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Radiologische Analyse des Knochens

Bestimmung der Mineralkonzentration (Quantitative physikalische Untersuchungsmethoden)

AutorFriedrich Heuck, Kurt Vanselow
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2005
Seitenanzahl213 Seiten
ISBN9783540269663
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis54,99 EUR

Die quantitative Radiologie des Knochens bietet neue Erkenntnisse, die für die Analyse von Systemerkrankungen des Skeletts und deren Therapie von besonderer Wichtigkeit sind. In dem vorliegenden Werk werden die radiologischen und physikalischen Grundlagen der Knochen-Densitometrie aufgezeigt, deren klinische Einsatzmöglichkeiten und die Wertigkeit für den ärztlichen Alltag dargelegt.

Für alle Ärzte, Physiker und Fachleute, die sich um die Diagnostik und Therapie von Knochenkrankheiten, insbesondere die generalisierten Osteopathien bemühen, ein wichtiges Nachschlagewerk.

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Leseprobe

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.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort5
Inhaltsverzeichnis6
1 Die Zusammensetzung des Knochens9
1.1 Definition physikalischer Begriffe9
1.2 Physikalische Messung der Knochensubstanzen11
1.2.1 Bestimmung von Masse und Volumen11
1.2.2 Methoden11
1.2.3 Messergebnisse14
1.2.4 Analyse der Messergebnisse16
2 Theoretisch-physikalische Grundlagen der radiologischen Mineralmessung30
2.1 Schwächungsgleichung30
2.2 Streustrahlung30
2.3 Strahlenqualität31
2.4 Monochromatische Strahlung32
2.5 Polychromatische Strahlung33
2.6 Referenzsystem36
2.6.1 Anforderungen an ein Referenzsystem36
2.6.2 Aluminium-Referenzsystem36
2.6.3 Hydroxylapatit-Referenzsystem37
2.6.4 Wahl der Bewertung der Knochendichte39
2.6.5 Fehlerzunahme bei Aussagegewinn40
2.6.6 Einfluss der Weichteile auf das Messergebnis41
2.6.7 Ausgleich der Weichteile45
2.6.8 Umrechnung „Dichte" in Mineralkonzentration47
2.6.9 Mineralisationsklassifizierung durch den Volumen- Schwächungskoeffizienten49
3 Angewendete Messverfahren54
3.1 Historische Entwicklung54
3.2 Anforderungen an die Messverfahren58
3.3 Densitometrische Verfahren60
3.4 Absorptiometrische Verfahren62
3.5 Quantitative Computer Tomographie66
3.6 Neutronenaktivierungsanalyse70
3.7 Rückstreuverfahren71
3.8 Strahlenexposition73
3.8.1 Einleitung73
3.8.2 Wirkungsweise ionisierender Strahlen im Körpergewebe73
3.8.3 Dosisgröße74
3.8.4 Strahlenexposition bei der Bestimmung der Mineralkonzentration77
3.8.5 Risiko78
3.9 Beurteilung der Zusammensetzung des Knochens mit der Ultraschalltechnik79
3.9.1 Die physikalischen Grundlagen des Ultraschalls Geschwindigkeit80
3.9.2 Messverfahren86
3.9.3 Ultraschallnebenwirkungen89
4 Durchführung und Auswertung von Messungen92
4.1 Versuchsplanung92
4.2 Irrtum und Betrug in der Wissenschaft97
5 Messabweichungen101
5.1 Einteilung der Messabweichungen101
5.1.1 Messabweichungen durch das Messverfahren101
5.1.2 Geschätzte Abweichungen101
5.1.3 Abweichungen durch statistische Schwankungen des Messobjektes102
5.2 Ursachen der Messabweichungen103
5.2.1 Zufällige Messabweichungen103
5.2.2 Systematische Messabweichungen104
5.2.3 Grobe Messabweichungen105
5.2.4 Der Mensch im technischen Experiment als Ursache für Messwertabweichungen106
5.3 Fehlerrechnung107
5.3.1 Mittelwert:107
5.3.2 Standardabweichung108
5.3.3 Varianz109
5.3.4 Statistische Sicherheit109
5.3.5 t-Verteilung nach Student110
5.3.6 Vertrauensgrenzen und Vertrauensbereich des Mittelwertes111
5.4 Fehlerfortpflanzung112
5.4.1 Fehlerfortpflanzung für systematische Messabweichungen112
5.4.2 Fehlerfortpflanzung für Rechengrößen und der zufälligen Messabweichungen113
5.5 Fehler114
5.6 Versuchsbedingungen114
5.6.1 Wiederhol-Bedingungen114
5.6.2 Vergleich-Bedingungen115
5.6.3 Unterschiedliche Bedingungen116
5.7 Einfluss der Auswertung auf Messgenau ig keitsanforderungen116
5.8 Mindestanzahl der Messungen117
5.9 Anzeigefehler von Messinstrumenten119
5.10 Wahl des Vertrauensniveaus120
5.11 In der medizinischen Literatur verwendete Begriffe120
5.12 Messabweichungen durch biologische Regelungsvorgänge124
5.13 Die Statistik in den Naturwissenschaften125
5.14 Ausreißer, Extremwerte127
5.15 Korrelationskoeffizient, Variationskoeffizient128
5.16 Die Grundlagen des Messwertes129
6 Analyse von Messabweichungen der radiologischen Verfahren132
6.1 Densitometrie133
6.1.1 Auflistung einiger systematischer Messabweichungen133
6.1.2 Beschreibung systematischer Messabweichungen136
6.1.3 Zusammenfassende Diskussion der berechneten systematischen Messabweichungen148
6.1.4 Möglichkeiten der Verringerung oder Beseitigung der Messabweichungen.152
6.2 Absorptiometrie156
6.3 Quantitative Computer-Tomographie (QCT)165
6.3.1 Einführung165
6.3.2 Messunsicherheiten bei der Quantitativen Computer Tomographie QCT167
6.3.3 SEQCT178
6.3.4 DEQCT183
7 Analyse und Diskussion der Literatur zum Thema Messabweichungen189
8 Erklärung von Fachausdrücken202
Literatur207
Sachverzeichnis216

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