文摘
高分辨率微计算机断层扫描使得测量骨松质骨的建筑来自3 d表示。得到了28个椎体从四个男性尸体防腐处理。从三维浮雕,小梁杆厚度和长度测量杆屈曲小梁指数计算。从三维分布的数据集,骨体积密度,小梁厚度,小梁的分离测定。同时,骨小梁模式因素,结构模型指数,连接密度,并计算各向异性程度。骨体积密度仅解释59%的变异小梁杆屈曲指数。添加连接密度、骨小梁分离和结构模型指数,在一个多元回归统计模型,提高了解释力为77%。措施之间的关系的松质骨小梁的架构和派生的测度杆强度。松质骨的形态描述符提供复合小梁杆强度的解释模型。
1。介绍
骨微体系结构的描述已基本阐明骨质疏松症的发病机理,并改变骨微体系结构已经被认定为扮演了重要角色骨骼断裂的磁化率(1,2]。能够量化的程度的骨微体系结构预测骨强度,间接体内疗法,提供了有价值的见解脆性骨折的机制。
高分辨率的微型电脑断层扫描(ct机)的出现和提高可访问性研究人员骨骼histomorphometry迎来了一个新的时代。外推法的约束二维(2 d)三维(3 d)现在已经破碎使骨质量的测量指标来源于准确的三维分布松质骨结构的表征。
经典的基于模型的支持histomorphometry帕菲特(3,4),普遍采用了现在可以应用于3 d数据集有或没有校正因素与2 d组织学部分。然而,模型是一个复杂的松质骨结构的简化表示。Vijayapalan et al。5)直接测量显示的小梁杆厚度的三维浮雕小梁棒的“真正”的维度是不同的小梁厚度来自帕菲特的模型。这意味着衍生小梁厚度等尺寸的大小和小梁的分离可能不是精确的措施,但有用的学习小组展示相对差异或跟踪研究系列中时态的变化。
有很多协议发表描述的松质骨的三维描述符结构适应使用二维组织学部分(6- - - - - -10]。这些包括连接密度、各向异性度和骨小梁模式的因素,但他们的效用是有限的,因为大系统误差相关外推从2 d到3 d11]。准确的利用这些3 d描述符的松质骨结构与ct机的数据集是不可能的。
微ct成像提供了一系列二维层析x射线摄影机,这使得准确重建的标本分布数据集。每一层析x射线摄影机相当于组织切片,在2 d骨基质是轮廓清晰的从骨髓空间。重要的是,一系列的层析x射线摄影机使一个精确的3 d表示骨骼构造。可以从这个数据集分布测量小梁维度使用sphere-fitting算法(12)和其他model-independent算法申请骨骼结构,如连接密度(11),结构模型指数(13),和各向异性度14]。数据集来自微ct成像提供了一套综合的描述参数三维骨骼结构以及精确测量的骨头。
增加关注松质骨的功能性质已经强调了需要获得准确的测量维度的小梁的元素。它已被证明,理论上,小梁维度的大小和变化影响多孔的结构的功能性质(15)和小梁棒可能关键结构在决定松质骨强度(16]。测量个体的骨小梁可以通过分解微ct数据集([17,18),也使骨小梁棒或板块分类。最近的研究表明,明显的松质骨的力学性能受到损害,或多或少,当组骨小梁用定义的空间取向被ct机派生数据集(18]。加上地理位置数据这些算法提供了工具,以确定关键在松质骨结构,导致其强度。
已经表明,个体骨小梁失败,在压缩、欧拉屈曲(16,19,20.)和Sutton-Smith et al。21)表明,使用3 d浮雕负载屈曲指数(屈曲指数)可以从测量小梁杆厚度和小梁杆长度。提出,屈曲的分布指数小梁棒显示一个潜在的松质骨结构破坏机理。虽然它已经表明,小梁杆厚度和小梁杆长度的分布是正态分布,分布的小梁弯曲指数棒是对数正态分布21]。这个分布的形状表明,关键的力量,将导致大量的小梁棒同时失效导致整个松质结构的失败。
本研究的目的是确定措施的程度的骨骼架构,源自人类椎体松质骨的微ct成像,解释骨骼强度的变化在一个代理(屈曲指数)。提出,骨骼架构的措施除了骨头的数量将解释变异性的屈曲指数明显多于的骨头。这些参数的解释屈曲指数的变化将决定使用统计多元回归方法。预计这项研究中使用的方法将进一步识别model-independent骨骼结构描述符,可以确定骨骼强度。
2。方法
2.1。样品
胸腰椎椎体(T6, T8、T10病人,L1, L3,和L5)获得从四个男性尸体防腐处理。捐献者刺是来自一个法医科学设施和一些椎体被用在其他的研究中,因此没有邻近的椎体。岁的尸体都不知道,不过估计的年龄是使用分级的协议基于数量的osteophytic唇形变(22]。年龄估计是2尸体60岁以下和2尸体超过60岁。矢状切片厚度2.5毫米中线附近被从所有28个椎体,它的大小不等,从15毫米至25毫米crano-caudally antero-posteriorly 30到40毫米。骨髓和附着软组织被浸渍。三维浮雕是通过扫描电子显微镜(SEM)成像的九个连续的字段,每个35美元和覆盖大部分的椎体切片,在空间分辨率为7.83米(5]。每个浮雕是由两个数字化扫描电镜图片(第二图像倾斜)和观看电脑屏幕上红绿立体眼镜。
2.2。D浮雕
从三维浮雕,小梁杆厚度(结核病。)和小梁杆长度(结核病。)测量和屈曲的载荷指数(屈曲指数)计算总共2225随机选择的小梁棒(屈曲指数 ,=杆和半径=杆的长度)。测量的三维浮雕被认为在电脑屏幕上用红绿立体眼镜使用定量电视显微镜500 mc图像分析仪(徕卡,剑桥,英国)与网格随机角覆盖,使小梁棒的随机抽样。三维浮雕清晰识别小梁棒一样光滑的启用,大致圆柱形结构,长度至少三倍宽度。小梁杆厚度的测量是在杆与网格的交点与长轴垂直的杆5]。结束测量小梁骨小梁的长度被定义为的中点之间的电弧形成小梁杆和相邻的骨小梁结构(23]。
2.3。ct机
微ct成像随后进行标本的空间分辨率为15.83m Skyscan 1072 (Skyscan, Kontich,比利时)。Cone-beam重建软件产生了高达100层析x射线摄影机对于每个标本,在矢状面。在Matlab使用另外一个例程(MathWorks有限公司,纳蒂克,质量,美国),一个二进制图像,从骨髓歧视骨在每个层析x射线摄影机,获得了使用大津的方法(24]。这是紧随其后的是一个二进制关闭(一个周期的扩张侵蚀紧随其后的是一个周期),删除无关的小工件。
CT分析器软件(CTAn)提供的Skyscan使用行进的立方体方法生成的表面呈现骨(图1)。每个ct机的体积感兴趣的数据集是243毫米2。
2.4。机械测试
建立屈曲的疗效指数作为一个合适的代理松质骨强度,松质骨的强度数据集来自28个椎体的中心是测量压力(UFS)最终失败。松质骨的多维数据集得到的L2和L3椎体14用来刺。
机械测试之前,使用同一台机器上设置微ct成像进行矢状骨片和导致每个10微ct数据集1010毫米骨立方体组成的640层析x射线摄影机,这都由640像素640像素。小梁棒被确定使用体积空间分解算法,其中每个离散小梁元素被归类为小梁板或小梁杆。体积分解算法产生的长度和厚度17),屈曲的指数计算,如上所述。机械测试的单轴压缩supero-inferior方向在0.1毫米/秒失败(Hounsfield H25KM, Hounsfield有限公司英国)。
2.5。参数
使用三维分布的数据集,以下model-independent参数得到:骨体积/总量(BV /电视)和小梁厚度(Tb.Th *)和小梁分离(Tb.Sp *)使用范围匹配算法(12),骨小梁模式因素(TBPf)凸对凹表面的比率(8),结构模型指数(SMI)作为一个索引的棒状或平板状结构13),连接密度(Conn.D)作为内连接结构的指标(11),和程度的各向异性(DA)意味着拦截长度分析索引的择优取向程度的结构(14]。
从机械测试研究,最终破坏应力(UFS)计算的应力/应变曲线,作为衡量骨强度和屈曲指数计算的小梁棒。
2.6。统计数据
所有参数的平均值计算为每个28椎体标本,用于后续的统计分析。屈曲的计算几何平均数指数从每个椎体由于该参数的对数正态分布。
anaglyph-derived参数和micro-CT-derived参数之间的相关性是由最小二乘线性回归分析。这些描述参数解释的程度的可变性屈曲指数由最小二乘线性回归分析。多元回归分析来确定参数的组合最好的解释了可变性小梁杆屈曲指数。这需要连续的统计模型的骨骼结构的措施来确定屈曲指数的预测因素的最佳组合。
从机械测试研究中,每个小梁杆的屈曲指数计算按照上面列出的方法。屈曲指数之间的相关性和UFS由最小二乘线性回归分析。
所有统计测试进行使用PC-SAS (SAS研究所,卡里,NC)。统计学意义是决心. 05。
3所示。结果
在研究样本,椎体BV /电视与描述性统计范围从8%到18%的所有参数表所示1。
3.1。Anaglyph-Derived参数和Micro-CT-Derived参数之间的相关性
屈曲指数显著与BV /电视,结核病。Th *,结核病。Sp *, TBPf、重度和Conn.D(表2)。值得注意的是结核病的相关性。和结核病。BV /电视和Conn.D,虽然显著,但也没有那么强的相关性屈曲指数与BV /电视和Conn.D。
3.2。变化在屈曲Index-Explanatory模型
最小二乘线性回归显示,BV /电视解释59%的变异在屈曲指数(= 0.59;。)(表2)。其他的model-independent参数,Conn.D是最好的个人的解释参数屈曲指数(= 0.52;。)(表2)。
多元回归分析选择,决定了最好的组合参数解释的可变性屈曲小梁棒(表的索引3)。有统计学意义(. 05)改善解释力小梁杆屈曲指数从59%变化的BV /电视仅77%的变异性Conn.D时,结核病。Sp *,重度被添加到BV /电视在多元回归模型。
3.3。屈曲指数之间的相关性和UFS相关性BV和UFS /电视
与UFS屈曲指数显著相关(= 0.56;。)(图2)。BV UFS /电视显著相关性(= 0.68;。)(图3)。
4所示。讨论
这项研究显示,骨体系结构的措施,源自人类椎体松质骨的微ct成像,可以解释一个显著的比例变化代孕的骨骼强度(弯曲指数)。骨架构的数据支持了假设措施除了骨头的数量解释变异性的屈曲指数明显多于的骨头。
研究样本包括椎体、椎体松质骨的BV /电视包含范围中找到健康的成年人(8%到18%)。使用3 d - base直接法测量小梁杆尺寸,小梁杆强度的代理,屈曲指数。呈现层析x射线摄影机进入3 d分布数据集允许应用程序的算法,它描述model-independent松质骨的三维结构特点(BV /电视,结核病。Th *,结核病。Sp *、TBPf、重度、Conn.D和DA)。
浮雕的分析使小梁杆厚度和小梁杆长度测量和骨小梁的功能描述符的推导,屈曲指数。假设屈曲是小梁棒的最有可能的失效模式主要考虑到他们经历压缩载荷和两端是固定的16]。同时,这个索引的小梁杆屈曲强度计算的方向小梁长轴。到目前为止,它不可能直接测量个人的力量在一个完整的小梁骨小梁网,虽然已测量(骨小梁分离的力量19,25]。强大的统计关系屈曲指数和BV /电视翻译确定系数(的范围内)的59%,此前公布的数据显示的能力数量的骨头解释椎体强度的变化(26]。而结核病的相关性。和结核病。与BV /电视和Conn.D统计学意义,他们不像屈曲指数的相关性与BV /电视和Conn.D。
来自3 d数据集分布的参数显示,单独TBPf和Conn.D强烈相关屈曲指数而不是彼此。这表明个人的形式骨小梁和骨骼结构的连接是独立的重要决定椎体的强度。这些model-independent算法应用于组织学部分是出了名的不可靠,因为假设推断从2 d到3 d的大系统误差来源(27]。微ct成像允许应用程序的理论基础这些算法大大减少了系统误差。
多元回归分析表明,屈曲指数的变化归因于BV /电视可以提高从59%到77%的model-independent 3 d形态参数(Conn.D、结核。Sp *,重度)。这些3 d microarchitecture-related因素进一步解释18%变异的小梁棒的抗弯强度预测。增加更多的形态学参数统计模型不显著提高屈曲指数的预测。这个统计模型量化的三维架构的贡献松质骨小梁杆强度除了贡献的骨头。
本研究确定的重要形态学因素松质骨的力学性能。具体来说,小梁结构的连接,以Conn.D来衡量,应该是结构完整性的一个重要因素。事实上Conn.D几乎像一个独立的行列式屈曲指数作为BV /电视(= 0.52和= 0.59,职责)。小梁的形式和结构的措施如重度和TBPf贡献显著预测屈曲的指数,单独和他们都与屈曲指数负相关。这支持了这样一种观点:更多的棒状结构弱于平板状结构。各向异性的程度(DA)并不导致屈曲指数,因为它是衡量整个松质结构的取向,而面向个人骨小梁的屈曲指数独立。Thomsen et al。28报告显著提高骨骼强度的预测L3从74%到79%当2 d histomorphometric指数测量L2,如结核病。Th,结核病。Sp,星体积,增加了BV /电视。因此,骨强度,可以更可靠地预测的贡献3 d-bone结构添加到BV的贡献/电视。
本研究的一个限制是,有多个椎从少量的个人水平。本研究利用人类尸体材料,采购了其他的研究,但本研究中使用这种难以介入材料的使用最大化。使用多个椎水平从每个人减少了统计力量如果结论个体骨折的风险是但在这个横断面研究,每个椎体是一个独立的观察,它是适当的结论的能力来解释变化在群椎体骨强度。本研究的另一个限制是,机械测试没有进行矢状切片。然而,使用屈曲指数作为替代的骨骼强度提供了一个形态框架功能方面可以研究松质骨结构。样品前处理或处理的微ct成像可以妥协的能力执行机械测试。其他最近的研究量化微体系结构的作用29日和区域变化的影响30.)在确定椎体松质骨强度,而这些研究利用机械测试作为结果变量,他们的结果是不符合本研究的结果。即松质骨本身是一个重要的决定因素的椎体强度和微体系结构的贡献个人的骨小梁骨强度可以量化。因此,纯粹的形态学方法,比如在本研究可以提供有用的数据对松质骨的功能特征。
在这项研究中,椎体松质骨的形态描述符来自微ct图像提供了一种复合小梁的解释性模型杆强度(弯曲指数)。文献没有提供许多理论替代屈曲指数描述符的骨小梁的功能性质。在这项研究中一个相对比较小的样本的椎体进行了研究,上述关系的力量给理由进一步研究松质骨的功能性描述符的使用来自3 d松质骨的形态学参数。
确认
这项工作是由国家卫生和医学研究理事会的资助,阿德莱德大学和皇家阿德莱德医院。