Osteologie für Rheumatologen (Teil 2) - Bildgebende Verfahren in der Osteoporosediagnostik

In diesem Beitrag wird ein Überblick über die derzeit gebräuchlichen bildgebenden Verfahren in der Osteoporosediagnostik sowie über neuere Entwicklungen, die im Moment noch primär in Forschungsstudien eingesetzt werden, gegeben. Es ist im Rahmen dieses Beitrages leider nicht möglich, diesen Überblick auf die ganze Breite der bildgebenden Diagnostik in anderen Bereichen der Osteologie, wie z. B. der rheumatoiden Arthritis oder der Arthrose auszudehnen. In der Osteoporosediagnostik werden bildgebende Verfahren insbesondere zur Diagnose von Frakturen, zur Bestimmung des Frakturrisikos und zur Verlaufskontrolle unter Therapie eingesetzt.

Standardverfahren

Der Einsatz und die Wertigkeit bildgebender Verfahren orientieren sich an den Anforderungen des jeweiligen Einsatzgebietes. Im Bereich der Patientenversorgung, insbesondere im Kontext der klinischen Routine hat, wie nachfolgend ausführlicher diskutiert, der DVO eine Evidenz-basierte S3-Leitlinie erarbeitet (1), die den Einsatz bildgebender Verfahren und hier insbesondere der dual x-ray absorptiometry (DXA) im Rahmen der Basisdia-
gnostik vorsieht. Zunächst sei aber eine Einführung in die technisch bedingten Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Techniken gegeben. Mit dem Standardverfahren der DXA kann die Flächendichte des Knochenmineralgehaltes (BMDa) der LWS, des proximalen Femurs und des distalen Unterarms quantifiziert werden (Abb. 1).
Daneben erlauben viele DXA-Geräte die Akquisition von Ganzkörperscans, in denen zusätzlich zu BMDa Fett und Muskelmasse bestimmt werden können. 

Der prinzipielle Nachteil des DXA-Verfahrens liegt darin, dass nur eine projizierte Flächendichte bestimmt werden kann. Trabekulärer und kortikaler Knochen können daher nicht separiert werden. Im Bereich der LWS kann in der PA-Projektion der Wirbelkörper nicht getrennt vom Dornfortsatz analysiert werden. Weiterhin werden mit DXA insbesondere in älteren Patienten in der Wirbelsäule oft fälschlich erhöhte Dichtewerte gemessen, da degenerative Veränderungen und aortische Kalzifikationen in der Projektion nicht identifiziert werden können (Abb. 2) (2-4).

Hier ist das volumetrische Verfahren der quantitativen Computertomografie (QCT) von Vorteil, mit dem im Gegensatz zur DXA eine physikalische Knochenmineraldichte (BMD) in mg/cm³ bestimmt wird. Die QCT-Scans der LWS und des Femurs werden auf klinischen Ganzkörper-CT-Geräten erstellt. Bei der Datenakquisition liegt der Patient auf einem Kalibrierphantom, mit dem die gemessenen CT-Werte in Knochenmineraldichtewerte umgerechnet werden. Zur Analyse der Scans steht auf einigen CT-Scannern Spezialsoftware zur Verfügung, alternativ werden die generierten Bilder im DICOM-Format häufig zu externen Workstations exportiert, auf denen eine entsprechende Analysesoftware installiert ist.

Daneben gibt es spezielle Geräte sowohl für periphere QCT (pQCT) am distalen Unterarm und distaler Tibia als auch für periphere DXA am distalen Unterarm und am Kalkaneus (Tab. 1). Periphere DXA-Scanner sind fast völlig vom Markt verschwunden, eine Anzahl älterer Geräte dürfte aber auch in den deutschsprachigen Ländern noch in der klinischen Routine benutzt werden. Weiterhin werden i. a. auch Ultraschallverfahren zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit (SOS, speed of sound) und der Breitband-Ultraschall-Absorption (BUA) in trabekulärem und kortikalem Knochen unter Osteodensitometrie subsummiert.

Neben der Kochenmineraldichte spielt in der Osteoporose die Diagnose von Wirbelkörperfrakturen eine wichtige Rolle. Das wichtigste Verfahren ist die Röntgenaufnahme der BWS und LWS in lateraler und in PA-Projektion. Neben der Entscheidung, ob eine Fraktur vorliegt, kann der Experte feststellen, ob es sich wirklich um eine osteoporotische Fraktur handelt.

Als mögliche Alternative  zur  Röntgenaufnahme kann gemäß DVO-Leitlinie die sogenannte VFA (vertebral fracture analysis) benutzt werden. Hierbei handelt es sich um ein spezielles Scan- und Auswerteverfahren, dass für die meisten modernen DXA-Geräte zur Verfügung steht, aber nicht mit dem Standard-LWS-Scan verwechselt werden darf. Im Vergleich mit einer Röntgenaufnahme der Wirbelsäule ist die Auflösung der VFA wesentlich geringer (Abb. 3) und erlaubt daher keine Differentialdiagnose. Außerdem ist die Sensitivität der Frakturerkennung insbesondere im Bereich von BWK 4-8 geringer. Als Vorteile der VFA sind die geringere Strahlenbelastung  und die Abwesenheit geometrischer Abbildungsfehler zu nennen. Außerdem können die VFA- und die BMDa-Messung auf dem gleichen Gerät vorgenommen werden, auch wenn dazu zwei verschiedene Scans benötigt werden.

Osteodensitometrie im Rahmen der DVO-Leitlinien

Wie schon zuvor angedeutet, kommen bildgebende Verfahren und hier speziell die DXA im Rahmen der DVO-Leitlinien innerhalb der Basisdiagnostik zum Einsatz (Abb. 4), also erst dann, wenn basierend auf Alter und klinischen Risikofaktoren ein absolutes 10-Jahres-Frakturrisiko von 20 % überschritten wird.

Ergibt die Basisdiagnostik ein absolutes 10-Jahresfrakturrisiko von >30 %, sollte eine Therapie eingeleitet werden. Das absolute Frakturrisiko berechnet sich primär aus dem Alter, der Prävalenz von Wirbelkörperfrakturen und dem niedrigeren T-Wert der beiden DXA-Messungen an LWS und Femur, und wird durch die Prävalenz zusätzlicher Risikofakturen moduliert. Der T-Wert ist auch Grundlage der operationellen WHO-Definition der Osteopenie und Osteoporose als erniedrigte Knochenmineraldichte (T <-1, bzw. T <-2,5) (6). Zur Abschätzung des Frakturrisikos sind im Rahmen der Leitlinie die ursprünglich starren Schwellenwerte von T= -1 bzw. T= -2,5 durch altersadaptierte Werte ersetzt worden (Abb. 5). Allerdings priorisiert auch die neueste Leitlinienversion aus mehreren Gründen DXA an LWS und proximalem Femur gegenüber anderen Osteodensitometrieverfahren.

Im Rahmen der Evidenz-basierten Medizin ist DXA das am besten validierte Osteodensitometrieverfahren zur Abschätzung des Frakturrisikos. DXA-Geräte sind besser standardisiert als QCT- oder Ultraschall-Geräte, obwohl sich auch die BMD-Ergebnisse von DXA-Geräten verschiedener Hersteller auf Grund unterschiedlicher Kalibrierung unterscheiden (7, 8). Ein weiterer Grund ist die Tatsache, dass das WHO-Schema nur für DXA definiert wurde und die Benutzung von T-Werten, die z. B. aus QCT-Messungen resultieren, zu einer fälschlich erhöhten Prävalenz der Osteoporose führt. Die Diagnose der Osteoporose gemäß WHO ist also per definitionem an das DXA-Verfahren gekoppelt und macht dieses Verfahren zum Goldstandard, entsprechende Schemata für QCT oder periphere Verfahren sind bisher nicht entwickelt worden. Für QCT der LWS läge ein zu DXA LWS T = -2,5 äquivalenter T-Wert bei etwa -3,4 (BMD »70 mg/cm³) (9). Das Wort äquivalent ist aber in diesem Kontext mit Vorsicht zu interpretieren, da es selbst bei äquivalentem T-Wert von DXA und QCT zu Diskrepanzen in der Klassifikation Normal – Osteopenie – Osteoporose kommen wird.

Prinzipiell könnten zwar alle Osteodensitometrieverfahren zur Berechnung des Frakturrisikos herangezogen werden (5), aber nicht alle sind gleich gut dafür geeignet. Wie in den Leitlinien ausführlich beschrieben, ist das standardisierte relative Risiko (sRR) die entscheidende Vergleichsgröße zum Vergleich der Frakturprädiktion unterschiedlicher Messverfahren. Verfahren mit höherem sRR eignen sich besser zur Frakturprädiktion als solche mit niedrigerem. Weiterhin setzt sich das in den Leitlinien definierte 10-Jahres-Frakturrisiko aus der Summe der Risiken für Hüft- und Wirbelkörperfrakturen zusammen. Daher ist ein Verfahren, das nur für eine Frakturart einen hohen und für die andere einen niedrigen Risikogradienten aufweist (z. B. pQCT), oder für das nur Daten für einen Frakturort vorliegen (z. B. QCT des Femurs) i.a. weniger gut zur Frakturprädiktion geeignet als die Benutzung des niedrigeren T-Wertes aus den DXA-Messungen an LWS und Femur.

Zur Abschätzung des medikamentösen Therapieerfolgs sind Verfahren der Osteodensitometrie nur bedingt tauglich. Bei Verlaufskontrollen muss differenziert werden, ob eine medikamentöse Therapie durchgeführt wird oder nicht, da sich der Zusammenhang zwischen BMD und Frakturrisiko unter Therapie ändert. Ein Nichtanstieg der Knochenmineraldichte unter einer antiresorptiven Medikation ist z. B. kein Hinweis für eine verminderte fraktursenkende Wirkung (5). Für periphere Verfahren kommt erschwerend hinzu, dass die Reduktion peripherer Frakturen für einige Medikamente geringer als die Reduktion von Wirbelkörperfrakturen ist, also periphere Messorte auch deshalb schlechter zur Verlaufskontrolle geeignet sind. Wie schon für die Frakturprädiktion gilt auch hier, dass das DXA-Verfahren am besten validiert ist. Die Eignung der meisten anderen osteodensitometrischen Verfahren zur Verlaufskontrolle unter Therapie ist nicht hinreichend geklärt. Allerdings wurden für QCT in letzter Zeit einige Therapiestudien veröffentlicht (10-14), die zeigen, das QCT ähnlich gut zur Verlaufskontrolle geeignet ist wie DXA.

Neue Möglichkeiten in der Bildgebung

Seit bereits einigen Jahren gibt es die sogenannte hochauflösende periphere QCT (hr-pQCT) für in vivo-Messungen an der distalen Tibia und am distalen Radius. Mit diesem Verfahren können zum ersten Mal auch trabekuläre Strukturparameter, wie die Anzahl der Trabekel, ihr Abstand oder ihre Dicke abgeschätzt werden. Daneben gibt es erste Versuche damit auch die kortikale Porosität zu quantifizieren (15). Für dieses Verfahren werden spezielle CT-Scanner benötigt, die eine räumliche Auflösung im Bereich 100-150 µm erreichen. Allerdings sind die Messzeiten recht lang (ca. 3 min für 9 mm Scanlänge), was häufig zu Bewegungsartefakten führt. Abb. 6 zeigt eine Schicht guter Bildqualität aus einem Scan eines Radius.

Basierend auf QCT-Scans kommt in klinischen Studien in letzter Zeit auch mehr und mehr die Finite Elemente Analyse (FEA) zur Berechnung der Bruchfestigkeit des Knochens zum Einsatz (16). Die FEA ist insbesondere aus den Ingenieurswissenschaften bekannt, wo sie in vielen Disziplinen z. B. zur Simulation von Verformungen unter dem Einfluss äußerer Kräfte eingesetzt wird. Werden die Kräfte zu groß, kommt es zum Materialschaden, was im Falle des Knochens dann zum Bruch führt. Der prinzipielle Vorteil der FEA liegt darin, neben der BMD-Verteilung auch die Geometrie zu berücksichtigen, allerdings ist noch nicht letztendlich gezeigt, dass mit FEA das Frakturrisiko besser bestimmt werden kann als z. B. durch QCT alleine. Die Ergebnisse der FEA hängen von vielen Randbedingungen ab, z. B. von der Richtung der simulierten Kraft, die auf den Knochen wirkt und die sich z. B. bei einem Fall deutlich ändert.

Auch im QCT-Bereich gibt es neue Entwicklungen, wie die Bestimmung von Knochengeometrie am Femur und der Einsatz von Scantechniken mit höherer Auflösung an der Wirbelsäule. Darüber hinaus gibt es für DXA die sogenannte HSA (hip structure analysis), mit der sich in Standard-DXA-Scans der LWS Geometrieparameter abschätzen lassen. Alle diese Verfahren, und das gilt auch noch für die QCT des proximalen Femurs, spielen in der Routineversorgung des Patienten noch keine Rolle. Sie können aber wertvolle Zusatzinformation darüber liefern, wie z. B. Medikamente wirken und sind daher bereits heute fester Bestandteil klinischer Studien. Sie gehören aber in die Hand von Experten. Für die individuelle Versorgung und Diagnose des Patienten bleibt vorerst die DXA der LWS und des proximalen Femurs die bildgebende Methode der Wahl.                                                                         

Prof. Dr. Klaus Engelke
Institut für Medizinische Physik (IMP)
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Henkestr. 91, 91052 Erlangen

Literatur:

1. DVO-Leitlinie 2009 zur Prophylaxe, Diagnostik und Therapie der Osteoporose bei Erwachsenen. 2009; www.dv-osteologie.org/dvo_leitlinien/dvo-leitlinie-2009

2. Donescu OS et al., The influence of magnetic resonance imaging findings of degenerative disease on dual-energy X-ray absorptiometry measurements in middle-aged men. Acta Radiol 2007; 48(2): 193-199

3. Rand T et al., Impact of spinal degenerative changes on the evaluation of bone mineral density with dual energy X-ray absorptiometry (DXA). Calcif Tissue Int 1997; 60(5): 430-433

4. Yu W et al., Influence of degenerative joint disease on spinal bone mineral measurements in postmenopausal women. Calcif Tissue Int 1995; 57(3): 169-174

5. DVO Osteoporose-Leitlinie 2006, Stuttgart: Schattauer

6. WHO, Assessment of osteoporotic fracture risk and its application to screening for postmenopausal osteoporosis, 1994, World Health Organization: Geneva.

7. Genant HK et al., Universal standardization for dual x-ray absorptiometry: patient and phantom cross-calibration results. J Bone Miner Res 1994; 9(10): 1503-1514

8. Hanson J. Standardization of femur BMD. J Bone Miner Res 1997; 12(8): 1316-1317

9. Engelke K et al., Clinical Use of Quantitative Computed Tomography and Peripheral Quantitative Computed Tomography in the Management of Osteoporosis in Adults: The 2007 ISCD Official Positions. J Clin Densitom 2008; 11(1): 123-162

10. Black DM et al., One year of alendronate after one year of parathyroid hormone (1-84) for osteoporosis. N Engl J Med 2005; 353(6): 555-565

11. Graeff C et al., Monitoring Teriparatide-Associated Changes in Vertebral Microstructure by High-Resolution CT In Vivo: Results From the EUROFORS Study. J Bone Miner Res 2007; 22(9): 1426-1433

12. Greenspan SL et al., Effect of recombinant human parathyroid hormone (1-84) on vertebral fracture and bone mineral density in postmenopausal women with osteoporosis: a randomized trial. Ann Intern Med 2007; 146(5): 326-339

13. Lewiecki EM et al., Once-monthly oral ibandronate improves biomechanical determinants of bone strength in women with postmenopausal osteoporosis. J Clin Endocrinol Metab 2009; 94(1): 171-180

14. Genant HK et al., Treatment with raloxifene for 2 years increases vertebral bone mineral density as measured by volumetric quantitative computed tomography. Bone 2004; 35(5): 1164-1168

15. Burghardt AJ et al., Age and Gender Related Differences in the Geometric Properties and Biomechanical Significance of Intra-Cortical Porosity in the Distal Radius and Tibia. J Bone Miner Res 2010; 25(5): 983-993

16. Wang X et al., Prediction of new clinical vertebral fractures in elderly men using finite element analysis of CT scans. J Bone Miner Res 2012; 27(4): 808-
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