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Jahrbuch 2003/2004 | Räth, Christoph; Bunk, W olfram; Monetti, Roberto; Morfill, Gregor; Böhm, Holger; Müller,
Dirk; Rummeny, Ernst; Majumdar, Sharmila; New itt, David; Link, Thomas | Analyse von Knochenstrukturen zur
verbesserten Diagnose von Osteoporose
Analyse von Knochenstrukturen zur verbesserten Diagnose von
Osteoporose
Analysis of bone structure for an improved diagnosis of osteoporosis
Räth, Christoph; Bunk, Wolfram; Monetti, Roberto; Morfill, Gregor; Böhm, Holger; Müller, Dirk; Rummeny, Ernst;
Majumdar, Sharmila; New itt, David; Link, Thomas
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching
Korrespondierender Autor
E-Mail: cw [email protected]
Zusammenfassung
Osteoporose ist die häufigste Erkrankung des Skelettsystems. Sie ist definiert durch die Reduktion der
Knochenmasse und die Veränderung der Mikroarchitektur des Knochens, w elche zu einem erhöhten
Frakturrisiko
führen.
Die
Messung
der
Knochendichte
ist
eine
etablierte
Methode
in
der
Osteoporosediagnostik. Da das Frakturrisiko jedoch nicht allein von der Knochendichte bestimmt w ird, ist diese
für die Abschätzung des Frakturrisikos nur beschränkt geeignet. Heutzutage ist es mit bildgebenden Verfahren
möglich, die Mikroarchitektur des (trabekulären) Knochens darzustellen. Vergleicht man die Morphologie der
Mikroarchitektur des Knochens mit der großräumigen Verteilung der Galaxien im Universum, so kann man
gew isse Ähnlichkeiten feststellen. In beiden Fällen hat man es mit Filamenten und W änden zu tun, die
w eitgehend leere Gebiete umschließen. In einem interdisziplinären Forschungsprojekt des MPEs mit dem
Institut für Röntgendiagnostik der TU München w erden im Rahmen eines sog. TANDEM-Projektes, Verfahren
zur
quantitativen
Beschreibung
komplexer
Strukturen
aus
der
Astrophysik
auf
die
Analyse
von
dreidimensionalen Bildern von trabekulären Knochenstrukturen angew endet, um eine verbesserte Diagnostik
der Osteoporose zu erzielen. Die bisher durchgeführten Studien zeigen, dass die neu entw ickelten
Strukturmaße sehr gut geeignet sind, um die mechanische Festigkeit von Knochen in humanen Präparaten
sow ie das Frakturrisiko in Patienten vorherzusagen.
Summary
Osteoporosis is the most frequent disease of the skeletal system. It is defined by reduced (mineral) bone
density and changes in the microarchitecture of the bone leading to an increased risk of bone fractures. The
measurement of the bone mineral density (BMD) is a w ell established method in the diagnosis of osteoporosis.
But since the fracture risk does not only depend on the bone density, this parameter is only of limited use for
assessing the fracture risk. Now adays it is possible to visualize the complex, three-dimensional (trabecular)
bone structures using high resolution imaging techniques (CT and MR). If one compares the morphology of the
microarchitecture of the bone w ith the large scale structure of the galaxies in the universe, one can find
similarities: In both cases one deals w ith filaments and w all-like structures, w hich enclose empty regions
("voids"). An interdisciplinary research project of the MPE in cooperation w ith the department of radiology of
the TU Munich w ithin the framew ork of the recently initiated TANDEM-projects has been established. In this
© 2004 Max-Planck-Gesellschaft
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project new methods for the quantitative description of complex structures, w hich w ere originally developed in
the field of astrophysics, are applied to the analysis of three-dimensional images of the trabecular bone
structure in order to improve the diagnosis of osteoporosis. The results obtained so far show that the new ly
developed structure measures are very w ell suited to predict the mechanical strength of bones in human
specimen and the risk of fractures in patients.
Osteoporose steht als Volkskrankheit zunehmend im Zentrum des öffentlichen Interesses. Etw a 30% aller
Frauen in Europa und Nordamerika sind von dem Knochenschw und betroffen. Die Hauptkomplikation der
Osteoporose sind pathologische Frakturen von z.B. W irbelknochen oder des Oberschenkelknochens (Femur).
Diese Frakturen und die damit verbundenen Folgeerkrankungen älterer Menschen führen zu einer dauerhaften
Behinderung und Hospitalisierung, w as häufig eine verminderte Lebenserw artung zur Folge hat.
Allein in Deutschland w erden die finanziellen Aufw endungen verursacht durch die Folgen von Osteoporose auf
3 - 4 Mrd. Euro pro Jahr geschätzt. In einer alternden Gesellschaft w ird mit einer dramatischen Zunahme der
Osteoporose und den damit verbundenen Folgeerkrankungen gerechnet.
Zw ar gibt es Therapieformen, mit denen eine w irkungsvolle Osteoporoseprävention möglich ist. So ist z.B.
erw iesen, dass durch Östrogene der Verlauf der postmenopausalen Osteoporose positiv beeinflussbar ist und
dadurch
das
Frakturrisiko
gesenkt
w erden
kann.
Allerdings
w urde
unlängst
gezeigt,
dass
die
Östrogentherapie auch erhebliche Nebenw irkungen haben kann, so z.B. ein erhöhtes Brustkrebsrisiko. Die
Bisphosphonattherapie w urde mit sehr guten Ergebnissen eingesetzt, jedoch sind ihre Langzeiteffekte auf
den
Knochenmetabolismus
noch
nicht
vollständig
bekannt. Es
ist
festzuhalten, dass
die
genauen
W irkmechanismen der verschiedenen Therapeutika auf die Knochenstruktur noch nicht vollständig verstanden
sind.
Desw egen und um die erheblichen Kosten dieser Therapie zu minimieren, ist es nötig, sow ohl sehr spezifische
als auch sehr sensitive diagnostische Verfahren zur Abschätzung des Risikos für osteoporotische Brüche zur
Verfügung zu haben. Außerdem ist eine hohe diagnostische Genauigkeit eine Grundvoraussetzung, um die
Therapie in einem sehr frühen Stadium der Osteoporose einleiten und den Therapieverlauf beobachten zu
können.
Osteoporose ist definiert durch eine Reduktion der Knochenmasse und der Veränderung der Mikroarchitektur.
Die Messung des Mineralgehalt des Knochens (=,Knochendichte’=,Bone Mineral Density’ (BMD)) ist ein
etabliertes Verfahren in der Osteoporosediagnostik. Allerdings ist bekannt, dass dieses Verfahren nur
eingeschränkt anw endbar ist: So gibt es eine beträchtliche Überschneidung von Patienten mit ‚normaler’
Knochendichte aber mit einer osteoporotischen Fraktur als auch von Patienten mit zu geringer Knochendichte
aber ohne Fraktur.
Eine
w ichtige
Komponente
für
die
Knochenstärke
ist
seine
bälkchenartige
(sog.
"trabekuläre")
Mikroarchitektur. Die technische Entw icklung der bildgebenden Verfahren w ie Computer-Tomografie (CT) und
der hochauflösenden Magnetresonanztomographie (HR MR) erlauben heute eine hervorragende Abbildung der
Knochenbinnenstruktur. Um diese Daten adäquat auszuw erten und diagnostische Parameter abzuleiten,
müssen die Bilddaten mittels statistischer Methoden ausgew ertet w erden.
Am MPE beschäftigen sich Physiker mit der Entw icklung und Anw endung von neuen statistischen, nichtlinearen
Methoden, mit denen der spezifische Informationsgehalt multidimensionaler Datensätze quantifiziert w ird. Im
Bereich der astrophysikalischen Forschung w erden diese Verfahren u. a. zur quantitativen Analyse der
Morphologie von simulierten und beobachteten Galaxienverteilung sow ie der Analyse der kosmischen
Hintergrundstrahlung angew endet [1,2].
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Vergleicht man die großräumige Verteilung der Galaxien im Universum mit Bildern des trabekulären Knochens,
so stellt man überraschende Ähnlichkeiten fest. In beiden Fällen hat man es mit stabartigen Strukturen (sog.
"Trabekel" oder "Filamente") und ‚W änden’ zu tun, die w eitgehend leere Gebiete ("Voids") umschließen. In der
Kosmologie w erden die Beziehung zw ischen den beobachteten Strukturen der Galaxienverteilung und den
kosmologischen Modellen untersucht. In der Osteoporosediagnostik hingegen stehen die Veränderungen der
Knochenstrukturen, d. h. das allmähliche Auflösen der plattenartigen Strukturen im Vordergrund des
Interesses.
In einem interdisziplinären Forschungsprojekt des MPEs mit dem Institut für Röntgendiagnostik der TU
München im Rahmen eines sog. TANDEM-Projektes w erden Verfahren zur quantitativen Beschreibung
komplexer Strukturen auf die Analyse von dreidimensionalen Bildern von trabekulären Knochenstrukturen
angew endet. Bei der Ausw ahl von geeigneten statistischen Maßen stehen folgende Fragen zu Beginn im
Vordergrund:
Sind die beobachteten Strukturen im mathematisch-statistischen Sinne "einfach" und können mit "einfachen"
Mitteln charakterisiert w erden? Oder sind die Strukturen "komplex", sodass mehr Aufw and betrieben w erden
muss, um diese quantitativ zu beschreiben?
Um diese Fragen zu beantw orten, w erden von gegebenen dreidimensionalen Bildern Ersatzbilder (sog.
Surrogatbilder) erzeugt, die dieselben linearen Korrelationen (="einfachen" Eigenschaften) aufw eisen. Durch
die Analyse des Urbildes und seiner Surrogate mit nichtlinearen statistischen Maßen stellt sich heraus, dass
die Bilder trabekulärer Knochenstrukturen räumliche Korrelationen höherer Ordnung aufw eisen und in diesem
Sinne
als
"komplex"
zu
bezeichnen
sind.
Es
ist
also
geboten,
bei
den
vorliegenden
Daten
strukturbeschreibende Maße zu verw enden, die sensitiv auf diese "komplexeren" räumlichen Korrelationen
sind [3].
Visua lisie rung de r Sk a lie rungsinde x m e thode a m Be ispie l e ine r
sim ulie rte n Ga la x ie nve rte ilung: Für de n Schnittpunk t de r dre i
e inbe schrie be ne n Ebe ne n be stim m t sich de r Sk a lie rungsinde x
α a us de r Zuna hm e de r P unk te in lok a le n Um ge bunge n
ve rschie de ne r Größe (ge lbe und rote P unk te sowie
e inge fügte s Dia gra m m ).
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Dies sind z. B. sog. Skalierungsindizes (Abb. 1), die ein Maß für das lokale Skalierungsverhalten in
Punktverteilungen und Bildern darstellen und auch interpretiert w erden können als ein nichtlinearer Filter, der
eine strukturelle Dekomposition der Bildinhalte gemäß ihrer Dimensionalität vornimmt. So w erden punktartige
Strukturen mit α=0 abgebildet, stabartige Strukturen liefern α=1, w ährend flächenartige Strukturen α=2
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Strukturen mit α=0 abgebildet, stabartige Strukturen liefern α=1, w ährend flächenartige Strukturen α=2
aufw eisen.
Zufällig
verteilte
Punkte
oder
respektive
Voxel
in
strukturlosen
Gebieten
ergeben
Skalierungsindizes, die der Dimension des Darstellungsraumes entsprechen.
Eule r-P oinca ré -C ha ra k te ristik χ(ν) a m Be ispie l e ine s
zwe idim e nsiona le n Bilde s de r tra be k ulä re n Knoche nstruk tur
(a ): Für ve rschie de ne Schwe lle nwe rte ν wird e in Binä rbild
("Schwa rz-W e iß-Bild") e rze ugt, inde m a lle Bilde le m e nte
("P ix e l") unte rha lb de s Schwe lle nwe rte s schwa rz da rge ste llt
und die a nde re n P ix e l we iß (ode r fa rbig) m a rk ie rt we rde n (b,
c, d). Für die sich so e rge be nde n Ge bie te wird die Topologie
be stim m t. Ist im ge wä hlte n Be ispie l de r Schwe lle nwe rt nie drig,
so gibt e s we nig ve rschie de ne zusa m m e nhä nge nde Ge bie te
m it vie le n Löche rn, wa s zu e ine m se hr nie drige n W e rt von χ(ν)
führt (b). Erhöht m a n de n Schwe lle nwe rt, so hä lt sich die
Anza hl de r Ge bie te und de r Löche r in ihne n die W a a ge . Es
e rgibt sich χ(ν)=0 (c). Eine we ite re Erhöhung de s Schwe llwe rte s
führt zu m e hr unzusa m m e nhä nge nde n Ge bie te n und we nige r
Löche rn in de m Binä rbild. Ein hohe r W e rt für χ(ν) ist die Folge
(d).
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Neben
der
Ausw ertung
der
lokalen
Skalierungseigenschaften
w erden
auch
topologische
Maße
zur
Charakterisierung von Knochenstrukturen verw endet. Die Topologie n-dimensionaler konvexer Objekte kann
eindeutig durch (n+1) Minkow ski-Funktionale (MF) beschrieben w erden. Im Spezialfall des 2-dimensionalen
euklidischen Raumes sind die drei MF proportional dem Volumen, der Oberfläche, und der Euler-PoincaréCharakteristik. Letztere ist definiert als die Summe der Anzahl zusammenhängender Komponenten z.B. in
einem Binärbild abzüglich der Anzahl von Löchern (Abb. 2).
Es konnte anhand vieler Studien mit humanen Präparaten gezeigt w erden, dass - verglichen mit BMD - durch
Verw endung nichtlinearer Strukturmaße basierend auf SIM und MF die Korrelation mit makroskopischen
Kenngrößen der Knochen (z.B. maximale Bruchfestigkeit) erheblich verbessert w ird [4,5,6,7]. Die quantitative
Beschreibung der trabekulären Strukturen liefert somit einen viel versprechenden Zugang zur Beurteilung der
Knocheneigenschaften, insbesondere deren Festigkeit.
In umfangreichen klinischen Studien w urde eine sehr effiziente Diskriminierung zw ischen Patienten mit und
ohne W irbelkörperfraktur durch Knochenstrukturanalyse der Speiche (distaler Radius) und des Fersenbeines
(Calcaneus) mittels
Skalierungsindizes
(Abb. 3-5)
und
MF
erreicht.
W iederum
w urde
mithilfe
von
Strukturparametern eine w esentlich bessere diagnostische Genauigkeit als mit der Knochendichtemessung
erzielt [8].
Die Validierung der Ergebnisse erfolgt mittels Resampling-Verfahren ("leave-one-out", "bootstrapping"). Es
zeigt sich, dass die nichtlinearen Strukturmaße nicht nur bessere Diskriminierungsergebnisse liefern, sondern
w w w .mpg.de
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zeigt sich, dass die nichtlinearen Strukturmaße nicht nur bessere Diskriminierungsergebnisse liefern, sondern
auch geringere statistische Variabilität aufw eisen.
HR -MR -Schnittbild de s Unte ra rm s für e ine n ge sunde n
P a tie nte n (link s) und e ine n P a tie nte n m it oste oporotische r
W irbe lk örpe rfra k tur (re chts).
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Se gm e ntie rte Spe iche (dista le r R a dius) für die Bilde r a us
Abbildung 3. Die Fa rbcodie rung de r P ix e l e ntspricht de n
W e rte n de r Sk a lie rungsindize s. Die Ve rschie bung hin zu
höhe re n W e rte n für oste oporotische Knoche n m it
a usge dünnte m tra be k ulä re n Ne tzwe rk ist de utlich a n de n
he lle re n Fa rbe n zu e rk e nne n
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R O C -Kurve , die die Erge bnisse e ine r In-vivo- Studie
zusa m m e nfa sst: Aufge tra ge n sind die Se nsitivitä t de r BMD
(rot), e ine s he rk öm m liche n zwe idim e nsiona le n Ma ße s (bla u)
und de s ne u e ntwick e lte n Struk tupa ra m e te rs P (Δα) (grün) in
Abhä ngigk e it von de r Spe zifitä t. De r ne ue Struk turpa ra m e te r
lie fe rt be i je de r Spe zifitä t e ine höhe re Se nsitivitä t und som it
e ine be sse re r dia gnostische Ge na uigk e it a ls he rk öm m liche
P a ra m e te r.
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Bei den bisher durchgeführten Studien w urden entw eder Minkow ski-Funktionale oder Skalierungsindizes
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verw endet. Es w ar von großem Interesse, zu untersuchen, ob und inw iew eit diese beiden ‚Klassen’ von
Strukturparametern redundant, d.h. gleichw ertig, in der Beschreibung der Knochenstrukturen sind. W ieder
konnte mithilfe der Methode der Surrogate gezeigt w erden, dass die Minkow ski-Funktionale und die
Skalierungsindizes eine komplementäre Beschreibung der Bilder darstellen in dem Sinne, dass sie auf
unterschiedliche Aspekte der komplexen Strukturen des trabekulären Netzw erkes sensitiv sind [9].
In zukünftigen Studien w erden w ir untersuchen, ob sich durch eine Kombination der Texturmaße die
Diskriminierung w eiter verbessern lässt. Im Mittelpunkt w eiterer klinischer Studien steht aber die Messung der
Veränderungen der Knochenstrukturen im Laufe einer therapeutischen Behandlung. Insbesondere sollen auch
die W irkungen neuartiger Medikamente und Therapieformen quantifiziert w erden. Einen w eiteren sehr
interessanten Aspekt stellt die Simulation von Knochenauf- und -Abbauprozessen auf dem Computer (in silicio)
dar. Sow ohl Medikamentenw irkungen auf den Knochenmetabolismus als auch die Sensitivität der gew ählten
Strukturparameter auf subtile Änderungen in den Knochen lassen sich auf diese Weise sehr detailliert
studieren. Auch in diesem Bereich der Krankheitsmodellierung finden Methoden aus der nichtlinearen Dynamik
(Zelluläre Automaten) eine breite Anw endung.
Literatur
[1] C. Räth, W. Bunk, M. Huber, G. Morfill, J. Retzlaff,P. Schuecker: Analysing large scale structure: I. Weighted
scaling indices and constrained randomization, Monthly Notices Royal Astronomical Society 337, 413-421
(2000).
[2] C. Räth, P. Schuecker: Analysing large scale structure: II. Testing for primordial non-Gaussianities in CMB
maps using surrogates, Monthly Notices Royal Astronomical Society 344, 115-128 (2003).
[3] C. Räth, R. Monetti, D. Mueller, H. Böhm, E. Rummeny, T.M. Link: Analysing and selecting measures for
quantifying trabecular bone structures using surrogates, Proc. of the SPIE: Medical Imaging: Image Processing
5032, 1748-1756 (2003).
[4] H.F. Böhm, C. Räth, R.A. Monetti, D. Mueller, D. New itt, S. Majumdar, E. Rummeny, G. Morfill, T. M. Link: Local
3D scaling properties for the analysis of trabecular bone extracted from high-resolution magnetic resonance
imaging of human trabecular bone, Invest. Radiol. 38, 269-280 (2003).
[5] R. Monetti, H. Böhm, D. Müller, D. New itt, S. Majumdar, E. Rummeny, T.M. Link, C. Räth: Scaling index
method: a novel nonlinear technique for the analysis of high resolution MRI of human bones, Proc. of the SPIE:
Medical Imaging: Image Processing 5032, 1777-1786 (2003).
[6 ] H. F. Böhm, T. M. Link, R. A. Monetti, D. Müller, E. J. Rummeny, D. New itt, S. Majumdar, C. W. Räth:
Application of the Minkow ski functionals in 3D to high resolution MR images of trabecular bone: prediction of
the biomechanical strength by non-linear topological measures, Proc. of the SPIE: Medical Imaging: Image
Processing 5370, 172-180 (2004).
[7] R. A. Monetti, H. Böhm, D. Müller, E. Rummeny, T. Link, C. Räth: Assessing the biomechanical strength of
trabecular bone in vitro using 3D anisotropic non-linear texture measures: the scaling vector method, Proc. of
the SPIE: Medical Imaging: Image Processing 5370, 215-224 (2004).
[8 ] D. Müller, R. Monetti, H. Böhm, J. Bauer, E. Rummeny, T. Link, C. Räth: Three-dimensional-based scaling
index algorithm to optimize structure analysis of trabecular bone in postmenopausal w omen w ith and w ithout
osteoporotic spine fractures, Proc. of the SPIE: Medical Imaging: Image Processing 5370, 225-232 (2004).
w w w .mpg.de
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[9] C. Räth, R. Monetti, D. Müller, H. Böhm, E. Rummeny, T. Link: Comparing nonlinear texture measures for
quantifying trabecular bone structures using surrogates, Proc. of the SPIE: Medical Imaging: Image Processing
5370, 207-214 (2004).
w w w .mpg.de
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