Possibilities of Articular Cartilage Quantification Based on High-Frequency Ultrasound Scans and Ultrasound Palpation
Creators: name: Schöne, Martin
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2020
Subjects: subject: Ultraschall
subject: Gelenkknorpel
subject: Biomechanik
subject: Arthrose
subject: Ultrasound
subject: Articular Cartilage
subject: Biomechanics
subject: Osteoarthritis
subject: 530 Physik
subject: YK 2099
subject: YR 2530

description: In der Diagnostik und Reparatur von hyalinem Gelenkknorpel sind neue Methoden zur Quantifizierung von Struktur und mechanischer Belastbarkeit gefragt, um die Behandlung von Knorpelschäden an Millionen von Patienten weltweit zu verbessern. Mittels hochfrequentem, fokussierten Ultraschall werden Oberflächenparameter für Reflektivität und Rauheit an Gelenkknorpel bestimmt. Es wird gezeigt wie die Oberflächenneigung kontrolliert werden kann. Die Ergebnisse vermitteln ein besseres Verständnis über die Zusammensetzung der Ultraschallsignale aus reflektierten und gestreuten Komponenten. 3D Ultraschallscans von Knorpelregeneraten erlauben die Defektstellen volumetrisch zu Quantifizieren. Die Proben wurden zusätzlich nach etablierten Bewertungssystemen benotet, welche auf makroskopischer Beurteilungen, MRT-Scans und Histologie basieren. Die ultraschallbasierten Volumendaten zeigten dabei gute Korrelationen mit den Punktwertungen. Die im Labor verwendeten Messaufbauten zur biomechanischen Charakterisierung von Gelenkknorpel können am Patienten nicht angewandt werden. Daher können Ärzte die Festigkeit von Knorpel bisher nur mittels manueller Palpation abschätzen. Diese Arbeit entwickelt eine Methode der Ultraschall-Palpation (USP), die es erlaubt, die während der manuellen Palpation erzeugte Kraft und Deformation, basierend auf Ultraschallechos, aufzunehmen. Es wurde einen Prototyp entwickelt womit gezeigt werden konnte, dass USP eine ausreichende Genauigkeit und Reproduzierbarkeit aufweist. Wiederholte Messungen können zusätzlich zeitabhängige biomechanische Parameter von Knorpel ableiten. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit verbesserte und neue Möglichkeiten zur strukturellen und biomechanischen Charakterisierung von hyalinem Gelenkknorpel bzw. den Ergebnissen von Knorpelreparatur basierend auf Ultraschalldaten. Diese Methoden haben das Potenzial die Diagnostik von Gelenkknorpel und die Quantifizierung von Knorpelreparatur zu verbessern.
description: In the diagnostics and repair of hyaline articular cartilage, new methods to quantify structure and mechanical capacity are required to improve the treatment of cartilage defects for millions of patients worldwide. This thesis uses high frequency focused ultrasound to derive surface parameters for reflectivity and roughness from articular cartilage. It is shown how to control the inclination dependency to gain more reliable results. Furthermore, the results provided a better understanding of the composition of ultrasonic signals from reflected and scattered components. 3D ultrasound scans of cartilage repair tissue were performed to quantify defect sites after cartilage repair volumetrically. The samples were also graded according to established scoring systems based on macroscopic evaluation, MRI scans and histology. The ultrasound-based volumetric parameters showed good correlation with these scores. Complex biomechanical measurement setups used in laboratories cannot be applied to the patient. Therefore, currently physicians have to estimate the stiffness of cartilage by means of manual palpation. In the last part of this thesis, a method denoted as ultrasound palpation is developed, which allows for measuring the applied force and strain during manual palpation in real time, solely based on the evaluation of the time of flight of ultrasound pulses. A prototype was developed and its measurement accuracy and reproducibility were characterized. It could be shown that ultrasound palpation has sufficient accuracy and reproducibility. Additionally, by repeated measurements it was possible to derive time-dependent biomechanical parameters of cartilage. In summary, this work shows improved and new possibilities for structural and biomechanical characterization of hyaline articular cartilage and the outcomes of cartilage repair based on ultrasound data. The methods have the potential to improve the diagnostics of articular cartilage and quantification of its repair.