Bone geometry is commonly measured on computed tomographic (CT) and X-ray microtomographic (μCT) images. We obtained hundreds of CT, μCT and synchrotron μCT images of bones from diverse species that needed to be analysed remote from scanning hardware, but found that available software solutions were expensive, inflexible or methodologically opaque. We implemented standard bone measurements in a novel ImageJ plugin, BoneJ, with which we analysed trabecular bone, whole bones and osteocyte lacunae. BoneJ is open source and free for anyone to download, use, modify and distribute.

Changes in trabecular micro-architecture are key to our understanding of osteoporosis. Previous work focusing on structure model index (SMI) measurements have concluded that disease progression entails a shift from plates to rods in trabecular bone, but SMI is heavily biased by bone volume fraction. As an alternative to SMI, we proposed the Ellipsoid Factor (EF) as a continuous measure of local trabecular shape between plate-like and rod-like extremes. We investigated the relationship between EF distributions, SMI and bone volume fraction of the trabecular geometry in a murine model of disuse osteoporosis as well as from human vertebrae of differing bone volume fraction. We observed a moderate shift in EF median (at later disease stages in mouse tibia) and EF mode (in the vertebral samples with low bone volume fraction) towards a more rod-like geometry, but not in EF maximum and minimum. These results support the notion that the plate to rod transition does not coincide with the onset of bone loss and is considerably more moderate, when it does occur, than SMI suggests. A variety of local shapes not straightforward to categorise as rod or plate exist in all our trabecular bone samples.

Abstract The characterization of developmental phenotypes often relies on the accurate linear measurement of structures that are small and require laborious preparation. This is tedious and prone to errors, especially when repeated for the multiple replicates that are required for statistical analysis, or when multiple distinct structures have to be analysed. To address this issue, we have developed a pipeline for characterization of long-bone length and inter-vertebral distance using X-ray microtomography (XMT) scans. The pipeline involves semi-automated algorithms for automatic thresholding and fast interactive isolation and 3D-model generation of the main limb bones, using either the open-source ImageJ plugin BoneJ or the commercial Mimics Innovation Suite package. The tests showed the appropriate combination of scanning conditions and analysis parameters yields fast and comparable length results, highly correlated with the measurements obtained via ex vivo skeletal preparations. Moreover, since XMT is not destructive, the samples can be used afterwards for histology or other applications. Our new pipelines will help developmental biologists and evolutionary researchers to achieve fast, reproducible and non-destructive length measurement of bone samples from multiple animal species. Summary statement Beltran Diaz et al. present a semi-automated pipeline for fast and versatile characterization of bone length from micro-CT images of mouse developmental samples.

Sequential region labelling, also known as connected components labelling, is a standard image segmentation problem that joins contiguous foreground pixels into blobs. Despite its long development history and widespread use across diverse domains such as bone biology, materials science, and geology, connected components labelling can still form a bottleneck in image processing pipelines. Here, I describe a multithreaded implementation of classical two-pass sequential region labelling and introduce an efficient collision resolution step, ‘ bucket fountain ’. Code was validated on test images and against commercial software (Avizo). It was performance tested on images from 2 MB (161 particles) to 6.5 GB (437,508 particles) to determine whether theoretical linear scaling ( O (n)) had been achieved, and on 1 – 40 CPU threads to measure speed improvements due to multithreading. The new implementation achieves linear scaling ( b = 0.918 – 1.068, time ∝ pixels b; R 2 = 0.985 – 0.998), which improves with increasing thread number up to 8-10 threads, suggesting that it is memory bandwidth limited. This new implementation of sequential region labelling reduces the time required from hours to a few tens of seconds for images of several GB, and is limited only by hardware scale. It is available open source and free of charge in BoneJ.

Bone adaptation is modulated by the timing, direction, rate, and magnitude of mechanical loads. To investigate whether frequent slow, or infrequent fast, gaits could dominate bone adaptation to load, we compared scaling of the limb bones from two mammalian herbivore clades that use radically different high-speed gaits, bipedal hopping (suborder Macropodiformes; kangaroos and kin) and quadrupedal galloping (order Artiodactyla; goats, deer and kin). Forelimb and hindlimb bones were collected from 20 artiodactyl and 15 diprotodont species (body mass M 1.05 - 1536 kg) and scanned in clinical computed tomography or X-ray microtomography. Second moment of area (Imax) and bone length (l) were measured. Scaling relations (y = axb) were calculated for l vs M for each bone and for Imax vs M and Imax vs l for every 5% of length. Imax vs M scaling relationships were broadly similar between clades despite the macropod forelimb being nearly unloaded, and the hindlimb highly loaded, during bipedal hopping. Imax vs l and l vs M scaling were related to locomotor and behavioural specialisations. Low-intensity loads may be sufficient to maintain bone mass across a wide range of species. Occasional high-intensity gaits might not break through the load sensitivity saturation engendered by frequent low-intensity gaits.

Intra-cortical bone remodelling is a cell-driven process that replaces existing bone tissue with new bone tissue in the bone cortex, leaving behind histological features called secondary osteons. While the scaling of bone dimensions on a macroscopic scale is well known, less is known about how the spatial dimensions of secondary osteons vary in relation to the adult body size of the species. We measured the cross-sectional area of individual intact secondary osteons and their central Haversian canals in transverse sections from 40 stylopodial bones of 39 mammalian species. Scaling analysis of our data shows that mean osteonal resorption area (negative allometry, exponent 0.23, R2 0.54, p<0.005) and Haversian canal area (negative allometry, exponent 0.34, R2 0.45, p<0.005) are significantly related to adult body mass, independent of phylogeny. This study is the most comprehensive of its kind to date, and allows us to describe overall trends in the scaling behaviour of secondary osteon dimensions, supporting the inference that osteonal resorption area may be limited by the need to avoid fracture in smaller mammalian species, but the need to maintain osteocyte viability in larger mammalian species.