Diagnose des kortikalen Knochenstatus mit quantitativer in-vivo Ultraschallbildgebung

• Antragsteller: Professor Dr. Kay Raum
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Endokrinologie, Diabetologie, Metabolismus
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506408593

Osteoporose (OP) ist stellt eines der bedeutendsten globalen Gesundheitsprobleme unserer alternden Gesellschaft dar. Die meisten Menschen, die eine osteoporotische Fraktur erlitten oder ein erhöhtes Frakturrisiko haben, werden auf der Basis der aktuellen „Gold-Standard“ Methode, der Knochenmineraldichtemessung (BMD) mittels Zwei-Energie-Röntgenabsorption (DXA) nicht als osteoporotisch diagnostiziert. Die mechanische Integrität des kortikalen Knochens (~80% der humanen Skelettmasse) ist ein Schlüsselfaktor für die Bruchfestigkeit. Infolge eines aus der Balance geratenen Knochenumbaus kommt es in der Entwicklung einer OP zum Auftreten großer Resorptionslakunen, die zur Veränderung der Porengrößenverteilung, Porosität und schließlich einer Verringerung der kortikalen Dicke (Ct.Th) führen. Diese strukturellen Veränderungen führen zusammen mit schlechteren viskoelastischen Eigenschaften des Knochengewebes zu einer dramatischen Abnahme der Bruchfestigkeit. Im DFG-ANR Projekt “TaCoSound” (2015-2018) wurde eine systematische ex-vivo Untersuchung der Knocheneigenschaften in humanen Tibia- und proximalen Femurknochen und deren Einflüsse auf die proximale Femurbruchfestigkeit durchgeführt. Während der letzten 2 Jahre haben die Antragsteller originale in-vivo Ultraschall-(US)- Bildgebungsmethoden entwickelt, um i) aus brechungskorrigierten Bildern Schallgeschwindigkeit (welche durch Ct.Po und Viskoelastizität der Knochenmatrix bestimmt wird) und Ct.Th abzuleiten und ii) aus dem „spektralen Fingerabdruck“ der an Poren zurückgestreuten Wellen die Porengrößenverteilung zu bestimmen. Das aktuelle Projekt baut auf diesen und neuen Ergebnissen auf, die darauf hindeuten, dass eine Variation der proximalen Femurbruchfestigkeit zum großen Teil (82%) mit Ct.Th (69%) und dem Auftreten von großen Poren (18%) in der Tibia assoziiert ist. Ex-vivo Studien und vorläufige in-vivo Ergebnisse zeigen, dass – erstmals in Menschen – die Porengrößenverteilung (in der Größenordnung von 30 -150 µm) nichtinvasiv mit US gemessen werden kann und diese zusammen mit akustischen Dämpfungsparametern eine bessere Diskriminierungsperformance im Vergleich zu DXA bieten. Für die klinische Anwendung sind jedoch verbesserte Bildrekonstruktionsalgorithmen und ein umfassenderes Rückstreumodell zu entwickeln.TaCoSoundInVivo dient der Entwicklung einer US-Bildgebung zur kombinierten, robusten und räumlich aufgelösten Bestimmung von makro- und mikrostrukturellen als auch viskoelastischen Veränderungen im kortikalen Knochen. Diese Methode wird an einer repräsentativen Kohorte von gesunden Menschen und Patienten mit diagnostizierter Osteopenie/Osteoporose angewendet. Die US-Parameter werden ex-vivo mit Knochenphantomen und in-vivo mit hochauflösender Computertomographie an den gleichen Messstellen verglichen. Wir erwarten von Alter, Geschlecht, und Ausmaß der OP abhängige Veränderungen, und dadurch eine verlässliche Identifizierung von Menschen mit erhöhtem Frakturrisiko mit normaler/reduzierter BMD.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Quentin Grimal; Professorin Marie Muller, Ph.D.