Volumetrie und Densitometrie von Wirbelkörpern bei Patienten mit pyogener Spondylodiszitis – eine neuartige Methode zur Quantifizierung der Wirbelkörper-Destruktion
Die pyogene Spondylodiszitis ist eine ernstzunehmende Erkrankung, die es verlangt, sich ständig mit ihr zu befassen. Die Entscheidung über die Wahl des Therapieverfahrens wird unteranderem anhand der Stabilität der Wirbelsäule (WS) fest gemacht. Maßgebende Einflussgrößen der Stabilität eines betroffenen Wirbelkörpers (WK) und somit auch der WS sind sein Volumen und seine Dichte. Ziel dieser ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Die pyogene Spondylodiszitis ist eine ernstzunehmende Erkrankung, die es verlangt, sich ständig mit ihr zu befassen. Die Entscheidung über die Wahl des Therapieverfahrens wird unteranderem anhand der Stabilität der Wirbelsäule (WS) fest gemacht. Maßgebende Einflussgrößen der Stabilität eines betroffenen Wirbelkörpers (WK) und somit auch der WS sind sein Volumen und seine Dichte. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode, um Volumen- und Dichteänderungen patientenspezifisch zu quantifizieren. Dafür wurden DICOM-Daten von 31 Patienten mit dem Open-Source-Programm 3D Slicer segmentiert und vermessen. Einschlusskriterien waren eine nachgewiesene Infektion im thorakolumbalen Bereich, ein Alter ≥18 Jahre, keine das Volumen beeinflussende Operation sowie eine CT-Aufnahme im DICOM Format, mit dem infizierten Bereich und mindestens vier angrenzenden, nicht infizierten WK. Um eine Aussage über die
Änderung des Volumens treffen zu können, wurde das präinfektiöse Volumen über eine einfache lineare Regression anhand der angrenzenden nicht infizierten WK ermittelt. Dies ist durch das kontinuierlich ansteigende Wirbelkörpervolumen von thorakal zu lumbal (mit der Ausnahme von L5) möglich. Anhand des errechneten Ursprungsvolumens und des gemessenen Volumens eines infizierten WK, konnte so ein Destruktionsquotient ermittelt werden. Die Dichteanalyse erfolgte über Hounsfield-Einheiten (HU), wobei die Werte des infizierten WK ins Verhältnis zu einem benachbarten, nicht infizierten WK gesetzt wurden. Die Volumetrie ergab einen durchschnittlichen Destruktionsquotient von 0,905±0,30, also einen durchschnittlichen Volumenverlust von 9,5%. Der stärkste Volumenverlust betrug 58%.
Ein Zusammenhang zwischen auslösenden Erregern und Grad der Destruktion konnte nicht gefunden werden. Die Analyse der Krankenhausaufenthaltsdauer weist auf komplexe Krankheitsverläufe in Fällen mit einem hohen Knochenverlust hin. Die Untersuchung der HU eines infizierten WK im Vergleich zu seinem unmittelbar angrenzenden, nicht infizierten WK, ergab einen durchschnittlichen Anstieg von 15,6%. Dies wird vor allem auf das Einstürzen eines WK als Folge der Instabilität und damit einhergehender Verdichtung des Gewebes zurückgeführt.
Diese Arbeit zeigt, dass Volumen- und Dichteänderungen als Maß für die Destruktion patientenspezifisch quantifizierbar sind. Dadurch kann die Beurteilung der Stabilität der WS verbessert und die Wahl eines geeigneten Therapieverfahrens unterstützt werden.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Pyogenic spondylodiscitis is a serious condition that requires constant attention. The decision on the choice of treatment method is based, among other things, on the stability of the spine. The volume and density of the affected vertebral body (VB) and thus also of the spine are decisive factors influencing its stability. The aim of this study was to develop a method for quantifying volume and ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Pyogenic spondylodiscitis is a serious condition that requires constant attention. The decision on the choice of treatment method is based, among other things, on the stability of the spine. The volume and density of the affected vertebral body (VB) and thus also of the spine are decisive factors influencing its stability. The aim of this study was to develop a method for quantifying volume and density changes specific to each patient. For this purpose, DICOM data from 31 patients were segmented and measured using the open-source program 3D Slicer. Inclusion criteria were a proven infection in the thoracolumbar region, age ≥18 years, no surgery affecting the volume, and a CT scan in DICOM format showing the infected area and at least four adjacent, non-infected vertebral bodies. In order to be able to make a statement about the change in volume, the pre-infectious volume was determined using a simple linear regression based on the adjacent non-infected vertebral bodies. This is possible due to the continuously increasing vertebral body volume from thoracic to lumbar (with the exception of L5). Based on the calculated original volume and the measured volume of an infected vertebral body, a destruction quotient could thus be determined. The density analysis was performed using Hounsfield units (HU), whereby the values of the infected vertebral body were compared to a neighboring, non-infected vertebral body. Volumetry revealed an average destruction quotient of 0.905±0.30, i.e., an average volume loss of 9.5%. The greatest volume loss was 58%.
No correlation could be found between the causative pathogens and the degree of destruction. Analysis of the length of hospital stay indicates complex disease progression in cases with high bone loss. Examination of the HU of an infected vertebral body in comparison to its immediately adjacent, non-infected vertebral body revealed an average increase of 15.6%. This is primarily attributed to the collapse of a vertebral body as a result of instability and the associated compaction of the tissue.
This study shows that changes in volume and density can be quantified on a patient-specific basis as a measure of destruction. This can improve the assessment of spinal stability and support the selection of a suitable treatment method.
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