Experimentelle und klinische Validierung der mittels peripherer Quantitativer Computertomographie (pQCT) berechneten biomechanischen Parameter Flächenträgheitsmoment I, Widerstandsmoment W und anderer Festigkeitsindices

Abstract

Die Zielsetzung dieser Arbeit war die Überprüfung der Richtigkeit der Berechnung der Biegesteifigkeit peripherer Knochen mittels der Methode der pQCT Messung und der dabei stattfindenden dichtebasierten Berechnung des Flächenträgheitsmomentes I und des Widerstandsmomentes R. In einer klinischen Beobachtung wurde der Zusammenhang zwischen dem Festigkeitsindex SSI (Strength-Strain-Index) und der auf die Untersuchungsregion wirkenden Kraft, bzw dem Drehmoment, untersucht. Im ersten, experimentellen Teil wurden 12 humane, postmortem gewonnene unfixierte Radii untersucht. Die Proben wurden in der Länge normiert und in speziell vorbereitete Lager gegossen. Mittels pQCT wurde die Diaphyse osteodensitometrisch analysiert. Die mit Dehnungsmessstreifen beklebten Proben wurden in einem Vierpunktbiegeversuch innerhalb der elastischen Grenzen (max 2000µstrain) verformt und die Biegesteifigkeit berechnet. In einem Dreipunktbruchversuch wurden die Proben bis zum Bruch verformt und die Frakturlast ermittelt. Die gewonnenen pQCT Daten (Knochendichte, -masse, -geometrie, Flächenträgheitsmomente und Widerstandsmomente) wurden mit der Biegesteifigkeit und der Frakturlast korreliert. Im zweiten, klinischen Teil wurde in einer Querschnittstudie bei 79 gesunden Frauen unterschiedlichen Alters der distale Radius bei 4% und 20% der radialen Länge mittels pQCT untersucht und die maximale willkürliche Kraft am Unterarm gemessen. Das aus Kraft und Unterarmlänge berechnete Drehmoment wurde verglichen mit den Ergebnissen der pQCT Untersuchungen. Alle mittels pQCT berechneten Festigkeitsparameter korrelierten im experimentellen Teil hoch signifikant (r all>0,9; p<0,0001) mit den biomechanisch gewonnenen Biege- und Bruchlast-Daten. Im klinischen Teil konnte bei einer Korrelation von r=0,69 hoch signifikant (p<0,0001) ein Zusammenhang zwischen dem polaren Widerstandsmoment am Radius und dem Drehmoment am Unterarm bewiesen werden. Zusammenfassend läst sich sagen, dass durch eine Untersuchung mit der Methode der pQCT bei bekannter Kraftrichtung eine valide Aussage über die Festigkeit am distalen Radius getroffen werden kann. Studien zur Bestimmung prädiktiver Schwellenwerte (cut-off values) eines Frakturrisikos für die praktische Anwendung in der Klinik sind jetzt möglich und erforderlich.

Peripheral quantitative computed tomography (pQCT, XCT900, Stratec Medizintechnik, Germany) can be used to calculate the cross sectional moment of inertia (I) and the section modulus (R) of the distal radius and tibia. The aim of this work was to validate these calculations in an experimental biomechanical study. Additionally, the relationship between the biomechanically relevant Strength-Strain-Index (SSI, density weighted polar section modulus) obtained by pQCT and the maximal isometric force and the torque at the distal radius was evaluated in a clinical study. In the experimental aspect of the work, 12 non fixated human radii were extracted post mortem and investigated. The samples were normalized in length and fixed in especially prepared bearings. The diaphyseal region was investigated by pQCT. Two strain gauge chains each were fixed at the ventral and dorsal side of the samples. In (a) a four point bending test the samples were bended inside the elastic range of the material (2000µstrain) and thereafter (b) fractured in a three point fracture test. The bending stiffness was calculated and the fracture load was detected. Both parameters were highly correlated (r all > 0.9; .p<0.0001) with the stiffness parameters (I and R) calculated by the pQCT measurements. The clinical aspect of this work was a stratified cross-sectional investigation of 79 women. The radius was examined by pQCT at 4% and 20% of the radial length. The maximal isometric force of the forearm was measured and the torque (maximal isometric force multiplied by the length of the arm) calculated. A positive correlation was seen between the polar section modulus (Rp) at the radius and the torque (r=0.69; p<0.0001). In conclusion, the findings of this work show (a) pQCT is able to predict the rigidity of the bone in the distal radius in vivo and (b) the applied isometric force at the radius can be used as surrogate for the stiffness of the bone. Clinical trials investigating the biomechanical parameters determined by pQCT to define predictive cut-off values for the fracture risk would be an appropriate next step.