Bestimmung der biomechanischen Kompetenz von hyalinem Gelenkknorpel und Knorpelersatz mittels hochauflösender Ultraschallspektroskopie und akustischer Mikroskopie
Final Report Abstract
Eine Früherkennung arthrotischer Veränderungen im Gelenkknorpel ist von großem Interesse, da klinisch etablierte Methoden teuer und nicht allgemein verfügbar sind und oft nur weit fortgeschrittene Degenerationen erkennen können. Die in diesem Projekt entwickelten und optimierten Methoden zur Charakterisierung der Knorpeloberfläche und -matrix mittels Ultraschall haben einen Grundstein für kommende Forschungsarbeiten gelegt. Damit diese Methoden Patienten Nutzen bringen, sollten sich künftige Arbeiten mit der Weiterentwicklung von intraartikulärem Ultraschall (IAUS) beschäftigen, oder auf die Anwendung der Methoden auf perkutanen Ultraschall konzentrieren. IAUS hat den Vorteil, dass man direkt an den Gelenkknorpel gelangt und alle Gelenkflächen erreicht, was jedoch mit einem arthroskopischen Zugang verbunden ist. Perkutaner Ultraschall dagegen ist nicht invasiv, jedoch wird das Schallfeld von Haut- und Bindegewebe verändert oder sogar durch die knöchernen Strukturen geblockt, sodass man nicht alle Gelenkflächen sonographisch erreichen kann. Hochfrequente klinische Ultraschallsysteme sind mittlerweile verfügbar und erlauben zumindest an einigen Stellen eine detaillierte Analyse hochfrequenter Rückstreudaten. Die Entwicklung zufriedenstellender Knorpelreparaturmethoden ist seit vielen Jahren Ziel vieler Forschungsgruppen. Der Goldstandard zur Evaluierung des Reparaturknorpels ist die histologische Aufarbeitung von Biopsien, was eine Beschädigung der Knorpelmatrix erfordert und nur einen Querschnitt der Struktur darstellt. Der Einsatz von hochfrequentem Ultraschall dagegen erlaubt eine nicht-destruktive dreidimensionale Quantifizierung der Knorpeloberfläche mittels Reflexionsamplitude (IRC) und Rauheit (URI), sowie der Knorpelmatrix mit Rückstreuamplitude (AIB) und der Frequenzabhängigkeit der Rückstreuung (AFB). Bei Knorpelproben verschiedener Degenerationsstadien wiesen die Parameter IRC, URI und AFB signifikante Unterschiede bezüglich histologischer Einteilung nach Mankin, besonders zwischen Grad 0, 1 und 2. auf. Der Parameter AIB zeigt besonders bei Faserknorpel nach Defektreparatur signifikante Unterschiede zu gesundem Knorpel. Dadurch lässt sich das Defektvolumen gut abgrenzen und erlaubt zusammen mit der Knorpel-Knochen-Reflexion eine volumetrische Beschreibung des Reparaturgewebes. Dabei kann zwischen knorpelartiger Füllung, fehlendem Gewebe, subchondraler Ossifikation und Zystenbildung unterschieden werden. Eine Standardisierung der Methoden und Implementierung in IAUS oder hochfrequente klinische Ultraschallscanner könnte diese zu wichtigen Werkzeugen zur Kontrolle neuer Knorpelreparaturmethoden machen und hat dadurch ein großes kommerzielles Potential. Das Ziel, die individuellen Beiträge von Chondrozyten und Kollagenfasern zur Rückstreuung im Gelenkknorpel genau zu beschreiben, konnte noch nicht erreicht werden. Zur Klärung wurden nach Abschluß dieses Projektes weitere Studien initiiert. Im Rahmen des Projektes ist die Erfindung der Ultraschallpalpation entstanden, welche die in-vivo Messung von Knorpeldicke und -festigkeit erlaubt. Die Methode kombiniert die manuelle Palpation mit biomechanischer Auswertung. Dabei werden aufgebrachte Kraft und Kompression der Knorpelschicht mittels Auswertung von Ultraschallechos in Echtzeit ausgewertet. Eine entsprechende Software prüft zusätzlich die Einhaltung eines vorgegebenen Messprotokolls in Bezug auf Vorkonditionierung, Kompressionsgeschwindigkeit und Schalleinkopplung.
Publications
- „Untersuchungen mechanischer Parameter der degenerativen Veränderungen an Knorpel und subchondralem Knochen bei primärer Gonarthrose mit hochfrequeten Ultraschalltechniken“, Dissertation, Medizinische Fakultät der Martin-Luther- Universität Halle-Wittenberg. 2007
Sonja Leicht
- Acoustic impedance changes in cartilage and subchondral bone due to primary arthrosis. Ultrasonics 2008;48:613-20
Leicht S, Raum K
- Integrated reflection coefficient correction with respect to surface inclination and axial distance, IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Rom, 2009
Männicke N, Schöne M, Raum K
- Monitoring of cartilage synthesis in tissueengineered scaffolds by ultrasound biomicroscopy, World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, Munich, 2009
Männicke N., Raum K., Richter W., Steck E.
- Ultrasound biomicroscopy of healthy and repair cartilage tissue, World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, Munich, 2009
Gelse K., Olk A., Eichhorn S., Swoboda B., Henning F., Schoene M., Raum K.
- Application of cepstral analysis for ultrasonic structural parameter characterization, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik (DGBMT), Rostock, 2010
Männicke N.,Koch T., Lakshmanan S., Mörlein D., Raum K.
- Inclination dependence of acoustical surface parameters obtained by ultrasound biomicroscopy for improved cartilage characterization, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik (DGBMT), Rostock, 2010
Schöne M., Raum R.
- Quantitative ultrasound biomicroscopy for the analysis of healthy and repair cartilage tissue. Eur.Cell Mater. 2010;19:58-71
Gelse K, Olk A, Eichhorn S, Swoboda B, Schoene M, Raum K
- Volumetric quantification of repair cartilage and subchondral ossification using ultrasound biomicroscopy, 4th European Symposium on Ultrasonic Characterization of Bone, Jyväskylä, Finnland, 2011
Männicke N., Schöne M., Schulz R., Kuttner H., Marquaß B., Raum K.
- Location dependent properties of cartilage measured by ultrasound and indentation: Two case studies of ovine and minipig knee articular cartilage, ORS Annual Meeting 2012
Abedian D, R; Maennicke, N; Schoene, M; Raum, K; Hurschler, C
- Towards non-invasive monitoring of scaffold maturation and extracellular matrix production by ultrasound biomicroscopy, IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Dresden, 2012
Schöne M., Joly P., Männicke N., Petersen A., Welzel P., Freudenberg U., Werner C., Duda G., Raum K.
- Zweijahresergebnisse nach stammzellbasierter MACT am Großtier im Rahmen einer doppelverblindeten, randomisierten, GLP-zertifizierten Studie, Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie, Berlin, 2012
B. Marquaß, M. Zscharnack, P. Hepp, K. Raum, H. Kuttner, L. Böning, C. Josten, and R. Schulz
- 3-D High frequency ultrasound improves the estimation of surface properties in degenerated cartilage. Ultrasound Med Biol. 2013 May;39(5):834-44
Schöne M, Männicke N, Gottwald M, Göbel F, Raum K
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2012.10.010) - High-frequency backscatter analysis of human articular cartilage, IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Prag, 2013
Männicke N, Schöne M, Gottwald M, Göbel F, Oelze ML, Raum K
