Advanced Methods for the Quantification of Trabecular Bone Structure and Density in Micro Computed Tomography Images

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2011-01-11
Issue Year
2010
Authors
Lu, Jing
Editor
Abstract

Bone remodeling is a life long process composed of bone formation and resorption. Imbalance between bone formation and resorption is a cause of metabolic bone diseases. Thus, the understanding of factors that affect the remodeling balance is of great importance. Conventionally bone structure is measured using histomorphometry of thin stained sections which is destructive and non-reproducible. In contrast, volumetric microcomputed tomography (µCT) imaging is a powerful tool for quantifying bone quality of small samples non-destructively. The aim of this thesis is to develop an analysis tool to quantify trabecular bone of mouse tibiae with high efficiency, accuracy and reproducibility. Materials and Methods: The trabecular volume of interest (VOI) definition in the proximal metaphysis of mouse tibiae includes three segmentation steps: the periosteal surface, the primary spongiosa and the proximal metaphysis. All these segmentation algorithms are hybrid volume growing-based approaches including automatic threshold estimation, volume growing with different criterions and combined morphological operations. To preserve the connectivity of the trabecular network volume growing with local adaptive thresholding (LAT) is used for the segmentation of the trabeculae. In order to accelerate this process the algorithm is only applied to voxels with gray values in an interval defined by two global thresholds. These are automatically determined and depend on the voxel-to-object-size ratio of the dataset. Standard bone structural parameters were implemented [29, 30, 62]. For the assessment of tissue mineral density (TMD), a calibration phantom made of epoxy resin-based material with two hydroxyapatite (HA) inserts was developed. Experiments were performed with the µCT FORBILD scanner of the IMP to validate the homogeneity of the phantom inserts, the water equivalence of the epoxy resin-based plastic, the effect of beam hardening and the stability of the µCT calibration. The implementation of structural parameters was validated with two digital models and with histological sections. The segmentation of the trabeculae was validated with a simulated µCT scan of a simulated phantom and µCT scans of excised mouse tibiae with different voxel sizes (9-20 µm). Intra- and inter-observer analysis reproducibility was validated with five µCT scans by three operators. The impact of different analysis VOIs on structural parameters was investigated. µCT scans of four mouse vertebra samples were also compared with digitized histological sections. Results: With respect to calibration and TMD assessment the following results were obtained: (1) Cone beam reconstruction artifacts can be neglected. (2) To avoid an influence of the material inhomogeneity of the phantom inserts on the calibration, measured HU values inside the inserts should be averaged over their full length. (3) Epoxy resin-based plastic is not water-equivalent for voltages between 40 and 60 kV, which causes a constant offset of the TMD assessment compared to a water equivalent phantom material. (4) The quantification error caused by beam hardening was up to 5.7% at the kV settings used, which should be corrected. (5) A simultaneous scan of the bone sample and the calibration phantom is recommended. The validation confirmed that the structural parameters were correctly implemented. The simulations (simulated µCT acquisition of a rods phantom) showed that the LAT segmentation gave more accurate results in particular for trabecular thickness than the global threshold method. Moreover, the LAT method is also robust to variations of spatial resolution. Decreasing the resolution by about a factor of 2 changed bone volume fraction (BV/TV) by only 3.4%. Intra and inter observer precision errors (%CVRMS) were smaller than 1.2%. The results further demonstrated that position and size of the analysis VOI had a great influence on BV/TV (up to 24.3% in 2D sections and 38.1% in µCT scans). The comparison between µCT scans and digitized histological sections shows that µCT imaging with adequate resolution combined with the LAT segmentation method is a good alternative to the traditional histological methods. Conclusions: A 3D image analysis approach has been developed for a 3D quantification of the trabecular structure and density of mouse tibiae in µCT scans. The analysis workflow is highly automated, efficient, robust to changes in image quality and requires only minor user interactions. Precision errors were less than 1.2%. This framework is now ready for preclinical use.

Abstract

Knochen-Remodeling ist ein lebenslang andauernder Prozess, der Knochenformation und -resorption beinhaltet. Ein Ungleichgewicht dazwischen ist ein Grund für Stoffwechselkrankheiten des Knochens. Daher sind Erkenntnisse über Faktoren, die das Remodeling beeinflussen, von großer Bedeutung. Die Knochenstruktur wird üblicherweise durch Histomorphometrie, angefärbter Dünnschnitte bestimmt, was allerdings die Zerstörung der Proben bedeutet. Im Gegensatz hierzu ist die volumetrische Mikro-Computertomographie- (µCT) ein wertvolles Mittel zur zerstörungsfreien Quantifizierung der Knochenqualität kleiner Proben. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Analysewerkzeugs zur hocheffizienten, genauen und reproduzierbaren in-vitro Quantifizierung von trabekulärem Knochen aus in der Tibia von Mäusen. Material und Methoden: Die Definition des trabekulären Auswertevolumens (VOI) in der proximalen Metaphyse von Mäusetibiae beinhaltet drei Segmentierung Schritte: die periostalen Oberfläche, die primären Spongiosa und die proximalen Metaphyse. All diese Segmentierungsalgorithmen basieren auf volumenwachstumsbasierten Verfahren mit automatischer Schwellwertschätzung, kombiniert mit verschiedenen Suchkriterien und morphologischen Operationen. Um die Konnektivität des trabekulären Netzwerks bei der Segmentierung der Trabekel zu erhalten, wird das Volumenwachstum mit einem lokal-adaptiven Schwellwertverfahren (LAT) verwendet. Zunächst wurden die Standardstrukturparameter implementiert [29-30, 62]. Zur Abschätzung der Mineraldichte des Knochengewebes (TMD), also in diesem Fall der Trabekel wurde ein Kalibrierphantom aus Epoxidharz-basiert Material mit zwei Hydroxylapatit-Einschlüssen entwickelt. Die Implementierung der Strukturparameter wurde durch zwei digitale Modelle, sowie histologischen Schnitten validiert. Die Segmentierung der Trabekel wurde mit einer simulierten µCT-Aufnahme eines simulierten Phantoms überprüft. Die Intra- und Interoperator-Reproduzierbarkeit der Knochenparameter wurde durch die Analyse von fünf µCT-Aufnahmen durch drei Personen validiert. Der Einfluss unterschiedlicher Analyseregionen auf die Auswertung der Bildanalyse wurde untersucht. Des Weiteren wurden µCT-Aufnahmen mit digitalisierten histologischen Schnitten für sieben Mäusewirbel verglichen. Ergebnisse: Für die Kalibrierung und die TMD Abschätzung wurden folgende Ergebnisse ermittelt: (1) Kegelstrahl-Rekonstruktionsartefakte können vernachlässigt werden. (2) Um einen Einfluss der Materialinhomogenität der Einschlüsse des Phantoms auf die Kalibrierung zu verhindern, sollten innerhalb der Einschlüsse gemessene HU-Werte über die gesamte Einschlusslänge gemittelt werden. (3) Epoxidharz ist für Röntgenröhren Spannungen zwischen 40 und 60 kV nicht wasseräquivalent. Das führt zu einer konstanten Verschiebung der TMD-Werte im Vergleich zu einem wasseräquivalenten Phantommaterial. (4) Der durch Strahlaufhärtung hervorgerufene Quantifizierungsfehler lag bei den angegebenen Spannungen bei bis zu 5,7 %, was im Hinblick auf die Richtigkeit der Analyse korrigiert werden sollte. (5) Die simultane Aufnahme der Knochenprobe und des Kalibrierphantoms wird empfohlen. Die Validierung bestätigte, dass die Strukturparameter korrekt implementiert wurden. Die Simulationen (simulierte µCT-Akquisition der Stäbe) zeigten, dass die LAT-Segmentierung gegenüber der globalen Schwellwertmethode zu genaueren Ergebnissen insbesondere bezüglich der trabekulären Dicke führte. Des Weiteren ist die LAT-Methode stabil gegenüber einer Variation der Ortsauflösung. Eine Verringerung der Auflösung um einen Faktor von etwa zwei führte zu einer Änderung des Knochenvolumenanteils (BV/TV) von lediglich 3,4 %. Dank des hochautomatisierten Workflows lagen die Intra- und Interoperatorgenauigkeitsfehler (%CVrms) unter 1,2%. Die Ergebnisse zeigten weiterhin, dass die Position und Größe des Analysvolumens einen großen Einfluss auf die BV/TV- Werte haben (bis zu 24,3% in histologische Schnitte und 38,1% in µCT-Aufnahmen). Der Vergleich zwischen µCT-Aufnahmen und digitalisierten histologischen Schnitten zeigte, dass die µCT-Bildgebung mit einer geeigneten Auflösung kombiniert mit der LAT-Segmentierung eine gute Alternative zu den traditionellen histologischen Methoden darstellt. Schlussfolgerung: Es wurde eine 3D-Bildanalysemethode zur 3D-Quantifizierung trabekulären Knochens von Maustibiae aus µCT-Aufnahmen entwickelt. Der Workflow ist hochautomatisiert, effizient, robust gegenüber einer Änderung der Bildqualität und benötigt wenig Benutzerinteraktion. Der Reproduzierbarkeitsfehler lag bei unter 1.2%. Das Verfahren kann jetzt zur 3D Analyse von µCT Daten eingesetzt werden.

DOI
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