2.8.1 Prinzip
Die Mikrocomputertomographie (MCT) ist ein Scanverfahren, das sich vor allem durch eine hohe Ortsauflösung (29 µm) auszeichnet. Damit ist es hervorragend zur Ermittlung von Knochendichtewerten sowie von Volumina verschiedener Knochenabschnitte geeignet. Ziel dieser Untersuchung war die Messung der Dichte und des Volumens von Kortikalis, Kallus und Weichgewebe der Rattentibiae, um anhand dieser Werte Rückschlüsse auf die Qualität der Frakturheilung zu ziehen.
Für die Untersuchung wurde der Mikrocomputertomograph „eXplore Locus SP-Scanner“ (GE Healthcare, Ontario, Kanada) verwendet. Die Steuerung sowie die 3D-Rekonstruktion der Daten erfolgte mithilfe der Software „eXplore MicroView“ (v2.1.2, GE Healthcare). Zur Auswertung der gewonnenen Daten diente das Programm 3D-OsteoAnalyze (v1.000.4), entwickelt und bereitgestellt durch Christian Dullin (Abteilung für diagnostische Radiologie, Universitätsmedizin Göttingen).
Die Messungen erfolgten nach folgendem Protokoll (vergl. Tabelle 4).
Tabelle 4: Scanprotokoll der MCT.
Parameter Wert [Einheit]
Röhrenspannung 72 [kVp]
Röhrenstrom 90 [µA]
Belichtungszeit 1600 [ms]
Scanmodus 360° Vollrotation
Anzahl der Projektionen 900
Effektive Voxel-Größe 0,029 [mm]
Detektorbinning 2x2
2.8.2 Durchführung
Vorbereitend wurden die Tibiae jeweils 15 Minuten vor dem Scan bei Raumtemperatur aufgetaut. Vor dem ersten Scan jedes Tages wurde der Computertomograph innerhalb von 15 Minuten auf einen Sollwert von 12,98°C vorgewärmt.
Es wurden jeweils drei Tibiae gleichzeitig gescannt. Diese wurden nach dem Auftauen in ein gekammertes Kunststoffröhrchen gelegt. Die Kondylen zeigten dabei nach unten, da vor allem der metaphysäre Bereich mit dem Osteotomiespalt abzubilden war. Zur Identifizierung der Knochen wurde deren Verteilung in die durch
Einkerbungen markierten Kammern protokolliert. Durch die hohe Ortsauflösung und die damit verbundene lange Scandauer steigt das Risiko von Bewegungsartefakten.
Um solchen vorzubeugen, wurden die Tibiae zur Vermeidung jeglicher Bewegung während des Scans mit röntgentransparenten Schaumstoffwürfeln in den Kammern stabilisiert.
Unterhalb der Kammern befand sich ein Phantom, bestehend aus fünf Zylindern unterschiedlich röntgentransparenter Materialien. Dieses diente der Kalibrierung der Grauwerte im Rahmen der Rekonstruktion und gewährleistete damit die Vergleichbarkeit der Grauwerte verschiedener Scans.
Nun wurde das Probenröhrchen verschlossen und auf eine Rotationsplatte zwischen Strahlenquelle und Detektor gestellt. Zunächst konnte manuell am Computer der Bildausschnitt optimiert werden, sodass sowohl das Phantom als auch die Tibiametaphyse dargestellt wurden. Danach wurde die Probe kurzzeitig aus dem Gerät entfernt und ein Hell-Dunkel-Scan zur Kalibrierung durchgeführt. So konnten die erhaltenen Daten vor der Rekonstruktion um den errechneten Faktor korrigiert werden. Die Probe wurde erneut eingestellt und der Scan begonnen.
Nach Beendigung des Scans erfolgte die 3D-Rekonstruktion der Daten am Computer mittels „eXplore MicroView“-Software (v2.1.2, GE Healthcare). Dazu wurden die Werte zunächst anhand der Phantomzylinder kalibiriert. Danach wurden die Knochen einzeln manuell bei geringer Auflösung ausgewählt, rekonstruiert und anhand der Kalibrierungswerte korrigiert.
2.8.3 Auswertung
Zur Auswertung wurden die Daten in das Programm 3D-OsteoAnalyze (v1.000.4) importiert. Zunächst wurden Kontrast und Transparenz anhand einer dreidimensionalen sowie einer zweidimensionalen Darstellung manuell angepasst.
Dies ermöglichte eine verbesserte Diskriminierung der verschiedenen zu bewertenden Knochenkomponenten. Ein Messrahmen von 9x9x4,5 mm wurde in der dreidimensionalen Ansicht am ehemaligen Osteotomiespalt ausgerichtet, sodass Knochen und Kallus in der gesamten Zirkumferenz bis jeweils 2,25 mm proximal und distal der Osteotomielinie erfasst waren (vergl. Abbildung 3 und 4) Anhand dieses Bildausschnittes wurde nun ein Grauwerthistogramm erstellt, in dem die relative Elektronendichte (X-Achse, [Gval]) gegen die Anzahl der Bildpunkte im entsprechenden Grauwertbereich (Y-Achse) aufgetragen war (Weidemann 2013).
Das Histogramm ließ fünf Peaks entsprechend den Medien Luft, Probenhalter, Weichgewebe, knöchernen Kallus und Kortikalis erkennen. Der Bildausschnitt wurde manuell auf die relevanten Bereiche Weichgewebe, knöcherner Kallus und Kortikalis begrenzt.
Abbildung 3: Positionierung des Messrahmens.
Abbildung 4: Auswahl des zu
untersuchenden Areals.
Durch Auswahl eines oberen und unteren Schwellenwertes berechnete das Programm nun für den ausgewählten Bereich die mittlere Dichte sowie das Volumen.
Die Abgrenzung der Grauwertbereiche erfolgte anhand definierter Schwellenwerte, da diese Auswertungsstrategie in vorangegangenen Arbeiten, im Vergleich zur individuellen Festlegung der Schwellenwerte, größere Objektivität und Validität bewiesen hatte (Weidemann 2013). Zur Erstellung definierter Werte für die Grauwertbereiche von Weichgewebe, knöchernem Kallus und Kortikalis wurden aus jeder Gruppe jeweils zwei Knochen ausgewählt, bei denen im Histogramm eine klare Abgrenzung der drei Peaks möglich war. Im Histogramm dieser 14 Proben wurden nun individuell die unteren Schwellenwerte für Kortikalis, knöchernen Kallus und Weichgewebe festgelegt. Eine separate Definition der oberen Schwellenwerte war nicht erforderlich, da diese sich aus den unteren Schwellenwerten der benachbarten Abschnitte ergeben. So bildet der untere Schwellenwert der Kortikalis gleichzeitig den oberen Schwellenwert für den Grauwertbereich des knöchernen Kallus, der untere Schwellenwert desselben bildet den oberen Schwellenwert des Weichgewebes. Der obere Schwellenwert der Kortikalis wurde als das Ende der Datenkurve definiert. Die folgenden definierten Schwellenwerte ergaben sich aus den Mittelwerten der 14 individuell vermessenen unteren Schwellenwerte (vergl. Tabelle 5).
Abbildung 5: Typisches Grauwerthistogramm, OVX+VIB T36.
a= Grauwertbereich Weichgewebe, b= Grauwertbereich knöcherner Kallus, c= Grauwertbereich Kortikalis, weißer Pfeil= unterer Schwellenwert Weichgewebe, Pfeil gepunktet= unterer Schwellenwert knöcherner Kallus, Pfeil gestrichelt= unterer Schwellenwert Kortikalis, Pfeilspitze=
Ende der Datenkurve, rotes Kästchen= unterer Schwellenwert Weichgewebe in Gval.
Tabelle 5: Definierte Schwellenwerte der Grauwertbereiche.
Grauwertbereich Unterer Schwellenwert [Gval]
Kortikalis 3058
Knöcherner Kallus 1515
Weichgewebe 347
Diese definierten Werte wurden für die Auswertung aller Histogramme verwendet.
Das Programm errechnete daraus für die Grauwertbereiche die mittlere Dichte [Gval]
und das Volumen [mm3].
Diese Parameter wurden bestimmt für das Weichgewebe, den knöchernen Kallus, die Kortikalis, den gesamten Kallus (Weichgewebe und knöcherner Kallus) und das gesamte Histogramm (Weichgewebe, knöcherner Kallus und Kortikalis).
2.8.4 Umrechnung von mittlerer Dichte zu BMD
Die Umrechnung von mittlerer Dichte [Gval] in die für die Knochendichte (BMD) übliche Einheit [g/cm3] wurde durch den Vergleich mit einem Phantom möglich. Das Phantom enthielt fünf Kammern mit Hydroxylapatit unterschiedlicher, bekannter
Dichte [g/cm3]. Diese wurden dem allgemeinen Vorgehen entsprechend mittels MCT gescannt, rekonstruiert und ausgewertet. Dann wurde in einem Diagramm die bekannte Dichte [g/cm3] gegen die gemessene mittlere Dichte [Gval] aufgetragen.
Durch Erstellen einer linearen Regressionsgeraden ergab sich folgende Gleichung zur Umrechnung:
BMD [g/cm3]= 0,2646 x Gval – 30,2 (Stürmer et al. 2014; Weidemann 2013).
2.8.5 Berechnung von Bone Volume über Total Volume
Um den Anteil des mineralisierten Gewebes am Gesamtvolumen eines Knochenabschnittes zu ermitteln wurde der Quotient BV/TV errechnet. Dies geschah zum einen für den Anteil mineralisierten Gewebes am Kallus (BV/TV Kallus). Dabei repräsentiert das Volumen des knöchernen Kallus (BV Kallus) den mineralisierten Anteil am gesamten Kallus, also knöchernem Kallus und Weichgewebe zusammen (TV Kallus). Zum anderen wurde der Quotient für den gesamten Knochenabschnitt errechnet (BV/TV gesamt). Das mineralisierte Gewebe setzte sich hierbei aus den Volumina von Kortikalis und knöchernem Kallus zusammen (BV gesamt). Errechnet wurde dessen prozentualer Volumenanteil am gesamten Knochenausschnitt (TV gesamt). Die Berechnung erfolgte anhand der Rohdaten durch Anwendung folgender Formeln:
BV/TV Kallus [%]=
x 100 %
BV/TV gesamt [%]=
x 100 % 2.8.6 Validierung
Wie beim biomechanischen Test erfolgte auch bei der Auswertung der MCT eine Validierung zum geübten Umgang mit dem Programm 3D-OsteoAnalyze. Dafür wurden fünf Tibiae aus der Versuchsreihe randomisiert ausgewählt und ausgewertet.