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Was ist eine pqct-Maschine?

Hochauflösende periphere quantitative Computertomographie zur Beurteilung morphologischer und mechanischer Knochenparameter. Rosa Maria R. Hochauflösende periphere quantitative Computertomographie HR-pQCT ist eine neue Technologie, die seit weniger als 10 Jahren im Handel erhältlich ist und die In-vivo-Bewertung von Knochenparametern ermöglicht.

HR-pQCT bewertet die Trabekeldicke, die Trabekeltrennung, die Trabekelzahl und die Konnektivitätsdichte sowie die kortikale Knochendichte und -dicke sowie das Gesamtknochenvolumen und die Gesamtdichte im hochauflösenden Modus, wodurch zusätzlich digitale Konstrukte der Knochenmikroarchitektur erhalten werden können.

Die Anwendung der Mathematik auf erfasste Daten, eine Methode, die als Finite-Elemente-Analyse-FEA bezeichnet wird, ermöglicht die Abschätzung der physikalischen Eigenschaften des Gewebes, wobei unterstützte Belastungen auf nicht-invasive Weise simuliert werden. Somit erfasst HR-pQCT gleichzeitig Daten, die zuvor separat durch Dual-Energy-Röntgenabsorptiometrie DXA, Magnetresonanztomographie und Histomorphometrie bereitgestellt wurden, und aggregiert biomechanische Schätzungen, die bisher nur in extrahierten Geweben möglich waren.

Die hauptsächliche klinische Anwendung dieser Methode liegt in der Quantifizierung und Überwachung von metabolischen Knochenstörungen, wobei die Knochenstärke und das Frakturrisiko genauer bewertet werden.

Bei Patienten mit rheumatoider Arthritis können auf diese Weise zusätzlich zum Gelenkraum auch Anzahl und Größe der Erosionen und Zysten gemessen werden. Bei Arthrose ist es möglich, die Knochenmarködem-ähnlichen Bereiche zu charakterisieren, die eine Korrelation mit dem Knorpelabbau aufweisen.

Aufgrund seiner hohen Kosten ist HR-pQCT immer noch ein Forschungsinstrument, aber die hohe Auflösung und Effizienz dieser Methode zeigen Vorteile gegenüber den derzeit für die Knochenbewertung verwendeten Methoden, die möglicherweise zu einem wichtigen Instrument in der klinischen Praxis werden. Hochauflösende periphere quantitative Computertomographie; Strukturparameter; Radius; Tibia. In den neunziger Jahren hat die Einbeziehung der Dual-Energy-Röntgenabsorptiometrie DXA in die klinische Praxis das Wissen über metabolische Knochenerkrankungen und die Ermittlung des Frakturrisikos erheblich verbessert.

Die Knochenstärke hängt jedoch auch von der Mikroarchitektur des Gewebes ab. Daher ist die histomorphometrische Analyse notwendig geworden, um die Knochenbewertung zu ergänzen und auf ihre räumlichen Eigenschaften zu schließen. Dies ist jedoch eine invasive und teure Methode, die nur aus Knochenproben durchgeführt werden kann. In diesem Szenario wird eine neue In-vivo-Methode zur Bewertung der Knochenmikroarchitektur und der volumetrischen Knochenmineraldichte BMD in hochwertigem 3D entwickelt: Diese Technologie wurde ursprünglich für die Analyse von Materialien wie Schnee, Beton, Edelsteinen usw. entwickelt.

In der Folge wurde die Technologie zur Untersuchung von biologischen Materialien wie Zähnen, Implantaten, Knochen und in jüngerer Zeit von Knorpel eingesetzt. Darüber hinaus ermöglichte das Verfahren die Analyse der biomechanischen Eigenschaften des analysierten Materials unter Verwendung eines komplexen mathematischen Prozesses.

Seine Verwendung für medizinische Zwecke hat in den letzten Jahren rapide zugenommen, da das Verfahren die innere Struktur von in vivo und ex vivo biologischen Materialien im Detail offenbart. Die Verwendung von HR-pQCT ist nach wie vor weitgehend auf den Bereich der wissenschaftlichen Forschung beschränkt, da weltweit weniger als ein halbes Hundert Geräte für die Durchführung der Untersuchung in Betrieb sind1 und nur zwei in Brasilien.

Aufgrund seines großen Potenzials präsentieren wir hier einen Überblick über methodische Aspekte der HR-pQCT und ihre mögliche klinische Anwendung. HR-pQCT ist eine Bildgebungstechnik, die die computergestützte Verarbeitung der in Hounsfield Units, HU, gemessenen Röntgendämpfung zur Erfassung von Schnittbildern verwendet, wie dies bei einem herkömmlichen CT-Scan der Fall ist.

Aus den Schnitten ist es möglich, ein dreidimensionales 3D-Qualitätsmodell zu erstellen. Trotzdem ist die Fähigkeit, die durchschnittliche Trabekeldicke zu messen, immer noch durch die maximale Auflösung der Maschine begrenzt.

Die gepunktete Linie zeigt die Bezugsebene an, während die durchgezogenen Linien die Anfangs- und Endebene des Tests mit einer Dicke von 9 angeben. C Das Schnittbild des Beins, das die Kontur des Tibiaperiosts grün hervorhebt.

D Das Schnittbild des Unterarms, das die radiale Periostkontur grün hervorhebt. E Konstruktion eines 3D-Modells der Tibia nach anfänglicher Analyse. Trotz der Fähigkeit, das morphologische Scannen der Gewebemikrostruktur fortzusetzen, gab es immer noch keinen geeigneten Weg, um die mechanischen Eigenschaften des zu analysierenden Materials in vivo abzuschätzen. Die verbesserte Auflösung von 3D-Bildern, die von diesem neuen Gerät bereitgestellt werden, in Verbindung mit der computergestützten Finite-Elemente-Analyse FEA-Modellierung 9 liefert Schätzungen der funktionellen Eigenschaften des Materials.

Der Standardtest mit XtremeCT bewertet den distalen Radius und die Tibia in vivo. Jeder Standort enthält 110 Computertomographie-Schnitte mit einer Gesamtverlängerung von 9. Die Erfassung dieser Bilder dauert etwa 3 Minuten. Das Standardprotokoll wird normalerweise mit den folgenden Einstellungen durchgeführt: Nach der Erfassung von Bildern führt das System automatisch eine erste Bewertung durch, die aus zwei Prozessen besteht: Anschließend müssen die Kompartimente bestimmt werden. Die erste Kontur ist durch die äußere Hülle des Radius gekennzeichnet, die dann zur Definition des gesamten Fachs verwendet wird.

Die Software ist mit einem halbautomatischen Konturierungsalgorithmus ausgestattet. Abb. Nach Erhalt dieser Kontur besteht der nächste notwendige Schritt darin, die innere Kontur zu bestimmen, die die Kortikalis vom Trabekelknochen abgrenzt, mit dem Ziel, isolierte Daten zu jedem der Kompartimente zu erhalten.

Dies ist ein komplexer Prozess, da ihre Grenzen nicht immer genau definiert sind. Wenn der Kortex ziemlich dick oder hochporös ist, kann die Grenze zwischen den Kompartimenten ungenau sein. Ein weiterer Aspekt, der in Bezug auf Trabekelknochen festgestellt werden muss, ist die Beschreibung und Quantifizierung der platten- und stabförmigen Struktur des Knochens. Während stäbchenförmige Trabekel zwei Verbindungen haben, die als Disjunktiv bezeichnet werden, die am benachbarten Knochen befestigt sind, und nur eine Kontaktfläche mit dem Knochenmark haben, haben plattenartige Trabekel nur eine Kontaktfläche mit dem angrenzenden Knochen in seinem gesamten Umfang und zwei mit dem Knochenmark auf einem jede Seite der Scheibe.

Es folgt eine Reihe von Tests zur Bestimmung der in der Literatur verwendeten Hauptknochenparameter. Die Software des Herstellers enthält bereits Computerskripte, die die Gleichungen enthalten. Diese Skripte umfassen die Definition des Knochenvolumens, der Knochenvolumendichte, des Strukturmodellindex, der Trabekeldicke, der Trabekeltrennung, der Trabekelzahl und der Konnektivitätsdichte sowie der kortikalen Dicke. Der Grad der kortikalen Porosität ist die relevanteste erhaltene kortikale Daten.

Tabelle 1 unterscheidet die Hauptparameter und ihre Terminologie, wie sie in der medizinischen Literatur verwendet werden. FEA ist eine numerische Technik der Technik, die in der Medizin eine quantitative und qualitative Abschätzung der biomechanischen Eigenschaften der Knochenmikroarchitektur mittels komplexer Differentialgleichungen ermöglicht.

Nach der Standarddatenerfassung aus der Mikroarchitektur wird das Hinzufügen des spezifischen Finite-Elemente-Analyseskripts möglich, wodurch die Knochenfunktionseigenschaften aus statisch gesammelten Daten abgeschätzt werden können. Die Software verwendet die sogenannte "Voxelumwandlungstechnik". Abb. Bei dieser Technik werden die im Modell erhaltenen Vektorinformationen in Blöcke umgewandelt, die als Voxel bezeichnet werden und identische Form und Größe haben. Die Voxel sind wie Würfel geformt und bilden die kleinste Einheit, aus der das Bild des analysierten Materials besteht.

Jedes Voxel wird mit einer von 255 vom System erkannten Elastizitätsabstufungen registriert, um die mathematischen Berechnungen durchzuführen. Die Standardanalyse der FEA umfasst einen virtuellen Widerstandstest, dh der Computer schätzt und analysiert das Verhalten des Knochengewebes, wenn es einer Druckkraft entlang seiner Hauptachse ausgesetzt wird.

In dem Schema ist jeder der Würfel rechts ein Voxel mit einer bestimmten Elastizität, hier dargestellt durch verschiedene Graustufen. B Virtueller Komprimierungstest, durchgeführt von der Finite-Elemente-Software. Anwendung von Druckkräften in gelb. C Darstellung des Elastizitätsmoduls.

Das Entfernen der Druckkräfte in Gelb bewirkt, dass das Material in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. D Beispiel für das Ergebnis einer Analyse mit der Finite-Elemente-Methode; axialer Knochenabschnitt. In Rot Bereiche, die einer höheren Belastung ausgesetzt sind; in Grün, Bereiche unter weniger Stress.

Für die Analyse von FE müssen zwei mechanische Eigenschaften des untersuchten Knochens geschätzt werden, wobei zu berücksichtigen ist, dass keine histofunktionelle Untersuchung des Knochengewebes durchgeführt wird: Der erste von ihnen ist der Elastizitätsmodul, ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, nach Entfernen einer Spannungskraft in seine ursprüngliche Form zurückzukehren, wodurch die Elastizität des Gewebes angezeigt wird. Diese Maßnahme gilt nur für den Bereich der Kräfte, in denen die elastische Verformung auftritt, nämlich wenn weder ein Mikroriss noch eine Änderung der Knochenstruktur vorliegt, wodurch sie in ihre ursprüngliche Form zurückkehren kann.

Die zweite mechanische Eigenschaft ist ein Maß für den Poisson-Effekt, dh die Tendenz eines Materials, dünner zu werden, wenn es um eine bestimmte Achse gedehnt wird. Mit anderen Worten, wenn ein Material gezogen wird, vergrößert es seine Größe in der Traktionsachse und verringert seine Größe in den anderen beiden Achsen.

In Reaktion auf die ausgeübte Zugkraft neigt die Elastizität des Materials dazu, es in seine ursprüngliche Form zu bringen. Dieser Trend kann als eine Kraft verstanden werden, die das Material in Richtung seiner Dehnung schrumpft und es in die anderen Richtungen erhöht. Das Poisson-Verhältnis ist ein Verhältnis zwischen der ersten und der zweiten Kraft. Die Werte dieser Variablen sind noch nicht vollständig festgelegt, und daher variiert ihre Verwendung je nach verwendeter Literatur.

Der normale Bereich des verwendeten Elastizitätsmoduls liegt zwischen 10 GPa und 22. Der Elastizitätsmodul kann sowohl für den trabekulären als auch für den kortikalen Knochen separat eingestellt werden. Andererseits beträgt das Poisson-Verhältnis 0. Die Anwendung dieser Technik hat auf einfache und schnelle Weise eine große Datenmenge erzeugt, die bisher nur aus invasiven, kostspieligen und zeitaufwendigen Verfahren gewonnen wurde. Dies sind Daten, die die unterstützte Belastung und die Verformungen des gesamten Knochens und in jeder seiner Regionen abschätzen.

In Tabelle 2 sind die Hauptparameter aufgeführt, die mit dieser Methode erhalten wurden. Tjong et al. In ähnlicher Weise ist Tb. Einige Parameter, insbesondere die BMD, werden jedoch kaum von der erhöhten Auflösung beeinflusst. Während die Genauigkeit verbessert wird, bedeutet eine Verringerung der Voxelgröße eine längere Untersuchungszeit, und daher wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Artefakten, die aus der Bewegung des Patienten resultieren, vervielfacht.

Die meisten dieser Studien zeigen, dass die Ausrüstung bei Verwendung gemäß standardisierten und genau definierten Protokollen niedrige Variationskoeffizienten erreicht.

Verschiedene Aspekte beeinflussen die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, darunter der zu analysierende Parameter, die verwendeten Protokolle, der zu bewertende Knochen und die korrekte Durchführung von Kalibrierungsprotokollen. Beim Vergleich der Reproduzierbarkeit kann festgestellt werden, dass dieser Faktor in der zweiten gegenüber der ersten Gruppe größer ist. Während die strukturellen Maßnahmen Variationskoeffizienten von bis zu 3 erreichen können.

Andererseits variieren strukturelle Maßnahmen erheblich mit jeder Änderung des Erfassungswinkels oder mit der Bewegung. Die verwendeten Protokolle müssen sehr gut definiert sein, um die Reproduzierbarkeit zu verbessern.

Dazu gehören: Grundsätzlich können all diese Faktoren zu drei Arten von Fehlern führen: Das Fehlen einer bequemen Position und die Nichtfixierung in der Stützschale können zu Bewegungen des Patienten führen, was die Variation zwischen den Tests erhöht. In Bezug auf den bewerteten Knochen wurde nach Boutroy et al. Aber MacNeil et al. In Bezug auf XtremeCT ist zu beachten, dass die ordnungsgemäße Durchführung der täglichen und wöchentlichen Kalibrierungsprotokolle neben der multizentrischen Reproduzierbarkeit für die kurz- und langfristige Aufrechterhaltung hoher Reproduzierbarkeitsstandards und geringer Variabilität äußerst wichtig war.

Die Verwendung von HR-pQCT in biologischen Geweben eröffnete eine enorme Bandbreite an Möglichkeiten für die wissenschaftliche Forschung, und dies kann durch den exponentiellen Anstieg der Anzahl von Veröffentlichungen beobachtet werden, die diese Technologie in den letzten Jahren nutzen.

Die Funktionsanalyse mit der Finite-Elemente-Methode hat die Anzahl der Anwendungen der Technik weiter erweitert. Studien zeigen, dass es möglich ist, das Profil der Knochenmikroarchitektur während des gesamten Lebens, das Risiko von Frakturen, Mineralisierungen und die Entwicklung von Knochenerkrankungen zu bewerten. E. Die Wirkung von Medikamenten und Diäten auf Knochenbildung, Resorption und Morphologie kann ebenfalls überprüft werden. Derzeit wurde die Verwendung von HR-pQCT auf die Diagnose und Überwachung von entzündlichen Arthropathien wie rheumatoider Arthritis und Osteoarthritis ausgeweitet.

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