Микро-КТ является очень распространенным подходом для количественной оценки 3D-морфологии и качества кости. Несмотря на то, что протоколы анализа достаточно известны для характеристики интактной кортикальной и трабекулярной кости, существует меньше консенсуса по поводу протокола анализа заживления переломов. Этот метод включает в себя неинвазивную визуализацию и точный, откалиброванный 3D-анализ с использованием хорошего баланса ручных и автоматизированных методов.
Он также использует сложную и гибкую программную среду. Демонстрировать процедуру будет Хвабок Ви, научный сотрудник моей лаборатории. Для начала возьмите специально разработанное 3D-печатное устройство для сканирования или аналогичное, которое включает в себя миниатюрный фантом гидроксиапатита для калибровки минеральной плотности костной ткани.
Поместите до шести образцов длинных костей в приспособление для одновременного сканирования нескольких образцов. Поместите подготовленное приспособление в шприц или коническую пробирку, аналогичную диаметру поля зрения сканирования. Наполните шприц консервантом, например, физиологическим раствором, чтобы предотвратить высыхание образцов в процессе сканирования.
После подтверждения калибровки аппарата микро-КТ совместите центральную линию прибора с приблизительной центральной линией микро-КТ, чтобы убедиться, что образцы находятся в поле зрения, а их длинные оси имеют ориентацию, приблизительно совпадающую с осевым направлением полученных изображений. Затем установите параметры сканирования системы микро-КТ, установив энергию или интенсивность на пиковое напряжение 55 кило, ток на 145 микроампер, размер изотропного вокселя на 10,5 микрометров и время интегрирования на 300 миллисекунд. Затем визуально осмотрите изображения разведчика в разных ракурсах, чтобы охватить весь объем всех образцов мозолей.
Запустите сканирование и после завершения преобразуйте изображения в стек DICOM, чтобы импортировать их в аналитическое программное обеспечение. Чтобы начать с обрезки изображений, выберите по одному образцу за раз и обрежьте каждую стопку изображений, убедившись, что весь образец включен в обрезанный том. Сохраните обрезанное изображение, щелкнув вкладку «Файл» в левой верхней части экрана, выбрав «Сохранить проект как», а затем «Свернуть размер проекта».
Чтобы удалить шум на изображении, перейдите на вкладку «Файл» и выберите изображение для обработки с помощью «Открытых данных», после чего изображение откроется в окне «Вид проекта» в левом верхнем углу экрана. Щелкните правой кнопкой мыши, чтобы выбрать «Обработка изображений», затем «Песочница фильтров», а затем нажмите кнопку «Создать». В окне «Свойства» в левом нижнем углу экрана выберите «Данные» в качестве типа предварительного просмотра.
Выберите тип фильтра в раскрывающемся меню рядом с пунктом Фильтр и выберите 3D для интерпретации. Оставив Separable в качестве типа ядра в выпадающем меню, заполните значения стандартного отклонения и коэффициента размера ядра в доступном пустом поле. Затем выберите То же, что и входные данные в раскрывающемся меню рядом с выходными данными.
И, наконец, нажмите Применить. Для невыровненных образцов пользователь может выполнить выравнивание изображения, создав 3D-изображение образца, выбрав отфильтрованное, обрезанное изображение в окне «Вид проекта». Щелкните правой кнопкой мыши, чтобы выбрать «Дисплей», а затем «Объемный рендеринг» в раскрывающемся меню.
Затем нажмите кнопку Создать, чтобы визуально проверить 3D-изображение в сагиттальной и фронтальной плоскостях. Затем вручную поверните визуализированный объем, чтобы получить хорошее выравнивание по продольной оси. Чтобы применить преобразование к повернутым изображениям, в окне «Свойства» нажмите кнопку «Редактор преобразований».
Затем перейдите в Transform Editor Manipulator и выберите Transformer из выпадающего меню. При необходимости поверните, выровняйте, а затем снова нажмите редактор преобразований, чтобы заблокировать изображение. Далее, чтобы создать новые фрагменты изображения в поперечной плоскости, измените разрешение отфильтрованного изображения, выбрав изображение в окне "Вид проекта".
Щелкните правой кнопкой мыши, чтобы выбрать "Преобразование геометрии", затем "Изменить разрешение трансформированного изображения" в раскрывающемся меню, а затем нажмите кнопку "Создать". В окне «Свойства» перейдите в раздел «Данные» и в раскрывающемся меню выберите «Стандартный» для интерполяции, выберите «Расширенный» для режима и «Размер воксела» для сохранения. Введите ноль в доступное пустое поле для значения отступа и, наконец, нажмите кнопку Применить.
Чтобы определить интересующий объем, пройдитесь по поперечным срезам изображения, определите центральную плоскость мозоли перелома и определите ее на основе проксимальной и дистальной линзы мозоли. Если концы каллуса трудно задать, определите объем на основе стандартизированного расстояния от центральной плоскости каллуса. Чтобы сегментировать внешнюю границу мозоли после повторной сборки преобразованных изображений, перейдите на вкладку Сегментация во второй строке вкладки сверху экрана.
В окне редактора сегментации выберите трансформированное изображение из выпадающего меню рядом с изображением. В окне МАТЕРИАЛЫ дважды щелкните кнопку Добавить. При этом появятся две вкладки с именами Material3 и Material4.
Щелкните правой кнопкой мыши, чтобы переименовать Material3 в callus и Material4 в Cortical кость. Далее в окне SELECTION нажмите на иконку лассо. В появившихся параметрах выберите «Произвольная схема» для 2D-режима, «Внутри» для 3D-режима, а также «Автотрассировка» и «Трассировка ребер».
Затем с помощью лассо обозначьте внешнюю границу мозоли. Повторите этапы контурирования с фрагментами, выбранными по интересующему объему, и срезы могут быть разделены, например, на 20 срезов. Чтобы создать полную каллусную метку, в окне МАТЕРИАЛЫ выберите каллусный файл, перейдите на вкладку Выделение в верхней части экрана и выберите Интерполировать в раскрывающемся меню.
Затем в окне «Выбор» нажмите на плюсик. Далее сегментируют кортикальную кость, включая костномозговую полость. Затем интерполируют контурированную поверхность периостальной коры, чтобы создать метку кортикальной кости, как это было сделано ранее для мозоли.
Чтобы рассчитать контурный объем каллуса и среднее значение серого, перейдите на вкладку «Сегментация» в верхней строке экрана и выберите «Статистика материала» в раскрывающемся меню, чтобы создать таблицу рассчитанных значений. Обратите внимание, что значения кортикальной кости и костной мозоли предоставляются отдельно после вычитания кортикальной кости. Экспортируйте созданную таблицу и сохраните данные, нажав кнопку Экспорт в рабочую область.
Чтобы преобразовать единицы оттенков серого в минеральную плотность костной ткани, обрежьте 3D-изображение 4,5-миллиметрового фантома HA из всего изображения и нажмите кнопку «Сегментация». Чтобы нарисовать круги на первом и последнем срезах, в окне МАТЕРИАЛЫ нажмите кнопку Добавить четыре раза. Затем щелкните правой кнопкой мыши, чтобы переименовать Material3, 4, 5 и 6 в Phantom1, 2, 3 и 4 соответственно.
Затем выберите Phantom1. Щёлкните по значку кисти в окне «Выделение» и с помощью ползунка отрегулируйте размер кисти таким образом, чтобы размер круга был меньше, чем у фантома. Чтобы создать объем для каждого цилиндра HA, примените интерполяцию, выбрав Phantom1 в окне MATERIALS, щелкнув вкладку Selection в верхней строке экрана и выбрав Interpolate в раскрывающемся меню.
Затем в окне ВЫДЕЛЕНИЕ щелкните значок плюса. Повторите этот процесс с оставшимися цилиндрами HA. Используйте сгенерированные 3D-метки для вычисления средних значений серого для четырех анализируемых цилиндров HA.
Постройте график средних значений серого цвета и соответствующих значений минеральной плотности костной ткани (МПК), предоставленных фантомным производителем. Постройте уравнение корреляции между МПК и значениями серого с помощью линейной регрессии. Чтобы сегментировать минерализованную каллус, нажмите кнопку Добавить в окне МАТЕРИАЛЫ.
Затем щелкните правой кнопкой мыши, чтобы переименовать новый материал в каллус минерализованный. Затем выберите Callus в окне MATERIALS, а затем нажмите кнопку Select. Затем нажмите кнопку «Порог» в окне «ВЫДЕЛЕНИЕ».
Выберите нижнее значение и примените вычисленное пороговое значение из фантома высокой доступности в маскировке порога. Затем нажмите кнопку Выбрать только текущий материал в окне ВЫДЕЛЕНИЕ, после чего нажмите кнопку Выбрать замаскированные вокселы. Затем выберите каллус минерализованный в окне МАТЕРИАЛЫ и нажмите на плюсик в окне ВЫДЕЛЕНИЕ.
Наконец, щёлкните по 3D каллусной минерализации в окне МАТЕРИАЛЫ. Микро-КТ-изображения, проанализированные в трех временных точках, показали существенное образование минерализованной каллус на 14-е сутки. Постепенное увеличение объема костной фракции и минеральной плотности костной ткани наблюдалось по мере заживления с 14-го по 21-й и 28-й дни, что согласуется с костным перекрытием разрыва перелома.
Как и ожидалось, в период с 21 по 28 день каллус подвергся резорбции или ремоделированию, о чем свидетельствует снижение общего объема каллуса. Кортикальный мостовик мозоли был более заметен на 28-й день, чем в любой предшествующий момент времени. Для сложных изломов мы рекомендуем внимательно просмотреть полученную полуавтоматическую сегментацию, прокрутив все срезы изображения, иногда в разных плоскостях, и при необходимости скорректировав контуры.
После того, как костная мозоль перелома точно сегментирована, параметры исхода, в дополнение к тем, которые указаны в этом протоколе, могут быть рассчитаны с помощью дополнительных скриптов. К ним относятся, например, моменты инерции и плотность связности.
