Quantification of structural changes in cortical bone by estimating thickness, speed of sound and pore size distribution

Abstract

Quantitative bone ultrasound (QUS) method has been introduced as a promising alternative for diagnosing osteoporosis and assessing fracture risk. The latest QUS technologies aim to quantitatively assess structural cortical bone characteristics, e.g, cortical porosity, cortical thickness (Ct.Th) and cortical speed of sound at cortical measurement regions. Large cortical pores and reduced Ct.Th in the tibia have been proposed as an indication of reduced hip strength and structural deterioration. In this work two novel ultrasound methods were studied using a conventional ultrasound transducer to measure cortical bone properties at the tibia. The first method is a refraction and phase aberration corrected multifocus (MF) imaging approach that measures Ct.Th and the compressional sound velocity traveling in the radial bone direction (Ct.ν11). The second method is a novel cortical backscatter (CortBS) method that assesses microstructural properties in cortical bone. Both methods were validated in silico on bone models, ex vivo on bone samples and in vivo on 55 postmenopausal women at the anteromedial tibia midshaft. The aim of this work was to study the precision, accuracy, and fragility fracture discrimination performance of CortBS and MF parameters in comparison to clinical High-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT) and Dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) measurements. The results of the MF approach show precise and accurate estimation of Ct.Th and Ct.ν11. The comparison of the measured Ct.Th with reference thicknesses from HR-pQCT measurement have also shown accurate determination of Ct.Th (R2=0.94, RMSE=0.17 mm). Future simulation studies with real bone structures from HR-pQCT measurements should target the validation of accurate Ct.ν11 estimation. For the first time, CortBS assessed the distribution of cortical pore size and viscoelastic properties of cortical bone in vivo. The short- term in vivo precision was observed between 1.7% and 13.9%. Fragility fracture discrimination performance was retrieved using multivariate partial least squares regression. The combination of CortBS+MF showed superior fracture discrimination performance compared with DXA and similar fracture discrimination performance compared with HR-pQCT. Further clinical studies with larger cohort size should target the potential to demonstrate the ability of CortBS and MF parameters for individual fracture risk assessment. In conclusion, alteration in cortical microstructure and viscoelasticity caused by the aging process and the progression of osteoporosis can be measured by CortBS and MF. These methods have high potential to identify patients at high risk for fragility fractures.

Die quantitative Knochenultraschallmethode (QUS) wurde als vielversprechende Alternative für die Diagnose von Osteoporose und die Bewertung des Frakturrisikos eingeführt. Die neuesten QUS-Technologien zielen darauf ab, strukturelle kortikale Knochenmerkmale, z. B. kortikale Porosität, kortikale Dicke (Ct.Th) und kortikale Schallgeschwindigkeit in kortikalen Messregionen quantitativ zu bewerten. Große kortikale Poren und eine verringerte Ct.Th in der Tibia wurden als Anzeichen für eine verringerte Festigkeit der Hüfte und eine strukturelle Verschlechterung vorgeschlagen. In dieser Arbeit wurden zwei neuartige Ultraschallmethoden unter Verwendung eines herkömmlichen Ultraschallwandlers zur Messung der Eigenschaften am kortikalen Knochen des Schienbeins untersucht. Bei der ersten Methode handelt es sich um einen brechungs- und phasenaberrationskorrigierten multifokalen (MF) Bildgebungsansatz, der Ct.Th und die Kompressionsschallgeschwindigkeit in radialer Knochenrichtung (Ct.ν11) misst. Die zweite Methode ist eine neuartige kortikale Rückstreumethode (CortBS), die die mikrostrukturellen Eigenschaften des kortikalen Knochens misst. Beide Methoden wurden in silico an Knochenmodellen, ex vivo an Knochenproben und in vivo an 55 postmenopausalen Frauen am anteromedialen Tibia-Mittelschaft validiert. Ziel dieser Arbeit war es, die Präzision, Genauigkeit und Fragilitätsfraktur-Diskriminierungsleistung von CortBS- und MF-Parametern im Vergleich zur klinischen hochauflösenden peripheren quantitativen Computertomographie (HR-pQCT) und Dualen-Energie-Röntgenabsorptiometrie (DXA) zu untersuchen. Die Ergebnisse des MF-Ansatzes zeigen eine präzise und genaue Schätzung von Ct.Th und Ct.ν11. Der Vergleich der gemessenen Ct.Th mit Referenzdicken aus HR-pQCT-Messungen hat ebenfalls eine genaue Bestimmung der Ct.Th gezeigt (R2=0,94, RMSE=0,17 mm). Zukünftige Simulationsstudien mit realen Knochenstrukturen aus HR-pQCT-Messungen sollten die genauen Schätzung der Ct.ν11 validieren. Zum ersten Mal hat CortBS die kortikale Porengrößenverteilung und die viskoelastischen Eigenschaften des kortikalen Knochens in vivo untersucht. Die kurzfristige In-vivo-Präzision lag zwischen 1,7% und 13,9%. Die Fragilitätsfraktur-Diskriminierungsleistung wurde mittels multivarianter Regression der partiellen kleinsten Quadrate bewertet. Die Kombination von CortBS+MF zeigte im Vergleich zur DXA eine überlegene Leistung bei der Frakturerkennung und eine ähnliche Leistung wie die bei HR-pQCT. Weitere klinische Studien mit größerer Kohortengröße sollten die Fähigkeit von CortBS- und MF-Parametern zur individuellen Frakturrisikobewertung nachweisen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Veränderungen der kortikalen Mikrostruktur und Viskoelastizität, die durch den Alterungsprozess und das Fortschreiten der Osteoporose verursacht werden, mit CortBS und MF gemessen werden können. Diese Methoden haben ein hohes Potenzial zur Identifizierung von Patienten mit hohem Risiko für Fragilitätsfrakturen.