Trabekuläre Knochenstruktur- und Texturanalyse mittels Multi Detektor Computertomographie: Korrelation zu µCT und Biomechanik

Abstract

Hintergrund: Es ist davon auszugehen, dass die Quantifizierung der trabekulären Knochenstruktur die Evaluierung der biomechanischen Festigkeit und damit die Diagnostik der Osteoporose über den derzeitigen leitliniengebundenen Standard der Messung der Knochenmineraldichte (BMD) verbessern kann. Die in vivo Bildgebung dieser Knochenmikroarchitektur stellt hierbei die größte Herausforderung. Ziel der vorliegenden experimentellen Studie war es, anhand von in situ Bildgebungen an intakten humanen Ganzkörperpräparaten die Genauigkeit der Knochenstrukturanalyse mittels MDCT neuester Generation zur Diagnostik der Knochenqualität zu evaluieren. Methodik: Struktur- und Texturparameter (BV/TV: total bone volume; Tb.N: trabecular number, Tb.Th: trabecular thickness; Tb.Sp: trabecular spacing), sowie die BMD, wurden anhand von hochauflösenden Computertomographien (64 -Schicht-MDCT, Schichtdicke: 500 µm) an 45 Wirbelkörpern (Auflösung: 268 x 268 µm2) und 30 Calcanei (Auflösung: 208 x 208 µm2) ermittelt. Die Strukturparameter wurden daraufhin zum Referenzstandard, der Mikro - Computertomographie (µCT; Voxelgröße: 16 x 16 x 16 µm3), korreliert. In einem weiteren Schritt wurden genannte CT-Messparameter zur biomechanischen Festigkeit der Knochenproben (app. EM: apparent elastic modulus) aus uniaxialen Kompressionstests und Mikro Finite Elemente Methode (µFEM) korreliert. Ergebnisse: Bei Wirbelkörpern und Calcanei konnten Strukturparameter und BMD der MDCT-Bildgebung signifikant mit dem Referenzstandard µCT korreliert werden (app. BV/TV: R2 = 0,64 und 0,65; app. Tb.Th: R2 = 0,36 und 0,51; vBMD: R2 = 0,86 und 0,71; p < 0,0001 – 0,01). Die Erfassbarkeit der Knochenstruktur mittels MDCT konnte somit in einem simuliertem in vivo Versuchsaufbau bestätigt werden. Gleiche Parameter bieten auch die höchsten singulären Korrelationen zur biomechanischen Festigkeit (app. BV/TV: R2 = 0,58 und 0,56; app. Tb.Th: R2 = 0,46 und 0,38; vBMD: R2 = 0,58 und 0,53; p < 0,001). Durch eine multivariate Kombination von Knochenstruktur- mit Knochentexturparametern konnten die Korrelationen zur biomechanischen Festigkeit weiterhin verbessert werden. Zusammenfassung: Es geht hervor, dass in einem Versuchsaufbau, welcher die klinische Voraussetzungen simuliert, die Knochentrabekelstruktur mittels MDCT mit guter Korrelation zum Referenzstandard µCT und zur biomechanischen Festigkeit messbar ist. Multivariate Modelle durch Kombinationen von Knochendichte bzw. Strukturparametern mit Parametern der Textur können die Vorhersage der Knochenfestigkeit signifikant verbessern.

Purpose: Assessment of trabecular bone structure may enhance estimation of biomechanical strength and therefore improve diagnostic standards for osteoporosis. Still visualization of the trabecular microstructure in vivo is challenging. We tested the feasibility of assessing trabecular bone structure for evaluation of bone quality on intact human cadavers using multidetector CT (MDCT) in an experimental in situ and therefore simulated in vivo setup. Methods: Bone structure (BV/TV: total bone volume; Tb.N: trabecular number; Tb.Th: trabecular thickness; Tb.Sp: trabecular spacing), bone texture and bone mineral density (BMD) were evaluated using high resolution computed tomography (64 slice MDCT, slice thickness: 500 µm) on 45 lumbar vertebral bodies (pixel size: : 268 x 268 µm2) and 30 calcanei (pixel size: 208 x 208 µm2). Micro CT with an isotropic spatial resolution of 16 µm served as a standard of reference. Measures were then correlated to the biomechanical strength of bone specimens (app. EM: apparent elastic modulus) derived from uniaxial compression tests and µFEM (micro finite element method). Results: MDCT derived parameters for structure and BMD showed significant correlations to those obtained by the gold standard micro CT for both, spine and calcanei (app. BV/TV: R2 = 0,64 and 0,65; app. Tb.Th: R2 = 0,36 and 0,51; vBMD: R2 = 0,86 and 0,71; p < 0,0001 – 0,01). Same parameters showed the strongest correlations to app. EM (app. BV/TV: R2 = 0,58 and 0,56; app. Tb.Th: R2 = 0,46 and 0,38; vBMD: R2 = 0,58 and 0,53; p < 0,001). Furthermore prediction of mechanical bone strength was significantly improved combining density and structure measures with one additional texture parameter. Conclusion: In conclusion this study showed the feasibility of trabecular microarchitecture assessment using MDCT in an experimental setup simulating the clinical situation with good correlations to µCT and biomechanical strength. Multivariate models of BMD or structural parameters combined with texture indices improved prediction of bone strength significantly.