シンクロトロン放射マイクロCT画像を使用したヒト大腿骨皮質骨の3D骨細胞皮膚形態計測特性と分布

最も多くの骨細胞である骨細胞は、骨モデリングとリモデリングプロセスに積極的に関与していると考えられています。骨細胞の形態は、生理学的機械的負荷に応じて適応すると仮定されています。最近、3次元の微小CTが骨細胞鎖層を研究するために使用されています。この作業では、骨細胞毛状突起の3D形状記述子とヒト大腿骨の分布を定量化するための計算効率的で検証された自動化された画像分析方法を提案しました。1.4μmの等方性ボクセル分解能を持つESRFのID19でシンクロトロン放射（SR）マイクロCTを使用して、13サンプルをイメージ化しました。約2.9×2.9×1.4mm（3）の視野を備えた3D画像には、数万の骨細胞鎖が含まれています。骨細胞鎖から3D細胞記述子をセグメント化および抽出するための自動定量化方法を設計しました。画像モーメントベースのアプローチを使用して、各骨細胞ラクナの体積、長さ、幅、高さ、異方性を計算しました。高速アルゴリズムを採用して、各ラクナの表面積、オイラー数、構造モデルインデックス（SMI）をさらに効率的に計算しました。また、3D Lacunar密度マップを導入して、大きな視野にわたってラクナ密度の変動を直接視覚化しました。13個の骨サンプルの皮質骨組織形態計測指数だけでなく、皮膚の形態計測特性と分布を報告しました。平均体積と表面は、409.5±149.7μm（3）および336.2±94.5μm（2）であることがわかりました。平均寸法の長さは18.9±4.9μm、幅は9.2±2.1μm、深さ4.8±1.1μmでした。同じ局所領域での骨多孔性と有意に相関している、2つの軸の長さ、3つの異方性比、およびSMI 6つの骨細胞皮膚の記述子、6つの骨細胞皮膚記述子、SMIが6つありました。提案された方法により、骨細胞の大量集団の自動で効率的な直接的な3D分析が可能になり、細胞レベルでの骨の品質と疾患をよりよく理解するための信頼できる生物学的情報を提供することが期待されています。

Osteocytes, the most numerous bone cells, are thought to be actively involved in the bone modeling and remodeling processes. The morphology of osteocyte is hypothesized to adapt according to the physiological mechanical loading. Three-dimensional micro-CT has recently been used to study osteocyte lacunae. In this work, we proposed a computationally efficient and validated automated image analysis method to quantify the 3D shape descriptors of osteocyte lacunae and their distribution in human femurs. Thirteen samples were imaged using Synchrotron Radiation (SR) micro-CT at ID19 of the ESRF with 1.4μm isotropic voxel resolution. With a field of view of about 2.9×2.9×1.4mm(3), the 3D images include several tens of thousands of osteocyte lacunae. We designed an automated quantification method to segment and extract 3D cell descriptors from osteocyte lacunae. An image moment-based approach was used to calculate the volume, length, width, height and anisotropy of each osteocyte lacuna. We employed a fast algorithm to further efficiently calculate the surface area, the Euler number and the structure model index (SMI) of each lacuna. We also introduced the 3D lacunar density map to directly visualize the lacunar density variation over a large field of view. We reported the lacunar morphometric properties and distributions as well as cortical bone histomorphometric indices on the 13 bone samples. The mean volume and surface were found to be 409.5±149.7μm(3) and 336.2±94.5μm(2). The average dimensions were of 18.9±4.9μm in length, 9.2±2.1μm in width and 4.8±1.1μm in depth. We found lacunar number density and six osteocyte lacunar descriptors, three axis lengths, two anisotropy ratios and SMI, that are significantly correlated to bone porosity at a same local region. The proposed method allowed an automatic and efficient direct 3D analysis of a large population of bone cells and is expected to provide reliable biological information for better understanding the bone quality and diseases at cellular level.