Computertomographische Analyse der ossären Mikroarchitektur mit räumlichem Bezug zu einem osteochondralen Defekt – Entwicklung einer distanzabhängigen Darstellungsmethode

Abstract

Die Mikroarchitektur eines Knochens ist eng verknüpft mit seiner biomechanischen Funktionalität. Der Einfluss dieser knöchernen Mikrocharchitektur wird in Bezug auf Pathogenese und klinische Einschätzung von Krankheiten wie Osteoporose, Rheumatoider Arthritis und Stoffwechselerkrankungen sowie im Rahmen der Entwicklung pharmakologischer und invasiver Interventionen intensiv untersucht. Entsprechende Eingriffe sind die Implantation von Bioimplantaten und Osteosynthesematerial - häufig zunächst tierexperimentell getestet - zur Verbesserung der Knochenheilung. In beiden Fällen basiert der Therapieerfolg unter anderem auf einer guten Integration des Materials in den Knochen und förderlichen Wechselwirkungen zwischen Implantat und umgebenden Gewebe.

Diese Arbeit zielt darauf einzelne Parameter der ossären Mikroarchitektur (BV/TV, Tb.Th, Tb.N, und Knochendichte) in Relation zu einem konkreten Ausgangspunkt – in diesem Fall einem Defekt - zu setzen und dessen Einfluss in allen räumlichen Dimensionen übersichtlich und dennoch differenziert betrachten zu können. Hierfür wurde zunächst das etablierte Vorgehen angewandt einzelne ROIs in verschiedenen Positionen zum Defekt auszuwerten. Da diese Methode bezogen auf den verwendeten Probensatz nicht zufriedenstellend war, erfolgte als Ergebnis dieser Arbeit die Entwicklung eines Algorithmus, der die Verteilung der Trabekelparameter in der gesamten Probe mit Bezug auf ihre räumliche Positionierung zum Defekt übersichtlich visualisiert. Die erhaltene grafische zweidimensionale Darstellung umfasst drei quantitative Informationen: (1) Distanz des Parameters zum Ausgangspunkt, (2) Höhe des Parameters innerhalb der Probe und (3) Anteil der erfassten Pixel an dieser Position.

Diese zweidimensionale Darstellungsform der computertomographischen 3D-Bilder ermöglicht trotz hohen Informationsgehalts eine übersichtliche Visualisierung der ossären Mikroarchitektur in Abhängigkeit von ihrer Distanz zum Defekt. Sie ermöglicht eine verbesserte Auswertung der Zusammenhänge zwischen Implantaten und ihrem Einfluss auf den umgebenden Knochen unabhängig von ROIs, einzig bezogen auf ihre Distanz zum Defekt, und wird hoffentlich dadurch zur Entwicklung von Materialien für die Knochenheilung beitragen.

The biomechanical functionality of bones is, among other things, based on their microarchitecture. There is ongoing and intensiv research on the influence of bone architecture on the pathogenesis and the clinical evaluation of diseases such as osteoporosis, rheumatoid arthritis or metabolic diseases as well as its role in the development of pharmacological and invasive interventions. One such intervention, often first tested in animal models, is the implantation of biomaterial-based implants and osteosynthesis materials, designed to improve bone healing. In both cases a solid integration of the implant into the bone and supportive interactions between implant material and surrounding tissue is fundamental to therapy success.

This thesis elaborates a way to assess bone microarchitectural parameters such as BV/TV, Tb.Th, Th.N and bone density in relation to a specific starting point – in this case a defect – and evaluate its influence clearly on all spatial dimensions. To this purpose, a well-established procedure was first applied on individual ROIs in specific spatial positions to the defect. Because this method was insufficient to properly characterize the architecture an algorithm was developed, that enables us to clearly visualize the distribution of trabecular parameters throughout the sample with respect to their spatial positioning to the defect. The two-dimensional representation obtained comprises three quantitative forms of information: (1) Distance of the parameter to the starting point, (2) height of the considered parameter within the sample and (3) quantity of considered pixels at that position.

This approach to summarize three dimensional information into a two dimensional graphic allows us to offer a clear and intuitiv visualiation of bone microarchitecture in relation to the distance from the defect while retaining a high density of information in the same visualiation. It enables us an improved evaluation of interactions between implants and surrounding bone without using ROIs, only depending on the spatial relation to the defect, and will hopefully help to improve the development of materials for bone healing.