Mikro-CT Technologie und Applikationen zur Erfassung von Knochenarchitektur

Zusammenfassung

Die Stärke und Bruchfestigkeit von Knochen wird durch seine trabekuläre und kortikale Struktur bestimmt. Mit zweidimensionalen Meßverfahren wie der Histomorphometrie kann die dreidimensionale Natur des Trabekelnetzwerkes nicht adäquat erfaßt werden. Isotrope 3D Datensätze können mit dem neuen bildgebenden Verfahren der µCT erzeugt werden. Die Frage nach geeigneten Strukturparametern zur Beschreibung des trabekulären Netzwerkes ist allerdings letztendlich noch nicht gelöst. In diesem Beitrag beschreiben wir Technologie und Anwendungen der µCT, welche für das Gebiet der Osteologie relevant sind. Als wichtigste technische Faktoren in diesem Kontext sind derzeit zu nennen: 1. Eine räumliche Auflösung von 5–10 µm kann erzielt werden. 2. Probengröße und Auflösung hängen ca. über einen Faktor 1000 zusammen: Bei einer zu erzielenden Auflösung von 10 µm ist die maximale Probengröße auf etwa 1 cm begrenzt. 3. Die Scanzeiten liegen im Bereich von Minuten bis Stunden. Im Bereich der Osteologie wird die µCT derzeit auf 5 Gebieten eingesetzt: 1. Zur Suche und Optimierung von Parametern, die die dreidimensionale Trabekelstruktur charakterisieren. 2. Die Anwendung von Finite-Elemente Methoden zur Bestimmung der biomechanischen Wertigkeit der stereologischen Parameter. 3. Der Einsatz in der präklinischen Forschung zu in-vivo Verlaufskontrollen in kleinen Labortieren. 4. Die Validierung von Analysemethoden, die in hochauflösenden in-vivo Verfahren zur Osteoporosediagnostik angewendet werden. 5. Die dreidimensionale Quantifizierung von Modeling- und Remodelingprozessen.

Summary

The strength and fracture resistance of bone is determined by the structure of the trabecular network and the cortical shell. While standard 2D techniques like histomorphometry are inadequate to assess the 3D nature of the trabecular network, isotropic 3D datasets of this network can be acquired with the new imaging modality of µCT. However, so far the quantitative analysis of the generated datasets, in particular the extraction of appropriate parameters describing the bone structure, has not been finally solved. In this article we describe the technology and applications of µCT systems relevant in the field of osteology. The most important technical features of current µCT systems in this context are: 1. A spatial resolution down to 5–10 µm can be achieved. 2. The maximum sample size is related to the desired resolution by a factor of approximately 1000, that is, a resolution of 10 µm limits the maximum sample size to approximately 1 cm. 3. Scan times for µCT systems vary between minutes and hours.

Currently five areas for the application of µCT systems in osteology can be identified: 1. The search of parameters characterizing the 3D trabecular structure. 2. The application of finite element models to determine the biochemical competence of the structural parameters. 3. The use of µCT in preclinical trials to study drug effects in small animals. 4. The validation of analysis methods used in high-resolution in-vivo imaging systems. 5. The 3D quantification of modeling and remodeling processes.