DE19853965A1

DE19853965A1 - Verfahren zum Ermitteln von für die Planung und/oder Auswahl von Prothesenimplantaten relevanter Knochenstrukturen und Knochenstrukturen sowie Röntgenanlage zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE19853965A1
Application number: DE19853965A
Authority: DE
Inventors: Michael Pflaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-11-23
Filing date: 1998-11-23
Publication date: 2000-05-31

Abstract

Verfahren zum Ermitteln von für die Planung und/oder Auswahl von Prothesenimplantaten relevanter Knochenkonturen und Knochenstrukturen, insbesondere des Übergangs von kortikaler zu spongiöser Knochenkontur, unter Verwendung einer Röntgenanlage mit einem Röntgenbildaufnahmesystem zur Erfassung digitaler Röntgenbilder und einer Rechnereinrichtung, bei dem zwei Röntgenbilder mit im Energiespektrum verschiedener Röntgenstrahlung aufgenommen werden, wonach ein Subtraktionsbild erstellt wird, das anschließend zur Erzeugung eines Konturbildes unter Verwendung eines Konturerkennungsverfahrens verarbeitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von für die Planung und/oder Auswahl von Prothesenimplantaten rele vanter Knochenkonturen und Knochenstrukturen, insbesondere des Übergangs von kortikaler zu spongiöser Knochenstruktur, unter Verwendung einer Röntgenanlage mit einem Röntgenbild aufnahmesystem zur Erfassung digitaler Röntgenbilder und ei ner Rechnereinrichtung.

Die Auswahl von Prothesenimplantaten basiert heute größten teils auf visuellem und mechanischem Vermessen von Röntgen filmen. Eine besondere Sorgfalt und Erfahrung muß zum Erken nen des kortikalen-spongiösen Übergangs im Knochenschaft, beispielsweise einem Oberschenkelhalsknochen, zugrunde gelegt werden. Die möglichst exakte Kenntnis der Größenverhältnisse des Knochens, an dem das Implantat angebracht werden soll, ist für die Planung bzw. Auswahl des Implantats von besonde rer Bedeutung, damit weder während des Einsetzens des Implan tats noch danach Schwierigkeiten auftreten. Ist beispiels weise im Falle eines Oberschenkelhalsimplantates der Keil des Implantats, der in die Oberschenkelknochenröhre eingesteckt wird, zu dick, kann dies ggf. bereits während des Einsetzens dazu führen, daß der Knochen platzt. Ein zu dünner oder zu kurzer Keil kann sich auch nach erfolgtem Einsetzen vom Kno chen lösen, was eine erneute Operation und beachtliche Probleme für den Patienten mit sich bringt. Die bisher be kannte Vermessung gewöhnlicher Röntgenaufnahmen läßt jedoch eine hinreichend genau Bestimmung der Größenverhältnisse und insbesondere das Erkennen des kortikalen-spongiösen Übergangs nur ungenau zu.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem die relevanten Knochenkonturen hinreichend genau ermittelt werden können, so daß das einzu setzende Prothesenimplantat exakt geplant bzw. ein genau pas sendes ausgewählt werden kann.

Zur Lösung dieses Problems ist ein Verfahren der eingangs ge nannten Art durch folgende Schritte gekennzeichnet:

- Aufnahme wenigstens eines ersten und wenigstens eines zwei ten digitalen Röntgenbildes, wobei zur Aufnahme des ersten und des zweiten Bildes Röntgenstrahlung unterschiedlicher Energiespektren verwendet wird,
- Erzeugung eines Subtraktionsbildes durch digitale Subtrak tion der beiden Bilder,
- Erzeugung eines Konturbildes durch rechnerische Bearbeitung des Subtraktionsbildes zur Bestimmung der Knochenkonturen un ter Verwendung eines rechnergestützten Konturerkennungsver fahrens, wobei das Konturbild für die Planung und/oder Aus wahl des Prothesenimplantats verwendet wird.

Gemäß der Erfindung wird die Kontur des untersuchten Knochens und damit auch die relevanten Bereiche desselben durch eine spezielle Aufnahmetechnik und Bildnachverarbeitung optimiert und visualisiert. Die beiden aufgenommenen Röntgenbilder, die erfindungsgemäß in kurzer Abfolge hintereinander aufgenommen werden, um Bewegungsartefakte zu vermeiden, werden mit Rönt genstrahlung mit jeweils unterschiedlichem Energiespektrum aufgenommen. Hierdurch werden weichere bzw. härtere Objekt strukturen im einen Bild stärker, im anderen schwächer betont dargestellt. Anschließend werden diese beiden digitalen Rönt genbilder mittels einer entsprechenden Bildverarbeitungsein richtung digital subtrahiert, um ein Subtraktionsbild zu er halten. In diesem ist eine deutlichere Differenzierung der relevanten Strukturen, also beispielsweise im Bereich des kortikalen-spongiösen Übergangs, erkennbar, d. h., die rele vanten Konturen treten deutlich hervor. Anschließend wird das Subtraktionsbild unter Verwendung eines rechnergestützten Konturerkennungsverfahren, also unter Anwendung eines geeig neten Konturerkennungsalgorithmus nachverarbeitet, um rechne risch die genaue Knochenkontur zu bestimmen und in Form eines Konturbilds darzustellen. Dieses Konturbild, das nun aufgrund des die Konturen bereits recht deutlich und exakt darstellen den Subtraktionsbilds erstellt wurde, und das infolgedessen sehr genau diese Konturen wiedergibt, wird anschließend für die Planung bzw. Auswahl des Prothesenimplantats verwendet. Das basierend auf dem Konturbild ausgewählte und anschließend implantierte Prothesenimplantat ist den Gegebenheiten des Knochens äußerst exakt angepaßt, so daß die eingangs genann ten Probleme nicht auftreten werden.

Erfindungsgemäß können im Rahmen der Planung und/oder Auswahl des Prothesenimplantats in einer oder der Rechnereinrichtung abgelegte, mit den Konturbild zur Übereinstimmungsermittlung vergleichbare schablonenartige Implantatbilder verwendet wer den. Anhand dieser Implantatbilder, die die Umrisse bzw. For men vorhandener Implantate wiedergeben, kann eine form- und/oder größenmäßige Übereinstimmung der abgebildeten Kno chenkontur und der vorhandenen Implantatform gesucht werden, so daß auf einfache Weise die Auswahl bzw. Planung vorgenom men werden kann. Dabei können das Konturbild und ein Implan tatbild erfindungsgemäß am einem Monitor angezeigt werden, wobei das Implantatbild über das Konturbild gelegt wird oder beide Bilder nebeneinander dargestellt werden. Insbesondere die Überlagerung der beiden Bilder läßt ein einfaches Ver gleichen zu. Die Auswahl und/oder die Überlagerung des Im plantbilds und/oder die nebeneinander gesetzte Darstellung kann automatisch mittels der Rechnereinrichtung erfolgen. In diesem Fall wählt die Rechnereinrichtung, die hierzu bei spielsweise relevante Parameter der im Konturbild dargestell ten Kontur vorab bestimmt, aus der Vielzahl der hinterlegten schablonenartigen Implantatbilder ein oder mehrere Implantat bilder aus, welches oder welche anschließend in überlagerter oder nebeneinander gesetzter Darstellung gemeinsam mit dem Konturbild wiedergegeben werden. D.h., der Rechner trifft hier bereits eine Vorauswahl hinsichtlich der relevanten Im plantatschablonen. Alternativ dazu kann natürlich der Benut zer das jeweilige Implantatbild auch selber auswählen und beispielsweise unter Verwendung einer Bedienmaus, eines Joy- Sticks od. dgl. die Implantatschablone dem Konturbild durch Verschieben überlagern. Alternativ hierzu ist es desweiteren möglich, daß die Rechnereinrichtung die Auswahl vornimmt, die Überlagerung jedoch vom Bediener selbst vorzunehmen ist.

Zur Erzeugung der in ihrem Energiespektrum verschiedenen Röntgenstrahlungen zur Aufnahme des ersten und des zweiten Röntgenbildes können erfindungsgemäß an einem zum Betrieb ei ner Röntgenstrahlenquelle dienenden, die Betriebsspannung liefernden Generator verschiedene Betriebsspannungen einge stellt werden, d. h., die Röntgenstrahlenquelle wird jeweils mit unterschiedlicher Hochspannung betrieben, der erzeugte Röntgenimpuls hat also jeweils einen unterschiedlichen Ener giegehalt. Alternativ hierzu ist es auch möglich zur Erzeu gung der im Energiespektrum verschiedenen Röntgenstrahlungen Filtermittel in den Strahlengang zu bringen, beispielsweise in Form eine Kupferfilters, der bestimmte Strahlungsanteile aus der von der Röntgenstrahlenquelle gelieferten Strahlung heraus filtert. In diesem Fall wird beispielsweise das erste Bild ohne Filter, das zweite mit Filter aufgenommen.

Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Rönt genanlage, umfassend ein Röntgenbildaufnahmesystem mit einer Röntgenstrahlung emittierenden Röntgenstrahlenquelle und ei nem Röntgenstrahlungsempfänger zur Erfassung digitaler Rönt genbilder, sowie einer Bildverarbeitungseinrichtung, wobei die Röntgenanlage zur Durchführung des vorbeschriebenen Ver fahrens geeignet ist. Bei dieser erfindungsgemäßen Röntgenan lage ist

- das Röntgenbildaufnahmesystem zur Aufnahme wenigstens eines ersten und wenigstens eines zweiten Röntgenbildes eines mit einem Prothesenimplantat zu versehenden Objekts unter Verwen dung von in ihrem Energiespektrum unterschiedlicher Röntgen strahlung ausgebildet,
- die Bildverarbeitungseinrichtung zur Erzeugung eines Sub traktionsbildes durch Subtraktion der beiden Bilder ausgebil det, und
- eine Rechnereinrichtung vorgesehen, mittels welcher durch rechnerische Bearbeitung des Subtraktionsbildes zur Bestim mung der für die Planung und/oder Auswahl des geeigneten Pro thesenimplantats relevanten Objektkonturen unter Verwendung eines rechnergestützten Konturerkennungsverfahrens ein an ei ner Anzeigeeinrichtung ausgebbares, die relevanten Objektkon turen wiedergebendes Konturbild erzeugbar ist.

In der Rechnereinrichtung können erfindungsgemäß mehrere zur Planung und/oder Auswahl des Prothesenimplantats mit dem Kon turbild zur Übereinstimmungsermittlung vergleichbare schablo nenartige Implantatbilder abgelegt sein, die - automatisch mittels der Rechnereinrichtung oder manuell - auswählbar oder unter gemeinsamer Anzeige an einem Monitor überlagerbar und/oder nebeneinander darstellbar sind. Dabei kann die Rech nereinrichtung zur Bestimmung relevanter Größenangaben des Objekts anhand des Konturbilds ausgebildet sein, wie bei spielsweise der Breite des inneren Knochenhohlraums, des Win kels, mit welchem sich der Hohlraum verjüngt, des Gelenkkopf durchmessers im Falle eines Oberschenkelhalsknochens etc.

Neben einem Generator, dessen an die Röntgenstrahlenquelle anlegbare Betriebsspannung zur Beeinflussung des Energiespek trums der erzeugbaren Röntgenstrahlung variierbar ist, können erfindungsgemäß ferner Filtermittel vorgesehen sein, die zur Beeinflussung der von der Röntgenstrahlenquelle erzeugten Röntgenstrahlung in den Strahlengang bringbar sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbei spiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Rönt genanlage,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Oberschenkelhalsknochens im Schnitt, und

Fig. 3 eine Prinzipskizze eines Konturbildes und eines mit diesem vergleichbaren, schablonenartigen Implantatbilds.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Röntgenanlage 1, bestehend aus einem Röntgenbildaufnahmesystem 2 umfassend eine Röntgen strahlenquelle 3, die über einen Generator 4 mit Betriebs spannung versorgt wird, sowie eine Röntgenstrahlenempfangs einrichtung 5 in Form eines digitale Ausgangssignale liefern den Bilddetektors. Ferner ist eine Bildverarbeitungseinrich tung 6 zur Verarbeitung der von der Röntgenstrahlenempfangs einrichtung 5 gelieferten digitalen Röntgenbilder sowie eine Rechnereinrichtung 7 zur weiteren Verarbeitung der von der Bildverarbeitungseinrichtung gelieferten Bilder vorgesehen. Die von der Bildverarbeitungseinrichtung 6 bzw. der Rech nereinrichtung 7 ermittelten Bilder können an einem Monitor 8 ausgegeben.

Im Rahmen des Betriebs der Röntgenanlage 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei Röntgenbilder des Objekts O, beispielsweise des Bereichs des Oberschenkel halses aufgenommen. Das erste Röntgenbild wird mit einer von der Röntgenstrahlenquelle 3 emittierten Röntgenstrahlung mit einem ersten Energiespektrum, beispielsweise einem ersten Energiegehalt aufgenommen und in der Bildverarbeitungsein richtung 6 abgelegt. Anschließend wird, zur Vermeidung von etwaigen Bewegungsartefakten in sehr kurzer Abfolge, ein zweites Röntgenbild mit einer im Vergleich zur ersten verwen deten Röntgenstrahlung im Energiegehalt bzw. im Energiespek trum unterschiedlichen Röntgenstrahlung aufgenommen, wobei die digitalen Bildsignale dieses Röntgenbild ebenfalls in der Bildverarbeitung 6 abgelegt werden. Zur Erzeugung bzw. Beein flussung der Röntgenstrahlung kann entweder der Generator 4 hinsichtlich der an die Röntgenstrahlenquelle 3 gelieferten Betriebsspannung variiert werden, zusätzlich oder alternativ können auch Filtermittel 9 während einer Bildaufnahme in den Strahlengang gebracht werden, welche Strahlungsanteile einer bestimmten Wellenlänge heraus filtern und so das Energiespek trum beeinflussen.

In der Bildverarbeitungseinrichtung 6 wird nun durch digitale Subtraktion der beiden erhaltenen Röntgenbilder ein Subtrak tionsbild erstellt. Aufgrund der unterschiedlichen Energiege halte der verwendeten Röntgenstrahlung sind härtere und wei chere Strukturen des aufgenommenen Objekts O in den beiden Röntgenbildern unterschiedlich stark hervorgehoben und be tont. Aufgrund der digitalen Subtraktionsbearbeitung sind die Kontur- oder Strukturgrenzen im Bereich des Übergangs von hartem zu weichem Knochenmaterial oder aber beispielsweise vom Knochen zum Gelenkknorpel wesentlich deutlicher erkennbar als auf dem einen oder dem anderen Röntgenbild selbst. Rele vante Strukturen wie beispielsweise der Bereich des kortika len-spongiösen Übergangs im Bereich des Knochenhohlraums kön nen so deutlich differenziert werden.

Das erhaltene Subtraktionsbild wird anschließend in der Rech nereinrichtung 7 zur Erzeugung eines Konturbild rechnerisch bearbeitet. Hierzu wird ein rechnergestütztes Konturerken nungsverfahren unter Verwendung von Konturerkennungsalgorith men angewandt und die exakte Knochenkontur bestimmt, d. h., anhand des bereits sehr exakten Subtraktionsbildes wird rech nerisch die Kontur bzw. der genaue Knochenverlauf bestimmt, so daß ein nach genaueres Konturbild erhalten wird. Dieses Konturbild ist anschließend Grundlage für die Planung und/oder Auswahl des zu verwendenden Prothesenimplantats. Hierzu sind in der Rechnereinrichtung 7 mehrere schablonen artige Implantatbilder abgelegt, die dann, wenn das entspre chende Implantat bestimmt werden soll, gemeinsam mit dem Kon turbild am Monitor 8 ausgegeben werden können, so daß das Im plantatbild ermittelt werden kann, das am besten zu der be stimmten Knochenkontur paßt.

Dabei kann die Auswahl eines oder mehrerer ggf. passender Im plantatbilder mittels der Rechnereinrichtung 7 selbst erfol gen, wozu diese beispielsweise anhand des Knochenkonturbild relevante Parameter, wie beispielsweise den Durchmesser des Knochenhohlraums, den Radius des Gelenkkopfes etc. bestimmt und anhand dieser Parameter das oder die ggf. relevanten Im plantatbilder auswählt und diese automatisch an dem Monitor 8 anzeigt, wobei diese Bilder einander überlagert oder aber nebeneinander dargestellt werden können. Daneben ist natür lich auch eine manuelle Auswahl möglich.

Fig. 2 zeigt in Form einer Schnittansicht den oberen Bereich eines Oberschenkelknochens 10. Am Gelenkkopf 11 findet sich der Gelenkknorpel 12, der mit dem Gelenkkopf 11 zusammen in der nicht gezeigten Gelenkpfanne am Beckenknochen aufgenommen ist. Am Gelenkkopf 11 schließt sich der Knochenhals 13 an, der im Inneren einen Hohlraum 14 aufweist. Im exemplarisch lediglich gestrichelten Bereich 15 geht die feste, sogenannte kortikale Knochensubstanz des Knochenhalses 13 in eine spon giöse Form über, die schwammig oder schwammartig beschaffen ist, mithin also weich ist. Der genaue Übergang, wo also noch festes kortikales Knochenmaterial vorliegt, muß möglichst ge nau bestimmt werden, da dies für den sicheren Halt des Im plantats relevant ist. Mittels des eingangs genannten Verfah rens ist eine solche exakte Bestimmung anhand des Konturbil des möglich.

Ein solches Konturbild K ist exemplarisch in Fig. 3 darge stellt. Dieses mittels der Rechnereinrichtung 7 ermittelte Konturbild zeigt im dargestellten Ausführungsbeispiel die Konturen des festen Knochenmaterials des in Fig. 2 gezeigten Oberschenkelhalses 10, d. h., Weichteile wie beispielsweise der Knorpel 12 oder aber die Bereich, in denen spongiöses Knochenmaterial vorliegt, sind hier nicht mehr gezeigt. An hand dieses Konturbildes kann nun das entsprechende Implantat eines Implantatbildes I, was in Fig. 3 ebenfalls gezeigt ist, ausgewählt werden. Dieses Implantatbild I zeigt eine Ansicht eines Prothesenimplantats 16, das ebenfalls einen Gelenkkopf 17 sowie einen Keilschaft 18 aufweist, welcher in den Hohl raum 14 des zur Implantation abgesägten Knochenschaftes 13 (der Gelenkkopf 13 wird bekanntermaßen entfernt) eingesteckt wird. Anhand des Konturbildes kann so die exakte Form des Im plantats, insbesondere des Keilschaftes 18 bestimmt, und da mit dessen Anpassung an die Größenverhältnisse des Inneren des Knochenschaftes 13 ermöglicht werden, so daß eine sichere Fixierung möglich ist.

Claims

1. Verfahren zum Ermitteln von für die Planung und/oder Auswahl von Prothesenimplantaten relevanter Knochenkonturen und Knochenstrukturen, insbesondere des Übergangs von korti kaler zu spongiöser Knochenkontur, unter Verwendung einer Röntgenanlage mit einem Röntgenbildaufnahmesystem zur Erfas sung digitaler Röntgenbilder und einer Rechnereinrichtung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das ersten und das zweite Röntgenbild kurz hintereinander aufgenommen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen der Planung und/oder Auswahl des Prothesenimplantats in einer oder der Rechnereinrichtung abgelegte, mit dem Konturbild zur Überein stimmungsermittlung vergleichbare schablonenartige Implantat bilder verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß im Rahmen der Planung und/oder Auswahl das Konturbild und ein Implantatbild an ei nem Monitor angezeigt werden, wobei das Implantatbild über das Konturbild gelegt wird oder beide Bilder nebeneinander dargestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Auswahl und/oder die Überlagerung des Implantanbilds und/oder die nebeneinanderge setzte Darstellung automatisch mittel der Rechnereinrichtung oder manuell erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Er zeugung der in ihrem Energiespektrum verschiedenen Röntgen strahlungen an einem zum Betrieb einer Röntgenstrahlenquelle dienenden, die Betriebsspannung liefernden Generator ver schiedenen Betriebsspannungen eingestellt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der in ihrem Energiespektrum verschiedenen Röntgenstrahlungen Filtermittel in den Strahlengang gebracht werden.

8. Röntgenanlage, umfassend ein Röntgenbildaufnahmesystem mit einer Röntgenstrahlung emittierenden Röntgenstrahlen quelle und einem Röntgenstrahlenempfänger zur Erfassung digi taler Röntgenbilder, sowie eine Bildverarbeitungseinrichtung, geeignet zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, bei welcher

- das Röntgenbildaufnahmesystem (2) zur Aufnahme wenigstens eines ersten und wenigstens eines zweiten Röntgenbildes eines mit einem Prothesenimplantat zu versehenden Objekts (O) unter Verwendung von in ihrem Energiespektrum unterschiedlicher Röntgenstrahlung ausgebildet ist,
- die Bildverarbeitungseinrichtung (6) zur Erzeugung eines Subtraktionsbildes durch Subtraktion der beiden Bilder ausge bildet ist, und
- eine Rechnereinrichtung (7) vorgesehen ist, mittels welcher durch rechnerische Bearbeitung des Subtraktionsbildes zur Be stimmung der für die Planung und/oder Auswahl des geeigneten Prothesenimplantats relevanten Objektkonturen unter Verwen dung eines rechnergestützten Konturerkennungsverfahrens ein an einer Anzeigeeinrichtung (8) ausgebbares, die relevanten Objektkonturen wiedergebendes Konturbild (K) erzeugbar ist.

9. Röntgenanlage nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß in der Rechnereinrichtung (7) mehrere zur Planung und/oder Auswahl des Prothesenimplantats mit dem Konturbild (K) zur Übereinstimmungsermittlung ver gleichbare schablonenartige Implantatbilder (I) abgelegt sind.

10. Röntgenanlage nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das Konturbild (K) und ein Implantatbild (I) an der als Monitor (8) ausgebildeten Anzei geeinrichtung gemeinsam nebeneinander oder überlagert wieder gebbar sind.

11. Röntgenanlage nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Implantantbild (I) auto matisch mittels der Rechnereinrichtung (7) oder manuell aus wählbar und/oder überlagerbar und/oder nebeneinander dar stellbar ist.

12. Röntgenanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die Rechen einrichtung (7) zum Bestimmen relevanter Größenangaben des Objekts (O) anhand des Konturbilds (K) ausgebildet ist.

13. Röntgenanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß ein Generator (4) vorgesehen ist, dessen an die Röntgenstrahlenquelle (3) anlegbare Betriebsspannung zur Beeinflussung des Energiespek trums der mittels der Röntgenstrahlenquelle (3) erzeugbaren Röntgenstrahlung variierbar ist.

14. Röntgenanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß Filtermittel (9) vorgesehen sind, die zur Beinflussung der von der Rönt genstrahlenquelle (3) erzeugten Röntgenstrahlung in den Strahlengang bringbar sind.