Zur Bestimmung akusto-elastischer Eigenschaften von humanem, kortikalem Knochengewebe mit der akustischen Rastermikroskopie

Abstract

In der vorliegenden Studie werden die anisotropen akustischen Eigenschaften von kortikalem Knochengewebe aus humanem Femurknochen nach Einbettung in Polymethylmethacrylat durch eine Bestimmung der akustischen Impedanz ermittelt. Dazu werden Knochengewebe von 17 männlichen und 9 weiblichen Sektionsfällen, deren Autopsieberichte keine Vorerkrankungen unter Beteiligung des Knochengewebes erkennen lassen, mit Hilfe der hoch auflösenden akustischen Rastermikroskopie untersucht. Die Proben werden in Schnittwinkeln von 0°, 10°, 15°, 30°, 45°, 60° und 90° zur Horizontalen präpariert, um über die Amplituden der an der Probenoberfläche reflektierten Ultraschallwellen Aussagen zu den richtungsabhängigen akusto-elastischen Eigenschaften des Knochengewebes in mikrostruktureller Auflösung zu machen. Die Quantifizierung des akustischen Reflexionssignals erfolgt durch eine Bildanalyse farbkodierter Darstellungen der lokalen Schallamplituden des reflektierten Ultraschalls unter Berücksichtigung möglicher Störeinflüsse auf das Schallsignal. Die akustische Impedanz der untersuchten Proben lässt sich aus dem Reflexionskoeffizienten als Ausdruck eines definierten Verhältnisses der akustischen Impedanzen zweier benachbarter Medien errechnen. Die richtungsabhängigen Impedanzunterschiede aus 998 Messungen spiegeln akusto-elastisches Aniostropieverhalten des kortikalen Knochens wider. Außerdem lässt sich eine geschlechts- und altersabhängige Beeinflussung der akustischen Impedanz für bestimmte Einschallwinkel nachweisen.

In the present study the anisotropic acoustic properties of cortical bone tissue from human femoral diaphysis tissue are shown determining their acoustic impedance by a scanning acoustic microscope technique. Specimens from 17 male and 9 female cadavers without any history of bone disease are cut in given angles of 0°, 10°, 15°, 30°, 45°, 60° and 90° in relation to the horizontal plane. After embedding in polymethylmethacrylate the specimens are scanned by a high resolution scanning acoustic microscope. The reflected ultrasound signal from each pixel of specimen surfaces leads to a local, digitalized signal amplitude. The sets of signal amplitudes of each specimen are transformed into a colour-mapped picture and analysed quantitatively by a software procedure. In addition, the automatic analysis software helps to reduce artefacts caused by changing work conditions of the microscope during the measurements. Anisotropic mechanical behaviour of cortical bone becomes clearly evident in a set of 998 measurements. Additionally, gender and age differences at certain angles are demonstrated.