Multimodale ultraschallbasierte Bestimmung der kortikalen Knochenfestigkeit
Final Report Abstract
Quantitative Ultraschall (QUS) - Methoden zeigen eine der zentralen Osteodensitometrie mit Dual X-Ray Absorptiometry (DXA) an lumbaler Wirbelsäule und proximalem Femur vergleichbare Qualität in der Abschätzung des osteoporotischen Frakturrisikos. Die QUSMethoden nutzen die Eigenschaft, dass die Ultraschallausbreitung durch Knochen sowohl von den elastischen Eigenschaften des Knochengewebes, aber auch von mikro- und makrostrukturellen Eigenschaften abhängen, welche wiederum maßgeblich die biomechanischen Eigenschaften des gesamten Organs bestimmen. Mit dem FemUSScanner konnte erstmalig gezeigt werden, dass die Auswertung von Wellen durch die Kortikalis des Femurs in-vivo möglich und klinisch sinnvoll ist. Die bisherigen Ergebnisse zeigen eine starke Korrelation mit der zentralen Knochendichte und unterstützen die Hypothese der Eignung dieser Methode zur Frakturrisikobestimmung. Eine Erweiterung dieser Entwicklungen im Hinblick auf eine sichere in-vivo Messung dieser Wellen zur Bestimmung von Eigenschaften des Femurhalses sind Teil der weitergehenden Forschungen der Antragsteller und Kooperationspartner. Die Bedeutung reiner Ultraschallmessungen an der Kortikalis wie in der axialen Transmission am Radius und transversalen Transmission an den Fingerphalangen liegt in der Bestimmung frakturrelevanter Veränderungen der Kortikalis, z.B. Elastizität und Porosität der Matrix, sowie der Kortikalisdicke, welche mit radiologischen Methoden nicht oder nur unzureichend erfasst werden können. Durch Vergleich mit hochauflösender akustischer Mikroskopie konnten wesentliche Erkenntnisse gewonnen werden über den Einfluss mikro- und nanostruktureller Eigenschaften auf die makroskopische Schallausbreitung. Neben der Bestimmung der Bruchfestigkeit ist in letzter Zeit die Frage der Therapiekontrolle und Erforschung der Ursachen für Therapieversagen aktuell geworden. Hierfür könnten kortikale Strukturanalysen, in vitro und in vivo, wertvolle Beiträge liefern. Quantitative hochauflösende akustische Mikroskopie spielte bei den Untersuchungen eine essentielle Rolle, einerseits zur Validierung der QUS-Methoden, aber auch zur elastisch funktionalen Beurteilung des kortikalen Gewebes auf mehreren Hierarchieebenen und an verschiedenen Tier- und Frakturmodellen. SAM ist momentan das einzige zerstörungsfreie mikroelastische bildgebende Untersuchungsverfahren. Durch Kombination mit komplementären bildgebenden mikroskopischen Verfahren konnten grundsätzlich neue Erkenntnisse über die Struktur-Funktions-Beziehungen des kortikalen Knochens erlangt werden. Zudem liefern SAM Messungen Struktur- und Elastizitätsdaten für realitätsnahe numerische Simulationsmodelle. Die solide wissenschaftliche Fundierung der Beziehungen verschiedener in-vivo meßbaren US-Parametern und frakturrelevanten Struktur- und Gewebeveränderungen stellt einen Schwerpunkt des Deutsch-Französischen Forschungsnetzwerkes „Ultrasound assessment of bone strength from the tissue level to the organ level“ dar. Während der Projektlaufzeit wurden durch die Netzwerkpartner zwei internationale Symposien organisiert. Neben der Fortführung und Fokussierung physikalischer Grundlagen- und krankheitsbezogenen Forschung soll die Translation der entwickelten Methoden in die klinische Forschung vorangetrieben werden. In Folge der erfolgreichen Zusammenarbeit der deutschen Partner mit LIP in Paris wurde zwischenzeitlich ein vom CNRS gefördertes European Associated Laboratory mit dem Namen "ULtrasound based Assessment of Bone (ULAB)” mit den drei Partnern als Mitglieder gegründet, womit die gemeinsame Forschung auf diesem Gebiet intensiviert werden kann. Des Weiteren konnten Mittel der Europäischen Union eingeworben werden für ein Projekt der grenzüberschreitenden Zusammenarbeit (Interreg IVA) mit Dänemark, in dem weitere klinische Daten mit dem FemUS - Scanner gewonnen werden sollen.
