DE102004033989A1

DE102004033989A1 - Verfahren zur Messung der dreidimensionalen Dichteverteilung in Knochen

Info

Publication number: DE102004033989A1
Application number: DE102004033989A
Authority: DE
Inventors: Jens Fehre; Bernd Dr. Granz; Thomas Dr. Mertelmeier
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-07-15
Also published as: US20060013361A1; US7174000B2; DE102004033989B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der dreidimensionalen Dichteverteilung in einem Knochen (8). Dabei wird unter Verwendung einer um einen Winkel von höchstens 300 DEG rotierbaren Messanordnung ein die quantitative Dichteverteilung im Knochen (8) wiedergebendes zwei- oder dreidimensionales Bild erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der dreidimensionalen Dichteverteilung in Knochen sowie die Verwendung einer C-Bogen Röntgenvorrichtung.

Aus der DE 696 20 869 T2 ist eine Vorrichtung zur Messung des Mineralgehalts in Knochen bekannt. Dabei wird der zu untersuchende Knochen aufeinander folgend mit Röntgenstrahlung unterschiedlicher Energie bestrahlt. Aus der gemessenen Absorption der Röntgenstrahlung und unter Verwendung vorher mittels eines Referenzobjekts gewonnener Referenzwerte wird der Mineralgehalt im Knochen bestimmt. Dabei wird über die gesamte Dicke des Knochens gemittelt. Im Ergebnis erhält man dabei eine zweidimensionale Dichteverteilung in g/cm². Eine u.U. im Knochen sich abzeichnende Veränderung der Knochendichte, insbesondere eine Abnahme des Mineralgehalts in einem vorgegebenen Volumenelement, kann mit dem bekannten Verfahren nicht erfasst werden. Gerade zur Diagnose von Osteoporose ist es aber äußerst wichtig, bereits geringste Veränderungen der dreidimensionalen Dichteverteilung im Knochen frühzeitig zu erfassen.

Aus dem im Jahr 2003 veröffentlichten Prospekt "LEXXOS Digital Flash Beam Technology – Bedimensional Densitometer" der Firma Diagnostic Medical Systems sind mehrere Verfahren zur zweidimensionalen Messung der Knochendichte bekannt. Dabei wird unter Verwendung eines einzel- oder Pencil-Strahls und eines linearen oder punktförmigen Detektors durch einen linearen Scan ein zweidimensionales digitales Röntgenbild erzeugt. Daneben ist es auch möglich, mit einem zweidimensional aufgefächerten Röntgenstrahl und einem zweidimensionalen Detektorsystem ein zweidimensionales digitales Röntgenbild zu erzeugen. Durch eine relative Bewegung des Röntgensystems zur Patientenliege in x- und y-Richtung kann eine zweidimensionale Aufnahme des gesamten Körpers hergestellt werden. Damit ist es möglich, an ausgewählten Orten der aufgenommenen Fläche zweidimensional die Knochendichte zu bestimmen.

Zur Bestimmung der Knochendichte ist es aus dem im Jahr 2003 veröffentlichten Prospekt "UBIS 5000" der Firma Diagnostic Medical Systems ferner bekannt, mittels Ultraschall die Knochendichte zu messen. Auch damit kann eine Veränderung der Knochendichte in einem vorgegebenen Volumenelement nicht exakt erfasst werden.

Nach dem Stand der Technik ist aus "http://www.syngo.com/deutsch/ ct-osteo-htm" eine Bestimmung der Knochendichte mittels quantitativer Computertomografie bekannt. Dabei werden mehrere Schichten eines Objekts, z. B. eines Wirbelkörpers, aufgenommen. Gleichzeitig mit der Aufnahme wird ein Knochenphantom gemessen. Infolgedessen können die quantitativen Werte absolut kalibriert werden (W. A. Kalender et al. "The European Spine Phantom – a tool for standardization and quality control in spinal bone mineral measurements by DXA and QCT", Eur. J. Radiol., 1995, 20, 2, 83–92). Es gelingt damit an bestimmten Stellen des Wirbelkörpers quantitativ die Knochendichte zu bestimmen.

Nach dem Stand der Technik ist weiterhin unter der Bezeichnung "SIREMOBIL Iso-C^3D" eine von der Firma Siemens AG vertriebene mobile Röntgeneinrichtung bekannt. Dabei ist auf einem C-förmigen Bogen in gegenüberliegender Anordnung eine Röntgenquelle und ein Detektor zur Aufnahme zweidimensionaler Röntgenbilder vorgesehen. Die Röntgenquelle kann gemeinsam mit dem Detektor um ein Isozentrum rotiert werden. Mit der bekannten Röntgenvorrichtung ist es möglich, ein zu untersuchendes Objekt qualitativ auch dreidimensional darzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein möglichst genaues Verfahren zur Messung der dreidimensionalen Dichteverteilung in Knochen anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 16 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 15.

Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Messung der dreidimensionalen Dichteverteilung in einem Knochen mit folgenden Schritten vorgesehen:

– Bereitstellen einer um eine Rotationsachse rotierbaren Messanordnung mit einer Röntgenquelle und einem gegenüberliegend angeordneten Detektor mit einem aus einer Vielzahl von Detektorelementen gebildeten zweidimensionalen Detektorarray,
– Anordnen des zu vermessenden Knochens im Bereich der Rotationsachse,
– Erzeugen von Röntgenstrahlung und Rotieren der Messanordnung um die Rotationsachse um einen Winkel von zumindest 180° und höchstens 300°, wobei vom Detektor in Abhängigkeit des Rotationswinkels der Messanordnung der vom Knochen nicht absorbierte Abteil der Röntgenstrahlung gemessen wird,
– Berechnung eines quantitativen Dichtewerts für jedes Voxel eines durchstrahlten Volumens des Knochens und
– Erzeugen eines die quantitative Dichteverteilung im Knochen wiedergebenden zwei- oder dreidimensionalen Bilds aus den berechneten Dichtewerten.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es erstmals möglich, ein vorgegebenes Volumen im Knochen im Hinblick auf dessen Dichteverteilung ortsaufgelöst zu untersuchen. Das vermessene Volumen kann anhand der Morphologie des Knochens in seiner Lage genau bestimmt werden. Infolgedessen ist es möglich, das Volumen über einen Zeitraum von mehreren Jahren wiederholend zu vermessen und aus einem Vergleich der gemessenen Werte eine Aussage über den Verlauf oder den Beginn einer Knochenkrankheit zu machen. Ein wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass mit einer einzigen Messung, d.h. einer Rotation um den vorgegebenen Rotationswinkel, sogleich die Dichteverteilung im durchstrahlten bzw. untersuchten Volumen quantitativ erfasst werden kann.

Zur Durchführung der Messung wird die Messanordnung zweckmäßigerweise um einen Winkel von höchstens 240°, vorzugsweise höchstens 200°, um die Rotationsachse rotiert. Eine vollständige Rotation um 360° ist nicht erforderlich. Das eröffnet neue Freiheiten in der Konstruktion einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung.

Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, dass für jedes Detektorelement pro Messdurchgang zumindest 400 Messwerte in Abhängigkeit des jeweiligen Rotationswinkels erfasst werden. Unter einem "Messdurchgang" wird die Erfassung der Messwerte während der Rotation der Messanordnung verstanden. Nach der Erfassung der Messwerte wird die Messanordnung zweckmäßigerweise wieder in ihre Ausgangsposition zurückrotiert. Mit der vorgenannten Anzahl von Messwerten kann eine hinreichend genaue Aussage über die Dichteverteilung im Knochen gemacht werden. Dabei lässt sich das Verfahren relativ schnell durchführen. Es kann damit bei einem einzigen Messdurchgang ein relativ großes Volumen von (10 cm)³ bis (20 cm)³ erfasst werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Röntgenstrahlung mittels der Detektorelemente mit einer Ortsauflösung von weniger als 0,4 mm, vorzugsweise mit einer Ortsauflösung im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm, erfasst. Damit kann mit einer hervorragenden Genauigkeit die Dichteverteilung in einem vorgegebenen Volumen im Knochen bestimmt werden.

Zur Rekonstruktion der Dichteverteilung kann ein iterativer algebraischer Algorithmus oder ein analytisches Rekostruktionsverfahren, beispielsweise der Feldkamp-Algorithmus für Kegelstral-Geometien, verwendet werden. Beim Feldkamp-Algorithmus handelt es sich um ein nach dem Stand der Technik bekanntes Verfahren, welche insbesondere im Bereich der Röntgen-Computertomografie Verwendung findet. Zur Rekonstruktion einer quantitativen Dichteverteilung ist es allerdings erforderlich, den herkömmlichen Feldkamp-Algorithmus in geeigneter Weise zu modifizieren. Es ist insbesondere erforderlich, die gemessenen Werte, vorzugsweise unter Verwendung eines Kalibrierwerts, zu korrigieren. Daneben können weitere nach dem Stand der Technik bekannte Korrekturverfahren zur Vermeidung oder Unterdrückung von Artefakten verwendet werden. Derartige Verfahren sind insbesondere aus dem Bereich der Bildrekonstruktion bei der Röntgen-Computertomografie allgemein bekannt. So können beispielsweise zur Korrektur Rekonstruktionsfilter eingesetzt werden, welche für jedes Voxel quantitativ einen Dichtwert liefern. Ferner können physikalische Effekte wie Streustrahlung und Strahlaufhärtung korrigiert werden. Außerdem kann eine Korrektur einer Ausgangsintensität durchgeführt und/oder es können abgeschnittene Projektionen berücksichtigt werden. Neben der Dichteverteilung können alternativ oder zusätzlich Auswertungen im Hinblick auf das Frakturrisiko, Z-Score und T-Score durchgeführt werden. Es wird insoweit ergänzend verwiesen auf den im Jahr 2000 veröffentlichten Prospekt "Sahara Clinical Bone Sensometer" der Firma Hologic, Inc, USA, dessen Offenbarungsgehalt hiermit einbezogen wird.

Der Detektor ist dabei insbesondere so ausgebildet, dass das gesamte zu durchstrahlende Volumen mit einer einzigen Rotation der Messanordnung erfasst werden kann. Weiterhin hat es sich als zweckmäßig erwiesen, einen Detektor mit einer Bittiefe von mindestens 12 Bit zu verwenden. Dazu kann auf herkömmliche Detektoren zurückgegriffen werden. Es ist vorteil hafterweise nicht erforderlich, den Detektor zur Messung der Dichteverteilung im Knochen in seiner Konstruktion zu ändern.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können zwei aufeinander folgende Messdurchgänge mit unterschiedlichen Röntgenenergien durchgeführt werden. Damit ist es möglich, unterschiedlich dichte Knochenanteile im Volumen zu erfassen und darzustellen. Ergänzend wird dazu auf die DE 696 20 869 T2 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hiermit einbezogen wird. Der zweite Messdurchgang unter Verwendung einer anderen Röntgenenergie kann zweckmäßigerweise beim Zurückrotieren der Messanordnung in die Ausgangsposition erfolgen. Das ermöglicht eine besonders schnelle und effektive Verfahrensführung.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann ein Kalibrierwert durch Messen eines Phantoms mit einer bekannten Dichte oder Dichteverteilung erzeugt werden. Das Phantom kann beispielsweise vor oder während des Verfahrens gemessen werden. Damit ist es möglich, beispielsweise unter Verwendung eines Kegel-Strahl-Algorithmus, für jedes Voxel die absolute Dichte im rekonstruierbaren Volumen zu rekonstruieren.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist es auch möglich, den Kalibrierwert einmal aufzunehmen und dann zu speichern. Damit kann auf eine mehrfache Messung eines Phantoms verzichtet werden.

Weiterhin hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Detektor im Bereich eines ersten Endes und die Röntgenquelle im Bereich eines zweiten Endes eines um die Rotationsachse rotierbaren, in Form eines Ringabschnitts ausgebildeten Trägers angebracht sind. Als Detektor kann ein Flachdetektor verwendet werden, bei dem die Detektorelemente in einer X/Y-Ebene angeordnet sind. Ferner ist es möglich, dass eine Rotationsebene der Messanordnung vor der Messung durch Schwenken um eine Schwenkachse eingestellt wird. Das vorgeschlagene Ver fahren kann damit mit einer herkömmlichen Vorrichtung, beispielsweise der unter der Bezeichnung "SIREMOBIL Iso-C^3D" der Firma Siemens AG durchgeführt werden. Es ist lediglich eine zusätzliche, die Funktion des vorgeschlagenen Verfahrens bewirkende Software zu installieren. Die herkömmliche Röntgenvorrichtung ist besonders universell. Sie ist mobil und kann im Operationssaal eingesetzt werden, ohne dass der Patient umgelagert werden muss. Damit ist eine vereinfachte Bestimmung des Mineralgehalts von Knochen, insbesondere bei bettlägerigen Patienten möglich.

Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal des Verfahrens wird die Vorrichtung bezüglich des zu vermessenden Volumens geometrisch anhand zuvor gewonnener Messwerte kalibriert. Die Kalibrierung kann anhand markanter morphologischer Merkmale des Knochens erfolgen, in dem das zu untersuchende Volumen enthalten ist. Zur exakten geometrischen Kalibrierung kann auf zuvor gespeicherte Messwerte zurückgegriffen und anhand derer beispielsweise eine Patientenliege automatisch relativ zur Messanordnung solange verfahren werden, bis die exakte Position erreicht ist. Anschließend kann mit exakter geometrischer Kalibrierung der Messdurchgang durchgeführt werden.

Die gemessene Dichteverteilung im Volumen kann anschließend durch Überlagerung mit einer früheren Dichteverteilung im Volumen verglichen werden. Es können so rechnerisch sofort sich ergebende Abweichungen oder Unterschiede ermittelt und dargestellt werden. Auf diese Weise kann eine eventuelle Knochenerkrankung schnell und einfach erkannt werden.

Die Überlagerung der gemessenen Volumen kann anhand morphologischer Merkmale des vermessenen Knochens erfolgen. Sie kann auch anhand von Übereinstimmungen in den gemessenen Dichteverteilungen erfolgen.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren bleibt der Patient in Z-Richtung relativ zur rotierenden Messanordnung an Ort und Stelle, d.h. er wird in Z-Richtung nicht bewegt. Damit ist es in besonders exakter Weise möglich, wiederholend immer wieder dasselbe Volumen zu vermessen. Es ist aber auch möglich, den Patient relativ zur Messanordnung in z-Richtung zu bewegen. Damit können nacheinander mehrere vorgegebene Volumina untersucht werden.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist die Verwendung einer C-Bogen Röntgenvorrichtung zur Messung der dreidimensionalen Dichteverteilung in einem Knochen vorgesehen. Eine solche C-Bogen Röntgenvorrichtung ist nach dem Stand der Technik allgemein bekannt. Es wird beispielsweise auf die DE 199 57 330 A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt hiermit einbezogen wird.

Insbesondere bei der Verwendung einer C-Bogen Röntgenvorrichtung ist zu beachten, dass diese bei der Messung eine räumliche Lageungenauigkeit aufweisen kann. Die exakte geometrische Anordnung der Röntgenröhre, des Objekts und des Detektors muss für jede Projektion bei der Rekonstruktion berücksichtigt werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht einer Röntgeneinrichtung und
2 die Rotationsmöglichkeiten der Röntgeneinrichtung gemäß 1.
In 1 sind an einem in Form eines Ringabschnitts ausgebildeten Träger 1 in gegenüberliegender Anordnung eine Röntgenquelle 2 und ein Detektor 3 angebracht. Bei dem Detektor 3 kann es sich z. B. um einen Flachbilddetektor handeln, der eine Vielzahl von in einer X/Y-Ebene angeordneten Detektorelementen aufweist. Selbstverständlich können anstelle des Flachbilddetektors auch andere Detektoren 3 zum Einsatz kommen. Geeignete Detektoren sind beispielsweise aus R. F. Schulz : RöFo, Band 173, 2001, Seiten 1137 bis 1146 bekannt. Der Offenbarungsgehalt dieses Dokuments wird hiermit einbezogen.
Der Träger 1 ist rotierbar um eine senkrecht zur Papierebene stehende Z-Achse z an einem Halteelement 4 gehalten. Das Halteelement 4 ist – wie mit dem Doppelpfeil angedeutet ist – schwenkbar um eine senkrecht zur Z-Achse z stehende Y-Achse (hier nicht gezeigt) an einem Wagen 5 angebracht. Im Wagen 5 kann ein Hochspannungsgenerator zur Erzeugung der für die Röntgenstrahlung erforderlichen Hochspannung vorgesehen sein. Der Wagen 5 ist mit einem mobilen Element 6 verbunden, welches Auswerteeinrichtungen, wie einen Computer (hier nicht gezeigt) und einen Monitor 7 aufnimmt.
Aus 2 ist ersichtlich, dass im beschriebenen Ausführungsbeispiel der Träger 1 um etwa 190° um die Z-Achse z isozentrisch rotierbar ist. Ein zu untersuchendes Objekt ist in 2 mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet.
Zur Bestimmung der Dichteverteilung in einem zu untersuchenden Objekt 8 bzw. in einem Knochen wird dieses/dieser in die Nähe des auf der Z-Achse z liegende Isozentrums der Messanordnung gebracht. Anschließend wird der Träger 1 in eine Ausgangsposition, d. h. Rotationswinkel = 0, verfahren. Nach dem Aktivieren des Messanordnung wird der Träger 1 um etwa 190° rotiert. Während der Rotation werden in Abhängigkeit des jeweils gemessenen Rotationswinkels zumindest 400 zweidimensionale Absorptionsverteilungen mit dem Detektor 3 erfasst. Die gemessenen Absorptionsverteilungen können mittels des Computers zwischengespeichert werden. Aus den gemessenen zweidimensionalen Absorptionsverteilungen wird anschließend unter Verwendung eines zuvor gewonnen Kalibrierwerts eine Dichteverteilung im untersuchten Knochenvolumen z. B. im Wege eines modifizierten Feldkamp-Algorithmus errechnet.
Die ermittelte Dichteverteilung kann zwei- oder dreidimensional dargestellt werden.
Zusätzlich zu der ermittelten Dichteverteilung im untersuchten Volumen werden geometrische Merkmale ermittelt und gespeichert, welche einen Vergleich der Messwerte mit künftig aufgenommenen Messwerten ermöglichen. Es kann sich dabei um morphologische Merkmale des Objekts 8 oder auch die ermittelte Dichteverteilung im Volumen selbst handeln.

Claims

Verfahren zur Messung der dreidimensionalen Dichteverteilung in einem Knochen (8) mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer um eine Rotationsachse (z) rotierbaren Messanordnung mit einer Röntgenquelle (2) und einem gegenüberliegend angeordneten Detektor (3) mit einem aus einer Vielzahl von Detektorelementen gebildeten zweidimensionalen Detektorarray, Anordnen des zu vermessenden Knochens (8) im Bereich der Rotationsachse (z), Erzeugen von Röntgenstrahlung und Rotieren der Messanordnung um die Rotationsachse (z) um einen Winkel von zumindest 180° und höchstens 300°, wobei vom Detektor (3) in Abhängigkeit des Rotationswinkels der Messanordnung der vom Knochen (8) nicht absorbierte Anteil der Röntgenstrahlung ortsaufgelöst gemessen wird, Berechnung eines quantitativen Dichtewerts für jedes Voxel eines durchstrahlten Volumens des Knochens und Erzeugen eines die quantitative Dichteverteilung im Knochen (8) wiedergebenden zwei- oder dreidimensionalen Bilds aus den berechneten Dichtewerten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Durchführung der Messung die Messanordnung um einen Winkel von höchstens 240° um die Rotationsachse (z) rotiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jedes Detektorelement pro Messdurchgang zumindest 400 Messwerte in Abhängigkeit des jeweiligen Rotationswinkels erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Röntgenstrahlung mittels der Detektorelemente mit einer Ortsauflösung von weniger als 0,4 mm, vorzugsweise mit einer Ortsauflösung im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm, erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Rekonstruktion ein analytischer Kegelstrahl-Algorithmus, vorzugsweise ein computergestütztes Rechenverfahren auf der Grundlage des Feldkamp-Algorithmus, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zur Rekonstruktion ein iterativer algebraischer Algorithmus verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Rekonstruktion die Geometrie jeder Projektion berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gemessen Werte korrigiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei aufeinander folgende Messdurchgänge mit unterschiedlichen Röntgenenergien durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kalibrierwert durch Messen eines Phantoms erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kalibrierwert gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Detektor (3) im Bereich eines ersten Endes und die Röntgenquelle (2) im Bereich eines zweiten Endes eines um die Rotationsachse (z) rotierbaren, in Form eines Ringabschnitts ausgebildeten Trägers (1) angebracht sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Detektor (3) ein flacher Detektor verwendet wird, bei dem die Detektorelemente in einer X/Y-Ebene angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Rotationsebene der Messanordnung vor der Messung durch Schwenken um eine Schwenkachse eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Detektor (3) ein Detektor mit Energieauflösung verwendet wird.
Verwendung einer C-Bogen Röntgenvorrichtung zur dreidimensionalen Messung der Dichteverteilung in einem Knochen.