Knochenqualitätsbestimmung mittels Computertomographie

Abstract

Schlechte Knochenqualität durch Osteoporose führt nicht nur zu inadäquaten Frakturen sondern auch zu erschwerten Bedingungen der osteosynthetischen Versorgung. Aktuelle diagnostische Verfahren zur Abschätzung des Frakturrisikos sind unzureichend. Therapeutisch kann die Implantatverankerung in schwachen Knochen durch die Kenntnis der lokalen Knochenqualitätsverteilung verbessert werden. Die vorliegenden Arbeiten haben sich zum Ziel gesetzt, 1) die CT-Knochenstrukturanalyse zur Diagnostik der Knochenqualität zu evaluieren und 2) die CT- Knochenqualitätsverteilung zur Verbesserung der Implantatverankerung zu nutzen. Die Densitometrie als klinisches Standardverfahren in der Osteoporose- Diagnostik kann nicht alle Patienten mit erhöhtem Frakturrisiko detektieren. Nicht selten weisen Patienten typische osteoporotische Frakturen auf, obwohl deren Bone Mineral Density- Werte (BMD) im Normbereich liegen. Die Limitationen der Densitometrie mittels Dual- Energie X-ray Absorptiometrie (DXA) liegen unter anderem in der Messwertverfälschung durch dem Knochen benachbarte Strukturen und dem nicht ausreichenden Zusammenhang von Knochendichte und Belastbarkeit. In der von uns durchgeführten klinischen Multicenter- Studie hat sich bei der Auswertung von 342 älteren Männern gezeigt, dass häufig eine Diffuse Idiopathische Skelett- Hyperostose (DISH- Syndrom) der Wirbelsäule besteht. Dadurch entstehende paraspinale Verkalkungen vermindern die Aussagekraft von DXA- und QCT- Messungen an der Lendenwirbelsäule (Publikation 1). Die BMD- Werte sind insbesondere bei ausgeprägtem DISH-Syndrom deutlich erhöht und suggerieren einen mechanisch kompetenten Knochen. Dies ist jedoch inadäquat, da DISH- Patienten häufiger osteoporosetypische Wirbelkörperfrakturen aufweisen. Die Stabilität eines Knochens wird nicht nur durch seine Knochenmasse sondern auch durch seine Mikroarchitektur bestimmt, die allerdings in den üblichen densitometrischen Verfahren nicht erfasst werden kann. Die radiologische Vorhersage der Knochenfestigkeit könnte durch eine Kombination aus Parametern für Knochenmasse und für Knochenstruktur verbessert werden. Durch experimentelle Kadaverstudien an 15 intakten Ganzkörperpräparaten hat unsere Arbeitsgruppe in einem von der Elsbeth Bonhoff Stiftung geförderten Projekt in Zusammenarbeit mit der University of San Francisco (Kalifornien, USA) gezeigt, dass mittels der CT- Knochenstrukturanalyse der Vorhersagewert der Knochenstabilität deutlich verbessert werden kann (Publikation 2-5). Durch neue CT- Scanner mit höherer Auflösung können einzelne Knochenstrukturparameter mit guter Übereinstimmung zu Goldstandard- Verfahren an den klinisch relevanten Skelettabschnitten bestimmt werden. Die besten Ergebnisse der Stabilitätsabschätzung wurden bei einer Kombination aus BMD und Knochenstruktur erreicht. Dabei wird die Genauigkeit nur gering von der Höhe der Strahlendosis beeinflusst. Im Falle einer eingetretenen osteoporotischen Fraktur erweist sich die osteosynthetische Versorgung oftmals als anspruchsvoll, da nur noch wenig suffizienter Knochen zur zuverlässigen Verankerung von Implantaten vorhanden ist. Die genaue Kenntnis der lokalen Verteilung von kortikalem und trabekulärem Knochen könnte die chirurgische Versorgung verbessern, da in geeignete Bereiche Schrauben gezielt verankert werden können. Unsere Arbeitsgruppe hat diesbezüglich in Zusammenarbeit mit dem AO- Research Institut (Davos, Schweiz) in einer auf CT- Scans basierten 3D- Analyse von 25 distalen Kadaverhumeri die lokale Verteilung der Knochenqualität quantifiziert. Durch die großen regionalen Unterschiede konnten Erklärungen für klinisch beobachtete Versagensmuster von Implantaten und Empfehlungen für die Optimierung der Osteosynthese abgeleitet werden (Publikation 6). Außerdem wurden in einer weiteren Kavaderstudie anhand der Kortikalisverteilung der Skapula unterschiedliche Szenarien entworfen, um glenoidale Prothesen bei Schultergelenksersatz optimal verankern zu können (Publikation 7). Die Ergebnisse dieser Arbeiten zeigen, dass mittels hochaufgelösten CT- Techniken sowohl die Vorhersage der Knochenqualität verbessert als auch die lokale Knochenverteilung bei anatomisch komplexen Gelenken analysiert werden kann. Weitere klinische Studien sind notwendig um die CT- Strukturanalyse als diagnostisches Verfahren etablieren zu können.

Poor bone quality due to osteoporosis not only increases the risk of fracture caused by minor trauma but also precludes proper fixation of osteoporotic fractures with implants. Currently available diagnostic modalities for assessing the risk of fracture are inadequate. Information on the local distribution of bone quality might improve anchorage of implants in osteoporotic bone. The studies compiled here were conducted (1) to explore the usefulness of CT bone structure analysis for the diagnostic evaluation of bone quality and (2) to exploit the information on bone quality distribution obtained by CT for improving fracture fixation in weak bone. Densitometry, the standard clinical test for the diagnostic evaluation of osteoporotic bone, does not identify all patients with an increased fracture risk. It is not uncommon for patients to suffer typical osteoporotic fractures although they have bone mineral density (BMD) levels in the normal range. Densitometry using dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) is distorted by effects of adjacent structures and is limited by an inadequate correlation between bone density and loading capacity. An analysis of 342 elderly men conducted by us in the setting of a clinical multicenter study suggests that diffuse idiopathic skeletal hyperostosis (DISH) of the spine is common in this age group. DISH leads to paraspinal calcifications, which reduce the diagnostic accuracy of DXA and QCT measurements in the lumbar spine (Publication No. 1). In subjects with severe DISH, BMD values are markedly increased, suggesting mechanically competent bone. Hence, BMD measurements are misleading, since DISH patients often have vertebral fractures of the osteoporotic type. Bone stability depends not only on bone mass but also on bone microarchitecture, which is not evaluated by standard densitometry tests. Radiologic prediction of bone stability could be improved by an approach combining parameters of bone mass and of bone structure. In a joint project of our study group and the University of California, San Francisco (UCSF), which was supported by a grant from the Elsbeth Bonhoff Foundation, it was shown in an experimental cadaver study including 15 intact whole-body specimens that bone structure analysis by CT markedly improves the predictive value of bone stability (Publications No. 2 – 5). State-of-the-art CT scanners with higher resolution allow determination of some parameters of bone structure in clinically relevant parts of the skeleton with good agreement with gold standard procedures. The best stability estimates were obtained using a combination of BMD and bone structure. The radiation dose used has only little effect on measurement accuracy. In patients with an osteoporotic fracture, bone fixation tends to be demanding because only a small amount of adequate bone for reliable anchorage is present. Surgical management might be improved if the surgeon knew the exact local distribution of cortical and trabecular bone for choosing optimal sites for screw placement. In cooperation with the AO Research Institute (Davos, Switzerland), our group quantified the local distribution of bone quality in a 3D analysis of 25 distal cadaveric humeri based on CT scans. This analysis identified regional differences in bone quality, which could explain the clinically observed patterns of implant failures and allowed us to derive recommendations for the optimization of osteosynthesis procedures (Publication No. 6). In another cadaver study, we investigated the distribution of cortical bone in the scapula and derived different patterns for the optimal anchorage of glenoid prostheses in total shoulder replacement (Publication No. 7). In conclusion, the results presented suggest that high-resolution CT techniques provide more reliable estimates of bone quality and allow an analysis of the local bone distribution in anatomically complex joints. Further clinical studies are warranted in order to establish CT-based structural bone analysis as a routine diagnostic procedure.