imaging framework to assess bone ultrastructure - ETH E

Diss. ETH No. 23161
IMAGING FRAMEWORK TO ASSESS BONE
ULTRASTRUCTURE ORGANIZATION
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
MARIOS GEORGIADIS
Dipl.–Ing. (Mechanical Engineering), NTUA, GR
M.Sc. (Biomedical Engineering), ETH Zurich, CH
born on 23.08.1984
citizen of Greece
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Ralph Müller
Dr. Philipp Schneider
Dr. Oliver Bunk
2015
Summary
Bone has a remarkable set of mechanical properties, imparted by its composite, hierarchical
structure. The importance of bone’s organization at the macroscopic level (e.g. the combination
of cortical and trabecular bone) and microstructural level (e.g. the trabecular microarchitecture)
has been long acknowledged. However, the effect of bone’s organization at the ultrastructural
level on its competence has not been proven to date, although many studies have provided data
on local effects of ultrastructure on mechanical properties and function of bone. The main
reason for that has been the lack of techniques to quantify bone’s ultrastructure organization
(namely, the orientation and arrangement of mineralized collagen fibrils) for bone volumes larger
than a few μm3 –a billionth of the size of a pinhead.
The scope of this thesis was to investigate trabecular bone ultrastructure organization. For this, 3
research aims were set: i) the development of an imaging framework for assessing bone
ultrastructure orientation and arrangement, ii) the investigation of bone ultrastructure
organization in trabeculae, and iii) the study of biomechanical implications of bone ultrastructure
organization.
As a first research step, a new method was developed, named 3D scanning small-angle X-ray
scattering (3D sSAXS), based on scanning small-angle X-ray scattering (sSAXS), in order to
assess the orientation and arrangement of trabecular bone ultrastructure. In this method, thin
sections of bone are raster-scanned with a micro-focus X-ray beam under different rotation
angles. By using a mathematical framework to analyze the data from the diffraction patterns, the
3D orientation and degree of orientation (DO) of the ultrastructure are derived. When
consecutive sections are combined, the result is the ultrastructure organization maps of whole
trabeculae. The method was validated using polarized light microscopy as a gold standard, while
its accuracy was validated for different sample tilt angles.
Once the method was established, we employed it to study the ultrastructure organization of 22
trabeculae from human vertebral trabecular bone of four subjects in different decades of their
life. The level of DO and its distribution was similar for all trabeculae, suggesting that bone
ultrastructure is controlled overall more by the biology of its modeling and remodeling, rather
than by trabecular features such as trabecular size, shape, orientation or the age and gender of the
subject. Highly oriented ultrastructure was observed to be arranged in domains, with regions of
lower DO in-between. Moreover, we found that ultrastructure was associated with
microarchitecture; ultrastructure orientation was mostly parallel to the nearest trabecular surface,
and tended to be less oriented towards the core of the trabecula. High DO domains were
observed to be located preferentially near the trabecular surface. Ultrastructure was found to be
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influenced by curvature: the more concave the structure, the higher the DO, whereas more
convex structures were associated with lower ultrastructure DO.
We further went on to investigate possible biomechanical implications of ultrastructure
organization in human trabecular bone. For this we employed image-guided failure assessment
(IGFA), where a cylindrical trabecular specimen was step-wise compressed while a synchrotron
radiation computed tomography (SR CT) image of the structure was acquired at each step.
Consequent deformable image registration and strain mapping procedures allowed deriving the
local displacements and strains for all voxels of the vertebral trabecular network. The
ultrastructure organization of 5 trabeculae of the network was examined with 3D sSAXS.
Furthermore, finite element analyses (FEA) were performed at a global level, for the whole
trabecular network, as well as at a local level, for the five individual trabeculae. The experimental
displacements were used as boundary conditions in all cases. The global FEA involved a
homogeneous and isotropic material model, whereas for the local analysis two material models
were used: one homogeneous and isotropic model, and one where the local anisotropy
information from the 3D sSAXS experiments was integrated in the material properties of each
element. We did not observe any correspondence between the level of DO and the strain levels.
This observation was valid for experimental and computational strains, and for all the effective
and principal strains. Moreover, inclusion of the experimental material anisotropy did not
significantly change the mechanical behavior of the trabecula.
In conclusion, within the framework of this thesis, a new method to assess the ultrastructure
orientation and arrangement of materials was developed, and named 3D sSAXS. The method
was applied in human vertebral trabecular bone, in order to study its ultrastructure organization.
Results provided new data on the ultrastructure orientation and arrangement within trabeculae,
and suggested relationships between ultrastructure and microarchitecture. Finally, we investigated
possible biomechanical implications of the ultrastructure organization. No correspondence was
found between ultrastructure organization and local strains derived experimentally or
computationally. The research presented in this thesis can trigger further investigations
concerning ultrastructure orientation and arrangement of bone and other materials, and can lead
to an improved understanding of structure and function of an exciting material, (human) bone.
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Sommario
Il tessuto osseo presenta differenti proprietà meccaniche, le quali sono da attribuire alla sua
composizione e alla sua struttura gerarchica. L’importanza dell’organizzazione ossea a livello
macroscopico (ad es. la combinazione tra osso corticale e trabeculare ) e microscopico (ad es. la
microarchitettura trabeculare) è nota da lungo tempo ai ricercatori. Sebbene molti studi abbiano
investigato l’effetto dell’ultrastruttura sulle proprietà meccaniche dell’osso e la sua funzione a
livello locale, l’influenza dell’organizzazione ossea a livello ultrastrutturale non è ancora stata
compresa. La ragione principale di questa lacuna è l‘assenza di una tecnica adeguata per
quantificare l’ultrastruttura ossea a livello microscopico (più precisamente l’orientamento e
l’organizzazione delle fibre di collagene mineralizzate) in regioni più grandi dei pochi micrometri
finora possibili da analizzare – un miliardesimo del volume di una capoccia di spillo quindi.
L’obiettivo di questa tesi è stato investigare l’organizzazione ultrastrutturale dell’osso trabeculare.
Per raggiungere questo scopo, la tesi è stata divisa in tre obiettivi specifici: i) Lo sviluppo di una
metodologia per misurare l’orientamento e l’organizzazione dell’ultrastruttura trabeculare, ii)
L’investigazione dell’orientamento e dell’organizzazione dell’ultrastruttura trabeculare e iii) Lo
studio delle implicazioni biomeccaniche di suddetto orientamento e organizzazione.
Come primo passo in questa ricerca, un nuovo metodo ribatezzato 3D scanning small-angle X-ray
scattering (3D sSAXS) è stato sviluppato. Questa tecnica è basata sulla scansione per mezzo di
scanning small-angle X-ray scattering (sSAXS). Lo sviluppo di quest’ultima a poi quindi portato alla
creazione di un nuovo metodo di quantificazione, con il quale è possibile analizzare
l’organizzazione e l’orientamento dell’ultrastruttura in fini sezioni d’ossa. Questo nuovo
procedimento implica la scansione del campione con un raggio focalizzato di raggi X, la quale
viene ripetuta varie volte con diverse inclinazioni della sezione. I dati raccolti sono poi elaborati
per mezzo di funzioni matematiche che estrapolano lo schema di diffrazione. L’orientamento in
3D e il grado d’orientamento (GDO) dell’ultrastruttura sono così derivati. Scansionando poi
sezioni consecutive, si può quindi ottenere l’organizzazione dell’ultrastruttura d’intere trabecule.
Questo metodo è stato validato tramite la comparazione con microscopia polarizzata, reputata la
norma per questa tipologia di misurazioni. L’accuratezza delle nostre misure è stata invece
validata tramite una serie di misurazioni ripetute con angolature differenti sullo stesso campione.
Una volta che il metodo è stato stabilito, lo abbiamo utilizzato per studiare l’organizzazione
dell’ultrastruttura di 22 trabecule umane di 4 soggetti in diverse decadi della loro vita. Il livello di
GDO e la sua distribuzione è stato riscontrato simile in tutte le trabecule. Questi dati
suggeriscono che l’ultrastruttura ossea sia controllata piuttosto dalla biologia di modellazione e
rimodellazione ossea che da caratteristiche trabeculari come ad esempio forma, dimensione,
orientamento o età e genere del soggetto. Strutture altamente orientate sono state riscontrate in
zone specifiche, separate tra di loro da regioni tendenzialmente meno orientate. Abbiamo anche
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scoperto che l’ultrastruttura era associata alla microstruttura. L’ultrastruttura era infatti orientata
lungo la superficie della trabecula più vicina, tendendo poi ad un grado d’orientamento più basso
verso il centro della stessa. Regioni con alto livello di GDO sono state riscontrate in prossimità
della superficie della trabecula. È stato anche scoperto che l’ultrastruttura è apparentemente
influenzata dalla curvatura: più la struttura risulta concava, maggiore è stato il grado di GDO
riscontrato. In zone dove invece la struttura appare convessa, il grado di GDO è stato basso.
Abbiamo quindi poi analizzato le implicazioni a livello biomeccanico dell’organizzazione
ultrastrutturale nell’osso trabeculare umano. Per compiere quest’analisi abbiamo utilizzato imageguided failure assessment (IGFA). Con questa tecnica abbiamo analizzato un campione d’osso
trabeculare cilindrico in diverse fasi di compressione. Durante la compressione, immagini
tomografiche di questa struttura trabeculare durante la compressione sono state acquisite tramite
synchrotron radiation computed tomography (SR CT). Le tomografie ottenute sono state poi adoperate
per ottenere una mappa delle tensioni nelle trabecule e della loro deformazione per tutti i voxel
della struttura trabeculare. Questa mappa è stata poi comparata con le informazioni ottenute
tramite 3D sSAXS sull’orientamento dell’ultrastruttura. Ci siamo focalizzati sull’organizzazione
dell’ultrastruttura di cinque trabecule del cilindro trabeculare menzionato. In aggiunta, un’analisi
di tutta la struttura trabeculare del campione tramite l’analisi degli elementi finiti (FEA) è stata
compiuta a livello globale e anche a livello locale nelle cinque trabecule menzionate. Gli
spostamenti sperimentali sono stati adottati come condizioni al contorno per tutti i casi. Il
modello FEA globale è stato basato sul presupposto che il materiale osseo sia omogeneo e
isotropico. Per il modello locale invece sono stati usati due modelli distinti: il primo omogeneo e
isotropico, e il secondo con l’integrazione dell’anisotropia locale derivata dalle misure ottenute
tramite gli esperimenti effettuati con 3D sSAXS in ogni elemento del modello. Non abbiamo
potuto osservare nessuna correlazione tra livello di GDO e tensione ottenuta tramite il modello
FEA. Quest’osservazione è stata riscontrata sia nelle tensioni sperimentali che nelle tensioni
computazionali e sia per le tensioni effettive che per le tensioni principali. Infine, l’inclusione di
informazioni sull’anisotropia del materiale ottenute sperimentalmente non ha significativamente
cambiato l’interpretazione del comportamento meccanico della trabecula.
In sintesi, nell’ambito di questa tesi è stato sviluppato un nuovo metodo di analisi
dell’orientamento dell’ultrastruttura e dell’organizzazione dei materiali, ribattezzato 3D sSAXS.
Questo metodo è stato applicato allo studio dell’osso trabeculare nelle vertebre umane per
studiarne l’organizzazione ultrastrutturale. I risultati hanno portato a nuove conoscenze
sull’orientamento dell’ultrastruttura e l’organizzazione all’interno della trabecula. Questi risultati
suggeriscono una stretta relazione tra ultrastruttura e microarchitettura. Infine, abbiamo studiato
possibili implicazioni a livello biomeccanico dell’organizzazione dell’ultrastruttura. Nessuna
relazione tra l’organizzazione dell’ultrastruttura e tensioni locali derivate sperimentalmente o in
maniera computazionale è stata riscontrata. I risultati presentati in questa tesi hanno il potenziale
di aiutare future ricerche concernenti l’orientamento dell’ultrastruttura e l’organizzazione
dell’osso o di altri materiali. Queste nuove analisi possono potenzialmente migliorare la
comprensione di materiali appassionanti come lo è l’osso umano.
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