Über das Vermessen tubulärer Strukturen in der Computertomographie

Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (engl. chronic obstructive pulmonary disease, COPD) ist ein Überbegriff für Erkrankungen, die zu Husten, Auswurf und Dyspnoe (Atemnot) in Ruhe oder Belastung führen - zu diesen werden die chronische Bronchitis und das Lungenemphysem gezählt. Das Fortschreiten der COPD ist eng verknüpft mit der Zunahme des Volumens der Wände kleiner Luftwege (Bronchien). Die hochauflösende Computertomographie (CT) gilt bei der Untersuchung der Morphologie der Lunge als Goldstandard (beste und zuverlässigste Methode in der Diagnostik). Möchte man Bronchien, eine in Annäherung tubuläre Struktur, in CT-Bildern vermessen, so stellt die geringe Größe der Bronchien im Vergleich zum Auflösungsvermögen eines klinischen Computertomographen ein großes Problem dar. In dieser Arbeit wird gezeigt wie aus konventionellen Röntgenaufnahmen CT-Bilder berechnet werden, wo die mathematischen und physikalischen Fehlerquellen im Bildentstehungsprozess liegen und wie man ein CT-System mittels Interpretation als lineares verschiebungsinvariantes System (engl. linear shift invariant systems, LSI System) mathematisch greifbar macht. Basierend auf der linearen Systemtheorie werden Möglichkeiten zur Beschreibung des Auflösungsvermögens bildgebender Verfahren hergeleitet. Es wird gezeigt wie man den Tracheobronchialbaum aus einem CT-Datensatz stabil segmentiert und mittels eines topologieerhaltenden 3-dimensionalen Skelettierungsalgorithmus in eine Skelettdarstellung und anschließend in einen kreisfreien Graphen überführt. Basierend auf der linearen System Theorie wird eine neue, vielversprechende, integral-basierte Methodik (IBM) zum Vermessen kleiner Strukturen in CT-Bildern vorgestellt. Zum Validieren der IBM-Resultate wurden verschiedene Messungen an einem Phantom, bestehend aus 10 unterschiedlichen Silikon Schläuchen, durchgeführt. Mit Hilfe der Skelett- und Graphendarstellung ist ein Vermessen des kompletten segmentierten Tracheobronchialbaums im 3-dimensionalen Raum möglich. Für 8 zweifach gescannte Schweine konnte eine gute Reproduzierbarkeit der IBM-Resultate nachgewiesen werden. In einer weiteren, mit IBM durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass die durchschnittliche prozentuale Bronchialwandstärke in CT-Datensätzen von 16 Rauchern signifikant höher ist, als in Datensätzen von 15 Nichtrauchern. IBM läßt sich möglicherweise auch für Wanddickenbestimmungen bei Problemstellungen aus anderen Arbeitsgebieten benutzen - kann zumindest als Ideengeber dienen. Ein Artikel mit der Beschreibung der entwickelten Methodik und der damit erzielten Studienergebnisse wurde zur Publikation im Journal IEEE Transactions on Medical Imaging angenommen.

Jaw mechanics of the pterosaur skull construction and the evolution of toothlessness

In the present study, pterosaur skull constructions were analysed using a combined approach of finite element analysis (FEA), static investigations as well as applying classical beam theory and lever mechanics. The study concentrates on the operating regime „bite“, where loads are distributed via the dentition or a keratinous rhamphotheca into the skull during jaw occlusion. As a first step, pterosaur tooth constructions were analysed. The different morphologies of the tooth construction determine specific operational ranges, in which the teeth perform best (= greatest resistance against failure). The incomplete enamel-covering of the pterosaur tooth constructions thereby leads to a reduction of strain and stress and to a greater lateral elasticity than for a complete enamel cover. This permits the development of high and lateral compressed tooth constructions. Further stress-absorption occurs in the periodontal membrane, although its mechanical properties can not be clarified unambiguously. A three-dimensionally preserved skull of Anhanguera was chosen as a case-study for the investigation of the skull constructions. CT-scans were made to get information about the internal architecture, supplemented by thin-sections of a rostrum of a second Anhanguera specimen. These showed that the rostrum can be approximated as a double-walled triangular tube with a large central vacuity and an average wall-thickness of the bony layers of about 1 mm. On base of the CT-scans, a stereolithography of the skull of Anhanguera was made on which the jaw adductor and abductor muscles were modelled, permitting to determine muscular forces. The values were used for the lever mechanics, cantilever and space frame analysis. These studies and the FEA show, that the jaw reaction forces are critical for the stability of the skull construction. The large jugal area ventral to the orbita and the inclined occipital region act as buttresses against these loads. In contrast to the orbitotemporal region which is subject to varying loading conditions, the pattern in the rostrum is less complex. Here, mainly bending in dorsal direction and torsion occur. The hollow rostrum leads to a reduction of weight of the skull and to a high bending and torsional resistance. Similar to the Anhanguera skull construction, the skulls of those pterosaur taxa were analysed, from which enough skull material is know to permit a reliable reconstruction. Furthermore, FEA were made from five selected taxa. The comparison of the biomechanical behaviour of the different skull constructions results in major transformational processes: elongation of rostra, inclination of the occipital region, variation of tooth morphology, reduction of the dentition and replacement of teeth by a keratinous hook or rhamphotheca, fusion of naris and antorbital fenestra, and the development of bony and soft-tissue crests. These processes are discussed for their biomechanical effects during bite. Certain optional operational ranges for feeding are assigned to the different skull constructions and previous hypotheses (e.g. skimming) are verified. Using the principle of economisation, these processes help to establish irreversible transformations and to define possible evolutionary pathways. The resulting constructional levels and the structural variations within these levels are interpreted in light of a greater feeding efficiency and reduction of bony mass combined with an increased stability against the various loads. The biomechanical conclusive pathways are used for comparison and verification of recent hypothesis of the phylogenetic systematics of pterosaurs.

Charakterisierung atherosklerotischer Plaques am Beispiel der A. carotis mittels Histologie, CT und semiautomatischer Farbcodierung

Auf der Suche nach dem „vulnerablen Plaque“, der ein besonders hohes Risiko für Schlaganfall und Herzinfarkt besitzt, findet momentan ein Paradigmenwechsel statt. Anstelle des klassischen Stenosegrades gewinnt die Darstellung der Plaquemorphologie zunehmend an Bedeutung. Fragestellung: Ziel dieser Arbeit ist es, die Fähigkeiten eines modernen 16-Kanal-CT hinsichtlich der Auflösung des Plaqueinneren bei Atherosklerose der Karotiden zu untersuchen und den Halo-Effekt in vivo zu erforschen. Methoden: Für die Studie wurden von 28 Patienten mit bekannter, symptomatischer Karotisstenose vor der gefäßchirurgischen Intervention CT-Bilder angefertigt, die nachfolgend mit der Histologie der Gefäßpräparate korreliert wurden. Auf diese Weise konnten die mikroskopisch identifizierten Lipidkerne im CT-Bild eingezeichnet und hinsichtlich ihrer Fläche und Dichtewerte evaluiert werden. In einem weiteren Schritt führten 2 Radiologen in Unkenntnis der histologischen Ergebnisse unabhängig voneinander eine Befundung durch und markierten mutmaßliche Lipidkerne. Zudem wurden sowohl in der verblindeten als auch in der histologiekontrollierten Auswertung die Plaquetypen anhand der AHA-Klassifikation bestimmt. Ein dritter Befundungsdurchgang geschah unter Zuhilfenahme einer von uns entwickelten Software, die CT-Bilder farbkodiert um die Detektion der Lipidkerne zu verbessern. Anhand der Farbkodierung wurde zudem ein Indexwert errechnet, der eine objektive Zuordnung zur AHA-Klassifikation ermöglichen sollte. Von 6 Patienten wurde zusätzlich noch eine native CT-Aufnahme angefertigt, die durch MPR exakt an die Kontrastmittelserie angeglichen wurde. Auf diese Weise konnte der Halo-Effekt, der die Plaqueanteile im lumennahen Bereich überstrahlt, quantifiziert und charakterisiert werden. Ergebnisse: Während die Einstufung in die AHA-Klassifikation sowohl durch den Befunder als auch durch den Softwarealgorithmus eine hohe Korrelation mit der Histologie aufweist (Typ IV/Va: 89 %, Typ Vb: 70 %, Typ Vc: 89 %, Typ VI: 55 %), ist die Detektion der Lipidkerne in beiden Fällen nicht ausreichend gut und die Befunderabhängigkeit zu groß (Cohens Kappa: 18 %). Eine Objektivierung der AHA-Klassifikation der Plaques durch Indexberechnung nach Farbkodierung scheint möglich, wenn auch dem Befunder nicht überlegen. Die fibröse Kappe kann nicht abgegrenzt werden, da Überstrahlungseffekte des Kontrastmittels dessen HU-Werte verfälschen. Dieser Halo-Effekt zeigte sich im Median 1,1 mm breit mit einer Standardabweichung von 0,38 mm. Eine Abhängigkeit von der Kontrastmitteldichte im Gefäßlumen konnte dabei nicht nachgewiesen werden. Der Halo-Effekt fiel im Median um -106 HU/mm ab, bei einer Standardabweichung von 33 HU/mm. Schlussfolgerung: Die CT-Technologie zeigt sich, was die Darstellung von einzelnen Plaquekomponenten angeht, den bekannten Fähigkeiten der MRT noch unterlegen, insbesondere in Bezug auf die fibröse Kappe. Ihre Fähigkeiten liegen bisher eher in der Einstufung von Plaques in eine grobe Klassifikation, angelehnt an die der AHA. Die klinische Relevanz dessen jedoch gilt es in Zukunft in größeren Studien weiter zu untersuchen. Auch lässt die Weiterentwicklung der Computertomographie auf eine zukünftig höhere Auflösung der Plaquemorphologie hoffen.

Bioinspired fabrication of biosilica-based bone substitution materials

Until today, autogenic bone grafts from various donor regions represent the gold standard in the field of bone reconstruction, providing both osteoinductive and osteoconductive characteristics. However, due to low availability and a disequilibrium between supply and demand, the risk of disease transfer and morbidity, usually associated with autogeneic bone grafts, the development of biomimic materials with structural and chemical properties similar to those of natural bone have been extensively studied. So far,rnonly a few synthetic materials, so far, have met these criteria, displaying properties that allow an optimal bone reconstitution. Biosilica is formed enzymatically under physiological-relevant conditions (temperature and pH) via silicatein (silica protein), an enzyme that was isolated from siliceous sponges, cloned, and prepared in a recombinant way, retaining its catalytic activity. It is biocompatible, has some unique mechanical characteristics, and comprises significant osteoinductive activity.rnTo explore the application of biosilica in the fields of regenerative medicine,rnsilicatein was encapsulated, together with its substrate sodium metasilicate, into poly(D,L-lactide)/polyvinylpyrrolidone(PVP)-based microspheres, using w/o/wrnmethodology with solvent casting and termed Poly(D,L-lactide)-silicatein silicacontaining-microspheres [PLASSM]. Both silicatein encapsulation efficiency (40%) and catalytic activity retention upon polymer encapsulation were enhanced by addition of an essential pre-emulsifying step using PVP. Furthermore, the metabolic stability, cytoxicity as well as the kinetics of silicatein release from the PLASSM were studied under biomimetic conditions, using simulated body fluid. As a solid support for PLASSM, a polyvinylpyrrolidone/starch/Na2HPO4-based matrix (termed plastic-like filler matrix containing silicic acid [PMSA]) was developed and its chemical and physical properties determined. Moreover, due to the non-toxicity and bioinactivity of the PMSA, it is suggested that PMSA acts as osteoconductive material. Both components, PLASSM and PMSA, when added together, form arnbifunctional 2-component implant material, that is (i)non-toxic(biocompatible), (ii)moldable, (iii) self-hardening at a controlled and clinically suitable rate to allows a tight insertion into any bone defect (iv) biodegradable, (v)forms a porous material upon exposure to body biomimetic conditions, and (vi)displays both osteoinductive (silicatein)and osteoconductive (PMSA) properties.rnPreliminary in vivo experiments were carried out with rabbit femurs, by creatingrnartificial bone defects that were subsequently treated with the bifunctional 2-component implant material. After 9 weeks of implantation, both computed tomography (CT) and morphological analyses showed complete resorption of the implanted material, concurrent with complete bone regeneration. The given data can be considered as a significant contribution to the successful introduction of biosilica-based implants into the field of bone substitution surgery.

Scepticism is warranted or when the CT scan reveals to be a pitfall

We report the case of a 72-year old woman with known metastatic breast cancer who presented to the emergency department with progressive dyspnea on exertion and chest pain. The diagnosis of pulmonary embolism could be established by pulmonary scintigraphy after computed tomography and ultrasound of the lower extremities had been negative in spite of a moderate clinical pretest probability (Wells score). This case shows that even if we manage suspected pulmonary embolism using algorithms combining clinical probability, computed tomography and ultrasound we must remain aware of eventually missing the diagnosis and carry on investigating cases with elevated clinical probability.

Schadensanalyse hochfester Faserseile

Bis heute werden in Unstetigförderern, wie Kränen und Aufzügen, fast ausschließlich Stahldrahtseile und Stahlketten eingesetzt. Gleichwohl weisen diese Zugmittel wesentliche Nachteile, wie z. B. eine hohe Ei-genmasse, geringe Biegeflexibilität und Korrosionsempfindlichkeit, auf. Um den stetig wachsenden Anforderungen insbesondere im Bereich der „laufenden Seile“ gerecht werden zu können, müssen alternative Zugmittel, unter Verwendung neuer Technologien und Werkstoffe, entwickelt und durch systematische Untersuchungen zur Serienreife geführt werden. Hochfeste Faserseile weisen bereits heute vielversprechende mechanische Eigenschaften hinsichtlich Zugfestigkeit, Schwingungsverhalten und Biegewechselfestigkeit auf. Dennoch ist ihr Einsatz aufgrund fehlender systematischer Untersuchungen, unzureichender Dimensionierungsgrundlagen sowie fehlender Verfahren zur Ablegereifeerkennung, zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht möglich. Mit Hilfe neuer Techniken und Verfahren, wie beispielsweise einer Mehrzonenbiegewechselmaschine für die Seilprüfung und der Computertomographie für die Seilanalyse sollen neue Erkenntnisse über das Ver-schleißverhalten von Faserseilen gewonnen und daraus abgeleitet neue Seilkonstruktionen sowie Ablegekriterien entstehen.

State-of-the-art aortic imaging: part I - fundamentals and perspectives of CT and MRI

Over the last two decades, imaging of the aorta has undergone a clinically relevant change. As part of the change non-invasive imaging techniques have replaced invasive intra-arterial digital subtraction angiography as the former imaging gold standard for aortic diseases. Computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) constitute the backbone of pre- and postoperative aortic imaging because they allow for imaging of the entire aorta and its branches. The first part of this review article describes the imaging principles of CT and MRI with regard to aortic disease, shows how both technologies can be applied in every day clinical practice, offering exciting perspectives. Recent CT scanner generations deliver excellent image quality with a high spatial and temporal resolution. Technical developments have resulted in CT scan performed within a few seconds for the entire aorta. Therefore, CT angiography (CTA) is the imaging technology of choice for evaluating acute aortic syndromes, for diagnosis of most aortic pathologies, preoperative planning and postoperative follow-up after endovascular aortic repair. However, radiation dose and the risk of contrast induced nephropathy are major downsides of CTA. Optimisation of scan protocols and contrast media administration can help to reduce the required radiation dose and contrast media. MR angiography (MRA) is an excellent alternative to CTA for both diagnosis of aortic pathologies and postoperative follow-up. The lack of radiation is particularly beneficial for younger patients. A potential side effect of gadolinium contrast agents is nephrogenic systemic fibrosis (NSF). In patients with high risk of NSF unenhanced MRA can be performed with both ECG- and breath-gating techniques. Additionally, MRI provides the possibility to visualise and measure both dynamic and flow information.

Impact of a 4th generation iterative reconstruction technique on image quality in low-dose computed tomography of the chest in immunocompromised patients

PURPOSE To determine the image quality of an iterative reconstruction (IR) technique in low-dose MDCT (LDCT) of the chest of immunocompromised patients in an intraindividual comparison to filtered back projection (FBP) and to evaluate the dose reduction capability. MATERIALS AND METHODS 30 chest LDCT scans were performed in immunocompromised patients (Brilliance iCT; 20-40 mAs; mean CTDIvol: 1.7 mGy). The raw data were reconstructed using FBP and the IR technique (iDose4™, Philips, Best, The Netherlands) set to seven iteration levels. 30 routine-dose MDCT (RDCT) reconstructed with FBP served as controls (mean exposure: 116 mAs; mean CDTIvol: 7.6 mGy). Three blinded radiologists scored subjective image quality and lesion conspicuity. Quantitative parameters including CT attenuation and objective image noise (OIN) were determined. RESULTS In LDCT high iDose4™ levels lead to a significant decrease in OIN (FBP vs. iDose7: subscapular muscle 139.4 vs. 40.6 HU). The high iDose4™ levels provided significant improvements in image quality and artifact and noise reduction compared to LDCT FBP images. The conspicuity of subtle lesions was limited in LDCT FBP images. It significantly improved with high iDose4™ levels (> iDose4). LDCT with iDose4™ level 6 was determined to be of equivalent image quality as RDCT with FBP. CONCLUSION iDose4™ substantially improves image quality and lesion conspicuity and reduces noise in low-dose chest CT. Compared to RDCT, high iDose4™ levels provide equivalent image quality in LDCT, hence suggesting a potential dose reduction of almost 80%.

Magnet resonance imaging in common injuries of the wrist

Falling on the outstretched hand is a common trauma mechanism. In contrast to fractures of the distal radius, which usually are diagnosed on plain film radiographs, identifying wrist injuries requires further diagnostic methods, e.g., MRI or CT. This article provides a review of the use of MRI in the most common traumatic wrist injuries, including scaphoid fractures, TFCC lesions, and tears of the scapholunate ligament. Early and selective use of MRI as a further diagnostic method in cases of adequate clinical suspicion helps to initiate the correct treatment and, thus, prevents long-term arthrotic injuries and reduces unnecessary absence due to illness. MRI shows a high reliability in the diagnosis of scaphoid fractures and the America College of Radiology recommends MRI as method of choice after X-ray images have been made. In the diagnosis of ligament and discoid lesions, MR arthrography (MRA) using intraarticular contrast agent has considerably higher accuracy than i.v.-enhanced and especially unenhanced MRI.

Wer lenkte den PW?

Die Rekonstruktion von Verkehrsunfällen ist ein interdisziplinäres Arbeitsgebiet. Verschiedene Institutionen wie z.B. die Polizei, die Rechtsmedizin oder die Unfallanalyse befassen sich mit der Beantwortung von juristischen Fragestellungen bei Verkehrsunfällen. Die modernen 3D-Dokumentations- und Analysemethoden und der Einsatz der bildgebenden Verfahren in der Rechtsmedizin ermöglichen eine disziplinübergreifende Auswertung der vorhandenen Spuren und Befunde und eröffnen damit ganz neue Horizonte und Dimensionen. Zudem ermöglichen sie es auch dem technischen Laien, eine bildliche Vorstellung der komplexen unfalldynamischen Abläufe zu geben. Im vorliegenden Beitrag wird anhand eines Falles die interdisziplinäre Fallanalyse und morphometrische 3D-Rekonstruktion vorgestellt und erläutert. Dieser Fall wurde Jahre nach dem Ereignis in Auftrag gegeben zur Klärung der Frage, wer den PW zum Unfallzeitpunkt gelenkt hatte. Die morphometrische 3D-Rekonstruktion umfasst die Ermittlung des Unfallhergangs, des biomechanischen Verhaltens der Fahrzeuginsassen und der Entstehung ihrer Verletzungen sowie der Entstehung der Blutspuren und weiterer Spuren und Beschädigungen im Fahrzeuginneren. Die Fahrzeuginsassen werden mittels Photogrammetrie und optischem 3D-Oberflächenscanning dreidimensional dokumentiert. Von verletzten Insassen werden zusätzlich die Daten klinischer radiologischer Untersuchungen von verstorbenen die vor der Obduktion durchgeführte Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) in die 3D-Analyse integriert. Das Fahrzeug und alle unfallrelevanten Objekte werden ebenfalls mittels Photogrammetrie und 3D-Oberflächenscanning erfasst. Ein 3D- Situationsplan der Örtlichkeit mit allen Spuren wird von der Polizei mittels Photogrammetrie und Laserscanning erstellt und in die Auswertung integriert. Anhand dieser 3D-Daten, insbesondere der Spuren am Unfallort und der Beschädigungen des Fahrzeuges, wird der Unfallablauf und daraus resultierend das biomechanische Verhalten der Fahrzeuginsassen rekonstruiert und in der Animationssoftware 3DS Max Design nachgestellt. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen können morphometrische Vergleiche der Verletzungen mit den relevanten Strukturen im Fahrzeuginneren durchgeführt und so ermittelt werden, wie diese Verletzungen entstanden sind und auf welchen Sitzen die Insassen während des Unfalles sassen. Neben den Verletzungen können auch die Körpergrössen der Insassen Hinweise zur Ermittlung des Lenkers geben. Die Möglichkeiten der morphometrischen Rekonstruktion mittels der 3D-Techniken sind weitreichend und können oft entscheidende Erkenntnisse für das Ermittlungsverfahren liefern.