Exploration of measurement of conditions for three-dimensional bone-to-implant contact ratio using micro-computed tomography and comparison with histological approach

Abstract

Purpose: Histological analysis is widely regarded as the gold standard method of evaluating osseointegration around a bone-implant. However, this approach requires invasive specimen preparation and is limited to representing only a single plane. By comparison, micro-computed tomography (μCT) offers a rapid and convenient alternative that provides three-dimensional information, but is hampered by resolution and artifacts-related issue, making it a supplementary method for osseointegration analysis. To verify the reliability of μCT for osseointegration evaluation, this animal model study compared bone-to-implant contact (BIC) ratios obtained by the gold standard histomorphometric method with those obtained by the μCT method, using a rabbit tibia implant model.

Materials and methods: A sandblasted, large-grit, acid-etched (SLA) implant and a machined surface implant were inserted into each tibia of two rabbits (giving eight implants in total). Bone-implant specimens were analyzed using μCT with a spiral scan technique (SkyScan 1275) and histological sections were prepared thereafter. Three-dimensional (3D) reconstructed μCT data and four two-dimensional (2D) μCT sections, including one section corresponding to the histologic section and three additional sections rotated 45°, 90°, and 135°, were used to calculate the BIC ratio. The Pearsons test was used for correlation analysis at a significance level of 0.05.

Results: The histomorphometric BIC and the 2D-μCT BIC showed strong correlation (r = 0.762, P = 0.046), whereas the histomorphometric BIC and 3D-μCT BIC did not (r = -0.375, P = 0.385). However, the mean BIC value of three or four 2D-μCT sections showed a strong correlation with the 3D-μCT BIC (three sections: r = 0.781, P = 0.038; four sections: r = 0.804, P = 0.029).

Conclusion: The results of this animal model study indicate that μCT can serve as a valuable complement to the histomorphometric method for bone-implant interface analyses. With the limitations of this study, 3D-μCT analysis may even have a superior aspect by eliminating random variables that can arise as a consequence of the selected cutting direction.

목 적 : 치과용 임플란트의 골유착 평가는 조직학적 분석법을 통하여 골과 임플란트의 부착률을 분석하는 것이 표준으로 여겨지고 있으나, 침습적인 시편 준비과정과 함께 3차원적인 임플란트와 골의 계면 중 한 단면만을 평가한다는 단점이 있다. 그에 따라, 미세 전산화 단층촬영(micro-CT)을 활용한 골유착 분석법이 활용되고 있으나, 표준화된 방법이 제시되어 있지 않으며 해상도 및 artifact등의 문제로 인하여 보조적인 방법으로만 활용되고 있다. 본 연구에서는 spiral scanning을 활용한 micro-CT의 골-임플란트 계면 분석법을 기존의 표준방법인 조직학적 분석법과 비교하고 평가하였다.

방 법 : 토끼 경골 모델을 사용하여, 총 2마리의 토끼의 양쪽 경골에 각각 2개씩의 임플란트를 식립하여 총 8개의 임플란트를 식립하였다. 8개의 임플란트 중 4개는 SLA 표면처리가 되었고, 나머지 4개는 Turned 표면을 사용하였으며 각 표면의 임플란트는 경골에 교차 식립되었다. 식립 4주후 실험동물을 희생하여 골-임플란트 시편을 체취하였고, spiral scanning을 활용하여 micro-CT (SkyScan 1275)로 촬영한 뒤, 통상적인 방법에 따라 조직 시편을 제작하였다. Micro-CT촬영 정보를 활용하여 3차원적으로 골-임플란트 계면을 재구축하였고, 재구축한 임플란트 계면상에서 총 4개의 2차원 단면을 다시 선택하였다. 각 4개의 2차원 단면은 조직 시편과 동일한 평면을 포함하여, 해당 평면으로부터 45°, 90°, 135° 회전시킨 평면이다. 3차원으로 재구축한 골-임플란트 계면 (CT-3D), 4개의 2차원 단면 (CT-2D), 조직 시편 (histo-2D)의 골-임플란트 부착률을 구하였다. 각 측정방법의 상관관계 평가를 위해 Pearson 상관계수 분석을 사용하였으며, 임플란트 표면간의 차이를 평가하기 위해 독립 t-검정이 사용되었다.

결 과 : 골-임플란트 부착률을 보았을 때, histo-2D와 CT-2D 중 조직 시편과 동일한 평면 간에는 강한 상관관계를 보였으나 (r = 0.762, P = 0.046), histo-2D와 CT-3D 간에는 상관관계를 보이지 않았다 (r = -0.375, P = 0.385). CT-2D의 평면에서 3개나 4개의 평면의 평균값을 사용했을 때는 CT-3D와 강한 상관관계를 보였다. (3개의 평면: r = 0.781, P = 0.038; 4개의 평면: r = 0.804, P = 0.029). 두 종류의 임플란트 표면간에는 골-임플란트 부착률 간에 유의한 차이를 보이지 않았다.

결 론 : 본 동물 실험의 결과는 micro-CT가 골-임플란트 계면 평가의 보완적인 수단으로 사용될 수 있음을 시사한다. 본 연구의 한계 하에서, micro-CT를 이용한 3차원 분석은 조직 시편 제작시 절삭 방향에 따라 선택된 단면으로 인한 임의성 변수를 제거할 수 있다는 점에서 우수한 측면을 가질 수 있다.