Radiologische Analyse des Knochens (eBook)

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 6
1 Die Zusammensetzung des Knochens 9
1.1 Definition physikalischer Begriffe 9
1.2 Physikalische Messung der Knochensubstanzen 11
1.2.1 Bestimmung von Masse und Volumen 11
1.2.2 Methoden 11
1.2.3 Messergebnisse 14
1.2.4 Analyse der Messergebnisse 16
2 Theoretisch-physikalische Grundlagen der radiologischen Mineralmessung 30
2.1 Schwächungsgleichung 30
2.2 Streustrahlung 30
2.3 Strahlenqualität 31
2.4 Monochromatische Strahlung 32
2.5 Polychromatische Strahlung 33
2.6 Referenzsystem 36
2.6.1 Anforderungen an ein Referenzsystem 36
2.6.2 Aluminium-Referenzsystem 36
2.6.3 Hydroxylapatit-Referenzsystem 37
2.6.4 Wahl der Bewertung der Knochendichte 39
2.6.5 Fehlerzunahme bei Aussagegewinn 40
2.6.6 Einfluss der Weichteile auf das Messergebnis 41
2.6.7 Ausgleich der Weichteile 45
2.6.8 Umrechnung „Dichte" in Mineralkonzentration 47
2.6.9 Mineralisationsklassifizierung durch den Volumen- Schwächungskoeffizienten 49
3 Angewendete Messverfahren 54
3.1 Historische Entwicklung 54
3.2 Anforderungen an die Messverfahren 58
3.3 Densitometrische Verfahren 60
3.4 Absorptiometrische Verfahren 62
3.5 Quantitative Computer Tomographie 66
3.6 Neutronenaktivierungsanalyse 70
3.7 Rückstreuverfahren 71
3.8 Strahlenexposition 73
3.8.1 Einleitung 73
3.8.2 Wirkungsweise ionisierender Strahlen im Körpergewebe 73
3.8.3 Dosisgröße 74
3.8.4 Strahlenexposition bei der Bestimmung der Mineralkonzentration 77
3.8.5 Risiko 78
3.9 Beurteilung der Zusammensetzung des Knochens mit der Ultraschalltechnik 79
3.9.1 Die physikalischen Grundlagen des Ultraschalls Geschwindigkeit 80
3.9.2 Messverfahren 86
3.9.3 Ultraschallnebenwirkungen 89
4 Durchführung und Auswertung von Messungen 92
4.1 Versuchsplanung 92
4.2 Irrtum und Betrug in der Wissenschaft 97
5 Messabweichungen 101
5.1 Einteilung der Messabweichungen 101
5.1.1 Messabweichungen durch das Messverfahren 101
5.1.2 Geschätzte Abweichungen 101
5.1.3 Abweichungen durch statistische Schwankungen des Messobjektes 102
5.2 Ursachen der Messabweichungen 103
5.2.1 Zufällige Messabweichungen 103
5.2.2 Systematische Messabweichungen 104
5.2.3 Grobe Messabweichungen 105
5.2.4 Der Mensch im technischen Experiment als Ursache für Messwertabweichungen 106
5.3 Fehlerrechnung 107
5.3.1 Mittelwert: 107
5.3.2 Standardabweichung 108
5.3.3 Varianz 109
5.3.4 Statistische Sicherheit 109
5.3.5 t-Verteilung nach Student 110
5.3.6 Vertrauensgrenzen und Vertrauensbereich des Mittelwertes 111
5.4 Fehlerfortpflanzung 112
5.4.1 Fehlerfortpflanzung für systematische Messabweichungen 112
5.4.2 Fehlerfortpflanzung für Rechengrößen und der zufälligen Messabweichungen 113
5.5 Fehler 114
5.6 Versuchsbedingungen 114
5.6.1 Wiederhol-Bedingungen 114
5.6.2 Vergleich-Bedingungen 115
5.6.3 Unterschiedliche Bedingungen 116
5.7 Einfluss der Auswertung auf Messgenau ig keitsanforderungen 116
5.8 Mindestanzahl der Messungen 117
5.9 Anzeigefehler von Messinstrumenten 119
5.10 Wahl des Vertrauensniveaus 120
5.11 In der medizinischen Literatur verwendete Begriffe 120
5.12 Messabweichungen durch biologische Regelungsvorgänge 124
5.13 Die Statistik in den Naturwissenschaften 125
5.14 Ausreißer, Extremwerte 127
5.15 Korrelationskoeffizient, Variationskoeffizient 128
5.16 Die Grundlagen des Messwertes 129
6 Analyse von Messabweichungen der radiologischen Verfahren 132
6.1 Densitometrie 133
6.1.1 Auflistung einiger systematischer Messabweichungen 133
6.1.2 Beschreibung systematischer Messabweichungen 136
6.1.3 Zusammenfassende Diskussion der berechneten systematischen Messabweichungen 148
6.1.4 Möglichkeiten der Verringerung oder Beseitigung der Messabweichungen. 152
6.2 Absorptiometrie 156
6.3 Quantitative Computer-Tomographie (QCT) 165
6.3.1 Einführung 165
6.3.2 Messunsicherheiten bei der Quantitativen Computer Tomographie QCT 167
6.3.3 SEQCT 178
6.3.4 DEQCT 183
7 Analyse und Diskussion der Literatur zum Thema Messabweichungen 189
8 Erklärung von Fachausdrücken 202
Literatur 207
Sachverzeichnis 216

7 Analyse und Diskussion der Literatur zum Thema Messabweichungen (S. 181-182)

Die in den vorangegangenen Kapiteln behandelte Anzahl von Messabweichungen, die das Messergebnis verändern, sind nicht vollständig. Es ist schwierig genug, neue Messverfahren zu entwickeln. Weitaus schwieriger ist es, die versteckten, nicht ohne weiteres erkennbaren Möglichkeiten für Messabweichungen aufzufinden. Besonders schwierig ist es, diese mathematisch zu beschreiben. Zum Verständnis der physikalischen Zusammenhänge und Hintergründe ist dies eine Notwendigkeit.

Deshalb wird es ganz allgemein als ausreichend angesehen, wenn die Größenordnung der möglichen Messabweichungen in ihren verschiedenen Ursachen erfasst werden kann. Bei der theoretischen Beschreibung physikalischer Zusammenhänge und bei der Messung physikalischer Größen überrascht es immer wieder, wie schwer Resultate mit der erwarteten Genauigkeit erlangt werden können. Aus der Tatsache, dass bei der theoretischen Berechnung nicht auffallt, wie die theoretischen Vorstellungen sich von der Realität unterscheiden, oder bei den Messungen Abweichungen (aus welchem Grund auch immer) nicht erkannt werden, kann nicht geschlossen werden, dass diese Abweichungen nicht existieren.

Daher gilt bei denjenigen, die beruflich mit der Messtechnik zu tun haben zum Schütze vor Überheblichkeit bei der Beurteilung ihrer Messwerte der Satz: "Wer misst, misst Mist". In übertragenem Sinne bedeutet es, dass jedes Messgerät beim Messen stets etwas anzeigt, selbst dann, wenn es nicht in Ordnung ist. Nur was es mit welcher Messabweichung anzeigt, muss in vernünftigen Zeitabständen nachgeprüft werden, zum Beispiel die radiologische Messung der Mineralkonzentration der spongiösen Knochen durch die chemische Analyse der Proben. Jeder Pixel der Tomogrammebenen der CT gibt einen Grauwert wieder, der einen Messwert für den Volumenschwächungskoeffizienten an der durch den Pixel repräsentierten Stelle im Körper des Patienten darstellt. Es wird davon ausgegangen, dass eine echte Messung als Mittelwert im Pixelvolumen vorliegt.

So wie beim Thermometer durch zwei Fixpunkte, schmelzendes Eis 0°C und siedendes Wasser 100 °C die Temperaturskala linear festgelegt ist, so sind auch die Hounsfield-Einheiten der CT durch Luft -1000 HU und Wasser ± 0 HU festgelegt und es wird die Skala als linear angesehen, unabhängig von der durch die Schichtdicke der durchstrahlten Körperebene bedingten effektiven Strahlenhärte. Warum bedarf es bei der Messung der Mineralkonzentration noch eines Referenzsystems, wenn alles so eindeutig festgelegt ist? Bei der Temperaturmessung wird doch auch kein Referenzsystem benötigt!

Die CT-Darstellungen der spongiösen Strukturen im Wirbelkörper zeigen für die einzelnen Pixelvolumen sehr große Schwankungen der Hounsfield-Werte. Die Rechenvorschriften zur Bestimmung der Pixelwerte mit dem Ziel, die Strukturen in der Tomogrammebene durch subjektive Bildverbesserungen deutlich hervorzuheben, vergrößern im spongiösen Knochen die Unterschiede in den Hounsfield-Werten für die einzelnen Pixel. Sie stehen damit in Konkurrenz zur Richtigkeit der Werte und erhöhen damit die Messabweichungen bei der Bestimmung der Mineralkonzentration. Auffallend ist auch, dass das Referenzsystem im CT-Bild nicht die gleichen Strukturen im Volumen aufweist wie der spongiöse Knochen.

Daraus ergibt sich, dass bei der Errechnung der Pixelwerte die Werte Referenzsystem - Wirbelkörper unterschiedlich behandelt werden. Dies ist eine weitere Ursachen für Messabweichungen. Dieses Beispiel zeigt, was alles in die Messung mit einfließen kann und wie schwer es ist, zu definieren, was der Messwert aussagt. Zu diesen wissenschaftlichen Problemen kommen bei der Aussage über Sicherheit und Genauigkeit der Messwerte noch menschliche Probleme hinzu.