Entwicklung von Bildverarbeitungsmethoden zur Analyse der Gelenkflächengröße nd -krümmung sowie der chondralen Signalintensität aus magnetresonanztomographischen Bilddaten

Degenerative Gelenkerkrankungen (Osteoarthrose) gehören zu den am
weitesten verbreiteten chronischen Erkrankungen der älteren
Bevölkerungsschicht. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel,
Bildverarbeitungsmethoden zu entwickeln, die eine frühzeitige
Diagnose degenerativer Veränderungen des Knorpels oder eine
Prognose über die Erkrankungswahrscheinlichkeit bzw. ihren Verlauf
ermöglichen. Dies ist notwendig, um rechtzeitig mit einer
geeigneten Therapie beginnen zu können. Dreidimensionale
Rekonstruktion der Knorpelplatten aus MRT-Schichtbildern Als erster
Schritt wurde eine Technik für die 3D-Rekonstruktion der
Knorpelplatten aus den segmentierten Schichtbildern entwickelt. Das
rekonstruierte Knorpelmodell bietet die Möglichkeit, die
Gelenkflächengröße und die Größe der Knorpelknochengrenze exakt und
reproduzierbar zu ermitteln. In der Gelenkflächengröße wird ein
wichtiger Parameter für die Lastverteilung innerhalb der Gelenke
gesehen. Zum anderen dient sie als Basis zur ortsaufgelösten
Berechnung und Visualisierung der Gelenkflächenkrümmung und
Signalintensität. Die Methode zur 3D-Rekonstruktion lässt sich in
verschiedene Phasen unterteilen. In der ersten Phase werden die
Konturen des segmentierten Bereiches jeder Schicht berechnet und
die Reihenfolge der einzelnen Konturpunkte im mathematisch
positiven Sinn geordnet. Unter Verwendung von "a priori"-Wissen
über die Knorpelform wird die Gesamtkontur jeder Schicht in einen
Gelenkflächen- und einen Knorpelknochengrenzen- Anteil unterteilt.
Die Konturen, die gemeinsam einer Knorpelfläche (Gelenkfläche oder
Knorpelknochengrenze) zugeordnet wurden, werden über ein
Dreiecksnetz zu einem dreidimensionalen Modell der Fläche
verbunden. Das Dreiecksnetz kann in unterschiedlichen Auflösungen
erzeugt werden, je nachdem ob jeder Konturpunkt in dieses Netz
einbezogen oder eine vom Benutzer definierte Anzahl übersprungen
wird. Dadurch wird eine Glättung der Oberfläche möglich. Durch
Summation der einzelnen Dreiecksflächen wird die Gesamtgröße der
beiden Knorpelflächen berechnet. Die Bestimmung der Gelenkflächen-
und Knorpelknochengrenzengröße wurde an verschiedenen Testkörpern
(Kugel, Zylinder, Ebene) validiert. Die Abweichung von der
theoretischen Flächengröße der Testkörper lag zwischen 0 und 4%.
Die Präzision (CV%) der Messung verschiedener Gelenkflächen des
Kniegelenks bei 14 Probanden (WE-FLASH Sequenz, Auflösung
1;5x0;31x0;31mm3, 4-fach Messung) lag zwischen 2,0 und 3,6 %. Es
ergab sich ein Verhältnis zwischen der biologischen Variabilität
und dem Messfehler von 3,7:1 (Patella, Knorpelknochengrenze) bis
7,7:1 (Femur, Knorpelknochengrenze). Dies zeigt, dass mit der
Methode verlässlich zwischen Individuen mit großen und kleinen
Gelenkflächen unterschieden werden kann. Der Vorteil dieses
Verfahren gegenüber vergleichbaren Ansätzen besteht darin, dass der
segmentierte Bereich automatisch in einen Gelenkflächen- und
Knorpelknochengrenzen-Anteil aufgeteilt wird. Auf dieseWeise wird
eine getrennte Analyse beider Flächenanteile möglich. Die
3D-Rekonstruktion ist weitgehend unabhängig von der ursprünglichen
Schichtorientierung und ermöglicht somit morphologische
Untersuchungen der Gelenkfläche, wie z.B. eine Krümmungsanalyse.
Krümmungsanalyse des Gelenkknorpels In einem nächsten Schritt
wurden Techniken für eine Analyse der Gelenkflächenkrümmung
entwickelt. Die Krümmung dient als Maß zur Beurteilung von
Inkongruenzen zwischen patellofemoraler bzw. tibio-femoraler
Gelenkfläche. Da das Ausmaß der Inkongruenz zwischen zwei
Gelenkflächen Einfluss auf die Größe der Kontaktfläche zwischen
diesen hat, wird hierdurch die Lastverteilung im Gelenk
entscheidend bestimmt. Es wurde eine regionale Gaußsche und eine
indirekte Krümmungsanalyse entwickelt. Um die Gaußsche
Krümmungsanalyse durchzuführen, wurde eine B-Spline-Fläche durch
definierte Oberflächenpunkte des 3D-Modells der Gelenkfläche
interpoliert. Da für die B-Spline-Fläche eine mathematische
Beschreibung existiert, war eine Bestimmung der beiden
Hauptkrümmungen jedes Punktes auf der Fläche möglich. Auf diese
Weise konnte für jeden Flächenpunkt die mittlere, maximale,
minimale und Gaußsche Krümmung berechnet werden. Die Verfahren
wurde an 5 Testkörpern mit bekannten Krümmungseigenschaften (Kugel,
Zylinder, Ebene, Paraboloid, Hyperbolisches Paraboloid) validiert.
Die maximale Abweichung vom theoretischen Krümmungswert betrug ca.
2%. Die Präzision [1m] der Gaußschen Krümmungsanalyse an den
Kniegelenken gesunder Probanden lag zwischen 2,9 und 10,5 1m.
Ergänzend zur exakteren Gaußschen Krümmungsanalyse wurde die
indirekte Krümmungsanalyse entwickelt. Hierbei wurde durch eine
Flächenexpansion des 3D-Modells die relative Flächenvergrößerung
berechnet. Auf Basis dieser relativen Änderung wurde eine
Krümmungsmaßzahl bestimmt. Die Anwendung auf Testkörper zeigte,
dass dieses Verfahren eher eine qualitative Aussage über die
Gesamtkrümmung einer Fläche liefert und daher eine exakte Gaußsche
Analyse vorzuziehen ist. Das in dieser Arbeit entwickelte Gaußsche
Verfahren zur Krümmungsbestimmung von Gelenkflächen hat das
Potential, ein quantitatives Maß der Inkongruenz von Gelenken zu
liefern. Dadurch wird es möglich, Punkte maximaler Belastung zu
ermitteln, was Hinweise auf die Initiation und Progression von
Knorpelschäden liefern kann. Darüberhinaus kann ein Zusammenhang
zwischen der lokalen Belastung und daraus folgenden biochemischen
Eigenschaften des Knorpels hergestellt werden. Globale und
regionale Signalintensitätsanalyse In einem dritten Schritt wurden
die Voraussetzungen für eine detailierte Strukturanalyse des
Knorpelgewebes mit der MRT geschaffen. Zu diesem Zweck wurde ein
Verfahren entwickelt, mit dem sich die globale und regionale
Signalintensität spezieller MRT-Sequenzen quantitativ und visuell
(projiziert auf das 3D-Knorpelmodell) auswerten lassen. Je nach
MRT-Sequenz lassen sich potentiell Aussagen über den Wasser-,
Kollagen- oder Proteoglykangehalt des Knorpels in unterschiedlichen
Regionen treffen. Dazu wird der segmentierte Knorpel automatisch in
eine vom Benutzer definierte Anzahl von Tiefenzonen (Oberfläche -
Knorpelknochengrenze) und Regionen (z.B. medial - lateral)
eingeteilt. Die Signalintensität kann global über den gesamten
Knorpel oder regional in den Tiefenzonen und Regionen ausgewertet
werden. An 15 Probanden wurde für die Protonendichte ein
signifikant (p < 0,001) höherer Wert des patellaren Knorpels
gegenüber der lateralen Tibia festgestellt. Insgesamt konnte eine
hohe Variabilität zwischen den Probanden beobachtet werden.
Zwischen den männlichen und weiblichen Probanden ergab sich kein
signifikanter Unterschied. Die Variation zwischen den Schichten war
geringer als diejenige zwischen verschiedenen Individuen. Beim
MT-Koeffizienten war eine signifikant niedrigere Signalintensität
(p < 0,01) des Knorpels der medialen Tibia gegenüber der Patella
und der lateralen Tibia zu beobachten. Es wurde ebenfalls eine hohe
inter-individuelle Variabilität festgestellt. Auch beim
MT-Koeffizienten war die Variation zwischen den Schichten geringer
als diejenige zwischen verschiedenen Individuen. An 3 Probanden und
3 Präparaten wurde eine regionale Signalintensitätsanalyse der
Protonendichte und einer Wasseranregungssequenz durchgeführt. Die
Analyse der Protonendichte in den Tiefenzonen des Knorpels der
Probanden ergab eine erwartete Abnahme hin zu tiefer gelegenen
Knorpelbereichen. Insgesamt konnten konsistente Ergebnisse bei den
untersuchten Probanden und Präparaten festgestellt werden. Sowohl
die inter-individuellen Unterschiede als auch die signifikanten
Unterschiede zwischen einzelnen Knorpelplatten korrelieren mit
Ergebnissen aus der Literatur. Diese könnten in Zusammenhang mit
unterschiedlichen mechanischen Belastungen der einzelnen
Knorpelplatten stehen. Die konsistente Signalintensitätsverteilung
bei den Probanden und Präparaten unterstützt die Vermutung, dass
tatsächlich bestimmte Strukturkomponenten des Knorpels durch diese
erfasst werden. Basierend auf den entwickelten Methoden sind
verschiedene Untersuchungen zu den folgenden Themenkomplexen
möglich: - Untersuchung funktioneller Anpassungsprozesse. -
Dokumentation von Altersveränderung in der Knorpelzusammensetzung.
- Diagnose der Osteoarthrose im Frühstadium. - Verlaufskontrolle
bei Osteoarthrose. - Beurteilung des Therapieerfolgs und Evaluation
neuer Medikamente. - Screening der Gewebezusammensetzung bei der
In-vitro-Züchtung von Knorpelgewebe zur späteren Implantation.