Phantomuntersuchungen an einem hochauflösenden CT zur Ex-vivo-Darstellung von degradierbaren Magnesiumimplantaten und simulierten periimplantären Knochenschichten in Kaninchentibiae

Zusammenfassung

Ziel: Evaluierung der Eignung des hochauflösenden CT XtremeCT zur Ex-vivo-Darstellung von degradierbaren Magnesiumimplantaten mit simulierter periimplantärer Knochenschicht in Kaninchentibiae. Entwicklung einer Methode zur Kalibrierung der Massenkonzentration einer Magnesiumlegierung im Implantatvolumen.

Material und Methoden: Mit speziell entwickelten Phantomen wurden degradierbare Magnesiumimplantate der Legierungen LAE442, ZEK100, AX30 und MgCa 0,8 % ohne Beschichtung und mit durch Beschichtung simulierter periimplantärer Knochenschicht sowie Kaninchentibae gescannt. Die CT-Zahlen und Kontrast-Rausch-Verhältnisse (CNR) der untersuchten Materialien wurden bestimmt. Die visuelle Unterscheidung von Implantat und Beschichtung wurde ausgewertet. Zur Kalibrierung der Massenkonzentration wurden exemplarisch Stifte mit verschiedenen LAE442-Massenkonzentrationen in einem speziell konstruierten Phantom gescannt. Anschließend wurden die den Massenkonzentrationen entsprechenden CT-Zahlen bestimmt.

Ergebnisse: Die Implantate und die Beschichtung bzw. die Kortikalis der Kaninchentibia wiesen eine ähnliche Röntgendichte auf. Die Güte der visuellen Unterscheidung von Beschichtung und Implantat war stark von der jeweiligen Magnesiumlegierung und den gewählten Scanparametern abhängig. Ein CNR von mindestens 0,2 war Voraussetzung für eine Unterscheidung von Implantat und Beschichtung. Es wurde eine hohe CT-Zahl-Linearität der Massenkonzentration (R² = 0,99) im gesamten Messbereich (1811 – 1273 mg/cm³ LAE442) festgestellt.

Schlussfolgerung: Der XtremeCT eignet sich erwartungsgemäß gut für die Darstellung von Knochengewebe und Implantaten. Die Darstellbarkeit von ex vivo im Phantom modellierten periimplantären Knochenauflagerungen auf Magnesiumimplantaten ist in Abhängigkeit von Knochendichte und Legierungszusammensetzung gut bis eingeschränkt möglich.

Abstract

Purpose: Evaluation of the suitability of the high-resolution CT XtremeCT for ex vivo imaging of degradable magnesium implants with simulated peri-implant bone formation in rabbit tibiae and development of a method for calibrating the mass concentration of a magnesium alloy in an implant volume.

Materials and Methods: Using specially designed phantoms, degradable magnesium implants of the alloys LAE442, ZEK100, AX30 and MgCa 0.8 %, without coating and with peri-implant bone formation simulated by a coating, as well as rabbit tibiae were scanned. CT numbers and the contrast-to-noise-ratio (CNR) of the studied materials were determined. The visual distinction between implant and coating was evaluated. To calibrate the implant density, exemplary LAE442 pins with different mass concentrations were scanned using a specially constructed phantom. Subsequently, CT numbers corresponding to the appropriate mass concentration were determined.

Results: The implants, coating and substantia corticalis showed a similar density. Visual distinction between coating and implant was strongly dependent on the respective magnesium alloy and chosen scan parameter. A CNR of at least 0.2 was required for a distinction between implant and coating. For the mass concentration, a high CT number linearity (R² = 0.99) throughout the measuring range (1811 – 1273 mg/cm³ LAE442) was found.

Conclusion: As expected, the XtremeCT is primarily suitable for the imaging of bone tissue and implants. Good visual distinction of peri-implant bone formation on magnesium implants in an ex vivo phantom model ranges from possible to difficult depending on the bone density and alloy composition.

Key words

CT high resolution - bones - degradable magnesium implants, physics

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