Vermessung von kraniofazialen Knochenimplantaten im Rinderknochenphantom mit einem mobilen ComputertomografenGeorg Maier Widmung 1101.1111.2624#239121.3131.3.11.3.2141.3.3151.3.416336#223171.3.5181.3.61.3.719612#2021.4201.4.11.4.2211.4.3221.4.41.4.5231.4.61.4.7241.4.82252.1262.2273283.1555#12529493#232175#16230572#2813.231262#873233418#296492#211453#22634192#2633.33.3.13536516#238373.3.23.438444#20239349#1993.4.140362#22041158#138378#199423.4.243444454.1464.24.2.147571#273280#284484.2.249232#2334.34.3.150268#2724.3.2514.44.4.1524.4.24.4.353252#256544.54.5.1554.5.2564.5.34.6574.6.14.6.258627#2195960623#368311#253614.762393#1964.7.163605#21664623#224654.7.2569#756667623#209605#2104.7.368623#20869623#2134.7.470623#2924.8715725.15.1.173745.1.2755.1.35.2765.2.1220#13377192#201196#190785.2.25.2.3795.2.4189#190805.2.5815.2.6205#186825.2.7342#169835.2.8477#164845.35.3.1855.3.25.3.3865.3.45.3.587622#17988150#140895.49091925.5936949596 Abkürzungsverzeichnis9 Literaturverzeichnis979899100101102103104105106107108 Danksagung109 Lebenslauf110 Eidestattliche Erklärung111deInhaltsverzeichnisHilfe Methodik

Die Genauigkeit der Messwerterhebung durch den Scanner wird durch Bestimmung von vorher bekannten Maßen ermittelt. Die Datenerhebung findet durch den Tomoscan M an einem unfixierten Rinderknochen statt. Messwerte werden mit und ohne Implantat im Knochen bestimmt. Darauf aufbauend werden Implantate unter verschiedenen Einstellungen durch den Scanner dargestellt und die Darstellungen vermessen.

Herstellung des Knochenphantoms

In einen unfixierten Rinderknochen werden entsprechend der Abbildung 4 sieben Messlöcher sowie 2 kleine Kalibrierlöcher in definierten Abständen und Durchmessern gebohrt. Zur Sicherstellung der Referenzebene wird die Knochenoberfläche in der Bohrungsebene vor dem Einbringen der Löcher plangefräst.

Abbildung 4: Knochenphantom mit Bohrlöchern im Foto und im Scanbild.

Am Außenrand des Knochens werden möglichst weit peripher die Kalibrierlöcher von 2mm Durchmesser achsenparallel und in Flucht der Messlöcher eingebracht. Der Durchmesser der Kalibrierlöcher entspricht der nominalen Scanschichtdicke von 2mm, die bei den Scans eingestellt wird. In der zu messenden Schicht müssen beide Kalibrierlöcher entsprechend dem Scanbild in der Abbildung 4 zur Darstellung kommen.

Die Bohrungen im Knochen werden entsprechend einer Werkszeichnung achsenparallel im Abstand von jeweils 10 mm bzw. 30mm mit definierter Bohrtiefe in einer Flucht auf einer Fräsmaschine Typ FP1 der Firma DMG- Deckel Maho Gildemeister, München in der Forschungswerkstatt des Instituts eingebracht. Das technische Datenblatt dieser Maschine benennt die kleinste Skalierung der für die Knochenbearbeitung notwendigen Bewegungsrichtungen mit 0,025mm [36]. Es ergeben sich zwei 80mm voneinander entfernte Lochpaare mit 10mm Lochabstand, ein Lochpaar mit 100mm Lochabstand und zwei zentrale Lochpaare mit 10mm Lochabstand. Die Abbildung 5 zeigt eine Skizze mit den Maßen der Bohrlochabstände.

Abbildung 5: Maße der Bohrlochabstände.

Die Bohrungen der Messlöcher werden mit dem Bohrer des Setzwerkzeugs der Firma Nobel Biocare / Entific Medical Systems durch die Fräsmaschine ausgeführt. Dadurch lässt sich später die Knochenschraube direkt in eines der Messlöcher mit der entsprechenden Präzision der Bohrlochposition einbringen. Mit dem Gewindeschneider wird nach Scans ohne Implantate ein Gewinde in das implantattragende zentrale Loch entsprechend der Herstelleranleitung eingearbeitet [136]. Die Abbildung 6 zeigt den Bohrer und den Gewindeschneider, die Abbildung 7 die Herstellerzeichnung des Bohrers und des Gewindeschneiders mit Bemaßung.

Abbildung 6: Bohrer und Gewindeschneider.

Der Durchmesser des Bohrers beträgt nach Herstellerangabe 3,15mm, der Durchmesser des Frässchaftes zur Einarbeitung des Flanschsitzes der Knochenschraube im Knochen 5,7mm, die Länge des Bohrers beträgt vom Fräs­schaft bis zur Spitze 5,15mm, zur Bohrerschulter 4,4mm. Die Bohrerspitze weist einen Winkel von 120° auf. Der Gewindeschneider bringt ein Gewinde M 3,75 ein. Das Kernloch des Gewindes misst 3,15mm.

Abbildung 7: Herstellerzeichnung mit Bemaßung des Bohrers und des Gewindeschneiders
(© Entific Medical Systems, Schweden).

Die Fertigungsgenauigkeit der Bohrungen im Knochen stellt den Vergleichsstandard für die Messwerte dar, die durch den Scanner erhoben werden. Laut Fertigungstoleranz ergibt sich der in Tabelle 3 genannte Vergleichsstandard für Lochabstände. Lochdurchmesser werden durch den Bohrerdurchmesser von 3,15mm bestimmt. Im Implantatloch wird ein Gewinde M 3,75 eingebracht. Das Kernloch des Gewindes misst 3,15mm.

Abstand:

Fertigungstoleranz:

L1-L2

10mm ± 0,05mm

L3-L4

10mm ± 0,05mm

L4-L5

10mm ± 0,05mm

L6-L7

10mm ± 0,05mm

L1-L7

100mm ± 0,05mm

Kalibrierloch 1- Kalibrierloch 2

180mm ± 0,1mm
Tabelle 3: Lochabstände laut Werkszeichnung.

Spezifizierung der Implantate

Im Versuch wurde eine Knochenschraube und ein Abutment der Firma Nobel Biocare / Entific Medical Systems sowie ein hierzu kompatibler Magnet der Firma Steco Systemtechnik verwendet. Das Abutment und der Magnet werden im Rahmen der Messungen in das Innengewinde der Knochenschraube eingebracht. Tabelle 4 beschreibt die Implantate [42, 43, 167].

Implantat:

Knochenschraube

Abutmenthülse +

Abutmentschraube

Magnet

Hersteller:

Nobel Biocare /

Entific Medical Systems

Nobel Biocare /
Entific Medical Systems

Steco Systemtechnik

Produktbezeichnung:

Flange Fixture ∅ 3,75 x 4mm

Abutment Flange Fixture 4mm

X- Line

Produktcode:

SEC 002

SEC 008

I02.01.X435
Tabelle 4: Implantatbezeichnungen laut Herstellerangaben [42, 43, 167].

Abbildung 8: Knochenschraube (links), Abutment (mitte) und Magnet (rechts)

Die Knochenschraube hat eine Länge von 5,35mm. Der Durchmesser beträgt am Gewinde 3,75mm und am Hals von 3,15mm. Der Flansch am Schraubenhals misst 5,5mm im Durchmesser und ist durch die Abschrägung nach außen zwischen 0,2 und 0,5mm dick. Zwischen Flansch und Schraubenspitze liegen 4,2mm. Zentral innerhalb eines Sechskants im Schraubenkopf liegt ein 4,5mm tiefes Blindloch mit Innengewinde M 2. Die Knochenschraube wird im Versuchsablauf entsprechend der Montageanweisung in den Knochen eingebracht [136].

Die Abutmenthülse wird auf den Sechskant der Knochenschraube aufgesteckt. Die Abutmentschraube wird durch die zentrale Bohrung der Hülse in das Blindloch der Knochenschraube eingeschraubt [134]. Die Hülse sitzt dadurch bündig auf dem Flanschring der Knochenschraube auf. Die Abutmenthülse ist 4mm lang und misst 4,5mm im Durchmesser. Zur Knochenschraube hin ist die Hülse auf 4,0mm Durchmesser mit 15° konisch gekröpft. Dort befindet sich ein Innensechskant, der auf den Sechskant der Knochenschraube passt und Rotationen zwischen Schraube und Abutment verhindert.

Die Abutmentschraube misst 6,6mm in der Länge und 3mm im Durchmesser. Sie arretiert die Hülse auf der Knochenschraube. Sie wird vor dem Anschrauben über einen Kunststoffring in einer Nut in der Hülse fixiert. Die Schraube mit Gewinde M 2 zentriert sich beim Einschrauben über einen Konus in der Hülse. Nach dem Einschrauben steht der Kopf der Abutmentschraube um 0,55mm über den Rand der Hülse über. Zentral im Kopf der Schraube befindet sich ein Blindloch mit Innengewinde M 1,4 zur Fixierung von Aufbauten.

Das Abutment besteht aus einer Kombination von Abutmenthülse und Abutmentschraube. Abut­menthülse und Knochenschraube sind zusammengeschraubt 8,7mm lang. Durch den Überstand der Abutmentschraube beträgt die Länge der Kombination 9,25mm. Abutment und Knochenschraube kommen beim Scan grundsätzlich gemeinsam zur Darstellung, da das Abutment durch die Knochenschraube im Knochen fixiert wird.

Der Magnet wird auf die Knochenschraube aufgeschraubt. Im Unterschied zum Abutment hat der Magnet keinen Innensechskant zur rotationsfreien Fixierung auf der Knochenschraube. Die Fixierung wird über das Drehmoment bei Montage des Magneten gesichert [134].

Der Magnet besteht aus einer zylindrischen Reintitankapsel mit gasdicht eingeschlossenem dauermagnetischem Kern aus Samarium und Kobalt (Sm2 Co17) mit einer Abzugskraft von 1,7 N. Der Kern misst 4mm im Durchmesser und ist 2mm hoch. Die Kapsel hat einen Durchmesser von 4,8mm mit einer kaudalen konischen Kröpfung auf 4,0mm Durchmesser analog zur Hülse des Abutments. Das kraniale Ende der Hülle besitzt eine peripher flach sphärische Oberfläche, um definierte Haltekräfte auch bei nicht exakt achsenparalleler Auflage zu garantieren. Die Länge der Kapsel beträgt 4,4mm von der Flanschauflage bis zur Kuppel der kranialen Rundung.

Kranial finden sich an der Flanke 8 kleine Ansatzflächen für das Montagewerkzeug. Kaudal findet sich ein Gewindezapfen mit Gewinde M 2 zum Einschrauben in das Blindloch der Knochenschraube. Der Boden der Hülle ist um den Gewindezapfen abgesenkt, um Raum für den Sechskantansatz der Knochenschraube zu bieten.

Der Magnet kommt analog zum Abutment grundsätzlich in Kombination mit der Knochenschraube zur Darstellung. Die Kombination hat eine Länge von 9,05mm. Die Abbildungen unten zeigen die Herstellerzeichnungen der Knochenschraube und des Abutments (© Entific Medical Systems, Schweden) sowie des Magneten (© Steco- Titanmagnetics, Hamburg), mit Maßen und Toleranzen, soweit diese nicht als sensible Daten klassifiziert sind und deshalb nicht veröffentlicht werden.

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).

Erstellung der Schnittbilder

In den Experimenten wird der Scanner Tomoscan M verwendet. Hersteller ist Philips Medizin Systeme, Unternehmensbereich der Philips GmbH, Röntgenstr. 24, 22331 Hamburg. Die Scanner- Identifizierungsnummer ist 021956- 009. In den Experimenten ist der Scanner für den Einzelschichtbetrieb konfiguriert [141, 142].

Im Versuch wird der Knochen im Strahlengang der Gantry mit einem röntgendurchlässigen Gestell fest installiert. Die plangefräste Knochenoberfläche dient als Auflage und Referenzfläche zur Orientierung der Lochachsen gegen die Horizontale. Danach werden Schnittbilder vom Knochen ohne Implantat und mit Implantat angefertigt. Die Scans erfolgen in den in Tabelle 7 erläuterten Standardeinstellungen und später zum Vergleich unter Variation von Scanparametern und Objektausrichtungen in der Scanebene.

Jede Einstellung wird in drei Scans festgehalten. Jeder Scan wird zweimal ausgewertet. Auf den Schnittbildern kommen dabei die Löcher und die Implantate zur Darstellung. Die Darstellung der Löcher und der Implantate im Schnittbild wird an der Konsole des Scanners in einem festgelegten Modus vermessen. Die Ergebnisse werden schriftlich und in Bildabzügen protokolliert. Die protokollierten Messwerte werden ausgewertet und dargestellt.

Scandurchführung

Beim Scan werden die Position des Knochens zur Schnittebene, Implantate im Knochen, Ausrichtung der Knochenachse zur Horizontalen, Scanparameter, Bildverarbeitungsalgorithmus und Kantenlänge des dargestellten Bildes festgelegt, da diese Parameter Einfluss auf die Bildrohdaten nehmen.

Die Scanerstellung erfolgt nach dem in Tabelle 5 dargestellten Schema. Der gesamte Ablauf über die Bereitstellung des Scanners, die Positionierung des Knochens, das Festlegen der Scanparameter, die exakte Positionierung des Knochens sowie die Scans sind dort festgelegt.

1.) Scanner bereitstellen

Schritt 1

Abkoppeln des Patiententisches von der Gantry

Schritt 2

Absenken der Feststellfüße

Schritt 3

Einschalten des Scanners

Schritt 4

Hochfahren der Konsole

Schritt 5

Einloggen des Bedieners

Schritt 6

Auswahl der Gantry als verfahrbare Einheit

2.) Knochen grob positionieren

Schritt 7

stabile Positionierung des Knochens

Schritt 8

Positionspeilung der Lochreihe mit Laservisier

Schritt 9

Erstellen des Scanogramms

Schritt 10

Positionskontrolle im Scanogramm

3.) Scanparameter festlegen

Schritt 11

Festlegen der Scanparameter (Schichtdicke, kV, mA, n/rot)

Schritt 12

Festlegung des Scanbereichs zum Einschluss der Lochreihe

Schritt 13

Vorläufiger Scan zur Darstellung der Kalibrierlöcher

Schritt 14

Definition geeignet orientierter Schnittbildpositionen

4.) Knochen fein positionieren

Schritt 15

Kontrolle der Kriterien zur exakten Positionierung des Knochens

Schritt 16

Feinkorrektur der Position

Schritt 17

Kontrollscan im Bereich der Löcher

Schritt 18

Erneute Überprüfung der Kriterien zur exakten Positionierung

Schritt 19

Freigabe des Scans bei exakter Positionierung

5.) Scan

Schritt 20

Einstellung des Field of View nach festgelegtem Schema

Schritt 21

Scan ohne Positionsänderung von Knochen oder Gantry

Schritt 22

Speicherung der Bildrohdaten

Tabelle 5: Standard der Scanerstellung.

Die Speicherung der Bildrohdaten erfolgt nach dem Scan auf der Festplatte des Scanners. Von dort werden die Daten auf ein optisches Speichermedium übertragen (Rewritable optical Disk, DEC-702Pioneer Electronic Europe N.V., Belgien).

Zur Orientierung und Festlegung der Scanschichten erstellt der Scanner eine klassische Röntgenaufnahme in Zentralprojektion, das so genannte „Scanogramm“. Die geplanten Schichten werden mit dem Cursor der Konsole auf dem Scanogramm platziert und bilden den Scanplan, den der Scanner im folgenden Scanprozeß abarbeitet.

Alternativ dazu lassen sich Scans an vorher definierten Positionen ohne Erstellung eines Scanogramms fahren. Einzelne Scans können auch an der Stelle, an der sich die Gantry gerade befindet, durchgeführt werden. Die Scans für die Messungen werden mit diesen Funktionen erstellt, um Gantrytranslationen nach Positionierung des Knochens zu vermeiden.

Ein Fehler durch Verkippung des Objekts im Strahlengang wie in Abbildung 13 dargestellt, errechnet sich aus der angenommenen maximalen Verkippung des Knochens gegen die 2mm dicke Scanschicht.

Abbildung 13: Schema zur Darstellung eines Fehlers durch Verkippung der Objektachse gegen die Scanebene.

Im Längsschnitt ist eine Verkippung von 2mm entsprechend halber Lochstärke der Kalibrierlöcher auf jeder Seite im Kontrollscan sicher auszuschließen, da sich die Kalibrierlöcher dadurch bei 2mm Schichtversatz in 3 unterschiedlichen Schichten zeigen würden. Bei Querschnittaufnahmen zeigt das Scanbild an, ob die Kalibrierlöcher von der 2mm dicken Schicht erfasst werden oder nicht. Stellen sich in einer Schicht keine Löcher dar, in der nächsten jedoch beide Kalibrierlöcher, liegt die maximale Verkippung hier ebenfalls bei 2mm.

Eine Verkippung der Lochflucht von 2mm gegen die Scanebene führt nach dem Satz des Pythagoras entsprechend a 2 +b 2 =c 2 mit c=180mm und b=2mm zu einer Maßabweichung zwischen den Kalibrierlöchern von 180mm-a≈0,01mm. Der durch Verkippung mögliche Fehler liegt somit unterhalb der Toleranzgrenze der Bohrungsabstände.

Längsschnitt­darstellung:

einwandfreie Darstellung beider Kalibrierlöcher in einer Schicht

Parallelität beider Kalibrierlochanschnitte in der Schicht davor und danach

Querschnitt­darstellung:

Darstellung beider Kalibrierlöcher in der ersten lochschneidenden Schicht

keine Lochdarstellung in der letzten nicht lochschneidenden Schicht
Tabelle 6: Kriterien der Objektpositionierung.

Um Fehler minimieren zu können, gelten für die Positionierung des Knochens im Strahlengang die in Tabelle 6 dargestellten Kriterien. Nichterfüllen der Kriterien führt zum Verwerfen der Scanreihe.

 Variation der Scanprozeduren

Im Rahmen des Versuchs werden Längsschnitte parallel zur Lochachse mittig und tangential vorgenommen. Es erfolgen ebenfalls Scans im Querschnitt orthogonal zur Lochachse. Bei den Scans werden Scanprotokolle nach Vorgabe ohne und mit Implantat variiert.

Die Standardscans werden mit klinisch üblichen Scannereinstellungen aufgenommen. Dabei handelt es sich um Einstellungen, die sich in der bisherigen Anwendung des Tomoscan M im klinischen Gebrauch zur Darstellung von Schädelknochen etabliert haben. Die Tabelle 7 führt die Parameter der Standardeinstellung auf.

Einstellung

Wert

Schichtdicke

2mm

Field of View

FoV 200mm

Röhrenspannung

120 kV

Röhrenstrom

10 mA

Anzahl Umdrehungen / Aufnahme

n/rot = 1

Bildverarbeitungsalgorithmus

Algor Sharp
Tabelle 7: Standardeinstellungen des Scanners im klinischen Betrieb.

Zur Ermittlung des Einflusses von Scannereinstellungen auf Messwerte wurden Messungen unter Variation jeweils eines Parameters durchgeführt. Tabelle 8 stellt die Parameter dar, die bei den Prozeduren variiert wurden.

 

Signalskalierung

Implantate

Matrix-Kantenlänge

Algorithmus

Scan-parameter

Objekt-position

Winkel

Kürzel [Einheit]

WW [HU]

WL [HU]

Impl

FoV [mm]

Algor

Scanpar [kV/mA/ n / rot ]

Pos

Grad

Kategorien

0 HU

300 HU

1000 HU

2400 HU

-400 HU

0 HU

360 HU

432 HU

1000 HU

Ohne

Schraube

Abutment

Magnet

200 mm

150 mm

120 mm

50 mm

Sharp

Standard

smooth

120/10/1

120/10/2

120/20/1

120/20/2

130/10/1

130/10/2

130/20/1

130/20/2

Zentral

Oben

Unten

Rechts

links

0°

30°

45°

60°

90°
Tabelle 8: Parametervariation bei den Messungen.

Datenauswertung

Die Messwertablesung nach Erstellung der Scans erfolgt am Bildschirm der Konsole nach einem festgelegten Standard. Die Schnittbilder durch die Lochreihen werden dazu mit den Messwerkzeugen der Scannerkonsole vermessen. Die Signalskalierung wird an der Konsole nach einem definierten Messprotokoll festgelegt. Die Signalskalierung hat keinen Einfluss auf die Bildrohdaten, jedoch auf die Darstellung des Bildes am Bildschirm und damit auf die Datenauswertung.

Man kann zur Messung an einem Längs- oder Querschnitt im CT- Bild nur die Position einer Lochflanke oder Implantatflanke heranziehen, wie in der Abbildung 14 verdeutlicht wird. Im Bild werden Dichtegradienten des Oberflächenanschnitts jedoch in Abhängigkeit von Fenstereinstellungen zu unterschiedlichen Implantat- und Lochflankendarstellungen umgesetzt. Durch den gesteigerten Partialvolumeneffekt bei schräg getroffenen Oberflächen ist es nicht möglich, absolute Maße in der x-y- Ebene mit einem Computertomografen genau zu erheben.

Abbildung 14: Darstellung und Vermessung von Lochflanken im Längs- und Querschnitt im CT.

Die Ermittlung von variablen Lochflankenpositionen erlaubt dennoch die Bestimmung der Lochachse und damit des Achsenabstandes zwischen zwei Löchern. Die symmetrische Erfassung der Löcher durch die Scanschicht verteilt auch Partialvolumeneffekte symmetrisch auf die Lochflanken, wodurch die Löcher ortstreu zur Darstellung kommen. Das Prinzip wird durch diese Arbeit überprüft. Die Lochachse liegt mittig zwischen den Lochflanken. Der Achsenabstand zweier Löcher entspricht dadurch dem Mittelwert der jeweiligen Lochflankenabstände. Abbildung 15 erläutert das Prinzip. Die Messungen erfassen jeweils die Maße von Innenrand zu Innenrand sowie von Außenrand zu Außenrand des jeweiligen Lochpaares oder des Loches und des Implantates. Das Prinzip der Lochachsenermittlung gilt für alle Schnittrichtungen, solange die Lochflanken oder Implantatflanken in der Schnittebene symmetrisch sind.

Abbildung 15: Definition von Lochachsenabstand und Lochflankenabständen.

Messwerterhebung

Die in Tabelle 9 dargestellten Parameter werden nach der Scanprozedur an der Scannerkonsole erhoben, errechnet und grafisch dargestellt.

Messwerte ablesen

Lochflankenabstände ohne Implantat im Knochen

Lochflankenabstände mit Implantat im Knochen

Lochdurchmesser und Lochflankenabstände unter Fenstervariation

Implantatdurchmesser im Querschnitt

Implantatdurchmesser im Längsschnitt

Implantatlängen im Längsschnitt

Parameter errechnen

Lochachsenabstände

Abstände von Lochachsen zu Implantatachsen

Grafisch darstellen

Achsenabstände unter Variation definierter Parameter mit und ohne Implantat

Implantatdarstellung unter Variation der Schnittebene und von WW und WL
Tabelle 9: Schematische Auswertung der Messwerte.

Bei der Auswertung der Scans werden Vergrößern, Verkleinern und Hilfslinienzeichnen aus der Toolbar der Scannerkonsole eingesetzt. Die Verwendung dieser Werkzeuge wird mit Maßangaben und Winkelangaben durch Stichproben auf Bildabzügen dokumentiert, da die Messwertangaben nicht auf die Bildrohdaten im Speichermedium übernommen werden.

Hilfslinien werden durch Klicken und Ziehen nach Aktivierung der Funktion ins Bild eingebracht. Das Anklicken einer bereits eingebrachten Linie aktiviert diese. An den Enden der Linie finden sich Marker, mit denen sich das jeweilige Ende der Linie verschieben lässt. Länge und Winkel verändern sich dadurch. Wird die Linie außerhalb der Marker angeklickt und verschoben, behält die Linie sowohl Länge als auch Winkel bei. Das Grafikprogramm der Konsole bietet Messschritte von minimal 0,1mm Länge und 0,1° Winkelabweichung.

Vergrößern und Verkleinern bewirkt eine Veränderung der Darstellung der Voxel auf dem Bildschirm. Dies sollte ohne Einfluss auf die nominale Voxelgröße oder Ortsauflösung stattfinden. Vergrößerte Voxel sollen in ihrer ursprünglichen Qualität lediglich größer dargestellt werden. Dies erleichtert die Positionierung von Hilfslinien. Ein Wechsel des dargestellten Bildausschnitts durch Zoomen ermöglicht jedoch bei mangelhafter Abstimmung mit dem Grafikprogramm Positionsveränderungen der Maßlinien relativ zum Scanbild oder Variationen der Voxelqualität. Die korrekte Positionierung der Maßlinie zum Messpunkt wird deshalb vor dem Ablesen kontrolliert. Eine Möglichkeit der Kalibrierung besteht leider nicht.

Die Ermittlung der Lochflankenabstände im Längsschnitt und im Querschnitt erfolgt standardisiert nach Einbringen von Hilfslinien und Maßlinien entsprechend der Abbildung 16. Die Erfassung des Implantatdurchmessers im Querschnitt erfolgt ebenfalls nach Platzierung von Hilfslinien längs und quer sowie zusätzlich diagonal zur Lochreihe.

Abbildung 16: Schema der Hilfslinien und Maßlinien im Längsschnitt.

Zur Ermittlung der Lochabstände und Implantatdurchmesser werden jeweils drei Scans des Knochens pro Variation einer Einstellung erhoben und diese jeweils zweimal ausgewertet. Jede Einstellung wird so 6-mal dargestellt. In jeder Einstellung kommen also 24 Lochpaare mit 10mm Abstand und 6 Lochpaare mit 100mm Abstand zur Auswertung.

Die Standardeinstellung in Tabelle 7 wird durch 5 Blöcke zu jeweils 6 Auswertungen repräsentiert. In der Standardmessung werden so 120 Lochpaare zu 10mm und 30 Lochpaare zu 100mm dargestellt. Variationen von Fenstereinstellungen werden an einem Scan pro Einstellung jeweils zweimal ausgewertet.

Die Darstellung von Querschnitten differenziert Fensterzentralwerte (WL) und Implantate. Die Abbildung 17 verdeutlicht die Schnittebene der Scans und Messungen.

Abbildung 17: Schema der Scanebene bei Querschnitten.

Da die Querschnitte zylindrische Implantate orthogonal schneiden, zeigt die Abbildung für jede Schicht eine durch die Voxel mehr oder weniger gerasterte runde Scheibe, deren Abmessungen längs, quer und diagonal gemittelt dokumentiert werden. Ein Messwert wird nur erhoben, wenn die Differenzierung zum Knochen einwandfrei gelingt.

Die Anzahl der Schnitte hängt von der Länge der Implantate ab. Die Schnitte werden mit Schicht 1 bis Schicht 11 bezeichnet. Längsschnitte erlaubenanalog zu Abbildung 18 die Bestimmung von Querdurchmesser und Länge. Ausgangsebene für die Variation der Schichtposition ist analog zuAbbildung 18die Schicht in Implantatmitte durch die Lochachse. Deren Position wurde nach dem Standard in Tabelle 6 festgelegt. Insgesamt erfolgen 7 Schnitte durch die Implantate, die mit Loc. -3 bis Loc. 3 bezeichnet werden.

Abbildung 18: Schematische Längsschnittdarstellung (links) und Schichtposition bei Längsschnitten (rechts).

Der geometrische Durchmesser nimmt bei Längsschnitten durch einen Zylinder zur Peripherie hin ab. Die Messwerte fallen dort entsprechend niedriger aus. Durch den Partialvolumeneffekt variieren die Messwerte in Abhängigkeit von WLstärker in peripheren als in zentralen Schnitten.

Tabelle 10 führt alle Schritte des Schemas zur Messwertablesung auf. Die Dokumentation aller relevanten Handgriffe, Messungen und Ergebnisse erfolgt schriftlich im Protokoll sowie auf Bildabzügen.

Längsschnitte

Schritt 1

Auswahl des Scanbilds

Schritt 2

Auswahl von WW, WL und Vergrößerung

Schritt 3

Hilfslinien parallel zur Knochenoberkante

Schritt 4

Hilfslinien auf Lochflanken orthogonal zum Knochen

Schritt 5

Maßlinien zwischen Lochflanken parallel zum Knochen

Schritt 6

Kontrolle auf Parallelität

Schritt 7

Kontrolle auf Orthogonalität

Schritt 8

Dokumentation der Maßlinienlängen

Querschnitte

Schritt 1

Auswahl des Scanbilds

Schritt 2

Auswahl von WW, WL und Vergrößerung

Schritt 3

Hilfslinien parallel zur Lochreihe

Schritt 4

Achsenparallele Hilfslinien an Lochrändern und Implantaträndern

Schritt 5

Maßlinien parallel zur Lochreihe zwischen Hilfslinien

Schritt 6

Kontrolle auf Parallelität

Schritt 7

Kontrolle auf Orthogonalität

Schritt 8

Dokumentation der Maßlinienlängen

Implantatquerschnitte

Schritt 1

Auswahl des Scanbilds

Schritt 2

Auswahl von WW, WL und Vergrößerung

Schritt 3

Lochreihenparallele Hilfslinien an Implantaträndern

Schritt 4

Lochreihenorthogonale Hilfslinien an Implantaträndern

Schritt 5

Parallele Hilfslinien in 45°- Diagonale an Implantaträndern

Schritt 6

Maßlinien parallel zur Lochreihe zwischen Hilfslinien

Schritt 7

Maßlinien orthogonal zur Lochreihe zwischen Hilfslinien

Schritt 8

Maßlinien diagonalgonal zur Lochreihe zwischen Hilfslinien

Schritt 9

Kontrolle auf Parallelität, Orthogonalität, Winkelkontrolle

Schritt 10

Dokumentation der Maßlinienlängen
Tabelle 10: Schema der Messwertablesung.

Messwertauswertung

Der Vergleich der ermittelten Messwerte mit bekannten Lochabständen erlaubt die Beurteilung der Genauigkeit der Messwertablesung und der Qualität der Röntgendichtewerterhebung im Voxel sowie die Kontrolle der Voxelmaße.

Der Fehler einer ungenauen Voxelskalierung wird bei großen Distanzen relativ zum Fehler der Messwertablesung größer, da viele möglicherweise ungenaue Voxel zwischen den Messpunkten liegen. Zur Untersuchung der Genauigkeit der Voxelskalierung wird deshalb das Lochpaar mit 100mm Achsenabstand vermessen.

Der Fehler einer ungenauen Messwertablesung wird jedoch bei kleinen Distanzen relativ zum Fehler der Voxelskalierung größer, da nur wenige Voxel zwischen den Messpunkten liegen. Die Messwertablesung wird deshalb an kurzen Lochachsenabständen von 10mm Länge überprüft.

Die Erhebung von Messwerten mit dem CT folgt dem Ablauf der Untersuchung von Patienten. Das Gerät steht am gleichen Ort in gleicher Infrastruktur unter gleichen Voraussetzungen, wie sie bei Untersuchungen an Patienten vorkommen. Es werden zur Erhebung der Daten außer den standardisierten Parametervariationen weder Manipulationen am Gerät noch am Objekt vorgenommen. Die Stichprobe ist unter diesen Voraussetzungen von den auszuwertenden Merkmalen unabhängig.

Um in der Vermessung der Implantate eindeutige Kantendarstellungen zu erhalten, werden die Maße bei WW=0 HU erhoben und zum Überblick grafisch dargestellt. Fehlerbalken zeigen in allen Diagrammen das 95%-Konfidenzintervall des Mittelwerts von Messungen. Linien stehen für interpolierte Darstellungen des Mittelwerts. Die Linien werden durch die Spline- Funktion im Grafiktool des Auswertungsprogramms geglättet.

Die Implantate werden neben dem FoV=50mm auch im FoV=200mm betrachtet, um eine fein auflösende und parallel eine klinisch gebräuchlichere Darstellung zu untersuchen. Der Fensterzentralwert wird zur Darstellung von Knochen und Implantaten unter den Einstellungen WL = 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1400, 1800, 2400 und 3000 HU untersucht. Schichtdicke ist 2mm, Schichtabstand ist in diesen Messungen 1mm bei 50% Überlappung.

Die protokollierten Messwerte werden in das Statistikprogramm SPSS 11.5 übertragen. Aus den Messwerten werden Achsenabstände berechnet. Die statistische Auswertung der Ergebnisse erfolgt in SPSS mit Beratung durch Frau Dr. rer. nat. Ingeborg Küchler am Institut für Medizinische Biometrie der Charité- Universitätsmedizin Berlin.

Die Ergebnisse werden entsprechend der Aufnahmeparameter in eine Standardgruppe und Gruppen mit variierten Parametern aufgeteilt. Die Homogenität und Kompatibilität mit den methodisch vorgegebenen Messwertintervallen der Standardgruppe wird durch parametrische Mittelwertvergleiche mit dem T-Test sowie durch den nichtparametrischen Einstichproben- Mediantest nach Wilcoxon überprüft. Die Rundung bei gegebener Messtoleranz produziert Zwischenwertkategorien, die dem Kolmogorov- Smirnov- Test zur Überprüfung der Normalverteilung entgegenstehen. Die Überprüfung der Standardgruppe auf Normalverteilung erfolgt deshalb durch einen Q-Q- Plot (Quantil- Quantil- Plot), der eine gegebene Verteilung grafisch mit einer als Gerade dargestellten Normalverteilung vergleicht. Vergleiche zwischen den Gruppen werden zur Übersicht durch ANOVA (Varianzanalyse) gezogen. Bei signifikanten Zwischensubjekteffekten innerhalb der Gruppen einer Varianzanalyse werden alle Gruppen der jeweiligen Varianzanalyse in Paarvergleichen nach Bonferroni miteinander verglichen, um die für die signifikanten Unterschiede verantwortlichen Faktoren benennen zu können. Die Relevanz signifikanter Unterschiede wird beleuchtet. Die Variabilität von Lochdurchmessern wird einer Regressions- und Korrelationsanalyse unterzogen. Die Implantatdarstellung wird durch eine deskriptive Statistik untersucht [1, 97, 102, 157, 176, 190].