Utvärdering av osseointegration

Transkript

1 VETENSKAP & KLINIK Utvärdering v osseointegrtion SAMMANFATTAT Dtoriserd bildnlys kn utomtiser kvntifieringen v benvävnd kring implntt. Utöver metoder för kvntifiering i både två och tre dimensioner, hr två visuliseringsmetoder i 3D v kontkten melln ben och implntt utvecklts. med hjälp v dtoriserd bildnlys Referentgrnskd Accepterd för publicering 18 september 2012 Hmid Srve teknologie doktor, Centrum för bildnlys, Uppsl universitet, Uppsl; Avdelningen för orl protetik/odontologisk mterilvetenskp, Institutionen för odontologi, Shlgrensk kdemin, Göteborgs universitet, Göteborg E-post: hmid@cb.uu.se Crin B Johnsson prof, Avdelningen för orl protetik/odontologisk mterilvetenskp, Institutionen för odontologi, Shlgrensk kdemin, Göteborgs universitet, Göteborg Gunill Borgefors prof, Centrum för bildnlys, Uppsl universitet, Uppsl Bertil Friberg ötdl, doc, Brånemrkkliniken, Göteborg D en initil definitionen v osseointegrering bserdes på ljusmikroskopisk nivå. Den gängse metoden för utvärdering v reviderde implntt sker fortfrnde i trditionell ljusmikroskop. Ett så kllt icke urklkt slipsnitt, med ben och implntt in situ, tillverks med speciell hårdvävndstekniker på lbortoriet. Vävnden färgs histologiskt (figur i) och därefter görs en kvlittiv och kvntittiv nlys v till exempel ben implntt-kontkt. Processen är tidskrävnde och rutinmässigt nlysers ett centrlt snitt v provet, vilket inte ger en fullständig bild v den totl integrtionen. Dgens dtteknik möjliggör snbb nlys v digitl bilder som hr vrit för stor för tt kunn berbets med dåtidens dtorprestnd. Ut över dett hr bildlstringsteknikern förbättrts, vilket hr lett till större mängd och ny typer v digitl bilder. I dg kn mycket v nlysen görs med hjälp v dtoriserd bildnlys, där mn med hjälp v mtemtik och dtvetenskp utvinner informtion ur digitl bilder. I denn rtikel beskrivs hur dtoriserd bildnlys hr nvänts (och kn nvänds) som ett kompletternde verktyg för utvärdering v osseo integrtion. Metoden bör kunn ge oss mer informtion och förståelse för osseointegrtionsprocessen. 3d-tomogrfi Sedn introduktionen på 70-tlet, hr tomogrfitekniken utvecklts så tt mn med mycket hög Figur i Ett histologiskt infärgt så kllt slipsnitt (0,015 mm tjockt) v implntt med omkringliggnde vävnd. En stor del v benvävnden (blå-lil)är i god kontkt med implnttytn (svrt). Cementlinjer liksom remodelleringskviteter syns i benvävnden, och i benmärgen (vitt område) ses fettceller. Avståndet melln gängtopprn är 0,6 mm. 66

2 Srve et l: Utvärdering v osseointegrtion upplösning i tre dimensioner kn vbild ben och implntt [1]. Dess tredimensionell bilder ger en utökd förståelse för hur väl benet integrert med implnttet jämfört med vnlig ljusmikroskopi. Med hjälp v helt ny mtemtisk metoder kn vi nu konstruer och beräkn ett ntl objektiv mått på osseointegrtionen. Den stor svårigheten med vnlig 3d-tomogrfi är tt skillnden i densitet melln metllen i implnttet och benvävnden ger störningr i bilden som helt döljer benvävnden i gränssnittet ben metll. Den end bildlstringsteknik som i dg kn vis gränssnittet i högupplöst tredimensionell bildvolymer är srμct (Synchrotron Rdition micro-computed Tomogrphy), vilken nvänts för tt vbild implntten med omkringliggnde ben. Denn teknik kräver stor synkrotronnläggningr som endst finns på ett femtiotl ställen i världen. Synkrotronen ccelererr prtiklr till hög energi i en lgringsring som kn h en omkrets på fler hundr meter till ett pr kilometer. Tngentiell tunnlr leder ut synkrotronstrålningen från de lddde prtiklrn till målområdet, där bildlstringen sker. Bildvolymer lstrde med hjälp v denn teknik hr mindre b Figur ii En serie v srµct 2D-snitt (). Dess sätts sedn ihop till en tredimensionell bildvolym som kn ytrenders (b), där implnttet viss i blått och benvävnden i gult. Implnttet från femur kondylregion på rått. Figuren är publicerd i Hmid Srves doktorsvhndling [6].»Med hjälp v helt ny mtemtisk metoder kn vi nu konstruer och beräkn ett ntl objektiv mått på osseointegrtionen.«mängd brus och rtefkter jämfört med trditionell μct-teknik (micro-computed Tomogrphy). Emellertid hr även μct-pprtern på senre år utvecklts och ger i dg bildvolymer med bättre kvlitet (Xrdi μct, Innventi b, Stockholm). Kvntittiv dt ger inte mterilforskrn ll informtion som finns i den tomogrfisk bilden. Existernde metoder för vetenskplig visulisering fungerr dåligt på den här typen v bilder. Därför hr även ny metoder utvecklts för tt så tydligt som möjligt i bild vis hur benet kpslr in och integrerr runt om implnttet. Således kn gråsklezoner i benvävnden möjliggör nlys v benkvlitet. mteril och metoder De preprt som hr nvänts i vår studier är huvudskligen titnimplntt som reviderts med omkringliggnde benvävnd från försöksdjur smt även revidert humnt mteril. Dess preprt hr sknnts med hjälp v olik tomogrfiutrustningr. De srμct-bildvolymer (figur ii) som hr nyttjts i studien, hr genererts med utrustning från hzg (Helmholtz-Zentrum Geesthcht) vid hsylb (Hmburger Synchrotronstrhlungslbor), desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron), Hmburg, Tysklnd. Efter 3d-bildlstringen processs preprten till 15 μm tunn icke urklkde slipsnitt med implnttet in situ som sedn färgs histologiskt. Snitten grnsks i ljusmikroskop med vseende på vävndsutseende, det vill säg kvlittiv och även kvntittiv integrtion. För tt erhåll kvntittiv dt nvänds olik bildnlysprogrm. Generellt sett är smtlig tidskrävnde, och än så länge är semi-utomtisk progrm tt föredr, frmför llt då det hndlr om olik typer v vävnder och celler som dtorn hr svårt tt särskilj jämfört med ett tränt ög och histologisk kunskper. Emellertid rbetr vi med tt utveckl nvändrvänlig bildnlysprogrm, blnd nnt för tt utvidg rsenlen v mätmetoder som kompletterr de existernde. resultt För tt utomtiser utvärderingen v 2d-snitt, hr bildnlysmetoder för kvntifiering v benvävnd runt benimplntt utvecklts och progrmmerts [2, 3]. Med sttistisk metoder dels bilden upp i olik klsser, så klld bildsegmentering. Kontktlängd melln ben och implntt smt benvävndens re kvntifiers i utvld regioner. För tt gör de utvecklde bildnlysmetodern kommersiellt tillgänglig hr kvntifierings- Fly through-nimtioner kn ses på i nslutning till denn rtikel. Animtionern följer implnttskruvens gäng i volymbilden (lstrd med hjälp v Synchrotron Rdition µct) smtidigt som kvntittiv mått för den ktuell positionen viss. Dess implntt hr reviderts efter 29 år in situ. 67

3 VETENSKAP & KLINIK Figur iii En så klld skärmdump v ett histologiskt snitt som är inläst i Cunto Implnt, progrmmet som nvänds för tt kvntifier vävnden runt implnttet. progrmmet Cunto Implnt [4] skpts, vilket möjliggör en nvändrvänlig kvntittiv nlys (figur iii). De ny tomogrfisk metodern gör det möjligt tt gör tredimensionell kvntifieringr v benvävnden kring implntt. Dett ger övergripnde informtion om benväxten runt hel implnttet och inte br i ett centrlt snitt. Metoder för tt följ implnttskruvens gäng och kvntifier benvävnden längs gängn hr utvecklts v Srve et l och ny särdrg för 3dkvntifiering hr introducerts [5] (figur iv). En kombintion v dgens trditionell nlys tillsmmns med de nu introducerde 3d-metodern ger en mer heltäcknde bild v integrtionen. Den nyutvecklde 3d-kvntifieringen sker längs gängn över hel implnttet och resulttet viss som ett digrm med rottionsvinkeln kring implnttets xel. Två helt ny intressnt visuliseringsmetoder hr tgits frm v Srve et l [7]. Den en, thred fly-through, följer implnttskruvens gäng i volymbilden smtidigt som kvntittiv mått för den ktuell positionen viss (figur v). En ndr metod, 2d unfolding, viker ut skruvens yt på vilken utvld prmetrr hr projicerts (figur vi). Dess båd skräddrsydd visuliseringsmetoder ger en översikt v preprtets totl osseointegrtion. diskussion Bildnlys är ett krftfullt verktyg för tt utomtiser kvntifieringr v fler integrtionsmått. En stor utmning är tt utveckl robust segmenteringsmetoder för tt minsk risken för felklssificeringr. Den nyutvecklde 3d-nlysen ger biomterilforskre, med fler, möjlighet tt nvänd de ny vbildningsteknikern. Med Ben implntt-kontkt b Benre och förhållndet melln R (fylld) och M (streckd) Procent Procent π 4π 6π 8π 10π Rottion Figur iv () Ben implntt-kontkt, bic, och (b) förhållndet melln ben i innergängn = referensgängn, R, och i den speglde gängn utnför = mirror imge, M. Figuren är publicerd i Hmid Srves doktorsvhndling [6]. 0 2π 4π 6π 8π 10π Rottion 68

4 Srve et l: Utvärdering v osseointegrtion Figur v Fyr utvld stillbilder från en fly through-nimtion för olik tidpunkter i nimtionen. Stillbildern visr grfer som beskriver ben implntt-kontkten och benre, smt positionen i skruven. Animtionen kn i sin helhet ses vi Du kn även nå denn länk vi b Figur vi 2D-utvikning v ben implnttkontkt () och benre (b). De vertikl linjern (vit i 3D-renderingrn och svrt i 2Dutvikningrn) visr motsvrnde vinkel i de olik bildern. De streckde linjern visr gängtopprn. Preprtet är revidert humnt implntt. Figuren är publicerd med tillstånd v Clinicl Implnt Dentistry nd Relted Reserch. 69

5 VETENSKAP & KLINIK Figur vii Röntgenologiskt sttus vid 28-årskontroll v ptient som erhållit sex implntt i överkäken Det mest posterior implnttet vänster sid frkturerde efter 15 år, men kunde reprers och nvänds i ytterligre 14 år. Motsvrnde implntt höger sid frkturerde efter 27 år.»i tkt med tt dess tekniker utveckls kn morgondgens forskre dr stor nytt v de utvecklde metodern.«mått beräknde på hel implnttet bli utvärderingen mer komplett. Dess metoder bidrr till en utökd kvntittiv och kvlittiv (gråsklebilder referernde till klciuminnehåll) utvärdering v benvävnden kring implntt. Direkt ben implntt-kontkt (osseointegrtion), liksom detljer på cellulr nivå, kn inte utläss ur 3d-mteril ännu, vrför 2d-histologisk slipsnitt fortsättningsvis kommer tt nvänds i kvlittiv nlyser. Vidre kn ett rutinmässigt nvändnde v tomogrfisk metoder försvårs eftersom 3d-bildlstringen fortfrnde kräver stor fciliteter. I tkt med tt dess tekniker utveckls kn morgondgens forskre dr stor nytt v de utvecklde metodern. De mätmoduler som vi utvecklt, och som är komplement till redn existernde, vilk är för»oprktisk«för tt kunn nvänds, genomgår tester. Vi förutser tt dtoriserd bildnlys kommer tt möjliggör ny sätt tt kvntifier implnttintegrtion i benvävnd. konklusion n Dtoriserd bildnlys bidrr till tt snbb upp den kvntittiv nlysen v mikroskopibilder på histologisk snitt. n 3d-dt är ett viktigt komplement till histologisk 2d-snitt. n Bildstringstekniken Synchrotron Rdition microcomputed Tomogrphy (srμct) genererr bildvolymer v benimplnttpreprt med färre rtefkter än trditionell microcomputed Tomogrphy (μct). n Skräddrsydd visulisering underlättr förståelsen v volymbildsdt och ger ökde möjligheter tt studer revidert mteril. klinisk relevns De nyligen frmtgn metodern hr nvänts för tt studer osseointegrtionen kring så kllde Brånemrkimplntt, vilk reviderts efter 29 år in situ (figur vii). Integrtionen hr studerts på fler sätt, både med 3d- och 2d-metoder (figur vi och viii). De olik dt som genererts kompletterr vrndr och en mer komplett bild v osseointegrtionen hr nyligen presenterts [8]. Benvolymsberäkningr kn inte utförs på 2d-mteril och ben implntt-kontkter i det exkt gränssnittet låter sig inte görs på 3d-mteril. I denn studie är bic mätt 10 μm utnför implntten, vilket är långt mycket bättre jämfört med ndr studier som mäter bic μm utnför interfcen. Belstning v benvävnd är svårt tt studer i 2d medn 3d-tomogrfi lämpr sig väl för dett. Den klinisk relevnsen v studien resulterr i en ökd förståelse för osseointegrtionsprocessen och visr på ny möjligheter tt studer revidert mteril på. De olik kompetenser som bidrgit visr på nyttn v tvärvetenskplig smrbeten för tt generer ny forskningsmetoder. english summry Evlution of osseointegrtion using imge nlysis Hmid Srve, Crin B Johnsson, Gunill Borgefors nd Bertil Friberg Tndläkrtidningen 2012; 104 (12): Computerized imge nlysis, the discipline 70

6 Srve et l: Utvärdering v osseointegrtion b c Figur viii.»rutin-2d«) Översiktsbild v slipsnitt från revidert humnt implntt (figur vii). b) Högre förstoring v det pikl hålet uppvisnde god osseointegrtion. c) bic (ben implntt-kontkt) mätt och illustrert i fyr olik områden längs med gängprofilen. d) Ljusmikroskopisk 2D-mätningr v ben implnttkontkt i fyr områden längs gängprofilen i im pln ttinterfcen: Osseointegrtionen (bic) är störst i gängbotten (1 = 79 procent) och lägst i gäng-spets-området (3 = 28 procent). Att jämförs med medelvärdet v bic för implnttet som är 51 procent. d Gängtopp Flnk (ner) Botten Flnk (upp) of using computers to utomticlly extrct quntittive informtion from digitl imges, is powerful tool for utomting time-consuming nlysis tsks. In this rticle, we describe imge nlysis nd visuliztion methods tht fcilitte the evlution of osseointegrtion. The quntifiction step of the evlution is utomted nd pckged in softwre, Cunto Implnt. This softwre clssifies the pixels of the histologicl microscopy imges s bone tissue, non-bone tissue or implnt. Subsequently, bone re nd bone implnt contct length in regions of interest re quntified. The utomted method speeds up nd fcilittes the evlution of osseointegrtion in the reserch lbortories. Furthermore, we describe how the 2d nlysis is extended to 3d, or volume, imges nd present novel methods for visuliztion of the 3d dt. The imging hs been mde by Synchrotron Rdition micro-computed Tomogrphy (srμct) device. 3d nlysis methods, which follow the helix shped implnt thred nd collects quntified fetures long the pth, re presented. However, nd to the best of our knowledge, interfcil bic cnnot be relibly visulized since the limited imge resolution nd imging rtifcts msk the interfce. In our smples the 3d bic is performed bout 10 μm from the ctul interfce. This problem is not highlighted in other studies deling with 3d bic dt. The 3d imge volumes re visulized using two novel visuliztion methods: thred fly-through nd 2d unfolding. The former follows the helixshped implnt thred from the top of the implnt to the bottom nd extrcts slices from the imge volumes which re ssembled into n nimtion. Along with the slices, trditionl fetures, reveling informtion bout the bone-implnt integrtion, re computed nd presented. The second method, 2d unfolding, mkes mpping of the implnt surfce, with projected feture informtion, to 2d imge. These visuliztion methods provide simple overview of the osseointegrtion for the whole smple, nd in n ppeling nd esily understndble wy disply the most relevnt informtion. REFERENSER 1. Robb R. Biomedicl imging: pst, present nd predictions. Journl of Medicl Imging Technology 2006; 24 (1): Srve H, Lindbld J, Johnsson C B, Borgefors B, Stenport V F. Quntifiction of bone remodelling in the proximity of implnts. In proceedings of the 12th interntionl conference on Computer Anlysis of Imges nd Ptterns (CAIP). 2007; Lecture Notes of Computer Science 4673: pp Lindbld J, Sldoje N, Curic V, Srve H, Johnsson C B, Borgefors G. Improved quntifiction of bone remodelling by utilizing fuzzy bsed segmenttion. In proceedings of the 16th Scndinvin Conference on Imge Anlysis (SCIA). Potentiell bindningr eller jävsförhållnden: Ing uppgivn. 2009; Lecture Notes of Computer Science 5575: pp [ccess ] 5. Srve H, Lindbld J, Borgefors G, Johnsson C B. Extrcting 3D informtion on bone remodelling in the proximity of titnium implnts in SRμCT imge volumes. Comput Methods Progrms Biomed 2011; 102: Srve H. Evlution of osseointegrtion using imge nlysis nd visuliztion on 2D nd 3D imge dt. Doctorl thesis. Uppsl: Swedish university of griculturl sciences (SLU); Avilble from: thesis/ [ccess ] 7. Srve H, Lindbld J, Borgefors G, Johnsson C B. Methods for visuliztion of bone tissue in the proximity of implnts. In proceedings of the Interntionl Conference on Computer Vision nd Grphics (ICCVG). 2010; Lecture Notes of Computer Science 6375; Srve H, Friberg B, Borgefors G, Johnsson C B. Introducing novel nlysis technique for osseointegrted dentl implnts retrieved 29 yers post surgery. Clin Implnt Dent Relt Res 2011; DOI: / j x. 71