High-frequency ultrasound backscatter analysis of hyaline cartilage

Abstract

High-frequency ultrasound is a promising method to characterize osteoarthritic changes of cartilage tissue in vivo. Numerous studies have investigated the cartilage surface reflection and successfully related derived ultrasound surface parameters to the degeneration stage of cartilage. Only a few studies evaluated acoustic backscatter originating from the cartilage matrix and so far only integrated spectral amplitudes of the received signals have been considered, particularly the apparent integrated backscatter (AIB). However, information contained in the ultrasound frequency domain could potentially exhibit higher sensitivities towards degenerative changes at a cellular level and therefore provide additional information that may enable a better discrimination between degeneration stages. The aims of this work were to introduce parameters that relate to the frequency dependence of ultrasound backscatter and envelope statistics, to study their diagnostic value in comparison with the well-established AIB, to attempt to classify different degeneration stages using combinations of ultrasound parameters and finally to study the contributions of collagen, proteoglycan and chondrocytes to ultrasound backscatter amplitude. Results showed that the introduced apparent frequency dependence of backscatter (AFB) was sensitive to degenerative changes, particularly the earliest signs of degeneration, whereas the conventionally used AIB exhibited relatively low sensitivities. Furthermore, it was demonstrated that in a classification-based approach, combinations of ultrasound parameters can be used to discriminate between different, particularly very early, degeneration stages. Here, backscatter frequency dependence and backscatter amplitude appeared as good predictors for the discrimination of early and advanced degeneration stages, respectively. Finally, it was shown that more than 50% of the backscatter amplitude can be attributed to natural variations of cell number density and collagen concentration. This work demonstrated for the first time that envelope statistics and depth-dependent spectral slope parameters are highly sensitive to the early stages of extracellular cartilage matrix degeneration and outperform conventionally used amplitude-based parameters. Moreover, these parameters provide beneficial additional information in a classification approach to discriminate between different degeneration stages. The identification of collagen and chondrocytes as major scattering sources at higher ultrasound frequencies suggests that the observed variations relate to degenerative changes of chondrocytes and the collagen network. An application of these parameters and particularly the use of parameter combinations to intra-articular ultrasound arthroscopies appears feasible at present and likely improves the diagnostic potential of these examinations.

Hochfrequenter Ultraschall ist eine vielversprechende Methode um osteoarthritische Veränderungen von Gelenkknorpel in vivo zu erfassen. Die am häufigsten verwendeten Ultraschallparameter basieren auf der Verarbeitung von Ultraschallreflexionen an der Knorpeloberfläche und eine Vielzahl von Studien konnten Veränderungen dieser Parameter in Bezug zu osteoarthritischen Veränderungen setzen. Nur wenige Studien haben bisher die Ultraschallrückstreuung von der extrazellulären Knorpelmatrix untersucht und dabei wurden lediglich Parameter verwendet die einen Mittelwert des Frequenzbereichs darstellen, i.e. der apparent integrated backscatter (AIB). Die damit verlorengegangene frequenzabhängige Information könnte jedoch eine hohe Sensitivität auf degenerative zelluläre Veränderungen aufweisen und damit eine bessere Unterscheidung zwischen Degenerationsstadien ermöglichen. Die Ziele dieser Arbeit waren die Einführung von Parametern die die frequenzabhängige Information adäquat abbilden sowie statistische Parameter der Einhüllenden, die vergleichende Untersuchung dieser Parameter hinsichtlich ihrer Sensitivität auf die zugrundeliegende Knorpelmatrixdegeneration, eine Klassifizierung zwischen verschiedenen Degenerationsstadien unter Verwendung mehrerer Ultraschallparameter, sowie die Untersuchung des Einflusses der Knorpelmatrixkomponenten Proteoglykangehalt, Kollagengehalt sowie Zelldichte auf die Ultraschallrückstreuamplitude. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Frequenzabhängigkeit des Amplitudenspektrums (apparent frequency dependence of backscatter, AFB) im Unterschied zum konventionellen AIB eine hohe Sensitivität auf degenerative Veränderungen, insbesondere sehr frühe Degenerationsstadien, aufzeigt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass eine Klassifikation zwischen unterschiedlichen, insbesondere sehr frühen, Degenerationsstadien mittels mehrerer Ultraschallparameter möglich ist. Die Verwendung von AFB und AIB war dabei hilfreich zur Unterscheidung früher bzw. fortgeschrittener Degenerationsstadien. Schlussendlich konnte gezeigt werden, dass mehr als 50% der Ultraschallrückstreuamplitude der natürlichen Variabilität von Kollagenhgehalt und Zelldichte zugeordnet werden kann. Diese Arbeit konnte erstmals darlegen, dass frequenzabhängige Ultraschallparameter sowie statistische Parameter der Einhüllenden eine hohe Sensitivität auf frühe degenerative Veränderungen der Knorpelmatrix aufweisen und den konventionellen Parameter AIB deutlich übertreffen. Des Weiteren konnte die Klassifikation verschiedener Knorpeldegenerationsstadien durch Einbeziehung dieser Parameter verbessert werden. Die Identifikation von Chondrocyten und Kollagen als wichtige Rückstreuquelle hochfrequentem Ultraschalls deutet darauf hin, dass die beobachteten Veränderungen des AFB Degenerationen von Chondrocyten und des Kollagennetzwerks zugeordnet werden könnten. Eine Anwendung dieser Parameter für intra-artikuläre Ultraschallarthroskopien ist denkbar und könnte deren diagnostisches Potential deutlich erhöhen.