In vivo morphometric and mechanical characterization of trabecular bone from high resolution magnetic resonance imaging

Abstract

La osteoporosis es una enfermedad ósea que se manifiesta con una menor densidad ósea y el deterioro de la arquitectura del hueso esponjoso. Ambos factores aumentan la fragilidad ósea y el riesgo de sufrir fracturas óseas, especialmente en mujeres, donde existe una alta prevalencia. El diagnóstico actual de la osteoporosis se basa en la cuantificación de la densidad mineral ósea (DMO) mediante la técnica de absorciometría dual de rayos X (DXA). Sin embargo, la DMO no puede considerarse de manera aislada para la evaluación del riesgo de fractura o los efectos terapéuticos. Existen otros factores, tales como la disposición microestructural de las trabéculas y sus características que es necesario tener en cuenta para determinar la calidad del hueso y evaluar de manera más directa el riesgo de fractura. Los avances técnicos de las modalidades de imagen médica, como la tomografía computarizada multidetector (MDCT), la tomografía computarizada periférica cuantitativa (HR-pQCT) y la resonancia magnética (RM) han permitido la adquisición in vivo con resoluciones espaciales elevadas. La estructura del hueso trabecular puede observarse con un buen detalle empleando estas técnicas. En particular, el uso de los equipos de RM de 3 Teslas (T) ha permitido la adquisición con resoluciones espaciales muy altas. Además, el buen contraste entre hueso y médula que proporcionan las imágenes de RM, así como la utilización de radiaciones no ionizantes sitúan a la RM como una técnica muy adecuada para la caracterización in vivo de hueso trabecular en la enfermedad de la osteoporosis. En la presente tesis se proponen nuevos desarrollos metodológicos para la caracterización morfométrica y mecánica del hueso trabecular en tres dimensiones (3D) y se aplican a adquisiciones de RM de 3T con alta resolución espacial. El análisis morfométrico está compuesto por diferentes algoritmos diseñados para cuantificar la morfología, la complejidad, la topología y los parámetros de anisotropía del tejido trabecular. En cuanto a la caracterización mecánica, se desarrollaron nuevos métodos que permiten la simulación automatizada de la estructura del hueso trabecular en condiciones de compresión y el cálculo del módulo de elasticidad. La metodología desarrollada se ha aplicado a una población de sujetos sanos con el fin de obtener los valores de normalidad del hueso esponjoso. Los algoritmos se han aplicado también a una población de pacientes con osteoporosis con el fin de cuantificar las variaciones de los parámetros en la enfermedad y evaluar las diferencias con los resultados obtenidos en un grupo de sujetos sanos con edad similar.Los desarrollos metodológicos propuestos y las aplicaciones clínicas proporcionan resultados satisfactorios, presentando los parámetros una alta sensibilidad a variaciones de la estructura trabecular principalmente influenciadas por el sexo y el estado de enfermedad. Por otra parte, los métodos presentan elevada reproducibilidad y precisión en la cuantificación de los valores morfométricos y mecánicos. Estos resultados refuerzan el uso de los parámetros presentados como posibles biomarcadores de imagen en la enfermedad de la osteoporosis.