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Publicly Available Published by De Gruyter May 1, 2012

A low-cost needle-based single-fiber reflectance spectroscopy method to probe scattering changes associated with mineralization in intervertebral discs in chondrodystrophoid canine species – A pilot study

Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Mineralisationsgrad und Rückstreuverhalten in Bandscheiben bei chondrodystrophen Hunderassen – Eine Pilotstudie zur Anwendbarkeit einer kostengünstigen, nadelbasierten Einzelfaser-Spektroskopie-Methode

Daqing Piao, Kelci McKeirnan, Yuanyuan Jiang, Melanie A. Breshears and Kenneth E. Bartels

Abstract

Background and objectives: Intervertebral disc herniation is a common disease in chondrodystrophic dogs, and a similar neurologic condition also occurs in humans. Percutaneous laser disc ablation (PLDA) is a minimally invasive procedure used increasingly for prevention of disc herniation. PLDA is performed on thoracolumbar discs to which the same laser energy is applied regardless of their mineral content. Knowledge of individual disc mineral composition would allow laser energy dosage adjustments and more accurate treatment of degenerative discs. Usually, PLDA is guided by radiography/fluoroscopy, which has a limited sensitivity of approximately 60% for identification of mineralized discs. An imaging or sensing technology that provides a more accurate pre-operative in-situ assessment of the disc mineralization, and potentially rapid post-operative feedback, could optimize the outcome of the PLDA procedure. A sensing technology of needle-probing single-fiber reflectance (SFR) spectroscopy is therefore proposed that is considered to be compatible with PLDA work flow. The objective of this study was to demonstrate the feasibility of this technology in assessing the increased light scattering associated with mineralization in intervertebral discs in chondrodystrophoid canine species.

Materials and methods: A pilot study was performed on a total of 21 intervertebral discs from two cadaveric dogs (“Dog A” and “Dog B”). The discs were imaged by computed tomography (CT), radiography, and SFR spectroscopy, before histopathologic examination. SFR spectroscopy in the visible/near-infrared band was performed on the nucleus pulposus of the intervertebral disc through a 20-gauge spinal needle placed percutaneously for PLDA. A normalization method was applied to the raw remission spectra to extract a dimension-less and wavelength-dependent intensity profile in the 500–950 nm spectral range.

Results: In total, six discs were determined to be degenerative on histopathology, five discs of “Dog A” and one disc of “Dog B”. CT diagnosed all six degenerated discs, whereas radiography missed two of the five degenerated discs of “Dog A”. The wavelength-dependent mean scattering intensity profiles of the six degenerated discs were noticeably higher than the mean scattering intensity profiles of the 15 “normal” or insignificantly mineralized discs over the entire spectral range. The mean scattering intensities, averaged over each of the entire profiles, were 2.79±0.58 (mean±SD) for the six degenerated discs and 1.48±0.37 for the 15 “normal” or insignificantly mineralized discs. A two-sample t-test showed p<0.001 for the difference of the averaged scattering intensity between these both groups of discs.

Conclusions: SFR spectroscopy measurements indicate that the increase of light scattering intensity across the entire 500–950 nm spectral range is associated with the mineralization in canine intervertebral discs. However, the scattering characteristics of the nucleus pulposus measured in this study may not necessarily represent the optical properties of the nucleus pulposus at the laser wavelength used for PLDA (2100 nm). More studies on cadaveric and eventually in-vivo samples are necessary before the clinical feasibility can be proved.

Zusammenfassung

Hintergrund und Zielsetzung: Der Bandscheibenvorfall tritt häufig bei chondrodystrophen Hunderassen auf und ist mit der neurologischen Erkrankung bei Menschen vergleichbar. Die perkutane Laserablation der Bandscheibe (percutaneous laser disc ablation, PLDA) ist eine minimal-invasive Prozedur, die zunehmend präventiv eingesetzt wird. Dabei wird Laserlicht gleicher Energiedichte in die Bandscheiben im Übergangsbereich der Brust- zur Lendenwirbelsäule appliziert, unabhängig von deren Mineralgehalt. Die genaue Kenntnis des individuellen Mineralisationsgrades jeder Bandscheibe könnte helfen, die Laserenergie besser zu justieren und die degenerierten Bandscheiben effektiver zu behandeln. Normalerweise wird die PLDA-Prozedur mittels Radiographie/Fluoroskopie überwacht, allerdings liegt die Sensitivität hier nur bei 60%. Ein Monitoring- oder Sensorverfahren, das sowohl die präoperative Bestimmung des Mineralgehalts der jeweiligen Bandscheibe erlaubt als auch ein schnelles post-operatives Feedback liefert, könnte den Behandlungserfolg der PLDA verbessern. Daher wurde ein kostengünstiger, punktionsnadel-basierter Ansatz zur Erfassung der Rückstreuung verfolgt, der sich gut in den Ablauf der PLDA-Prozedur integrieren lässt. Ziel der Pilotstudie war es, die Anwendbarkeit dieser Einzelfaser-Spektroskopie-Methode zur Erfassung des mineralisationsgradabhängigen Streuverhaltens in Bandscheiben chondrodystropher Hunde zu untersuchen.

Material und Methoden: Die Pilotstudie wurde an insgesamt 21 Bandscheiben von 2 Hundeleichen („Hund A“ and „Hund B“) durchgeführt. Die Bandscheiben wurden zunächst mittels Computertomographie (CT), Radiographie und spektraler Rückstreumessung untersucht und anschließend histologisch evaluiert (Goldstandard). Die spektralen Rückstreumessungen (Spektralbereich: 500–950 nm) wurden mittels einer Einzelfaser durchgeführt, die über eine 20G Punktionsnadel im Gallertkern (Nucleus pulposus) der Bandscheiben positioniert wurde. Die Rückstreuspektren wurden einem Normalisationsalgorithmus unterzogen und in dimensionslose, wellenlängenabhängige Intensitäten umgewandelt. Die entsprechenden Intensitätsprofile wurden dann für den betrachteten Spektralbereich ausgewertet.

Ergebnisse: Insgesamt konnten durch die histologischen Untersuchungen 6 der 21 Bandscheiben als degeneriert identifiziert werden, 5 bei „Hund A“ und 1 bei „Hund B“. Mittels CT konnten ebenfalls alle 6 degenerierten Bandscheiben diagnostiziert werden. Mit der Radiographie wurden 2 der 5 betroffenen Bandscheiben bei „Hund A“ nicht erkannt. Die normierten Intensitätsprofile der 6 degenerierten Bandscheiben unterschieden sich deutlich von denen der anderen 15 „normalen“ bzw. schwach mineralisierten Bandscheiben. Die gemittelte Streuintensität der degenerierten Bandscheiben lag mit 2.79±0.58 (Mittelwert±SD) signifikant höher als bei den „normalen“ Bandscheiben, wo der Wert 1.48±0.37 betrug (p<0.001, Zwei-Stichproben t-Test).

Schlussfolgerung: Die durchgeführten Rückstreumessungen deuten darauf hin, dass der beobachtete Anstieg der Streuintensität mit dem Mineralisationsgrad der Bandscheibe assoziiert ist. Allerdings deckt der untersuchte Spektralbereich von 500–950 nm nicht die eigentliche Therapiewellenlänge der PLDA (2100 nm) ab, so dass die Veränderungen in den optischen Eigenschaften des Nucleus pulposus nicht direkt übertragbar sind. Weitere In-vitro- und In-vivo-Studien müssen sich anschließen, um die klinische Anwendbarkeit nachzuweisen.


Corresponding author

Erhalten: 2011-12-2
Revidiert: 2012-2-10
Angenommen: 2012-3-9
Online erschienen: 2012-5-1
Erschienen im Druck: 2012-5-1

©2012 by Walter de Gruyter Berlin Boston

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