Ultrasonic axial transmission is a non-ionizing, compact and affordable alternative to X-ray-based devices used for fracture risk assessment and osteoporosis diagnosis in the clinic. In this work, a novel 500-kHz axial transmission probe was validated for the assessment of cortical bone microstructure at the tibia against site-matched reference methods. A waveguide model parameterized with cortical porosity (Ct.Po) and thickness (Ct.Th) was used to predict the measured guided wave dispersion curves. To simplify the model, cortical bone was considered as homogenized porous material with fixed matrix elastic properties. The approach was first validated ex vivo on 19 tibiae from adult donors without specific bone disorders affecting matrix elastic properties. The best fit between the measured and model-based dispersion curves provided estimates of Ct.Th (R2 = 0.92, RMSE = 0.20 mm) and Ct.Po (R2 = 0.83, RMSE = 2.2 %) in agreement with reference data from site-matched micro-computed tomography. We accounted for variations in bone matrix stiffness, reflected in the acoustic impedance measured by scanning acoustic microscopy, and showed that the assumption on a fixed bone matrix stiffness is correct. The approach was then validated in vivo at the tibia of 20 patients against site-matched peripheral quantitative computed tomography. Ct.Th was accurately predicted (R2 = 0.90, RMSE = 0.19 mm) despite the presence of soft tissue. A moderate correlation was found between Ct.Po and volumetric bone mineral density (R2 = 0.57), which is a strong predictor of Ct.Po. Resonant ultrasound spectroscopy was used to document the elastic tensors of 55 small cortical bone specimens harvested from the axial transmission measurement site. Strong linear correlations between the different elastic coefficients (0.70 < R² < 0.99) and between these coefficients and mass density (0.79 < R² < 0.89) were found. In conclusion, recovering cortical parameters at the tibia may provide valuable information about skeletal status and fracture risk. Further clinical studies are required to confirm this hypothesis.
Die axiale Transmission von Ultraschall in der Medizin ist eine nicht-ionisierende, kostengünstige und kompakte Alternative zu herkömmlichen röntgenbasierten Verfahren zur Beurteilung des Frakturrisikos im Rahmen der Osteoporose-Diagnostik. In dieser Dissertation wurde eine neuartige 500-kHz Sonde zur Messung kortikaler Parametern an der Tibia mit Referenzmethoden validiert. Ein Dispersionsmodell, parametrisiert mit kortikaler Dicke (Ct.Th) und Porosität (Ct.Po), wurde automatisch an die experimentellen Dispersionskurven geführter Wellen angeglichen. Der elastische Tensor des Dispersionsmodells wurde in alleiniger Funktion von Ct.Po beschrieben, und zwar unter Verwendung eines Modells mit konstanten elastischen Eigenschaften der Knochenmatrix. Die Methode wurde zunächst an 19 Tibiae ex vivo gegen Mikro-Computertomographie validiert. Ct.Th (R2 = 0.92, RMSE = 0.20 mm) und Ct.Po (R2 = 0.83, RMSE = 2.2 %) wurden sehr genau bestimmt. Als Unterschiede in der Matrixsteifigkeit zwischen den einzelnen Proben, abgeschätzt mittels akustischer Rastermikroskopie, berücksichtigt wurden, bestätigte sich die Validität bei der Annahme einer universellen Knochenmatrixsteifigkeit im Dispersionsmodell. Die Messwerte der neuen Sonde wurden dann an der Tibia von 20 Patienten in vivo mit peripherer quantitativer Computertomographie verglichen. Ct.Th konnte trotz überlagertem Weichgewebes akkurat vom Dispersionsmodell abgeleitet werden (R2 = 0.90, RMSE = 0.19 mm). Zudem wurde eine moderate Korrelation zwischen Ct.Po und der volumetrischen Knochenmineraldichte festgestellt (R2 = 0.57). Zuletzt wurde Resonanz-Ultraschall-Spektroskopie verwendet, um die elastischen Eigenschaften des kortikalen Knochens an der Ultraschall-Messstelle der Tibia zu dokumentieren. Es fanden sich starke lineare Korrelationen zwischen den elastischen Koeffizienten (0.70 < R² < 0.99), sowie zwischen diesen Koeffizienten und der Massendichte (0.79 < R² < 0.89). Über eine Messung kortikaler Parameter an der Tibia könnte in Zukunft das Frakturrisiko eines Patienten besser vorhergesagt werden. Weitere klinische Studien sind erforderlich, um diese Hypothese zu bestätigen.
