Quantitative akustische Rastermikroskopiemethoden zur Charakterisierung der elastischen Eigenschaften von Knochengewebe

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung quantitativer akustischer Mikroskopiemethoden, welche die Charakterisierung der elastischen Eigenschaften der Knochenmikrostruktur ermöglichen. Der Einfluss von Frequenz und lateralem Auflösungsvermögen auf die Bestimmung der akustischen Impedanz wurde im Frequenzbereich von 25 bis 80 MHz untersucht. Es wurde gezeigt, das ein unzureichendes Auflösungsvermögen zu einer Unterbewertung der Impedanz führt, die abhängig von Größe, Verteilung und Orientierung der Havers-Kanäle ist. Die Möglichkeit der gleichzeitigen Bestimmung von akustischer Impedanz, longitudinaler und transversaler Wellengeschwindigkeiten sowie der Probendicke wurde durch zeitaufgelöste Messungen an dünnen Probenschnitten bei einer Frequenz von 50 MHz demonstriert. Daraus lassen sich die korrespondierenden elastischen Größen ableiten. Im Gegensatz zu anderen Verfahren werden die durch die Fokussierung hervorgerufenen Einflüsse auf die Schallausbreitung berücksichtigt. Außerdem erübrigt sich die sonst notwendige Bestimmung von Probendicke und -dichte mit sekundären Messverfahren. Eine gute Korrelation wurde zwischen der akustischen Impedanz und der mechanischen Festigkeit c11 gefunden. Aus keiner akustischen Größe allein lässt sich der Elastizitätsmodul ableiten. Für die quantitative Bestimmung der akustischen Impedanz oberhalb von 100 MHz wurde das Multi-Layer-Analysis-Verfahren (MLA) entwickelt. Dieses berücksichtigt Einflüsse, die durch Defokussierung, Oberflächentopographie und Oberflächenneigung entstehen. Das Verfahren wurde am Beispiel einer Silizium-Rasterplatte bei einer Frequenz von 900 MHz validiert. Eine Untersuchung an humanen kortikalen Knochenproben zeigte eine charakteristische Winkelabhängigkeit der Impedanz, welche auf ein orthotropes Verhalten deutet. Eine Zunahme der Impedanz war mit dem Alter zu verzeichnen. Die bei 900 MHz ermittelten Impedanzen waren im Vergleich zu den niederfrequenten Impedanzwerten deutlich geringer, was durch eine Dispersion der Schallgeschwindigkeit zu erklären ist.

The goal of this work was the development of quantitative acoustic microscopy methods for the characterization of the elastic properties of the microstructure of bone. The influence of frequency and lateral resolution on the estimation of the acoustic impedance was investigated in the frequency range from 25 to 80 MHz. It has been demonstrated, that insufficient resolution causes an underestimation of the impedance, which is dependent on size, distribution and orientation of the haversian channels. With time resolved measurements the acoustic impedance, longitudinal and transverse wave velocities, and sample thickness can be measured simultaneously. From the acoustic quantities the corresponding elastic quantities can be derived. The proposed method considers influences caused by the use of focused beams. Moreover the determination of sample thickness and density with secondary techniques is superfluous. A good correlation was found between the acoustic impedance and the stiffness c11. None of the acoustic parameters alone was able to predict the Youngs modulus. For the quantitative estimation of the acoustic impedance above 100 MHz the Multi-Layer-Analysis (MLA) was developed. This technique compensates for contrast influences caused by defocus, surface topography and the local surface inclination, respectively. The method was validated at 900 MHz using a silicon raster grid. Investigations on human cortical samples revealed a characteristic anisotropy, which agrees well with an orthotrop model. An increase of the impedance was found with increasing age. The impedance values obtained at 900 MHz were considerably lower compared to impedance values obtained at frequencies below 100 MHz. This can be explained by a dispersion of the sound velocity.