Strukturanalyse hochauflösender Computertomogramme als ergänzendes Verfahren in der Osteoporosediagnostik: In-vitro-Untersuchungen an Wirbelsäulensegmenten

Zusammenfassung.

Ziel: Korrelation von Strukturparametern aus hochauflösenden Computertomogrammen humaner Wirbelkörperpräparate mit der biomechanischen Stabilität der Präparate und Vergleich mit der Knochenmineraldichte (BMD, bone mineral density) als Standardparameter. Material und Methoden: Von 36 Wirbelsäulenbewegungssegmenten, bestehend aus jeweils zwei Wirbelkörpern und erhaltenem Bandapparat, wurde durch biomechanische Testung die Bruchlast ermittelt. Vor Frakturierung wurden die Präparate mittels hochauflösender CT und in standardisierter QCT-Technik untersucht. In den hochauflösenden Schichten wurden die Strukturparameter Trabekuläres Flächenverhältnis (TTAR), fraktale Dimension ohne trabekuläre Schwellenwerte (OTS) und fraktale Dimension innerhalb trabekulärer Schwellenwerte (ITS) berechnet. Ergebnisse: Es zeigte sich eine Korrelation der Bruchlast mit TTAR von r = 0,76 (p < 0,01), der fraktalen Dimension (ITS) von r = 0,83 (p < 0.01) und der fraktalen Dimension (OTS) von r = 0.35 (p > 0.01). Der Korrelationskoeffizient von Bruchlast und BMD betrug r = 0,76 (p < 0.01). Die beste Bruchlastvorhersage wurde bei Kombination der Texturparameter mit der BMD erreicht (r = 0,85, p < 0.01). Schlußfolgerung: Die vorliegende in-vitro-Studie zeigte eine signifikante Korrelation zwischen Texturparametern und biomechanischer Stabilität von Wirbelkörpersegmenten, diese lag in einer ähnlichen Dimension wie die von BMD und Bruchlast. Die höchste Korrelation zur Bruchlast wurde durch Kombination von Texturparametern und BMD erzielt; damit wäre durch eine Verwendung beider Parameter eine Verbesserung der Prädiktion des materialbezogenen Frakturrisikos möglich.

Purpose: The purpose of this study was to perform texture analysis of high- resolution CT images obtained from human vertebral specimens and to correlate these parameters with the biomechanical stability of the specimens. In addition, structure data were compared with bone mineral density (BMD) assessed by quantitative CT (QCT). Material and Methods: High-resolution CT images and standard QCT sections were obtained in 36 vertebral motion segments, each consisting of two vertebrae with intact ligaments and intervertebral disc. The trabecular structure in the CT images was assessed using three texture analysis techniques: Trabecular threshold area ratio (TTAR), fractal dimension without thresholding (OTS) and fractal dimension with thresholding (ITS). Finally, the maximum compressive strength (MCS) was determined using a biomechanical testing device. Results: A correlation of r = 0.76 (p < 0.01) was obtained for TTAR versus MCS, of r = 0.83 (p < 0.01) for ITS versus MCS, and of r = 0.35 (p > 0.01) for OTS versus MCS, while r = 0.76 (p < 0.01) was found for BMD versus MCS. Best results were obtained by combining structure measures and BMD (r = 0.85, p < 0.01). Conclusions: This in vitro study showed a significant correlation between structure measures and biomechanical strength, which was comparable to BMD and strength. However, best correlations were obtained by combining both measures. Using both BMD and structure measures therefore may improve the prediction of biomechanically determined bone strength.

Schlüsselwörter:

Osteoporose - CT - Strukturanalyse - Trabekulärer Knochen - Knochenmineraldichte

Key words:

Osteoporosis - CT - Structure analysis - Trabecular bone - Bone mineral density

Literatur

• 1  Anonymous. Consensus development conference: diagnosis, prophylaxis, and treatment of osteoporosis.  Am J Med. 1993;  94 646-650
• 2 Ross P D, Davis J W, Wasnich R D, Vogel J M. A critical review of bone mass and the risk of fractures in osteoporosis.  Cacif Tissue Int. 1990;  46 149-161
• 3 Atkinson P J. Variation in trabecular structure of vertebrae with age.  Calcif Tissue Res. 1967;  1 24-32
• 4 Andresen R, Radmer S, Banzer D. Bone mineral density and spongiosa architecture in correlation to vertebral body insufficiency fractures.  Acta Radiol. 1998;  39 538-542
• 5 Benhamou C L, Lespessailles E, Royant V. Bone structure and mechanical resistance of the bone tissue.  Presse Med. 1996;  25 249-254
• 6 Bergot C, Laval-Jeantet A M, Preteux F, Meunier A. Measurement of anisotropic vertebral trabecular bone loss during aging by quantitative image analysis.  Calcif Tissue Int. 1988;  43 143-149
• 7 Haidekker M A, Andresen R, Evertsz C J, Banzer D, Peitgen H O. Assessing the degree of osteoporosis in the axial skeleton using the dependence of the fractal dimension on the grey level threshold.  Brit J Radiol. 1997;  70 586-593
• 8 Klepper R, Johner C, Hesch R D. A structural parameter for characterizing early trabecular changes in the spine in osteoporosis.  Fortschr Röntgenstr. 1993;  159 337-342
• 9 Reuther G, Doeren M, Montag M, Peters P E. The morphological analysis of the vertebrae spongiosa in quantitative CT.  Fortschr Röntgenstr. 1992;  156 264-269
• 10 Wehrli F W, Hwang S N, Ma J, Song H K, Ford J C, Haddad J G. Cancellous bone volume and structure in the forearm: noninvasive assessment with MR microimaging and image processing.  Radiology. 1998;  206 347-357
• 11 Caligiuri P, Giger M L, Favus M J, Jia H, Doi K, Dixon L B. Computerized radiographic analysis of osteoporosis: preliminary evaluation.  Radiology. 1993;  186 471-474
• 12 Chevalier F, Laval-Jeantet A M, Laval-Jeantet M, Bergot C. CT image analysis of the vertebral trabecular network in vivo.  Calcif Tissue Int. 1992;  51 8-13
• 13 Fazzalari N L, Crisp D J, Vernon-Roberts B. Mathematical modeling of trabecular bone structure: the evaluation of analytical and quantified surface-to-volume relationship in the femoral head and iliac creast.  J Biomechan. 1989;  22 901-910
• 14 Ito M, Ohki M, Hayashi K, Yamada M, Uetani M, Nakamura T. Trabecular texture analysis of CT images in the relationship with spinal fracture.  Radiology. 1995;  194 55-59
• 15 Majumdar S, Genant H K, Grampp S, Jergas M D, Newitt D C, Gies A A. Analysis of trabecular bone structure in the distal radius using high resolution MRI.  Eur Radiol. 1994;  4 517-524
• 16 Meier N. Nichtinvasive digitale Strukturanalyse und Quantifizierung osteogener Umbauvorgänge der humanen columna vertebralis. Inauguraldissertation Münster; 1996
• 17 Frei W, Chen C C. Fast boundary detection: a generalization and an algorithm.  IEEE Transaction on computers C-26. 1977;  10 988-998
• 18 Biggemann M, Hilweg D, Brinckmann P. Prediction of the compressive strength of vertebral bodies of the lumbar spine by quantitative computed tomography.  Skeletal Radiology. 1988;  17 264-269
• 19 Brinckmann P, Biggemann M, Hilweg D. Fatigue fracture of human lumbar spine.  Clinical Biomechanics. 1988;  Suppl 1 1-23
• 20 Parfitt A M. Trabecular bone architecture in the pathogenesis and prevention of fracture.  Am J Med. 1987;  82 68-72
• 21 Block J E, Smith R, Glüer C C. Models of spinal trabecular loss as determined by quantitative computed tomography.  J Bone Miner Res. 1989;  4 249-257
• 22 Hayes W C, Piazza S J, Zysset P K. Biomechanics of fracture risk prediction of the hip and spine by quantitative computed tomography.  Radiol Clin N Amer. 1991;  29 1-18
• 23 Hui S L, Slemenda C W, Johnston C C. Age and bone mass as predictors of fracture in a prospective study.  J Clin Invest. 1988;  81 1804-1809
• 24 Jergas M, Glüer C, Grampp S, Köster O. Radiologische Diagnostik der Osteoporose: Aktuelle Methoden und Perspektiven.  Akt Radiol. 1992;  2 220-229
• 25 Cann C E. Quantitative CT for determination of bone mineral density: a review.  Radiology. 1988;  166 509-522
• 26 Delling G. Neuere Vorstellungen zu Bau und Struktur der menschlichen Spongiosa - Ergebnisse einer kombinierten zwei- und dreidimensionalen Analyse.  Z ges inn Med. 1989;  44 536-540
• 27 Darby A J, Meunier P J. Mean wall thickness and formation periods of trabecular bone packets in idiopathic osteoporosis.  Calcif Tissue Int. 1981;  33 199-204
• 28 Satoris D J. Osteoporosis. In: Resnick D, Niwayama G (eds.): Diagnosis of bone and joint disorders. 3rd ed. Philadelphia; Saunders 1996
• 29 Laval-Jeantet A, Roger B, Rouysse S, Bergot C. Influence of vertebral fat content upon quantitative CT density.  Radiology. 1986;  159 463-466
• 30 Rao G, Yaghmai I, Wist A, Arora G. Systematic errors in bone mineral measurements by quantitative computed tomography.  Med Phys. 1987;  14 62-69
• 31 Felsenberg D, Gowin W. Knochendichtemessung mit Zwei-Spektren-Methoden.  Radiologe. 1999;  39 186-193
• 32 Glüer C, Genant H. Impact of marrow fat in accuracy of quantitative CT.  J Comput Assist Tomogr. 1989;  13 1023-1035
• 33 Link T M, Majumdar S, Konermann W, Meier N, Lin J C, Newitt D, Ouyang X, Peters P E, Genant H K. Texture analysis of direct magnification radiographs of vertebral specimens: correlation with bone mineral density and biomechanical properties.  Acad Radiol. 1997;  4 167-176