэтому он обычно легко найти комбинацию параметров сегментации, удовлетворительного для группы образцов костей, содействия более надежный анализ трабекулярной изменений между различными группами.

На каждый ломтик уровня, площадь, периметр и двухмерные (2D) толщина сообщается для 2D анализа, в то время как объем, поверхности и трехмерные (3D) толщина сообщается в 3D количественной. Такая информация обычно не сообщает текущее инструменты анализа изображения, указав, что сообщил процедуры могут применяться общие изображения, где требуется такая информация.

протокол

Процедуры с участием животных темы были проведены в соответствии с руководство по уходу и использованию лабораторных животных (низ издание, 8-е издание, 2011) и были рассмотрели и утвердили институциональный уход животных и использование Комитета Ухань Университет.

1. Установка программного обеспечения

1. Установите программное обеспечение ImageJ. Скачайте Windows версии программного обеспечения ImageJ (версия 1.51 p), в комплекте с 64-разрядной версии Java от https://imagej.nih.gov/ij/. Извлечение загруженного программного обеспечения в папку, которая будет впоследствии называться «ImageJ справочник».
   Примечание: Трабекулярной анализ плагинов требуется 64-разрядную версию java запуска время (версия 1.8) и 64-разрядной версии windows операционной системы, предпочтительно 64-разрядной операционной системы Windows 7.
2. Установите трабекулярной анализ плагинов. Запрос трабекулярной анализ плагинов из http://www.bomomics.com и распакуйте содержимое в директорию плагинов ImageJ, который является «ImageJ каталог/plugins».
   Примечание: Плагин можно получить в качестве бесплатной версии, где измерений для 5 указано что прилегающих фрагментов, как сообщается, или коммерческой версии, где широкий спектр фрагменты могут быть указаны и измерить.

2. Подготовьте 3D Dataset для трабекулярной анализа

1. Сканирования крысы бедра с микро КТ машина следующее сканирование протокол⁵ стандарта и затем сохранить данные в формате, который может быть импортирован в ImageJ, например, формат tiff. Если несколько образцов костей были просмотрены одновременно в одном образце трубку, сначала импортировать данные в ImageJ и затем отделить каждую отдельную кость, обрезки от других образцов с помощью обработки инструментов ImageJ изображений. Впоследствии Сохраните полученное изображение в формате, который может быть импортирован в ImageJ позже.
   Примечание: Файл образа репрезентативной выборки, используемых в анализе включен (1 дополнительный файл).
2. Имитировать стандартные 2D и 3D объектов.
   1. Откройте ImageJ программного обеспечения. Под плагинов | BoMomics | Имитации объектов меню, нажмите кнопку « круг » и введите 200 как диаметр во всплывающем окне, затем нажмите кнопку OK для создания искусственной круг диаметром 200 пикселей (рис. 3B). Сохраните созданный круг в формате tiff.
   2. Откройте ImageJ программного обеспечения. Под плагинов | BoMomics | Имитации объектов меню, нажмите площади и введите 200 как длина стороны во всплывающем окне, затем нажмите кнопку OK для создания искусственной квадрат с бортовой длиной 200 пикселей (рис. 3B). Сохраните созданный площади в формате tiff.
   3. Откройте ImageJ программного обеспечения. Под плагинов | BoMomics | Имитации объектов меню, нажмите кнопку прямоугольник и введите 200 в ширину и 100 как высота во всплывающем окне, а затем нажмите кнопку OK для создания имитации прямоугольник с шириной 200 пикселей и высоту 100 пикселей (рис. 3 B). Сохраните созданный прямоугольник в формате tiff.
      Примечание: Круг (диаметр: 200 пикселей), квадрат (длина стороны: 200 пикселей) и прямоугольник (ширина: 200 пикселей, высота: 100 пикселей) сохраняются для последующего анализа.
   4. Откройте ImageJ программного обеспечения. Под плагинов | BoMomics | Имитации объектов меню, нажмите кнопку куб и введите 30 как длина стороны во всплывающем окне, затем нажмите кнопку OK для создания искусственной куб. Наконец, нажмите кнопку плагины | 3D | Объем просмотра для просмотра созданного куба и сохраните его в формате tiff (рис. 3C).
   5. Откройте ImageJ программного обеспечения. Под плагинов | BoMomics | Имитации объектов меню, кубовидной и введите 80, как длина, 40 как ширину и 30 в высоту в всплывающем окне, нажмите кнопку нажмите кнопку OK для создания имитации кубом. Наконец, нажмите кнопку плагины | 3D | Объем просмотра для просмотра созданного кубовидной и сохранить его в формате tiff (рис. 3C).
   6. Откройте ImageJ программного обеспечения. Под плагинов | BoMomics | Имитации объектов меню, области и введите 30 как диаметр во всплывающем окне, нажмите кнопку нажмите кнопку OK для создания моделируемой области. Наконец, нажмите кнопку плагины | 3D | Объем просмотра для просмотра созданного сферы и сохранить его в формате tiff (рис. 3C).
   7. Откройте ImageJ программного обеспечения. Под плагинов | BoMomics | Имитации объектов меню, нажмите кнопку цилиндра и введите 30 диаметр и 100 как высота во всплывающем окне, затем нажмите OK для создания искусственной цилиндра. Наконец, нажмите кнопку плагины | 3D | Объем просмотра для просмотра созданного цилиндра и сохранить его в формате tiff (рис. 3C).
      Примечание: Сфера (диаметр: 30 пикселей), Куба (длина стороны: 30 пикселей), кубовидной (длина: 80 пикселей; ширина: 40 пикселей; высота: 30 пикселей) и цилиндр (диаметр: 30 пикселов; высота: 100 пикселей) сохраняются для последующего анализа.

3. Анализ параметров профилирования

1. Откройте ImageJ программное обеспечение и открыть или импортировать отсканированное изображение.
2. Слайд полосы прокрутки внизу выбрать один срез, а затем нажмите изображения | Отрегулируйте | Порог кнопку. В всплывающем окне порог настройте минимальные и максимальные пороговые значения, ручной проверки, чтобы обеспечить, что кости хорошо отделены от фона и запишите минимальное пороговое значение как значение порога кортикальной кости.
   Примечание: Как различные микро CT производители используют разные коэффициенты масштабирования для хранения коэффициенты ослабления рентгеновского изображения, фактический пороговое значение должно определяться эмпирически либо ручной проверки или после определенного производителя рекомендации. В нашей практике установив минимальный порог для ISQ файлов, созданных микро CT машин до 6000-7000 можно надежно отделить кости от сканирующий фона.
3. Нажмите плагины | BoMomics | Trab Param профилирования кнопку. Во всплывающем окне, установите Индекс среза на должность представителя фрагмента и задать кортикальной кости («Cort кости»), («диапазон») и шаг («шаг») значения для вычисления набора корковых порогов для профилирования параметры сегментации, где значение порога кортикальной кости приобретается за шагом 3.2 (рис. 1). Значения по умолчанию диапазон и шаг 2 000 и 400 работы для большинства микро КТ изображений. Задать Срез индекс 5 для примера набора данных и сохранить значения по умолчанию для других параметров.
   Примечание: «Cort кости» является порог для трубчатых костей и пороговое значение используется для изменения параметров профилирования от низкого порогового значения для высоких пороговое значение с шагом значение шага, где наименьшее значение порогового значение Cort Кости - круг и наибольшее значение порога является Cort кость + диапазон. Если задать значения для Cort кости, диапазон и шаг 6000, 1000 и 500, соответственно, то наименьшее значение порога для трубчатых костей — 6000-1, 000 = 5, 000, высоким пороговое значение равно 6, 000 + 1, 000 = 7, 000, и пороговые значения используемых в анализы являются 5000, 5500, 6000, 6500 и 7000.
4. Задать диаметр шума («шум Dia.»), шаг («шаг») и диапазон значений («диапазон») для указания набора значений шума в анализов, диаметр отверстия («отверстие диаметром»), шаг («шаг») и значения диапазона («диапазон»), для расчета набора значений отверстие. В общем по умолчанию работает для большинства образцов микро КТ костей, где шум, шаг и диапазон 5, 5, 2, соответственно, и диаметр отверстия, шаг и являются 15, 5, 2, соответственно. Оставьте параметры по умолчанию для примера набора данных.
   Примечание: «Шум Dia.» диаметр фильтр подавления шума, и «Отверстие диаметром» диаметр отверстий в пределах корковой косточках. Шум и отверстие значения, используемые для параметров профилирования может рассчитываться аналогично корковых пороговые значения, описанные выше, используя указанный уровень шума/отверстие, диапазон и значения шага. Вследствие изменений в параметры сканирования при получении изображений шум и отверстие параметры должны определяться эмпирически согласно качество изображения, как нет общего диапазоны параметров шума и отверстие хороши для всех проверок. Минимальное значение порога, шум или отверстия должны быть больше или равно 0, и если вычисляемый наименьшее значение является отрицательным, с использованием предоставленных параметров, определенных наименьшее значение равным 0.
5. Нажмите OK , чтобы выполнить профилирование параметр. Визуально проверить сегментации результаты в окне Результаты профилирования параметр и выберите фрагмент слой так, что внешняя граница кости изложена довольно точно (рис. 1Б). Впоследствии получите профилирования параметры из записи в таблице Результатов профилирования параметр , соответствующий слой выбранного фрагмента (Таблица 1).

4. Трабекулярная анализ

1. Сегментация трабекулярной кости
   1. Откройте ImageJ программного обеспечения, а затем открыть или импортировать отсканированное изображение.
   2. Нажмите плагины | BoMomics | Trab сегментации кнопку и заполнить соответствующие параметры. Набор «Старт», «Наброски граница», «Trab. Кости», «Шум снижение Dia.», «Отверстие наполнения Dia.» и «Корковой толщины Dia.» 5, 7200, 7000, 6, 12 и 25, соответственно.
      Примечание: «старт» и «Конец» укажите диапазон выбранного фрагмента для сегментации трабекулярной кости, «Наброски граница» соответствует параметру профилированных «Cort кости», «Шум снижение Dia.» до «Шум диам.» Параметр и «Отверстие наполнения Dia.» параметру «Отверстие диаметром». «Корковая толщина диаметр» является указанной толщины для исключения внешних трубчатых костей. «Trab. Bones» — это порог для извлечения трабекулярной кости (рис. 2), где параметры определяются с помощью профилирования анализ параметров команды, как описано в шаге 3.5.
   3. Нажмите кнопку OK , чтобы выполнить трабекулярной сегментации. Визуально проверьте результаты сегментации в окне Результатов сегментации Trab (рис. 2B). Сохраните извлеченные трабекулярной кости, отображаются в окне Сегментирована трабекулярной кости в формате tiff (рис. 2B), которые далее могут быть проанализированы по другим программным обеспечением.
2. Анализ трабекулярной кости.
   1. Откройте ImageJ программного обеспечения, а затем открыть или импортировать отсканированное изображение.
   2. Нажмите плагины | BoMomics | Анализ Trab кнопку и заполнить соответствующий анализ параметров, таких как «Старт», «Наброски граница», «Trab. Как описано в разделе Шаг 3.5 кости», «Шум снижение диам.», «Отверстие наполнения Dia.» и «Корковая толщина Dia.» как описано выше (рис. 3А), где определяются параметры с помощью команду Параметры профилирования анализа. Набор «Старт», «Наброски граница», «Trab. Кости», «Шум снижение Dia.», «Отверстие наполнения Dia.» и «Корковой толщины Dia.» 5, 7200, 7000, 6, 12 и 25, соответственно.
      Примечание: В бесплатной версии плагина, выбраны пять прилегающих фрагментов, начиная с указанного индекса фрагмента «Старт» для измерения, в то время как в коммерческой версии, произвольное количество фрагментов может быть указано пользователем.
   3. Выберите один или более вариантов в разделе Результаты отчетности для применения параметров быть измерена, где Трабекулярная кость-объем (BV), общий объем (ТВ) выбранного региона, и толщины измеряется либо координате (2D) или трехмерно (3D) доступны для выбора с помощью трех флажков, а именно «BV ТВ только», «2D» и «3D». Установите флажки «2D» и «3D», затем нажмите кнопку «OK» для выполнения трабекулярной анализа (рис. 3, Таблица 2).
      Примечание: Когда «BV ТВ только» установлен, независимо от выбора статусы «2D» и «3D», сырые меры BV, ТВ и интенсивности, как сообщается, и сегментированных трабекулярной кости извлекаются и отображаются в новом окне, которое может быть сохранен и далее анализируются другие программное обеспечение. Когда выбран «2D», сообщается сырье меры BV, ТВ, интенсивности и толщины координате измеряется на каждом уровне фрагмента с помощью модели пластины. Если установлен флажок «3D», трехмерные толщина для каждым вокселом рассчитывается непосредственно без каких-либо модель предположения, затем сырье меры BV, ТВ, интенсивности и трехмерные толщины пробы на каждом уровне ломтик сообщается. Однако если не установлен флажок, трабекулярной кости делятся с использованием выше набора параметров, но не измерения сообщается.

5. Количественная оценка моделируемых объектов

1. Откройте ImageJ программного обеспечения, а затем откройте смоделированные изображения. Здесь откройте имитируемых сфера диаметром 30 пикселей в качестве примера.
2. Выберите плагины | BoMomics | Анализ Trab кнопку и заполнить соответствующий анализ параметров, как описано ранее. Сохранить значения по умолчанию для «Старт», «Конец», «Наброски граница», «Trab. Кости» и «Шум снижение диам.», «Шум снижение диам.», «Отверстие наполнения Dia.» и «Корковой толщины Dia.» 0 (рис. 3).
   Примечание: Для моделируемых объектов шума нет случайного сигнала, и там может быть без соответствующих корковых снарядов. Таким образом, следует должным образом установить параметры для таких значений (параметры по умолчанию, равным нулю). Для 3D количественной 30 ломтиков до и после указанного фрагмента «Старт» обрабатываются с использованием бесплатную версию плагина, в то время как только фрагменты в диапазон, заданный «Старт» и «Конец» фрагменты анализируются в коммерческой версии плагина.
3. В разделе Результаты отчетности выберите «2D» и «3D» для параметров, чтобы измерить и нажмите кнопку OK , чтобы выполнить трабекулярной анализ для моделирования объекта (Таблица 3).

6. Калибровка трабекулярной мер и представления данных: профиль дистрибутивов трабекулярной мер в регионе выбранного анализа

1. Получите информацию калибровки из отсканированных набора данных, согласно инструкциям производителя микро CT.
   Примечание: Только сырые меры BV, ТВ, интенсивности и толщины сообщает плагин. Чтобы получить меры сопоставимых отчетов, генерируемых другого программного обеспечения, желаемого результата тарировки.
2. Откройте Microsoft Excel и в таблице результаты. Рассчитать калиброванные кости объем (BV), общий объем (ТВ), костной содержание минеральных (BMC), объёмная кости (BV/TV) и минеральной плотности костной ткани (BMD) в новый excel столбцы с помощью сообщил необработанные BV, ТВ и интенсивности значения согласно следующие выражения.
3. Примечание: Сканирование резолюцию (резолюция, мкм), серый масштабирования (масштабирование), единицы плотности (мг HA/см³), плотность склона (склон) и плотности перехвата (перехват) могут быть извлечены из отсканированных микро CT изображения или мета файлов, таких как Scanco ISQ файл. Таким образом калиброванный меры вычисляются следующим образом:
   Предположим, что BV, ТВ и интенсивности сырье меры, BV_c и TV_c калиброванного значения резолюции, масштабирование, наклон, перехват образы от файлы калибровки микро - CT.
   BV_c = BV × резолюции³ [³мкм]
   TV_c = TV × резолюции³ [³мкм]
   BV / TV = BV ÷ ТВ
   BMC = (интенсивность ÷ масштабирование × склон - BV × перехвата) резолюции ׳ × 10^-12 [мг HA]
   БМД - BMC ÷ TV_c × 10¹² [мг га / см³]
4. Создание XY (разброс) участок для калиброванных мер (Y) против ломтик слои (X) с помощью программного обеспечения Microsoft Excel (рис. 4).

Результаты

Трабекулярная анализ плагин предназначен для автоматически сегментировать и количественно трабекулярной кости с точностью. Первоначально кость, внешняя граница обнаружены и определены последовали отверстие наполнения операции где любые отверстия в кости наружной...

Обсуждение

Это исследование описывает ImageJ плагин для анализа трабекулярной кости, которые автоматический, эффективный, и удобной для пользователей. Плагин может также использоваться для количественного определения любой 2D или 3D объект слой за слоем мер областей, томов и толщины. В настоящее врем...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
ImageJ	NIH	imagej	Any version with a java 1.8 run time
trabecular analysis plugin	Bomomics	bomomics	free or commercial version
Micro CT scanner	Scanco	μ-50	micro CT from any vendor
Computer System	Lenovo		any brand
Windows Operating System	Microsoft	Windows 7 x64	any 64-bit Windows operating system
Office Software	Microsoft	Office 2010	any speadsheet software that has xy chart function