AT515149B1 - Verfahren zur Früherkennung von Knochengelenkserkrankungen - Google Patents

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

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Früherkennung von Knochengelenkserkrankun-gen, z.B. Osteoarthrose, durch Röntgenstrahlanalyse, wobei ein digitales Röntgenbild des Knochens im Bereich des Gelenkkopfes und/oder der Gelenkpfanne aufgenommen und die fraktale Dimension zumindest eines Bildbereiches bestimmt wird, und wobei anhand der frakta-len Dimension des zumindest einen Bildbereiches ein Knochenstrukturwert berechnet wird, der zur Beurteilung des Gelenkserkrankungszustands herangezogen wird.

[0002] Im Bereich der Vorsorgemedizin gibt es seit einiger Zeit Bestrebungen, die Auswirkun-gen von Gelenkserkrankungen bereits in einem frühen Stadium zu erkennen und zu behandeln.

[0003] Ein Knochengelenk umfasst einen Gelenkkopf und eine Gelenkpfanne, die von Knochen gebildet werden, wobei auch von zwei Gelenkköpfen gesprochen werden kann.

[0004] Durch das Spongiosagewebe (oder auch Trabekelstruktur) mit seinen mikroskopisch kleinen Stiitzstrukturen ist der Knochenaufbau grundsätzlich gleichzeitig leicht und auch hoch-gradig resistent gegenüber Zug-, Druck-, Dreh- und Biegebelastungen. Durch Faktoren wie Alter, schlechte Ernährung und fehlende Bewegung kann sich das Gewebe mit der Zeit ver-schlechtern und die Stützstrukturen bauen sich ab.

[0005] Osteoarthrose ist beispielsweise die häufigste Erkrankung der menschlichen Gelenke sowie eine häufige Ursache für Behinderungen und Schmerzen im Bereich des Bewegungsap-parates. Insbesondere tritt Osteoarthrose (OA) im Kniebereich bei einem erheblichen Teil der Bevölkerung im Alter von über fünfzig Jahren und vor allem bei Frauen auf.

[0006] Rheumatoide Arthritis ist eine Gelenksentziindung und betrifft hauptsächlich Personen im Alter zwischen 40 und 60 Jahren. Frauen sind dreimal so häufig betroffen wie Manner. Die Ursache ist weitgehend unbekannt jedoch spielen diverse Umweltfaktoren eine wichtig Rolle bei dem Verlauf des Entzündungsprozesses. Durch die Einwanderung von Abwehrzellen (Leukozy-ten) in die entzündete Region bildet sich ein tumorähnliches Gewebe („Pannus") welches eine knorpelschädigende Wirkung hat. Häufig betroffene Gelenke sind die Fingergelenke, Ellbogen-gelenke und die Kniegelenke. Die Zerstörung des Knorpels kann in weiterer Folge dazu fiihren, dass Knochengewebe direkt aneinander reiben kann, da die Pufferwirkung des Knorpels nicht mehr gegeben ist.

[0007] 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.

[0008] Trotz der gesellschaftlichen Auswirkungen gibt es jedoch einen Mangel an Informationen iiber 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 dynami-scher Prozess mit Potenzial für neue pharmakologische und chirurgische Behandlungsmodali-täten wie Knorpel-Transplantation, chondralen alio - Oder Autografting, Osteotomien und tibiale Corticotomien mit eckigen Ablenkung angesehen.

[0009] Die entsprechende Bereitstellung und Auswahl der Behandlungsinterventionen für OA ist jedoch abhängig von der Entwicklung von besseren Methoden für die Beurteilung des Zu-stands der Gelenke und der Degeneration der Knochen eines Patienten.

[0010] Daher gibt es eine Notwendigkeit für verbesserte nichtinvasive Methoden für die Prüfung von Faktoren sowie Quantifizierung der Progression der Erkrankung und deren Früherkennung.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] Aus der WO 20100333210 A2 geht ein Verfahren hervor, bei dem jeweils innerhalb nur eines Bildbereiches die Fraktalanalyse durchgeführt wird. Das Verfahren verwendet Fractale Signal Analyse (FSA), mit deren Hilfe in vertikaler und horizontaler Richtung Fraktalanalysen ausgeführt werden, um auf diese Weise indirekt die Trabekelgröße zu erhalten. Die Verläufe in horizontaler und vertikaler Richtung werden als Fractale-Dimension-Kurven bezeichnet, die weiters durch eine polynomische Regression in ein statistisches Modell übergeführt werden.

[0014] Weiters geht aus der US 2010145231 A1 ein System zur Messung eines Gelenkspaltes aus den Konturen eines das Gelenk bildenden Knochenpaares hervor. Dieses System erlaubt aber keine Aussage iiber die bei der jeweiligen Person vorliegende Mikrostruktur des Kno-chens.

[0015] Im Artikel von Majumdar et al „Fractal analysis of radiographs: assessment of trabecular bone structure and prediction of elastic modulus and strength" in MEDICAL PHYSICS, vol. 26 no.7 July 1999, pages 1330-40. XP000906575, ISSN 0094-2405 werden drei unterschiedliche Methoden zur Bestimmung der fraktalen Dimension von Knochenproben aus Röntgenbildern angegeben, nämlich die Oberflächentechnik, die Semivarianz-Methode und die Fourier-Transformationstechnik. Die Messungen werden dabei an aus toten Personen herausgeschnit-tenen Proben vorgenommen und es wird jeweils nur ein Bildbereich abgebildet und analysiert, sodass keine Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Knochenbereichen und deren Ein-fluss auf eine Erkrankung möglich ist.

[0016] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Früherkennung von Knochengelenkser-krankungen anzugeben, das mit einem geringen zeitlichen und gerätetechnischen Aufwand durchführbar ist und zugleich Veränderungen des inneren Knochenaufbaus frühzeitig erkennen hilft.

[0017] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass mehrere Bildbereiche analysiert werden, 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.

[0018] Das erfindungsgemäße Verfahren führt zur Messung der Knochenstruktur eine Fraktalanalyse der Grauwerte eines wählbaren Bildbereichs (ROI - Region of Interest) eines Rönt-genbildes im Bereich des Gelenkkopfes bzw. der Gelenkpfanne durch, um iiber die fraktale Dimension den BSV (Bone Structure Value-Knochenstrukturwert) zu ermitteln. Die Veränderung der Grauwerte in horizontaler und vertikaler Richtung geben dabei Aufschluss iiber die Gualität der Knochenmikroarchitektur. Jeder gewählte Bildbereich liefert einen Wert zwischen Null und Eins, wobei Eins den optimalen und Null den schlechtest möglichen Knochen repräsentiert.

[0019] Entscheidend ist hier der Zusammenhang des Knochenzustandes in einem ausgewähl-ten Bildbereich im Bereich des Gelenkkopfes bzw. der Gelenkpfanne mit einer sich anbahnen-den Gelenkerkrankung. Sofern bestimmte Zustände der Knochenstruktur vorliegen, können präventive bzw. prophylaktische Maßnahmen gesetzt werden, um ein Fortschreiten der Erkrankung zu verhindern.

[0020] 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. 1st der gesamte Bildbereich analysiert, werden die Grauwertkurven der einzelnen Zeilen gemittelt und iiber eine Fraktalanalyse mit der Brownschen Bewegung in die fraktale Dimension gebracht. Sie ist ein zweidimensionales Kon-strukt, welches aber auch Informationen aus der dritten Dimension enthält. Aus dieser Dimension wird dann der BSV-Wert ermittelt.

[0021] Die Erfindung ist aber nicht auf die vorstehend beschriebene mathematische Berech- nungsmethode eingeschränkt, es können grundsätzlich vielmehr auch andere Berechnungsme-thoden zur Ermittlung der fraktalen Dimension der Grauwerte angewandt werden.

[0022] Die matrixartige Anordnung der zu untersuchenden Bildbereiche ermöglicht eine einfa-che pixelzeilenweise Berechnung, wobei die Unterteilung durch ein Analysegitter oder gleich-wertige Unterteilungen mittels digitaler Bearbeitung der aus dem digitalen Röntgenbild gewon-nenen Bilddaten erfolgt.

[0023] Aufgrund dieser Unterteilung in mehrere Bildbereiche können Untersuchungen dahinge-hend durchgeführt werden, welche der Bildbereiche am meisten zu einer Unterscheidung zwi-schen kranken und gesunden Knochengelenken beitragen, wodurch die Früherkennung ver-bessert werden kann.

[0024] 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 Gelenkerkran-kungszustandes herangezogen werden.

[0025] Um mehr Informationen zu dem ausgewählten Bildbereich oder den ausgewählten Bild-bereich 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.

[0026] 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.

[0027] Eine weitere Variante der Erfindung kann darin bestehen, eine Bestimmung des fraktalen Profils als eine radiale Verteilung der fraktalen Dimensionen einer Gitterzeile durchzufiihren.

[0028] Gemäß einer weiteren Ausfiihrungsform der Erfindung können zur Beurteilung des Krankheitsverlaufes in Untersuchungsintervallen aufgenommene Röntgenbilder herangezogen werden und daraus eine Veränderungsrate und Progressionsfaktoren ermittelt werden.

[0029] Ferner können die Analysedaten fiir die fraktale Dimension von einer größeren Gruppe von untersuchten Patienten erhoben werden und diese in Relation zu Geschlecht, Alter, Volks-gruppenzugehörigkeit, Gewicht, Größe od dgl gesetzt werden, woraus Standardkurven ermittelt werden.

[0030] Gemäß einer bevorzugten Ausfiihrungsform der Erfindung kann fiir die Röntgenaufnah-me ein digitaler Detektor mit einer Rasterauflösung von weniger als 200pm Auflösung verwendet werden.

[0031] Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Beurteilung des Zustandes aller Knochenge-lenke angewandt werden, z.B. kann ein Kniegelenk, ein Hiiftgelenk, ein Handgelenk od. dgl. beurteilt werden.

[0032] Fiir 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 Ober-kante des Analaysegitters zwischen 0 und 20 mm unterhalb der im Röntgenbild abgebildeten Corticalis des Tibiaplateaus angeordnet sein kann.

[0033] 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.

[0034] Für andere Gelenke kann die Anordnung des Analysegitters entsprechend der Erforder-nisse anaepasst werden.

[0035] Für alle im Rahmen der Erfindung durchgeführten Messungen wird eine möglichst hohe Reproduzierbarkeit der Gelenkstellung relativ zum Röntgenstrahl angestrebt.

[0036] Eine Maßnahme zur Erreichung dieses Ziels kann z.B. darin bestehen, dass das digitale Röntgenbild des Kniegelenkbereiches stehend unter Gewichtsbelastung aufgenommen wird.

[0037] 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.

[0038] 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 gegeniiber 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 Paral-lellage zum Röntgenstrahl gebracht, wodurch sich sehr geringe Störbeeinflussungen für die Ermittlung der Grauwerte der ausgewählten Bildbereiche ergeben.

[0039] Zur Ermittlung des Gelenkserkrankungszustandes wird gemäß einer bevorzugten Aus-führungsform der Erfindung weiters eine Beurteilung des Gelenkspaltes durch Messung einer Gelenkspaltfläche vorgenommen.

[0040] Insgesamt kann somit die Qualität der Knochenmikroarchitektur in Kombination mit einer verbesserten Beurteilung des Gelenkspaltes zu einer aussagekräftigen Beurteilung von Kno-chengelenkkrankheiten wie z.B. Osteoarthrose herangezogen werden. Die Aussagekraft zu dem Gesamtknochenzustand erhöht sich deutlich, eine Friiherkennung wird ermöglicht, zeitli-che Verlaufsanalysen werden verbessert und das Frakturrisiko kann genauer bestimmt werden.

[0041] Das gemäß dieser Erfindungsvariante angewandte Verfahren zur Messung des Gelenk-spalts bietet eine deutlich verbesserte Analyse der Gelenkspaltbreite. Messbereiche, deren Größe in Relation zu anatomisch festgelegten Distanzen stehen, werden in bestimmten Berei-chen 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.

[0042] Das Verhältnis der ganzen Messbereichsfläche zu der gemessenen Gelenkspaltfläche liefert einen Wert, der sehr genau den Gelenkspalt widerspiegelt und sehr empfindlich auf Ver-änderungen 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 dafiir, dass das Knie bei den Aufnahmen einstellbar fixiert wird, wodurch sich eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ergibt.

[0043] Die entwickelte Analyse der Gelenkspaltfläche basiert auf der Erkenntnis, dass die bisherigen Methoden manuell eingezeichnete Distanzen zwischen den Knochenköpfen verwen-den. Manuelle Ungenauigkeiten, schlechte und unstete Aufnahmepositionen und/oder mangel-hafte Bildqualität werden dabei weitestgehend missachtet. Die genannten Nachteile werden gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung durch folgende Schritte beseitigt: [0044] - Erkennung Oder Erzeugung der Kontur der Knochenköpfe des Gelenks; [0045] - Markierung von Eckpunkten der Knochenköpfe; [0046] - Definieren zumindest eines Messbereiches, der den Gelenkspalt zwischen den mar- kierten Eckpunkten iiberdeckt, dessen Breite kleiner als die Gelenkkopfbreite ist und dessen Dimensionen auf die Gelenkkopfbreite bezogen sind; [0047] - Messen der Gelenkspaltfläche innerhalb des zumindest einen Messbereiches; [0048] - Bestimmen des Verhältnisses der Fläche des zumindest einen Messbereiches und der innerhalb des zumindest einen Messbereiches vorhandenen Gelenkspaltfläche.

[0049] Während der Aufnahme soil 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, urn 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 urn einen einstellbaren Winkel (typischerweise 10°) ge-neigt.

[0050] 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. Urn die Messungen für unterschiedliche Gelenkgrößen vergleichbar zu ma-chen, 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 Flächenquoti-enten, 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 vergli-chen und die prozentuale Veränderung festgehalten werden. Als Referenz können die erste und die vorletzte Messung herangezogen.

[0051] Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann fiir die Beurteilung des Gelenk-spaltes eines Kniegelenks eine Bestimmung der medialen und lateralen Flächenquotienten der Fläche aus dem medialen und lateralen Gelenkspalt zwischen Tibia und Femur und der umhiil-lenden Messbereiche erfolgen, wobei die Breite der Messbereiche zwischen 5% und 45% der Tibiabreite liegt und beidseits eine Einriickung urn 2 bis 15% der Tibiabreite erfolgt.

[0052] 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 urn 2 bis 15% der Tibiabreite aufweist, durchgeführt werden.

[0053] Schließlich hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine bewertete Kombination von Werten der fraktalen Dimension aus verschiedenen Analysegitterflächen, der Gelenkspalt-höhen und der Quotienten der Gelenkspaltfläche zur Beurteilung des Gelenkkrankheitszustan-des herangezogen wird.

[0054] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausfiih-rungsbeispiele eingehend erläutert. Es zeigt dabei [0055] Fig. 1 eine seitliche schematische Ansicht eines Kniegelenks mit einer digitalen Rönt- genapparatur zur Durchführung einer Ausfiihrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; [0056] Fig. 2 eine schematische Ansicht des Röntgenbildes eines Kniegelenks von hinten mit einem eingezeichneten Analysegitter zur Durchfiihrung einer weiteren Ausfiih-rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; [0057] Fig. 3 eine schematische Ansicht des Röntgenbildes eines Kniegelenks von hinten mit zwei eingezeichneten Messbereichen zur Durchfiihrung einer Ausfiihrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; [0058] 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 Verfah-rens.

[0059] Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Aufnahme eines digitalen Röntgenbildes mit einer Rönt-genröhre 6 und einem Detektor 7, der einen beim Durchgang durch einen Gelenkbereich ge-schwächten 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.

[0060] In Fig. 1 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 Llbersicht-lichkeit halber nicht dargestellt.

[0061] Der Röntgenstrahl 25 wird für die Aufnahme des digitalen Röntgenbildes kniekehlensei-tig eintreten und kniescheibenseitig austreten (PA-Lage), wo er auf den Detektor 7 auftrifft.

[0062] Während der Aufnahme soil 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, urn eine geringstmögliche Vergrößerung und Streuung zu erzielen.

[0063] 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 urn einen einstellbaren Winkel Θ, vorzugsweise 5 bis 20°, typischerweise 10° geneigt gehalten, sodass die Achse des Röntgenstrahles 25 im Wesentli-chen parallel zum Tibiaplateau 26 verläuft, das eine leicht geschwungene Form aufweist. Durch die Einstellbarkeit des Winkels Θ können individuelle Unterschiede der Knochenform entspre-chend bemcksichtigt werden.

[0064] Erfindungsgemäß wird ein digitales Röntgenbild des Knochens im Bereich des Gelenk-kopfes und/oder der Gelenkpfanne aufgenommen und die fraktale Dimension zumindest eines Bildbereiches bestimmt, wobei anhand der fraktalen Dimension des zumindest einen Bildberei-ches ein Knochenstrukturwert berechnet wird, der zur Beurteilung des Gelenkserkrankungszu-stands herangezogen wird.

[0065] In Fig. 2 ist ein mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung aufgenommenes digitales Rönt-genbild eines Kniegelenks schematisch gezeigt.

[0066] 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 Ausfiihrungsbeispiel sind drei Zeilen und fiinf Spalten vorgesehen.

[0067] Für jede Gitterfläche 20 wird fiir die Grauwerte der darin enthaltenen Bildpixel Pixelzeile fiir Pixelzeile eine Bestimmung des Fraktalwertes vorgenommen, und es werden ausgewählte Gitterflächen 20 zur Beurteilung des Gelenkerkrankungszustandes herangezogen.

[0068] In jeder Gitterfläche 20 des Analysegitters 10 wird zunächst eine Fraktalanalyse der Grauwerte dieses ROI-Bereiches (region of interest) durchgefiihrt, urn iiber die fraktale Dimension einen Knochenstrukturwert (BSV) zu ermitteln, aus dem der Krankheitszustand des Gelen-kes abgeleitet werden kann.

[0069] Die Veränderung der Grauwerte innerhalb jeder Pixelzeile (horizontal) und von jeder Pixelspalte (vertikal) geben dabei Aufschluss iiber die Qualität der Mikroarchitektur. Fiir jede Gitterfläche 20 wird ein Wert zwischen Null und Eins erhalten, wobei Eins den optimalen und Null den schlechtest möglichen Knochen repräsentiert.

[0070] Zur Berechnung der fraktalen Dimension der Gitterflächen 20 wird ein bekannter Frakta-lalgorithmus 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 fiir den Algorithmus und die hier beschriebenen Verfahren.

[0071] Es musste untersucht werden, wie sich der Algorithmus unter bestimmten Gegebenhei-ten 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 Verschlechte-rung des Knochenzustandes scheint ganz klar der BMI zu sein. Deutlich weniger, aber immer noch erkennbar wirkt sich das Alter aus.

[0072] Ebenso hat sich bei den Analysen gezeigt, dass der mediale Bereich (Gelenk-lnnensei-te) höhere Werte aufweist als der laterale (Gelenk-Außenseite).

[0073] Weiters wurde eine Bewertungsmatrix fiir die Bildbereiche 20 erstellt, die fiir eine be-stimmte individuelle Testkohorte angibt, wie viel Bedeutung (0-100%) die einzelnen Bildbereiche 20 fiir die Beurteilung haben.

[0074] Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausfiihrungsform 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, urn dann ein Analysegitter 10 iiber den Tibia-Gelenkkopf zu legen. Das Gitter weist bevorzugt eine bis drei Zeilen und 2 bis 10 Spalten auf. Im gezeigten Ausfiihrungsbeispiel sind es drei Zeilen und fiinf Spalten.

[0075] Das gesamte Gitter hat eine Breite e von 60 bis 100% und eine Höhe f von 10 bis 60% der Tibiakopfbreite a.

[0076] 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.

[0077] Das Analysegitter ist bevorzugt symmetrisch zur Mittelachse der Tibia 2 angeordnet.

[0078] Zur Bildung eines Mittelwertes kann das Analysegitter n-mal urn einen Winkel a rotiert werden, bis eine 360°-Drehung erzielt wird und nach jeder Drehung eine Berechnung der frak-talen Dimension durchgeführt wird.

[0079] Zusätzlich zur Bestimmung der Knochenmikroarchitektur ist die Erfassung des Gelenk-spaltes für die Beurteilung von Gelenkskrankheiten, wie Osteoarthrose Oder rheumatoide Arthritis von Bedeutung. Die Aussagekraft zu dem Gesamtknochenzustand erhöht sich, die Früher-kennung und zeitliche Verlaufsanalysen werden verbessert und das Frakturrisiko kann genauer bestimmt werden.

[0080] Zu diesem Zweck werden folgende Schritte durchgeführt [0081] - Erkennung Oder Erzeugung der Kontur der Knochenköpfe des Gelenks; [0082] - Markierung von Eckpunkten der Knochenköpfe; [0083] - Definieren zumindest eines Messbereiches, der den Gelenkspalt zwischen den mar- kierten Eckpunkten überdeckt, dessen Breite kleiner als die Gelenkkopfbreite ist und dessen Dimensionen auf die Gelenkkopfbreite bezogen sind; [0084] - Messen der Gelenkspaltfläche innerhalb des zumindest einen Messbereiches; [0085] - Bestimmen des Verhältnisses der Fläche des zumindest einen Messbereiches und der innerhalb des zumindest einen Messbereiches vorhandenen Gelenkspaltfläche.

[0086] Fig. 3 zeigt die schematische Darstellung eines Röntgenbildes, in dem die Konturen der Gelenkköpfe ersichtlich ist.

[0087] Es sind zwei Messbereiche 30, 31 ausgewählt, deren Größe in Relation zu anatomisch festgelegten Distanzen stehen. Die Messbereiche 30, 31 werden in bestimmten Bereichen iiber den Gelenkspalt gelegt, um die Gelenkspaltfläche anstatt nur die Höhe zu bestimmen.

[0088] 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 Mess-wiederholungen reagiert. Zusätzlich wird auch die minimale Höhe im Gelenkspalt ermittelt und angegeben.

[0089] Um dieser Messgenauigkeit auch bei der Aufnahme gerecht zu werden, wird eine fixe Kniepositionierung wie in Fig. 1 gewählt. Sie sorgt dafiir, dass das Knie bei den Aufnahmen einstellbar fixiert wird, wodurch sich eine nie da gewesene Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ergibt.

[0090] Die entwickelte Analyse der Gelenkspaltfläche basiert auf der Erkenntnis, dass die bisherigen Methoden im Knie-, als auch in anderen Gelenken (Fingergelenke) stark verbesse-rungswürdig sind. Diese nutzen manuell eingezeichnete Distanzen zwischen den Knochenköp-fen. Manuelle Ungenauigkeiten, schlechte und unstete Aufnahmepositionen und/oder mangel-hafte Bildqualität werden dabei weitestgehend missachtet.

[0091] Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert die Analyse unter anderem genau in die-sen Punkten.

[0092] Während der Aufnahme soil der jeweilige Körperbereich wiederholbar fixiert werden. Dadurch ist die Perspektive der Aufnahme fix definiert. Die Knieaufnahme (Fig. 3) beispielswei-se muss stets in einer Richtung, bevorzugt in PA Richtung erfolgen, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

[0093] Die Bildqualität wird durch fixe Anforderungen sichergestellt und die Distanzmessung wird auf eine Flächenmessung erweitert. Dies ist nur möglich, wenn Informationen iiber 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.

[0094] 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 iibersichtlich 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 pro-zentuale Veränderung festgehalten werden. Als Referenz werden immer die erste und die vorletzte Messung herangezogen.

[0095] 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 late-ralen Gelenkspalt (??? Fig. 3 rechts) gelegt.

[0096] Die rechteckförmigen (typischerweise quadratischen) Messbereiche 30, 31 haben Kan-tenlängen b, c von 5 bis 45% der Tibiakopfbreite a. Weiters erfahren die Messbereiche 30, 31 eine seitliche Einrückung d von 2 bis 15%.

[0097] Die genannten bevorzugten Zahlenbereiche können im Rahmen der Erfindung und in Abhänaiakeit der Gelenkart variieren. Die Messbereiche 30. 31 können auch eine andere aeo- metrische Form annehmen.

[0098] Innerhalb der Messbereiche 30, 31 werden in bestimmten Abständen die Höhen h zwi-schen Femur 1 und Tibia 2 gemessen. Die eigentliche Messung ergibt sich aber aus dem Ver-hältnis der gesamten Rechtecksfläche b x c und der (schraffierten) Gelenkspaltfläche 40 innerhalb des jeweiligen Rechtecks 30, 31.

[0099] 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 Einmckung urn 2 bis 15% der Tibiabreite erfolgt.

[00100] 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 Einmckung urn 2 bis 15% der Tibiabreite aufweist, durchgeführt wird.

[00101] Insgesamt wird eine bewertete Kombination von Werten der fraktalen Dimension aus verschiedenen Analysegitterflächen, der Gelenkspalthöhen und der Quotienten der Gelenk-spaltfläche zur Beurteilung des Gelenkkrankheitszustandes herangezogen.

[00102] Dazu wurden Untersuchungen durchgeführt, deren Ziel es war herauszufinden, welche Bereiche am meisten zu einer Unterscheidung in Gesund und Krank beitragen. Hierfiir wurden Knochenstrukturwerte und auch einige Gelenkspalthöhen miteinander kombiniert, urn zu sehen, welche Kombination am ehesten die untersuchte Patientengruppe in Gesund und Krank unter-scheiden 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.

[00103] Anhand einer getesteten Patientengruppe konnte die Bewertungsmatrix gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausfiihrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gefiillt werden.

[00104] Es wurde ein Analysegitter von 3x8 Bildbereichen 20 verwendet. Das Analysegitter hat eine Höhe von 30%, eine Breite von 70% der Tibiabreite und einen Abstand von den tiefs-ten Konturen von 8 mm. Die rechteckförmigen Gelenkspaltmessbereiche wurden mit Kanten-längen von 20% der Tibiabreite und einem seitlichen Einzug von 5% gewählt.

[00105] Die Flächenquotienten der Gelenkspaltmessung erwiesen sich mit 95% fiir medial und 85% fiir lateral als äußerst aussagekräftig. Die Bildbereiche 2 0 der BSV-Wert-Messung wiesen sehr unterschiedliche Bedeutungen fiir die Beurteilung auf.

[00106] 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 (19)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Früherkennung von Knochengelenkserkrankungen, z.B. Osteoarthrose, durch Röntgenstrahlanalyse, wobei ein digitales Röntgenbild des Knochens im Bereich des Gelenkkopfes und/oder der Gelenkpfanne aufgenommen und die fraktale Dimension zu-mindest 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, dadurch gekenn-zeichnet, dass mehrere Bildbereiche (20) analysiert werden, wobei das aufgenommene digitale Röntgenbild durch ein Analysegitter (10) in mehrere Gitterflächen 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.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, 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 Ge-lenkerkrankungszustandes herangezogen werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines Mittelwer-tes das Analysegitter n-mal urn einen Winkel a rotiert wird, bis eine 360°-Drehung erzielt wird und nach jeder Drehung eine Berechnung der fraktalen Dimension durchgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysegitter mit 1 bis 3 Zeilen und 1 bis 8 Spalten gewählt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Anspriiche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung des fraktalen Profils als eine radiale Verteilung der fraktalen Dimensionen einer Gitterzeile durchgeführt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beurteilung des Krankheitsverlaufes in Untersuchungsintervallen aufgenommene Röntgenbilder herangezogen werden und daraus eine Veränderungsrate und Progressionsfaktoren ermit-telt werden.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Analy-sedaten für die fraktale Dimension von einer größeren Gruppe von untersuchten Patienten erhoben wird und diese in Relation zu Geschlecht, Alter, Volksgruppenzugehörigkeit, Ge-wicht, Größe od dgl gesetzt wird, woraus Standardkurven ermittelt werden.
8. 8. Verfahren nach einem der Anspriiche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass fiir die Röntgenaufnahme ein digitaler Detektor mit einer Rasterauflösung von weniger als 200pm Auflösung verwendet wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Anspriiche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kniege-lenk, ein Hüftgelenk, ein Handgelenk od. dgl. beurteilt wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, 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 20mm unterhalb der im Röntgenbild abge-bildeten Corticalis des Tibiaplateaus angeordnet ist.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Analysegitter symmet-risch zur Mittelachse der im Röntgenbild abgebildeten Tibia und parallel zum abgebildeten medialen und lateralen Tibiaplateau angeordnet wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 Oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Rönt-genbild des Kniegelenkbereiches stehend unter Gewichtsbelastung aufgenommen wird.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 Oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgen-strahl fiir die Aufnahme des digitalen Röntgenbildes kniekehlenseitig eintreten und knie-scheibenseitig austreten gelassen wird (PA-Lage), wo er auf einen Detektor auftrifft.
14. 14. Verfahren nach einem der Anspriiche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass während der Aufnahme des digitalen Röntgenbildes die Tibiaachse gegenüber der Vertikalen um einen einstellbaren Winkel 0, vorzugsweise 5 bis 20°, geneigt gehalten wird, sodass die Ach-se des Röntgenstrahles im Wesentlichen parallel zum Tibiaplateau verläuft.
15. 15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspriiche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Gelenkserkrankungszustandes weiters eine Beurteilung des Gelenk-spaltes durch Messung einer Gelenkspaltfläche vorgenommen wird.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte um-fasst: - Erkennung Oder Erzeugung der Kontur der Knochenköpfe des Gelenks; - Markierung von Eckpunkten der Knochenköpfe; - Definieren zumindest eines Messbereiches, der den Gelenkspalt zwischen den markier-ten Eckpunkten iiberdeckt, 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. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der medi-alen und lateralen Flächenquotienten der Fläche aus dem medialen und lateralen Gelenkspalt zwischen Tibia und Femur und der umhiillenden Messbereiche erfolgt, wobei die Breite der Messbereiche zwischen 5% und 45% der Tibiabreite liegt und beidseits eine Ein-rückung um 2 bis 15% der Tibiabreite erfolgt.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der Hö-hen 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. 19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine bewertete Kombination von Werten der fraktalen Dimension aus verschiedenen Ana-lysegitterflächen, der Gelenkspalthöhen und der Quotienten der Gelenkspaltfläche zur Beurteilung des Gelenkkrankheitszustandes herangezogen wird. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen