Osteoporosis is a bone disorder that manifests a decreased bone density and also deterioration in the cancellous bone architecture. Both factors increase bone fragility and the risk to suffering bone fractures, especially in women, due to their higher prevalence. The current diagnosis of osteoporosis consists in the quantification of the bone mineral density (BMD) by means of dual energy Xray absorptiometry (DXA) techniques. However, BMD alone does not entirely account for fracture risk or therapeutic effects. Other factors such as the microstructural disposition of the trabeculae and their characteristics need also to be considered in order to determine bone quality and directly assess the fracture risk.

The technical advances of medical imaging modalities such as multi detector computed tomography (MDCT), high-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT) and magnetic resonance imaging (MRI) have allowed for the in vivo acquisitions at high spatial resolutions. The trabecular bone structure can be observed with good detail using these techniques. In particular, the use of 3 Tesla (T) MR scanners has permitted the acquisitions at higher spatial resolutions. Furthermore, the good bone to marrow contrast obtained in MR images as well as the use of non-ionizing radiations set MRI as a suitable technique for the in vivo trabecular bone characterization in osteoporosis disease.

In the present thesis, new methodological developments for a three-dimensional (3D) morphometry and mechanical characterization of the trabecular bone are proposed and applied to high resolution 3T MR acquisitions. The morphometry analysis is compound by different algorithms designed to quantify morphology, complexity, topology and anisotropy parameters of the trabecular tissue. Regarding the mechanical characterization, new methods for the automated simulation of the trabecular bone structure under compressive conditions and the calculation of the elastic modulus were developed.

The developed methodology was applied to a population of healthy subjects in order to obtain normality values of the cancellous bone. The algorithms were also applied to a population of patients with osteoporosis in order to quantify the variations of the parameters due to the disease and evaluate the differences with the results obtained in an age-matched healthy group.

Finally, an evaluation of the reproducibility of the methods was performed by the calculation of the morphometry and mechanical parameters from repeated MR acquisitions performed to 5 sheep tibiae in three consecutive days. The validation of the measurements was also assessed by a comparison of the results with the same sheep tibiae acquired at higher spatial resolutions by micro computed tomography (µCT).

The proposed methodological developments and clinical applications provide satisfactory results, with a high sensitivity of the parameters to trabeculae variations mainly influenced by sex and the osteoporosis status. Furthermore, the methods present a high reproducibility and accuracy in the morphometry and mechanical parameters quantification. These results may reinforce the use of the presented parameters as imaging biomarkers of osteoporosis.

La osteoporosis es una enfermedad ósea que se manifiesta con una menor densidad ósea y el deterioro de la arquitectura del hueso esponjoso. Ambos factores aumentan la fragilidad ósea y el riesgo de sufrir fracturas óseas, especialmente en mujeres, donde existe una alta prevalencia. El diagnóstico actual de la osteoporosis se basa en la cuantificación de la densidad mineral ósea (DMO) mediante la técnica de absorciometría dual de rayos X (DXA). Sin embargo, la DMO no puede considerarse de manera aislada para la evaluación del riesgo de fractura o los efectos terapéuticos. Existen otros factores, tales como la disposición microestructural de las trabéculas y sus características que es necesario tener en cuenta para determinar la calidad del hueso y evaluar de manera más directa el riesgo de fractura.

Los avances técnicos de las modalidades de imagen médica, como la tomografía computarizada multidetector (MDCT), la tomografía computarizada periférica cuantitativa (HR-pQCT) y la resonancia magnética (RM) han permitido la adquisición in vivo con resoluciones espaciales elevadas. La estructura del hueso trabecular puede observarse con un buen detalle empleando estas técnicas. En particular, el uso de los equipos de RM de 3 Teslas (T) ha permitido la adquisición con resoluciones espaciales muy altas. Además, el buen contraste entre hueso y médula que proporcionan las imágenes de RM, así como la utilización de radiaciones no ionizantes sitúan a la RM como una técnica muy adecuada para la caracterización in vivo de hueso trabecular en la enfermedad de la osteoporosis.

En la presente tesis se proponen nuevos desarrollos metodológicos para la caracterización morfométrica y mecánica del hueso trabecular en tres dimensiones (3D) y se aplican a adquisiciones de RM de 3T con alta resolución espacial. El análisis morfométrico está compuesto por diferentes algoritmos diseñados para cuantificar la morfología, la complejidad, la topología y los parámetros de anisotropía del tejido trabecular. En cuanto a la caracterización mecánica, se desarrollaron nuevos métodos que permiten la simulación automatizada de la estructura del hueso trabecular en condiciones de compresión y el cálculo del módulo de elasticidad.

La metodología desarrollada se ha aplicado a una población de sujetos sanos con el fin de obtener los valores de normalidad del hueso esponjoso. Los algoritmos se han aplicado también a una población de pacientes con osteoporosis con el fin de cuantificar las variaciones de los parámetros en la enfermedad y evaluar las diferencias con los resultados obtenidos en un grupo de sujetos sanos con edad similar.

Por último, se realizó una evaluación de la reproducibilidad de la metodología mediante el cálculo de los parámetros morfométricos y mecánicos de adquisiciones en 5 tibias de oveja repetidas durante tres días consecutivos. Se realizó también un proceso de validación de la cuantificación de los parámetros mediante una comparación de los resultados con los obtenidos tras la aplicación de la metodología a las muestras de tibia adquiridas con microtomografía computarizada (μCT), técnica que proporciona una muy elevada resolución espacial.

Los desarrollos metodológicos propuestos y las aplicaciones clínicas proporcionan resultados satisfactorios, presentando los parámetros una alta sensibilidad a variaciones de la estructura trabecular principalmente influenciadas por el sexo y el estado de enfermedad. Por otra parte, los métodos presentan elevada reproducibilidad y precisión en la cuantificación de los valores morfométricos y mecánicos. Estos resultados refuerzan el uso de los parámetros presentados como posibles biomarcadores de imagen en la enfermedad de la osteoporosis.

L'osteoporosi és una malaltia òssia que es manifesta amb una menor densitat òssia i un deteriorament de l'arquitectura de l'os esponjós. Tots dos factors augmenten la fragilitat òssia i el risc de patir fractures, especialment en dones, on hi ha una alta prevalença. El diagnòstic actual de l'osteoporosi consisteix en la quantificació de la densitat mineral òssia (DMO) mitjançant tècniques d’absorciometria dual de raigs X (DXA). Tanmateix, la DMO no es pot considerar de manera aïllada per a l’avaluació del risc de fractura o dels efectes terapèutics. Altres factors, com ara la disposició de les trabècules a nivell microestructural i les seves característiques s’han de tenir en compte per determinar la qualitat de l'os i avaluar de manera més directa el risc de fractura.

Els avenços tècnics de les modalitats d'imatge mèdica, com la tomografia computada multidetector (MDCT), tomografia computada perifèrica quantitativa (HR-pQCT) i la ressonància magnètica (RM) han permès l'adquisició in vivo amb alta resolució espacial. L'estructura de l'os trabecular pot ser observada amb un gran nivell de detall utilitzant aquestes tècniques. En particular, l'ús dels equips de RM de 3 tesles (T) ha permès l'adquisició a resolucions espacials molt elevades. A més, el bon contrast que s’obté entre l’os i la medul·la en les imatges de RM, així com la utilització de radiacions no ionitzants fan d’aquesta tècnica una ferramenta idònia per a la caracterització in vivo de l'os trabecular en la malaltia de l'osteoporosi.

En aquesta tesi, els nous desenvolupaments metodològics per a la caracterització de la morfometria i les propietats mecàniques de l’os trabecular en tres dimensions (3D) s'apliquen a adquisicions d'alta resolució provinents de RM de 3T. L'anàlisi morfomètric està composta per diferents algorismes dissenyats per quantificar la morfologia, la complexitat, la topologia i els paràmetres d’anisotropia del teixit trabecular. Quant a la caracterització mecànica, s’han desenvolupat nous mètodes per a la simulació automatitzada de l'estructura de l'os trabecular en condicions de compressió i el càlcul del mòdul d'elasticitat.

La metodologia desenvolupada es va aplicar a una població de subjectes sans amb la finalitat d'obtenir els valors de normalitat de l'os esponjós. Els algorismes s'han aplicat també a una població de pacients amb osteoporosi per tal de quantificar les variacions dels paràmetres de la malaltia i avaluar les diferències amb els resultats obtinguts en un grup sa d’edat similar.

Finalment, es va realitzar una avaluació de la reproductibilitat dels mètodes mitjançant el càlcul dels paràmetres de morfometria i de comportament mecànic a partir de les adquisicions de RM de 5 tèbies d'ovella repetides en tres dies consecutius. Es va realitzar a més una validació de les mesures mitjançant la comparació dels resultats de RM amb els obtinguts mitjançant l’aplicació de la metodologia a les mostres de tíbia adquirides amb microtomografia computada (μCT), que proporciona una resolució espacial molt elevada.

Els desenvolupaments metodològics proposats i les aplicacions clíniques presentades ofereixen resultats satisfactoris, amb una alta sensibilitat dels paràmetres a les variacions del teixit trabecular principalment influenciades pel sexe i el grau d'osteoporosi. D'altra banda, els mètodes tenen una alta reproductibilitat i precisió en la quantificació dels paràmetres morfomètrics i mecànics. Aquests resultats reforcen l'ús dels paràmetres morfomètrics i mecànics presentats com a biomarcadors d'imatge en la malaltia de l'osteoporosi.