Validierung und klinische Anwendung einer neuen 3D-CT- Analysesoftware: eine neue Methode zur prä- und postoperativen Auswertung der bildgebenden Diagnostik degenerativer Erkrankungen des Hüftgelenkes

Abstract

Fragestellung: Die Erhebung radiologischer Parameter und knöcherner Projektionen als Hinweis auf das Vorliegen eines femoroazetabulären Impingements oder einer Hüftdysplasie anhand von Röntgenaufnahmen ist aufgrund der individuellen Stellung des Beckens sehr ungenau. Ziel der Studie war es, ein Computerprogramm zu entwickeln, mit welchem die Überdachung des Femurkopfes durch die Hüftgelenkspfanne, die Morphologie des Azetabulum und das Cross-Over-Sign (COS) unabhängig von der Lage des Patienten und der Beckenkippung berechnet werden können. Dieses dreidimensionale Rechenprogramm basiert auf einer handelsüblichen 3D Software und führt die Berechnungen anhand von CT-Bildern durch. Es wurden die Reliabilität, Validität und Genauigkeit des Programms getestet. Untersuchungsaufbau, Material und Methoden: Wir entwickelten auf der Grundlage der Software Amira (data visualization analysis and modeling software) eine 3D-CT-Analysesoftware, um die Überdachung des Femurkopfes durch das Azetabulum, die Morphologie der Hüftgelenkspfanne und das Cross-Over-Sign (COS) projiziert auf die Beckeneingangsebene (APP) zu berechnen. Die Genauigkeit der Analysesoftware testeten wir mit einem speziell hierfür konstruierten Phantommodell des Beckens als Referenz. Mit diesem wurden verschiedene Konfigurationen der Überdachung des Femurkopfes simuliert. Die Messungen wurden zu drei verschiedenen Zeitpunkten von drei verschiedenen Untersuchern durchgeführt. Ergebnisse: Es wurde eine mittlere Genauigkeit der Analysesoftware von -0.37° (Range -3.84 bis 3.88; SD± 1.43) bezogen auf die Morphologie und 0.02% (Range -7.28% bis 6.90%; SD± 1.60%) bezogen auf die Abdeckung des Femurkopfes im Vergleich zum Referenzmodell ermittelt. Zudem ergab sich eine hohe intra- und interindividuelle Übereinstimmung gemessen an einem hohen Intraklassen-Korrelationskoeffizient (ICC) von r=0.839 und r=0.999 bezogen auf die Messungen der Morphologie der Hüftgelenkspfanne sowie der Abdeckung des Femurkopfes bei einem Phantommodell. Darüber hinaus berechneten wir mit der Analysesoftware das Vorliegen bzw. Fehlen des COS bezogen auf die Beckeneingangsebene (APP). Wir fanden eine signifikante Übereinstimmung zwischen erwartetem und berechnetem COS (p=0.01) mit einer hohen Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, die drei verschiedene Untersucher erhoben haben (p=0.02). Schlussfolgerungen: In der vorliegenden Studie entwickelten wir eine neue, CT-basierte Berechnungshilfe zur verlässlichen und präzisen Ermittlung der Überdachung des Femurkopfes durch die Hüftgelenkspfanne, der unterschiedlichen Morphologie des Azetabulum und des Cross over Signs. Wir empfehlen den Einsatz der Analysesoftware zur Planung und Auswertung operativer Behandlungen degenerativer Erkrankungen des Hüftgelenkes wie des femoroazetabulären Impingement oder der Hüftdysplasie.

Objective: The aim of this thesis was to test the accuracy of a new 3D CT evaluation script for the calculation of acetabular coverage profile and acetabular orientation independent of patient positioning or pelvic tilt. In addition, we validated the diagnostic accuracy of the crossover sign (COS) and the posterior wall sign (PWS) in identifying acetabular retroversion. Patients, material and methods: We developed a 3D CT evaluation script based on the data visualization analysis and modeling software (Amira), to calculate the cover of the femoral head, the COS and PWS projected on the anterior pelvic plane (APP) and examined the acetabular morphology and orientation. To test the accuracy of our evaluation script, we constructed a special phantom pelvic model as the gold standard, in which the acetabulum was mounted at various coverages of the femoral head. Measurements were performed on three separate occasions by three different investigators. Furthermore, COS and PWS were evaluated from radiographs and computed tomography (CT) scans as the standard of reference in 50 hips of patients with symptoms of femoroacetabular impingement (FAI). Results: We observed an average accuracy of the 3D CT evaluation script of -0.37° (range -3.84 to 3.88; SD± 1.43) for acetabular morphology, and 0.002% (range -7.28% to 6.90%; SD± 1.60%) for coverage of the femoral head compared with the gold standard. Besides, the presence or absence of the COS in relation to the APP was calculated with our evaluation script. A significant accordance between the expected and calculated COS (p=0.01) was found. The calculation of the acetabular orientation showed a high accuracy as well with -0.3° (range -1.4° to 1.3°; SD 0.6°) for abduction and 0.2° (range -1.4° to 1.4°; SD 0.6°) for anteversion. In our clinical testing a low level of agreement for COS and PWS was found between radiographs and CT scans and a positive COS strongly correlated with pelvic tilt. Conclusion: This work found that our new 3D CT evaluation script provides high accuracy and is a method that permits a very precise evaluation of the acetabular coverage profile and acetabular orientation independent of patient positioning or pelvic tilt. We could show a big difference between the results of PWS and COS in 3D-CT scan compared to anteroposterior radiographs which indicate a high influence of patient positioning or pelvic tilt. We recommend our new 3D CT evaluation script for pre- and postoperative evaluation of treatment for degenerative hip disease.