AT515149A1

AT515149A1 - Verfahren zur Früherkennung von Knochengelenkserkrankungen

Info

Publication number: AT515149A1
Application number: ATA921/2013A
Authority: AT
Original assignee: Braincon Handels Gmbh
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-06-15
Also published as: WO2015077813A1; DE112014005452A5; AT515149B1; GB2535379A8; US9968322B2; US20160302749A1; GB201608239D0; GB2535379A

Abstract

Verfahren zur Früherkennung von Knochengelenkserkrankungen, z.B. Osteoarthrose, durch Röntgenstrahlanalyse, dadurch gekennzeichnet, dass ein digitales Röntgenbild des Knochens im Bereich des Gelenkkopfes und/oder der Gelenkpfanne aufgenommen und die fraktale Dimension zumindest eines Bildbereiches (20) bestimmt wird, und dass anhand der fraktalen Dimension des zumindest einen Bildbereiches (20) ein Knochenstrukturwert berechnet wird, der zur Beurteilung des Gelenkserkrankungszustands herangezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Früherkennung von Knochengelenkserkrankungen, z.B. Osteoarthrose, durch Röntgenstrahlanalyse.

Im Bereich der Vorsorgemedizin gibt es seit einiger Zeit Bestrebungen, die Auswirkungen von Gelenkserkrankungen bereits in einem frühen Stadium zu erkennen und zu behandeln.

Ein Knochengelenk umfasst einen Gelenkkopf und eine Gelenkpfanne, die von Knochen gebildet werden, wobei auch von zwei Gelenkköpfen gesprochen werden kann.

Durch das Spongiosagewebe (oder auch TrabekelStruktur) mit seinen mikroskopisch kleinen Stützstrukturen ist der Knochenaufbau grundsätzlich gleichzeitig leicht und auch hochgradig resistent gegenüber Zug-, Druck-, Dreh- und Biegebelastungen. Durch Faktoren wie Alter, schlechte Ernährung und fehlende Bewegung kann sich das Gewebe mit der Zeit verschlechtern und die Stützstrukturen bauen sich ab.

Osteoarthrose ist beispielsweise die häufigste Erkrankung der menschlichen Gelenke sowie eine häufige Ursache für Behinderungen und Schmerzen im Bereich des Bewegungsapparates. Insbesondere tritt Osteoarthrose (OA) im Kniebereich bei einem erheblichen Teil der Bevölkerung im Alter von über fünfzig Jahren und vor allem bei Frauen auf.

Rheumatoide Arthritis ist eine GelenksentZündung und betrifft hauptsächlich Personen im Alter zwischen 40 und 60 Jahren. Frauen sind dreimal so häufig betroffen wie Männer. Die Ursache ist weitgehend unbekannt jedoch spielen diverse Umweltfaktoren eine wichtig Rolle bei dem Verlauf des

Entzündungsprozesses. Durch die Einwanderung von Abwehrzellen (Leukozyten) in die entzündete Region bildet sich ein tumorähnliches Gewebe („Pannus") welches eine knorpelschädigende Wirkung hat. Häufig betroffene Gelenke sind die Fingergelenke, Ellbogengelenke und die Kniegelenke. Die Zerstörung des Knorpels kann in weiterer Folge dazu führen, dass Knochengewebe direkt aneinander reiben kann, da die Pufferwirkung des Knorpels nicht mehr gegeben ist.

Eine möglichst frühe Diagnose ist ein enorm wichtiger Faktor bei der Prognose der Erkrankungen, da durch eine frühzeitige medikamentöse Behandlung die Gelenkszerstörung verlangsamt oder gestoppt werden kann.

Trotz der gesellschaftlichen Auswirkungen gibt es jedoch einen Mangel an Informationen über die Faktoren, die die Erkrankung bei einigen Einzelpersonen rascher fortschreiten lässt als bei anderen. Zuvor als eine degenerative "Verschleiß"-Erkrankung mit wenig Möglichkeiten für therapeutische Intervention angesehen, wird Osteoarthrose heute zunehmend als ein dynamischer Prozess mit Potenzial für neue pharmakologische und chirurgische Behandlungsmodalitäten wie Knorpel-Transplantation, chondralen allo - oder Autografting, Osteotomien und tibiale Corticotomien mit eckigen Ablenkung angesehen.

Die entsprechende Bereitstellung und Auswahl der BehandlungsInterventionen für OA ist jedoch abhängig von der Entwicklung von besseren Methoden für die Beurteilung des Zustands der Gelenke und der Degeneration der Knochen eines Patienten.

Daher gibt es eine Notwendigkeit für verbesserte nichtinvasive Methoden für die Prüfung von Faktoren sowie Quantifizierung der Progression der Erkrankung und deren Früherkennung.

Im Bereich der rheumatoiden Arthritis bietet sich ein ähnliches Bild. Die Prävalenz ist zwar deutlich geringer, die Kosten für Staat und Betroffene sind jedoch verhältnismäßig höher.

Bei bekannten Verfahren, bei welchen eine reine Knochendichtemessung vorgenommen wird, zeigen sich Veränderungen des Knochenzustandes oft erst in einer Phase, in der die Gelenkserkrankung schon fortgeschritten ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Früherkennung von Knochengelenkserkrankungen anzugeben, das mit einem geringen zeitlichen und gerätetechnischen Aufwand durchführbar ist und zugleich Veränderungen des inneren Knochenaufbaus frühzeitig erkennen hilft.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass ein digitales Röntgenbild des Knochens im Bereich des Gelenkkopfes und/oder der Gelenkpfanne aufgenommen und die fraktale Dimension zumindest eines Bildbereiches bestimmt wird, und dass anhand der fraktalen Dimension des zumindest einen Bildbereiches ein Knochenstrukturwert berechnet wird, der zur Beurteilung des Gelenkserkrankungszustands herangezogen werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt zur Messung der Knochenstruktur eine Fraktalanalyse der Grauwerte eines wählbaren Bildbereichs (ROI - Region of Interest) eines Röntgenbildes im Bereich des Gelenkkopfes bzw. der

Gelenkpfanne durch, um über die fraktale Dimension den BSV (Bone Structure Value-Knochenstrukturwert) zu ermitteln. Die Veränderung der Grauwerte in horizontaler und vertikaler Richtung geben dabei Aufschluss über die Qualität der Knochenmikroarchitektur. Jeder gewählte Bildbereich liefert einen Wert zwischen Null und Eins, wobei Eins den optimalen und Null den schlechtest möglichen Knochen repräsentiert.

Entscheidend ist hier der Zusammenhang des Knochenzustandes in einem ausgewählten Bildbereich im Bereich des Gelenkkopfes bzw. der Gelenkpfanne mit einer sich anbahnenden Gelenkerkrankung. Sofern bestimmte Zustände der Knochenstruktur vorliegen, können präventive bzw. prophylaktische Maßnahmen gesetzt werden, um ein Fortschreiten der Erkrankung zu verhindern.

Ausgangspunkt ist z.B. ein Röntgenbild mit einer Auflösung von < 200pm Pixelgröße. Nachdem der interessierende Bildbereich definiert wurde, beginnt der Algorithmus Pixel-zeilenweise die Änderungen der Grauwerte zu untersuchen, wobei die unterschiedlichen Grauwerte letztendlich Aufschluss darüber geben, wie dick die Trabekelstruktur an den jeweiligen Stellen ist und ob sie zusammenhängend ist oder nicht. Ist der gesamte Bildbereich analysiert, werden die Grauwertkurven der einzelnen Zeilen gemittelt und über eine Fraktalanalyse mit der Brownschen Bewegung in die fraktale Dimension gebracht. Sie ist ein zweidimensionales Konstrukt, welches aber auch Informationen aus der dritten Dimension enthält. Aus dieser Dimension wird dann der BSV-Wert ermittelt.

Die Erfindung ist aber nicht auf die vorstehend beschriebene mathematische Berechnungsmethode eingeschränkt, es können grundsätzlich vielmehr auch andere Berechnungsmethoden zur Ermittlung der fraktalen Dimension der Grauwerte angewandt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Bildbereiche analysiert, wobei das aufgenommene digitale Röntgenbild durch ein Analysegitter in mehrere Gitterflächen unterteilt wird, wobei jede Gitterfläche jeweils einen der Bildbereiche ausbildet, und dass das Analysegitter aus zumindest einer Zeile und zumindest zwei Spalten besteht.

Die matrixartige Anordnung der zu untersuchenden Bildbereiche ermöglicht eine einfache pixelzeilenweise Berechnung, wobei die Unterteilung durch ein Analysegitter oder gleichwertige Unterteilungen mittels digitaler Bearbeitung der aus dem digitalen Röntgenbild gewonnenen Bilddaten erfolgt.

Aufgrund dieser Unterteilung in mehrere Bildbereiche können Untersuchungen dahingehend durchgeführt werden, welche der Bildbereiche am meisten zu einer Unterscheidung zwischen kranken und gesunden Knochengelenken beitragen, wodurch die Früherkennung verbessert werden kann.

Somit kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung für jede Gitterfläche für die Grauwerte der darin enthaltenen Bildpixel Pixelzeile für Pixelzeile eine Bestimmung der fraktalen Dimension erfolgen, und ausgewählte Gitterflächen können zur Beurteilung des Gelenkerkrankungszustandes herangezogen werden.

Um mehr Informationen zu dem ausgewählten Bildbereich oder den ausgewählten Bildbereich zu erhalten, wird die

Berechnungsrichtung meist um einen bestimmten Winkel gedreht, die Berechnung erneut durchgeführt und die Ergebnisse anschließend gemittelt. Die Anzahl der Richtungen aus denen die Berechnung durchgeführt wird ist ebenfalls frei wählbar, jedoch verwendet man selten mehr als acht. Der Grund für diese Methodik ist, dass die Trabekel aus manchen Richtungen besser erkennbar sind als aus anderen.

Als bevorzugt hat sich - ohne darauf eingeschränkt zu sein -herausgestellt, wenn das Analysegitter mit 1 bis 3 Zeilen und 3 bis 8 Spalten gewählt wird.

Eine weitere Variante der Erfindung kann darin bestehen, eine Bestimmung des fraktalen Profils als eine radiale Verteilung der fraktalen Dimensionen einer Gitterzeile durchzuführen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zur Beurteilung des Krankheitsverlaufes in Untersuchungsintervallen aufgenommene Röntgenbilder herangezogen werden und daraus eine Veränderungsrate und Progressionsfaktoren ermittelt werden.

Ferner können die Analysedaten für die fraktale Dimension von einer größeren Gruppe von untersuchten Patienten erhoben werden und diese in Relation zu Geschlecht, Alter, Volksgruppenzugehörigkeit, Gewicht, Größe od dgl gesetzt werden, woraus Standardkurven ermittelt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann für die Röntgenaufnahme ein digitaler Detektor mit einer Rasterauflösung von weniger als 200pm Auflösung verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Beurteilung des Zustandes aller Knochengelenke angewandt werden, z.B. kann ein Kniegelenk, ein Hüftgelenk, ein Handgelenk od. dgl. beurteilt werden. Für die Untersuchung eines Kniegelenkes kann beispielsweise in dem aufgenommenen digitalen Röntgenbild im Bereich des Tibiakopfes das Analysegitter angeordnet werden, wobei die Gesamtbreite des Analysegitters von 60 bis 100% der

Tibiaplateaubreite entspricht, die Gesamthöhe des Analysegitters von 5% bis 60% der Tibiaplateaubreite beträgt, und die Oberkante des Analaysegitters zwischen 0 und 20mm unterhalb der im Röntgenbild abgebildeten Corticalis des Tibiaplateaus angeordnet sein kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Fortbildung der Erfindung kann das Analysegitter symmetrisch zur Mittelachse der im Röntgenbild abgebildeten Tibia und parallel zum abgebildeten medialen und lateralen Tibiaplateau angeordnet werden. Aus dieser Anordnung des Analysegitters lassen sich sehr aussagekräftige Gitterflächen bzw. Bildbereiche gewinnen. Für andere Gelenke kann die Anordnung des Analysegitters entsprechend der Erfordernisse angepasst werden. Für alle im Rahmen der Erfindung durchgeführten Messungen wird eine möglichst hohe Reproduzierbarkeit der Gelenkstellung relativ zum Röntgenstrahl angestrebt.

Eine Maßnahme zur Erreichung dieses Ziels kann z.B. darin bestehen, dass das digitale Röntgenbild des

Kniegelenkbereiches stehend unter Gewichtsbelastung aufgenommen wird.

Weiters hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Röntgenstrahl gemäß einer bevorzugten Ausführungsform für die Aufnahme des digitalen Röntgenbildes kniekehlenseitig eintreten und kniescheibenseitig austreten gelassen wird (PA-Lage), wo er auf einen Detektor auftrifft. Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, dass gemäß einer weiteren Variante der Erfindung während der Aufnahme des digitalen Röntgenbildes die Tibiaachse gegenüber der Vertikalen um einen einstellbaren Winkel Θ, vorzugsweise 5 bis 20°, geneigt gehalten wird, sodass die Achse des Röntgenstrahles im Wesentlichen parallel zum Tibiaplateau verläuft. Auf diese Weise wird das Tibiaplateau in Parallellage zum Röntgenstrahl gebracht, wodurch sich sehr geringe Störbeeinflussungen für die Ermittlung der Grauwerte der ausgewählten Bildbereiche ergeben.

Zur Ermittlung des Gelenkserkrankungszustandes wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weiters eine Beurteilung des Gelenkspaltes durch Messung einer Gelenkspaltfläche vorgenommen.

Insgesamt kann somit die Qualität der Knochenmikroarchitektur in Kombination mit einer verbesserten Beurteilung des Gelenkspaltes zu einer aussagekräftigen Beurteilung von Knochengelenkkrankheiten wie z.B. Osteoarthrose herangezogen werden. Die Aussagekraft zu dem Gesamtknochenzustand erhöht sich deutlich, eine Früherkennung wird ermöglicht, zeitliche

Verlaufsanalysen werden verbessert und das Frakturrisiko kann genauer bestimmt werden.

Das gemäß dieser Erfindungsvariante angewandte Verfahren zur Messung des Gelenkspalts bietet eine deutlich verbesserte Analyse der Gelenkspaltbreite. Messbereiche, deren Größe in Relation zu anatomisch festgelegten Distanzen stehen, werden in bestimmten Bereichen über den Gelenkspalt gelegt und messen die Gelenkspaltfläche anstatt nur die Höhe zu bestimmen. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Lage der Knochenkonturen zu kennen. Aus diesem Grund werden die bereits vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Ausrichtung und Fixierung des Knochengelenks während der Röntgenaufnahme ebenso angewandt.

Das Verhältnis der ganzen Messbereichsfläche zu der gemessenen Gelenkspaltfläche liefert einen Wert, der sehr genau den Gelenkspalt widerspiegelt und sehr empfindlich auf Veränderungen bei Messwiederholungen reagiert. Zusätzlich wird auch die minimale Höhe im Gelenkspalt ermittelt und angegeben. Um dieser Messgenauigkeit auch bei der Aufnahme gerecht zu werden, muss, wie bereits erwähnt, eine Kniepositionierung verwendet werden. Sie sorgt dafür, dass das Knie bei den Aufnahmen einstellbar fixiert wird, wodurch sich eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ergibt.

Die entwickelte Analyse der Gelenkspaltfläche basiert auf der Erkenntnis, dass die bisherigen Methoden manuell eingezeichnete Distanzen zwischen den Knochenköpfen verwenden. Manuelle Ungenauigkeiten, schlechte und unstete Aufnahmepositionen und/oder mangelhafte Bildqualität werden dabei weitestgehend missachtet. Die genannten Nachteile werden gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung durch folgende Schritte beseitigt:

Erkennung oder Erzeugung der Kontur der Knochenköpfe des Gelenks;

Markierung von Eckpunkten der Knochenköpfe;

Definieren zumindest eines Messbereiches, der den Gelenkspalt zwischen den markierten Eckpunkten überdeckt, dessen Breite kleiner als die Gelenkkopfbreite ist und dessen Dimensionen auf die Gelenkkopfbreite bezogen sind;

Messen der Gelenkspaltfläche innerhalb des zumindest einen Messbereiches;

Bestimmen des Verhältnisses der Fläche des zumindest einen Messbereiches und der innerhalb des zumindest einen

Messbereiches vorhandenen Gelenkspaltfäche. Während der Aufnahme soll der jeweilige Körperbereich wiederholbar fixiert werden. Dadurch ist die Perspektive der Aufnahme fix definiert. Die Knieaufnahme beispielsweise erfolgt bevorzugt in PA Richtung. Die Patella liegt während der Aufnahme direkt am Detektor an, um eine geringstmögliche Vergrößerung und Streuung zu erzielen. Der Röntgenstrahl wird auf die Kniekehle justiert. Da das menschliche Tibiaplateau eine Neigung von 0-20° aufweist, wird auch der Unterschenkel bei der Aufnahme um einen einstellbaren Winkel (typischerweise 10°) geneigt.

Die Bildqualität wird durch fixe Anforderungen sichergestellt und die Distanzmessung wird auf eine Flächenmessung erweitert. Dies ist nur möglich wenn Informationen über die Knochenkonturpositionen vorliegen. Dann kann in bestimmten Bereichen des Gelenkspalts die Gelenkspaltfläche bestimmt werden. Typischer Weise nimmt man die Bereiche, durch die die Hauptlast verläuft. Um die Messungen für unterschiedliche Gelenkgrößen vergleichbar zu machen, werden Geometrieelemente als Messbereiche verwendet, deren Größe von festgelegten anatomischen Abmessungen abhängen. Zusätzlich wird das Verhältnis aus der Fläche der Geometrieelemente zu der Gelenkspaltfläche gebildet. Dadurch erhält man einen Flächenquotienten, der zwischen Null und Eins liegt und dadurch vergleichbar und übersichtlich bleibt. Die Messung des Gelenkspalts als Fläche erhöht die Sensitivität und Genauigkeit des Verfahrens. Der eigentliche Nutzen aus dem Verfahren ergibt sich aus einer Funktion zur Verlaufskontrolle. Ab der zweiten Messung sollen die aktuellen Werte mit den vorangegangenen Werten verglichen und die prozentuale Veränderung festgehalten werden. Als Referenz können die erste und die vorletzte Messung herangezogen.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann für die Beurteilung des Gelenkspaltes eines Kniegelenks eine Bestimmung der medialen und lateralen Flächenquotienten der Fläche aus dem medialen und lateralen Gelenkspalt zwischen Tibia und Femur und der umhüllenden Messbereiche erfolgen, wobei die Breite der Messbereiche zwischen 5% und 45% der Tibiabreite liegt und beidseits eine Einrückung um 2 bis 15% der Tibiabreite erfolgt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Bestimmung der Höhen des medialen oder lateralen Gelenkspaltes zwischen Tibia und Femur an mehreren Stellen in jeweils einem lateralen und medialen Messbereich, der zwischen 5% und 45% der Tibiabreite liegt und beidseits eine seitliche

Einrückung um 2 bis 15% der Tibiabreite aufweist, durchgeführt werden.

Schließlich hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine bewertete Kombination von Werten der fraktalen Dimension aus verschiedenen Analysegitterflachen, der Gelenkspalthöhen und der Quotienten der Gelenkspaltfläche zur Beurteilung des Gelenkkrankheitszustandes herangezogen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele eingehend erläutert. Es zeigt dabei

Fig.l eine seitliche schematische Ansicht eines Kniegelenks mit einer digitalen Röntgenapparatur zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig.2 eine schematische Ansicht des Röntgenbildes eines Kniegelenks von hinten mit einem eingezeichneten Analysegitter zur Durchführung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig.3 eine schematische Ansicht des Röntgenbildes eines Kniegelenks von hinten mit zwei eingezeichneten Messbereichen zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig.4 eine schematische Ansicht des Röntgenbildes eines Kniegelenks von hinten mit einem eingezeichneten Analysegitter und eingezeichneten Messbereichen zur Durchführung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig.l zeigt eine Anordnung zur Aufnahme eines digitalen Röntgenbildes mit einer Röntgenröhre 6 und einem Detektor 7, der einen beim Durchgang durch einen Gelenkbereich geschwächten Röntgenstrahl 25 in ein digitales Bild umwandelt. Zur beispielhaften Erläuterung der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Kniegelenk gezeigt, es könnte aber jedes andere Gelenk des menschlichen Körpers in der gezeigten Form analysiert werden.

In Fig.l gezeigt sind die wichtigsten Knochen des Kniegelenks, ein Femur 1, eine Tibia 2, eine Fibula 3 und eine Patella 5, Knorpel- und Sehnenmassen sind der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Der Röntgenstrahl 25 wird für die Aufnahme des digitalen Röntgenbildes kniekehlenseitig eintreten und kniescheibenseitig austreten (PA-Lage), wo er auf den Detektor 7 auftrifft. Während der Aufnahme soll vorzugsweise der jeweilige Körperbereich wiederholbar fixiert werden. Dadurch ist die Perspektive der Aufnahme fix definiert. Die Knieaufnahme in Fig. 1 erfolgt beispielsweise bevorzugt in PA Richtung. Die Patella 5 liegt während der Aufnahme direkt am Detektor 7 an, um eine geringstmögliche Vergrößerung und Streuung zu erzielen.

Der Röntgenstrahl 25 wird auf die Kniekehle justiert. Da das menschliche Tibiaplateau eine Neigung von 0-20° aufweist, wird während der Aufnahme des digitalen Röntgenbildes die Tibiaachse gegenüber der Vertikalen um einen einstellbaren Winkel Θ, vorzugsweise 5 bis 20°, typischerweise 10° geneigt gehalten, sodass die Achse des Röntgenstrahles 25 im Wesentlichen parallel zum Tibiaplateau 26 verläuft, das eine leicht geschwungene Form aufweist. Durch die Einsteilbarkeit des Winkels Θ können individuelle Unterschiede der Knochenform entsprechend berücksichtigt werden.

Erfindungsgemäß wird ein digitales Röntgenbild des Knochens im Bereich des Gelenkkopfes und/oder der Gelenkpfanne aufgenommen und die fraktale Dimension zumindest eines Bildbereiches bestimmt, wobei anhand der fraktalen Dimension des zumindest einen Bildbereiches ein Knochenstrukturwert berechnet wird, der zur Beurteilung des Gelenkserkrankungszustands herangezogen wird.

In Fig. 2 ist ein mit der in Fig.l gezeigten Anordnung aufgenommenes digitales Röntgenbild eines Kniegelenks schematisch gezeigt.

Das aufgenommene digitale Röntgenbild wird durch ein Analysegitter 10 in Gitterflächen 20 unterteilt, wobei das Analysegitter 10 aus zumindest einer Zeile und zumindest zwei Spalten besteht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei Zeilen und fünf Spalten vorgesehen. Für jede Gitterfläche 2 0 wird für die Grauwerte der darin enthaltenen Bildpixel Pixelzeile für Pixelzeile eine Bestimmung des Fraktalwertes vorgenommen, und es werden ausgewählte Gitterflächen 20 zur Beurteilung des Gelenkerkrankungszustandes herangezogen.

In jeder Gitterfläche 20 des Analysegitters 10 wird zunächst eine Fraktalanalyse der Grauwerte dieses ROI-Bereiches (region of interest) durchgeführt, um über die frektale Dimension einen Knochenstrukturwert (BSV) zu ermitteln, aus dem der Krankheitszustand des Gelenkes abgeleitet werden kann.

Die Veränderung der Grauwerte innerhalb jeder Pixelzeile (horizontal) und von jeder Pixelspalte (vertikal) geben dabei Aufschluss über die Qualität der Mikroarchitektur. Für jede Gitterfläche 20 wird ein Wert zwischen Null und Eins erhalten, wobei Eins den optimalen und Null den schlechtest möglichen Knochen repräsentiert.

Zur Berechnung der fraktalen Dimension der Gitterflächen 20 wird ein bekannter Fraktalalgorithmus verwendet. Er beruht auf dem „Brownian Motion Model" oder genauer auf der „Fractional Gaussian Noise (FGN). Die Anwendung dieses Modells gilt als validiert, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind, nämlich die Gaußsche Verteilung und die Selbstähnlichkeit der Daten. Da diese Bedingungen typischerweise bei digitalen Röntgenbildern gegeben sind, eignet sich das Modell gut für den Algorithmus und die hier beschriebenen Verfahren.

Es musste untersucht werden, wie sich der Algorithmus unter bestimmten Gegebenheiten und in bestimmten Bereichen verhält. Auswertungen ergaben, dass die isolierten Faktoren „Größe" und „Proportion" sich äußerst geringfügig auf den BSV auswirken. Streustrahlen haben offensichtlich den größten Einfluss auf die Region unter den Eminenzen 4. Daher und aufgrund der anatomischen Geometrie (geringere Durchleuchtungsdistanz) repräsentiert der BSV der seitlichen Regionen den Knochenzustand am besten. Da sich die Corticalis (Knochenrinde) verfälschend auf den BSV auswirkt, sollten die ausgewählten Gitterflächen 20 (ROIs) einige Millimeter (g) unter der Tibiaplateaukante platziert werden. Es hat sich gezeigt, dass Frauen deutlich geringere Werte haben als Männer. Ein entscheidender Faktor für eine Verschlechterung des Knochenzustandes scheint ganz klar der BMI zu sein. Deutlich weniger, aber immer noch erkennbar wirkt sich das Alter aus.

Ebenso hat sich bei den Analysen gezeigt, dass der mediale Bereich (Gelenk-Innenseite) höhere Werte aufweist als der laterale (Gelenk-Außenseite).

Weiters wurde eine Bewertungsmatrix für die Bildbereiche 20 erstellt, die für eine bestimmte individuelle Testkohorte angibt, wie viel Bedeutung (0-100%) die einzelnen Bildbereiche 20 für die Beurteilung haben.

Fig.2 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der zunächst Markierungen A, B gesetzt werden, die den Außenpunkten des Tibiaplateaus bei im Wesentlichen horizontaler Ausrichtung desselben entsprechen, um dann ein Analysegitter 10 über den Tibia-Gelenkkopf zu legen. Das Gitter weist bevorzugt eine bis drei Zeilen und 2 bis 10 Spalten auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind es drei Zeilen und fünf Spalten.

Das gesamte Gitter hat eine Breite e von 60 bis 100% und eine Höhe f von 10 bis 60% der Tibiakopfbreite a.

Das Gitter platziert sich prinzipiell parallel zu der Linie a und genau zwischen Punkt A und B, jedoch mit seiner Oberkante auch 0 bis 20 mm, jedoch typischerweise 8 mm unterhalb der tiefsten Konturen, genauer gesagt der Corticalis, des

Tibiaplateaus.

Das Analysegitter ist bevorzugt symmetrisch zur Mittelachse der Tibia 2 angeordnet.

Zur Bildung eines Mittelwertes kann das Analysegitter n-mal um einen Winkel α rotiert werden, bis eine 360°-Drehung erzielt wird und nach jeder Drehung eine Berechnung der fraktalen

Dimension durchgeführt wird.

Zusätzlich zur Bestimmung der Knochenmikroarchitektur ist die Erfassung des Gelenkspaltes für die Beurteilung von

Gelenkskrankheiten, wie Osteoarthrose oder rheumatoide

Arthritis von Bedeutung. Die Aussagekraft zu dem

Gesamtknochenzustand erhöht sich, die Früherkennung und zeitliche Verlaufsanalysen werden verbessert und das

Frakturrisiko kann genauer bestimmt werden.

Zu diesem Zweck werden folgende Schritte durchgeführt

Erkennung oder Erzeugung der Kontur der Knochenköpfe des Gelenks;

Markierung von Eckpunkten der Knochenköpfe;

Messen der Gelenkspaltfläche innerhalb des zumindest einen Messbereiches;

Bestimmen des Verhältnisses der Fläche des zumindest einen Messbereiches und der innerhalb des zumindest einen Messbereiches vorhandenen Gelenkspaltfäche.

Fig.3 zeigt die schematische Darstellung eines Röntgenbildes, in dem die Konturen der Gelenkköpfe ersichtlich ist.

Es sind zwei Messbereiche 30, 31 ausgewählt, deren Größe in Relation zu anatomisch festgelegten Distanzen stehen. Die Messbereiche 30, 31 werden in bestimmten Bereichen über den Gelenkspalt gelegt, um die Gelenkspaltfläche anstatt nur die Höhe zu bestimmen.

Dies ist nur möglich, wenn die Lage der Knochenkonturen bekannt ist. Das Verhältnis der ganzen Messbereichsfläche zu der gemessenen Gelenkspaltfläche liefert einen Wert, der sehr genau den Gelenkspalt widerspiegelt und sehr empfindlich auf Veränderungen bei Messwiederholungen reagiert. Zusätzlich wird auch die minimale Höhe im Gelenkspalt ermittelt und angegeben.

Um dieser Messgenauigkeit auch bei der Aufnahme gerecht zu werden, wird eine fixe Kniepositionierung wie in Fig.l gewählt. Sie sorgt dafür, dass das Knie bei den Aufnahmen einstellbar fixiert wird, wodurch sich eine nie da gewesene Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ergibt.

Die entwickelte Analyse der Gelenkspaltfläche basiert auf der Erkenntnis, dass die bisherigen Methoden im Knie-, als auch in anderen Gelenken (Fingergelenke) stark verbesserungswürdig sind. Diese nutzen manuell eingezeichnete Distanzen zwischen den Knochenköpfen. Manuelle Ungenauigkeiten, schlechte und unstete Aufnahmepositionen und/oder mangelhafte Bildqualität werden dabei weitestgehend missachtet.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert die Analyse unter anderem genau in diesen Punkten. Während der Aufnahme soll der jeweilige Körperbereich wiederholbar fixiert werden. Dadurch ist die Perspektive der Aufnahme fix definiert. Die Knieaufnahme (Fig. 3) beispielsweise muss stets in einer Richtung, bevorzugt in PA Richtung erfolgen, wie es in Fig.l gezeigt ist.

Die Bildqualität wird durch fixe Anforderungen sichergestellt und die Distanzmessung wird auf eine Flächenmessung erweitert. Dies ist nur möglich, wenn Informationen über die Knochenkonturpositionen vorliegen. Dann kann in bestimmten Bereichen des Gelenkspalts die Gelenkspaltfläche bestimmt werden. Typischer Weise nimmt man die Bereiche, durch die die Hauptlast verläuft.

Um die Messungen für unterschiedliche Gelenkgrößen vergleichbar zu machen, werden Geometrieelemente als Messbereiche verwendet, deren Größe von festgelegten anatomischen Abmessungen abhängen. Zusätzlich wird das Verhältnis aus der Fläche der Geometrieelemente zu der Gelenkspaltfläche gebildet. Dadurch erhält man einen Flächenquotionten, der zwischen Null und Eins liegt und dadurch vergleichbar und übersichtlich bleibt. Die Messung des Gelenkspalts als Fläche erhöht die Sensitivität und

Genauigkeit des Verfahrens. Der eigentliche Nutzen aus dem Verfahren ergibt sich aus einer Funktion zur Verlaufskontrolle. Ab der zweiten Messung sollen die aktuellen

Werte mit den vorangegangenen Werten verglichen und die prozentuale Veränderung festgehalten werden. Als Referenz werden immer die erste und die vorletzte Messung herangezogen.

Das Verfahren der Gelenkspaltberechnung, beschrieben anhand des in Fig. 1 und Fig.3 gezeigten Kniegelenks, beginnt mit der Erkennung der Kontur der Knochenköpfe des Knies, des Femur und der Tibia, auf dem Röntgenbild. Die Eckpunkte der Tibiaplateaukanten werden als Punkte A,B markiert. Im Verhältnis zu der Distanz zwischen den Markierungen A, B werden nun Messbereiche 30, 31 in Form von Rechtecken über den medialen (in Fig.3 links) und lateralen Gelenkspalt (??? Fig.3 rechts) gelegt.

Die rechteckförmigen (typischerweise quadratischen) Messbereiche 30, 31 haben Kantenlängen b, c von 5 bis 45% der Tibiakopfbreite a. Weiters erfahren die Messbereiche 30, 31 eine seitliche Einrückung d von 2 bis 15%.

Die genannten bevorzugten Zahlenbereiche können im Rahmen der Erfindung und in Abhängigkeit der Gelenkart variieren. Die Messbereiche 30, 31 können auch eine andere geometrische Form annehmen.

Innerhalb der Messbereiche 30, 31 werden in bestimmten Abständen die Höhen h zwischen Femur 1 und Tibia 2 gemessen. Die eigentliche Messung ergibt sich aber aus dem Verhältnis der gesamten Rechtecksfläche b x c und der (schraffierten) Gelenkspaltfläche 40 innerhalb des jeweiligen Rechtecks 30, 31.

Es erfolgt somit eine Bestimmung der medialen und lateralen Flächenquotienten der Fläche aus dem medialen und lateralen

Gelenkspalt 40, 41 zwischen Tibia 1 und Femur 2 und der umhüllenden Messbereiche 30, 31, wobei die Breite der Messbereiche zwischen 5% und 45% der Tibiabreite liegt und beidseits eine Einrückung um 2 bis 15% der Tibiabreite erfolgt.

Zusätzlich erfolgt auch, wie bereits erwähnt, eine Bestimmung der Höhen h des medialen oder lateralen Gelenkspaltes zwischen Tibia 1 und Femur 2 an mehreren Stellen in jeweils einem lateralen und medialen Messbereich 30, 31, dessen Breite zwischen 5% und 45% der Tibiabreite liegt und beidseits eine seitliche Einrückung um 2 bis 15% der Tibiabreite aufweist, durchgeführt wird. insgesamt wird eine bewertete Kombination von Werten der fraktalen Dimension aus verschiedenen Analysegitterflächen, der Gelenkspalthöhen und der Quotienten der Gelenkspaltfläche zur Beurteilung des Gelenkkrankheitszustandes herangezogen.

Dazu wurden Untersuchungen durchgeführt, deren Ziel es war herauszufinden, welche Bereiche am meisten zu einer Unterscheidung in Gesund und Krank beitragen. Hierfür wurden Knochenstrukturwerte und auch einige Gelenkspalthöhen miteinander kombiniert, um zu sehen, welche Kombination am ehesten die untersuchte Patientengruppe in Gesund und Krank unterscheiden kann. Es hat sich deutlich gezeigt, dass eine Integration der Gelenkspalthöhen die Unterscheidungsgenauigkeit deutlich erhöht. Auch konnten besonders wichtige Bildbereiche für die Knochenstrukturwertmessung bestimmt werden.

Anhand einer getesteten Patientengruppe konnte die Bewertungsmatrix gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gefüllt werden.

Es wurde ein Analysegitter von 3x8 Bildbereichen 20 verwendet. Das Analysegitter hat eine Höhe von 30%, eine Breite von 7 0% der Tibiabreite und einen Abstand von den tiefsten Konturen von 8 mm. Die rechteckförmigen Gelenkspaltmessbereiche wurden mit Kantenlängen von 20% der Tibiabreite und einem seitlichen Einzug von 5% gewählt.

Die Flächenquotienten der Gelenkspaltmessung erwiesen sich mit 95% für medial und 85% für lateral als äußerst aussagekräftig. Die Bildbereiche 20 der BSV-Wert-Messung wiesen sehr unterschiedliche Bedeutungen für die Beurteilung auf.

Der mit 90% wichtigste Bildbereich 20 ist jener mit der Zeilen- und Spaltennummer 0x0 (Fig. 4, links oben). Die Bildbereiche 20 in der obersten Reihe waren mit Bedeutungen von 75-90% am wichtigsten. Die mittlere Reihe hatte Bedeutungen von 70-80% und die Bildbereiche 20 der untersten Reihe zeigten Bedeutungen von 55-80%.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Früherkennung von Knochengelenkserkrankungen, z.B. Osteoarthrose, durch Röntgenstrahlanalyse, dadurch gekennzeichnet, dass ein digitales Röntgenbild des Knochens im Bereich des Gelenkkopfes und/oder der Gelenkpfanne aufgenommen und die fraktale Dimension zumindest eines Bildbereiches (20) bestimmt wird, und dass anhand der fraktalen Dimension des zumindest einen Bildbereiches (20) ein Knochenstrukturwert berechnet wird, der zur Beurteilung des Gelenkserkrankungszustands herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Bildbereiche (20) analysiert werden, wobei das aufgenommene digitale Röntgenbild durch ein Analysegitter (10 in mehrere Gitterflachen unterteilt wird, wobei jede Gitterfläche jeweils einen der Bildbereiche (20) ausbildet, und dass das Analysegitter (10) aus zumindest einer Zeile und zumindest zwei Spalten besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Gitterfläche anhand der Grauwerte der darin enthaltenen Bildpixel Pixelzeile für Pixelzeile eine Bestimmung der fraktalen Dimension erfolgt, und dass ausgewählte Gitterflächen zur Beurteilung des Gelenkerkrankungszustandes herangezogen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines Mittelwertes das Analysegitter n-mal um einen Winkel α rotiert wird, bis eine 360°-Drehung erzielt wird und nach jeder Drehung eine Berechnung der fraktalen Dimension durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysegitter mit 1 bis 3 Zeilen und 1 bis 8 Spalten gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung des fraktalen Profils als eine radiale Verteilung der fraktalen Dimensionen einer Gitterzeile durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beurteilung des Krankheitsverlaufes in Untersuchungsintervallen aufgenommene Röntgenbilder herangezogen werden und daraus eine Veränderungsrate und Progressionsfaktoren ermittelt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysedaten für die fraktale Dimension von einer größeren Gruppe von untersuchten Patienten erhoben wird und diese in Relation zu Geschlecht, Alter, Volksgruppenzugehörigkeit, Gewicht, Größe od dgl gesetzt wird, woraus Standardkurven ermittelt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Röntgenaufnahme ein digitaler Detektor mit einer Rasterauflösung von weniger als 200pm Auflösung verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kniegelenk, ein Hüftgelenk, ein Handgelenk od. dgl. beurteilt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem aufgenommenen digitalen Röntgenbild im Bereich des Tibiakopfes das Analysegitter angeordnet wird, wobei die Gesamtbreite des Analysegitters von 60 bis 100% der Tibiaplateaubreite entspricht, die Gesamthöhe des Analysegitters von 5% bis 60% der Tibiaplateaubreite beträgt, und die Oberkante des Analaysegitters zwischen 0 und 2 0mm unterhalb der im Röntgenbild abgebildeten Corticalis des Tibiaplateaus angeordnet ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Röntgenbild des Kniegelenkbereiches stehend unter Gewichtsbelastung aufgenommen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysegitter symmetrisch zur Mittelachse der im Röntgenbild abgebildeten Tibia und parallel zum abgebildeten medialen und lateralen Tibiaplateau angeordnet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgenstrahl für die Aufnahme des digitalen Röntgenbildes kniekehlenseitig eintreten und kniescheibenseitig austreten gelassen wird (PA-Lage), wo er auf einen Detektor auftrifft.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass während der Aufnahme des digitalen Röntgenbildes die Tibiaachse gegenüber der Vertikalen um einen einstellbaren Winkel Θ, vorzugsweise 5 bis 20°, geneigt gehalten wird, sodass die Achse des Röntgenstrahles im Wesentlichen parallel zum Tibiaplateau verläuft.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Gelenkserkrankungszustandes weiters eine Beurteilung des Gelenkspaltes durch Messung einer Gelenkspaltfläche vorgenommen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: - Erkennung oder Erzeugung der Kontur der Knochenköpfe des Gelenks; - Markierung von Eckpunkten der Knochenköpfe; - Definieren zumindest eines Messbereiches, der den Gelenkspalt zwischen den markierten Eckpunkten überdeckt, dessen Breite kleiner als die Gelenkkopfbreite ist und dessen Dimensionen auf die Gelenkkopfbreite bezogen sind; - Messen der Gelenkspaltfläche innerhalb des zumindest einen Messbereiches; - Bestimmen des Verhältnisses der Fläche des zumindest einen Messbereiches und der innerhalb des zumindest einen Messbereiches vorhandenen Gelenkspaltfäche.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der medialen und lateralen Flächenquotienten der Fläche aus dem medialen und lateralen Gelenkspalt zwischen Tibia und Femur und der umhüllenden Messbereiche erfolgt, wobei die Breite der Messbereiche zwischen 5% und 45% der Tibiabreite liegt und beidseits eine Einrückung um 2 bis 15% der Tibiabreite erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der Höhen des medialen oder lateralen Gelenkspaltes zwischen Tibia und Femur an mehreren Stellen in jeweils einem lateralen und medialen Messbereich, dessen Breite zwischen 5% und 45% der Tibiabreite liegt und beidseits eine seitliche Einrückung um 2 bis 15% der Tibiabreite aufweist, durchgeführt wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine bewertete Kombination von Werten der fraktalen Dimension aus verschiedenen Analysegitterflachen, der Gelenkspalthöhen und der Quotienten der Gelenkspaltfläche zur Beurteilung des Gelenkkrankheitszustandes herangezogen wird.

Wien, am 29. November 2013 Braincon Handeis-GmbH durch: Häupl & Ellmeyer KG Patentanwaltskanzlei