Applications d'imagerie à rayons X pour les sciences de la vie

Obtenez plus d'informations à partir de vos échantillons de tissus minéralisés

Acquisitions osseuses multi-échelles jusqu'à l'échelle nanométrique

L'imagerie par rayons X est inestimable dans la recherche sur le squelette à la fois pour la caractérisation des échantillons et pour les mesures de morphométrie osseuse. MicroCT (µCT) est une technologie classique à rayons X utilisée pour la génération non destructive d'ensembles de données 3D. Contrairement à d'autres méthodes de microscopie, l'imagerie par rayons X peut être utilisée avec des échantillons intacts ; aucune coupe ou section n'est nécessaire.

Mesures morphométriques des os

Os long de souris avec os trabéculaire segmenté. Imagerie : ZEISS Xradia Versa ; segmentation et animation : Module d'analyse osseuse ORS Dragonfly Pro. Échantillon de la collection de Daniel Wescott, Université du Texas à San Marcos.

Quantification simplifiée de la microarchitecture osseuse

Des informations sur la structure et l'état de l'os sont révélées à l'aide de l'imagerie par rayons X et des paramètres tels que l'épaisseur trabéculaire, BV/TV ou le rapport os cortical sur os trabéculaire sont des paramètres mesurables importants à étudier. La cohérence et la reproductibilité des mesures morphométriques des os obtenues à partir d'ensembles de données µCT reposent sur l'utilisation de procédures standard pour la préparation des échantillons, l'acquisition d'images et le traitement des images¹. La gamme d'instruments à rayons X ZEISS Xradia offre des capacités de contraste élevé qui rendent ces acquisitions standard rapides et faciles.

Échantillon avec l'aimable autorisation de Daniel Wescott, Université du Texas à San Marcos.
Os long de souris segmenté et analysé pour générer certaines des mesures quantifiables standard pour l'os. Imagerie : ZEISS Xradia Versa ; segmentation, analyse et rapport : Module d'analyse osseuse ORS Dragonfly Pro.

Os long de souris segmenté et analysé pour générer certaines des mesures quantifiables standard pour l'os Échantillon avec l'aimable autorisation de Daniel Wescott, Université du Texas à San Marcos. — Échantillon avec l'aimable autorisation de Daniel Wescott, Université du Texas à San Marcos.
Os long de souris segmenté et analysé pour générer certaines des mesures quantifiables standard pour l'os. Imagerie : ZEISS Xradia Versa ; segmentation, analyse et rapport : Module d'analyse osseuse ORS Dragonfly Pro.

Évaluations pertinentes et précises de la morphométrie osseuse

ZEISS Xradia Context µCT est idéal pour l'acquisition d'échantillons dont la taille va du millimètre au centimètre et génère une qualité d'image et un contraste inégalés. Le microscope à rayons X ZEISS Xradia Versa utilise un grossissement en deux étapes pour générer des informations en plus haute résolution, même pour des spécimens plus grands, suscitant ainsi l'enthousiasme parmi les membres de la communauté de recherche sur le squelette². La combinaison de l'un ou l'autre de ces outils avec le module d'analyse osseuse Dragonfly Pro³ fournit une solution puissante et robuste pour évaluer et quantifier la microarchitecture osseuse.

Évaluation de la qualité et des propriétés mécaniques des os

Image d'une mâchoire d'ours capturée à plusieurs grossissements à l'aide de ZEISS Xradia Versa pour explorer l'interface entre la dent et la mâchoire.

De l'analyse micro à nano-structurelle

L'acquisition multi-échelle de l'os fournit une mine d'informations sur l'architecture osseuse à différentes échelles de longueur. Les multiples objectifs du microscope à rayons X ZEISS Xradia Versa permettent de caractériser l'os sur ces échelles de longueur afin de révéler les détails de la structure hiérarchique².

Image d'un poisson zèbre adulte capturée à deux résolutions différentes pour visualiser les lacunes d'ostéocyte à haute résolution dans le spécimen de poisson intact. Ensemble de données capturé à l'aide de ZEISS Xradia Versa. Animation de S. Suniaga et al (2018)⁴.

Évaluation de la santé et de la structure osseuses sur la base des lacunes d'ostéocyte

La localisation, l'orientation et le volume des lacunes d'ostéocyte peuvent être quantifiés à l'aide de données de microscope à rayons X à haute résolution⁴. Ces informations peuvent être difficiles à atteindre en utilisant le µCT traditionnel en raison des limites de résolution et de contraste⁵.

Comparaison de l'os trabéculaire et du biomatériau à base de magnésium à l'aide du XRM in situ, de la mécanique de la tomodensitométrie à rayons X et de la CVN. Avec l'aimable autorisation du Dr Roxane Bonithon, Laboratoire global Zeiss, Centre des technologies du futur, École d'ingénierie mécanique et de design, Université de Portsmouth.

Mesure de la répartition des contraintes dans le tissu osseux in situ

Comprendre la répartition des contraintes est crucial pour étudier plus avant la relation structure-fonction de l'os. La manière dont les modifications du tissu osseux ou de l'architecture des biomatériaux influencent les propriétés mécaniques et le transfert de charge dans l'os, l'articulation ou les tissus adjacents peut être évaluée. L'imagerie in situ est une approche pertinente pour effectuer de telles évaluations en 4D, car les images des échantillons peuvent être capturées dans un équipement in situ à haute résolution à l'aide de XRM Xradia Versa, puis soumises à une compression avant de répéter cette routine si nécessaire. La répartition et l'étendue de la déformation plein champ en 3D de chaque échantillon peuvent ensuite être évaluées à l'aide de la corrélation volumique numérique (CVN)⁵.

Rendement amélioré des analyses 3D dans l’os

Image d'un os cortical de souris capturée avec ZEISS Xradia Versa, reconstruit à l'aide de FDK avec 3001 projections

Image d'un os cortical de souris capturée avec ZEISS Xradia Versa, reconstruit à l'aide de DeepRecon avec 751 projections

Image d'un os cortical de souris capturée avec ZEISS Xradia Versa, reconstruite à l'aide de FDK avec 3001 projections (à gauche) et avec DeepRecon avec 751 projections (à droite). Échantillon avec l'aimable autorisation de D. Rowland, Université de Californie, Davis, États-Unis.

Réduction simultanée du bruit et du temps d'acquisition avec reconstruction pour apprentissage en profondeur

L'évaluation 3D par rayons X de la microstructure osseuse nécessite un grand nombre de points de données pour la reproductibilité et la fiabilité. La plupart des systèmes de radiographie 3D disponibles sur le marché utilisent l'algorithme Feldkamp-Davis-Kress (FDK), qui génère des images de bonne qualité, mais nécessite un nombre relativement élevé de projections et/ou de longs temps d'exposition pour réduire le bruit et les artefacts. La reconstruction par apprentissage en profondeur (DeepRecon) de ZEISS requiert moins d'images de projection 2D, réduisant ainsi les temps d'acquisition des données et améliorant jusqu'à 10 fois le débit µCT.

Sans matériel supplémentaire à faisceau de rayons X, DeepRecon augmente considérablement le rendement de l'analyse musculosquelettique 3D, en plus de réduire le bruit, pour révéler la structure et les différences subtiles dans les niveaux de gris.

  
      L'imagerie en action
      
    Centre des technologies du futur, Université de Portsmouth

Découvrez comment les microscopes à rayons X ZEISS Xradia Versa sont utilisés pour étudier la microstructure des tissus biologiques et pour effectuer des comparaisons in situ et des tests d'interaction des os et des biomatériaux, de l'échelle macro à l'échelle nanométrique.

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