Vorhersage des Frakturrisikos des Proximalen Femurs durch Topologische Analyse der Mikroarchitektur Basierend auf Lokalen, Orientierungsgewichteten Minkowski-Funktionalen

Ziele: Wir stellen einen Postprocessing-Algorithmus vor, welcher – basierend auf der topologischen Grauwertanalyse von CT-Datensätzen – eine Vorhersage der Frakturlast im Bereich des proximalen Femurs erlaubt. Das neuartige Verfahren wird hinsichtlich Frakturlastvorhersage mit der Densitometrie und der linearen Texturanalyse verglichen. Methode: MDCT-Scans der Hüfte von 18 proximalen Femurpräparaten wurden mit einem Postprocessing-Algorithmus basierend auf den Minkowski-Funktionalen (MF) in 3D zur topologischen Analyse der knöchernen Mikroarchitektur unter Berücksichtigung der lokalen, trabekulären Orientierung ausgewertet. Aus den CT-Daten wurden zudem die klassischen linearen Texturparameter (Trabekeldicke und -abstand) ermittelt. Für jedes Präparat wurde die Knochendichte mittels DXA bestimmt, anschließend erfolgte eine destruktive Testung zur Ermittlung der Bruchlast. Ein optimierendes integratives Filterverfahrens („Sliding Windows“) erlaubte es, eine skalare Größe (LOC_M3D_SW_SW) aus der Spektraldarstellung der MF jedes Bilddatensatzes zu extrahieren. Die Vorhersagekraft der Bruchlast durch Kombination meherer Parameter wird durch Multiregressionsanalysen überprüft. Ergebnis: Die Korrelation zwischen der Knochendichte und der Frakturlast betrug in Abhängigkeit von der Region of Interest (ROI) zwischen R2=0.63 und 0.7. Bei den linearen Texturmaßen lag das Ergebnis bei R2=0.11 (Trabekeldicke) bis R2=0.55 (Trabekelabstand). Als Ergebnis der lokalen topologischen Analyse zeigte sich in Abhängigkeit von der Wahl der Parameter (Radius und anatomische Position des Volume of Interest) eine Korrelation von R2=0.68 bis R2=0.82 mit der Frakturlast. Durch Kombination mehrerer Parameter (LOC_M3D_SW berechnet für Radien von 5 und 15 Voxel) im Rahmen einer Multiregressionsanalyse konnte die Versagenslast mit einem R2 von 0.91 vorhergesagt werden. Schlussfolgerung: Das von uns vorgestellte Postprocessing-Verfahren basierend auf der topologischen Analyse der Mikroarchitektur des Hüftknochens mittels lokaler, orientierungsgewichteter Minkowski-Funktionale in 3D ist gut geeignet, die mechanische Festigkeit des proximalen Femurs abzuschätzen. Seine prädiktive Wertigkeit übertrifft die Vorhersage durch Knochendensitometrie und lineare Strukturanalyse.

Korrespondierender Autor: Böhm H

LMU, Röntgen, Gräfelfinger Str. 109, 81375 München

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