Microtomografia computerizzata

Esistono attualmente diversi strumenti per l’acquisizione di immagini che vengono utilizzati per lo studio della morfologia del tessuto osseo trabecolare; i più diffusi consistono nell’utilizzo di particolari tecniche di tomografia computerizzata (CT) e risonanza magnetica (MR).
Le immagini ottenute per acquisizione tramite tomografia computerizzata (CT) mostrano la distribuzione bidimensionale e tridimensionale dei coefficienti di attenuazione lineare, strettamente correlati con l’energia della radiazione trasmessa, quindi con la densità e la composizione atomica del materiale investito dalla radiazione. Sono, tuttavia, presenti forti limitazioni che non permettono l’utilizzo della strumentazione standard ai fini della caratterizzazione morfologica del tessuto osseo spugnoso; tali limitazioni consistono principalmente negli artefatti dovuti allo spettro di energia dei raggi X (beam hardening artifact) e soprattutto nei problemi dovuti alla comparabilità della risoluzione spaziale con le dimensioni strutturali del tessuto osseo spugnoso (partial volume artifacts). Una tale risoluzione è ottenibile solamente per mezzo di una particolare strumentazione, attualmente la più diffusa nel campo degli studi sulla caratterizzazione morfologica del tessuto osseo: la microtomografia computerizzata (Micro-CT). La moderna strumentazione relativa a tale tecnica permette di ottenere risoluzioni spaziali al di sotto dei 10 μm, che risultano particolarmente adatte allo studio del tessuto osseo spugnoso. La Micro-CT è stata introdotta negli anni ’80 ed è basata sugli stessi principi della comune tomografia computerizzata (Sasov et al., 1998; Feldkamp et al., 1989): consente di riprodurre sezioni o strati corporei del paziente ed effettuare elaborazioni tridimensionali. Per la produzione delle immagini è necessario l'intervento di

43 un elaboratore di dati. Gli elementi essenziali di un sistema tomografico sono rappresentati da una sorgente di raggi X (tubo radiogeno), un collimatore, un meccanismo di movimentazione dell’oggetto da investigare, un rilevatore o detettore ed uno o più computer (Figura 1.22).

Figura 1.22 - Sistema tomografico.

La Micro-CT è uno strumento privilegiato per lo studio della mineralizzazione del tessuto a causa dello stretto legame tra la densità ossea e l’assorbimento dei raggi X. I parametri istomorfometrici possono essere stimati attraverso la scansione di campioni mediante microtomografia e consta delle seguenti cinque fasi:

1. Scansione del campione: viene acquisita l’informazione primaria relativa ai livelli di attenuazione della radiazione caratteristici del campione in esame; tale informazione è presentata dallo strumento sotto forma di immagini radiografiche del campione (immagini-proiezione).

2. Ricostruzione del campione: a partire dall’informazione relativa ai fasci attenuati in tutte le direzioni, l’utilizzo di particolari algoritmi permette di risalire al coefficiente di attenuazione lineare relativo a ciascun voxel. A questo punto del processo di misura è pertanto possibile la visualizzazione di immagini relative a sezioni del campione su piani selezionati.

3. Determinazione di una opportuna soglia di binarizzazione: per una corretta elaborazione delle superfici del solido è necessario selezionare manualmente un opportuno valore di soglia di binarizzazione indicativo del tono di grigio di separazione tra pieno e vuoto. A causa della mancanza di un algoritmo universalmente riconosciuto, questo risulta essere il punto più critico di tutto il procedimento; inoltre, dalla scelta di tale valore dipende l’accuratezza della ricostruzione delle superfici del solido, quindi la precisione della misura dei

44 parametri istomorfometrici3.

4. Elaborazioni delle superfici del solido: in base alla soglia di binarizzazione selezionata, un particolare algoritmo permette la ricostruzione delle superfici delimitanti il campione. L’informazione che tale operazione produce non è più relativa ai diversi livelli di attenuazione, ma è una informazione binaria: pieno o vuoto.

5. Calcolo dei parametri istomorfometrici: una volta delimitate le superfici del solido e quindi la regione di interesse (ROI), è possibile calcolare, tramite appositi algoritmi, i parametri geometrici e di forma relativi all’oggetto in esame:

§ Total Volume (TV): Rappresenta il volume di interesse, ovvero il volume totale sottoposto ad analisi, relativo alla ROI selezionata, comprensivo sia degli spazi occupati da materiale osseo solido sia degli spazi vuoti; può essere misurato sia in 2D che in 3D e si basa su un semplice conteggio dei voxel contenuti nel modello volumetrico scelto.

§ Bone Volume (BV): Rappresenta quella parte del volume di interesse occupato da solo materiale osseo solido; può essere calcolato secondo le modalità 2D e 3D e si basa sul conteggio dei soli voxel riconosciuti come materiale solido, relativamente al modello volumetrico scelto.

§ Bone Volume / Total Volume (BV/TV): Rappresenta la percentuale del volume occupato da materiale osseo rispetto al volume totale considerato. Viene calcolato semplicemente effettuando il rapporto dei parametri BV e TV.

§ Bone Surface (BS): Rappresenta la superficie delimitante le regioni occupate da materiale osseo solido.

§ Bone Specific Surface (BS/BV): Rappresenta il rapporto tra la superficie e il volume di materiale osseo.

§ Bone Surface Density (BS/TV): Rappresenta la densità superficiale, ovvero il rapporto tra l’area della superficie e il volume totale di interesse.

§ Trabecular Thickness (Tb.Th): Rappresenta lo spessore delle trabecole. Il calcolo di questo parametro mediante analisi in 2D viene effettuato sulla base di alcune ipotesi circa l’organizzazione strutturale dell’oggetto considerato; a tale proposito possono essere utilizzati tre diversi modelli strutturali: un modello “a piatti paralleli” (Parallel Plate Model), un modello “a barre cilindriche” (Cylinder Rod

45 Model) e un modello “a sfere” (Sphere Model). Utilizzando il Parallel Plate Model lo spessore trabecolare viene calcolato come:

𝑇𝑏. 𝑇ℎ = _𝐵𝑆2 𝐵𝑉

Con il Cylinder Rod Model lo spessore trabecolare viene invece calcolato come: 𝑇𝑏. 𝑇ℎ = _𝐵𝑆4

𝐵𝑉

Mentre con l’assunzione dello Sphere Model lo spessore trabecolare viene ricavato secondo la relazione:

𝑇𝑏. 𝑇ℎ = _𝐵𝑆6 𝐵𝑉

L’analisi in 3D permette invece di ricavare il parametro Tb.Th indipendentemente dal modello. Lo spessore trabecolare è infatti definito come la media di tutti gli spessori locali di tutti i voxel costituenti il solido considerato.

§ Trabecular Separation (Tb.Sp): Rappresenta lo spessore degli spazi interposti tra le trabecole. Può essere calcolato con analisi in 2D, mediante assunzione di modelli. Può infatti essere utilizzato il Parallel Plate Model, con il quale lo spessore trabecolare è ricavato dalla relazione:

𝑇𝑏. 𝑆𝑝 = 1

𝑇𝑏. 𝑁− 𝑇𝑏. 𝑇ℎ

§ Structure Model Index (SMI): Rappresenta un indice della prevalenza relativa di piatti o barre in una struttura tridimensionale; si tratta cioè di un indice di congruenza dell’oggetto con i modelli plate model e rod model. Il calcolo di questo parametro include una misura della convessità della superficie, e risulta essere particolarmente significativo nel caso di campioni osteoporotici di osso spugnoso, in quanto tali campioni risultano essere caratterizzati dalla transizione della

46 architettura da una struttura molto simile a quella a piatti paralleli (tipica del tessuto sano) ad una meglio assimilabile al modello a barre cilindriche. Il parametro viene dunque ricavato dalla seguente relazione:

𝑆𝑀𝐼 = 6 ∗f_fg∗=_B

dove S è l’area della superficie dell’oggetto prima della dilatazione, S’ la variazione di superficie subita per la dilatazione, V il volume iniziale dell’oggetto.

Come detto lo SMI è largamente utilizzato per misurare la prevalenza di piatti o barre nell’architettura dell’osso trabecolare sfruttando il cambiamento di curvatura che si verifica quando la struttura passa da essere sferica (SMI = 4) a cilindrica (SMI = 3) a planare (SMI = 0)4. L’assunto più importante su cui si basa lo SMI è che l’intera superficie ossea sia convessa e che il differenziale della curvatura sia positivo in tutti i punti sulla superficie. Le intricate connessioni all’interno del continuum trabecolare suggeriscono che un’elevata percentuale della superficie potrebbe essere concava, violando così l’ipotesi di convessità e producendo regioni con differenziale negativo. Attraverso il plug-in BoneJ del software ImageJ sono stati calcolati lo SMI e le sue componenti positiva (SMI+) e negativa (SMI-), la frazione volumica di osso (BV/TV), la frazione di superficie concava (CF) e l’ellipsoid factor (EF) per campioni estratti da femori di 87 specie (mammiferi, uccelli ed un coccodrillo). È stato, dunque, trovato che fino al 70% e non meno del 20% della superficie trabecolare è concava (CF 0.155-0.700). Lo SMI è inevitabilmente influenzato da errori indotti dallo SMI- che è fortemente correlato al BV/TV ed al CF. Lo SMI non distingue le geometrie trabecolari tipiche delle ossa di mammiferi ed uccelli, mentre l’EF è in grado di individuare la prevalenza di piatti nell’architettura trabecolare degli uccelli. L’EF dovrebbe, quindi, essere usato al posto dello SMI per analizzare l’architettura delle trabecole ossee.