Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8854
Main Title: Development of cortical bone biomarkers for the prediction of femur strength
Translated Title: Entwicklung von kortikalen Knochenbiomarkern für die Prädiktion der Festigkeit des Oberschenkels
Author(s): Iori, Gianluca
Advisor(s): Raum, Kay
Referee(s): Raum, Kay
Fleck, Claudia
Weinkamer, Richard
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Osteoporosis is a skeletal disease caused by the imbalance between bone resorption and formation. In osteoporosis, the risk of fracture increases due to the structural deterioration of the bone. Hip fractures are associated with increased mortality and morbidity and lead to a decline in the quality of life. Due to these reasons, hip fractures represent a principal component of the total social burden produced by osteoporosis. Even though the incidence of hip and other fragility fractures is rising due to the aging of our population, osteoporosis remains to date undertreated and underdiagnosed. The standard assessment of osteoporosis involves the evaluation of epidemiological risk factors and a measurement of the bone mass. This strategy however, can capture only a moderate portion of the fracture risk. The structure of cortical bone is an important determinant of fracture resistance. At the same time, the signs of pathological resorption and osteoporosis might be visible in the architecture of cortical bone. Common modalities, however, do not achieve enough resolution for imaging the cortical microstructure. New technologies have recently provided means for the assessment of the bone architecture at peripheral skeletal sites. This allowed the association of specific changes of the cortical microstructure in distal bones with a higher fracture risk. Nevertheless, the number of structural parameters investigated in cortical bone has remained limited, and their association with hip strength is unclear. This work investigates ex vivo the link between the cortical bone architecture of the human tibia and the strength of the proximal femur. The aim is to establish parameters (biomarkers) describing the cortical structure that can point towards an increased risk of fracture of the hip. In the first chapter of the thesis, the pathogenesis of osteoporosis and basic knowledge on bone strength, together with available methods for the characterization of fracture risk are introduced. The experimental and computational techniques utilized for this work are described in chapter 2. Chapters 3 and 4 focus on the development of cortical bone biomarkers of impaired femur strength. Here, the architecture of cortical bone in the tibia is assessed, with emphasis on the system of cavities that pervade cortical tissue. Measurements of cortical geometry and porosity and of the density and size distribution of the pores are conducted on scanning acoustic microscopy images of the tibia shaft. This establishes that a thinner cortical bone in the tibia and the higher prevalence of large pores within it are both associated with reduced femur strength. At the same time, cortical thickness and larger pores in the tibia reflect a focal thinning of cortical bone and a reduction of trabecular density in the femoral neck. Together, the results of chapters 3 and 4 indicate that the thickness and the prevalence of large pores in the cortical bone of the tibia can identify an impairment of femur strength. Following, a method for the accurate assessment of porosity from micrometer-level cavities in cortical bone is developed. This uses data from high-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT), which can be collected at the tibia in vivo. In chapter 5, the method is validated for the measurement of cortical bone porosity. Finally, its application is extended to estimate the prevalence of large pores in cortical bone (chapter 6). In conclusion, this thesis identifies the thickness and the prevalence of large pores of the cortical bone of the tibia as biomarkers of impaired femur strength. The assessment of these two biomarkers in vivo should be validated for the prediction of hip fracture risk.
Osteoporose ist eine Skeletterkrankung, die aufgrund eines unausgeglichenem Verhältnisses zwischen Knochenaufbau und −abbau zu einer Degeneration der Knochenstruktur führt und somit das Frakturrisiko erhöht. Eine Oberschenkelhalsfraktur zieht eine hohe Morbidität und Mortalität nach sich und vermindert die Lebensqualität der Betroffenen langfristig. Allein in Deutschland werden die mit Oberschenkelhalsfarakturen assoziierten Behandlungskosten auf ca. 2.5 Milliarden Euro pro Jahr geschätzt. Die Diagnose von Osteoporose erfolgt in der Regel über eine Messung der Knochenmasse und Bewertung epidemiologischer Risikofaktoren. Diese Vorgehensweise führt jedoch dazu, dass ein Großteil des Frakturrisiko unbewertet bleibt. Die Architektur des kortikalen Knochens ist maßgeblich für die Knochenfestigkeit verantwortlich. Spuren von verstärkter Knochenresorption und damit frühe Stadien von Osteoporose können in der kortikalen Mikroarchitektur sichtbar werden. Die Bildgebung der Mikroarchitektur von Knochen erfordert eine hohe Auflösung. Gegenwärtig kann diese wegen der hohen Strahlendosis nur an den Extremitäten des Skeletts erreicht werden. Mithilfe innovativer Methoden, wie die hochauflösende periphere quantitative Computertomografie (HR-pQCT), konnten Veränderungen der Mikrostruktur distaler kortikaler Knochen mit einer erhöhten Inzidenz von Frakturen assoziiert werden. Allerdings wurden bisher nur wenige Strukturparameter betrachtet und der Zusammenhang zwischen der Mikroarchitektur und der Festigkeit des proximalen Femurs bleibt weiterhin unklar. In dieser Dissertation wird ein Zusammenhang zwischen der kortikalen Mikroarchitektur der Tibia und der Festigkeit des proximalen Femurs hergestellt. Dazu wurden in dieser Arbeit verschiedene Parameter (Biomarker) ex vivo untersucht, die die kortikale Mikroarchitektur beschreiben und auf eine erhöhte Brüchigkeit des Oberschenkels hinweisen können. Das erste Kapitel erklärt die Pathogenese der Osteoporose und beschreibt die Grundlagen der Knochenbiomechanik. Zudem wird die Methodik zur Bestimmung des Frakturrisikos erläutert. Die in dieser Arbeit angewendeten Materialien und Methoden sind in Kapitel 2 zu finden. In Kapitel 3 und 4 werden die Biomarker entwickelt, die mit einer beeinträchtigten Festigkeit des Oberschenkels in Zusammenhang stehen. Dazu wird die Architektur des kortikalen Knochens und sein Porensystem charakterisiert. Kortikale Geometrie, Knochenporosität und Porengrößenverteilung werden mittels akustischer Rastermikroskopie an humanem Tibiaproben untersucht. Es wird gezeigt, dass die kortikale Dicke und die Prävalenz von großen kortikalen Poren in der Tibia mit der Knochenfestigkeit des proximalen Femurs und mit der kortikalen Mikroarchitektur des Oberschenkelhalses assoziiert sind. Die letzten beiden Kapiteln dieser Dissertation erweitern die Messung der kortikalen Porosität mittels HR-pQCT. Eine auf der Knochenmineraldichte basierte Methode für die Porositätsmessung wird in Kapitel 5 vorgestellt, die auch Poren mit einem Durchmesser unterhalb der HR-pQCT Bildauflösung einschließt. Im Anschluss wird diese Methode für eine Abschätzung der Prävalenz von Poren mit großem Durchmesser angewandt und getestet (Kapitel 6). In der vorliegenden Arbeit werden Veränderungen in der kortikalen Mikroarchitektur der Tibia identifiziert, die in Relation zu einer beeinträchtigten Festigkeit des Oberschenkels stehen. Als nächstes sollten in vivo Messungen der kortikale Dicke und Poren mit großem Durchmesser in der Tibia für eine Voraussage des Risikos einem Oberschenkelhalsbruch herangezogen und validiert werden.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9833
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8854
Exam Date: 9-Sep-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 4-Dec-2019
DDC Class: 621 Angewandte Physik
610 Medizin und Gesundheit
Subject(s): bone
finite element analysis
computed tomography
ultrasound
microstructure
Knochen
Finite-Elemente-Methode
Computertomographie
Ultraschall
Mikrostruktur
Sponsor/Funder: DFG, 259151931, Targeting cortical bone quality by ultrasound biomarkers – relations to porosity, stiffness and strength (TaCo-Sound)
BMBF, 01EC1408L, Musculoskeletal research network, characterization of cortical and subchondral bone
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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