Ruhr-Universität Bochum. PD Dr. med. Klaus Schmidt. Dienstort: Katholisches Krankenhaus Dortmund-West. Orthopädische Klinik

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1 Ruhr-Universität Bochum PD Dr. med. Klaus Schmidt Dienstort: Katholisches Krankenhaus Dortmund-West Orthopädische Klinik Die Dimensionen der knöchernen Kompartimente des Os metacarpale und der Phalangis proximalis des zweiten Fingerstrahles des Rheumatikers im Vergleich zum Gesunden Eine computergestützte morphometrische Analyse Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin einer Hohen Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität-Bochum vorgelegt von Andreas Roth aus Dortmund 2005

2 Dekan: Prof. Dr. med. G. Muhr Referent: Priv.Doz. Dr. med. Klaus Schmidt Korreferent: Prof. Dr. med. Monika U. G. v. Düring Tag der mündlichen Prüfung:

3 Meiner Familie in Dankbarkeit gewidmet.

4 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Untersuchungsgut und Methodik Übersicht Probandengruppen Verumgruppe mit bekannter R. A Kontrollgruppe Computertomographische Untersuchung Digitales Projektionsradiogramm Rekonstruierte Übersichtsaufnahme Spiral-Volumen-Technik Kalibrierung Das DICOM Format Softwareentwicklung Aufarbeitung der Daten Meßtechnik 22 3 Ergebnisse Knöcherne Dimensionen der Kontrollgruppe Übersicht Knöcherne Dimensionen der Ossa metacarpalia Knöcherne Dimensionen der Grundphalangen Knöcherne Dimensionen der Rheumatikergruppe Übersicht Knöcherne Dimensionen der Ossa metacarpalia Knöcherne Dimensionen der Grundphalangen 50 i

5 Inhaltsverzeichnis 4 Diskussion Diskussion der Methode Fehlerquellen und Artefakte Diskussion der Ergebnisse Vergleich der Röntgenmorphologie des II. Fingerstrahles Vergleich der Kortikalisdicke und der Markraumweite der Ossa metacarpalia Vergleich der Flächenausdehnung der Knochenkompartimente Vergleich der Kortikalisdicke und Markraumweite der Grundphalanx bei Arthrose und Arthritis Vergleich der Absorptionswerte an den Ossa metacarpalia 65 5 Schlussfolgerungen Schlußfolgerung für die mögliche klinische Anwendung 70 6 Literatur 72 7 Danksagung 81 8 Lebenslauf 82 ii

6 Einleitung 1 Einleitung Die Rheumatoide Arthritis (R.A.), auch chronische Polyarthritis (c.p.) genannt, ist eine meist chronische, in der Regel progredient verlaufende Systemerkrankung des Bindegewebes, die sich mit destruierenden Veränderungen an den Gelenken manifestiert und fakultativ Sehnen, Sehnenscheiden und Schleimbeutel sowie auch Augen und innere Organe befällt [33]. Ein Charakteristikum dieser Erkrankung ist der frühzeitige Befall der Körperregion mit der größten Dichte der oben genannten Synovialstrukturen, der Hand, und den sich daraus ergebenden Deformierungen. Die dabei auftretenden typischen Fehlstellungen an den Fingergelenken, d.h. die Ulnardeviation der Langfinger bei volarer Subluxation bis Luxation in den Fingergrundgelenken und zickzackförmiger Deformität des Fingerstrahles im Sinne einer sogenannten Schwanenhals- oder Knopflochdeformität, wurden bereits 1867 von CHARCOT beschrieben (Abb. 1-1). Abbildung 1-1: Typische rheumatische Deformitäten, Jean Marie Charcot

7 Einleitung Obwohl der Ablauf der entzündlichen Reaktion zunehmend erforscht wird, blieb die Ätiologie der Rheumatoiden Arthritis unklar. Verschiedene neue Untersuchungen sprechen für eine fehlgesteuerte oder unzureichende Immunantwort des Organismus auf einen Kontakt mit einem bisher nicht definierten Antigen [33]. Besser bekannt ist der in den Grundzügen einheitliche klinische Verlauf, dessen charakteristische Merkmale die Grundlage der Diagnosefindung liefern. Üblicherweise kann durch Zuordnung des klinischen Befundes zu den diagnostischen Kriterien für die Rheumatoide Arthritis die von der AMERICAN RHEUMATI ASSOCIATI- ON (ARA) festgelegt wurde, bereits frühzeitig eine Diagnosestellung ermöglicht werden [5, 28] (Vergl. Tabelle 1-1). Tabelle 1-1: ARA Kriterien nach Arnett, F. C. et al, der 7 Kriterien müssen für die Diagnose erfüllt sein. Die Kriterien 1 4 müssen dabei seit mindestens 6 Wochen bestehen. Kriterium Definition 1 Morgensteifigkeit der Gelenke Morgensteifigkeit der betroffenen Gelenke von mindestens 60 Minuten Dauer bis zur Besserung. 2 Arthritis in 3 oder mehr Gelenken Synovitis mit Schwellung und Ergussbildung in mindestens 3 von 14 möglichen Gelenkregionen; Mögliche Gelenkregionen: Fingergrund- und Mittelgelenke, Hand-, Ellenbogen-, Knie-, Sprung- und Zehengrundgelenke beiderseits. Synovitis mindestens einer Gelenkregion in einem Hand-, Fingergrund- oder Mittelgelenk. 3 Arthritis an Hand und Fingergelenken 4 Symmetrische Arthritis Gleichzeitige symmetrische Befunde der Gelenke der Gegenseite. 5 Rheumaknoten Subkutane Knoten über Knochenvorsprüngen an den Streckseiten der Gelenke oder in Gelenknähe. 6 Rheumafaktor im Serum Nachweis mit einer Methode, die bei einer normalen Kontrollgruppe in unter 5 % positive Befunde ergibt. 7 Radiologische Veränderungen Für die R. A. typische radiologische Veränderungen auf einer p. a. Aufnahme der Hand mit gelenknaher Osteoporose und oder Erosionen. Ein wesentliches diagnostisches Kriterium sind die, entsprechend den so genannten ARA-Kriterien typischen radiologischen Veränderungen, die charakteristischerweise als Erstes an der Hand und im Vorfußbereich sichtbar werden. Hierzu zählt nicht die unspezifische bei allen Weichteilschwellungen erkennbare Veränderung des so genannten Weichteilschattens, wohl aber die als klassisch bezeichnete Entkalkung der gelenknahen Skelettanteile. Ferner zählt hierzu die allmähliche Zerstörung der, zwischen Knorpel und Knochen erkennbaren so genannten Grenzlamelle und später das Auftreten von gelenknahen Defekten, d. h. Usuren bis hin zu gelenkfernen Knochendefekten, d.h. Zysten. Nicht typisch, aber hinweisend auf den Grad der Erkrankung, sind Gelenkspaltverschmälerungen und zunehmende Luxationsstellungen. 2

8 Einleitung Die charakteristischerweise in Schüben zunehmenden Gelenkdestruktionen können nach LARSEN in fünf verschiedene Stadien unterteilt werden [44] (Tabelle 1-2). Tabelle 1-2: Einteilung des Schweregrades der radiologischen Veränderungen im Rahmen der Rheumatoiden Arthritis nach LARSEN, DALE, EEK, 1977 Grad I II III IV V Art der pathologischen Veränderungen geringfügige, unspezifische Veränderungen (periartikuläre Weichteilschwellung, Gelenkspaltverschmälerung, gelenknahe Entkalkung) geringe, aber sicher destruierende Veränderungen (geringe Erosionen und Gelenkspaltverschmälerungen) mässiggradige, destruierende Veränderungen (deutliche Erosionen und Gelenkspaltverschmälerungen) schwere destruierende Veränderungen (erhebliche Erosionen und Gelenkspaltverschmälerungen, Knochendeformierungen an den gewichttragenden Gelenkenden) mutilierende Veränderungen (Gelenkflächen des Knochens zerstört, evtl. Dislokation und knöcherne Ankylose als Folgezustände) Veränderungen des meta- und diaphysären Bereiches der langen Handknochen wurden bislang kaum in der Literatur beschrieben. Diese Veränderungen sind insbesondere im Hinblick auf eine mögliche endoprothetische Versorgung der Langfingergrundgelenke von besonderer Bedeutung. Die im längeren Verlauf der rheumatoiden Arthritis fast immer mitbefallenen und häufig zerstörten Langfingergrundgelenke sind von hoher Bedeutung für die Handfunktion und werden entsprechend einem Vorschlag von GSCHWEND zusammen mit dem Daumensattelgelenk in die erste Kategorie einer dreistufigen Einteilung zugeordnet [28]. Eine Versteifung der Gelenke der ersten Kategorie geht mit einem erheblichen Funktionsverlust der Hand einher, so dass bewegungserhaltende Operationen anzustreben sind (Tabelle 1-3). Tabelle 1-3: Bedeutung der Funktionsbeeinträchtigung von Hand- und Fingergelenken für die Handfunktion (nach GSCHWEND, 1986). Kategorie Betroffene Gelenke Bedeutung für die Handfunktion 1 Daumensattelgelenke Erheblicher Funktionsverlust Langfingergrundgelenke 2 Fingermittelgelenke Deutlicher Funktionsverlust Daumengrundgelenke Handgelenke 3 Fingerendgelenke Kein Funktionsverlust Die Resektionsarthroplastik in der Technik nach FOWLER und VAINIO fand unter den mobilitätserhaltenden Eingriffen an den Fingergrundgelenken dabei die weiteste Verbreitung [82]. Die Langzeitergebnisse nach Resektionsarthroplastik sind bezüg- 3

9 Einleitung lich der Beweglichkeit und Schmerzreduktion durchaus mit denen nach endoprothetischem Fingergelenkersatz vergleichbar. Bei voranschreitender Knochenresorption, insbesondere bei mutilierenden Formen der Rheumatoiden Arthritis, tritt das Problem der zunehmenden Instabilität mit erneutem sekundären Funktionsverlust auf. Langfristig zeigten Patienten mit endoprothetischem Fingergrundgelenkersatz an der einen Hand und Resektionsarthroplastik der Grundgelenke an der anderen Hand eine subjektiv und objektiv höhere Stabilität der endoprothetisch versorgten Fingergelenke bei vergleichbarem Bewegungsumfang [10]. Seit den vierziger Jahren wurde bis heute eine große Anzahl verschiedener Fingergelenkendoprothesen entwickelt und zum Teil in die klinische Anwendung übernommen [64]. Aus der Vielzahl der verschiedenen Endoprothesentypen haben sich beim Rheumatiker bislang lediglich sogenannte Interpositionsarthroplastiken bewährt. Diese stabilisierenden Silastic -Interponate dominieren seit ihrer Einführung durch SWANSON in den 60-er Jahren das Gebiet der Fingergelenkendoprothetik [73-77, 79]. Die in die Grundphalanx bzw. in den Mittelhandknochen eingesteckten flexiblen Silikonkörper erlauben bei deutlicher Schmerzreduktion eine gute Korrektur der Ulnardeviation bei deutlich eingeschränktem Bewegungsumfang. Langfristig zeigen sich jedoch abriebbedingte Osteolysen der implantattragenen Knochen, Knochenverkürzungen und eine hohe Bruchrate [65,40]. Die Entwicklung leistungsfähiger Fingergrundgelenksendoprothesen ist insbesondere für den Rheumatiker eine wünschenswerte Option. Die optimale Nutzung der kleinen anatomischen Verhältnisse ist angesichts der hohen auf das Grundgelenk einwirkenden Kräfte von zwingender Notwendigkeit. Da die Indikation des Langfingergrundgelenkersatzes hauptsächlich bei Rheumatikern gestellt wird, sind die rheumatisch bedingten Veränderungen der grundgelenksnahen Fingerknochen von besonderer Bedeutung. Ziel der im Folgenden beschriebenen Untersuchung war es daher die Veränderungen der an das Zeigefingergrundgelenk angrenzenden Fingerknochen im Vergleich zur gesunden Hand zu analysieren. Neben dem Gewinn an grundsätzlichen Erkenntnissen über die lokale Pathomorphologie sind hieraus Rückschlüsse auf die Anforderung an das Design und Prinzip von endoprothetischem Gelenkersatz der Langfingergrundgelenke abzuleiten. 4

10 Einleitung Zur Analyse der Röntgenveränderungen des Os metacarpale und der Grundphalanx wurden Computertomographien jeweils beider Hände von Patienten mit diagnostizierter Rheumatoider Arthritis sowie jeweils beider Hände einer Kontrollgruppe von zehn Probanden mit fingergrundgelenksfernen degenerativen Veränderungen mit Hilfe eines speziell für diese Untersuchung entwickelten Computerprogrammes analysiert. 5

11 Untersuchungsgut und Methodik 2 Untersuchungsgut und Methodik 2.1 Übersicht Zur Analyse der radiologischen Veränderungen wurden jeweils beide Hände von 25 an R.A. erkrankten Patientinnen in einem mittleren Alter von 60,5 Jahren mit einer mittleren Erkrankungsdauer von 7,4 Jahren und zehn Frauen mit degenerativen Veränderungen und einem Durchschnittsalter von 61,4 Jahren computertomographisch untersucht. Die Untersuchungen wurden mit einem Computertomographen (CT-Scanner) des Herstellers Siemens vom Typ Somatom Plus 4 in der Klinik für Radiologie am St. Josef-Hospital Bochum durchgeführt (Direktor: Prof. Dr. med. O. Köster). Die CT- Daten wurden in Spiral-Volumentechnik mit einem kontinuierlichen Vorschub von 2 mm pro 360 Grad Rotation gewonnen. Zur Untersuchung wurden die Hände auf gelgefüllten Beuteln, so genannten Bolus-Bags, über einem Mineral-Kalibrierungs- Phantom zur Verbesserung der Bestimmung des Knochendichteäquivalentes gelagert. Die gewonnenen Rohdaten wurden auf eine UNIX Workstation übertragen und mit einer, eigens für diese Untersuchung entwickelten so genannten FTR-Software auf Linux -Basis weiterbearbeitet. Die Software-Entwicklung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit Herrn Dipl. Inform. Martin Wawro von der Fakultät für Informatik der Universität Dortmund, Lehrstuhl VII (Graphische Systeme, Leiter: Prof. Dr. H. Müller). Zum Zweck der räumlichen Kalibrierung wurde bei der Rekonstruktion der Bilddaten aus dem vorher gewonnenen Rohdatenmaterial ein quadratischer Bildausschnitt mit einer Kantenlänge von 150 mm gewählt. Bei einer datentechnischen Erfassung von 512 x 512 gespeicherten Bildpunkten (Pixel) ergibt sich hieraus eine Pixelgröße von 0,29 x 0,29 mm. Ein Bildpunkt repräsentiert also die Größe einer Fläche von 0,084 mm². Aus der dreidimensionalen Rekonstruktion des Gesamtdatensatzes der Bildpunkte der jeweiligen Hand wurden Teilvolumina unter Einschluss der dargestellten Strukturen des Os metacarpale II und der Grundphalanx II errechnet. Aus den Datensätzen der Teilvolumina wurden orthograd zur Längsrichtung der eingeschlossenen Knochen Schichtbilder berechnet, deren Lage innerhalb des untersuchten Teil- 6

12 Untersuchungsgut und Methodik volumens in Schritten von 0,1 mm auf der Längsachse frei wählbar war. Um trotz unterschiedlicher Längen der untersuchten Fingerknochen vergleichbare Ebenen zu untersuchen, wurde die Schaftmitte und die Knochenlängen der Mittelhandknochen und Grundphalangen bestimmt. Von der Schaftmitte ausgehend wurden in proximaler und distaler Richtung die angrenzenden Schichtbilder in Abständen von zehn Prozent der jeweiligen Knochenlänge untersucht. Das FTR-Programm führte eine semiautomatische Konturerkennung der Kortikalisgrenzen durch und errechnete den geometrischen Schwerpunkt der Darstellung der Markraumfläche und positionierte in diesen ein Fadenkreuz mit vier im Winkel von jeweils 45 Grad zueinander stehenden Achsen, deren rotatorische Ausrichtung vom Untersucher entsprechend der räumlichen Lage des untersuchten Knochens angepasst wurde. Die Abstände vom Schwerpunkt zur inneren Kortikalisgrenze wurden zusammen mit der Richtung als dorsale, dorsoulnare, ulnare, palmoulnare, palmare, palmoradiale, radiale sowie dorsoradiale Ausdehnung des Markraumes erfasst. Die Abstände auf den Achsen des Fadenkreuzes zwischen innerer und äußerer Kortikalisgrenze wurden analog als Ausdehnung der Kortikalis errechnet. Die so gewonnenen Daten der Knochendimensionen wurden auf einem handelsüblichen PC (CPU 300 MHz, 32 MB Arbeitsspeicher, Betriebssystem: Microsoft Windows ) mit dem Tabellenkalkulationsprogramm Microsoft Excel weiterverarbeitet. 2.2 Probandengruppen Es wurden zwei Probandengruppen untersucht. Eine Gruppe mit bekannter Rheumatoider Arthritis und eine Kontrollgruppe. Beide Kollektive bestanden aus weiblichen hospitalisierten Patienten Verumgruppe mit bekannter R. A. Bei 25 weiblichen Probanden mit der Diagnose einer Rheumatoiden Arthritis, im Alter zwischen 38,8 und 72,6 Jahren, wurden jeweils beide Hände untersucht. Das mittlere Lebensalter der Untersuchten in der R.A. Gruppe betrug 60,5 Jahre mit einer Standardabweichung von 8,9 Jahren. Die durchschnittliche Erkrankungsdauer konnte mit 7,4 Jahren ermittelt werden. 7

13 Untersuchungsgut und Methodik Kontrollgruppe In der Kontrollgruppe wurden bei zehn weiblichen Probanden mit einem Lebensalter von 49,3 bis 74,9 Jahren ebenfalls beide Hände untersucht. In dieser Gruppe betrug das durchschnittliche Lebensalter der Probanden 61,4 Jahre bei einer Standardabweichung von 8,7 Jahren. 2.3 Computertomographische Untersuchung Die rekonstruktive Computertomographie ist ein Schnittbildverfahren zur Erstellung von Transversaltomogrammen mittels Röntgenstrahlen. Körperschichten lassen sich durch eine definierte Anzahl an Projektionen als Schwächungsbilder bzw. als Dichtebilder darstellen. Hierzu erfassen Detektoren die Schwächung von Röntgenstrahlen in einer Körperschicht. Diese Schwächungswerte werden, mit Hilfe eines Computersystems, ihrer örtlichen Zugehörigkeit entsprechend rekonstruiert. Diese Rekonstruktion der Schwächungswerte lässt sich anschließend auf einer Bildwiedergabeeinheit darstellen. Hierbei wird jedem Bildpunkt (Pixel, engl. Picture element) ein seiner Ortszugehörigkeit entsprechender Schwächungswert in Form einer Graustufe zugewiesen. Dabei entspricht jede Graustufe einem definierten Spektrum an Schwächungswerten. Diese Schwächungswerte sind nach dem Pionier der CT-Entwicklung Hounsfield als Hounsfield-Einheiten - HU (engl. Hounsfield Units) benannt. Abbildung 2-2 stellt schematisch das Spektrum der Hounsfield-Einheiten der Organe und Gewebe des menschlichen Körpers dar. Definition der Hounsfield-Einheiten - HU: HU μ μobjekt μwasser = 1000 μwasser = linearer Schwächungskoefizient Abbildung 2-1: Formel der Definition der Hounsfield-Einheiten 8

14 Untersuchungsgut und Methodik Abbildung 2-2: Hounsfield-Werte verschiedener Körpergewebe (aus: Röntgenaufnahmetechnik, hrsg. v. Siemens AG, 1979), Knochen wird mit einem Bereich von unter 100 bis 3000 Hounsfield-Einheiten angegeben Im Vergleich zu den Bildern eines Computertomographen sind konventionelle Röntgenaufnahmen hinsichtlich der Strukturauflösung, im Gegensatz zur Kontrastauflösung, von höherer Qualität [45]. Das heißt, die mit einem Computertomographen erstellten Bilder unterliegen bezüglich der Ortsauflösung einem höheren Fehler. Die Untersuchungen wurden mit einem Computertomographen des Herstellers Siemens vom Typ Somatom Plus 4 durchgeführt. Zu den Komponenten der Anlage gehöhrte ein in horizontaler und vertikaler Richtung beweglicher Patientenlagerungstisch, ein Hochspannungsgenerator, eine schwenkbare Gantry, die ein Lichtvisier, eine Röntgenröhre und Detektoren enthielt, ein Bedienpult, eine Auswerteeinheit, eine Rechnereinheit, Bildwiedergabeeinrichtungen sowie einen Datenspeicher und ein Datenarchiv. Die Gantry und der Patientenlagerungstisch waren über ein Tastenkontrollfeld mit integriertem LED - Monitor an der Gantry zu bedienen. Ebenfalls zum Gerät gehörte eine Rechnereinheit vom UNIX - Typ mit einem temporären Speicher, einem fest installierten Verweilspeicher, einem Verweilspeicher mit austauschbaren Medien vom magneto-optischen Typ und einem CD-ROM Laufwerk. Zwei Bildschirme, eine Tastatur und ein Zeigegerät (Maus) dienten der Steuerung und der Kontrolle durch den Benutzer. Zur Kommunikation mit dem Patienten während der Untersuchung stand eine Gegensprechanlage zur Verfügung. 9

15 Untersuchungsgut und Methodik Die Probanden wurden in Bauchlage, mit dem Kopf zur Gantry gerichtet auf dem Patientenlagerungstisch positioniert. Dabei waren die Arme der Probanden kopfwärts ausgestreckt, die Unterarme wurden parallel ausgerichtet und die Hände im Arbeitsfeld so positioniert, daß sie oberhalb des Mineral Kalibrierungs - Phantom zu liegen kamen. Zwischen dem Phantom und den Händen des Patienten befinden sich zwei gel-gefüllte Kunststoffbeutel, sogenannte Bolus Bags, die dem Ausgleich entstehender Inkongruenzen zwischen dem Untersuchungsgut und dem Phantom dienten (Abbildung 2-3). Dadurch wurde während der Messung aus beiden Objekten ein weitgehend homogener Körper erzeugt und so die Entstehung von Grenzflächenartefakten vermindert. Der Patientenlagerungstisch wurde auf Arbeitshöhe gebracht und der Proband wurde in die Gantry gefahren. Anhand eines Laserstrahls, welcher die Schnittebene markierte, wurde der Proband so positioniert, dass der Laserstrahl das distale Ende des möglichen Untersuchungsbereiches markierte. Abbildung 2-3: Technischer Aufbau des Untersuchungsbereiches 10

16 Untersuchungsgut und Methodik Digitales Projektionsradiogramm Rekonstruierte Übersichtsaufnahme Zur Einstellung der Untersuchungsregion wurde zunächst ein rekonstruiertes Übersichtsbild des Untersuchungsbereiches angefertigt. Dieser erstreckte sich von der Tuberositas phalangis distalis am Kopf der Endphalanx des dritten Fingerstrahles bis über die proximale Reihe der Handwurzelknochen. Die Röntgenröhre sowie die daran gekoppelten Detektoren wurden für den gewünschten Strahlengang eingerichtet und fixiert. Der Proband wurde auf dem Lagerungstisch mit einer kontinuierlichen Tischbewegung in craniocaudaler Richtung durch den Strahlengang gefahren. Es erfolgte die Anfertigung von Expositionen in Abständen von 1 mm. Die serielle Rekonstruktion der Schichtaufnahmen durch den Computer ergab ein digitales Projektionsradiogramm, das auf einem der Monitore zur Darstellung kam. Die Ansicht entsprach in etwa dem Bild einer herkömmlichen Röntgenaufnahme in a. p. Projektion. Die Strahlenbelastung beträgt hierbei ca. 1/100 einer entsprechenden Aufnahme die in herkömmlicher Röntgentechnik hergestellt wurde. Anhand der Übersichtsaufnahme wurde die zu untersuchende Region festgelegt. Hierzu wurde mit Hilfe der Maus sowie entsprechenden Programmeinstellungen ein rechteckiger Rahmen um einen Bildausschnitt der Übersichtsaufnahme gelegt. Insbesondere im Hinblick auf die Nutzung des Datenmaterials für Folgestudien wurden das proximale und das distale Interphanlangealgelenk sowie der carpometacarpale Übergang mit in den Untersuchungsbereich aufgenommen Spiral-Volumen-Technik Die Untersuchung wurde in der sogenannten Spiral-Volumen-Technik durchgeführt, d. h. durch das permanent rotierende Aufnahmesystem, bei kontinuierlicher Strahlung und gleichmäßigem ununterbrochenem Tischvorschub war eine lückenlose Datenerfassung der Untersuchungsregion möglich. 11

17 Untersuchungsgut und Methodik Abbildung 2-4: Schematische Darstellung der Spiral-Volumen-Technik mit kontinuierlichem Tischvorschub und lückenloser Datenerfassung (aus: Laubenberger, Th., Technik der medizinischen Radiologie, DÄV 1994) Dieser Untersuchungsmodus lieferte einen helikalen Datensatz, aus dem, mittels Interpolation, Schichten beliebig berechnet werden können. Bei den zu dieser Studie durchgeführten Untersuchungen betrug der Vorschub 2 mm bei 360 Rotation. Abbildung 2-5: Schema einer rekonstruierten Bildserie (aus: Laubenberger, Th., Technik der medizinischen Radiologie, DÄV 1994) Als Vorteile der o. g. Untersuchungsmethode gelten die lückenlosen Volumenerfassung, kurze Aufnahmezeiten und hierdurch bedingt geringe Bewegungsartefakte, Dosiseinsparung durch überlappende Bildbearbeitung, retrospektive Berechnung von dreidimensionalen Rekonstruktionen. Die Rohdaten wurden von der angeschlossenen Computeranlage in einen temporären Datenspeicher überführt und dort gespeichert. 12

18 Untersuchungsgut und Methodik Kalibrierung Die radiologischen Schwächungswerte werden, wie oben bereits erwähnt, zu einem Bild rekonstruiert. Bei einer Matrix von 512 X 512 Pixel ( Pixel) und einem Fenster von 150 X 150 mm (22500 mm²) entspricht ein Pixel mit einer Kantenlänge von 0,293 mm einer Fläche von 0,086 mm². 11, 65 Pixel haben somit die Fläche von ca. 1 mm². Zum Zweck der räumlichen Kalibrierung wurde bei der Rekonstruktion der Bilddaten aus dem vorher gewonnenen Rohdatenmaterial ein quadratischer Bildausschnitt mit einer Kantenlänge von 150 mm gewählt. Der virtuelle Vorschub und die Schichtdicke wurden bei der Rekonstruktion, ebenso wie der Datenerfassung, auf 2 mm bei 360 Rotation eingestellt. Die Kantenlänge des gewählten Bildausschnittes betrug 150 mm. Die vom CT - Scanner erfassten Daten des definierten Bildausschnittes wurden in eine Datei umgewandelt. Die Datei bestand aus zwei Komponenten: zum einen Informationen des Programms mit dem sie erstellt wurde, zum anderen Daten des Graustufenbildes, die einer Tabelle mit 512 Spalten und 512 Zeilen entsprachen. Die Spalten (X) und Zeilen (Y) der Tabelle definierten die Koordinaten der Bildpunkte an. Der Wert in einer Zelle (z.b.: X 1, Y 1) bestimmte den Grauwert bzw. die Hounsfield - Einheiten (engl. Hounsfield - Unit, H. U.) des jeweiligen Bildpunktes (Pixel / Voxel). Jedes Bild setzte sich aus 512 x 512, also Bildpunkten zusammen. 512 Bildpunkte bei einer Bildgröße von 150 mm Kantenlänge entsprach somit 3,41 Bildpunkte pro 1 mm Kantenlänge. Da die Bildpunkte ihrerseits quadratisch waren, finden sich pro mm² 11,65 Bildpunkte. Die erfassten Grauwerte der einzelnen Untersuchungen weisen bei jedem CT- Scanner untereinander eine Varianz auf, so dass bei zwei Untersuchungen von identischem Material differierende Grauwerte gefunden werden können. Zur Kalibrierung der Grauwerte wurde bei jeder Untersuchung ein CT-Mineralkalibrierungs- Phantom unterhalb des Untersuchungsgutes angebracht. 13

19 Untersuchungsgut und Methodik Abbildung 2-6: Mineralkalibrierungs Phantom (schematisierte Darstellung) 1977 wurde das verwendete CT-Mineralkalibrierungs-Phantom in San Francisco, USA entwickelt. Es besteht aus einem konkav konvexem transparentem Acrylkorpus in dem sich fünf parallel angeordnete Röhren befinden. Die Röhren sind mit Flüssigkeiten gefüllt, die in jeder Röhre eine unterschiedliche, definierte Röntgendichte aufweisen. Das CT-Mineralkalibrierungs-Phantom ist eine standardisierte Version des CT Bone Mineral Reference Phantom, das 1977 von CANN an der University of California, San Francisco (UCSF) entwickelt wurde. Seit 1978 ist das Phantom im klinischen Einsatz in der quantitative Osteoporosediagnostik [12, 13]. Von 1978 bis 1981 erfolgte die Weiterentwicklung des Phantoms. Die heute verfügbare, sowohl bezüglich der Form und Geometrie, als auch hinsichtlich der verwendeten Materialien optimierten Version, hat eine Länge von 46 cm, ist 26,5 cm breit und eine maximale Dicke von 4 cm. Es ist konvex - konkav geformt und enthält 5 Röhren von 1,5 cm Durchmesser, die wiederum mit standardisierten Lösungen definierter radiologischer Dichte gefüllt sind. Diese Lösungen enthalten Dikaliumhydrogenorthophosphat (K 2 HPO 4 ), als ein in der Osteoporosediagnostik standardmäßig verwendetes Mineraläquivalent, Wasser sowie ein fettäquivalentes Polyethylen. Das Spektrum der 14

20 Untersuchungsgut und Methodik K 2 HPO 4 - Konzentrationen der einzelnen Röhren reicht von 50 bis 200 mg K 2 HPO 4 / cm 3 in linearer Verteilung. Dies entspricht dem Spektrum des Mineralgehaltes trabekulärer Knochen beim Menschen [12]. 2.4 Das DICOM Format DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) ist ein weltweit gültiger Standard im Bereich der bildgebenden Verfahren. Er wurde zu dem Zweck der Kommunikation zwischen heterogenen Systemen nach dem Open System Interconnection Modell (OSI Modell) entworfen. Mit ihm können Bilder und Daten von unterschiedlichen bildgebenden und bildverarbeitenden Geräten untereinander ausgetauscht werden. Um dies zu erreichen sind im DICOM-Standard spezielle Protokolle, Syntax und Semantik von Kommandos und Nachrichten, die mit den DICOM- Protokollen verschickt und gespeichert werden, sowie Vorschriften für die Beschreibung von DICOM-kompatiblen Geräten definiert. In den siebziger Jahren fanden Computertomographie - Systeme zunehmende Verbreitung. Inzwischen sind weitere bildgebende Modalitäten dazugekommen. Ihnen ist gemein, dass sie ihre Bilddaten digital verarbeiten. Diese Daten können unabhängig von der Bedienkonsole dargestellt und weiterverarbeitet werden. Gerätehersteller entwickelten stark spezialisierte und nicht immer untereinander kompatible Bildkommunikationssysteme, die fast nur isoliert betrieben werden konnten. DICOM sollte als geräteunabhängiger Standard entwickelt werden. Anfang 1983 entstand eine Arbeitsgruppe, die aus dem American College of Radiology (ACR) und der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) bestand publizierte diese Arbeitsgruppe den ACR-NEMA Standard 1.0 auf der Konferenz der RSNA (Radiological Society of North America). Darin sind das Hardware - Interface und alle notwendigen Datenelemente und Protokolle für einen zuverlässigen und fehlerfreien Datentransfer spezifiziert. Im Jahre 1988 erschien die Version 2.0 und 1991 der aktuell gültige Standard DICOM 3.0. Erstmals lagen hier genaue und ausführliche Modelle zugrunde. Zudem wurde DICOM 3.0 von Anfang an mit objektorientierten Methoden entwickelt. Als zentrales Element dieses Modells wurden dienstorientierte Objekte, die so genannten Service Object Pairs (SOP`s) entwickelt, die neben dem Objekt, wie zum Beispiel CT-Bild, MRT-Bild, auch dessen ausführbare Aktionen, wie beispielsweise Drucken eines CT-Bildes, beinhalten. Objekte und deren Aktionen werden zu 15

21 Untersuchungsgut und Methodik SOP-Klassen verknüpft. Alle unterstützten SOP-Klassen werden in einem sogenannten "Conformance Statement" dokumentiert. Dieses muss vom jeweiligen Gerätehersteller erstellt und veröffentlicht werden. Unterstützen zwei Geräte dieselben SOP-Klassen so können sie problemlos miteinander verknüpft werden. DICOM 3.0 ist in klar voneinander getrennte Bereiche untergliedert (vgl. Abbildung 2-4). Es existieren insgesamt 13, teilweise noch nicht vollständige Dokumente in denen, über die bereits genannten Definitionen hinaus, Anforderung hinsichtlich der Datenstruktur, der Dateiformate, geeigneter Speichermedien sowie verschiedene Kommunikationsstandards innerhalb von Netzwerken beschrieben werden. Teil 1: Einleitung und Überblick Teil 2: Konform itä t Te il 4 : Sp e zifik a tio n d e r Se rv ic e -K la sse n Te il 3: Inform a tio ne n zu Objektdefinitionen Teil 5: Datenstruktur und Semantik Teil 6: Datenstruktur Wörterbuch Teil 7: Nachrichtenaustausch Te il 8 : N e tzw e rk k o m m u n ik a tio n TC P / IP OSI Teil 9: Punkt zu Punkt Kommunikation Abbildung 2-7: Schematisierte Darstellung der Verknüpfungen der Abschnitte der DICOM- Spezifikation 2.5 Softwareentwicklung In enger Zusammenarbeit mit Herrn Dipl. Inform. M. Wawro vom Lehrstuhl VII der Fakultät für Informatik der Universität Dortmund (Graphische Systeme, Leiter: Prof. Dr. H. Müller) wurde das zu dieser Untersuchung verwendete Softwareprogramm entwickelt. Grundvoraussetzung der Entwicklungsarbeit war die Kompatibilität der Applikation zum DICOM-Standard. In 1998 und 1999 erfolgte die Entwicklung und der Testbetrieb mit bereits bestehenden Datensätzen in der Klinik für Radiologie im St. Josef Hospital, Universitätsklinik in Bochum (Direktor: Prof. Dr. med. O. Köster). Einige Fehler, insbesondere in der Verarbeitung des proprietären Datenformates des Ausgabegerätes (Siemens CT-Scanner Somatom Plus 4), das zwar dem 16

22 Untersuchungsgut und Methodik DICOM-Standard weitgehend entsprach, jedoch nicht vollständig kompatibel war, mussten behoben werden. Die angefertigten CT-Daten konnten eingelesen und weiter verarbeitet sowie letztlich ausgewertet werden. Die Weiterverarbeitung beinhaltete das Extrahieren definierter Bereiche des jeweiligen Datensatzes in doppelschräger Projektion auf der Basis multiplanarer Schichten und eine schwellenwertbasierte Strukturisolierung. Die Möglichkeit der Vermessung von Flächen und Strecken sowie von Hounsfield-Werten sollte erfolgen. Zudem erfolgte die Programmierung einer Exportroutine für die Ausgabe der Messergebnisse und den anschließenden Import in eine Tabellenkalkulationssoftware. Abbildung 2-8: Rekonstruierte multiplanare Tomogramme. Schematische Darstellung einer Auswahl von Projektionen (aus: Laubenberger, Th., Technik der medizinischen Radiologie, DÄV 1994) Die Software arbeitete mit einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI, engl. graphical user interface) in Fenstertechnik wie sie von gängigen Produkten wie z. B. Microsoft Windows bekannt ist. Die Befehle mit denen Programmaktionen ausgeführt wurden waren über eine Menüleiste am oberen Rand des Programmfensters per Maussteuerung zugänglich. Die ergonomisch gestaltete GUI war in drei Fensterbereiche sowie einen Reglerbereich aufgeteilt (siehe Abbildung 2-9). 17

23 Untersuchungsgut und Methodik Abbildung 2-9: Darstellung des Programmfensters mit verschiedenen Fensterbereichen. 1 - Patienteninformationen, 2 - Informationen des Datensatzes bzw. der Untersuchung, 3 - Fensterfläche zur visualisierung der Bilddaten. Im linken unteren Fensterbereich befinden sich Kontrollregler. 2.6 Aufarbeitung der Daten Die mit dem Computertomographen erstellten Datensätze wurden von der mobilen Speichereinheit auf den permanenten Speicher der UNIX Workstation, die zur Auswertung vorbereitet wurde, übertragen. Die Dateien wurden mit der FTR - Software geöffnet, wobei das Programm die CT-Rekonstruktionssequenzen der rechten und linken Hand unterscheiden konnte. Die rekonstruierten Sequenzen wurden anhand einer, durch das Programm ermittelten Auflistung selektiert und anschließend abermals rekonstruiert. Dabei wurden die Bilddaten der Dateien seriell zu einem scheinbar dreidimensionalen Objekt zusammengesetzt. Dieses Objekt war in einem Übersichtsbild im Fenster der FTR - Software auf dem Monitor sichtbar. Zudem rekonstruierte das Programm aus den gewonnenen Daten drei weitere Bilder, die sich ebenfalls auf dem Monitor darstellten. Diese entsprachen einer herkömmlichen Röntgenaufnahme in a. p. - Projektion, der Projektion eines lateralen Strahlenganges sowie einem vertikalen Summationsbild. Es handelte sich bei der seriellen Aufbereitung der Bilddaten aus den CT-Sequenzen um ein dreidimensionales Objekt von definiertem Volumen. Aus diesem Gesamtvo- 18

24 Untersuchungsgut und Methodik lumen wurde nun ein definiertes Teilvolumen extrahiert. Dieses Teilvolumen wird im folgenden Text als Volumen von Interesse, kurz V.O.I. (englisch: volume of interest) bezeichnet. Zur Definition des V.O.I. wurde mittels einer optional, per Zeigegerät, aus dem Menü wählbaren Funktion eine Achse in das Übersichtsbild gelegt. Die Länge der Achse konnte durch Verschiebung der Endpunkte mit Hilfe des Zeigegerätes variiert und den jeweiligen anatomischen Gegebenheiten angepasst werden (Abbildung 2-10). Abbildung 2-10: Verkleinerte Darstellung einer rekonstruierten Übersichtsaufnahme mit definierter Achse Die Achse war ebenso in den drei erwähnten Projektionsbildern sichtbar, zudem waren die Positionen der Endpunkte der Achse in diesen Projektionen, wiederum mittels Zeigegerät, zu beeinflussen. So ließ sich die räumliche Ausrichtung der Achse innerhalb des Gesamtvolumens exakt bestimmen. Um diese Achse wurde ein Quader von definierter Kantenlänge so konstruiert, dass sich alle knöchernen Strukturen des zu isolierenden Objektes innerhalb des V.O.I. befanden. Die Kantenlänge war in Schritten von 0,1 mm wählbar. Aus den CT- Datensätzen wurden, orthograd zu der zuvor definierten Achse, Schichtbilder errechnet. Die Summe der Schichtbilder entsprach dem V.O.I. (Abbildung 2-11 a und b). 19

25 Untersuchungsgut und Methodik Abbildung 2-11 a und b: Darstellung eines Os metacarpale in der a-p (a) und lateralen Projektion (b) nach Isolierung des Volume of Interest - V.O.I. aus dem Gesamtdatensatz Die Schichtbilder des V.O.I. wurden als FTR - Sequenzdatei dem permanenten Speicher zugeführt und dort für weitere Zugriffe der im Folgenden beschriebenen Bearbeitung gespeichert. 20

26 Untersuchungsgut und Methodik Abbildung 2-12: Darstellung des Arbeitsfensters der Programmoberfläche der FTR-Software mit geladenem Datensatz und nachträglich eingefügten Beschriftungen und Markierungen. A - kennzeichnet die Menüleiste, die, analog zu gängigen Applikationen, die Drop Down Menüs öffnet. B - Position der Patienteninformationen (Name, Geschlecht, Geburtsdatum etc.). C - markiert die Informationen des CT-Scans bzw. der rekonstruierten Daten. Bei - D - liegen die Regler zur Einstellung der variablen Parameter (sichtbare Einzelschichtaufnahme, Wahl der Kantenlänge des Quadrates zur Definition des Volume of Interest (V.O.I.) und Dicke der Einzelschichtaufnahme). Die Fenster, die zur Kontrolle des CT-Scans und zur Positionierung der Achse dienen sind mit 1-4 durchnummeriert. 1 - serielle Rekonstruktion der Schichtbilder in einer, der herkömmlichen ap- Projektion nachempfundenen Darstellungsweise. 2 - analoge Darstellung der Schichtbildserie, jedoch dem lateralen Strahlengang nachempfunden. 3 - Darstellung der mittels der Regler für variable Parameter (siehe - D -) gewählten Einzelschicht. 4 - Summationsbild der Schichtaufnahmen in craniocaudaler Projektion zur Kontrolle der räumlichen Ausrichtung der Achse. Die gepunkteten orangefarbenen Markierungen kennzeichnen die Achse mit Start und Endpunkt sowie dem in - 3 sichtbaren, die Achse umgebenden Quadrat. Dieses dient der Kontrolle des zu isolierenden und zu rekalkulierenden V.O.I. 21

27 Untersuchungsgut und Methodik Meßtechnik Die gespeicherte Sequenzdatei des V.O.I. wurde geladen und es erfolgte die Isolierung der knöchernen Strukturen anhand eines schwellenwertbasierten Segmentierungsverfahren. Bei einem definierten Schwellenwert von 1200 HU stellten sich dabei die Kortikaliskonturen weiß und die Umgebung schwarz dar. Die Bildinformation über die Hounsfield Units, die die Graustufenbilder ermöglichten blieben jedoch erhalten. Die Vermessung der Ausdehnung der knöchernen Strukturen wurde auf der Basis der erstellten Schwarzweißbilder durchgeführt. Hierzu wurde ein Fadenkreuz über dem Bild positioniert. Das Zentrum des Fadenkreuzes befand sich dabei im geometrischen Schwerpunkt der Fläche, die den Markraum repräsentierte. Das Fadenkreuz setzte sich aus 2 Hauptachsen und 2 Nebenachsen zusammen, wobei die Achsenpaare jeweils rechtwinklig zueinander ausgerichtet waren. Die Nebenachsen bildeten dabei die Winkelhalbierenden zweier benachbarter Hauptachsen. So konnte die Dicke der knöchernen Strukturen in acht Richtungen bestimmt werden. Die Richtungen der Hauptachsen waren: dorsal, volar, radial und ulnar. Abbildung 2-13: Schematische Darstellung einer transversalen Schichtung mit Ausrichtung der Haupt- und Nebenachsen Die auf dem Monitor vom Mittelpunkt des Fadenkreuzes zum oberen Bildrand zeigende Achse sollte, im weiteren Verlauf der Messungen, als die nach dorsal ausge- 22

28 Untersuchungsgut und Methodik richtete Achse definiert sein. Zur erleichterten Orientierung war diese Achse optisch hervorgehoben. Das Fadenkreuz ließ sich, entgegen dem Uhrzeigersinn, in Schritten von 1 Grad um bis zu 360 Grad rotieren. Abbildung 2-14: Vergrößerte Darstellung des Fadenkreuzes zur Ausrichtung der gegen den Uhrzeigersinn drehbaren Hauptmessachsen. Der rot dargestellte Bereich kennzeichnet Voxel innerhalb einer Fläche deren Grenzlinien Werte von 1200 HU aufweisen. Die blaue Fläche repräsentiert den medullären Kanal, sie umfasst sämtliche Voxel die durch die innere Begrenzung der Kortikalis eingeschlossen werden. Die Werte der Grenzlinien dieses Bereiches betragen 1199 HU. Am Os metacarpale erfolgte die Ausrichtung des Fadenkreuzes indem die, in radioulnarer Richtung verlaufende Hauptachse parallel zu einer Verlängerung der dorsalen Kortikalis im Bereich des Metakarpaleköpfchens, auf der Höhe des proximalen Endes des Gelenkdomes ausgerichtet wurde. An der Grundphalanx orientierte sich die Ausrichtung des Fadenkreuzes ebenfalls an der radioulnaren Achse. Sie wurde ausgerichtet zu einer Geraden, die sowohl die radiale als auch die ulnare Kondyle der proximalen Grundphalanx volarseitig tangierte. 23

29 Untersuchungsgut und Methodik Die Software ermittelte anschließend aus der seriellen Rekonstruktion der Schichtbilder des V.O.I. mittels der genannten Schwellenwerte den zu vermessenden Anteil der Datentabelle. Alle Voxel die sich jenseits der als äußere kortikale Grenzfläche definierten Region befanden wurden nicht in die Berechnung einbezogen. Diese Regel wurde auf alle Schichten des jeweiligen Untersuchungsgangs angewendet. Die Vermessung der Flächen erfolgte, in dem das Programm die Integrale der in o.g. Weise definierten Voxel erfasste und sowohl die räumliche Ausdehnung als auch die Werte des Knochendichteäquivalentes ermitteln konnte. Die Ausdehnung des Markraums und der Kortikalis wurde in den Bereichen der zuvor definierten Haupt- und Nebenachsen festgestellt, indem die Distanz zwischen dem geometrischen Mittelpunkt der Fläche die den Markraum repräsentierte und den Dichtesprüngen der HU an den zuvor per definierter Schwellenwerte ermittelten Grenzflächen gemessen wurde. Die Ergebnisse wurden in Form einer tabellarisch strukturierten Textdatei exportiert und plattformübergreifend in die Tabellenkalkulationssoftware eines Microsoft Windows Systems importiert und dort weiterverarbeitet. 24

30 Ergebnisse 3 Ergebnisse Die erfassten knöchernen Dimensionen der im folgenden Text dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf die Knochendicke, die Kortikalisdicke, die Markraumweite. Ebenso werden die Ergebnisse der flächenhaften Ausdehnung der oben genannten Knochenkompartimente dargestellt sowie die der radiologischen Dichte. Zudem wurde der relative Anteil des Markraumes an der Knochenausdehnung beschrieben. Die auf den folgenden Seiten angegebenen Werte für die diametrale Ausdehnung der knöchernen Kompartimente beruhen auf einer mathematischen Rekonstruktion des Datenmaterials. Dabei wurden die Knochenkompartimente anhand einer Sekante zu der zuvor definierten Knochenlängsachse schwellenwertbasiert ausgemessen. Sie entsprechen somit nicht den Knochenquerschnitten und werden deshalb im folgenden Text als Halbmesser bezeichnet. 3.1 Knöcherne Dimensionen der Kontrollgruppe Übersicht Die durchschnittliche errechnete Länge der 20 vermessenen Mittelhandknochen in der Kontrollgruppe betrug 64,5 mm (Maximum 78 mm, Minimum 57 mm, Standardabweichung 5,4 mm). Der relative Anteil des Markraums im dia- und metaphysären Bereich (= mittlere 80% der Länge) wurde in dieser Gruppe mit durchschnittlich 26 % bestimmt. Analog wurde für die vermessenen 20 Grundphalangen eine Durchschnittlänge von 40,6 mm (Maximum 50 mm, Minimum 38 mm, Standardabweichung 3,5 mm) errechnet. Die mittlere dorsopalmare und radioulnare Markraumweite der Grundphalanx zeigte ein Verhältnis von etwa 3/4 (3,7/4,9). 25

31 Ergebnisse Die folgende Tabelle 3-1 zeigt die Knochenlängen in der Kontrollgruppe : Tabelle 3-1 Knochenlängen in der Kontrollgruppe in mm L OM linkes Os Metacarpale II L PP linke proximale Phalanx II R OM rechtes Os metacarpale II R PP rechte pro ximale Phalanx II L OM L PP R OM R PP MIN MAX AVG 64,4 40,4 64,6 40,8 STABW 5,35 3,57 5,45 3, Knöcherne Dimensionen der Ossa metacarpalia Knöcherne Ausdehnung: Für die knöcherne Ausdehnung in der ermittelten Schaftmitte der Mittelhandknochen fanden wir eine durchschnittliche dorsopalmare bzw. radioulnare Schaftweite von 8,9 mm bzw. 9,9 mm. Die durchschnittliche Markraumausdehnung beträgt dabei in der ermittelten Schaftmitte in dorsopalmarer bzw. radioulnarer Richtung jeweils 3,9 mm. Im proximalen und distalen Bereich der Mittelhandknochen kommt es zu einer Erweiterung der knöchernen Dimensionen im Bereich der Metaphyse. Im proximalen Bereich beträgt die durchschnittliche dorsopalmare Schaftweite 11,4 mm, in radioulnarer Richtung sind es 12,3 mm. Distal wurde eine Ausdehnung von 11,7 mm in beiden Richtungen ermittelt. Kortikalisdicke: Die Kortikalis hat im Bereich der Schaftmitte eine durchschnittliche Stärke von 2,4 mm. Von der Schaftmitte aus nimmt die Kortikalisdicke nach proximal und distal auf eine Stärke von 2,6 mm zu. Querschnittflächen: Die durchschnittliche Querschnittsfläche beträgt 10,5 mm 2 in Schaftmitte. Nach proximal und distal kommt es zu einer durchschnittlichen Markraumerweiterung auf eine Fläche von 17,1 mm 2 proximal und 26 mm 2 distal. 26

32 Ergebnisse Markraumanteil: Der durchschnittliche Markraumanteil beträgt in der ermittelten Schaftmitte13,8 %. Distal sind es 11,3 % und im proximalen Bereich 21,5 %. Radiologische Knochendichte: Die mittlere radiologische Knochendichte wurde in Schaftmitte mit 1550 HU für die Kortikalis und - 69 HU für den Markraum ermittelt (HU: Hounsfield Units, engl.). Dabei fand sich eine Abnahme der radiologischen Dichte der Kortikalis auf durchschnittlich 912 HU proximal und 546 HU distal. 27

33 Ergebnisse Dorsopalmare Ausdehnung der knöchernen Kompartimente der Ossa metacarpalia in der Kontrollgruppe (n=20) 10 dorso p almar [ mm] dorsale Kortikalis palmare Kortikalis dorsaler Markraum palmarer Markraum 10-40% - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-1: Durchschnittliche dorsopalmare Ausdehnung von Markraum und Kortikalis der Mittelhandknochen in der Kontrollgruppe in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte ±X% der Knochenlänge) Die dorsopalmaren Halbmesser der Ossa metacarpalia zeigen in der hier durchgeführten Messung ein Minimum mit einem ermittelten Wert von 4,3 mm dorsal und 4,6 mm palmar in der Schaftmitte. Nach proximal und distal steigen die Werte für den Knochenquerschnitt an. Proximal beträgt die Ausdehnung 5,5 mm in dorsaler und 6,0 mm in palmarer Richtung. Distal wurden Werte von 4,6 mm (dorsal) und 6,8 mm (palmar) gefunden (Vergl. Tab. 3-2 und Tab. 3-3). Tabelle 3-2: Werte der Knochenausdehnung in dorsaler und palmarer Richtung Gesamt dorsal -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,4 3,8 3,7 3,7 3,6 4,1 4,1 4,2 4,1 Max 7,1 5,6 5,3 4,9 5,1 4,8 5,4 6,5 7,3 Avg 4,6 4,6 4,4 4,4 4,3 4,5 4,7 5,2 5,5 STABW 1,3 0,5 0,3 0,3 0,5 0,2 0,2 0,7 1,0 palmar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 3,5 3,3 3,2 3,1 4,0 3,8 4,1 4,4 4,9 Max 9,0 8,5 7,2 6,2 5,5 5,3 6,2 6,8 7,8 Avg 6,8 6,8 5,8 5,2 4,6 4,7 4,9 5,2 6,0 STABW 2,0 1,8 1,2 0,9 0,4 0,4 0,5 0,9 1,0 Die Ausdehnung des Markraumes dagegen zeigte ein Minimum in dem Bereich 10% proximal der Schaftmitte von 1,6 mm dorsal und 1,7 mm palmar und steigt von dort aus ebenfalls nach proximal und distal an. Proximal steigt sie auf 3,0 mm dorsal und 2,8 mm palmar, distal auf 2,8 mm dorsalseitig und 3,3 mm palmar, nimmt dann distal jedoch wieder auf 1,5 mm dorsal und 1,6 mm palmar ab. 28

34 Ergebnisse Tabelle 3-3: Werte der Markraumausdehnung in dorsaler und palmarer Richtung in mm Markraum dorsal -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,1 0,6 0,9 0,7 0,9 0,6 0,7 1,2 1,9 Max 3,9 3,7 3,4 2,6 2,4 2,1 2,7 3,6 4,8 Avg 1,5 2,8 2,4 2,1 1,9 1,6 2,0 2,4 3,0 STABW 1,7 1,0 0,8 0,5 0,4 0,4 0,5 0,7 0,9 palmar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,0 0,5 0,9 0,8 0,9 0,8 0,8 1,1 2,1 Max 3,7 4,7 3,9 3,1 2,6 2,2 2,5 3,1 3,8 Avg 1,6 3,3 2,9 2,3 2,0 1,7 2,0 2,4 2,8 STABW 1,7 1,4 1,0 0,6 0,5 0,5 0,5 0,6 0,6 Die Kortikalisdicke zeigt in dem Bereich 10 % proximal der Schaftmitte ein Maximum von 1,2 mm in dorsopalmarer Richtung. Der Seitenvergleich der ermittelten Werte ergab in der Kontrollgruppe eine durchschnittlich größere Kortikalisdicke an der rechten Hand. Durchschnittlich wurden über die gesamte vermessene Schaftlänge (mittlere 80 % der Schaftlänge) rechtsseitig höhere Werte für die Kortikalisdicke festgestellt (Vergl. Tab. 3-4 und Tab. 3-5). Tabelle 3-4: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in mm in dorsaler Richtung Kortikalis dorsal -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 2,7 1,8 2,1 2,4 2,5 2,8 2,5 2,8 2,3 rechts 3,3 1,8 1,8 2,2 2,4 2,8 2,9 2,9 2,8 gesamt 3,0 1,8 2,0 2,3 2,4 2,8 2,7 2,9 2,5 Tabelle 3-5: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in mm in palmarer Richtung Kortikalis palmar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 4,8 3,6 2,8 2,9 2,6 2,9 2,7 2,7 3,0 rechts 5,6 3,3 3,1 2,9 2,7 3,1 3,1 3,0 3,4 gesamt 5,2 3,5 2,9 2,9 2,6 3,0 2,9 2,8 3,2 29

35 Ergebnisse Radioulnare Ausdehnung der knöchernen Kompartimente der Ossa metacarpalia in der Kontrollgruppe (n=20) 10 radioulnar [ mm ] radiale Kortikalis ulnare Kortikalis radialer Markraum ulnarer Markraum 10-40% - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-2: Durchschnittliche radioulnare Ausdehnung von Markraum und Kortikalis der Mittelhandknochen in der Kontrollgruppe in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) in mm Die radioulnaren Halbmesser der Ossa metacarpalia zeigen in dieser Untersuchung in Schaftmitte einen ermittelten Wert von 5,1 mm radial und 4,8 mm ulnar. Nach proximal und distal steigen die Werte für den Knochenquerschnitt an. Proximal beträgt die Ausdehnung 5,8 mm in radialer und 6,2 mm in ulnarer Richtung. Distal werden Werte von 5,8 mm (radial) und 6,1 mm (ulnar) gefunden (Vergl. Tab. 3-6). Tabelle 3-6: Werte der Knochenausdehnung in radialer und ulnarer Richtung in mm radial -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 4,2 4,6 5,0 4,4 4,1 3,9 3,7 3,8 4,2 Max 7,6 8,4 9,2 7,9 7,3 6,6 6,2 6,2 7,1 Avg 5,8 6,6 6,1 5,5 5,1 4,8 4,8 5,3 5,8 STABW 1,0 1,1 1,4 1,1 1,0 0,8 0,6 0,6 0,9 ulnar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 4,4 4,6 4,4 3,9 3,7 3,6 3,8 4,1 4,5 Max 7,7 7,3 8,3 7,0 6,8 6,2 5,9 7,0 7,6 Avg 6,1 5,9 5,3 5,0 4,8 4,6 4,8 5,7 6,2 STABW 1,1 1,0 1,3 0,9 0,8 0,7 0,7 0,9 1,1 Für die Markraumausdehnung in Schaftmitte konnten Werte von 2,0 mm radial und 1,9 mm ulnar ermittelt werden. Nach proximal stiegen die Werte auf 2,7 mm radial und 2,5 mm ulnar, distal auf 3,7 mm radialseitig und 3,5 mm ulnarseitig. Sie nahmen dann distal wieder auf 1,8 mm radial und 1,9 mm ulnar ab (Vergl. Tab. 3-7). 30

36 Ergebnisse Tabelle 3-7: Werte der Markraumausdehnung in radialer und ulnarer Richtung in mm radial -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,0 1,1 1,7 1,5 0,6 0,5 0,7 1,0 1,1 Max 4,6 5,3 6,1 4,6 3,3 2,3 2,8 4,1 4,3 Avg 1,8 3,7 3,3 2,5 2,0 1,6 1,8 2,4 2,7 STABW 1,9 1,3 1,4 0,9 0,7 0,4 0,7 1,0 1,0 ulnar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,0 0,9 1,8 1,4 0,5 0,4 0,6 1,0 0,7 Max 4,8 5,0 5,7 4,1 2,8 2,7 3,3 3,6 4,3 Avg 1,9 3,5 3,1 2,4 1,9 1,6 1,8 2,3 2,5 STABW 2,0 1,3 1,3 0,7 0,6 0,5 0,8 0,9 1,0 In radioulnarer Ausdehnung zeigt der Seitenvergleich der ermittelten Werte in der Kontrollgruppe ebenso eine durchschnittliche größere Kortikalisdicke an der rechten Hand. Hier finden sich ebenfalls über die gesamte vermessene Schaftlänge (mittlere 80 % der Schaftlänge) rechtsseitig höhere Werte für die Kortikalisdicke (Vergl. Tab.: 3-8 und Tab. 3-9). Tabelle 3-8: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in radialer Richtung in mm Kortikalis radial -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 3,9 2,9 2,8 3,0 3,1 3,2 3,0 2,7 2,9 rechts 4,1 2,9 2,9 3,1 3,1 3,3 3,0 3,0 3,3 gesamt 4,0 2,9 2,9 3,1 3,1 3,2 3,0 2,8 3,1 Tabelle 3-9: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in ulnarer Richtung in mm Kortikalis ulnar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 3,9 2,3 2,3 2,7 3,0 3,1 3,0 3,2 3,5 rechts 4,4 2,4 2,2 2,5 2,9 3,0 3,0 3,5 3,9 gesamt 4,2 2,4 2,3 2,6 2,9 3,1 3,0 3,4 3,7 31

37 Ergebnisse Flächen der Knochenkompartimente der Ossa metacarpalia in der Kontrollgruppe (n=20) 1,5 cm² 1,0 0,5 Kortikalisfläche Markraumfläche Gesamtfläche 0,0-40% - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-3: Darstellung des Verlaufs der durchschnittlichen Markraum-, Kortikalis- und Gesamtknochenflächen der Mittelhandknochen in der Kontrollgruppe in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts(= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) in mm² Die ermittelten Querschnittsflächen beider Knochenkompartimente fallen von proximal mit Werten von 1,21 cm² auf 0,72 cm² in Schaftmitte und steigen nach distal wieder auf 1,51 cm² an. Für die Kortikalis betragen die Werte proximal 0,96 cm², distal 1,34 cm² und in Schaftmitte 0,62 cm². Der Markraum wurde proximal mit einer Fläche von 0,26 cm², distal mit 0,17 cm² und in Schaftmitte mit 0,10 cm² vermessen (Vergl. Tab. 3-10). Tabelle 3-10: Werte der Flächen der Knochenkompartimente in der Kontrollgruppe Kortex -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,83 0,68 0,50 0,48 0,49 0,53 0,55 0,59 0,59 Max 1,72 1,34 0,89 0,81 0,81 0,85 1,04 1,05 1,38 Avg 1,34 0,93 0,68 0,64 0,62 0,62 0,69 0,74 0,96 STABW 0,30 0,20 0,11 0,09 0,09 0,09 0,15 0,14 0,27 Markraum -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,00 0,02 0,06 0,03 0,02 0,01 0,02 0,06 0,11 Max 0,60 0,71 0,55 0,28 0,23 0,11 0,37 0,29 0,42 Avg 0,17 0,43 0,27 0,15 0,10 0,07 0,13 0,16 0,26 STABW 0,20 0,19 0,12 0,07 0,05 0,03 0,10 0,07 0,09 Gesamt -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,83 0,70 0,56 0,51 0,51 0,54 0,57 0,65 0,71 Max 2,32 2,06 1,44 1,10 1,04 0,96 1,41 1,34 1,80 Avg 1,51 1,35 0,94 0,79 0,72 0,69 0,83 0,90 1,21 STABW 0,30 0,28 0,22 0,15 0,11 0,11 0,20 0,23 0,43 32

38 Schwächungswerte [HU] in den Ossa metacarpalia in der Kontrollgruppe Ergebnisse [HU] HU Kortikalis HU Markraum % -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-4: Durchschnittliches Knochendichteäquivalent der Mittelhandknochen in der Kontrollgruppe in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte + X% der Knochenlänge) in HU Die radiologischen Schwächungswerte HU zeigen für Markraum und Kortikalis einen gegensätzlichen, bogenförmigen Verlauf. Die ermittelten Absorptionswerte der Kortikalis steigen von proximal 1136 HU auf 1603 HU an und fallen nach distal auf 695 HU ab. Die Schwächungswerte des Markraums sinken von proximal 6 HU auf 78 HU ab und steigen nach distal auf 695 HU (Vergl. Tab. 3-11). Tabelle 3-11: Verteilung des Knochendichteäquivalentes in den Mittelhandknochen der Kontrollgruppe in HU Kortikalis -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min Max Avg STABW Markraum -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min Max Avg STABW

39 Ergebnisse Knöcherne Dimensionen der Grundphalangen Knöcherne Ausdehnung: Für die knöcherne Ausdehnung in der ermittelten Schaftmitte der Grundphalangen fanden wir eine durchschnittliche dorsopalmare bzw. radioulnare Schaftweite von 7,1 mm bzw. 9,5 mm. Die durchschnittliche Markraumausdehnung beträgt dabei in der ermittelten Schaftmitte in dorsopalmarer bzw. radioulnarer Richtung 2,6 mm bzw. 5,1 mm. Im proximalen und distalen Bereich der Grundphalangen kommt es zu einer Erweiterung der knöchernen Dimensionen im Bereich der Metaphyse. Im proximalen Bereich beträgt die durchschnittliche dorsopalmare Schaftweite 9,2 mm, in radioulnarer Richtung sind es 11,8 mm. Distal wurde eine dorsopalmareausdehnung von 7,1 mm und eine radioulnare Ausdehnung von 10,1 mm ermittelt. Kortikalisdicke: Die Kortikalis hat im Bereich der Schaftmitte eine durchschnittliche Stärke von 2,3 mm. Von der Schaftmitte aus nimmt die Kortikalisdicke in dorsopalmarer Richtung sowohl nach proximal als auch nach distal auf eine Stärke von 2 mm ab. In radioulnarer Richtung nimmt sie jedoch nach distal auf 3,9 mm zu. Querschnittflächen: Die durchschnittliche Querschnittsfläche beträgt 5,9 mm 2 in Schaftmitte. Nach proximal und distal kommt es zu einer durchschnittlichen Markraumerweiterung auf eine Fläche von 12,6 mm 2 proximal und 8,8 mm 2 distal. Markraumanteil: Der durchschnittliche Markraumanteil beträgt in der ermittelten Schaftmitte 16,9 %. Distal sind es 1,1 % und im proximalen Bereich 11,1 %. Radiologische Knochendichte: Die mittlere radiologische Knochendichte wurde in Schaftmitte mit 2063 HU für die Kortikalis und 96 HU für den Markraum ermittelt (HU: Hounsfield Units, engl.). Dabei fand sich eine Abnahme der radiologischen Dichte der Kortikalis auf durchschnittlich 1280 HU proximal und 1281 HU distal. Die Werte für den Markraum 34

40 Ergebnisse stiegen nach proximal und distal auf 444 HU bzw. 641 HU an (Vergl. Abb.:3-5 bis 3-8). 35

41 Ergebnisse Dorsopalmare Ausdehnung der knöchernen Kompartimente der Grundphalangen in der Kontrollgruppe (n=20) 10 dorso p almar [ mm] dorsale Kortikalis palmare Kortikalis dorsaler Markraum palmarer Markraum 10-40% - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-5: Durchschnittliche dorsopalmare Ausdehnung von Markraum und Kortikalis der Grundphalanx in der Kontrollgruppe in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) in mm Die dorsopalmaren Halbmesser der Phalanges proximales zeigten in Schaftmitte einen durchschnittlichen Wert von 3,9 mm dorsal und 3,2 mm palmar. Nach proximal und distal steigen die Werte für den Knochenquerschnitt an. Proximal beträgt die Ausdehnung 4,9 mm in dorsaler und 4,3 mm in palmarer Richtung. Distal werden Werte von 3,5 mm (dorsal) und 3,6 mm (palmar) gefunden (Vergl. Tab. 3-12). Tabelle 3-12: Werte der Knochenausdehnung in dorsaler und palmarer Richtung in mm dorsal -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 2,6 3,2 3,3 3,4 3,4 3,7 3,4 3,4 3,4 Max 5,1 4,9 4,7 4,6 4,7 5,7 6,8 6,2 6,2 Avg 3,5 3,6 3,7 3,9 3,9 4,6 5,2 5,2 4,9 STABW 0,6 0,3 0,3 0,3 0,5 0,5 0,9 1,0 1,1 palmar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 2,9 2,5 2,8 2,8 2,6 3,1 2,8 2,8 2,8 Max 4,7 6,1 4,9 4,9 4,4 4,6 5,2 5,4 5,4 Avg 3,6 3,3 3,1 3,1 3,2 3,5 3,9 4,1 4,3 STABW 0,5 0,4 0,1 0,1 0,4 0,3 0,5 0,6 0,9 Die Ausdehnung des Markraumes zeigt in der Schaftmitte Werte von 1,4 mm dorsal und 1,2 mm palmar und steigt von dort aus nach proximal zunächst auf 2,2 mm dorsal und 2 mm palmar an, fällt metaphysär proximal auf 1,1 mm dorsal und 1 mm 36

42 Ergebnisse palmar, distal auf 0,4 mm auf der dorsalen Seite und 0,5 mm palmarseitig ab. (Vergl. Tab. 3-13). Tabelle 3-13: Werte der Markraumausdehnung in dorsaler und palmarer Richtung in mm dorsal -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,0 0,1 0,5 0,5 0,7 1,3 0,3 0,1 0,0 Max 1,3 2,6 2,3 2,1 2,3 2,5 3,3 3,2 3,1 Avg 0,4 0,9 1,0 1,2 1,4 2,0 2,2 2,1 1,1 STABW 0,6 0,4 0,2 0,3 0,2 0,4 0,8 1,2 1,4 palmar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,0 0,0 0,5 0,5 0,6 1,0 0,3 0,0 0,0 Max 1,5 3,3 2,5 2,1 2,1 2,1 2,4 3,2 2,8 Avg 0,5 1,0 1,0 1,0 1,2 1,6 1,7 2,0 1,0 STABW 0,6 0,5 0,2 0,3 0,2 0,3 0,6 1,1 1,2 In dorsopalmarer Richtung ergibt der Seitenvergleich der ermittelten Werte in der Kontrollgruppe eine durchschnittliche größere Kortikalisdicke an der rechten Hand. Insbesondere in den proximalen Bereichen wurden rechtsseitig höhere Werte für die Kortikalisdicke gemessen (Vergl. Tab und Tab. 3-15). Tabelle 3-14: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in dorsaler Richtung in mm Kortikalis dorsal -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 2,9 2,6 2,7 2,8 2,5 2,2 2,4 3,3 3,6 rechts 3,2 2,8 2,8 2,8 2,4 3,0 3,5 2,9 4,1 gesamt 3,1 2,7 2,7 2,8 2,5 2,6 3,0 3,1 3,8 Tabelle 3-15: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in dorsaler Richtung in mm Kortikalis palmar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 3,0 2,4 2,1 2,1 2,0 1,9 1,8 2,1 3,2 rechts 3,2 2,2 2,2 2,1 2,0 1,9 2,4 2,3 3,5 gesamt 3,1 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 2,1 2,2 3,3 37

43 Ergebnisse Radioulnare Ausdehnung der knöchernen Kompartimente der Grundphalangen in der Kontrollgruppe (n=20) 10 radioulnar [ mm ] radiale Kortikalis ulnare Kortikalis radialer Markraum ulnarer Markraum 10-40% - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-6: Durchschnittliche radioulnare Ausdehnung von Markraum und Kortikalis der Grundphalanx in der Kontrollgruppe in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) in mm Die radioulnaren Halbmesser der Ossa metacarpalia zeigen in Schaftmitte ein durchschnittliches Minimum von radial 4,7 mm und ulnar 4,8 mm. Nach proximal und distal stiegen die Werte für den Knochenquerschnitt an. Dabei betrug die Ausdehnung proximal 5,8 mm in radialer und 6,0 mm in ulnarer Richtung. Distal wurden Werte von 5,1 mm radial und 5 mm ulnar gefunden (Vergl. Tab. 3-16). Tabelle 3-16: Werte der Knochenausdehnung in radialer und ulnarer Richtung in mm radial -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 3,8 3,9 4,3 4,2 4,1 4,5 4,7 2,7 4,2 Max 6,2 6,9 6,4 5,6 5,2 5,3 6,5 6,9 7,5 Avg 5,1 5,3 5,0 4,7 4,7 5,0 5,5 5,5 5,8 STABW 0,6 0,6 0,5 0,3 0,2 0,3 0,5 1,5 1,2 ulnar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 3,8 4,2 4,7 4,4 4,3 4,6 4,7 3,8 4,2 Max 5,8 5,7 5,8 5,1 5,1 6,2 7,2 8,1 8,5 Avg 5,0 5,0 5,1 4,8 4,8 5,2 6,1 6,1 6,0 STABW 0,5 0,4 0,4 0,2 0,2 0,4 0,8 1,3 1,7 Die Markraumausdehnung zeigte in der Schaftmitte einen Wert von 2,5 mm radial und 2,6 mm ulnar und stieg von dort aus nach proximal auf bis zu 2,7mm radial- und 38

44 Ergebnisse ulnarseitig an, fiel jedoch proximal auf 2 mm radial- und ulnarseitig ab. Nach distal sank sie auf 0,6 mm radial- und 0,7 mm ulnarseitig (Vergl. Tab. 3-17). Tabelle 3-17: Werte der Markraumausdehnung in radialer und ulnarer Richtung in mm radial -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,0 0,5 1,4 1,6 1,7 2,0 1,3 0,0 0,0 Max 2,6 3,5 3,1 2,7 3,1 3,6 4,3 4,3 6,1 Avg 0,6 1,3 2,0 2,2 2,5 2,6 2,7 2,6 2,0 STABW 0,4 0,6 0,3 0,2 0,2 0,3 0,8 1,8 2,6 ulnar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,0 0,4 1,5 1,7 2,0 1,7 1,2 0,0 0,0 Max 2,2 3,0 2,6 2,8 3,2 3,7 5,7 4,4 6,4 Avg 0,7 1,4 2,1 2,3 2,6 2,7 2,7 2,4 2,0 STABW 0,5 0,6 0,2 0,3 0,3 0,4 1,1 1,7 2,7 Auch in radioulnarer Ausdehnung zeigte der Seitenvergleich der ermittelten Werte eine durchschnittliche größere Kortikalisdicke an der rechten Hand. Hier fanden sich insbesondere in den proximalen Bereichen rechtsseitig höhere Werte für die Kortikalisdicke (Vergl. Tab.: 3-18 und Tab. 3-19). Tabelle 3-18: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in radialer Richtung in mm Kortikalis radial -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 4,4 3,7 2,9 2,5 2,3 2,1 2,0 2,3 3,6 rechts 4,5 4,1 3,0 2,5 2,2 2,0 2,5 3,4 4,1 gesamt 4,5 3,9 2,9 2,5 2,3 2,4 2,8 2,9 3,8 Tabelle 3-19: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in ulnarer Richtung in mm Kortikalis ulnar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 3,9 3,3 2,9 2,4 2,2 2,0 2,1 3,8 3,8 rechts 4,6 3,9 3,1 2,4 2,2 2,2 2,4 3,6 4,2 gesamt 4,3 3,6 3,0 2,4 2,2 2,5 3,4 3,7 4,0 39

45 Ergebnisse Flächen der Knochenkompartimente der Grundphalangen in der Kontrollgruppe (n=20) 1,5 cm² 1,0 0,5 Kortikalisfläche Markraumfläche Gesamtfläche 0,0-40% - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-7: Durchschnittliche Querschnittsflächen [cm²] von Markraum, Kortikalis und Gesamtknochen der Grundphalangen in der Kontrollgruppe in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts(= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) in mm² Die ermittelte Knochenquerschnittsfläche sank von proximal mit Werten von 1,26 cm² auf 0,59 cm² in Schaftmitte und stieg nach distal wieder auf 0,88 cm² an. Für die Kortikalis betrugen die Werte proximal 1,12 cm², distal 0,87 cm² und in Schaftmitte 0,49 cm². Der Markraum wurde mit proximal mit einer Fläche von 0,14 cm², distal 0,01 cm² und in Schaftmitte mit 0,1 cm² bestimmt (Vergl. Tab. 3-20). Tabelle 3-20: Werte der Flächen der Knochenkompartimente in der Kontrollgruppe in mm² Kortex -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,76 0,46 0,41 0,42 0,43 0,44 0,44 0,45 0,45 Max 1,24 1,01 0,69 0,66 0,62 0,62 1,05 1,30 1,66 Avg 0,87 0,64 0,50 0,50 0,49 0,49 0,59 0,80 1,12 STABW 0,15 0,16 0,08 0,07 0,06 0,05 0,19 0,28 0,46 Markraum -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,00 0,00 0,03 0,03 0,04 0,09 0,02 0,02 0,00 Max 0,04 0,34 0,24 0,19 0,19 0,29 0,39 0,46 0,69 Avg 0,01 0,06 0,07 0,08 0,10 0,16 0,19 0,23 0,14 STABW 0,01 0,10 0,06 0,04 0,04 0,06 0,12 0,17 0,23 Gesamt -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,76 0,46 0,44 0,45 0,47 0,53 0,46 0,46 0,45 Max 1,28 1,35 0,93 0,85 0,81 0,91 1,44 1,76 2,35 Avg 0,88 0,71 0,58 0,58 0,59 0,65 0,78 1,03 1,26 40

46 Ergebnisse Schwächungswerte [HU] in den Grundphalangen in der Kontrollgruppe [HU] HU Kortikalis HU Markraum % - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-8: Durchschnittliche Absorptionswerte der Mittelhandknochen in der Kontrollgruppe in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) in HU Die Absorptionwerte (HU) zeigten für Markraum und Kortikalis einen gegensätzlichen, bogenförmigen Verlauf. Die ermittelten radiologischen Schwächungswerte der Kortikalis stiegen von proximal 1280 HU auf 2134 HU an fielen nach distal wieder auf 1281 HU ab. Die Schwächungswerte des Markraums sanken von proximal 444 HU auf -96 HU in Schaftmitte ab und stiegen nach distal auf 695 HU (Vergl. Tab. 3-21). Tabelle 3-21: Verteilung des Knochendichteäquivalentes in den Mittelhandknochen der Kontrollgruppe in HU Kortikalis -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Max Avg STABW Markraum -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min Avg STABW

47 Ergebnisse 3.2 Knöcherne Dimensionen der Rheumatikergruppe Übersicht Die durchschnittlich errechnete Länge der 50 vermessenen Mittelhandknochen der Rheumatiker betrug 64 mm (±4,7 mm Stabw.; Max.72 mm, Min. 56 mm). Der relative Anteil des Markraums im dia- und metaphysären Bereich (= mittlere 80% der Länge) wurde mit durchschnittlich 29% bestimmt. Analog wurde für die vermessenen 50 Grundphalangen eine Durchschnittlänge von 40,4 mm (±3,0 mm Stabw.; Max.45 mm, Min. 35 mm) und relativer Markraumanteil von 23% errechnet. Die mittlere dorsopalmare und radioulnare Markraumweite der Grundphalanx zeigte ein Verhältnis von 2/3 (3,6/5,5). Die Tabelle 3-22 zeigt die Knochenlängen in der Verumgruppe. Tabelle 3-22 Knochenlängen in der Verumgruppe L OM linkes Os metacarpale II R OM rechtes Os metacarpale II L PP linke proximale Phalanx R PP rechte proximale Phalanx L OM L PP R OM R PP MIN MAX AVG 64,2 40,4 63,7 40,4 STABW 4,88 2,98 4,49 2, Knöcherne Dimensionen der Ossa metacarpalia Knöcherne Ausdehnung: Für die knöcherne Ausdehnung in der ermittelten Schaftmitte der Metacarpalia fanden wir eine durchschnittliche dorsopalmare bzw. radioulnare Schaftweite von 8,9 mm bzw. 9,2 mm. Die Markraumausdehnung beträgt dabei in der ermitteleten Schaftmitte in dorsopalmarer bzw. radioulnarer Richtung 4,1 mm bzw. 5,1 mm. Im proximalen und distalen Bereich der Metacarpalia kommt es zu einer Erweiterung der knöchernen Dimensionen im Bereich der Metaphyse. Im proximalen Bereich beträgt die durchschnittliche dorsopalmare Schaftweite 11,3 mm, in radioulnarer 42

48 Ergebnisse Richtung sind es 11,2 mm. Distal wurde eine dorsopalmare Ausdehnung von 11,7 mm und eine radioulnare Ausdehnung von 11,2 mm ermittelt. Kortikalisdicke: Die Kortikalis hat im Bereich der Schaftmitte eine durchschnittliche Stärke von 2,4 mm. Von der Schaftmitte aus nimmt die Kortikalisdicke in dorsopalmarer Richtung nach proximal auf 3,2 mm, nach distal auf eine Stärke von 3,0 mm zu. In radioulnarer Richtung nimmt sie nach distal auf 3,1 mm nach proximal auf 3,0 mm zu. Querschnittflächen: Die durchschnittliche Querschnittfläche beträgt 6,5 mm 2 in Schaftmitte. Nach proximal und distal kommt es zu einer durchschnittlichen Markraumerweiterung auf eine Fläche von 11,4 mm 2 proximal und 16,1 mm 2 distal. Markraumanteil: Der durchschnittliche Markraumanteil beträgt in der ermittelten Schaftmitte 20 %. Distal sind es 36 % und im proximalen Bereich 28 %. Radiologische Knochendichte: Die mittlere radiologische Knochendichte wurde in Schaftmitte mit 1350 HU für die Kortikalis und 41 HU für den Markraum ermittelt (HU: Hounsfield Units, engl.). Dabei fand sich eine Abnahme der radiologischen Dichte der Kortikalis auf durchschnittlich 956 HU proximal und 551 HU distal (Tab.: 3-32 und Abb.: 3-12). 43

49 Ergebnisse Dorsopalmare Ausdehnung der knöchernen Kompartimente der Ossa metacarpalia in der Gruppe der Rheumatiker (n=50) 10 dorso p almar [ mm] dorsale Kortikalis palmare Kortikalis dorsaler Markraum palmarer Markraum 10-40% - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-9: Durchschnittliche dorsopalmare Ausdehnung von Markraum und Kortikalis der Mittelhandknochen in der Gruppe der Patienten mit R.A. in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) Die dorsopalmaren Halbmesser der Ossa metacarpalia zeigen in der Gruppe der Probanden mit R.A. in Schaftmitte einen ermittelten Wert von 4,3 mm dorsal und 4,6 mm palmar. Dieses Minimum liegt in dem Schaftbereich 10 % distal der Schaftmitte. Nach proximal und distal steigen die Werte für den Knochenquerschnitt an. Proximal beträgt die Ausdehnung 5,4 mm in dorsaler und 5,9 mm in palmarer Richtung. Distal werden Werte von 5,2 mm (dorsal) und 6,5 mm (palmar) gefunden (Vergl. Tab. 3-23). Tabelle 3-23: Werte der Knochenausdehnung in dorsaler und palmarer Richtung dorsal -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,4 3,6 3,2 2,3 3,6 4,1 3,9 3,5 3,9 Max 8,0 7,0 5,2 5,0 5,1 5,0 5,4 5,9 7,6 Avg 5,2 4,8 4,3 4,0 4,3 4,5 4,7 5,0 5,4 STABW 2,0 0,8 0,5 0,7 0,4 0,3 0,4 0,7 1,3 palmar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 3,5 4,3 3,9 2,3 4,0 3,9 4,1 4,1 4,3 Max 9,0 8,3 6,9 6,1 5,5 5,2 5,8 6,9 8,4 Avg 6,5 6,2 5,5 4,6 4,6 4,5 4,9 5,4 5,9 STABW 1,5 1,0 0,8 0,9 0,4 0,3 0,5 0,9 1,4 44

50 Ergebnisse Die Ausdehnung des Markraumes dagegen zeigte ein Minimum in der Schaftmitte von 2 mm dorsal und 2,1 mm palmar und stieg von dort nach proximal und distal an. Proximal auf 2,6 mm dorsalseitig und 2,7 mm in palmarer Richtung, distal auf 3,2 mm dorsalseitig und 3,7 mm palmar, nahm dann distal wieder auf 2,6 mm ab. Tabelle 3-24: Werte der Markraumausdehnung in dorsaler und palmarer Richtung dorsal -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,1 1,2 0,1 0,1 0,7 1,2 0,7 0,9 1,0 Max 5,4 5,0 3,4 3,0 2,9 3,0 3,5 4,3 5,3 Avg 2,6 3,2 2,3 2,0 2,0 2,1 2,3 2,5 2,6 STABW 1,9 1,0 0,8 0,7 0,5 0,5 0,7 1,0 1,5 palmar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,1 0,2 0,1 0,1 0,8 1,2 0,8 1,0 1,2 Max 5,4 5,9 4,0 3,2 2,8 3,1 3,2 4,5 5,0 Avg 2,7 3,7 2,7 2,2 2,1 2,2 2,4 2,8 2,7 STABW 1,9 1,3 1,0 0,8 0,5 0,5 0,7 1,1 1,3 In dorsopalmarer Richtung ergab der Seitenvergleich der ermittelten Werte eine durchschnittlich größere Kortikalisdicke an der rechten Hand. Über die gesamte vermessene Schaftlänge (mittlere 80 % der Schaftlänge) wurden rechtsseitig höhere Werte für die Kortikalisdicke gemessen (Vergl. Tab und Tab. 3-26). Tabelle 3-25: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in dorsaler Richtung Kortikalis dorsal -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 2,3 1,7 2,0 1,8 2,2 2,5 2,2 2,2 2,3 rechts 2,8 1,4 1,9 2,2 2,4 2,4 2,5 2,8 3,4 gesamt 2,5 1,6 1,9 2,0 2,3 2,4 2,4 2,5 2,8 Tabelle 3-26: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in dorsaler Richtung Kortikalis palmar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 3,4 2,4 2,7 2,3 2,4 2,3 2,5 2,4 2,9 rechts 4,3 2,6 2,8 2,6 2,4 2,3 2,6 2,9 3,5 gesamt 3,9 2,5 2,8 2,4 2,4 2,3 2,5 2,6 3,2 45

51 Ergebnisse Radioulnare Ausdehnung der knöchernen Kompartimente der Ossa metacarpalia in der Gruppe der Rheumatiker (n=50) 10 radiulnar [mm ] radiale Kortikalis ulnare Kortikalis radialer Markraum ulnarer Markraum 10-40% - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-10: Durchschnittliche radioulnare Ausdehnung von Markraum und Kortikalis der Mittelhandknochen in der Gruppe der Patienten mit R.A. in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) Die radioulnaren Halbmesser der Ossa metacarpalia zeigen in dieser Gruppe in Schaftmitte einen durchschnittlichen Wert von 4,7 mm radial- und 4,5 mm ulnarseitig. Nach proximal und distal steigen die Werte an. Proximal beträgt die Ausdehnung 5,9 mm in radialer und 5,7 mm in ulnarer Richtung. Distal wurden Werte von 5,6 mm radial- und ulnarseitig gefunden (Vergl. Tab. 3-27). Tabelle 3-27: Werte der Knochenausdehnung in radialer und ulnarer Richtung radial -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 2,9 4,7 4,4 2,3 4,1 3,9 3,9 3,3 4,5 Max 7,4 8,0 6,8 5,8 5,4 5,3 6,0 6,9 7,8 Avg 5,6 6,5 5,5 4,8 4,7 4,5 4,9 5,3 5,9 STABW 2,6 1,4 1,0 1,5 0,6 0,6 0,7 1,1 1,7 ulnar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 2,5 3,6 4,1 2,6 4,0 3,9 4,0 3,5 4,2 Max 7,2 7,1 6,0 5,8 5,4 5,3 5,6 6,8 7,4 Avg 5,6 5,8 5,0 4,5 4,5 4,6 4,8 5,3 5,7 STABW 2,2 1,1 0,8 1,2 0,6 0,6 0,7 1,2 1,9 Die Markraumausdehnung zeigte in der Schaftmitte ein Minimum von 2,1 mm radial- und ulnarseitig und stieg von dort aus nach proximal und distal an. Proximal auf 46

52 Ergebnisse 2,7 mm radial- und ulnarseitig, distal auf 3,6 mm radialseitig und 3,7mm ulnar, nahm dann distal jedoch wieder auf 2,6 mm auf der radialen und 2,7 mm auf der ulnaren Seite ab (Vergl. Tab. 3-28). Tabelle 3-28: Werte der Markraumausdehnung in radialer und ulnarer Richtung radial -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,1 1,2 0,1 0,1 0,8 1,3 0,5 0,8 0,8 Max 5,7 5,5 4,1 3,3 2,9 2,9 3,8 4,2 5,5 Avg 2,6 3,6 2,7 2,2 2,1 2,1 2,3 2,5 2,7 STABW 2,9 1,7 1,6 1,2 0,7 0,6 1,1 1,4 2,1 ulnar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,1 0,2 0,1 0,1 0,8 1,2 0,8 1,0 1,2 Max 5,4 5,9 4,0 3,2 2,8 3,1 3,2 4,5 5,0 Avg 2,7 3,7 2,7 2,2 2,1 2,2 2,4 2,8 2,7 STABW 2,7 2,2 1,5 1,3 0,6 0,8 0,9 1,5 2,0 In radioulnarer Ausdehnung weist der Seitenvergleich der ermittelten Werte eine durchschnittlich größere Kortikalisdicke an der rechten Hand nach. Hier finden sich über die gesamte vermessene Schaftlänge (mittlere 80 % der Schaftlänge) rechtsseitig höhere Werte für die Kortikalisdicke (Vergl. Tab.: 3-29 und Tab. 3-30). Tabelle 3-29: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in radialer Richtung Kortikalis radial -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 2,4 2,7 2,5 2,3 2,5 2,5 2,6 2,4 2,7 rechts 3,6 3,2 3,1 2,9 2,7 2,4 2,7 3,1 3,8 gesamt 3,0 3,0 2,8 2,6 2,6 2,4 2,6 2,8 3,2 Tabelle 3-30: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in ulnarer Richtung Kortikalis ulnar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 2,5 2,0 2,2 2,0 2,3 2,3 2,2 2,4 2,4 rechts 3,3 2,2 2,4 2,6 2,4 2,3 2,6 2,6 3,6 gesamt 2,9 2,1 2,3 2,3 2,4 2,3 2,4 2,5 3,0 47

53 Flächen [mm²] der Knochenkompartimente der Ossa metacarpalia in der Gruppe mit Rheumatoider Arthritis (n=50) Ergebnisse 1,5 [cm²] 1,0 0,5 Kortikalisfläche Markraumfläche Gesamtfläche 0,0-40% - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-11: Durchschnittliche Querschnittsflächen von Markraum, Kortikalis und Gesamtknochen der Mittelhandknochen in der Gruppe der Patienten mit R.A. in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) Die ermittelte Querschnittsfläche beider Knochenkompartimente sank von durchschnittlich 1,14 cm² proximal auf 0,65 cm² in Schaftmitte und stieg nach distal wieder auf 1,16 cm² an. Für die Kortikalis betrugen die Werte proximal 0,82 cm², distal 1,02 cm² und in Schaftmitte 0,52 cm². Die Markraumfläche wurde mit 0,32 cm² proximal, 0,58 cm² distal und in Schaftmitte mit 0,13 cm² vermessen (Vergl. Tab. 3-34). Tabelle 3-31: Werte der Flächen der Knochenkompartimente in der R.A.-Gruppe Kortex -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,34 0,44 0,41 0,22 0,41 0,42 0,46 0,53 0,54 Max 1,45 1,26 0,75 0,68 0,67 0,66 0,72 1,33 1,38 Avg 1,02 0,74 0,56 0,50 0,52 0,53 0,59 0,72 0,82 STABW 0,31 0,24 0,09 0,12 0,08 0,06 0,07 0,20 0,30 Markraum -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,00 0,11 0,00 0,00 0,03 0,04 0,02 0,04 0,07 Max 2,54 4,69 0,50 0,30 0,21 0,23 0,38 4,46 0,81 Avg 0,58 0,67 0,26 0,16 0,13 0,14 0,19 0,50 0,32 STABW 0,74 0,95 0,12 0,08 0,05 0,05 0,09 1,06 0,24 Gesamt -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,34 0,55 0,41 0,22 0,44 0,47 0,48 0,57 0,61 Max 3,99 5,96 1,25 0,97 0,89 0,89 1,10 5,80 2,19 Avg 1,61 1,41 0,82 0,66 0,65 0,67 0,77 1,22 1,14 48

54 Ergebnisse Schwächungswerte [HU] in den Ossa metacarpalia der Gruppe mit Rheumatoider Arthritis [HU] HU Kortikalis HU Markraum % - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-12: Durchschnittliches Knochendichteäquivalent der Mittelhandknochen in der Gruppe der Patienten mit R.A. in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) Die radiologischen Schwächungswerte HU zeigen für Markraum und Kortikalis einen gegensätzlichen Verlauf. Die ermittelten Absorptionwerte der Kortikalis steigen von proximal 956 HU auf 1350 HU in Schaftmitte an fallen nach distal auf 551 HU ab. Die Schwächungswerte des Markraums sinken von proximal 14 HU auf -44 HU ab und steigen nach distal auf 158 HU (Vergl. Tab. 3-34). Tabelle 3-32: Verteilung des Knochendichteäquivalentes in den Mittelhandknochen der Gruppe der Probanden mit Rheumatoider Arthritis Kortikalis -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Max Avg STABW Markraum -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min Avg STABW

55 Ergebnisse Knöcherne Dimensionen der Grundphalangen Knöcherne Ausdehnung: Für die knöcherne Ausdehnung in der ermittelten Schaftmitte der Grundphalangen fanden wir eine durchschnittliche dorsopalmare bzw. radioulnare Schaftweite von 7,2 mm bzw. 9,6 mm. Die durchschnittliche Markraumausdehnung beträgt dabei in der ermitteleten Schaftmitte in dorsopalmarer bzw. radioulnarer Richtung jeweils 3,0 mm. Im proximalen und distalen Bereich der Grundphalangen kommt es zu einer Erweiterung der knöchernen Dimensionen im Bereich der Metaphyse. Im proximalen Bereich beträgt die durchschnittliche dorsopalmare Schaftweite 9,5 mm, in radioulnarer Richtung sind es 12,3 mm. Distal wurde eine Ausdehnung von 7,3 mm in dorsopalmarer und 10,1 mm in radioulnarer Richtung ermittelt. Kortikalisdicke: Die Kortikalis hat im Bereich der Schaftmitte eine durchschnittliche Stärke von 2,1 mm. Von der Schaftmitte aus nimmt die Kortikalisdicke nach proximal auf 3,5 mm und distal auf eine Stärke von 2,9 mm zu. Querschnittflächen: Die durchschnittliche Querschnittsfläche beträgt 59 mm 2 in Schaftmitte. Nach proximal und distal kommt es zu einer durchschnittlichen Markraumerweiterung auf eine Fläche von 12,3 mm 2 proximal und 7,5 mm 2 distal. Markraumanteil: Der durchschnittliche Markraumanteil beträgt in der ermittelten Schaftmitte 22 %. Distal sind es 7 % und im proximalen Bereich beträgt der Markraumanteil 20 %. Radiologische Knochendichte: Die mittlere radiologische Knochendichte wurde in Schaftmitte mit 1649 HU für die Kortikalis und -36 HU für den Markraum ermittelt (HU: Hounsfield Units, engl.). Dabei fand sich eine Abnahme der radiologischen Dichte der Kortikalis auf durchschnittlich 1082 HU proximal und 1002 HU distal. Für den als Markraum definierten Bereich fanden sich proximal 400 HU und distal 355 HU. 50

56 Ergebnisse Dorsopalmare Ausdehnung der knöchernen Kompartimente der Grundphalangen in der Gruppe der Rheumatiker (n=50) 10 dorso p almar [ mm] dorsale Kortikalis palmare Kortikalis dorsaler Markraum palmarer Markraum 10-40% - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-13: Durchschnittliche dorsopalmare Ausdehnung von Markraum und Kortikalis der Grundphalanx in der Gruppe der Patienten mit R.A. in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) Die dorsopalmare Ausdehnung der Halbmesser der Grundphalngen in dieser Gruppe konnte proximal mit einem mittleren Wert von 5,0 mm dorsal und 4,5 mm palmar bestimmt werden. In der Schaftmitte beträgt die dorsale Knochenausdehnung 4 mm, die volare 3,2 mm. Distal wurden Werte von 3,7 mm dorsal- und 3,6 mm palmarseitig gefunden (Vergl. Tab. 3-36). Tabelle 3-33: Werte der Knochenausdehnung in dorsaler und palmarer Richtung dorsal -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 2,7 2,8 2,9 1,8 3,3 3,6 3,3 3,3 3,3 Max 4,8 4,3 4,3 4,5 5,3 6,4 7,2 7,8 8,2 Avg 3,7 3,4 3,6 3,7 4,0 4,4 4,7 5,2 5,0 STABW 1,0 0,8 0,7 1,1 0,9 1,1 1,7 2,3 2,9 palmar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 2,7 2,4 2,3 1,5 2,6 2,4 2,0 2,4 2,3 Max 4,9 4,7 3,6 3,9 4,4 5,0 5,1 5,7 9,2 Avg 3,6 3,2 3,0 3,1 3,2 3,4 3,6 4,0 4,5 STABW 1,1 1,0 0,5 0,9 0,8 1,0 1,4 2,0 3,7 51

57 Ergebnisse Die Ausdehnung des Markraumes wurde in der Schaftmitte mit 1,6 mm dorsal und 1,4 mm palmar ermittelt. Sie steigt von dort aus nach proximal auf 2,5 mm dorsal und 1,9 mm palmar an, fällt dann auf Werte von 1 mm dorsal und 1,5 mm palmar. Distal sinken die Werte auf 0,8 mm dorsal- und palmarseitig. Tabelle 3-34: Werte der Markraumausdehnung in dorsaler und palmarer Richtung dorsal -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,0 0,3 0,3 0,1 0,5 0,5 0,1 0,1 0,1 Max 2,2 1,8 1,9 2,6 3,7 4,6 5,3 5,5 2,6 Avg 0,8 1,1 1,2 1,3 1,6 2,1 2,5 2,2 1,0 STABW 1,4 0,7 0,7 0,9 1,3 1,7 2,3 3,2 1,8 palmar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,0 0,3 0,3 0,1 0,5 0,1 0,1 0,0 0,1 Max 2,3 1,9 1,7 2,1 3,1 3,0 2,9 3,7 8,5 Avg 0,8 1,1 1,2 1,2 1,4 1,6 1,9 1,8 1,5 STABW 1,4 0,8 0,7 0,8 1,1 1,2 1,6 2,4 4,3 In dorsopalmarer Richtung ergibt der Seitenvergleich der ermittelten Werte eine durchschnittlich größere Kortikalisdicke an der rechten Hand. Insbesondere in den proximalen Bereichen wurden rechtsseitig höhere Werte für die Kortikalisdicke gemessen (Vergl. Tabelle 3-35 und Tabelle 3-36). Tabelle 3-35: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in dorsaler Richtung Kortikalis dorsal -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 2,7 2,3 2,4 2,3 2,3 2,1 2,1 2,7 3,9 rechts 3,1 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 3,2 4,2 gesamt 2,9 2,4 2,4 2,4 2,3 2,2 2,3 3,0 4,0 Tabelle 3-36: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in dorsaler Richtung Kortikalis palmar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 2,8 2,1 1,9 1,9 1,8 1,6 1,5 2,3 2,9 rechts 4,3 2,6 2,7 2,6 2,4 2,3 2,6 2,9 3,5 gesamt 2,8 2,1 1,8 1,9 1,8 1,8 1,7 2,2 3,0 52

58 Ergebnisse Radioulnare Ausdehnung der knöchernen Kompartimente der Grundphalangen in der Gruppe der Rheumatiker (n=50) 10 radiulnar [mm ] radiale Kortikalis ulnare Kortikalis radialer Markraum ulnarer Markraum 10-40% - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-14: Durchschnittliche radioulnare Ausdehnung von Markraum und Kortikalis der Grundphalanx in der Gruppe der Patienten mit R.A. in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) Die radioulnaren Halbmesser der Grundphalangen haben in Schaftmitte einen Wert von 4,7 mm radial und 4,9 mm ulnar. Nach proximal und distal steigen die Werte für den Knochenquerschnitt an. Proximal beträgt die Ausdehnung 6,2 mm in radialer und 6,1 mm in ulnarer Richtung. Distal wurden Werte von 5,1 mm sowohl radial- als auch ulnar ermittelt (Vergl. Tab. 3-37). Tabelle 3-37: Werte der Knochenausdehnung in radialer und ulnarer Richtung in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) radial -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 3,8 4,0 3,8 2,5 3,6 3,9 4,6 1,7 2,7 Max 6,4 6,6 6,0 5,8 6,4 7,2 7,3 8,1 10,0 Avg 5,1 5,3 4,9 4,7 4,7 4,9 5,4 5,9 6,2 STABW 1,4 1,2 0,9 1,2 1,0 1,2 1,3 3,1 3,8 ulnar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 3,9 3,9 4,0 2,1 4,2 4,3 4,5 4,1 3,5 Max 6,4 6,2 6,0 6,1 6,6 7,6 7,2 8,7 9,1 Avg 5,1 5,0 5,0 4,8 4,9 5,1 5,6 6,2 6,1 STABW 1,2 1,1 0,9 1,5 0,9 1,4 1,4 2,6 3,1 Der Markraumquerschnitt beträgt in der Schaftmitte 1,6 mm radial- und 1,4 mm ulnarseitig und steigt von dort aus nach proximal auf 2,5 mm radial und 1,9 mm ulnar an. Distal sinkt er auf 0,8 mm radial- und ulnarseitig (Vergl. Tab..3-38). 53

59 Ergebnisse Tabelle 3-38: Werte der Markraumausdehnung in radialer und ulnarer Richtung in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) radial -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,0 0,3 0,3 0,1 0,5 0,5 0,1 0,1 0,1 Max 2,2 1,8 1,9 2,6 3,7 4,6 5,3 5,5 2,6 Avg 0,8 1,1 1,2 1,3 1,6 2,1 2,5 2,2 1,0 STABW 1,4 0,7 0,7 0,9 1,3 1,7 2,3 3,2 1,8 ulnar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,0 0,3 0,3 0,1 0,5 0,1 0,1 0,0 0,1 Max 2,3 1,9 1,7 2,1 3,1 3,0 2,9 3,7 8,5 Avg 0,8 1,1 1,2 1,2 1,4 1,6 1,9 1,8 1,5 STABW 1,4 0,8 0,7 0,8 1,1 1,2 1,6 2,4 4,3 In radioulnarer Ausdehnung konnte der Seitenvergleich der ermittelten Werte eine durchschnittlich größere Kortikalisdicke an der rechten Hand nachweisen. Insbesondere in den proximalen Bereichen fanden sich rechtsseitig höhere Werte für die Kortikalisdicke (Vergl. Tab.: 3-39 und Tab 3-40). Tabelle 3-39: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in radialer Richtung in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) Kortikalis radial -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 4,3 4,2 3,7 3,4 3,1 2,4 2,7 3,6 4,9 rechts 4,2 4,3 3,8 3,4 3,1 3,0 3,3 3,9 5,5 gesamt 4,3 4,3 3,7 3,4 3,1 2,7 3,0 3,7 5,2 Tabelle 3-40: Seitenvergleich der durchschnittlichen Werte der Kortikalisdicke in ulnarer Richtung in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) Kortikalis ulnar -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% links 4,3 3,9 3,8 3,5 3,4 3,3 3,5 4,3 4,4 rechts 4,3 3,9 3,9 3,8 3,7 3,6 3,8 4,5 4,8 gesamt 4,3 3,9 3,9 3,6 3,5 3,5 3,7 4,4 4,6 54

60 Ergebnisse Flächen [mm²] der Knochenkompartimente der Grundphalangen in der Gruppe der Rheumatiker (n=50) 1,5 [cm²] 1,0 0,5 Kortikalisfläche Markraumfläche Gesamtfläche 0,0-40% - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-15: Durchschnittliche Querschnittsflächen von Markraum, Kortikalis und Gesamtknochen der Grundphalanx in der Gruppe der Patienten mit R.A. in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) Die ermittelte Knochenquerschnittfläche fiel von proximal mit Werten von 1,23 cm² auf 0,59 cm² in Schaftmitte und stieg nach distal wieder auf 0,75 cm² an. Für die Kortikalis betrugen die Werte proximal 0,98 cm², distal 0,7 cm² und in Schaftmitte 0,46 cm². Der Markraum wurde mit proximal mit einer Fläche von 0,25 cm², distal 0,05 cm² und in Schaftmitte mit 0,13 cm² vermessen. Auffällig ist die große Markraumfläche im proximalen Bereich (Vergl. Tab. 3-41). Tabelle 3-41: Werte der Flächen der Knochenkompartimente in der R.A.-Gruppe in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) Kortex -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,41 0,33 0,33 0,18 0,33 0,33 0,35 0,35 0,35 Max 0,87 0,78 0,61 0,60 0,67 1,07 1,04 1,38 1,60 Avg 0,70 0,53 0,46 0,45 0,46 0,47 0,52 0,74 0,98 STABW 0,12 0,11 0,08 0,09 0,09 0,16 0,14 0,28 0,43 Markraum -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,00 0,01 0,01 0,00 0,03 0,04 0,00 0,00 0,00 Max 0,19 0,19 0,16 0,26 0,46 3,65 3,17 3,25 2,09 Avg 0,05 0,07 0,08 0,10 0,13 0,33 0,38 0,43 0,25 STABW 0,06 0,04 0,04 0,05 0,09 0,72 0,64 0,72 0,56 Gesamt -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min 0,41 0,34 0,34 0,18 0,36 0,37 0,35 0,35 0,35 Max 1,05 0,96 0,76 0,86 1,12 4,72 4,20 4,63 3,70 Avg 0,75 0,60 0,54 0,55 0,59 0,80 0,90 1,17 1,23 55

61 Ergebnisse Schwächungswerte [HU] in den Grundphalangen in der Gruppe der Rheumatiker [HU] HU Kortikalis HU Markraum % - 30% - 20% - 10% +10% +20% +30% +40% Abbildung 3-16: Durchschnittliches Knochendichteäquivalent der Grundphalanx in der Gruppe der Patienten mit R.A. in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) Die für Markraum und Kortikalis erhobenen radiologischen Schwächungswerte (HU) zeigten einen gegensätzlichen, bogenförmigen Verlauf. Die ermittelten Absorptionwerte der Kortikalis stiegen von proximal 1082 HU auf 1753 HU an und fielen nach distal auf 1002 HU ab. Die Schwächungswerte des Markraums sanken von proximal 400 HU auf -40 HU ab und stiegen nach distal auf 355 HU (Vergl. Tab. 3-42). Tabelle 3-42: Verteilung des Knochendichteäquivalentes in den Grundphalangen der Gruppe der Probanden mit Rheumatoider Arthritis in Relation zur Längsachse von distal = links nach proximal = rechts (= Schaftmitte +X% der Knochenlänge) Kortikalis -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Max Avg STABW Markraum -40% -30% -20% -10% +10% +20% +30% +40% Min Avg STABW

62 Diskussion 4 Diskussion Der Befall des Handskelettes gilt als Eigencharakteristikum der rheumatoiden Arthritis [56, 57]. Die rheumatypischen Veränderungen an den Gelenken mit zunehmendem Knochenverlust im Sinne von Grenzlamellendefekten, Usuren und Zysten sowie in Folge auftretenden Subluxationen bis hin zu Luxationen der Gelenkkörper zueinander sind allgemein bekannt und häufig beschrieben worden [27]. Veränderungen der Meta- und Diaphyse sind bislang kaum näher analysiert worden, wobei jedoch eine sogenannte gelenknahe Osteoporose regelmäßig im Schriftgut verwendet wird [33, 24]. Im Rahmen der hier beschriebenen Studie konnten charakteristische Veränderungen an den fingergrundgelenksnahen Knochen dreidimensional unter Zuhilfenahme einer computergestützten Auswertung von Computertomographien analysiert werden. 4.1 Diskussion der Methode Die verwendeten CT-Datensätze wurden in der Spiral-Volumen Technik angefertigt, die erstmals von KALENDER ausführlich beschrieben wurde [37, 39], deren Prinzip jedoch bereits gegen Ende der sechziger Jahre in Patentschriften niedergelegt wurde [61, 69]. Dabei wurden aus dem Volumen eines helikalen [80] Datensatzes Einzelschichtrekonstruktionen errechnet und zu einem dreidimensionalen Objekt formiert. Als Vorteile der Spiral-Volumen Technik im Vergleich zur konventionellen Einzelschichttechnik gelten die lückenlosen Datenerfassung, reduzierte Expositionszeiten, Dosisreduktion, verminderte Bewegungsartefakte sowie eine verbesserte axiale Auflösung [9, 21, 37-39, 68, 70, 83] Fehlerquellen und Artefakte Artefakte sind Bildverfälschungen, die bei der Bilderzeugung entstehen. Sie können durch das Aufnahmesystem und durch den Patienten hervorgerufen werden. Korrekturprogramme bieten die Möglichkeit, die bei der Exposition aufgetretenen Artefakte bei der Bildrekonstruktion zu korrigieren. Dichtesprungartefakte entstehen durch 57

63 Diskussion externe Absorptionsunterschiede, z. B. an Luft-Knochengrenzen oder Weichteil- Knochengrenzen [45]. Die Nachteile der Spiral-Volumen Technik bestehen zum einen als Folge der Dosisreduktion in einem vermehrten Bildrauschen, was zu einer Minderung der Bildqualität führt [84]. Zudem sind interpolationsbedingte Fehler in der ungenauen Ortsauflösung, die in Abhängigkeit zu der gewählten Schichtdicke steht, zu sehen. Ebenso limitierend sind physikalische und geräteabhängige Faktoren wie die verfügbare und tolerierbare Leistung der Röntgenröhre und des zugehörigen Kühlsystems [37, 59, 68, 84, 85]. Als begrenzender Faktor wirkt sich weiterhin die Rechenleistung des angeschlossenen Computersystems aus. Zunehmende Speicherzeiten für den kontinuierlich eingehenden Datenstrom sind dabei ebenso zu berücksichtigen wie Rechenzeiten des Systems zur tabellarischen Reorganisation der Rohdaten und der anschließenden Bildrekonstruktion aus der Datentabelle [83]. Als Speicherzeiten sind pro Untersuchung ca. 10 Minuten und als Rekonstruktionszeiten ca. 20 Minuten anzusetzen Intrinsische Fehler und geräteabhängige Limitierungen Hinzu kommen intrinsische Fehler wie die Verteilung der Photonenfreisetzung und deren Detektion, Streustrahlung und absorptionsbedingte Aufhärtung der Strahlung beim Durchtritt durch ein Objekt, die bei jeder Nutzung von polychromatischer Röntgenstrahlung auftreten [83]. Die Abweichungen die durch die physikalischen Grenzen des Systems bedingt sind werden jedoch bereits durch die Nutzung eines Referenzdetektors berücksichtigt, indem die erfassten Schwächungswerte in Relation zum Referenzdetektor ausgewertet werden [67]. Auch die begrenzte Größe der Röntgenquelle und der Detektoren sei hier erwähnt, da nicht alle emittierten Photonen zum Detektor gelangen und somit der Auswertung entgehen Bewegungsartefakte Bewegungsartefakte, die durch Eigenbewegung des Gerätes sowie durch die vom Patienten während der Untersuchung ausgeführten Bewegungen entstehen, sind weitere mögliche Fehlerquellen [38, 39]. Die zu dieser Studie angefertigten Untersuchungen waren jedoch weitgehend unabhängig von Atembewegungen der Patienten 58

64 Diskussion durchführbar. Die von den Probanden während der CT-Untersuchung eingenommene Bauchlage wurde insgesamt als bequem beurteilt und ermöglichte eine von Bewegungsartefakten freie Datenerfassung. Die Eigenbewegung des Gerätes, z. B. die Startbewegung des Tischvorschubs sind bereits konstruktionsbegleitend gering gehalten und somit berücksichtigt worden. Der Tischvorschub während der Datenerfassung erfolgte gleichmäßig, ohne positive oder negative Beschleunigung Metallartefakte Im Strahlengang vorhandene Metallteile erzeugen Artefakte, da durch diese bei jeder Röhrenposition ein Teil der Röntgenstrahlung komplett absorbiert wird. Zudem entsteht Streustrahlung an den Grenzschichten zu den weniger röntgendichten Geweben, die wiederum die Bildqualität durch vermehrtes Bildrauschen beeinträchtigt. Vor der Untersuchung entfernten die Probanden daher jeglichen Handschmuck Teilvolumeneffekte Ein Voxel (engl.: Volume element) repräsentiert einen Durchschnittswert der Hounsfield Units aller in ihm erfassten Strukturen. Der Partialvolumeneffekt ist somit abhängig von der gewählten Voxelgröße. An Grenzflächen mit großen Dichtesprüngen entstehen durch Teilvolumeneffekte Unschärfen der Konturen [35]. Partialvolumeneffekte reduzieren sowohl die räumliche als auch die Kontrastauflösung. Sie treten auf, da der theoretischen Anforderung, das für jede mögliche Position eines Röntgenröhren-Detektor-Paares alle emittierten Photonen in einer unendlich dünnen Schicht das zu untersuchende Objekt durchtreten sollen, in der Praxis keine Rechnung getragen werden kann. Die auftretende Streustrahlung und Strahlendivergenz trotz des Einsatzes der die Schichtdicke bestimmenden Kollimatoren lassen sich als ergänzende Ursachen anführen [83] (Vergl. Abb. 4-1). 59

65 Diskussion Abbildung 4-1 Schematische Darstellung von Teilvolumeneffekten 4.2 Diskussion der Ergebnisse Die untersuchten Kollektive sind homogen strukturiert und miteinander vergleichbar. Tabelle 4-1: Verteilung der Probandengruppen hinsichtlich Geschlecht, Alter und Durchschnittsalter Anzahl und Geschlechterverteilung RA-Gruppe Kontrollgruppe 25 weibliche Probanden 10 weibliche Probanden Altersverteilung 49,3 74,9 Jahre 38,8 72,6 Jahre Durchschnittsalter 61,4 Jahre 60,5 Jahre Das gewonnenen Datenmaterial wurde mit einem, dem DICOM Conformance Statement entsprechenden Gerät durchgeführt und im DICOM Format gespeichert und weiterverarbeitet. Hierbei ist davon auszugehen, das die gespeicherten Daten gleich den gewonnenen Daten sind. Die zur Auswertung entwickelte Applikation war in der Lage die DICOM Dateien entsprechend den DICOM Konventionen einzulesen, darzustellen und zu verarbeiten. Bei der Programmierung erfolgte eine strenge Orientierung an dem beschriebenen DICOM Standard. Auch hier ist davon auszugehen, dass es zu keiner Veränderung des Datenmaterials kam. 60