Measuring Bone Volume at Multiple Densities by Micro-computed Tomography
Emma C. Walker, Narelle E. McGregor, Audrey Chan, Natalie A. Sims
Abstract
Bone strength is controlled by both bone mass, and the organization and quality of the bone material. The current standard method for measuring bone mass in mouse and rat studies is micro-computed tomography. This method typically uses a single threshold to identify bone material in the cortical and trabecular regions. However, this single threshold method obscures information about the mineral content of the bone material and depends on normal morphology to separately analyze cortical and trabecular structures. To extend this method to identify bone mass at multiple density levels, we have established a protocol for unbiased selection and application of multiple thresholds using a standard laboratory-based micro-computed tomography instrument. This non-invasive method can be applied to longitudinal studies and archived samples and provides additional information about bone structure and strength., [摘要]骨骼强度受骨骼质量，骨骼材料的组织和质量的控制。当前在小鼠和大鼠研究中测量骨量的标准方法是微计算机断层扫描。该方法通常使用单个阈值来识别皮质和小梁区域中的骨材料。但是，这种单一阈值方法掩盖了有关骨材料矿物质含量的信息，并依赖于正常形态来分别分析皮质和小梁结构。为了扩展此方法以在多个密度水平下识别骨质量，我们已经建立了使用标准的基于实验室的微型计算机断层扫描仪无偏选择和应用多个阈值的协议。这种非侵入性方法可以应用于纵向研究和存档样本，并提供有关骨骼结构和强度的其他信息。关键词：皮质骨，微计算机断层扫描，骨结构，骨发育，骨量，矿化 [背景]微-共mputed断层摄影术是一种用于测量骨量和结构在实验小鼠和大鼠一个完善的标准化方法。通常，骨骼（小梁）的内部网络与骨骼（皮质）的厚外壳分开进行分析。识别小梁和皮层区域通常是手动的，也可以基于形态使用基于算法的分割（Buie等，2007 ；Bouxsein等，2010）。每个区域内的单个阈值用于定义骨骼：使用较高的阈值检测皮质骨，而使用较低的阈值检测骨小梁（Ansari等人，2018； McGregor等人，2019）。但是最近，在分析具有严重破坏的骨骼结构的遗传改变的小鼠模型（Dmp1 Cre ：Socs3 f / f ）时，不可能描绘出皮质和小梁的结构（Cho等人，2017; Walker等人，2020），并且标准地将骨隔离成小梁和皮质是没有意义的。在其他皮质骨结构异常的小鼠模型中，例如在衰老期间或在多孔的多孔性肾脏疾病（Piemontese等人，2017年； Metzger等人，2020年）中或在患有皮质形成不良，例如骨质疏松症（Abe et al。，2000）。使用单个阈值还减少了可从微计算机断层扫描中获取的信息量，其中原始图像显示了多个灰度级别，这些灰度级别已减少到单个级别以进行定量。为了克服此问题并摆脱“小梁”和“皮质”骨二分法，我们使用了多级Otsu阈值法来测量多个密度水平下的骨质量。Otsu方法利用一种算法，该算法基于图像内的灰度级强度将原始图像中的像素分为不同的类别（Otsu，1979）。最初，我们将这种方法应用于干phy端区域（Walker等人，2020年），因为它同时包含未成熟和成熟的皮质骨，其中最成熟的骨与生长板的距离最大（Rauch，2012年）。使用此新方法应用于干phy端区域的逐层分析，可以量化正常皮质骨随时间成熟的过程，特别是将低密度结构替换为更坚固的高密度结构（Walker等人，2020）。它还揭示了低密度骨皮质中的成熟骨架的比例较高DMP1酶Cre ：SOCS3 F / F小鼠（沃克。等人，2020） ，这是我们先前报道具有受损的强度，即使在测量时，结构正常通过单阈值方法（Cho et al。，2017）。我们还已经使用这种方法来鉴定由于药理学引起的肌肉肥大而导致骨骼形状改变的新骨骼的沉积（Chan等，Submitted）。这种可在多种密度下测量骨骼的无偏方法是无损的，可用于测量随时间变化的骨骼变化，因为它可用于活体动物的微型计算机断层扫描（Walker等人，2020年）。该方法还可用于骨骼发育的研究（Bortel等人，2015），以及对人体骨骼的分析，尤其是在衰老过程中（Zebaze等人，2010）。该方法可能还有助于为生物考古学和法医人类学提供年龄估计的新方法（Maggiano等人，2015），并将为研究其他物种提供有价值的新信息，例如在不同密度水平下测量骨质量。有人在产卵（Squire等人，2017）和冬眠（McGee-Lawrence等人，2009）中观察到。我们将在此描述这种方法的使用，因为该方法适用于包含未成熟和成熟骨骼的固定鼠股骨干phy端区域，因为这很可能是最常见的应用。可以将相同的方法用于较小或不同的区域，以及扫描从小鼠或其他物种获得的骨骼，包括在麻醉下进行长期的定序研究。此方法也可以应用于存档扫描，在这种情况下，仅需从过程C开始遵循该协议。该协议假定您对微计算机断层扫描基本熟悉。