Palpation, the process by which clinicians manually assess tissue stiffness among other things, has been integral to medical practices for millennia and can aid in diagnosing cancer or various pathologies of the musculoskeletal system. Although invaluable, manual palpation has shortcomings in that it provides only qualitative information and is limited to structures close to the surface.
To overcome these limitations, ultrasound (US) shear wave elastography (SWE) has emerged as a valuable tool in assessing tissue stiffness. SWE uses acoustic radiation force to probe tissue elasticity by inducing shear motion that propagates radially as an impulsive wave. With high frame-rate ultrasound, the shear wave can be visualized, and its velocity is related to the mechanical properties of the tissue. This non-invasive technique provides quantitative information about tissue stiffness and allows for deeper tissue assessment, complementing the qualitative nature of manual palpation.
Knowledge of the mechanical properties of musculoskeletal tissue and efficient noninvasive measurement techniques thereof provides a crucial basis for orthopedic research. Understanding the various processes modulating tissue stiffness may guide rehabilitation, serve as an indicator of imminent tissue fatigue and injury risk, and help evaluate the outcome of treatments.
Through a series of scientific articles presented in the main chapters, this thesis aims to expand our understanding of tissue mechanics and its clinical and scientific implications by utilizing ultrasound elastography in various contexts. First, we establish the proof-of-concept of three-dimensional (3D) US SWE mapping in tendon assessment, assessing its feasibility and reproducibility. The devised methodology then serves to investigate the patellar tendon, studying its mechanical properties in competitive alpine skiers and evaluating the potential of 3D SWE mapping in detecting tendon complaints.
We introduce and evaluate a framework to acquire 3D anatomically referenced shear wave velocity (SWV) representations of skeletal muscle. We explore the reproducibility of measurements and investigate the relationship between muscle stiffness and physical performance.
In the following, we examine confounding factors and associations between various shear wave descriptors and tendon tensile viscoelasticity.
Furthermore, our work delves into assessing the human intervertebral disc using ultrasound elastography, correlating shear wave measurements with disc degeneration and mechanical behavior.
Lastly, we explore the correlation between a specific gene variant, tendon tensile properties, and human jumping performance, providing insights into genetic factors influencing tendon function.
Die Palpation, bei der Ärzte durch Betasten unter anderem die Gewebeelastizität beurteilen, ist seit Jahrtausenden integraler Bestandteil medizinischer Praktiken und kann bei der Diagnose von Krebs oder verschiedenen Pathologien des muskuloskelettalen Systems helfen. Obwohl unschätzbar wertvoll, hat die Palpation den Nachteil, dass sie nur qualitative Informationen liefert und auf oberflächennahe Strukturen beschränkt ist.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat sich die UltraschallScherwellenelastografie (SWE) als wertvolles Werkzeug zur Beurteilung der Gewebeelastizität etabliert. Hierbei deformiert ein fokussierter akustischer Impuls das Gewebe lokal und induziert eine Scherwelle, dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit unter anderem von der Steifigkeit des Gewebes abhängt. Dieses nicht-invasive Verfahren liefert somit quantitative Informationen über die Gewebeelastizität und ermöglicht eine tiefere Gewebebeurteilung.
Das Wissen über die mechanischen Eigenschaften des muskuloskelettalen Gewebes und effiziente nicht-invasive Messverfahren stellt eine wesentliche Grundlage für die orthopädische Forschung. Ein vertieftes Verständnis der verschiedenen Prozesse, die die Gewebeelastizität modulieren, kann die Rehabilitation lenken, als Indikator für drohende Gewebeermüdung und Verletzungsrisiko dienen und zur Bewertung des Behandlungserfolgs beitragen.
Diese Arbeit zielt darauf ab, durch eine Reihe von wissenschaftlichen Artikeln, unser Verständnis der Gewebemechanik und ihrer klinischen und wissenschaftlichen Implikationen durch den Einsatz von Ultraschall-Elastografie in verschiedenen Kontexten zu erweitern.
Zunächst etablieren wir die Machbar- und Reproduzierbarkeit der dreidimensionalen (3D) Ultraschall-SWE-Abbildung bei der Beurteilung von Sehnen. Die entwickelte Methode wird anschließend genutzt, um die Patellarsehne zu untersuchen, indem ihre akusto-mechanischen Eigenschaften bei wettkampfmäßigen Alpinskifahrern analysiert werden und das Potenzial der 3D SWE-Abbildung zur Erkennung von Sehnenbeschwerden bewertet wird.
Wir führen ein Konzept zur anatomisch-räumlich referenzierten Abbildung der Scherwellengeschwindigkeit des Skeletmuskels ein. Wir bewerten die Reproduzierbarkeit und untersuchen den Zusammenhang zwischen der Steifigkeit des Muskels und dessen physische Leistungsfähigkeit.
Im Folgenden untersuchen wir Störfaktoren und Zusammenhänge zwischen verschiedenen Deskriptoren der Scherwellenausbreitung und der viskoelastischen Zugfestigkeit der Sehne.
Des Weiteren verwenden wir in einer Laborstudie die SWE an der menschlichen Bandscheibe, wo wir die regional-aufgelöste Scherwellengeschwindigkeit mit dem mechanischen Verhalten des Wirbelsegments sowie der Bandscheibendegeneration korrelieren.
Zuletzt wird in einer Doppelblindstudie der Zusammenhang zwischen einer spezifischen genetischen Veranlagung und den Zugeigenschaften der Sehne und dessen Implikationen auf die physische Leistungsfähigkeit untersucht.