gms | German Medical Science

Fragestellung: Während der initialen Phase der Knochenregeneration lassen nicht-mineralisierte Gewebsformationen Rückschlüsse auf das wahrscheinliche Heilungsergebnis zu. Derzeit etablierte Methoden zur Erfassung dieser sogenannten Soft-Kallus-Formationen sind limitiert auf röntgenbasierte Methoden (CT) oder können nicht in vivo durchgeführt werden (Histologie, Biomechanik). Quantitativer Ultraschall (QUS) ist eine vielversprechende, nicht-destruktive Alternative, welche sensitiv gegenüber elastischen und strukturellen Eigenschaften mineralisierter und nicht-mineralisierter Gewebetypen ist. In dieser Studie wurde QUS zur Untersuchung der nicht-mineralisierten Gewebsformationen während der initialen Phase der Knochenregeneration in einem Rattenmodel angewandt.

Methodik: Die Zone der Knochenregeneration wurde mittels QUS in transversaler Transmission in einem 2mm Osteotomiemodell (N=10) in der Ratte nach 6 Wochen Heilungszeit untersucht. 2D parametrische QUS Bilder von Schallgeschwindigkeit (SOS), Ultraschallabschwächung (UA) und Breitband-Ultraschallabschwächung (BUA) wurden mit 3D µ-CT Daten und histologischen Schnitten verglichen. Basierend auf der Histologie wurden 2 Gruppen eingeteilt (A, NA=5 bindegewebige Heilung, B NB = 5 knorpelige Heilung) und die Gewebesensitivtität von QUS anhand von Parametervariationen innerhalb der Regenerationszone ausgewertet.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: ANOVA-Tests wiesen für alle Parameter signifikante Unterschiede zwischen beiden Gewebsgruppen auf (p< 0,05, F >6,78). Die höchsten F Werte (Fmedian=16,9, Fintegral=18,5) konnten für UA beobachtet werden (UAA=14,5±4,5 dB < UAB=35±10,1 dB). Für SOS (SOSA=1543±9 m/s, SOSB=1590±34 m/s) und BUA (BUAA=4,09±1,7 dB/MHz, BUAB=9,6±4,4 dB/MHz) waren die F-Werte höher als 6,8. Weiterhin konnte mittels ROC Analyse ( AUC zwischen 0.84 und 1) die gute vorhersage Kraft der US Parameter nachgewiesen werden. Für die µCt basierten Untersuchungen wurde für die Knochenmineraldichte (DMB) ein F-Wert von 9.49 ermittelt und Korrelationen von UA und SOS mit DMB waren moderat (R2=0.7).

In dieser Pilotstudie konnte gezeigt werden, dass mittels QUS-Parameter innerhalb des nicht-mineralisierten Kallusgewebes differenziert werden kann. Der Vergleich von QUS-Projektionen, µCT Bildern und histologischen Schnitten unterstreicht die Möglichkeit, mittels QUS-Analyse zwischen Knorpel und Bindegewebe zu unterschieden. Durch eine Weiterentwicklung des vorgestellten Verfahrens sowie der Datenanalyse sollen zukünftig spezifische Heilungsverläufe sowie die biomechanische Festigkeit der Kallusformationen in vivo abgeschätzt werden können.