Роль микро-КТ-визуализации в биомеханических исследованиях твердых тканей

Тестирование материалов и механика разрыва

Микро-КТ часто интегрируется с механическим тестированием для визуализации и количественной оценки прогрессирования повреждений. При сжатии, трехточечном изгибе или торсионном тестировании образцы сканируются до и после загрузки для выявления инициации и распространения микротрещин, трабекулярного выскабливания или коркового отказа. Микро-КТ с замедленным периодом времени, где последовательное сканирование выполняется на повышенных уровнях нагрузки, позволяет исследователям отображать поля деформации с использованием цифровой корреляции объема (DVC). DVC - это мощный метод, который отслеживает смещение признаков изображения между двумя объемными наборами данных, предоставляя карты деформации полного поля с разрешением микрометра. Этот подход использовался для изучения анизотропного деформационного поведения трабекулярной кости, роли цементных линий в корковой костной прочностью и эффекта подхондральных изменений костей при остеоартрите. В сочетании с гистологией или сканирующей электронной микроскопией, микро-КТ обеспечивает недостающее звено между макроскопическим механическим тестированием и лежащими

Продольная оценка терапевтических вмешательств

Одним из наиболее ценных применений микро-КТ является неразрушающая продольная оценка изменений костей в моделях живых животных. Крысы и мыши обычно используются для исследования остеопороза, заживления переломов, метастазов костей и интеграции ортопедических имплантатов. Сканируя одно и то же животное в несколько временных точек, исследователи могут с высокой точностью отслеживать естественную историю заболевания или реакцию на лекарственную терапию. Такие параметры, как объем кости, образование мозолей и остеоинтеграция имплантатов, могут быть количественно оценены в течение недель или месяцев. В типичном исследовании лечения остеопороза бисфосфонатом микро-КТ выявляет увеличение объема и связи трабекулярных костей, которые коррелируют с улучшенными механическими свойствами, измеренными ex vivo в конечной точке исследования. Способность уменьшать количество животных, необходимых для устранения конечных конечных точек, является значительным этическим и статистическим преимуществом.

Имплантационно-костный интерфейс и ортопедические исследования

Металлические имплантаты создают тяжелые луч-уплотнительные и полосатые артефакты на изображениях микро-КТ, но современные алгоритмы, такие как итеративное уменьшение металлического артефакта (MAR), могут восстановить качество изображения вокруг имплантатов в достаточной степени для измерения объема пери-имплантата и контактной области. Исследователи используют микро-КТ для количественной оценки процента контакта кости с имплантатом (BIC), объема кости в нитях имплантата и минеральной плотности ткани прилегающей кости. Эти показатели необходимы для оценки новых покрытий имплантатов, поверхностных топографий и хирургических методов. Например, недавнее исследование, опубликованное в ] Журнал исследований биомедицинских материалов Часть B ] использовала микро-КТ с MAR, чтобы показать, что титановые имплантаты с нанотрубчатой поверхностью улучшили формирование пери-имплантата в модели бедренной кости крыс по сравнению с обработанными поверхностями. Без микро-КТ такая подробная трехмерная количественная оценка была бы невозможна

Исцеление переломов и характеристика Каллуса

Микро-КТ является методом выбора для характеристики пространственной и временной прогрессии заживления переломов в моделях мелких животных. Каллус - смесь тканой кости, хряща и волокнистой ткани - проходит динамические изменения, которые трудно оценить только с помощью двумерной гистологии. С помощью микро-КТ объем, минеральная плотность и форма мозоли могут быть сегментированы и измерены. Кроме того, степень мостика, наличие не-союзов и свойства материала вновь образованной кости могут быть оценены. Некоторые протоколы сочетают микро-КТ с контрастными агентами, такими как фосфотунгстальная кислота или йод, чтобы визуализировать мягкие ткани, такие как хрящ и кровеносные сосуды в мозоли. Этот подход позволяет одновременно оценивать минерализацию и васкуляризацию, которые имеют решающее значение для успешного заживления.

Преимущества и возможности, которые стимулируют принятие исследований

Неразрушающий и трехмерный

Возможно, наиболее важной особенностью микро-КТ является то, что она сохраняет образец неповрежденным. Тот же образец впоследствии может быть использован для механического тестирования, гистологического сечения, биохимического анализа или других деструктивных анализов. Этот последовательный многомасштабный анализ позволяет напрямую соотносить трехмерную структуру и функцию. Кроме того, полная 3D-природа микро-КТ устраняет стереологические предубеждения, присущие 2D-гистоморфометрии, обеспечивая беспристрастные оценки объема, поверхности и связи.

Высокая пропускная способность и автоматизация

Современные настольные микро-КТ-сканеры могут вместить несколько образцов в один скан, выполняемый с использованием моторизованных этапов. Автоматизированные конвейеры анализа изображений, которые применяют определяемые пользователем пороги сегментации, коррекция артефактов и морфометрические расчеты, могут обрабатывать десятки образцов в одночасье. Эта пропускная способность бесценна для крупных доклинических исследований со многими группами животных или для скрининга библиотек биоматериалов. Воспроизводимость автоматизированных протоколов также снижает изменчивость между операторами.

Количественная минеральная плотность тканей

Микро-КТ может обеспечить абсолютные значения минеральной плотности при калибровке фантомами известной плотности (например, гидроксиапатитными стержнями). Это позволяет измерять минеральную плотность тканей (ТМД) на уровне вокселя, выявляя градиенты минерализации, которые возникают во время ремоделирования костей, при остеомаляции или вокруг имплантатов. Изменения в ТМД часто предшествуют обнаруживаемым изменениям объема костей, что делает его чувствительным ранним биомаркером для эффектов заболевания или лечения.

Интеграция с вычислительным моделированием

Данные микро-КТ служат прямым вводом для моделей конечных элементов (FE), которые предсказывают прочность и отказ костей. Модели FE на основе вокселя создаются путем преобразования каждого микро-КТ вокселя в гексаэдральный элемент, присваивая свойства материала на основе местной плотности костей. Этот подход, часто называемый «микро-FE» или «FE с высоким разрешением», может имитировать эластичное и выходное поведение кости в сложных сценариях нагрузки. Сочетание микро-КТ-изображения с микро-FE было использовано для изучения механических последствий остеопороза, эффектов старения на трабекулярную кость и дизайна имплантатов для пациента. Внешний обзор Gross et al. (2020) в Журнал биомеханики описывает лучшие практики для создания и проверки таких моделей.

Продольные и in-Vivo способности

Для визуализации живых животных системы микро-КТ оснащены дыхательными и сердечными глотками для минимизации артефактов движения. Протоколы сканирования низких доз снижают радиационное облучение, позволяя повторять визуализацию через еженедельные интервалы, не влияя на биологию костей. Эта способность произвела революцию в исследованиях адаптации костей к механической нагрузке, неиспользованию и медикаментозному лечению. Микро-КТ in vivo также применялся для мониторинга разрушения костей, вызванных опухолью, в моделях множественной миеломы и метастазирования рака молочной железы.

Проблемы и ограничения

Доза радиации в живых животных

Хотя микро-КТ неразрушающе, она не является полностью неинвазивной для живых субъектов. Кумулятивная доза излучения от повторных сканирований может потенциально изменять активность костных клеток, особенно у мелких грызунов. Исследователи должны тщательно разрабатывать протоколы сканирования, чтобы минимизировать дозу при сохранении адекватного качества изображения. Типичные протоколы для микро-КТ in vivo используют более низкий ток и напряжение трубки в сочетании с меньшим количеством проекций, что приводит к размерам вокселей около 10-20 мкм. Эти компромиссы уменьшают способность обнаруживать очень тонкие структуры, но они приемлемы для большинства продольных исследований.

Beam Hardening и металлические артефакты

Как уже упоминалось, затвердевание луча вызывает недооценку плотности костной ткани в центре толстых образцов и вокруг металлических имплантатов. Пока существуют алгоритмы коррекции, они не идеальны и требуют проверки для каждой экспериментальной установки. Для исследований имплантатов лучше всего вычесть область имплантата из анализа после сегментации, но остаточные артефакты все еще могут влиять на костные воксели на интерфейсе. Новые детекторы подсчета фотонов обещают уменьшить эти артефакты путем энергодискриминации рентгеновского луча, но они еще не распространены на рынке микро-КТ.

Размер выборки и время сканирования

Сканирование с помощью микро-КТ высокого разрешения может занять несколько часов на образец, особенно при использовании очень маленьких вокселей. Это ограничивает пропускную способность и может быть узким местом в крупных исследованиях. Кроме того, размер образца ограничен полем зрения сканера; большие кости, такие как женская половина человека, могут потребовать по частям сканирования и сшивания, что приводит к ошибкам выравнивания. Для неповрежденной мышиной бедренной кости, однако, сканирование 10 мкм может быть завершено менее чем за час на современной системе.

Сегментация и пороговая субъективность

Преобразование изображений микро-КТ серого масштаба в двоичные объемы (кость против не-кости) является критическим шагом, который может значительно повлиять на морфометрические результаты. Глобальные методы порогового анализа предполагают постоянное ослабление костной ткани по образцу, но в действительности минеральная плотность ткани изменяется пространственно. Адаптивное пороговое значение, региональное выращивание и сегментация на основе машинного обучения все чаще используются для повышения точности. Однако эти методы требуют данных обучения и тщательной проверки против гистологии или известных фантомов. Стандартизация таких инициатив, как Американское общество исследований костей и минералов (ASBMR) руководящие принципы для анализа микро-КТ , направлена на снижение этой изменчивости.

Будущие направления и новые технологии

Synchrotron Radiation Micro‑CT

Синхротронные источники обеспечивают монохроматический, сильно коллимированный рентгеновский луч с потоком на порядки выше, чем лабораторные источники. Это позволяет проводить сверхкороткие сканирования (секунды), очень высокое разрешение (до 0,1 мкм) и возможность выполнять эксперименты с временным разрешением, которые захватывают динамические процессы переломов. Фазово-контрастная визуализация, уникально доступная в синхротронах, усиливает краевой контраст в тканях низкой плотности, таких как хрящи, сухожилия и кровеносные сосуды. Основным ограничением является доступ: во всем мире существует только несколько синхротронных средств, и лучевое время является конкурентоспособным.

Dual‑Energy and Spectral Micro‑CT

Двухэнергетический микро-КТ получает изображения на двух разных уровнях рентгеновской энергии, что позволяет разлагать материал. Это может отделять кость от мягких тканей или количественно определять содержание кальция и фосфора отдельно. Спектральный микро-КТ с детекторами подсчета фотонов расширяет этот принцип, регистрируя энергию каждого обнаруженного фотона, позволяя проводить многоматериальный анализ в одном сканировании. В исследованиях твердой ткани это может помочь дифференцировать плетеную кость от ламельярной кости или количественно определять содержание минералов в присутствии контрастных агентов.

Artificial Intelligence and Deep Learning

ИИ вторгается в обработку изображений микро-КТ. Сети глубокого обучения могут автоматически сегментировать кости, удалять металлические артефакты и даже прогнозировать механические свойства непосредственно из необработанных изображений. Генеративные состязательные сети (GAN) использовались для улучшения пространственного разрешения или сокращения времени сканирования путем прогнозирования отсутствующих проекций. По мере созревания этих методов они будут снижать барьер для входа для неспециалистов и улучшать согласованность крупномасштабных анализов. Однако проверка против традиционных методов остается необходимой для обеспечения биологической релевантности.

Integration with Multimodal Imaging

Сочетание микро-КТ с оптической визуализацией, микро-МРТ, гистологией или картированием экспрессии генов позволяет исследователям соотносить структуру с клеточными и молекулярными событиями. Например, микро-КТ изображения кости могут быть зарегистрированы с флуоресцентными микроскопическими изображениями активности остеобластов, что позволяет напрямую сравнивать места формирования костей со структурными параметрами. Этот мультимодальный подход способствует более полному пониманию регуляторных механизмов биомеханики твердых тканей.

Заключение

Микро-КТ-визуализация вырезала важную нишу в биомеханических исследованиях твердой ткани. Его способность предоставлять трехмерные, количественные данные высокого разрешения об архитектуре костей и минеральной плотности продвинула наше понимание прочности костей, риска переломов, процессов заживления и производительности имплантатов. В то время как такие проблемы, как доза облучения, коррекция артефактов и субъективность сегментации, остаются, непрерывные технические улучшения - от настольных сканеров до синхротронных лучевых линий, от ручного порогового анализа до анализа, основанного на ИИ - обещают еще большие возможности в будущем. Исследователи, которые принимают микро-КТ в рамках своего экспериментального инструментария, получают мощного союзника в стремлении расшифровать механическое поведение минерализованных тканей и разработать лучшую диагностику и лечение скелетных заболеваний.