Osteoporosis is a skeletal disease characterized by low bone mass and structural deterioration. Quantifying bone microarchitecture in addition to its density is expected to improve the prediction of bone strength and fracture risk, since cancellous bone structure has been shown to have an important influence on the mechanical competence of bone. To analyze the structure of cancellous bone and changes thereof in humans, non-invasive techniques are necessary. The spatial resolution of currently available in vivo examinations, however, is of the same order as the thickness of trabecular elements, thus individual trabeculae are not depicted with their true shape. For CT measurements, a further restriction is the x-ray radiation dose delivered to the patient. Since dose and spatial resolution are connected through a fourth-power law, trade¬ offs have to be made. Additionally, since cancellous bone is very inhomogeneous, an exact matching of the measured bone volume is crucial if time serial measurements are performed to assess changes in bone structure due to disease or treatment.
In this work a procedure to assess microarchitecture of bone in vivo is presented which takes all these limitations and requirements into account. Measurements of the distal radius are performed with a three-dimensional high resolution quantitative CT (3D-QCT) scanner with 1653 μm³ voxelsize and 0.8 mGy radiation dose. From the original data, a 3D ridge skeleton is extracted, and direct morphometric techniques are employed to calculate structural indices such as trabecular number, thickness and separation. The precision of the complete procedure is 1.6%, including patient repositioning and matching of the volume of interest for follow-up examinations. The found precision is comparable to the precision of current bone density examinations of the order of 1%. The proposed structure assessment is calibrated with comparative measurements of bone biopsies with the 3D-QCT scanner and a 28 μm resolution MicroCT scanner.
A technique which allows to improve spatial resolution without increasing dose is local tomography. Local tomography produces 'edge-enhanced' images, from which it is shown that structural indices can be extracted with the same accuracy as from traditional tomographic images. Radiation dose is calculated to decrease by a factor of 4 to 6. Thus with special purpose CT scanners comprising a local tomography mode, bone structure examinations of peripheral human bones are feasible with a spatial resolution of 100³ μm³ and a radiation dose below 1 mGy.
To validate the new procedure a group of 18 postmenopausal women was measured repetitively over one year. The results show a large diversity of bone changes. Cortical and trabecular bone loss need not occur simultaneously, and the newly introduced cancellous bone structure assessment shows that also trabecular bone is lost in different ways: Either trabeculae are thinning and their number stays constant, or only the number decreases, or both effects occur. These findings stimulate questions about the basic mechanisms of postmenopausal osteoporosis. The information about the structure of bone and its changes in the course of aging, disease or treatment - now accessible in vivo for the first time - is envisioned to lead to an increased understanding of the involved processes.
Osteoporose ist eine Erkrankung des Skelettes, die durch tiefe Knochenmasse und eine strukturelle Verschlechterung der Knochen charakterisiert ist. Von einer Quantifizierung der Mikroarchitektur des Knochens zusatzlich zu seiner Dichte wird eine Verbesserung der Frakturrisiko-Vorhersage erwartet, da gezeigt wurde, dass die Struktur spongioser Knochen einen wichtigen Einfluss auf deren mechanische Kompetenz hat. Um die spongiose Knochenstruktur und Anderungen davon direkt am Menschen zu analysieren, sind nicht-invasive Techniken notig. Die raumliche Auflosung derzeit verfiigbarer in vivo Techniken ist jedoch von derselben Grossenordung wie die Dicke der trabekularen Elemente. Dies fuhrt dazu, dass individuelle Trabekel nicht in ihrer korrekten Gestalt dargestellt werden. Bei der Durchfiihrung von Computertomographie-Untersuchungen ist eine weitere Einschrankung die dem Patienten verabreichte Rontgendosis. Da Dosis und raumliche Auflosung mit der vierten Potenz miteinander verbunden sind, sind Kompromisse erforderlich. Die starke Inhomogenitat spongioser Knochen verlangt auch ein genaues Anpassen wiederholt gemessener Knochenvolumina, um mittels Zeitreihenuntersuchungen krankheits- oder behandlungsbedingte Anderungen der Knochenstruktur zu bestimmen.
In der vorliegenden Arbeit wird eine in vivo Prozedur zur Bestimmung der Mikroarchitektur von Knochen prasentiert, die alle diese Limitierungen und Bedingungen beriicksichtigt. Der distale Radius (Speiche) wird mit einem dreidimensionalen quantitativen Computertomographen (3D-QCT) mit 165³ μm³ Voxelgrosse und 0.8 mGy Dosisbelastung gemessen. Ein 3D Skelett wird aus den Originaldaten extrahiert, und direkte morphometrische Methoden werden angewandt, um Strukturindizes zu berechnen, wie zum Beispiel trabekulare Anzahl, Dicke und Abstand. Die Prazision der gesamten Messprozedur ist 1.6%, inklusive Reposition der Patienten und Anpassen der interessierenden Volumina fur Folgeuntersuchungen. Die Prazision ist demnach vergleichbar mit jener von heutigen Knochendichteuntersuchungen in der Grossenordnung von 1%. Die vorgeschlagene Strukturbestimmung wird kalibriert mit Vergleichsmessungen von Knochenbiopsien mit dem 3D-QCT Scanner und einem MicroCT Scanner mit 28 μm Auflosung.
Eine Technik, die eine Verbesserung der raumlichen Auflosung ohne gleichzeitige Erhohung der Strahlenbelastung erlaubt, ist lokale Tomographic Damit werden 'kanten-verstarkte' Bilder produziert, von denen gezeigt wird, dass Strukturindizes mit der gleichen Genauigkeit bestimmt werden konnen wie von traditionellen Tomographiebildern. Berechnungen zeigen, dass die Strahlenbelastung mit lokaler Tomographic um den Faktor 4 bis 6 zuriickgeht. Es wird gefolgert, dass mit CT Scannern mit einem lokalen Tomographie-Modus Knochenstrukturuntersuchungen von peripheren menschlichen Knochen mit einer raumlichen Auflosung von 100³ μm³ und einer Dosisbelastung unter 1 mGy moglich sind.
Zur Validierung der neuen Prozedur wurde eine Gruppe von 18 postmenopausalen Frauen wiederholt wahrend eines Jahres gemessen. Die Resultate zeigen eine Vielfalt verschiedener Knochenveranderungen. Kompakter und spongifiser Knochenverlust miissen nicht simultan auftreten, und die neu eingefuhrte Strukturuntersuchung zeigt, dass auch spongioser Knochen auf unterschiedliche Weise abgebaut wird: entweder werden Trabekel dtinner und deren Anzahl bleibt konstant, oder nur die Anzahl nimmt ab, oder beide Effekte treten auf. Diese Erkenntnisse stimulieren neue Fragen iiber die gnindlegenden Mechanismen postmenopausaler Osteoporose. Es wird damit gerechnet, dass die jetzt erstmals in vivo zugangliche Information iiber die Struktur des Knochens und seine Anderungen im Verlaufe der Zeit, einer Krankheit oder einer Therapie zu einem vertieften Verstandnis der involvierten Prozesse beitragen wird.