Titelaufnahme

Titel
Measuring trabecular turnover in rapidly progressing osteoporosis : a longitudinal clinical evaluation of bone architecture and biomechanical changes in transplantation osteoporosis / submitted by Dipl.-Ing. Lukas Fischer
Weitere Titel
Quantifizierung von trabekulärem Knochenumbau in schnell fortschreitender Osteoporose: Eine Langzeitstudie über die Knochenarchitektur und biomechanische Veränderungen bei Transplantationsosteoporose
VerfasserFischer, Lukas
Begutachter / BegutachterinLangs, Georg ; Kainberger, Franz
ErschienenWien, 2015
Umfangiv, 159 Seiten
HochschulschriftMedizinische Universität Wien, Univ., Dissertation, 2015
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)HR-pQCT / Osteoporose / Lungentransplantation / Knochenmikroarchitektur / Bildverarbeitung / Optical Flow / Struktur Tensoren / Spatio-temporal Morphometry
Schlagwörter (EN)HR-pQCT / osteoporosis / lung transplantation / bone microarchitecture / image processing / optical flow / structure tensors / spatio-temporal morphometry
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-7638 Persistent Identifier (URN)
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Measuring trabecular turnover in rapidly progressing osteoporosis [17.8 mb]
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Zusammenfassung (Englisch)

Bone microarchitecture is subject to a continuous remodeling process that reflects the skeletal sequelae of mechanical loading, aging and chronic diseases. High resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT) allows the non-invasive assessment of skeletal dynamics over time. However, current options for longitudinal image analysis do not include measures of structural directionality and information on the local distribution of microarchitectural changes. Optical flow is a comparative image-analysis tool primarily utilized for the detection of minimal motion in automated video surveillance. This technique is characterized by a particular strength in capturing minimal gradient changes between two images, and therefore bears the potential of being applicable to longitudinal HR-pQCT imaging and the quantification of subtle changes in bone microarchitecture.

The aims of this work are to establish a joined reference space to be able to conduct cross sectional studies, to demonstrate the feasibility of optical flow and structure tensor analysis in longitudinal HR-pQCT imaging and to find quantitative measures of changes in trabecular microarchitecture. In order to compare local microarchitecture and to establish correspondences across patients, all imaging data has to be registered to a unified reference coordinate system. This unified reference space allows voxel to voxel comparison of structural as well as remodeling information throughout a whole patient population. Optical flow is utilized to capture trabecular volume change between two successive HR-pQCT acquisitions within the reference space. Trabecular direction is represented by structure tensors. Quantitative measures for direction dependent trabecular reorganization are derived by linking trabecular volume change and direction. These combined measures are introduced as spatio-temporal morphometry (STM).

The conducted experiments evaluate the stability and feasibility of the proposed STM measures as well as their applicability on a clinical patient cohort. Extensive parameter tuning is performed to optimize the registration steps needed to establish the unified reference space. Measure stability evaluation is done on cadaver data with and without repositioning in between scans and on healthy control patients. To research STM in a clinical setting, HRpQCT scans of patients shortly after lung transplantation (LuTX) and subsequent scans within 1-2 years are evaluated. Furthermore the HR-pQCT data of the LuTX patients at baseline is investigated to characterize bone microarchitecture and bone strength (micro finite element analysis) shortly after lung transplantation.

Zusammenfassung (Deutsch)

Knochenmikroarchitektur unterliegt einem kontinuierlichem Umbauprozess, welcher Spätschäden durch mechanische Belastung, Alter und chronische Krankheiten widerspiegelt. Hochauflösende periphere quantitative Computertomographie (HR-pQCT) erlaubt die nicht invasive Beurteilung von Knochenumbau über die Zeit. Die derzeitigen bildgebenden longitudinalen Analyseverfahren bieten keine Möglichkeit strukturelle Richtungsabhängigkeiten bzw. Informationen über die lokale Verteilung von Änderungen in der Mikroarchitektur zu bestimmen. Optical Flow ist ein Bildanalysewerkzeug, welches in erster Linie für den Nachweis von minimaler Bewegung in der automatisierten Videoüberwachung eingesetzt wird.

Charakterisiert wird diese Technik durch ihre Stärke in der Erfassung minimaler Änderungen zwischen zwei Bildern. Diese Eigenschaft macht Optical Flow besonders interessant für die Anwendung im Bereich der longitudinalen HR-pQCT Bildgebung und der Quantifizierung von minimalen Änderungen der Knochenmikroarchitektur. Ziele dieser Arbeit sind die Erstellung eines gemeinsamen Referenzraumes um Querschnittstudien durchführen zu können, das Aufzeigen der Anwendbarkeit von Optical Flow und Strukturtensor Analyse auf longitudinalen HR-pQCT Bilddaten und das Finden von Parametern zur quantitativen Bestimmung von Änderungen der trabekulären Mikroarchitektur. Um Mikroarchitektur lokal vergleichen zu können und Korrespondenzen zwischen Patientendaten herstellen zu können, müssen alle Bilddaten auf ein einheitliches Referenzkoordinatensystem registriert werden. Dieser einheitliche Bezugsraum ermöglicht voxelweise Vergleiche zwischen struktureller Information und Knochenumbauparametern über die gesamte Patientenpopulation. Optical Flow wird zur Erfassung von trabekulären Volumsänderungen zwischen zwei aufeinander folgenden HR-pQCT Aufnahmen verwendet. Die Trabekelausrichtung wird durch Strukturtensoren dargestellt. Durch das Verbinden von trabekulärer Volumsänderungen und Trabekelausrichtung können quantitative Maße für richtungsabhängigen trabekulären Umbau berechnet werden. Diese Maße werden als spatio-temporal Morphometry (STM) bezeichnet. Die durchgeführten Experimente evaluieren die Stabilität und Umsetzbarkeit der vorgestellten STM Parameter sowie deren Anwendbarkeit auf einer klinischen Patientenkohorte. Umfangreiches Parameter-Tuning wurde durchgeführt um die für den einheitlichen Referenzraum notwendigen Registrierungsschritte zu optimieren. Die Evaluierung der Parameterstabilität wurde anhand von Leichendaten mit und ohne Re-Positionierung zwischen den Messungen und anhand von gesunden Kontrollpatienten durchgeführt. Um die STM Parameter in einem klinischen Umfeld zu testen, wurden HR-pQCT Scans von Patienten kurz nach der Lungentransplantation und anschließende Scans innerhalb von 1-2 Jahren ausgewertet.

Zusätzlich wurden die HR-pQCT Daten der LuTX Patienten zur Baseline untersucht, um Knochenmikroarchitektur und Knochenfestigkeit (Finite Elemente Analyse) kurz nach der Lungentransplantation zu bestimmen.