Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Entwicklung von Methoden zur Qualitätssicherung und Auswertung von Dichtemessungen an Implantat- und Knochenstrukturen im [My]CT

Schulman, Jurriaan

One of the main goals of this study was the evaluation of the image quality characteristics of the micro-CT scanner „XtremeCT“ (Scanco Medical AG; Brüttisellen, Schweiz). In particular, by analysis of the most important image quality parameters, the suitability of the XtremeCT for both small animal imaging as well as for in vivo studies of degradable magnesium implants in a rabbit model were to be evaluated. It was to be assessed if, and using which scan parameters, selected magnesium alloys as well as a peri-implant bone formation can be optimally imaged with the XtremeCT. Also, the question was to be answered whether and how a density calibration can be accomplished with the XtremeCT, which reliably allows quantitative conclusions about a changing implant density. Finally, the question was to be answered whether a lower mean photon energy than currently achievable with the XtremeCT scanner would result in better image quality regarding the imaging of peri-implant bone formation and degradable implants. Custom phantoms were developed and established which were to guarantee a long-term and continuous high image quality with the XtremeCT Scanner. Phantoms were constructed for measuring image noise, CT number homogeneity and linearity as well as low contrast resolution. Also, a method was established which used hydroxylapatite or bone meal coated magnesium implants to simulate peri-implant bone formation. Lastly, phantoms were made for measuring the density of both degradable implants as well as hydroxylapatite, bone meal and rabbit tibiae. In the context of this work the magnesium alloys LAE442, ZEK100, AX30 and MgCa0,8%, as well as prepared explanted rabbit tibiae, were investigated. To evaluate the influence of a mean photon energy of 28 keV on the imaging of peri-implant bone and degradable implants with µCT, phantom measurements with coated implants and density measurements of hydroxylapatite, bone meal and rabbit tibiae were conducted with both the XtremeCT and a µCT 80 Scanner (Scanco Medical AG, Brüttisellen, Switzerland). The pixel noise measured with the XtremeCT was, at 41 µm spatial resolution and depending on the chosen scan parameters, between 255 and 980 HU. Study of the homogeneity of CT-numbers of water revealed variations within the FOV of up to 17 HU. A high linearity of the CT-number-scale at the interval of 0-8000 HU was observed (R2 = 0,996). The contrast resolution of the XtremeCT for a 1 mm bore was, at 41 µm spatial resolution, 128 HU at maximum. Overall, the XtremeCT tended strongly to image artefacts, of which ring artefacts and arcuated artefacts were most pronounced. Neither a temporally nor a locally constant occurrence of the artefacts could be observed. The investigated magnesium alloys didn't lead to metal artefacts in the XtremeCT. For a complete segmentation of either the magnesium implants or the tibial bone, the measured mean CT-number ± 3 × standard deviation (s) turned out to be optimal. The XtremeCT showed, depending on the amount of pixel noise, a more or less pronounced overlap between the measured CT-numbers of the magnesium implants and tibial bone, hydroxylapatite or bone meal. The alloy LAE442 and tibial bone showed a strong overlap of CT numbers. The CT-numbers of alloy ZEK100 had a clear intersection both with the CT-numbers of the Substantia corticalis as well as with hydroxylapatite and bone meal. Bone meal and hydroxylapatite formed a subset of the CT-numbers of AX30 or MgCa0,8% in images made with the XtremeCT. A distinction between tibial bone and LAE442 proved to be very problematic with the XtremeCT. However, both bone meal and hydroxylapatite coating could be readily distinguished from LAE442. ZEK100, AX30 and MgCa0,8% could with the XtremeCT, depending on the chosen scan parameters, only be reasonably well told apart from tibial bone tissue and hydroxylapatite or bone meal coating. Using the XtremeCT, an integration time of 300 ms and 500/180° or more projections turned out to be required for a good representation of both the implants and bone tissue. The mean photon energy (40 keV) could not be altered in the XtremeCT because of a fixed tube voltage. In comparison to the XtremeCT, the lower mean photon energy (28 keV) used in the µCT 80 showed clearly better contrasts between ZEK100, AX30 and MgCa0,8% on the one hand and the Substantia corticalis, hydroxylapatite or bone meal on the other hand. For LAE442, contrast increased to the cortical and decreased to hydroxylapatite or bone meal using the µCT 80. A density calibration by means of using bone meal filled or paraffin wax filled bores in LAE442-pins, turned out to be feasible with the XtremeCT. A highly linear correlation between decreasing implant density and corresponding CT-numbers for both bone meal filled (R2 = 0,995) or paraffin wax filled (R2 = 0,997) pins was found. Mainly because of the low contrast resolution, the XtremeCT proved to be suitable for small animal imaging to only a limited extent. The XtremeCT’s large FOV, measuring 126 mm is advantageous since it allows scanning with a high spatial resolution (41 µm) of large laboratory animals like e.g. rabbits. The unchangeable tube voltage (60 kV) turned out to be disadvantageous. This way, the mean photon energy, and therefore the contrast-to-noise-ratio, could not be altered. Hence, the XtremeCT can’t optimally display low contrast objects. For this reason the XtremeCT turned out to be not suitable for imaging of degradable magnesium implants when low contrast structures around or within the implant are to be analysed. A variable tube voltage would be recommendable for the XtremeCT in the future and would improve the suitability for small animal imaging considerably. A choice of different convo­lution kernels, adapted to varying anatomical structures, would be desirable as well.

Ein zentrales Ziel der vorliegenden Arbeit war die Beurteilung der Bildqualitätseigenschaften des µCT-Scanners „XtremeCT“ (Scanco Medical AG; Brüttisellen, Schweiz). Insbesondere sollte durch eine Untersuchung wichtiger Bildqualitätsparameter die Eignung des XtremeCT sowohl für die Versuchstierbildgebung im Allgemeinen als auch speziell für in-vivo-Untersuchungen von degradablen Magnesiumimplantaten im Kaninchenmodell beurteilt werden. Es sollte überprüft werden, ob bzw. bei welchen Scanparametern sich ausgewählte Magnesium­legierungen sowie eine periimplantäre Knochen­neubildung optimal im XtremeCT darstellen lassen. Auch sollte die Frage beantwortet werden, ob bzw. wie sich eine Dichtekalibrierung im XtremeCT durchführen lässt, die zuverlässig quantitative Aussagen zu einer sich verändern­den Implantatdichte ermöglicht. Schließlich sollte die Frage beantwortet werden, ob eine, zurzeit nicht einstellbare, niedrigere mittlere Photonenenergie am XtremeCT zur einer in der Praxis relevanten besseren Bildqualität bei der Darstellung von periimplantärem Knochen und Implantaten führen würde. Es wurden spezielle Phantome entwickelt und Methoden etabliert, die zu einer kontinuierlich hohen Bildqualität am XtremeCT beitragen sollen. Es wurden Phantome konstruiert, zur Bestimmung des Pixelrauschens, der Homogenität und Linearität der CT-Zahlen sowie der Niedrigkontrastauflösung. Es wurde eine Methode etabliert, die durch eine Beschichtung von Magnesiumimplantaten mit Hydroxylapatit oder Knochenmehl eine periimplantäre Knochen­neubildung simulierte. Schließlich wurden Phantome entwickelt zur Messung der Dichte degradabler Magnesiumimplantate sowie Hydroxylapatit, Knochenmehl und Kaninchentibae. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Magnesium­legierungen LAE442, ZEK100, AX30 und MgCa0,8% sowie präparierte und explantierte Kaninchentibia untersucht. Zur Beurteilung des Einflusses einer mittleren Photonenenergie von 28 keV auf die Darstellung von periimplantärem Knochen und degradablen Magnesiumimplantaten im µCT, wurden Phantommessungen mit beschichteten Implantaten, sowie Dichtemessungen an Hydroxyl­apatit, Knochenmehl und Kaninchentibiae sowohl am XtremeCT als auch am µCT 80 (Scanco Medical AG, Brüttisellen, Schweiz) durchgeführt. Das Pixelrauschen am XtremeCT betrug bei 41 µm Ortsauflösung je nach eingestellten Scanparametern mindestens 255 und maximal 980 HU. Untersuchungen zur Homogenität der CT-Zahlen zeigten im XtremeCT für Wasser Abweichungen innerhalb des FOV von bis zu 17 HU zwischen den untersuchten ROIs. Im XtremeCT wurde eine hohe Linearität der CT-Zahlen im Bereich von 0 bis 8000 HU festgestellt (R2 = 0,996). Die Kontrastauflösung des XtremeCT für 1 mm Bohrdurchmesser betrug bei 41 µm Ortsauflösung maximal 128 HU. Insgesamt neigte der XtremeCT sehr stark zu Bildartefakten, wobei Ringartefakte und bogenförmige Artefakte dominierten. Es konnte weder ein zeitlich noch ein örtlich konstantes Auftreten dieser Artefakte beobachtet werden. Die untersuchten Magnesiumlegierungen führten im XtremeCT nicht zu Metallartefakten. Für eine vollständige Segmentierung der Magnesiumimplantate bzw. von tibialem Knochen erwies sich die jeweils gemessene mittlere CT-Zahl ± 3 × Standardabweichung (s) als optimal. Es liesen sich im XtremeCT, je nach Stärke des Pixelrauschens, mehr oder wenig starke Überlappungen zwischen den gemessenen CT-Zahlen der Magnesiumimplantate und tibialem Knochen, Hydroxylapatit oder Knochenmehl nachweisen. Die Legierung LAE442 zeigte eine starke Überschneidung der CT-Werte mit tibialem Knochengewebe. Die Legierung ZEK100 bildete sowohl mit der Substantia corticalis als auch mit Hydroxylapatit und Knochenmehl eine deutliche Schnittmenge. Knochenmehl und Hydroxylapatit bildeten im XtremeCT eine Teilmenge der CT-Zahlen von AX30 bzw. MgCa0,8%. Eine Unterscheidung zwischen tibialem Knochen und LAE442 erwies sich im XtremeCT als sehr problematisch. Knochenmehl- und Hydroxylapatitbeschichtungen ließen sich dagegen gut von LAE442 unterscheiden. Die Legierungen ZEK100, AX30 und MgCa0,8% ließen sich im XtremeCT alle, je nach Wahl der Scanparamter, mäßig bis gut von tibialem Knochengewebe, Hydroxylapatit- oder Knochenmehlbeschichtungen unterscheiden. Für eine gute Darstellung der Implantate und Knochengewebe mit dem XtremeCT erwiesen sich eine Integrationszeit von 300 ms und eine Projektionszahl von 500/180° oder höher als notwendig. Die mittlere Photonenenergie (40 keV) ließ sich im XtremeCT wegen der festen Röhrenspannung nicht verändern. Am µCT 80 führte die niedrigere mittlere Photonenenergie von 28 keV im Vergleich zum XtremeCT zu deutlich besseren Kontrasten zwischen den Legierungen ZEK100, AX30 und MgCa0,8% einerseits und der Substantia corticalis, Hydroxylapatit oder Knochenmehl andererseits. Bei LAE442 nahm am µCT 80 der Kontrast zur Kortikalis zu sowie zu Hydroxylapatit oder Knochenmehl ab. Eine Dichtekalibrierung am XtremeCT mithilfe von mit Knochenmehl oder Paraffinwachs gefüllten Bohrlöchern in LAE442-Stiften erwies sich als praktikabel. Es wurde ein linearer Zusammenhang zwischen abnehmender Implantatdichte und korrespondierenden CT-Zahlen für Knochenmehlfüllung (R2 = 0,995) oder Paraffinwachsfüllung (R2 = 0,997) festgestellt. Der XtremeCT erwies sich für die Versuchstierbildgebung, vor allem aufgrund der geringen Niedrigkontrastauflösung, als bedingt geeignet. Vorteilhaft am XtremeCT war das große Messfeld von 126 mm, das auch µCT-Aufnahmen von größeren Labortieren, wie  z. B. Kaninchen, mit hoher Ortsauflösung (max. 41 µm) ermöglichte. Als Nachteil stellte sich die nicht veränderbare Röhrenspannung von 60 kV heraus. Eine Anpassung der mittleren Photonenenergie und damit eine Erhöhung des Kontrast-Rausch-Verhältnisses waren daher nicht möglich. Deshalb lassen sich am XtremeCT Objekte mit geringen Kontrasten nicht optimal darstellen. Aus dem Grund stellte sich der XtremeCT als nicht geeignet heraus zur Darstellung degradabler Magnesiumimplantate im Kaninchen­modell wenn Strukturen mit einem niedrigen Kontrast am oder im Implantat unter­sucht werden sollen. Eine variable Röhrenspannung wäre für den XtremeCT zukünftig empfehlenswert und würde die Eignung des XtremeCT für die Versuchstierbildgebung deutlich verbessern. Eine Auswahl von verschiedenen, den anatomischen Strukturen angepassten Faltungskernen wäre ebenfalls wünschenswert.

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Schulman, Jurriaan: Entwicklung von Methoden zur Qualitätssicherung und Auswertung von Dichtemessungen an Implantat- und Knochenstrukturen im [My]CT. Hannover 2010. Tierärztliche Hochschule.

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