Aus der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie – Klinische Navigation und Robotik
der Charité - Universitätsmedizin Berlin

Dissertation

Vermessung
von kraniofazialen Knochenimplantaten
im Rinderknochenphantom
mit einem mobilen Computertomografen

Zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor medicinae (Dr. med.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät der Charité-
Universitätsmedizin Berlin

von
Georg Maier
aus St. Georgen

Dekan: Prof. Dr. med. Martin Paul

Gutachter:
1. Prof. Dr. med. Dr. med. dent. M. Klein
2. Prof. Dr. med. N. Hosten
3. Prof. Dr. med. Dr. med. dent. R. Schmelzeisen

eingereicht:29.09.2004

Datum der Promotion:13.05.2005

Zusammenfassung

Im Berliner Zentrum für Craniofaciale Fehlbildungen in der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie- Klinische Navigation und Robotik der Charité Campus Virchow-Klinikum in Berlin wird der mobile CT Philips Tomoscan M in die Implantation von extraoralen kraniofazialen Knochenankern zur Epithesenfixierung eingebunden. Es stellt sich dabei die Frage nach der Ortstreue und Dimensionstreue von knöchernen Strukturen und extraoralen kraniofazialen Implantaten im CT. Ein Knochenphantom dient der Vermessung von Lochpaaren verschiedener Abstände, einer Knochenschraube, eines Abutments und eines Magneten unter variierten Scanparametern durch Werkzeuge der Scannerkonsole. Die Ortstreue von Löchern und Implantaten liegt in ≥99% im Intervall ±0,2mm. Fenstereinstellungen haben einen geringen Einfluss auf Lochabstände. Lochdurchmesser zeigen unter Anhebung des Window Level (WL) Korrelation (r²=0,776) und eine lineare Größenzunahme bei maßstabgerechter Skalierung, variieren aber wenig unter Variation der Window Width (WW). Alle Implantate werden zu groß abgebildet, außer in extremen Fenstereinstellungen. Implantatdimensionen nehmen bei maßstabgerechter Skalierung mit höheren WL linear ab. Die Variabilität der Darstellung nimmt mit dichterem Implantatmaterial ab. Kontaktflächen von Implantaten mit Gewebe sind im CT nicht beurteilbar.

Eigene Schlagworte: Mobiles CT, Tomoscan M, Epithetik, Objektlokalisation, Genauigkeit, extraorale Implantate, Entific Medical Systems, Steco Titanmagnetics, Darstellung im CT, Knochenkontakt

Abstract

In the Berlin Centre for Craniofacial Malformations at the Clinic for Oromaxillofacial Surgery of the Charité, Campus Virchow- Clinic in Berlin, a mobile CT Scanner Philips Tomoscan M is integrated into the process of extraoral bone anchor implantation for prosthesis fixture. With implementation of the scanner, accuracy of localisation and dimensional accuracy of bony structures and implants have been questioned. A bone phantom is used for measuring distances between holes, hole diameters and dimensions of an implant fixture, an abutment and a magnet with measuring tools of the scanner under variation of scan parameters. Localisation accuracy of holes and implants is found in ≥99% within ±0.2mm. Window settings have little influence on hole distances. Diameters show linear growth at standardized scaling and correlation with window level augmentation (r²=.776). Little Variation of diameters is found with variation of window width. All Implants are magnified. Implant dimensions diminish with window level augmentation at standardized scaling. Variability of dimension decreases with more radio opaque implant material. Implant contact with tissues cannot be assessed in CT scans.

Keywords: Mobile CT, Tomoscan M, craniofacial implantology, localization of objects, accuracy, extraoral implants, entific Medical Systems, Steco Titanmagnetics, depiction in CT, bone contact

Widmung

Diese Arbeit widme ich meinen Eltern für deren tatkräftige Unterstützung.

Inhaltsverzeichnis

• 1  Einleitung
  • 1.1 Hintergrund
  • 1.2 Kraniofaziale Epithetik
  • 1.3  Grundlagen der Computertomografie
    • 1.3.1 Röntgen
    • 1.3.2 Prinzip der Computertomografie
    • 1.3.3 Bildrekonstruktion im CT
    • 1.3.4 Variable Geräteparameter eines Computertomografen
    • 1.3.5  Systematische Fehlerquellen im CT
    • 1.3.6 Strahlenexposition im CT
    • 1.3.7 Kontrolle technischer Parameter des Computertomografen
  • 1.4  Stand der Forschung zur Genauigkeit des CT
    • 1.4.1 Klinische Einschätzung der Wertigkeit des CT
    • 1.4.2 Navigation nach CT-Datensätzen
    • 1.4.3 Genauigkeit linearer Messungen mit dem CT
    • 1.4.4 Ortsauflösung des CT
    • 1.4.5 Einflüsse der Scannertechnik
    • 1.4.6 Einflüsse durch Materialien und Gewebe im Strahlengang
    • 1.4.7 Einflüsse durch Bildverarbeitung
    • 1.4.8 Einflüsse durch klinische Anwendung des CT
• 2  Herleitung der Aufgabenstellung
  • 2.1 Problematik in der Anwendung des Tomoscan M
  • 2.2 Aufgabenstellung
• 3  Methodik
  • 3.1 Herstellung des Knochenphantoms
  • 3.2  Spezifizierung der Implantate
  • 3.3 Erstellung der Schnittbilder
    • 3.3.1 Scandurchführung
    • 3.3.2 Variation der Scanprozeduren
  • 3.4  Datenauswertung
    • 3.4.1 Messwerterhebung
    • 3.4.2 Messwertauswertung
• 4  Ergebnisse
  • 4.1 Übersicht über Lochabstände
  • 4.2  Messgenauigkeit des Tomoscan M bei Distanzen am Knochen
    • 4.2.1 Standardmessung an 10mm
    • 4.2.2 Standardmessung an 100mm
  • 4.3 Einfluss von Implantaten
    • 4.3.1 Achsenabstände vor und nach Implantation an 10mm
    • 4.3.2 Achsenabstände vor und nach Implantation an 100mm
  • 4.4  Einfluss von Scanprotokollen
    • 4.4.1 Scanparametervariation an 10mm und 100mm
    • 4.4.2 Variation des Algorithmus an 10mm und an 100mm
    • 4.4.3  Variation des Field of View an 10mm und an 100mm
  • 4.5 Einfluss der Objektposition in der Gantry
    • 4.5.1 Exzentrische Objektpositionierung
    • 4.5.2 Kippung des Objekts an 10mm und 100mm
    • 4.5.3 Einfluss der Schnittebenenorientierung
  • 4.6 Einfluss von Fenstereinstellungen
    • 4.6.1 Lochachsenabstände unter Fenstervariation
    • 4.6.2  Lochdurchmesser bei Fenstervariation
  • 4.7 Implantatdarstellung
    • 4.7.1 Implantatquerschnitte
    • 4.7.2 Implantatdurchmesser im Längsschnitt
    • 4.7.3 Implantatlängen
    • 4.7.4 Implantatdarstellung unter FoV 50 und FoV 200
  • 4.8 Zusammenfassung der Ergebnisse
• 5  Diskussion
  • 5.1 Einschätzung des Stands der Forschung
    • 5.1.1 Klinische Anwendung von CT- Daten zur Navigation
    • 5.1.2 Mehrzeilen- CT und Spiral- CT
    • 5.1.3 Technische Restriktionen durch den Scanner
  • 5.2  Diskussion der Methodik
    • 5.2.1 Fehlermöglichkeiten durch Knochen
    • 5.2.2 Fehlermöglichkeiten durch Bearbeitung
    • 5.2.3 Fehler der Implantate
    • 5.2.4 Fehlermöglichkeiten des Tomoscan M
    • 5.2.5  Fehler durch unsachgemäße Versuchsdurchführung
    • 5.2.6 Fehlerhafte Darstellung von Objektgrenzen
    • 5.2.7 Fehler durch Artefakte
    • 5.2.8 Fehlerhafte Messwertablesung
  • 5.3 Kritische Betrachtung der Ergebnisse
    • 5.3.1 Messungen
    • 5.3.2 Errechnete Werte
    • 5.3.3 Lochabstände
    • 5.3.4 Lochdurchmesser
    • 5.3.5 Implantatdarstellung
  • 5.4 Schlussfolgerungen
  • 5.5 Ausblick
• 6  Zusammenfassung
• Abkürzungsverzeichnis
• Literaturverzeichnis
• Danksagung
• Lebenslauf
• Eidestattliche Erklärung

Tabellen

• Tabelle 1: Basiswerte der Konstanzprüfung des Tomoscan M [134].
• Tabelle 2: Gerätespezifikationen des Tomoscan M [133].
• Tabelle 3: Lochabstände laut Werkszeichnung.
• Tabelle 4: Implantatbezeichnungen laut Herstellerangaben [42, 43, 167].
• Tabelle 5: Standard der Scanerstellung.
• Tabelle 6: Kriterien der Objektpositionierung.
• Tabelle 7: Standardeinstellungen des Scanners im klinischen Betrieb.
• Tabelle 8: Parametervariation bei den Messungen.
• Tabelle 9: Schematische Auswertung der Messwerte.
• Tabelle 10: Schema der Messwertablesung.
• Tabelle 11: Häufigkeitsverteilung aller Lochabstände mit Nominalabstand 10mm.
• Tabelle 12: Häufigkeitsverteilung aller Lochabstände mit Nominalabstand 100mm.
• Tabelle 13: T- Test der Standardmessung bei Testwert 10,1mm.
• Tabelle 14: T- Test der Standardmessung bei Testwert 100,05mm.
• Tabelle 15: ANOVA der Standardmessung L3-4 und L4-5 mit und ohne Implantat.
• Tabelle 16: ANOVA der Standardmessung an L1-7 mit und ohne Implantat.
• Tabelle 17: ANOVA bei Implantaten und Scanparametern an 10mm und 100mm.
• Tabelle 18: ANOVA bei Variation des Algorithmus mit Implantaten an 10mm und 100mm.
• Tabelle 19: ANOVA bei Variation des FoV mit Implantaten an 10mm.
• Tabelle 20: Varianzanalyse bei Variation des FoV mit Implantaten an 100mm.
• Tabelle 21: ANOVA bei Variation der Position mit Implantaten an 10mm und 100mm.
• Tabelle 22: Oneway- ANOVA bei Objektkippung an 10mm und 100mm.
• Tabelle 23: Oneway- ANOVA bei Schnittebenenvariation an 10mm und 100mm.
• Tabelle 24: ANOVA bei Variation von WW, WL und Implantaten an 10mm und 100mm längs.
• Tabelle 25: Deskriptive Statistik von Lochdurchmessern längs und quer.
• Tabelle 26: Linearer Regressionskoeffizient von WW und WL für Lochdurchmesser.
• Tabelle 27: Korrelationskoeffizient von WW und WL für Lochdurchmesser.
• Tabelle 28: Spannweiten, Minima und Maxima der Implantatquerschnitte unter Einschluss aller Variationen von WL sowie FoV 50 und FoV 200.
• Tabelle 29: Spannweiten, Minima und Maxima der Implantatdurchmesser im Längsschnitt bei FoV50 + FoV200.
• Tabelle 30: Spannweiten, Minima und Maxima der Implantatlänge bei FoV50 + FoV200.

Bilder

• Abbildung 1: Ohrepithese bei Ohrmuschelaplasie mit Befestigung durch Knochenanker.
• Abbildung 2: Überprüfung der räumlichen Auflösung am Phantom.
• Abbildung 3: Seitliche und frontale Ansicht des Tomoscan M (© Philips).
• Abbildung 4: Knochenphantom mit Bohrlöchern im Foto und im Scanbild.
• Abbildung 5: Maße der Bohrlochabstände.
• Abbildung 6: Bohrer und Gewindeschneider.
• Abbildung 7: Herstellerzeichnung mit Bemaßung des Bohrers und des Gewindeschneiders  (© Entific Medical Systems, Schweden).
• Abbildung 8: Knochenschraube (links), Abutment (mitte) und Magnet (rechts)
• Abbildung 9: Konstruktionszeichnung der Knochenschraube (© Entific Medical Systems).
• Abbildung 10: Konstruktionszeichnung der Abutmenthülse (© Entific Medical Systems).
• Abbildung 11: Konstruktionszeichnung der Abutmentschraube (© Entific Medical Systems).
• Abbildung 12: Konstruktionszeichnung des Magneten (© Steco- Titanmagnetics, Hamburg).
• Abbildung 13: Schema zur Darstellung eines Fehlers durch Verkippung der Objektachse gegen die Scanebene.
• Abbildung 14: Darstellung und Vermessung von Lochflanken im Längs- und Querschnitt im CT.
• Abbildung 15: Definition von Lochachsenabstand und Lochflankenabständen.
• Abbildung 16: Schema der Hilfslinien und Maßlinien im Längsschnitt.
• Abbildung 17: Schema der Scanebene bei Querschnitten.
• Abbildung 18: Schematische Längsschnittdarstellung (links) und Schichtposition bei Längsschnitten (rechts).
• Abbildung 19: Boxplot der Standardmessung (links) und Differenzierung der Lochpaare der Standardmessung (rechts).
• Abbildung 20: Q-Q-Plot der Standardmessung an 10mm Lochachsenabstand
• Abbildung 21: Boxplot der Standardmessung am Lochpaar L1-7.
• Abbildung 22: Abstand L3-4 und L4‑5 unter Standardbedingungen ohne und mit Implantat in L4.
• Abbildung 23: Mittelwerte der Lochabstände unter Variation des FoV und der Implantate bei Lochabstand 10mm.
• Abbildung 24: Boxplots Lochdurchmesser L1-L7 (links), Differenzierung aller Mittelwerte nach Implantaten (Mitte) und Differenzierung aller Mittelwerte nach Schnittebenenorientierung (rechts).
• Abbildung 25: Maßstäbliche Projektion von WL über WW (links) und von WW über WL (rechts).
• Abbildung 26: Lineare Regression des Lochdurchmessers auf WL.
• Abbildung 27: Erfassung des Querschnitts (links) sowie des Durchmessers und der Länge im Längsschnitt (rechts) des Magneten bei WW=0 HU und WL=800 bzw. 1100 HU.
• Abbildung 28: Querschnitte der Knochenschraube, des Abutments und des Magneten über mehrere Schichten innerhalb jeweils einer Einstellung von WL (FOV 50, WW=0).
• Abbildung 29: Querschnittverlauf der Knochenschraube, des Abutments und des Magneten in der jeweiligen Schicht bei Variation von WL (FOV 50, WW=0).
• Abbildung 30: Längsschnitte Loc. -3 bis Loc. 3 durch den Magneten, FoV 50, WW=0 HU, WL=1100 HU.
• Abbildung 31: Durchmesser der Knochenschraube, des Abutments und des Magneten im Längsschnitt über mehrere Schichten bei konstantem WL. (FoV 50, WW=0).
• Abbildung 32: Durchmesser der Implantate im Längsschnitt. über mehrere WL bei konstanten Schichten. (FoV 50, WW=0).
• Abbildung 33: Länge der Knochenschraube, des Abutments und des Magneten im Längsschnitt. Linien zeigen Maßverlauf über mehrere Scanschichten auf WL. (FOV 50, WW=0).
• Abbildung 34: Länge der Knochenschraube, des Abutments und des Magneten im Längsschnitt. Linien zeigen jeweils eine Scanschicht in Relation zu WL. (FOV 50, WW=0).
• Abbildung 35: Variation von WL zum Vergleich der Implantatlängen im FoV 50 und FoV 200 bei achsenparalleler zentraler Schicht.
• Abbildung 36: Inhomogene Knochendichte der Kortikalis des Knochenphantoms, FoV 150, WW=1000 HU, WL=1000 HU.
• Abbildung 37: Plan gefräste Knochenoberfläche.
• Abbildung 38: Mangelhafte Differenzierung der Knochenschraube mit Magnet vom Knochen im zentralen Längsschnitt; FoV=50, WW=0 HU, WL=1100 HU.
• Abbildung 39: Scanbild des Phantoms zur Konstanzprüfung mit verschiedenen Prüfelementen.
• Abbildung 40: Erläuterung zum Partialvolumeneffekt.
• Abbildung 41: Artefakte am Knochenphantom und an einem Implantat.
• Abbildung 42: Darstellung eines Lochpaars im Längsschnitt. Links: FoV=200, WW=0 HU, WL=0 HU. Rechts: FoV=120, WW=1000 HU, WL=1000 HU.
• Abbildung 43: Darstellung der Knochenschraube, des Abutments und des Magneten im Längsschnitt, FoV 120, WW=1000 HU, WL=1000 HU.
• Abbildung 44: Darstellung des Blindlochs im Schraubenkopf. FoV 50, WW=0 HU, WL=3000 HU.