Simulation von 4D-Funktions-CT-Daten der LWS aus konventionellen Röntgen- und CT Aufnahmen

Einleitung:

Die Diagnostik pathologischer Bewegungsmuster der LWS lediglich anhand von konventionellen CTs und Röntgenfunktionsaufnahmen erlaubt zwar stellungsabhängige Pathologien zu erkennen, die Interpretation der Bilddaten bleibt aber aufgrund unterschiedlicher Projektionen z.B. bei Skoliosen schwierig. Dynamische Aufnahmen i.S. eines „Funktions-CTs“, die eine gute 3D oder 4D Darstellung und darüber hinaus noch kinematische Analysen, wie den Verlauf des Drehzentrums unter Last ermöglichen, stehen dahingegen nicht flächendeckend zur Verfügung. Wir schlagen daher eine computergestützte Simulation dieser Daten aus konventionellen Röntgen- und CT-Aufnahmen vor.

Methoden:

Zur Durchführung werden ein CT der LWS, sowie Funktionsaufnahmen in In- und Reklination verwendet. Die Wirbelkörper werden aus dem CT segmentiert und anschließend mittels einer 3D-zu-2D-Registrierung manuell auf ihre neue Position in der Re- bzw. Inklination gematcht. So lässt sich aus einem zweidimensionalen Röntgen die dreidimensionale Position jedes Wirbelkörpers bzw. der gesamten LWS rekonstruieren.

Die Funktionszustände zwischen den Extremstellungen werden durch ein biomechanisches Computersimulationsmodell, welches semiautomatisch auf die individuelle Patientenanatomie angepasst wird, interpoliert [1].

Das Modell wird anschließend mit dem Oberkörperanteil des Patientengewichtes belastet und zusätzlich ein Drehmoment in anteriore bzw. posteriore Richtung ausgeübt. Hierdurch erfolgt eine biomechanisch plausible In- bzw. Reklinationsbewegung bis zur aus den Funktionsaufnahmen ermittelten Endstellung.

Ergebnisse:

Wir konnten die Umsetzbarkeit der Methode prinzipiell demonstrieren. Nach manueller Registrierung der 3D-Wirbelkörper auf die einzelnen 2D-Röntgenbilder konnte die Bewegung durch das individualisierte Computersimulationsmodell erfolgreich interpoliert werden.

Es wurden die Abstände jedes Wirbels am Ende der Bewegung mit den tatsächlich aus dem Röntgen ermittelten Endstellungen verglichen. Es ergab sich eine mittlere Abweichung über alle Wirbelkörper von 2,27 mm (1,95 – 3,02 mm) für beide Endstellungen bezüglich der Massenschwerpunkte der einzelnen Wirbelkörper.

Diskussion:

Wir konnten zeigen, dass der Einsatz eines patientenindividuellen Simulationsmodells eine Möglichkeit der Interpolation zwischen einzelnen Funktionsaufnahmen der LWS darstellt, die es erlaubt aus konventionellen CT- und Röntgenaufnahmen ein dynamisches (4D) Funktions-CT zu simulieren. Die Auswertung pathologischer Bewegungsmuster soll so künftig erleichtert und greifbarer visualisiert werden. Zudem können dynamische Parameter wie der Verlauf des momentanen Drehzentrums jedes Wirbelkörpers berechnet und für die klinische Entscheidungsfindung herangezogen werden.

Literatur:

[1] Computer simulation and image guidance for individualised dynamic spinal stabilization. Kantelhardt SR, Hausen U, Kosterhon M, Amr AN, Gruber K, Giese A., Int J Comput Assist Radiol Surg. 2015 Aug;10(8):1325 – 32