Introdução: A tomografia computadorizada periférica quantitativa de alta resolução (HR-pQCT) é um método diagnóstico que avalia microarquitetura óssea e estima resistência óssea por análise de elemento finito, facilitando a compreensão da fisiopatologia das fraturas. Objetivo: Avaliar associação de fraturas vertebrais moderadas e graves com parâmetros obtidos na HR-pQCT, escore trabecular ósseo (TBS) e densidade mineral óssea areal em idosos da comunidade. Métodos: Foram recrutados 276 idosos da coorte SPAH. Dados clínicos foram obtidos a partir de um questionário específico. A fratura vertebral (FV) foi avaliada por DXA-VFA utilizando-se o método semiquantitativo de Genant. HR-pQCT e DXA foram realizados no mesmo dia da coleta de sangue. O modelo de regressão logística foi realizado para verificar quais fatores foram associados de forma independente com a fratura vertebral moderada e grave. Resultados: Na tíbia, mulheres com FV moderada/grave apresentaram menor densidade mineral óssea volumétrica, menor número de trabéculas, menores valores dos parâmetros de resistência óssea e maior separação trabecular; e os homens apresentaram menor número de trabéculas, menor parâmetro de resistência óssea e maior separação trabecular. No rádio, as mulheres com FV moderada/grave tinham menor densidade mineral óssea volumétrica, espessura trabecular e cortical e menor valor do parâmetro de análise do elemento finito; e os homens tinham menor densidade mineral óssea volumétrica trabecular e menor valor de parâmetro de análise do elemento finito. Não foram observadas diferenças no TBS em ambos os sexos. A análise de regressão logística revelou que uma menor densidade mineral óssea volumétrica trabecular na tíbia em mulheres (OR: 0,980, 95% CI: 0,963-0,997, p = 0,022) e uma menor densidade mineral óssea areal do colo femoral e fêmur total em homens (OR: 0,002, IC 95%: 0-0,607, p = 0,033 e OR: 0,003, IC 95%: 0-0,623, p = 0,033) foram independentemente associados com FV moderada/grave. Conclusão: As imagens da HR-pQCT detectaram diferenças na microarquitetura óssea em mulheres idosas com FV moderada/grave independente de densidade mineral óssea areal e TBS por DXA; e HRpQCT pode ser uma ferramenta útil para avaliar o risco de fratura. Diferentemente, nos homens, a densidade mineral óssea areal do fêmur foi associada à FV moderada/grave; e a DXA continua sendo uma ferramenta importante para predizer a FV / Background: Many vertebral fractures (VF) occur in individuals classified by DXA as low risk for fragility fractures. Thus, the aim of this study was to verify the association between VF and peripheral bone microarchitecture and strength parameters using also high-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT) and axial bone microarchitecture by trabecular bone score (TBS). Study design: Cross-sectional study of 276 subjects aged >=65 years from SPAH cohort. Methods: Lateral scans of spine obtained from Vertebral Fracture Assessment by DXA were analyzed to assess VF. HR-pQCT was performed at radius and tibia. TBS was performed using DXA. Results: At tibia, women with Moderate/severe VF had lower volumetric bone density (vBMD), trabecular number (Tb.N), strength parameters and higher trabecular separation (Tb.Sp); and men had lower Tb.N, strength parameters and higher Tb.Sp. At radius, women with moderate/severe VF had lower v.BMD, trabecular and cortical thickness and strength parameters; and men had lower trabecular v.BMD and strength parameters. No differences were observed in TBS in both genders. Logistic regression analysis revealed that lower trabecular vBMD at tibia in women (OR: 0.980, 95%CI: 0.963-0.997, p = 0.022) and lower femoral neck aBMD and total hip in men (OR: 0.002, 95%CI: 0-0.607, p = 0.033 and OR: 0,003, IC 95%: 0-0,623, p = 0,033) were independently associated with VF. Conclusion: HR-pQCT images detected differences on bone microstructure in older women with moderate/severe VF independent of aBMD and TBS by DXA and HR-pQCT could be useful tool to assess fracture risk. Differently, in men femoral aBMD was associated with moderate/severe VF and DXA continue an important tool for predicting VF

Introdução: A tomografia computadorizada periférica quantitativa de alta resolução (HR-pQCT) é um método diagnóstico que avalia microarquitetura óssea e estima resistência óssea por análise de elemento finito, facilitando a compreensão da fisiopatologia das fraturas. Objetivo: Avaliar associação de fraturas vertebrais moderadas e graves com parâmetros obtidos na HR-pQCT, escore trabecular ósseo (TBS) e densidade mineral óssea areal em idosos da comunidade. Métodos: Foram recrutados 276 idosos da coorte SPAH. Dados clínicos foram obtidos a partir de um questionário específico. A fratura vertebral (FV) foi avaliada por DXA-VFA utilizando-se o método semiquantitativo de Genant. HR-pQCT e DXA foram realizados no mesmo dia da coleta de sangue. O modelo de regressão logística foi realizado para verificar quais fatores foram associados de forma independente com a fratura vertebral moderada e grave. Resultados: Na tíbia, mulheres com FV moderada/grave apresentaram menor densidade mineral óssea volumétrica, menor número de trabéculas, menores valores dos parâmetros de resistência óssea e maior separação trabecular; e os homens apresentaram menor número de trabéculas, menor parâmetro de resistência óssea e maior separação trabecular. No rádio, as mulheres com FV moderada/grave tinham menor densidade mineral óssea volumétrica, espessura trabecular e cortical e menor valor do parâmetro de análise do elemento finito; e os homens tinham menor densidade mineral óssea volumétrica trabecular e menor valor de parâmetro de análise do elemento finito. Não foram observadas diferenças no TBS em ambos os sexos. A análise de regressão logística revelou que uma menor densidade mineral óssea volumétrica trabecular na tíbia em mulheres (OR: 0,980, 95% CI: 0,963-0,997, p = 0,022) e uma menor densidade mineral óssea areal do colo femoral e fêmur total em homens (OR: 0,002, IC 95%: 0-0,607, p = 0,033 e OR: 0,003, IC 95%: 0-0,623, p = 0,033) foram independentemente associados com FV moderada/grave. Conclusão: As imagens da HR-pQCT detectaram diferenças na microarquitetura óssea em mulheres idosas com FV moderada/grave independente de densidade mineral óssea areal e TBS por DXA; e HRpQCT pode ser uma ferramenta útil para avaliar o risco de fratura. Diferentemente, nos homens, a densidade mineral óssea areal do fêmur foi associada à FV moderada/grave; e a DXA continua sendo uma ferramenta importante para predizer a FV / Background: Many vertebral fractures (VF) occur in individuals classified by DXA as low risk for fragility fractures. Thus, the aim of this study was to verify the association between VF and peripheral bone microarchitecture and strength parameters using also high-resolution peripheral quantitative computed tomography (HR-pQCT) and axial bone microarchitecture by trabecular bone score (TBS). Study design: Cross-sectional study of 276 subjects aged >=65 years from SPAH cohort. Methods: Lateral scans of spine obtained from Vertebral Fracture Assessment by DXA were analyzed to assess VF. HR-pQCT was performed at radius and tibia. TBS was performed using DXA. Results: At tibia, women with Moderate/severe VF had lower volumetric bone density (vBMD), trabecular number (Tb.N), strength parameters and higher trabecular separation (Tb.Sp); and men had lower Tb.N, strength parameters and higher Tb.Sp. At radius, women with moderate/severe VF had lower v.BMD, trabecular and cortical thickness and strength parameters; and men had lower trabecular v.BMD and strength parameters. No differences were observed in TBS in both genders. Logistic regression analysis revealed that lower trabecular vBMD at tibia in women (OR: 0.980, 95%CI: 0.963-0.997, p = 0.022) and lower femoral neck aBMD and total hip in men (OR: 0.002, 95%CI: 0-0.607, p = 0.033 and OR: 0,003, IC 95%: 0-0,623, p = 0,033) were independently associated with VF. Conclusion: HR-pQCT images detected differences on bone microstructure in older women with moderate/severe VF independent of aBMD and TBS by DXA and HR-pQCT could be useful tool to assess fracture risk. Differently, in men femoral aBMD was associated with moderate/severe VF and DXA continue an important tool for predicting VF

Osteoporose und gestörte Heilungsverläufe von Knochenbrüchen verursachen immer noch beachtliche klinische Komplikationen. Ein vielversprechender Ansatz für die nichtinvasive und nichtionisierende Abschätzung des Frakturrisikos und der Bildgebung von Frakturheilung ist quantitativer Ultraschall (QUS). Dennoch liegt die derzeitige Akzeptanz für die Knochenqualitätsabschätzung noch weit hinter herkömmlichen röntgenbasierten Anwendungen. Es wurden akustische Mikroskopie und Synchrotronstrahlen-Mikrotomographie für die Anatomie und altersabhängige Erfassung von strukturellen und elastischen Variationen auf der mikroskopischen Ebene von humanen Femora verwendet. Die gewonnenen Daten dienten als Grundlage für die Erstellung mikromechanischer Modelle von Knochen für numerische Simulationen der Schallausbreitung im humanen Femurhals. Dabei wurde der Aufbau eines US-basierten Femur-Scanners in transversaler Transmission (TT) nachempfunden. Im letzten Abschnitt der Arbeit wurde QUS in TT in in vitro Experimenten am Rattenfrakturmodell auf eine Anwendung für die Bildgebung der Frakturheilung getestet. Die Studien konnten zeigen, dass ein Großteil der adaptiven Fähigkeiten von Knochen auf mikroskopischer Ebene auf eine Kombination von extrazellulärer Matrixelastizität und Gewebeporosität zurückzuführen ist. Die Simulationen des zweiten Teils konnten die Existenz von geführten Wellen im humanen Femurhals bestätigen. Die sensitive Abhängigkeit von US-parametern von frakturrelevanten Knocheneigenschaften zeigt das hohe Potential von QUS für die Frakturrisikoabschätzung. Der zweite Teil der Arbeit konnte erfolgreich die Möglichkeit von QUS in TT zur Diskriminierung von zeitigen Heilungsstadien demonstrieren. Zusammenfassend bestätigt die Studie das hohe Potential von QUS für die Frakturrisikoabschätzung und die Bildgebung der Frakturheilung. / Osteoporosis and impaired bone healing are of high relevance. A promising non-invasive, non-ionizing candidate for fracture risk prediction and monitoring fracture healing is quantitative ultrasound (QUS). However, the acceptance of QUS for bone quality assessment is still not comparable to X-ray based methods. Scanning acoustic microscopy (SAM) and Synchrotron Radiation micro-computer tomography (SRµCT) has been used to investigate anatomical and age dependent variations of micro elastic, structural and mineralization parameters at the tissue level of human femoral bone. Femoral neck models were created based on these data for numerical sound propagation simulations emulating a transverse transmission (TT) setup of an in vivo QUS prototype. In the last part of the project the TT approach has been tested in ex vivo experiments in a rat healing model. The power of QUS, to discriminate two early healing stages has been compared to µCT measurements at the same specimens. It was found that the major contributor to bone adaptation is related to a combination of extracellular matrix elasticity and tissue porosity. It is hypothesized that these parameters are likely to have a considerable impact on the reliability of in silico models. The simulations of the second part confirmed the existence of guided wave propagation in the cortical shell and a high dependency of US parameters on fracture relevant bone properties. The results demonstrate the high potential for bone fracture risk prediction at the femoral neck using QUS. Finally, it was successfully demonstrated that early healing stage discrimination of QUS in TT was superior compared to µCT. In summary these investigations not only show the importance for a precise estimation of micro mechanical properties for numerical modelling but also demonstrate the feasibility and high potential of QUS for bone quality assessment and monitoring of fracture healing.