Use of micro-computed tomography for bone evaluation in dentistry

ABSTRACT

Abstract Micro computed tomography (µCT) follows the same principle of computed-tomography used for patients, however providing higher-resolution. Using a non-destructive approach, samples can be scanned, and each section obtained is used to build a volume using tridimensional reconstruction. For bone analysis, it is possible to obtain information about the tissue's microarchitecture and composition. According to the characteristics of the bone sample (e.g. human or animal origin, long or irregular shape, epiphysis or diaphysis region) the pre-scanning parameters must be defined. The resolution (i.e. voxel size) should be chosen taking into account the features that will be evaluated, and the necessity to identify inner structures (e.g. bone channels and osteocyte lacunae). The region of interest should be delimited, and the threshold that defines the bone tissue set in order to proceed with binarization to separate the voxels representing bone from the other structures (channels, resorption areas, and medullary space). Cancellous bone is evaluated by means of the trabeculae characteristics and their connectivity. The cortex is evaluated in relation to the thickness and porosity. Bone mineral density can also be measured, by the amount of hydroxyapatite. Other parameters such as structure-model-index, anisotropy, and fractal dimension can be assessed. In conclusion, intrinsic and extrinsic determinants of bone quality can be assessed by µCT. In dentistry, this method can be used for evaluating bone loss, alterations in bone metabolism, or the effects of using drugs that impair bone remodeling, and also to assess the success rate of bone repair or surgical procedures.

RESUMO

Resumo A microtomografia computadorizada segue o mesmo princípio da tomografia computadorizada utilizada para avaliação dos pacientes, mas neste caso, é empregada para pequenas amostras com alta resolução. De forma não destrutiva, as amostras podem ser escaneadas, e cada fatia obtida é organizada de forma seriada para formar um volume tridimensional (3D). Para análise óssea, é possível obter informações de microarquitetura e composição mineral, permitindo avaliação distinta entre diferentes sítios. De acordo com as características de cada amostra óssea, como amostras de humanos, animais, ossos longos ou achatados, epífise ou diáfise, etc, devem ser definidos os parâmetros pré-escaneamento com a resolução desejada, levando em consideração quais informações serão extraídas da avaliação. Depois do escaneamento e da reconstrução, deve-se proceder com a seleção da região de interesse (ROI), e depois seguir com o processo de binarização, que se caracteriza pela escolha de um limiar que define os voxels que compõem a região de osso e àqueles que compõem a região dos buracos (canais, áreas de reabsorção e espaço medular). No osso trabecular e no reparo os parâmetros avaliados se baseiam nas características das trabéculas e sua conectividade. No osso cortical os parâmetros estão relacionados com a espessura e porosidade. Além dos parâmetros de microarquitetura, também é possível avaliar a densidade mineral óssea, calculada por volume de hidroxiapatita. Outros parâmetros também podem ser mensurados, utilizando técnicas computacionais como a análise de textura. Parâmetros intrínsecos e extrínsecos da qualidade óssea podem ser avaliados pela microtomografia computadorizada. Na odontologia, este método pode ser empregado em estudos que objetivem avaliar doenças, alterações metabólicas e medicamentos com repercussão no metabolismo ósseo, e na avaliação do processo de reparo e de técnicas cirúrgicas.