Knochenfestigkeit

Als Knochendichtemessung, auch Osteodensitometrie, werden medizinisch-technische Verfahren bezeichnet, die zur Bestimmung der Dichte, bzw. des Kalksalzgehaltes des Knochens dienen.

Menschen mit vermindertem Kalksalzgehalt tragen ein erhöhtes Risiko für Knochenbrüche. Betroffen sind vor allem Frauen in der Menopause, Männer über 50 Jahre, Raucher, Alkoholiker und Menschen mit Mangelernährung bzw. Vitaminmangel. Auch bestimmte Erkrankungen wie die Hyperthyreose (Schilddrüsenüberfunktion), oder Medikamente wie Kortikoide begünstigen den Substanzverlust der Knochen.

Häufigstes Anwendungsgebiet der Knochendichtemessung am Menschen ist damit die Osteoporose-Diagnostik^[1][2][3][4] und die damit einhergehende Bestimmung des Frakturrisikos^[5][6].

Die verschiedenen Methoden und Geräte sind nicht untereinander vergleichbar. Darum sollte im Befund keine absolute Dichte (außer in der qCT oder pQCT) oder Flächendichte angegeben werden, sondern die Abweichungen vom Normalen in Vielfachen einer Standardabweichung (als sogenannter T-Wert, engl. t-score, dimensionslose Größe). Nach der gültigen Definition der WHO liegt eine Osteoporose vor, wenn der Messwert der Knochendichtemessung mindestens 2,5 Standardabweichungen unter dem Durchschnitt der geschlechtsgleichen 30jährigen Gesunden (peak bone mass) liegt, d.h. ein T-Wert ≤ -2,5 vorliegt. Zwischen -1 und -2,5 Standardabweichungen wird von einer Osteopenie gesprochen. Dieser Bezug auf die peak bone mass bringt das Problem mit sich, dass mit zunehmendem Lebensalter immer größere Bevölkerungsanteile als "krank" anzusehen wären; bei den 70-jährigen Frauen fast 50 %. Deshalb wird zusätzlich ein Wert angegeben, der sich auf gesunde Männer bzw. Frauen gleichen Alters bezieht, der Z-Wert.

Ein normaler Z-Wert (> -1) zeigt an, dass die Knochendichte alterstypisch ist. Alter ist keine Krankheit und auch nicht behandelbar; und im Falle von sehr alten Menschen ist auch die erhöhte Frakturgefahr alterstypisch. Osteologen raten deshalb bei niedrigem T-, aber normalem Z-Wert von medikamentösen Therapien (Hormone, Kalzium, Bisphosphonate u.a.) ab und empfehlen vorbeugende Maßnahmen wie Gymnastik, Verzicht auf Sedativa, Abbau von häuslichen Stolperfallen, geeignete Sehhilfen und Gehstützen.

In Deutschland sind etwa 800 Messplätze in Arztpraxen und Krankenhäusern verfügbar. Es ist umstritten, ob gleichgute Voraussagen der Frakturgefahr auch ohne apparative Messung, nur aufgrund anamnestischer Informationen möglich sind. Vor dem Jahr 2000 wurden von Ärzten (nach Angaben der Gesetzlichen Krankenkassen) sehr viele Knochendichtemessungen ohne klaren Nutzen angefertigt und abgerechnet.

Die Kosten der Untersuchung werden darum wegen einer Neuregelung seit dem 1. April 2000 nur noch von der Gesetzlichen Krankenversicherung getragen, wenn der Patient/die Patientin bereits eine Fraktur - ohne äußeren Anlass - und bei hochgradigem Verdacht auf eine Osteoporose (= verminderter Kalksalzgehalt) erlitten hat (EBM-Ziffer 34600 seit dem 1. April 2005). Privatpatienten und Selbstzahler zahlen nach der GOÄ (Amtliche Gebührenordnung für Ärzte) 31,48 Euro. Dieser Betrag ist seit 1996 im Westteil Deutschlands konstant geblieben, in den neuen Bundesländern durch GebührenanpassungsVerordnungen (GbAV) des Bundes erst zum 1. Januar 2007 dem Westniveau angeglichen worden.

Messverfahren

Die gebräuchlichen Verfahren zur Osteodensitometrie nutzen die dichteabhängige Schwächung von Röntgenstrahlen. Es gibt dedizierte Geräte, die entweder radioaktive Quellen oder Röntgenröhren einsetzen, oder die Untersuchung wird an Computertomographen ausgeführt.

Dual-Röntgen-Absorptiometrie (DXA/DEXA)

Ganzkörper-DEXA-Scan (links Knochen, rechts Weichteile)

Während bei herkömmlichen digitalen Röntgenverfahren lediglich eine Röntgenquelle eingesetzt wird, setzt das Dual-Röntgen-Absorptiometrie-Verfahren (engl. Dual-Energy X-ray Absorptiometry, DXA/DEXA) gleichzeitig zwei energetisch leicht unterschiedliche Röntgenquellen ein. Materialien mit unterschiedlicher Dichte zeigen in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenstrahlung unterschiedliche Schwächungscharakteristiken. Für jeden Messpunkt im Röntgenbild existieren also beim DXA/DEXA-Verfahren zwei Schwächungswerte für die zwei eingesetzten Röntgenenergien. Dementsprechend können im Vergleich zum herkömmlichen Röntgenverfahren nicht nur die allgemeine Schwächung durch den gesamten Körper gemessen, sondern auch verschiedene Materialien genauer unterschieden werden^[7]. Wichtig hierfür ist ein möglichst großer Unterschied der jeweiligen Dichte.

Beim Einsatz am Menschen werden dabei drei Gewebearten unterschieden: Knochen-, Muskel- und Fettgewebe. Es stehen jedoch nur zwei Messwerte zur Verfügung. Um zwischen diesen zu unterscheiden, müssen zusätzliche Annahmen getroffen werden, die je nach Anwendungsgebiet zu mehr oder weniger großen Messfehlern führen^[8]. Das DXA/DEXA-Verfahren eignet sich beispielsweise zur Bestimmung der Körperzusammensetzung aus Knochen-, Fett- und Muskelmasse. Es liefert keine Information über die dreidimensionale Geometrie des Messobjektes und somit keine Dichtewerte im physikalischen Sinne (SI-Einheit der Dichte: kg/m³) sondern eine flächenprojizierte Masse (SI-Einheit: kg/m², auch als Flächendichte bezeichnet).

Quantitative Computertomographie (QCT/pQCT)

pQCT-Messung am Radius nahe Handgelenk (Knochen im Querschnitt) - Deutlich zu erkennen: Fettgewebe (dunkelgrau), Weichteilgewebe wie Muskeln, Gefäße und Bänder (hellgrau), Knochenwand (Kortikalis) (weiß), Spongiosa (rot)

Die quantitative Computertomographie (QCT) sowie die periphere quantitative Computertomographie (pQCT), sind Spezialformen der Computertomographie, einem bildgebenden Verfahren auf der Basis von Röntgenstrahlung. Bei herkömmlichen CT-Verfahren wird die exakte Dichte jedes einzelnen Volumenelementes (sogenanntes Voxel) nur als Grauwert ermittelt, der erst nach einer Kalibrierung als Knochendichtewert angegeben werden kann.

Im Gegensatz zur herkömmlichen CT bestimmt das QCT/pQCT-Verfahren die physikalische Dichte als Masse/Volumen jedes Voxels sehr genau^[9]. Um dies zu gewährleisten, muss das Messsystem Nichtlinearitäten und Drifts von Röntgenröhre und Röntgendetektoren während der Messung aufwändig kompensieren^[7]. Während QCT-Systeme in der Regel zur Messung des gesamten Körpers (Ganzkörperscanner) ausgelegt sind, beschränken sich die preisgünstigeren und kompakteren pQCT-Systeme auf die Peripherie, also beispielsweise Arme, Beine oder auch Kopf.

Zusätzlich zur präzisen Bestimmung der lokalen Knochendichte wird bei computertomographischen Verfahren auch die Knochengeometrie im Querschnitt erfasst. Aus der so ermittelten Kombination aus Materialeigenschaften (z.B. Dichte) und der Materialverteilung (Struktureigenschaften) über den Querschnitt lassen sich mechanische Parameter des Knochens, wie beispielsweise der Stress-Strain-Index (SSI) berechnen. Somit kann zusätzlich zur Knochendichte auch ein Maß für die mechanische Knochen-Festigkeit berechnen, die sich aus der Kombination von Materialeigenschaften, Geometrie und Richtung der Krafteinwirkung ergibt.

QCT an der Lendenwirbelsäule

Im Gegensatz zum DXA- bzw. DEXA-Verfahren (Dual-Energy X-ray Absorptiometry), das eine flächenprojizierte Masse (kg/m²) misst, geben QCT/pQCT-Verfahren die physikalische Dichte (kg/m³) jedes Volumenelements (Voxel) an^[10]. Die Messwerte aus QCT/pQCT-Verfahren bilden relativ genau mechanische Parameter wie beispielsweise die Knochenfestigkeit oder Biegefestigkeit ab^[11][12][13]. Zudem lässt sich beim QCT/pQCT Verfahren auch der Mineralgehalt der unterschiedlichen Knochenbestandteile wie Kortikalis (Knochenwand) und Spongiosa (schwammartige Struktur im Inneren des Knochens im gelenknahen Bereich, aufgebaut aus sog. Trabekeln) getrennt analysieren. Aufgrund der erhöhten Knochenstoffwechsel-Funktion im Bereich der Spongiosa sind krankhafte Veränderungen wie sie beispielsweise bei Osteoporose auftreten, früher und deutlicher zu erkennen als bei der im DXA/DEXA-Verfahren effektiv durchgeführten Mittelung über den gesamten Knochenquerschnitt^[2]. Die Zusammensetzung des Körpers (Muskel-, Fett- und Knochenmasse) kann hingegen nur lokal und nicht wie beim DXA/DEXA-Verfahren über den gesamten Körper hinweg bestimmt werden.

Bei der pQCT wie auch DXA/DEXA wird in etwa dieselbe geringe Strahlendosis von etwa 1-2 μSv eingesetzt^[14]. Die (zentrale) QCT arbeitet mit erheblich höheren Strahlendosen (25-60 μSv)^[15].

Sonographie

Spezielle Ultraschall-Geräte, die aufgrund der Laufzeiten und Reflexionen des Schalls in den Extremitäten auf die Knochendichte schließen, sind ebenfalls verfügbar, ihr Einsatz für diesen Zweck ist jedoch umstritten.

Literaturverweise

1. ↑ ↑ Frost H.M.: Defining Osteopenias and Osteoporoses: Another View (With Insights From a New Paradigm), Bone 1997, Vol. 20, No. 5, 385-391, PMID 9145234
2. ↑ ^{a b} Schneider P. et al.: Stellenwert zweier unterschiedlicher Knochendichtemessmethoden zur Bestimmung des Mineralgehalts am peripheren und axialen Skelett, Z. Orthop. Vol.130, S.16-21, 1992
3. ↑ Schönau E.: Konsequenzen für Prävention und Klassifikation der Osteoporose, extracta orthopaedica, Vol.11, S.20-25, 2002
4. ↑ Runge M, Schießl H, Rittweger J: Klinische Diagnostik des Regelkreises Muskel-Knochen am Unterschenkel, Osteologie, S.25-37, doi:10.1024/1019-1291.11.1.25, 1/2002, ISSN 1019-1291
5. ↑ Niedhart C., Braun K., Schneider P., et.al.: Wert der peripheren quantitativen Computertomographie (pQCT) in der Osteoporosediagnostik, Z Orthop, Vol. 141, S.135-142, 2003
6. ↑ Jamal, S.A., Gilbert J., Gordon C., Bauer D.C.: Cortical PQCT Measures are Associated With Fractures in Dialysis Patients, J.o. Bone a. Mineral Res., Vol. 21, No.4, S.543-548, 2006, PMID 16598374
7. ↑ ^{a b} Kalender W.A.: Computed Tomography - Fundamentals, System Technology, Image Quality, Applications, Publicis, ISBN 3-89578-216-5, 2nd Edition, 2005
8. ↑ Schneider P., Reiners Chr.: Quantitative Bestimmung der Knochenmasse: heutiger Stand und Fallstricke der Methoden, Med. Welt, Vol. 49, S.157-163, 1998
9. ↑ Sievänen H., Vuori I.: Peripheral Quantitative Computed Tomography in Human Long Bones: Evaluation of in Vitro and in Vivo Precision, J Bone Miner. Res., Vol. 13, S.871-882, 1998, PMID 9610752
10. ↑ Leonard M.B., Shults J., Elliot D.M., Stallings V.A., Zemel, B.S.: Interpretation of whole body dual X-ray absoprtion measures in children: comparison with peripheral quantative comuted tomography, Bone, Vol.34, S.1044-1052, 2004
11. ↑ Jämsä T, Jalovaara P, Peng Z, Väänänen HK, Tuukkanen J: Comparison of three-point bending test and peripheral quantitative computed tomography analysis in the evaluation of the strength of mouse femur and tibia, Bone. 1998 Aug;23(2):155-61, PMID 9701475
12. ↑ Schießl H, Willnecker J: New insights about the relationship between bone strength and muscle strength, Paediatric Osteology, Proceedings of the 2nd International Workshop, Cologne, Germany, 3-5 October 1997, New aspects of bone and muscle diagnostics
13. ↑ Schießl H., Frost H.M., Jee W.S.S.: Estrogen and Bone-Muscle Strength and Mass Relationships, Bone, Vol.22, S.1-6, 1998, PMID 9437507
14. ↑ Braun M.J. et.al.: Clinical evaluation of a high-resolution new peripheral quantative computized tomography (pQCT) scanner for the bone densitometry at the lower limbs, Phys. Med. Biol., Vol.43 S.2279-2294, 1998, PMID 9725604
15. ↑ Njeh CF et.al.: Radiation exposure in bone mineral density assessment. Appl Radiat Isot 1999; 50: 215 - 236, PMID 10028639