Computer tomography analyses of bone at different image resolution: effect on the tissue mechanical and morphometric properties

This study investigates the structural and mechanical properties of bone tissue using high-resolution micro-computed tomography (μ-CT) imaging and computational analysis. Six bone samples from radius, femoral neck and lumbar vertebra of male and female patients were analyzed using micro-CT imaging to obtain high-resolution images (24 μm). Additionally, one imaging dataset was obtained using the lowest possible machine resolution (96 μm). Subsequently, through resampling and blurring processes, low-resolution images were generated: 96 μm images to quantify the effect of resampling and 240 μm images to resemble CAT scans. The values of relevant parameters obtained from morphometric analyses of high resolution samples were compared with literature data and with the values calculated for low resolution samples. Almost all values fell within the literature ranges, whereas those obtained from the resampling process were situated between the high and low machine resolution ones. Moreover, elastic properties of the female vertebra were investigated using two computational approaches: a homogenization process for high resolution images (24 μm) and a micromechanics-based finite element model for blurred low resolution images (240 μm). Notably, the homogenization process unveiled a pronounced elastic modulus in the zeta direction, representing the axis of greatest load-bearing capacity. The micromechanics-based model highlighted the complexity of efficiently identifying main stiffness directions, while the values obtained for the elastic properties were generally over-estimated; this highlights the need for further development of the model itself. Overall, this study provides insights into the microstructural and mechanical characterization processes of bone tissue, which are essential for understanding bone health and for providing information on diagnostic and therapeutic approaches for bone-related conditions.

Questo studio analizza le proprietà strutturali e meccaniche del tessuto osseo utilizzando la microtomografia computerizzata ad alta risoluzione (μ-CT) e l'analisi computazionale. Sei campioni ossei prelevati dal radio, dal collo femorale e dalla vertebra lombare di pazienti di sesso maschile e femminile sono stati analizzati utilizzando la microtomografia computerizzata per ottenere immagini ad alta risoluzione (24 μm). In seguito, è stato ottenuto un set di dati di immagini utilizzando la risoluzione della macchina più bassa possibile (96 μm). Inoltre, attraverso processi di ricampionamento e sfocatura, sono state generate immagini a bassa risoluzione: immagini a 96 μm per quantificare l'effetto del ricampionamento e immagini a 240 μm per assomigliare alle immagini TAC. I valori dei parametri rilevanti, ottenuti dalle analisi morfometriche dei campioni ad alta risoluzione, sono stati confrontati con i dati della letteratura e con i valori calcolati per i campioni a bassa risoluzione. Quasi tutti i valori rientravano nei range di letteratura, mentre i valori ottenuti dal processo di ricampionamento rientravano tra quelli ad alta e bassa risoluzione della macchina. Successivamente, sono state studiate le proprietà elastiche della vertebra femminile utilizzando due approcci computazionali: un processo di omogeneizzazione per le immagini ad alta risoluzione (24 μm) e un modello a elementi finiti basato sulla micromeccanica per le immagini sfocate a bassa risoluzione (240 μm). In particolare, il processo di omogeneizzazione ha mostrato un modulo elastico elevato nella direzione zeta, che rappresenta l'asse con maggiore capacità di sopportare carichi. Il modello basato sulla micromeccanica ha evidenziato la complessità nell'identificare efficacemente le direzioni principali di rigidità, mentre i valori ottenuti per le proprietà elastiche sono generalmente sovrastimati; ciò sottolinea la necessità di ulteriori sviluppi del modello stesso. Complessivamente, questo studio fornisce approfondimenti sui processi di caratterizzazione microstrutturale e meccanica del tessuto osseo, fondamentali per comprendere la salute ossea e per dare informazioni sugli approcci diagnostici e terapeutici relative alle condizioni dell'osso.