Three-dimensional quantitative analysis of bone microvasculature in synchrotron micro-CT imaging
Analyse quantitative tridimensionnelle de la microvascularisation osseuse en imagerie micro-CT synchrotron
Résumé
Breast cancer is the most frequently diagnosed cancer in women worldwide. Breast cancer bone metastases cannot only bring about bone destructions but also facilitate the formation of undesirable vascularization. Angiogenesis is the formation of new blood vessels and can be a rate-limiting step in the growth of metastatic bone tumors. It is necessary to develop efficient methods to image and analyze three-dimensional (3D) bone and vessels. Synchrotron radiation microcomputed tomography (SR-μCT) has a significant advantage of yielding high spatial resolution images with a high signal-to-noise ratio. SR-µCT has been applied to the quantitative analysis of bone up to the micrometer scale. In addition, SR-µCT coupled with a contrast agent permitted to visualize simultaneously the 3D bone microstructures and vascular networks in preclinical studies. Segmentation is an important step in image analysis. Previously, the bone and vessels of rats, simultaneously imaged using SR-µCT with a contrast agent, have been segmented automatically using 3D region growing method. To make more models of pathologies available, it would be desirable to image mice. However, this transition is not straightforward. As opposed to in rat bone, vessels may appear to be in contact with the bone surface in mice. This precludes the correct segmentations of bone and vessels using 3D region growing. In this thesis, we proposed an algorithm based on marker-controlled watershed in conjunction with the monogenic signal phase asymmetry. To evaluate the accuracy and robustness of the proposed method, a series of synthetic volumes were generated to mimic the real vessel, bone and background structures. Different contrasts between various compartments, different noise levels, as well as the segmentation of thin structure were considered. The simulation study indicates that the algorithm is performant in other multi-class segmentation problems. We reported the application of the proposed method to the real datasets. 3D SR-μCT was used to image the bone vasculatures on tibia of mice, with contrast agent. The segmentation quality was evaluated using the Dice coefficient and the Matthews correlation coefficient (MCC) by comparing to the manual segmentations on representative small volumes. The results indicate that segmentation quality with the proposed method is much improved compared to hysteresis thresholding or gradient based watershed segmentations. To characterize bone and vasculatures, several quantitative parameters were extracted. Finally, statistical analysis was performed to study the influence of anti-angiogenesis drugs on bone and vessels, in the context of breast cancer bone metastases.
Le cancer du sein est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les femmes dans le monde entier. Les métastases osseuses du cancer du sein provoquent non seulement des destructions osseuses, mais entrainent également la formation d'une vascularisation indésirable. L'angiogenèse tumorale est une prolifération nécessaire d'un réseau de vaisseaux sanguins qui fournit des nutriments et de l'oxygène et élimine les déchets. Il est donc nécessaire de développer les outils d'évaluation des médicaments anti-angiogéniques. La micro-tomographie par rayonnement synchrotron (SR-μCT) a été appliquée à l'analyse quantitative de l'os trabéculaire humain jusqu'à des échelles inférieures au micromètre. En outre, la SR-µCT couplée à l'utilisation d'un agent de contraste a permis de visualiser simultanément les microstructures osseuses 3D et les réseaux vasculaires chez la souris ou le rat. La segmentation est une étape importante dans l'analyse des images. Auparavant, notre groupe a proposé un protocole d'analyse automatique des images, basé sur le seuillage par hystérésis et le filtrage morphologique, a été conçu pour segmenter les différents compartiments osseux et les vaisseaux. Cependant, l’application de la méthode proposé précédemment chez la souris ne s’est pas révélée suffisante. Dans le cadre de cette thèse, nous disposions d’images d’os et de vaisseaux du tibia de souris ont été simultanément imagés simultanément à l'aide de SR-μCT avec agent de contraste, dans le contexte d’une étude sur le traitement de métastases osseuses dans un modèle animal de cancer du sein. L’objectif était de proposer un protocole automatique pour segmenter les deux classes, os et vaisseaux, de le valider, et de l’appliquer à la série d’images SR-μCT. Après une étude bibliographique, nous nous sommes orientés vers une méthode basée sur les bassins versants contrôlés par des marqueurs avec l'asymétrie de phase du signal monogénique. Pour ce qui est de l’évaluation de la méthode, nous avons envisagé différents critères de qualité, donc le classique coefficient de Dice et proposé d’utiliser le coefficient de corrélation de Matthews (MCC). D’une part, cette évaluation a été réalisée à partir de segmentations manuelles sur des petits volumes représentatifs. D’autre part, la précision et la robustesse de la méthode proposée ont été évaluées sur une série de volumes synthétiques générés pour imiter les structures réelles des vaisseaux, des os et du fond. Différents contrastes entre divers compartiments, différents niveaux de bruit, ainsi que la segmentation de la structure mince ont été pris en compte. La méthode a ensuite été appliquée aux volumes expérimentaux disponibles répartis dans différents groupes. Finalement une analyse quantitative a été réalisée en calculant différents paramètres pour caractériser les microstructures et les vaisseaux sanguins des os. En outre, une analyse statistique des différents groupes a été effectuée à l'aide de tests appropriés.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|