Bone mineral density measures are currently the standard for fracture risk assessment in osteoporotic patients. Nevertheless, since it was recognized that bone density leaves a rather large variation in bone strength unexplained, many attempts have been made to also include trabecular structure in the bone strength prediction. Consequently, many morphometric indices were devised to characterize trabecular bone architecture. Where most of these methods analyzed bone samples as a whole, in this thesis a new framework was devised and implemented to analyze bone samples on an elemental level. With this method, for the first time, trabecular bone structures could be spatially decomposed into their volumetric rod and plate elements. Based on this volumetric spatial decomposition two applications were presented. First, the extracted elements were analyzed using conventional morphometric measures, a method that was referred to as local morphometry. Second, the extracted elements were converted to idealized computational models for a fast and accurate prediction of bone mechanical properties.
Local morphometry revealed large differences in the rod/plate composition of the structures from different anatomical sites. It was suggested that the strength of dense plate-like structures was determined by a few “major elements” spanning through the whole structure, whereas the strength in loose rod-like structures was determined by the relative arrangement, quality and shape of a whole set of elements. These site differences were also reflected in different age-related remodelling mechanisms. Where in lumbar spine bone loss was mainly expressed as a loss of rods, in femoral head bone loss was expressed by perforation of large plates followed by a transformation of plates to rods and by loss of interconnecting stabilizing trabecular elements. It was also suggested that these interconnecting elements played a key role in fracture initiation in inhomogeneous bone samples. Furthermore, local morphometry was able to accurately predict bone mechanical properties. A multiple linear regression model combining mean trabecular spacing (Tb.Sp), mean slenderness of the rods (
Idealized computational models could be created directly from the volumetric spatially decomposed images by converting the trabecular elements to beams in a corresponding beam finite element model. Although theses models were highly idealized, the apparent elastic properties of a set of human trabecular bone samples were equally well predicted by these models as compared to conventional voxel FE models (R² = 0.97). The big advantage of beam-FE models over conventional voxel based FE models is the tremendous reduction in number of elements which goes along with a tremendous reduction in computation time (up to a factor of 10’000). The strong reduction in CPU time opens up ways for research that was not possible before, such as the routine assessment of mechanical properties of large bone specimens or even whole bones.
In conclusion, a new framework for element based analysis of trabecular bone structures was introduced. Local morphometry and idealized computational models may become important tools to explain age- and disease-related changes in bone quality and the competence of bone. With upcoming in vivo high-resolution imaging systems idealized computational model have the potential to become a standard in routine bone failure prediction.
Die Knochendichtemessung ist zurzeit das Standardverfahren, um das Frakturrisiko in osteoporotischen Patienten abzuschätzen. Da aber erkannt wurde, dass die Knochendichte einen relativ grossen Teil der Varianz der Knochenstärke nicht erklären kann, wurden viele Versuche unternommen, auch die trabekuläre Struktur in die Vorhersage der Knochenstärke mit einzubeziehen. Als Konsequenz davon wurden viele morphometrische Parameter zur Charakterisierung der trabekulären Knochenarchitektur entwickelt. Die meisten dieser Verfahren beschreiben dabei Knochenproben als ganzes. Im Gegensatz dazu wurde in dieser Doktorarbeit ein System entwickelt und implementiert, um Knochenproben auf dem Niveau der Elemente untersuchen zu können. Mit dieser Methode konnte trabekulärer Knochen zum ersten Mal in seine volumetrischen Stäbe und Platten zerlegt werden. Basierend auf dieser räumlichen Zerlegung wurden zwei Anwendungen vorgestellt. In der ersten, lokale Morphometrie genannt, wurden die Elemente mit herkömmlichen morphometrischen Methoden analysiert. In der zweiten wurden die extrahierten Elemente zu einem idealisierten Computermodell konvertiert, welches zur schnellen und exakten Vorhersage der mechanischen Eigenschaften des Knochens verwendet werden kann.
Mit lokaler Morphometrie konnten grosse Unterschiede in der Zusammensetzung bezüglich Stäbe und Platten für Strukturen verschiedener anatomischer Lagen aufgedeckt werden. Es wurde vorgeschlagen, dass die Stärke von dichten, plattenförmigen Strukturen hauptsächlich durch ein paar ,,Hauptelemente“, welche sich quer durch die ganze Struktur erstrecken, bestimmt ist, wohingegen die Stärke in lockeren, stabförmigen Strukturen durch die relative Anordnung, Qualität und Form eines ganzen Sets von Elementen bestimmt ist. Diese Lage-Unterschiede konnten auch in den unterschiedlichen altersabhängigen Umbauprozessen beobachtet werden. Wo sich in der Lendenwirbelsäule Knochenschwund hauptsächlich durch den Verlust von Stäben manifestierte, drückte sich Knochenverlust im Oberschenkelkopf durch die Durchlöcherung von grossen Platten, gefolgt von einer Transformation von Platten zu Stäben, sowie durch den Verlust von stabilisierenden Zwischenverstrebungen aus. Es wurde auch gezeigt, dass solche Zwischenverstrebungen eine Schlüsselrolle bei der Bruchbildung in inhomogenen Proben spielen könnten. Ausserdem konnten mittels lokaler Morphometrie die mechanischen Eigenschaften von Knochen genau vorhergesagt werden. Eine multiple lineare Regression mit dem mittleren Abstand der Trabekel (Tb.Sp), der mittleren Schlankheit der Stäbe (
Idealisierte Computermodelle konnten direkt aus den volumetrisch zerlegten Bildern generiert werden, indem die trabekulären Elemente in einem entsprechenden Finiten-Elemente-Modell zu Balken konvertiert wurden. Obwohl diese Modelle stark vereinfacht sind, konnte der scheinbare Elastizitätsmodul in einem Satz von humanen Knochenproben gleich gut vorhergesagt werden wie durch konventionelle FE-Modelle (R² = 0.97). Der grosse Vorteil von Balken-FE-Modellen gegenüber herkömmlichen voxelbasierten FE-Modellen ist die gewaltige Reduktion in der Berechnungszeit (bis zu einem Faktor 10’000). Die starke Reduktion in der CPU-Zeit öffnet den Weg für eine Forschung, die bisher nicht möglich war, wie beispielsweise die routinemässige Untersuchung von mechanischen Eigenschaften von grossen Knochenproben oder sogar von ganzen Knochen.
Zusammenfassend wurde ein neues System zur elementbasierten Analyse von trabekulären Knochenstrukturen eingeführt. Lokale Morphometrie und idealisierte Computermodelle könnten wichtige Werkzeuge werden, um alters- und krankheitsbedingte Änderungen in der Knochenqualität und -stärke zu erklären. Mit der Entwicklung von neuen, hochauflösenden in vivo Bildgebungsverfahren haben idealisierte Computermodelle das Potential, in der routinemässigen KnochenfrakturVorhersage zu einem Standard zu werden.