Entwicklung und Anwendung nichtlinearer Bildanalyseverfahren zur Analyse trabekulärer Knochenstrukturen im Kontext von Osteoporose
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass mit modernen bildgebenden Verfahren und geeigneten Methoden der Nachbearbeitung und Quantifizierung sowohl das Verständnis für Architektur und Umbauvorgänge des Knochens als auch die Vorhersage der biomechanischen Eigenschaften signifikant verbesserte werden kann. Die Methoden lassen sich an Daten verschiedener Auflösungen anwenden, und stehen somit sowohl für Studien mit aufwendiger (und strahlenintensiverer) Bildgebung als auch für die klinische Routinediagnostik zur Verfügung. Im einzelnen wurde zunächst versucht, die Osteoporosediagnostik in der klinischen Routine zu verbessern. Dazu wurde einerseits ein effektives Training zur Beurteilung osteoporotischer Frakturen vorgestellt und positiv evaluiert. Andererseits konnte mit neu entwickelten Korrekturmethoden bei kontrastverstärkten Routine-CTs die Knochendichte von Femur und Wirbelsäule gemessen und so auch inzidentelle Frakturen im Verlauf vorhergesagt werden. Beides ist in der klinischen Routinediagnostik ohne wesentlichen Mehraufwand gut möglich und kann so mehr frakturgefährdete Patienten einer geeigneten Therapie zuführen. Im experimentellen Bereich wurde kortikaler und trabekulärer Knochen mittels MRT und CT detailliert dargestellt und mittels komplexer Texturanalyseverfahren quantifiziert. Insgesamt zeigte die CT deutliche Vorteile gegenüber der MRT, insbesondere aufgrund der geringeren Artefaktanfälligkeit der Methode und der somit stabileren und besser reproduzierbaren Ergebnisse. Eine Quantifizierung erfolgte sowohl mittels der Finiten Element Methode (FEM) als auch nicht-linearen Texturparametern, insbesondere der Skalierungs-Index-Methode (SIM). Die Methoden ließen sich an Daten verschiedener Auflösungen anwenden, und stehen somit sowohl für Studien mit aufwendiger (und strahlenintensiverer) Bildgebung als auch für die klinische Routinediagnostik zur Verfügung. Interessanterweise zeigte sich kein signifikanter Abfall der Korrelationen zwischen Versagenslast und Strukturparameter (SIM und FEM) bis zu einer Auflösung von isotrop 500 μm; dies stellt in etwa das Auflösungsvermögen eines klinischen MDCT dar. Die verwendeten Parameter lassen sich also auch sehr gut klinisch anwenden. Für die unterschiedlichen Parameter ergaben sich verschiedene Vorteile. So konnte mit Hilfe der Euler-Charakteristik das trabekuläre Netzwerk auf eine Art essentielle topologische Struktur reduziert werden, in der in sehr kondensierter Weise die Information über die Stabilität des Knochens liegt. Daneben wurden universal geltende belastungsunabhängige Strukturprinzipien mit Minkowski-Funktionalen und der Skalierungs-Index-Methode quantifiziert. So konnten Proben unterschiedlicher anatomischer Herkunft unterschieden werden und Cluster mit strukturellen Ähnlichkeiten gebildet werden. Auch simulierte Knochenumbauvorgänge konnten so quantifiziert werden, um eine Änderung der Struktur mit veränderten biomechanischen Eigenschaften zu vergleichen. Daneben konnte gezeigt werden, dass für die Bestimmung der Versagenslast insbesondere trabekuläre Strukturen, die kleinste Kräfte und Spannungen erfahren (sog. micro strains), eine wesentliche Rolle spielen. Allerdings konnten FEM bei CT-Daten stets die Versagenslast des Knochens am besten Vorhersagen. Daher sollen sich auch die nächsten klinischen Projekte hauptsächlich mit Finiten Element Modellen beschäftigen und hier eine automatisierte Anwendung an Hüfte und Wirbelsäule ermöglichen, um so die Frakturprädiktion zu verbessern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Assessing methods for characterising local and global structural and biomechanical properties of the trabecular bone network. Curr Med Chem. 2011;18(22):3402-9
Sidorenko I, Monetti R, Bauer J, et al.
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Assessment of global morphological and topological changes in trabecular structure under the bone resorption process. Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering Volume: 8317 Published: 2012
Sidorenko, I. N.; Bauer, J.; Monetti, R.; et al.
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Converted Lumbar BMD Values Derived from Sagittal Reformations of Contrast-Enhanced MDCT Predict Incidental Osteoporotic Vertebral Fractures. Calcif Tissue Int. 2012 Jun;90(6):481-7
Baum T, Müller D, Dobritz M, Wolf P, Rummeny EJ, Link TM, Bauer JS
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Cortical and trabecular bone structure analysis at the distal radius-prediction of biomechanical strength by DXA and MRI. J Bone Miner Metab. 2012 Nov 22 [Epub ahead of print]
Baum T, Kutscher M, Bauer JS, et al.
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Reproducibility of trabecular bone structure measurements of the distal radius at 1.5T and 3.0T MRI. J Comput Assist Tomogr. 2012 Sep;36(5):623-6
Baum, T, Dütsch Y, Bauer JS, et al.
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BMD measurements of the proximal femur from routine contrast-enhanced MDCT datasets correlate with DXA. Eur Radiol. 2013 Feb;23(2):505-12
Gruber M, Bauer JS, Dobritz M, et al.
