DE10311478A1

DE10311478A1 - Verfahren der Kernspintomographie zur zahnmedizinischen Datenerfassung

Info

Publication number: DE10311478A1
Application number: DE2003111478
Authority: DE
Inventors: Peter M. Dr.rer.nat. Jakob; Silvia Olt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-03-15
Filing date: 2003-03-15
Publication date: 2004-09-23

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren der Kernspintomographie zur zahnmedizinischen Datenerfassung, das durch den Einsatz von verschiedenen Substanzklassen innerhalb des Mundraums eine verbesserte Bilddatenerfassung erreicht. Trotz der technischen Fortschritte beim Bau von Kernspintomographie-Geräten ist die Bilddatenerfassung innerhalb des Mundraums bislang stark limitiert. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, Verfahren zur MRT bereitzustellen, die eine bessere Qualität der Bilder im Mundraum ermöglichen. Durch das Einbringen verschiedener Substanzklassen in den Mundraum erlaubt die vorliegende Erfindung insgesamt eine flexible Konditionierung des MRT-Signalverhaltens in dieser Region, so dass eine strahlungsfreie, belastungsfreie tomographische Volumentechnik für zahnmedizinische und kieferorthopädische Fragestellungen zur Verfügung gestellt wird.

Description

Verfahren und Apparat zur Kernspintomographie zur Erfassung der Oberfläche- bzw. Volumendaten eines Gebisses und zur zahnmedizinischen Bilddatenerfassung, bei dem zusätzliche in den Mundraum eingebrachte Substanzen eine verbesserte Darstellung dieser Region ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Kernspintomographie (Synonym: Magnetresonanztomographie – MRT), wie sie in der Medizin zur Untersuchung von Patienten Anwendung findet, und dabei im Besonderen auf ein Verfahren zum Betreiben eines Kernspintomographiegerätes, bei dem Bilddaten der Mundregion aufgenommen werden. Die Erfindung betrifft damit ein Verfahren und einen Apparat zur zahnmedizinischen Bilddatenerfassung und zur Erfassung der Oberflächen- bzw. Volumendaten eines Gebisses mittels Kernspintomographie

Historisch lassen sich die großen Klassen der Verfahren zur Erfassung der Oberflächen- bzw. Volumendaten eines Gebisses in zwei große Gruppen unterteilen. Die erste Gruppe ist die der mechanischen Abtastungsverfahren, welche entweder rein mechanisch mit Abformmaterialien (z.B. Gipsabdruck) arbeiten oder – falls die Daten digital erfasst werden sollen – mit Hilfe taktiler Sensoren die Gebissdaten erfassen. Zum anderen gibt es die Gruppe der, optischen Abtastungsverfahren. Die optische Abtastung arbeitet immer mit einer Strahlenquelle (z.B. Streifen-Punktlaser oder Röntgenstrahl) und mit Detektoren (z.B. der CCD-Sensor in einer Kamera oder Foliensysteme, wie sie beim Röntgenfilm Verwendung finden), welche die auf bzw. durch das zu vermessende Objekt gesendete Strahlung messen. Ein Vorteil der optischen Verfahren ist die berührungslose Abtastung und die hohe Erfassungsgeschwindigkeit der geometrischen Daten. Nachteilig wirkt sich aus, dass nur optisch erreichbare Stellen gemessen werden können.

Weitergehend gibt es heute verschiedene Methoden der tomographischen Abtastung, die mit entsprechenden Verfahren dreidimensionale Formen rekonstruiert. Gegenüber der Stereoskopie (Aufnahmeverfahren mit mehreren (zwei) Bildsensoren) hat die Tomographie den Vorteil, dass nicht nur Oberflächen aufgenommen, sondern auch Strukturen durchleuchtet werden können. Die Tomographie macht sich die unterschiedlichen Eigenschaften der durch- bzw. bestrahlten Materialien zunutze. Beispiele hierfür sind die Transmissionstomographie (Absorption von Strahlung), Emissionstomographie, Reflexionstomographie und die Laufzeittomographie (z.B. bei Ultraschall). So zählen die Röntgen-Computertomographie (CT) oder die Kernspintomographie (MRT) zu den tomographischen Verfahren.

In der Zahnmedizin werden spezielle Schädeltomographen verwendet. Durch sogenannte Dental-CTs ist es möglich, nicht sichtbare Bereiche, wie Zahnwurzeln oder Kieferhöhlen, zu vermessen und nicht sichtbare Bereiche und Engstellen (z.B. im Interdentalbereich) zu erkennen. Per CT werden z.B. Bilder zur Analyse atypisch gelegener Zahnanlagen, Kieferdefekten sowie zur präzisen Vermessung des Ober- bzw. Unterkiefers zur Planung von Zahnimplantaten oder Zahnextraktionen akquiriert. Die Vorteile der CT gegenüber konventionellen Röntgendarstellungen liegen in der höheren Bildauflösung, der besseren Darstellung von Weichgeweben auch ohne Kontrastmittel, der besseren räumlichen Zuordnungsmöglichkeit von Veränderungen anhand der Schichtaufnahmen (d.h. keine Überlagerung durch andere Schichten), und in der Sichtbarkeit von sehr viel mehr Einzelheiten. Allerdings steht einer häufigen Anwendung der CT in der Praxis die damit verbundene Strahlenbelastung entgegen: Die Strahlenbelastung ist etwa 40-mal höher als die einer Röntgenaufnahme, auch wenn diese im Regelfall – dank entsprechender technischer Vorkehrungen – sehr gering ist. Deshalb werden Dental-CTs nur selten eingesetzt.

Die Kernspintomographie (Magnetresonanztomographie, MRT) ist ebenfalls ein Schnittbildverfahren (Schichtbild). Die MRT ist jedoch nicht invasiv (Bindegewebe wird nicht belastet) und mit keinerlei Belastung durch Röntgenstrahlung verbunden. Die MRT basiert auf dem physikalischen Phänomen der Kernspinresonanz und wird seit über 15 Jahren erfolgreich als bildgebendes Verfahren in der Medizin und in der Biophysik eingesetzt. Bei dieser Untersuchungsmethode wird das Objekt einem starken, konstanten Magnetfeld ausgesetzt. Dadurch richten sich in dem Objekt die Kernspins der Atome, welche vorher regellos orientiert waren, aus. Hochfrequenzwellen (Radiowellen) von geringer Intensität werden in gepulster Form eingestrahlt, um diese „geordneten" Kernspins zu einer bestimmten Schwingung anzuregen. Diese Schwingung erzeugt das eigentliche Messsignal der MRT, welches mittels geeigneter Empfangsspulen aufgenommen wird. Durch den Einsatz inhomogener Magnetfelder, erzeugt durch Gradientenspulen, kann dabei das Messobjekt in alle drei Raumrichtungen räumlich kodiert werden. Das Verfahren erlaubt eine freie Wahl der abzubildenden Schicht, wodurch Schnittbilder des menschlichen Körpers in alle Richtungen aufgenommen werden können. Die MRT als Schnittbildverfahren in der medizinischen Diagnostik, zeichnet sich in erster Linie als „nicht-invasive" Untersuchungsmethode mit vielseitigem Kontrastvermögen aus. Aufgrund der hervorragenden Darstellbarkeit des Weichgewebes hat sich die MRT zu einem der CT vielfach überlegenen Verfahren entwickelt.

Im Gegensatz zur CT tritt bei der MRT keinerlei Strahlenbelastung auf. Die MRT basiert heute auf der Anwendung von Spinecho- und Gradientenecho-Sequenzen, die bei Messzeiten in der Größenordnung von Minuten eine exzellente Bildqualität ermöglichen. Die ständige technische Weiterentwicklung der Komponenten von Kernspintomographie-Geräten und die Einführung schneller Bildgebungssequenzen eröffnet der MRT immer mehr Einsatzgebiete in der Medizin. Echtzeitbildgebung zur Unterstützung der minimalinvasiven Chirurgie, funktionelle Bildgebung in der Neurologie und Perfussionsmessung in der Kardiologie sind nur einige wenige Beispiele.

Vorteile der MRT:

– bessere Trennung von Weichteilstrukturen,
– beliebig wählbare Schichtrichtung,
– schnelle Information,
– mehrere Aufnahmen möglich,
– in der Schwangerschaft oder bei Unverträglichkeit von Röntgenkontrastmitteln einsetzbar.

Nachteile der MRT:

– Magneten und ferro-magnetische Metalle (Eisen, Kupfer, ...) vertragen sich nicht: Herzschrittmacher, chirurgische Clips, Prothesen, Metallimplantate oder andere Metallobjekte im Körper sind Kontra-Indikatoren
– Eine Darstellung der Zahnoberfläche ist bislang nur ex vivo mit aufwendigen Verfahren möglich!

Trotz der technischen Fortschritte beim Bau von Kernspintomographie-Geräten, ist die Bilddatenerfassung innerhalb des Mundraums immer noch stark limitiert. Aufgabe ist es daher, Verfahren zur MRT bereitzustellen, die eine bessere Qualität der Bilder im Mundraum ermöglichen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter. Es wird ein Verfahren zur Kernspintomographie des menschlichen Mundraums auf der Basis zusätzlich eingebrachter Substanzklassen vorgeschlagen (Substanz-gestützte Dental-MRT). Das Verfahren basiert auf dem Einbringen von Zusatzstoffen in die Mundhöhle, in Kombination mit entsprechenden MRT-Sequenzen. Diese neue erfindungsgemäße MRT-Methode dient dazu, unter Verwendung zusätzlich in den Mundraum eingebrachter Substanzklassen, die Bildqualität und die Bildeigenschaften innerhalb des Mundraums zu kontrollieren, und dadurch robustere Bildrekonstruktionen und schnellere Datenakquisitionen zu erreichen. Auf diese Weise werden die Einsatzmöglichkeiten der MRT im Bereich des Mundraums gesteigert.

Grundsätzlich verlangt dieser Ansatz Modifikationen innerhalb des MRT-Systems, um eine geeignete Applikation der jeweiligen Substanzklasse zu ermöglichen. Hierzu ist eine Vorrichtung zur kontrollierten manuellen oder automatischen Gabe und Dosierung der einzubringenden gasförmigen oder flüssigen Substanzklassen und zu deren späteren Wiederentnahme zu verwenden, wobei sicher zu stellen ist, dass hierbei der Untersuchungsbereich der untersuchten Person nicht bewegt wird.

Die Möglichkeiten der einzubringen Substanzklassen sind zahlreich. Zum Beispiel, haben wir gefunden, dass das Einbringen von Flüssigkeit (z.B. einfaches Leitungswasser), eine verbesserte Darstellung der Zahnoberflächen erlaubt. Weitergehend haben wir gefunden, dass verschiedenste Substanzklassen eingesetzt werden können, um eine zusätzliche vorteilhafte Bildgebungssituation zu erreichen. So kann das Einbringen solcher Substanzklassen magnetische Suszeptibilitätssprünge und Magnetfeldinhomgenitäten im Mundraum und um den Mundraum herum reduzieren und damit Bildstörungen (Artefakte) vermeiden oder minimieren. Insgesamt haben wir gefunden, dass diese zusätzlich eingebrachten Substanzklassen zu

– besserem Signal-zu-Rausch-Abstand,
– höherer Bildqualität und
– einer Darstellung nicht MRT-sichtbarer Gewebetypen (z.B. Zähne)

führen können.

An die eingebrachten Substanzklassen müssen höchste Ansprüche gestellt werden. Sie müssen sich vor allem homogen im Mundraum verteilen können und gleichzeitig MRT-abbildungstreu sein. Weitergehend müssen sie ungiftig und Idealerweise nicht unangenehm im Geschmack sein. Das Grundprinzip ist, dass die Zusatzsubstanzen effektiv als positive/negative Kontrastmittel eingesetzt werden, die homogen die Signalintensität z.B. um die Zähne verstärken/abschwächen. Folgende Substanzklassen sind denkbar (Liste nicht komplett):

1. Wasser und andere Flüssigkeiten (z.B. Milch, Öle, Speiseöle)
2. MR-Kontrastmittel in Flüssigkeiten
3. Gase
4. Hyperpolarisierte Substanzen (Gase etc.)
5. Gele oder Suspensionen
6. Abformmaterialen: MR-signalgebende Substanzen, die sich der Zahnoberfläche fließend anpassen können

Auch wenn hier nur einige exemplarische Beispiele dieser Erfindung im Detail beschreiben werden, so werden doch Personen, die auf diesem Gebiet geschult sind, erkennen, dass viele Variationen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung möglich sind, wobei die signifikanten Vorteile dieser Erfindung erhalten bleiben. Deswegen ist es beabsichtigt, alle Modifikationen und Variationen, die hier nicht im Detail beschrieben werden können, im Rahmen der Ansprüche abzudecken. Die Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen (bezugnehmend auf die begleitenden Abbildungen) näher erläutert.

Erläuterung der Abbildungen:
1 zeigt schematisch das prinzipielle Vorgehen (Flowchart) bei der vorliegenden Erfindung
2a zeigt eine transversale MRT-Aufnahme durch das Gebiss einer Versuchsperson ohne eingebrachte Substanzklasse.
2b zeigt eine entsprechende MRT-Aufnahme, diesmal mit einem zusätzlich in den Mundraum eingebrachten MRT-Kontrastmittel
2c zeigt eine entsprechende MRT-Negativaufnahme (nach Bildverarbeitung (Postprocessing) der Daten von 1b)
3 zeigt eine Rekonstruktion des gesamten 3-dimensionalen Datensatzes aus 1c.
4 zeigt nach Bearbeitung des Datensatzes aus 3 mit einem Bildbearbeitungsprogramm (Visualisierungssoftware "AMIRA") zwei Oberflächen-Rekonstruktionen des Gebisses.
Zunächst soll das prinzipielle Vorgehen bei der hier vorgeschlagenen Substanz-gestützten Dental-MRT schrittweise aufgeführt werden (siehe auch 1):

1. Schlüsselelement der Substanz-gestützten Dental-MRT ist das zusätzliche Einbringen von Substanzklassen in den Mundraum.
2. Diese zusätzlichen Substanzklassen dienen dazu, Bildartefakte zu kontrollieren und nicht MRT-sichtbare Gewebetypen (z.B. Zähne) sichtbar zu machen.
3. Mittels geeigneter Visualisierungssoftware lassen sich aus diesen Dental-MRT Bilddaten zwei- und auch dreidimensionale Darstellungen z.B. der Zahnoberfläche erreichen. Im Bereich der Visualisierungssoftware fallen z.B. Maximum-/Minimum-Intensity Projektionen in Kombination mit Kantenfiltern.
4. An dieser Stelle sollte betont werden, dass der zentrale Gedanke einer Dental-MRT-Technik durch Schritt 1, das Einbringen zusätzlicher Substanzklassen in den Mundraum, gebildet wird. Als Endergebnis erhält man ein modifiziertes Abbild der Mundhöhle, das eine verbesserte Bildverarbeitung oder eine Bildverarbeitung überhaupt erst ermöglicht.

Nach der Einführung der erfindungsgemäßen Technik wird ein Blick auf ihre praktische Einsetzbarkeit geworfen. Indem die neue MRT-Technik zur zahnmedizinischen Bilddatenerfassung das Einbringen zusätzlicher Substanzklassen in den Mundraum mit entsprechenden MRT-Verfahren und Rekonstruktionstechniken kombiniert, wird eine verbesserte Darstellung der Zähne und des Mundraums ermöglicht. Insbesondere ist die Möglichkeit naheliegend, verschiedene Software-Pakete, wie sie bereits erfolgreich im Bereich des Dental-CT's eingesetzt werden, direkt oder durch entsprechende Modifikationen auf das vorgeschlagene Verfahren zu übertragen, siehe z.B. Ref. [Gahnleitner]. Experten auf dem Gebiet der MR-Bildgebung, werden die Vorteile dieses Verfahrens unmittelbar zugänglich werden. Andere mögliche Modifikationen ergeben sich automatisch aus den allgemeinen Prinzipien. Folgende Einsatzbereiche sind denkbar (Liste nicht komplett):

1. Darstellung der anatomischen Gesamtsituation im Mund (Situationsabformung)
2. Funktionsabformung
3. Erstellen von Kiefermodellen
4. Erfassung der Oberflächen- bzw. Volumendaten eines Gebisses
5. Die Substanz-gestützte Dental-MRT kann mit Standard-MRT-Verfahren zur Darstellung der Zahnwurzeln und Kieferknochen kombiniert werden, um so eine Gesamtdarstellung der Kauwerkzeuge zu ermöglichen.
6. Ferner könnte auf Grundlage dieses Verfahrens die Planung kosmetischer Korrekturen und Eingriffe erfolgen.

Um die klinische Anwendbarkeit der Substanz-gestützten Dental-MRT zu bewerten, wurden verschiedene Bildstudien an gesunden Freiwilligen durchgeführt. Vor jeder Studie wurde eine Einverständniserklärung eingeholt. Die Abbildungen 2 bis 4 illustrieren die einzelnen Schritte dieser Studien. Für einen ersten Satz von Akquisitionen wurde ein herkömmlicher 1,5 T Siemens Vision Scanner (Siemens Medical Systems, Erlangen, Deutschland) verwendet. Dabei wurden jeweils entweder reines Wasser (2b) oder eine KM-Lösung (2c) als zusätzlich in den Mundraum eingebrachte Substanzklasse verwendet. Von Interesse war in erster Linie die Leistungsfähigkeit des Ansatzes zur Zahnoberflächendarstellung. Es konnte gezeigt werden, dass es mit der vorgeschlagenen Methode möglich ist, eine dreidimensionale Oberflächendarstellung (3 und 4) der Zähne mittels eingesetzter Substanzklassen zu erreichen, die vorher unmöglich war.
Es zeigte sich, dass herkömmliche nicht ferro-magnetische Zahnfüllungen (Amalgam, Gold, Keramik, ...) die Leistungsfähigkeit des Ansatzes nicht beeinträchtigen.
Durch die neue erfindungsgemäße MRT-Methode werden Limitationen, die bislang durch die MRT-Eigenschaften der Mundhöhle gesetzt wurden, teilweise aufgehoben. Insbesondere lassen sich mit diesen neuen Verfahren auch Darstellungen der Zahnoberflächen erreichen, welche die Anfertigung von Abdrücken des Ober- und Unterkiefers ermöglichen. Grundsätzlich werden durch diese neuen gefundenen Möglichkeiten neue Anwendungsfelder in der Kernspintomographie des Mundraums eröffnet, die mit Sicherheit noch weitere Patentanmeldungen nach sich ziehen werden.
Insgesamt erlaubt die Substanz-gestützte Dental-MRT die flexible Konditionierung des Signalverhaltens im Mundraum über zusätzliche Substanzklassen. Experten auf dem Gebiet der MRT wird dieser wesentliche Unterschied als nützliches Element zur Verbesserung der Bildqualität auffallen. Aus unserer bisherigen Erfahrung mit der Substanzgestützten Dental-MRT erwarten wir, dass der Einsatz der durch die Substanz-gestützten Dental-MRT gegebene Konditionierungen während der Datenakquisition am vorteilhaftesten ist, da sie die optimalste Ausgangsposition für die Bildverarbeitung liefert. Damit steht eine strahlungsfreie, belastungsfrei tomographische Volumentechnik zur Verfügung, die eine topographische Darstellung und eine Oberflächendarstellung von Zähnen erlaubt und damit die Möglichkeit zu einer überlagerungsfreien Darstellung des Ober- und Unterkiefers bietet.

Claims

Verfahren der MRT zur zahnmedizinischen Datenerfassung, wobei das Verfahren folgende wesentliche Schritte aufweist: – Einbringen von zusätzlichen Substanzenklassen in den Mundraum, wodurch eine modifizierte Spindichteverteilung in der Mundhöhle entsteht, und – Bilden eines MRT-Bilddatensatzes oder mehrerer MRT-Bilddatensätze des Mundraums – Einsatz geeigneter Visualisierungssoftware zur – Verwendung dieses Bilddatensatzes zur Darstellung der anatomischen Gesamtsituation im Mund (Situationsabformung), zur Funktionsabformung, zur Erstellung von Kiefermodellen oder zur Erfassung der Oberflächen- bzw. Volumendaten des Gebisses.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Substanzklassen flüssiger oder gasförmiger Natur sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Substanzklassen MRT-spezifische Kontrastmittel enthalten oder sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Substanzklassen hyperpolarisierter Natur sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Substanzklassen MRT-signalgebende Substanzen sind, die sich der Zahnoberfläche fließend anpassen können.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Substanzklassen eingesetzt werden, um Bildstörungen durch magnetische Suszeptibilitätssprünge und Feldinhomogenitäten in und um dem Mundraum herum zu minimieren oder zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgenommenen Bilddaten in Bildverarbeitungs- und Visualisierungsprogrammen zur Darstellung und Vermessung des Gebisses eingesetzt werden.
Gerät zur Kernspinresonanz-Tomographie, aufweisend einen Magneten zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes, mit einer Vorrichtung zum Anregen von Kernspins im Bereich des Mundraums sowie einer Vorrichtung zum Erfassen der Antwortsignale der angeregten Spins, und insbesondere einer Vorrichtung zur Applikation und zur eventuellen späteren Wiederentnahme der einzubringenden Substanzklassen.
Gerät nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur kontrollierten manuellen oder automatischen Gabe und Dosierung der einzubringenden gasförmigen oder flüssigen Substanzklassen und zu deren späteren Wiederentnahme, ohne dass hierbei der Untersuchungsbereich der untersuchten Person bewegt wird.