dc.contributor.author
Schneider, Johannes Matthias Peter
dc.date.accessioned
2019-12-12T11:57:05Z
dc.date.available
2019-12-12T11:57:05Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/26126
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-25886
dc.description.abstract
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.
dc.description.abstract
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.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
guided waves
en
dc.subject
osteoporosis
en
dc.subject
cortical bone
en
dc.subject
bone mineral density
en
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit::610 Medizin und Gesundheit
dc.title
Assessment of cortical bone properties at the tibia using axial transmission ultrasound
dc.contributor.gender
male
dc.contributor.firstReferee
N.N.
dc.contributor.furtherReferee
N.N.
dc.date.accepted
2019-12-13
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-refubium-26126-4
dc.title.translated
Abschätzung kortikaler Knocheneigenschaften an der Tibia mittels axialer Ultraschalltransmission
de
refubium.affiliation
Charité - Universitätsmedizin Berlin
dcterms.accessRights.dnb
free
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open access
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