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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012)

23.10. - 26.10.2012, Berlin

Evaluation der Genauigkeit nicht-invasiver, ultraschallbasierter Knorpeldickenmessungen für die biomechanische Charakterisierung im Vergleich zur invasiven Nadelindentation

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Peter Föhr - Technische Universität München, Klinikum rechts der Isar, Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie, München, Germany
  • Jochen S. Boxleitner - Technische Universität München, Klinikum rechts der Isar, Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie, München, Germany
  • Rüdiger v. Eisenhart-Rothe - Technische Universität München, Klinikum rechts der Isar, Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie, München, Germany
  • Rainer Burgkart - Technische Universität München, Klinikum rechts der Isar, Klinik für Orthopädie und Sportorthopädie, München, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012). Berlin, 23.-26.10.2012. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2012. DocGR17-708

DOI: 10.3205/12dkou469, URN: urn:nbn:de:0183-12dkou4697

Veröffentlicht: 2. Oktober 2012

© 2012 Föhr et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Die biomechanische Charakterisierung des physiologischen Knorpels vs. Knorpelregenerate ist für die Qualitätssicherung im Tissue Engineering von zunehmender Bedeutung. Für die Erfassung der Materialeigenschaften ist dabei eine exakte Dickenbestimmung des Knorpels essentiell [1]. Hierbei kommen invasive (z.B. Nadelindentation) und nicht-invasive Verfahren wie der A-Mode Ultraschall (US) zum Einsatz [2], [3]. Allerdings ist die Genauigkeit von US-Messungen abhängig von einer exakten Kenntnis der Schallleitungsgeschwindigkeit in der Probe [4]. Ziel der Untersuchung ist es, die Genauigkeit der Knorpeldickenbestimmung mit einer nicht-invasiven US-Sonde im Vergleich zur Nadelindetation zu evaluieren.

Methodik: Vier Prüfaufbauten wurden verwendet, um die Messmethodik zu verifizieren. Als Probekörper kamen Knorpel-Knochenkonstrukte mit Ø=9 mm und Länge=10 mm aus dem ovinen Knie zum Einsatz. Alle Proben wurden in physiologischer Ringerlösung bei –28°C tiefgefroren, 6 Stunden vor der Untersuchung bei 4°C aufgetaut und feucht gehalten. Mit dem ersten Messaufbau (n=76) wurde die Knorpeldicke im Knorpel-Knochenkonstrukt in Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit gemessen (US-Messgerät 38DL PLUS, 15 MHz-Messkopf V260 RM, beide Olympus NDT Québec/CA). Als zweite Dickenbestimmung kam eine Nadelindentation (n=76) zum Einsatz (Universalprüfsystem zwicki1120, Zwick Ulm/DE und 20 N-Kraftaufnehmer KAP-S, A.S.T Dresden/DE) (Abbildung 1 [Abb. 1]). Für die dritte und vierte Messung wurden Knorpelscheiben von der knöchernen Basis abgetrennt. Dabei konnte die Dicke ebenfalls mit dem US-System gegen einen Stahlgrund gemessen werden (n=25), sowie mit dem Universalprüfsystem über antasten bestimmt werden (n=25).

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Über die Knorpelscheiben konnte die Schallgeschwindigkeit c über den Zusammenhang c=2(x2 / t2) mit x2=angetastete Dicke und t2=US-Laufzeit (Knorpelscheibe) auf 1700 m/s bestimmt werden und über die Beziehung xK=k(0,5(c*t1) zur Auswertung der Knorpeldicke xk mit t1=US-Laufzeit im Knorpel-Knochenkonstrukt verwendet werden (Tabelle 1 [Tab. 1]). Die Abweichung zwischen den Messverfahren lag bei 8,68% und einer hochpräzisen Auflösung von unter 90 µm.

Mit dem Nachweis der Ebenbürtigkeit der nicht-invasiven Knorpeldickenmessung bei der Ortsauflösung, kann die US-Methodik in ein vollautomatisiertes Prüfsystem integriert werden. Dadurch können reproduzierbare Messreihen durchgeführt werden und für die Qualitätssicherung bei dem Einsatz von Knorpelregeneraten verwendet werden.


Literatur

1.
Jurvelin JS, Räsänen T, Kolmonen P, Lyyra T. Comparison of optical, needle probe and ultrasonic techniques for the measurement of articular cartilage thickness. J Biomech. 1995:231-235.
2.
Laasanen MS, Töyräs J, Hirvonen J, Saarakkala S, Korhonen RK, Nieminen MT, Kiviranta I, Jurvelin JS. Novel mechano-acoustic technique and instrument for diagnosis of cartilage degeneration. Physiol Meas. 2002:491-503.
3.
Zheng YP, Mak AF, Lau KP, Qin L. An ultrasonic measurement for in vitro depth-dependent equilibrium strains of articular cartilage in compression. Phys Med Biol. 2002:3165-3180.
4.
Töyräs J, Laasanen MS, Saarakkala S, Lammi MJ, Rieppo J, Kurkijärvi J, Lappalainen R, Jurvelin JS. Speed of sound in normal and degenerated bovine articular cartilage. Ultrasound Med Biol. 2003:447-454.