DE4238601C2 - Verfahren zum Bestimmen einer relativen Lageveränderung zwischen einem auf einem Röntgenbild dargestellten Skelett-Teil oder Organ und einem Implantat dieses Röntgenbildes in der humanen Röntgendiagnostik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer relativen Lageveränderung zwi­ schen einem auf einem Röntgenbild dargestellten Skelett-Teil oder Organ und einem Im­ plantat, beispielsweise Hüftgelenkprothese, dieses Röntgenbildes in der humanen Röntgen­ diagnostik.

Das besondere Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Analyse von Komponentenwande­ rungen (sowie Saumbildungen) in der Hüftendoprothetik. Nichtsdestoweniger ist das erfin­ dungsgemäße Verfahren gleichermaßen auf andere Anwendungsgebiete anwendbar, bei dem sich zwei Teile gegeneinander verschieben können und dies röntgendiagnostisch fest­ stellbar ist.

Bei der bereits erwähnten Hüftendoprothetik besteht das Problem der aseptischen Locke­ rung zementierter und zementfreier Hüftendoprothesensysteme. Dies stellt den Untersucher häufig vor diagnostische Probleme, inwieweit sich bei der Hüftendoprothese die künstliche Hüftpfanne im Beckenknochen gelockert und eine von der Sollposition abweichende Positi­ on eingenommen hat. Dies gilt gleichermaßen auch für den Schaft der Gelenkprothese, der sich im Oberschenkelknochen in seiner Lage verändert haben kann. Schließlich gibt es auch Lageveränderungen der Gelenkkugel innerhalb der Hüftpfanne. Alle diese Lageände­ rungen sind mit den herkömmlichen Methoden nur mit großem Zeitaufwand durchzuführen, wobei die Genauigkeit aufgrund der schwierigen diagnostischen Problemstellung oft unzu­ reichend ist.

Ein weiteres diagnostisches Problem stellt die sogenannte Saumanalyse dar, d. h. inwieweit ein in einem Knochen verankertes Implantat Spiel hat. Dieser Freiraum macht sich auf dem Röntgenbild durch eine entsprechende Schwärzung bemerkbar. Die Saumanalyse erfolgt bisher in erster Linie subjektiv durch den Betrachter der Röntgenbilder. Besonders bei ze­ mentfreien Pfannenimplantaten ist aber die radiologische Saumanalyse oft erschwert.

In "Forsgren and Seideman: An Interobject Distance Measure Based on Medial Axes Retrie­ ved from Discrete Distance Maps. In: IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 12, No. 4, April 1990, S. 390" wird ein spezielles Verfahren zur Bestim­ mung des Abstandes zweier unregelmäßig geformter Körper aus einer digitalisierten Rönt­ genaufnahme beschrieben. Ein Anwendungsgebiet dieses Verfahrens ist beispielsweise die humane Röntgendiagnostik, um bei rheumatische Beschwerden die Abstände von Knochen in den Gelenkbereichen zu bestimmen. Das bekannte Verfahren basiert im wesentlichen darauf, eine Mittellinie ("medial axes") zwischen den beiden Körpern zu konstruieren. Der Abstand wird dann aus dem Mittelwert der Entfernungen aller Punkte dieser Mittellinie zu den beiden Körpern berechnet. Die Anwendung dieser Methode ist auf konvexe Körper be­ schränkt, die zumindest in einem kleinen Gebiet parallele Kanten besitzen müssen (vgl. Ab­ schnitt VI).

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, schnelles sowie zuverlässiges Verfahren zum Bestimmen einer relativen Lageveränderung zwischen einem auf einem Röntgenbild dargestellten Skelett-Teil oder Organ und einem Implantat, beispielsweise Hüftgelenkprothese, dieses Röntgenbildes in der humanen Röntgendiagno­ stik zu schaffen.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß das Röntgenbild ein auf einem Bildschirm sichtbar gemachtes, entweder gleich digital aufgenommenes oder ausgehend von einem konventionellen Röntgenfilm digitalisiertes Röntgenbild ist, daß bei dem Skelett-Teil oder dem Organ und dem Implantat jeweils wenigstens ein für das jeweili­ ge Teil spezifischer Referenzpunkt vorgegeben wird, daß die geometrischen Koordinaten dieser Referenzpunkte auf dem Röntgenbild elektronisch bestimmt werden, indem ein Cur­ sor auf dem Bildschirm verwendet wird, der nacheinander in die Positionen der Referenz­ punkte gebracht wird, wobei die jeweiligen Cursor-Koordinaten gespeichert werden und wo­ bei daraus die geometrischen Beziehungen zwischen den Referenzpunkten elektronisch errechnet und gespeichert werden, und daß bei einer späteren Vermessung der Referenz­ punkte an einem zu einem späteren Zeitpunkt vom gleichen Motiv gemachten Röntgenbild die dann gewonnenen Daten mit den Daten einer früheren Vermessung elektronisch vergli­ chen werden.

Dies stellt ein einfaches, schnelles sowie zuverlässig arbeitendes Verfahren zur Analyse von Implantatswanderungen dar. Die Grundidee besteht dabei darin, auf dem vorliegenden Röntgenbild charakteristische Referenzpunkte auszuwählen, also Punkte, die beim gleichen Motiv auf jedem Röntgenbild immer wieder auftreten und identifizierbar sind. Diese Refe­ renzpunkte bilden dann die Basis für die Berechnung der geometrischen Beziehungen zwi­ schen den Referenzpunkten, um so Rückschlüsse daraus ziehen zu können, wie sich die relative Lage zwischen dem Skelett-Teil oder Organ und dem Implantat verändert hat. Die Auswahl insbesondere auch im Hinblick auf die Anzahl der Referenzpunkte hängt davon ab, welche geometrischen Beziehungen bestimmt werden sollen. Bei diesen geometrischen Be­ ziehungen kann es sich um Längen, Abstände, Winkel etc. handeln. Dabei wird immer eine aktuelle Vermessung mit den Vermessungsdaten einer Voruntersuchung verglichen. Da dies alles auf elektronischer Basis, d. h. mittels einer entsprechenden EDV-Software durch­ geführt wird, erfolgen die ganzen Berechnungen automatisch, schnell und mit hoher Zuver­ lässigkeit, wobei Lageveränderungen, die außerhalb eines vorgegebenen Toleranzberei­ ches liegen, schnell und zuverlässig erkannt und kenntlich gemacht werden können. Aufgrund der elektronischen Verarbeitung der Vermessungsdaten können selbstverständ­ lich ohne weiteres Korrekturverfahren hinsichtlich des Meßwertes durchgeführt werden, wenn die Motive auf den Röntgenbildern mit unterschiedlichen Maßstäben abgebildet sind. Das Röntgenbild liegt in digitaler Form vor und ist auf einem Bildschirm sichtbar gemacht. Vorzugsweise wird dabei ein konventioneller Röntgenfilm mit Hilfe eines CCD-Scanners und eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert. Entsprechend den Standards der digitalen Rönt­ gentechnik bei Skelettaufnahmen erfolgt die Auflösung mit einer Matrix von 2048 × 2048 Bildpunkten, was einer Pixelkantenlänge von 0,2 × 0,2 mm entspricht, d. h. 2,5 Linienpaare/mm. Die Dynamik beträgt dabei 10 bit/Pixel entsprechend 1024 Graustufen je Bildpunkt. Die Auswertung der digitalisierten Röntgenbilder kann auf einem Monitor mit einer Bildmatrix von 1024 × 768 Bildpunkten erfolgen. Durch Zooming kann bei Bedarf aus­ schnittsweise die volle Auflösung genutzt werden. Die Bewegung des Cursors auf dem Bild­ schirm erfolgt vorzugsweise mittels einer Maus. Die Ermittlung von Lageveränderungen bei implantierten Hüftgelenkprothesen stellt das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung dar. Bei der Hüftgelenkprothese wird in den Beckenknochen eine künstliche Hüftpfanne ein­ gesetzt, während der Schaft mit der dazugehörigen Kugel im Oberschenkelknochen des Beins verankert ist. Die Kugel des Schaftes kommt dabei in der künstlichen Hüftpfanne zu liegen und kann entsprechend dem natürlichen menschlichen Gelenk in dieser Pfanne be­ wegt werden. Um die Lageveränderungen zwischen der künstlichen Hüftgelenkpfanne und dem Beckenknochen, zwischen dem Schaft und dem Oberschenkelknochen sowie zwi­ schen der Kugel und der Pfanne zu bestimmen, wird eine Standardbeckenübersichtsauf­ nahme gemacht, auf der die Beckenknochen und die Hüftgelenkprothese gut zu erkennen sein müssen, um die entsprechenden Referenzpunkte identifizieren zu können.

Eine weitere Weiterbildung schlägt vor, daß während des Prozesses der Digitalisierung des Röntgenbildes und/oder das digitale Röntgenbild in Abhängigkeit von dem Bildmotiv softwa­ remäßig optimiert wird. Die Optimierung des Röntgenbildes hinsichtlich verschiedener Gra­ dationskurven sowie Histogrammausgleich hängt von der jeweiligen medizinischen Frage­ stellung ab, beispielsweise ob eine Beckenaufnahme für eine Hüftgelenkprothese gemacht werden soll.

Dabei wird die Optimierung vorzugsweise mittels eines Prescans und anschließender Bear­ beitung der eingescannten Daten durchgeführt.

Eine weitere Weiterbildung der Optimierung schlägt vor, daß während und/oder nach der Di­ gitalisierung und/oder am digitalen Röntgenbild wahlweise eine automatische Filterung mit optimalen Filterparametern, Kantenanhebung, Zoom, Fenstertechnik, Kontrastoptimierung und/oder farbige Darstellung des Kantenbildes mittels Farbcodierung durchgeführt wird. Durch den Zoom kann bei Bedarf ausschnittsweise die volle Auflösung des Bildes genutzt werden. Vorzugsweise wird zur Vermeidung von Überschwingartefakten, d. h. artifiziellen Aufhellungslinien an den Grenzschichten hoher Dichtesprünge eine konventionell angepaß­ te Ausspielung ohne Kantenbetonung verwendet.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, daß die Vermessungsdaten einschließlich der Daten der digitalen Röntgenbilder auf einem opti­ schen Datenträger, insbesondere auf einer optischen Karte gespeichert werden. Der beson­ dere Vorteil eines derartigen CD-ROM besteht darin, daß es sehr große Datenmengen fas­ sen kann, die durch die optischen Abtastverfahren sehr unempfindlich gegen äußere Einwir­ kungen sind. Die optische Karte hat den Vorteil, daß sie aufgrund ihrer Scheckkartengröße sehr handlich ist.

Schließlich wird in einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor­ geschlagen, daß längs einer im wesentlichen senkrecht zu der Übergangsstelle zwischen dem Skelett-Teil und dem Implantat verlaufenden Linie die Grauwerteverteilung des Rönt­ genbildes gemessen wird, wobei bei Feststellen eines Abfalls der Helligkeitswerte im Ske­ lett-Teil im unmittelbaren Bereich der Übergangsstelle unterhalb eines vorgegebenen Wer­ tes vom Sollwert eine entsprechende Meldung abgegeben wird. Diese Weiterbildung trägt der Tatsache Rechnung, daß sich das Implantat im Knochen lockern kann, so daß sich auf dem Röntgenbild ein entsprechender dunkler Saum bildet, was dem Untersuchenden an­ zeigt, daß sich das Implantat im Knochen gelockert hat. Dabei kann entlang der Grenz­ schicht zwischen Knochen und Implantat ein Abfall der Grauwerte von mehr als 20% als Korrelat für eine Saumbildung genommen werden. Die Breite und Ausdehnung der Säume wird angegeben und zum Vergleich für spätere Kontrollen abgespeichert. Diese Saumanaly­ se erfolgt erfindungsgemäß mittels einer entsprechenden EDV-Software automatisch, d. h. die in digitaler Form vorliegenden Grauwerte werden längs des jeweiligen Schnittes be­ stimmt. Dabei kann die Schnittbildung bereits automatisch erfolgen, indem das Programm selbständig die scharfe Grenzschicht zwischen dem Knochen und dem Implantat erkennt und die entsprechenden Schnitte legt. Diese Weiterbildung hinsichtlich der Saumanalyse stellt eine selbständige Erfindung dar, ohne daß sie an den Bestand der Erfindung zur geo­ metrischen Vermessung des Implantats, wie sie zuvor beschrieben wurde, gekoppelt ist.

Anhand des beigefügten Röntgenbildes soll das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer relativen Lageveränderung zwischen dem Beckenkno­ chen und einer Hüftgelenkprothese erläutert werden.

Zunächst soll die Wanderungsanalyse der Prothesenpfanne durchgeführt werden. Nach Eingabe der Erhebungsdaten für die Dokumentation und Röntgenbilddigitalisierung werden die erforderlichen Referenzpunkte für die Wanderungsmessung vom entsprechenden EDV-Programm nacheinander aufge­ rufen und mit der Maus auf dem Bildschirm markiert. Dabei werden zunächst die unteren Begrenzungen der beiden Tränenfiguren festgelegt, anschließend die untere und obere Pfannenbegrenzung zur Bestimmung der Ellipsenachse der Prothesenpfanne. Bei zementierten Polyethylenpfannen wird der zirkulä­ re Markierungsdraht nahe der Pfanneneingangsebene zur Festlegung der El­ lipsenachse verwendet. Im Fall von metallischen Pfannen können die Pfan­ nenbegrenzungen direkt markiert werden, wobei die anschließende Konstruk­ tion des Mittelpunktes der Achse automatisch erfolgt.

Nach manueller Eingabe des wahren Prothesenkopfdurchmessers wird die Projektionsfigur des Kopfes auf dem Bildschirm mit einem bezüglich Mittel­ punkt und Durchmesser variablen Kreis umfahren, automatisch der proje­ zierte Kopfdurchmesser ermittelt und zur Errechnung des Vergrößerungs­ faktors mit dem wahren Wert ins Verhältnis gesetzt. Um diesen Faktor wer­ den dann die gemessenen Distanzen vom Rechner korrigiert. Bei metallischen Pfannen in Verbindung mit Keramikköpfen muß möglicherweise mittels einer Kontrastveränderung die Kopfkontur verdeutlicht werden. Allerdings sind Jedoch in der Regel auch in kritischen Fällen ausreichend Anteile des Pro­ thesenkopfes zur Bestimmung der Kopfzirkumferenz projektionsfrei erkenn­ bar.

Nachdem die vier Referenzpunkte (2 Tränenfiguren, 2 Pfannenbegrenzungen) sowie die Prothesenkopfzirkumferenz markiert worden sind, erfolgt automa­ tisch die Konstruktion der Tränenfigurlinie, der Pfanneneingangslinie sowie des Prothesenkopf- und Pfannenzentrums. Es werden dabei der Inklinations­ winkel, die horizontale und vertikale Pfannenkoordinate sowie der Abstand zwischen Kopfzentrum und dem Pfannenzentrum größenkorrigiert ermittelt. Die Daten werden am Bildschirm angegeben und in einer Datenbank abgelegt. Die horizontale Koordinate wird beim Vorliegen mehrerer Verlaufskontrollen eines Patienten noch um den Korrekturfaktor aus dem Verhältnis der Trä­ nenfigurabstände gegen eventuelle Rotationsfehler korrigiert. In diesen Fäl­ len wird die Veränderung der Parameter Inklinationswinkel, horizontale und vertikale Pfannenkoordinate sowie Zentrenabstand gegenüber vorhergehen­ den ausgewerteten Beckenübersichten angegeben.

Die Wanderungsanalyse des Prothesenschaftes beruht auf der Konstruktion zweier Bezugsachsen der Prothesen- und der Femurschaftachse. Zunächst erfolgt dabei über die Maus die Markierung der lateralen Prothesenschulter sowie der Prothesenspitze. Im rechten Winkel zu dieser Basislinie werden 1,5 cm und 7,5 cm oberhalb der Prothesenspitze Dichteprofile in der Form von Grauwerteverteilungen angelegt. Die Mitten der Knochendurchmesser in bei­ den Höhen bestimmt die Lage der Femurachse die Mitten der Implantats­ durchmesser die Prothesenachse. Anschließend wird manuell die mediokrania­ le Begrenzung des Trochanter minors markiert. Über den Prothesenkopf­ durchmesser kann eine Korrektur projektionsbedingter Größenabweichungen durchgeführt werden, wie dies schon im Zusammenhang mit der Wanderungsanalyse der Pfanne beschrieben worden ist. Bestimmt wird der Winkel zwi­ schen der Femur- und der Implantationsachse sowie der Abstand der Pro­ thesenspitze von der mediokranialen Begrenzung des Trochanter minor.

Der Vergleich der gemessenen Parameter mit Voruntersuchungen erfolgt über ein integriertes Datenbankprogramm automatisch und kann für Pfanne und Schaft getrennt abgerufen werden. Für beide Implantationskomponenten sind insgesamt somit lediglich acht manuelle Markierungen notwendig. Der Rest der Analyse erfolgt mittels eines entsprechenden EDV-Programmes auto­ matisch.

Schließlich wird sowohl im Pfannen- als auch im Schaftbereich der Hüftge­ lenkprothese eine teilautomatisierte Analyse periprothetischer Säume über Dichteschnitte mittels Grauwertverteilung durchgeführt. Dabei werden Start- und Zielpunkt der Saumanalyse manuell festgelegt. Entlang der Grenzschicht zwischen Knochen und implantat wird ein Abfall der Grauwerte von mehr als 20% als Korrelat für eine Saumbildung angenommen. Die Breite und Ausdeh­ nung der Säume wird angegeben und in der Datenbank zum Vergleich für andere Kontrollen ab gespeichert.

Claims (6)

1. Verfahren zum Bestimmen einer relativen Lageveränderung zwischen einem auf einem Röntgenbild dargestellten Skelett-Teil oder Organ und einem Implantat, beispielsweise Hüftgelenkprothese, dieses Röntgenbildes in der humanen Röntgendiagnostik, dadurch gekennzeichnet, daß das Röntgenbild ein auf einem Bildschirm sichtbar gemachtes, entweder gleich di­ gital aufgenommenes oder ausgehend von einem konventionellen Röntgenfilm digitali­ siertes Röntgenbild ist, daß bei dem Skelett-Teil oder dem Organ und dem Implantat jeweils wenigstens ein für das jeweilige Teil spezifischer Referenzpunkt vorgegeben wird, daß die geometrischen Koordinaten dieser Referenzpunkte auf dem Röntgenbild elek­ tronisch bestimmt werden, indem ein Cursor auf dem Bildschirm verwendet wird, der nacheinander in die Positionen der Referenzpunkte gebracht wird, wobei die jeweiligen Cursor-Koordinaten gespeichert werden und daraus die geometrischen Bezie­ hungen zwischen den Referenzpunkten elektronisch errechnet und gespeichert werden, und daß bei einer späteren Vermessung der Referenzpunkte an einem zu einem späteren Zeitpunkt vom gleichen Motiv gemachten Röntgenbild die dann gewonnenen Daten mit den Daten einer früheren Vermessung elektronisch verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Prozesses der Digitalisierung des Röntgenbildes und/oder das digitale Röntgenbild in Abhängigkeit von dem Bildmotiv softwaremäßig optimiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung mittels ei­ nes Prescans und anschließender Bearbeitung der eingescannten Daten durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß während und/oder nach der Digitalisierung und/oder am digitalen Röntgenbild wahlweise eine automati­ sche Filterung mit optimalen Filterparametern, Kantenanhebung, Zoom, Fenstertechnik, Kontrastoptimierung und/oder farbige Darstellung des Kantenbildes mittels Farbcodie­ rung durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ messungsdaten einschließlich der Daten der digitalen Röntgenbilder auf einem opti­ schen Datenträger, insbesondere auf einer optischen Karte gespeichert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß längs einer im wesentlichen senkrecht zu der Übergangsstelle zwischen dem Skelett-Teil und dem Implantat verlaufenden Linie die Grauwerteverteilung des Röntgenbildes gemessen wird, wobei bei Feststellen eines Abfalls der Helligkeitswerte im Skelett-Teil im unmittel­ baren Bereich der Übergangsstelle unterhalb eines vorgegebenen Wertes vom Sollwert eine entsprechende Meldung abgegeben wird.