Mikrocomputertomographische Untersuchung der trabekulären Architektur des caninen Femurkopfes am Beispiel des Morbus Legg-Calvé-Perthes

Scherzer, Cornelia

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Mikrocomputertomographische Untersuchung der trabekulären Architektur des caninen Femurkopfes am Beispiel des Morbus Legg-Calvé-Perthes

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Das Ziel dieser randomisierten klinischen Studie bestand darin, die Mikroarchitektur des trabekulären Knochens des caninen Femurkopfes mit der Technologie der Mikro-CT qualitativ und quantitativ zu untersuchen. Im Fokus standen dabei die Veränderungen bei Morbus Legg-Calvé-Perthes die mit den Veränderungen bei Hüftgelenkdysplasie/Coxarthrose und Hüftgelenkluxation verglichen wurden. Als Referenz diente eine Gruppe mit Femurköpfen von gesunden Tieren. Die Methode der Mikro-CT war ausgewählt worden, da es sich um eine neuartige, alternative Technologie zur zerstörungsfreien und direkten dreidimensionalen Erforschung der Mikroarchitektur des trabekulären Knochens mit Bestimmung der Strukturparameter handelt, die auf dem Wege ist, die Histomorphometrie als Goldstandard zur Untersuchung der trabekulären Struktur abzulösen. Die Proben können mit hoher Auflösung untersucht werden und dann für weitere Untersuchungen, wie z.B. mechanische Tests, zur Verfügung stehen. Für die Analyse der Strukturparameter sind keine Modellannahmen mehr notwendig. Untersucht wurden Proben von 38 Tieren. Die Gruppeneinteilung erfolgte anhand der zuvor gestellten Diagnosen. Aufgrund einer therapeutischen Maßnahme wurden die Tiere einer Femurkopfhalsresektion unterzogen. Dabei wurden die Proben gewonnen und konnten der mikrocomputertomographischen Analyse zugänglich gemacht werden. Die mikrocomputertomographischen Tomogramme wurden zunächst makroskopisch ausgewertet, bevor eine Analyse der mikrostrukturellen Parameter durchgeführt wurde. Analysiert wurden BV/TV (%), BS/BV (mm-1), Tb.Th (mm), Tb.N (mm-1), Tb.Sp (mm) sowie die Conn. D (mm-3) innerhalb einer ROI (Region of Interest), die anhand erarbeiteter Regeln für jede Probe nach denselben Kriterien ermittelt worden war. Pro Probe wurde eine Messung in der Epiphyse sowie in der Metaphyse durchgeführt. Zur Verifizierung der Aussagekraft der Analyse erfolgte eine Kontrollmessung innerhalb der Epiphyse, deren Werte sich nicht signifikant von der Hauptmessung unterschieden, so dass eine Bewertung der Hauptmessung erfolgen konnte. Die Auswertung der Strukturparameter wurde mittels einer deskriptiven sowie einer vergleichenden Statistik (Wilcoxon-Test) vorgenommen. Die Untersuchung zeigte, dass sich die Parameter bei Morbus Legg-Calvé-Perthes sowie Hüftgelenksdysplasie/Coxarthrose gegensätzlich verhielten. Die Gruppen Gesund sowie Hüftgelenkluxation waren nicht signifikant unterschiedlich und wiesen Werte im mittleren Bereich auf. Die Gruppe mit Hüftgelenkluxation verhielt sich demnach gemäß ihrer traumatischen Ätiologie, bei der es nicht zu Schädigungen der trabekulären Struktur kommt und die Mikroarchitektur des Knochens der gesunder Tiere entspricht. Die Gruppe mit Hüftgelenksdysplasie zeigte wenige, dicke Trabekel mit großem Abstand zueinander, was eine Antwort auf die mechanische Fehlbelastung im Hüftgelenk bei dieser Erkrankung zu sein scheint und mit der Theorie des Wolffschen Gesetzes übereinstimmt. Bei Morbus Legg-Calvé-Perthes hingegen war eine erhöhte Anzahl dünner Trabekel mit geringem Abstand bei verändertem Knochenvolumen in Epi- und Metaphyse festzustellen. Dieses Ergebnis passt nicht vollständig zu den Beschreibungen der Veränderungen bei dieser Erkrankung in der einschlägigen Literatur, da dort von einer Verdickung der Trabekel durch Auflagerung neuer Trabekel auf alte tote Trabekel berichtet wird. Es wurde der Schluss gezogen, dass es trotz der nekrotischen Vorgänge im Knochen hauptsächlich zu einer schnellen Revaskularisation mit Bildung neuer dünner Trabekel kommt. Um diese Aussage zu erhärten, sind jedoch weitere Aufbaustudien nötig, die andere Untersuchungsmethoden mit einbeziehen und mit größeren, homogenen Gruppen arbeiten und die die Art der Trabekel (stab- oder plattenförmig) bestimmen können. Die Mikro-CT weist ein großes Potential für weitere Studien auf. Das Einsatzgebiet der Mikro-CT wird jedoch zunächst auf die Forschung beschränkt bleiben, da für den Einsatz in der Klinik erst technische Hindernisse überwunden werden müssen.

The objective of this randomised clinical study was a quantitative and qualitative analysis of the micro-architecture of the trabeculare bone of the canine femoral head using the micro-CT technology. The study was focused on the changes by Morbus Legg-Calvé-Perthes which were compared with the changes by hip dysplasia/coxarthrosis and luxation of the hip. A group of femoral head of healthy dogs was used as reference. The micro-computed tomography was selected because it is an emerging technology for the direct and nondestructive assessment and analysis of the three-dimensional micorarchitecture of the trabecular bone by measuring the structural indices. This technology will be able to replace the histomorphometry as a “gold standard” for analysis of the trabecular structure. The samples can be analysed with high resolution without damaging them so they remain intact for other examinations, e.g. mechanical or histological tests. Because of the three-dimensional data sets the use of model assumptions for calculating the structural indices is not required anymore. Femoral heads from 38 dogs were investigated. The dogs were divided in four groups because of the clinical diagnosis. All were treated with a resection of the femoral head and the samples were preserved and used for the micro-CT. The micro-CT images were first investigated macroscopical before the measurements of the structural indices were continued. As structural indices the bone volume fraction (BV/TV %), bone surface fraction (BS/BV mm-1), the trabecular thickness (Tb.Th mm), the trabecular number (Tb.N mm-1), trabecular separation (Tb.Sp mm) and the connectivity-density (Conn. D mm-3) were used. They were calculated in a region of interest (ROI), which were determined with definite points applied for every sample. For each sample two measurements in the epiphysis and in the metaphyses were accomplished. To verify these measurements a control survey into the epiphysis was carried out. The results agreed with the main investigation which allowed a meaningful assessment of these measurements. For the assessment of the structural indices a descriptive and a comparative statistical analysis (Wilcoxon-Test) was made. The results of this investigation should give information about special features and principles for the different diseases verified by micro-CT. The analysis showed that the structural indices for Morbus Legg-Calvé-Perthes were complementary to hip dysplasia/coxarthrosis. Between the group of healthy dogs and dogs with luxation of the hip were no significant differents and the values were intermediate. This conforms to the traumatic etiology of a luxation of the hip without destroying the internal structures of the femoral head. Therefore, the micro-architecture of this group is equivalent to the group of healthy dogs. The group with hip dysplasia/coxarthrosis had only few but thick bone trabecula with big separations as an answer of the inappropriate biomechanical stress in the hip joint which characterizes this disease. This fact is in conformity with the theorem of Wolff´s law. Morbus Legg-Calvé-Perthes however showed a lot of thin bone trabecula with small separations with changes of the bone volume fraction in the epi- and metaphysis. This result does not apply to specifications in the corresponding literature which reports an increase of the trabecular thickness because new trabecula accumulates on old death trabecula. This fact allows drawing the conclusion that a fast revascularisation forms a lot of new thin trabecula despite the necrotic changes into the bone. This represents the mean process in the course of the disease. To confirm this hypothesis further studies are necessary. They should imply other examination methods, major homogenous groups and a possibility to differentiate the type of the bone trabecula in rods or plates. In conclusion it could be observed, that the micro-CT is an adequate technology for investigations of the trabecular architecture of the femoral head with big capabilities for further studies. However, the main application beyond will be the experimental research because of the technical difficulties for the clinical use. With regard to the objective of this study the clinical diagnosis were verified by the micro-CT and special features and principles for every disease were recognized.