Ultrasound based measurement of fracture relevant cortical properties of the femoral neck
Final Report Abstract
Heutzutage klinisch eingesetzte röntgenbasierte Methoden zur Knochenmineraldichtemessung für die Abschätzung des osteoporotischen Frakturrisikos und zur Ermittlung der Therapiebedürftigkeit haben Limitationen, da sie über Knochengröße und Mineraldichte hinaus an den Hauptfrakturorten Femur und Wirbelkörper keine weiteren frakturrelevanten Knochenmaterialeigenschaften erfassen. Methoden der Ultraschalltransmission sind prinzipiell geeignet, weitere Materialeigenschaften des kortikalen Knochens zu erfassen (wie Elastizität, Porosität, Mineralisierung und kortikaler Dicke, weitere mechanische Eigenschaften wie Zähigkeit, Duktilität), die mit radiologischen Methoden nicht oder nur ungenügend in vivo gemessen werden können. Aufbauend auf bisherigen Untersuchungen an Ultraschallwellen durch die Kortikalis des Schenkelhalses (geführte Wellen), entwickelten wir im Rahmen des Projektes eine in vivo einsetzbare Methode, um frakturrelevante Eigenschaften des Schenkelhalses selektiv zu messen. Wir haben evaluiert, ob in Ergänzung zu den von uns bereits validierten QUS-Messungen am Trochanter Messungen am Schenkelhals möglich sind, um damit das Risiko pertrochantärer wie zervikaler Femurfrakturen abzuschätzen. Die Schallausbreitung in der Kortikalis ist komplex, da je nach Randbedingungen (Kortikalisdicke, Einschallwinkel, Schallgeschwindigkeit, Schallfrequenz) verschiedene Ausbreitungmoden angeregt werden, die sich während der Ausbreitung verändern und sich gegenseitig überlagern. In Simulationsrechnungen konnte gezeigt werden, dass Änderungen in kortikaler Porosität, Porengröße und kortikaler Dicke mit guter Genauigkeit aus der Durchschallung abgeschätzt werden können, solange die Knochengeometrie konstant bleibt, bzw. bekannt ist. Für kreisförmige Objekte variabler Größe und Position wiederum ließ sich die Schallgeschwindigkeit im Objekt und Größe des Objektes durch Lösen des inversen Problems gut bestimmen. Die Schallgeschwindigkeit wird stark von der Porosität beeinflusst. Insgesamt war die Porosität, welche auch klinisch relevant für die Frakturanfälligkeit des Knochens ist, die am besten ermittelbare Größe. Erweiterte Modelle konnten entwickelt werden, die der komplexen Schallausbreitung in verschiedenen Moden Rechnung tragen, und die es ermöglichen sollten, in einem Messsystem mit Sende- und Empfangsarrays die Variabilität von Einflussgrößen wie der Schenkelhalsgeometrie zu beherrschen und damit auch Abschätzungen der Porosität und anderer Größen auch in vivo zu ermöglichen.
Publications
- Influence of porosity, pore size, and cortical thickness on the propagation of ultrasonic waves guided through the femoral neck cortex: a simulation study., IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 61 (2014) 302–13
K. Rohde, D. Rohrbach, C.-C. Glüer, P. Laugier, Q. Grimal, K. Raum, et al.
(See online at https://doi.org/10.1109/TUFFC.2014.6722615) - Model to estimate the sound velocity in a circular wave guide in a through transmission measurement setup from multiple receivers, in: IEEE ESUCB 2015 - 6th Eur. Symp. Ultrason. Charact. Bone, 2015
K. Rohde, R. Barkmann, M. Daugschies, C.-C. Glüer, G. Schmitz
(See online at https://doi.org/10.1109/ESUCB.2015.7169917)
