Untersuchung mechanischer Parameter der degenerativen Veränderungen an Knorpel und subchondralem Knochen bei primärer Gonarthrose mit hochfrequenten Ultraschalltechniken

Abstract

Mit hochfrequentem Ultraschall können Gewebsstrukturen mit einer hohen örtlichen Auflösung zerstörungsfrei dargestellt werden. Ziel war es, strukturelle und mechanische arthrotische Veränderungen in Knorpel und Knochen an nativen Präparaten mit diesen Techniken quantitativ zu charakterisieren und mit etablierten histologischen Verfahren zu vergleichen. Ultraschallrückstreumessungen wurden an Tibiaplateaus mit dem B-Bild Verfahren bei 80 MHz und an Sagittalschnitten derselben Proben mit dem C-Bild Verfahren bei 50 MHz durchgeführt. Die tiefenabhängige Rückstreuung und ortsaufgelöste akustische Impedanz im Knorpel und subchondralen Knochen wurden bekannten radiologisch und histologisch erfassbaren Arthrosezeichen zugeordnet. Dadurch sollte ein besseres Verständnis für die prinzipiell in vivo anwendbare B-Bild Technik gewonnen werden. 28 Resektate humaner Tibiaplateaus aus der Knieendoprothetik und eine Kontrolle ohne Arthrosezeichen wurden untersucht. Die Rückstreumessungen zeigten innerhalb des Knorpels unterschiedliche tiefenabhängige Rückstreumuster, die mit charakteristischen, histologisch und immunhistologisch nachweisbaren Veränderungen assoziiert waren. An Sagittalschnitten konnten anhand der akustischen Impedanz unterschiedliche Knorpelschichten differenziert werden. Innerhalb des Knochens war in 65,5 % der untersuchten Fälle subchondral eine signifikante Sklerosierung zu sehen. Bevor es im Krankheitsgeschehen zum Substanzabbau kommt - also bei mittleren Werten des Mankin-Scores, zeigte sich im B-Bild ein charakteristisches Rückstreusignal mit einem Maximum kurz unterhalb der Knorpeloberfläche. In niedrigeren Arthrosestadien zeigten sich mehrere sehr kleine Peaks, in höheren Stadien verschwanden diese wieder. Es ist von der Ausbildung einer "Repair-Zone" in mittleren Stadien auszugehen, die in höheren Stadien, wenn der Knorpelverlust eintritt, als Oberfläche detektiert wird. Das Potential hochfrequenter Ultraschallverfahren zur Charakterisierung arthrotischer Veränderungen konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden. Perspektivisch ergibt sich die Möglichkeit mit Ultraschall ein quantitatives und somit objektives Verfahren zu entwickeln, welches eine minimalinvasive Beurteilung struktureller und mechanischer Veränderungen innerhalb der einzelnen Knorpelschichten in vivo erlaubt und in seiner Aussagekraft mit einer histologischen Beurteilung vergleichbar wird.

High-frequency ultrasound techniques offer the possibility of non-destructive characterization of tissue structures. This study aimed at assessing OA (Osteoarthrosis) related elastic changes of cartilage and subchondral bone in native human tibia plateaus with these techniques and comparing them with well-known histological techniques. B-mode backscatter-measurements (80 MHz) were used on native tibia plateaus as well as C-mode measurements (50 MHz) on sagittal sections of the same samples. To better understand the B-mode results (which in principle can be used in vivo), the depth-dependent backscatter results as well as the spatial acoustic impedance images of cartilage and subchondral bone were assigned to common radiological and histological signs of OA. Samples were obtained from 28 human individuals during alloplastic implant surgery and explored in hyperosmolar (2.5 molar) saline solution at 25°C. Cartilage and bone impedance distributions were evaluated as a function of the distance to the cartilage-bone interface. The degree of cartilage degeneration was derived by histological and immunohistochemical analysis. In cartilage B-mode measurements showed different depth-dependent backscatter characteristics, which were associated to histological and immunohistochemical OA related changes. In sagittal sections different cartilage layers could be distinguished by significant different acoustic impedance values. 65.5% of the bone sections showed subchondral sclerosis. We observed a characteristic backscatter signal pattern in B-mode images with maximum values shortly below cartilage surface in moderate Mankin-score values, just before loss of tissue occurs. In lower stages of OA there were several small peaks, whereas in higher states these peaks disappeared. We hypothesize a "repair-zone" in moderate stages, which is detected as the cartilage surface in higher states, when the loss of cartilage tissue proceeds. The possibility to show OA-related changes with high-frequency ultrasound techniques could be demonstrated. In perspective high-frequency ultrasound could become a quantitative and therefore objective diagnostic method , which provides estimates of structural and mechanical changes within the cartilage layers with endoscopic-surgery techniques in vivo.