Coupling multiscale X-ray physis and micromechanics for composition and elasticity determination from micro-CT data, by example of femur from OVX and sham rats

Abstract

Postmenopausale Osteoporose ist eine progressive skeletale Erkrankung, die auf Abnahme des Östrogenspiegels zurückzuführen ist und sich durch pathophysiologische Veränderungen im Knochengewebe ausdrückt. Insbesondere in früheren Stadien der Menopause können diese durch das 'OVX rat model' beschrieben werden, welches den Hormonmangel durch Ovariektomie (OVX) induziert. Um den Abbau der Knochenmasse und der Mikroarchitektur in Nagetieren präklinischer Studien zu erfassen, wird aufgrund der hohen Aflösung die Micro-Computertomographie (Mikro-CT) herangezogen. Die statistische Auswertung der dreidimensionalen CT "Bilder" bildet hierbei üblicherweise die Grundlage für die histomorphologischen Analysen der Knochenstruktur. Die in dieser Arbeit angewandte Methode verknüpft die erhaltenen Grauwerte mit wissenschaftlich etablierten, materialspezifischen Röntgenstrahlabschwächungen und berücksichtigt überdies die heterogenen Bedingungen innerhalb eines Voxels, der sich im Knochengewebe aus den elementaren Bestandteile, Wasser, Mineral und organischer Substanz, zusammensetzt. Unter zusätzlicher Verwendung von gegebenen Verhältnissen zwischen Mineral und organischer Substanz aus einer vorhergehenden Osteoporose-Studie, kann die Röntgenstrahlenergie während der Scanvorgänge identifiziert werden, die auf die räumliche Verteilung der elementaren Komponenten innerhalb des Voxels und die voxel-spezifischen Knochendichten rückschlieen lässt. Diese Ergebnisse dienen als Eingangsparameter für ein Multiskalen-Homogenisierungsschema, das unter Berücksichtigung der Stei gkeiten der einzelnen Knochen-Komponenten und ihrer Morphologie letztendlich auf die voxel-spezifischen elastischen Materialeigenschaften führt. Diese analytische Methode mag eine gute Ausgangsbasis für eine standardisierte, präzise Bewertung der Knochenstruktur hinsichtlich Osteoporose-Forschung schaffen.

Post-menopausal osteoporosis is a progressiv skeletal disorder expressed by pathophysiological alterations in the bone tissue resulting from a lack of oestrogen. Particularly in the early stages of menopause, these changes can be mimicked by the 'OVX rat model' inducing the hormone de ciency by ovariectomy (OVX). Due to its high resolution, micro-computed tomography (micro-CT) has become a major tool in quantifying the impairment of bone mass and microarchitecture in rodents of preclinical studies. Those histomorphometric analyses of the bone structure are usually based on the statistical evaluation of the three-dimensional CT "images". The method used in this work directly connects the obtained grey values to scienti cally established X-ray attenuation coecients, and additionally considers the heterogeneous conditions within the voxel, which in case of bone tissue consists of the elementary compounds, water, mineral and organics. Taking into account given mineral-to-organic ratios of a previous osteoporosis-study, the X-ray energy applied during the CT scans can be identi ed, which concludes to the spatial distribution of the elementary compounds within the voxel and the voxel-specific bone densities. These results serve as input parameters for a multiscale homogenization scheme which, allowing for the respective stinesses of the bone's single constituents, as well as their morphologies, leads to the voxel-specific elastic material properties. This analytical method might further enhance a standardised, precise evaluation of the bone structure in respect to post-menopausal osteoporosis research.