Orthopaedic measurements with computed radiography. Methodological development, accuracy, and radiation dose with special reference to the weight-bearing lower extremity and the dislocating patella

Abstract

The overall aim of this study was to develop and evaluate a measurement system for computed radiography (CR) and Picture Archiving and Communication Systems (PACS), permitting measurements of long distances and angles in and between related images. The developed measurement system, which was based on the QUESTOR Precision Radiography (QPR) system, was applied to the weight-bearing knee with special reference to the dislocating patella.



The QPR system modified for CR fulfilled the criteria for measuring the weight-bearing knee.



The special measuring assistance tools that were developed were important for the implementation of CR and PACS, particularly in workstations programmed for musculoskeletal radiology.



The energy imparted to the patient was reduced by 98% at the lowest exposure of the CR –system, compared with our conventional analogue method, without loss of diagnostic accuracy. The CR technique creates a possibility, to an extent not previously feasible, to differentiate the exposure parameters (and thus minimise the radiation dose to the patient) by carefully considering the purpose of the examination.



A radiographic method for measuring the rotation of the femur and the tibia, the Q-angle, and the patellar translation was developed and applied to healthy volunteers. The introduced patellar variables have yielded new insights into the complex sequence of motions between the femur, tibia, and patella.



The patients with a dislocating patella were subdivided into one “clean” group of spontaneous dislocations and one group with various traumas in the history, which thus resulted in two groups with distinct radiographic differences. The Q-angle was decreased in knees that had suffered dislocations, and the traditional surgical treatment with a further reduction of the Q-angle must be challenged.



The use of clinical measurements of the Q-angle was not an optimal way to evaluate the mechanical alignment in the patellofemoral joint under physiological conditions.



In this study, we have proved that the developed method for CR and PACS is a useful technique for measurements in and between related images, and is superior to the conventional analogue technique.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Digital bildteknik dominerar snart all bildhantering inom alla delar av samhället. Målsättningen med denna avhandling var att utveckla en undersökningsmetod för mätning av knäleden i belastat läge med hjälp av digital bildplatteteknik.



Vad är bildplatteteknik?



Traditionellt har röntgenbilder framställts med hjälp av fotografisk film. De framkallade bilderna har sedan bedömts och utvärderats på ett ljusskåp. Idag håller den digitala tekniken på att ersätta den traditionella bildframställningen inom radiologin. Den fotografiska filmen ersätts efter hand av den s. k. bildplattetekniken (computed radiography, CR). Bildplattan används på samma sätt som den traditionella filmen där man med hjälp av röntgenstrålar avbildar den undersökta kroppsdelen. Bildinformationen lagras som energi i bildplattan. En laserläsare avläser bildplattan där den lagrade energin frigörs och ljus (luminescens) bildas i förhållande till den energi som lagrats i varje punkt (bildelement, pixel) i plattan. Ljusstyrkan avläses och omvandlas till digital information. Den digitala informationen används sedan för att presentera bilden på en monitor i en arbetsstation eller för att skriva ut bilden som en traditionell film i en laserskrivare.



Den digitala avdelningen



Utvecklingen går idag snabbt inom radiologin och i synnerhet inom den digitala bildtekniken. Allt fler röntgenavdelningar blir idag heldigitala där den traditionella röntgenfilmen helt har ersatts av digitala bildmedier. PACS (Picture Archiving and Communication Systems) är benämningen på systemet bakom den heldigitala avdelningen. Bilderna framställs digitalt (ex. bildplatteteknik, ultraljud, datortomografi och magnetisk resonanstomografi), överförs i ett nätverk, presenteras på arbetsstationer och arkiveras digitalt.



I detta arbete har PACS teknologin utvecklats och värderats i ett konkret system för mätningar inom den nedre extremiteten. Det utvecklade systemet applicerades avslutningsvis på ett patientmaterial med urledhoppade knäskålar.



Den belastade knäleden



För att påvisa en reduktion av knäledens ledbrosk (artros) har det visats att undersökning av patienten i en stående belastad ställning är överlägsen. Leden mellan lårbenet och underbenets skenben består av två ledytor, en inre och en yttre. Om höjdreduktionen av ledbrosket endast drabbar en av dessa ledytor eller drabbar ledytorna ojämnt uppstår en vinkelfelställning av knäleden. I stående visar detta sig genom att knäleden vinklas inåt (kobenthet, valgus) eller utåt (hjulbenthet, varus).



Kirurgiskt kan artros i knäleden behandlas genom att ledytorna ersätts av en konstgjord led (artroplastik) eller att en kil sågas ut inom den övre delen av skenbenet (kilosteotomi) för att häva vinkelfelställningen. Ett alternativ till den sistnämnda metoden är att ett tvärgående sågsnitt görs inom den övre delen av skenbenet. Med hjälp av skruvar öppnas successivt en kil som sedan får läka och fyllas med nytt ben s. k. distraktionsosteotomi.



En målsättning med dessa metoder är att korrigera knäts vinkelfelställning. Patienten undersöks därför före operationen med bl. a bestämning av den s. k. HKA-vinkeln (höft-knä-ankel). Även efter operationen görs denna typ av mätning för utvärdering av operationsresultatet. Traditionellt har denna undersökning gjorts på en lång film som har täckt hela benet eller med hjälp av två eller tre mindre som täckt höft, knä och ankel. Vinkeln har sedan mätts direkt på bilderna med hjälp av linjal, blyertspenna och gradskiva. Även i den heldigitala filmlösa miljön måste denna typ av mätning kunna utföras. Digitala bildplattor finns inte i ett så stort format att hela benet täcks utan flera mindre måste användas där mätningarna får göras mellan dessa bilder.



Mätningar av långa avstånd och vinklar är även av betydelse för ex. benlängdsmätningar och skoliosmätninar inom ryggraden.



QUESTOR Precision Radiography system



QUESTOR Precision Radiography system (QPR) är en undersökningsmetod för den belastade knäleden utvecklad för traditionell radiologi av Clinical Mechanics Group, Division of Orthopaedic Surgery and Department of Mechanical Engineering vid Queens University, Kingston, Canada. Systemet innehåller en undersökningsbur med bl. a. ett stort koordinatsystem med vars hjälp mindre bilder kan relateras till varandra. Systemet medger även korrigering för bl. a. förstoringsfaktorn i mätningarna.



QPR-systemet har använts som undersökningsplattform för denna studie. Undersökningsburen har delvis byggts om och anpassats till bildplattetekniken. Tillhörande datorprogram för beräkning av vinklar och avstånd har skrivits om och lagts in i en arbetsstation.



Delarbete I



För att jämföra QPR-systemet med vår traditionella metod för bestämning av HKA-vinkeln undersöktes 24 patienter opererade med kilosteotomi inom underbenet.



Mätningarna visade god överensstämmelse mellan de båda metoderna. QPR-systemet visade sig uppfylla kraven för att ersätta den traditionella metoden.



Delarbete II



Syftet med detta arbete var att utvärdera vårt nya digitala system vad gäller reproducerbarhet i mätresultaten mellan två undersökningstillfällen.



Båda knälederna hos 10 knäfriska försökspersoner undersöktes med 1-7 dagars mellanrum av två olika röntgensjuksköterskor. Alla mätningar gjordes två gånger av en radiolog och ytterligare en gång av en ortoped för bestämning av mätvariationen inom och mellan individer.



Reproducerbarheten för metoden var hög. Mätvariationen inom och mellan individer var låg. Jämfört med det konventionella QPR-systemet innebar den nya metoden en reduktion av mätvariationen med i snitt en faktor på 2,8 mellan en individs två mätningar.



Delarbete III



För att kunna lokalisera de olika mätpunkterna på monitorn utvecklades fyra olika mäthjälpmedel.



Syftet med delarbete III var att utvärdera betydelsen av dessa mäthjälpmedel samt betydelsen av att fritt kunna förstora bilden och betydelsen av förstärkning av bildens konturer (kantförstärkning) vad gäller mätnoggrannhet. Fyra undersökningar utvärderades av fyra individer utan och med ovanstående hjälpmedel och bildbearbetningsmetoder.



Möjligheten att fritt förstora bilden hade störst betydelse för reduktionen av mätvariationen. För 12 av totalt 19 mätvariabler innebar de olika hjälpmedlen en signifikant minskad variation i mätresultaten. Kantförstärkningen tillförde ingen ytterligare reduktion.



Delarbete IV



En av fördelarna med bildplattetekniken är möjligheten att reducera stråldosen till patienten. Lägre stråldos medför emellertid försämrad bildkvalitet p.g.a. ökat kvantbrus.



Syftet med delarbete IV var att fastställa den lägsta möjliga stråldosen till patienten vid bestämning av två vinklar med det nya systemet utan att mätnoggrannheten påverkades.



För undersökningen användes en attrapp (fantom) av den nedre extremiteten. Bilder av fantomet genererades vid 8 olika exponeringsnivåer vid vilka stråldosen mättes. De 8 olika undersökningarna utvärderades vid två tillfällen av 6 individer.



Någon signifikant skillnad i mätvariationen mellan den högsta och lägsta stråldosen kunde inte påvisas. Den lägsta dosnivån innebar en reduktion av patientdosen med 98% jämfört med den traditionella metoden. Den lägsta patientdosen motsvarade den dos som den naturliga bakgrundsstrålningen ger varje individ under drygt ett halvt dygn.



Delarbete V



För att kunna bedöma sjukliga förändringar är det viktigt att först kartlägga variationerna hos friska individer. Syftet med detta delarbete var att skapa ett referensmaterial för de variabler som ingick i QPR-systemet. På samma sätt utvärderades en nyutvecklad metod för bl. a. beräkning av lårbenets och underbenets rotation mellan belastat böjt och sträckt läge av knäleden för att på så sätt bättre bedöma leden mellan knäskålen och lårbenet.



80 frivilliga knäfriska individer mellan 20-59 år, hälften kvinnor och hälften män med 10 individer av vardera könet i varje 10-års intervall, undersöktes i belastat läge med både böjt och sträckt knä.



För de variabler som tidigare har blivit utvärderade visade materialet god överensstämmelse med tidigare studier. De nyintroducerade knäskålsvariablerna har inneburit att en närmare kartläggning av rörelserna inom främst leden mellan knäskål och lårben har kunnat göras. Dessa rörelser har inte kunnat utvärderas tidigare.



Delarbete VI



Som en klinisk applikation av det utvecklade systemet valdes patienter med en knäskål som är benägen att gå ur led (luxerande). En av de variabler som introducerades i delarbete V var knäskålens belastningsvinkel (Q-vinkeln). Denna vinkel har tidigare mätts kliniskt med patienten liggande på en brits. Den kliniskt mätta Q-vinkeln har varit betydelsefull för ställningstagande till operation av dessa patienter.



Syftet med detta delarbete var att jämföra patienter med luxerande knäskål med referensmaterialet i delarbete V och att jämföra kliniskt mätt Q-vinkel med radiologiskt mätt.



28 patienter med luxerande knäskål undersöktes med den nya metoden. Hos 20 av dessa mättes Q-vinkeln kliniskt på båda sidor av två ortopeder och hos 9 av dessa 20 av ytterligare en ortoped.



Det fanns ingen samstämmighet mellan de båda kliniska mätningarna och en mycket dålig samstämmighet mellan kliniskt och radiologiskt mätt Q-vinkel. Följaktligen kan inte den kliniska mätningen anses vara en användbar undersökningsmetod. Ur materialet utkristalliserades två undergrupper med olika rörelsemönster varav en undergrupp med ökad ledrörlighet. Syftet med den vanliga operationsmetoden är att reducera en kliniskt mätt ökad Q-vinkel hos dessa patienter. Q-vinkeln var inte ökad i någon av undergrupperna, utan minskad i luxerande knäleder varför den traditionella operationsmetoden starkt måste ifrågasättas.

• author: Sanfridsson, Jan
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Egund, Niels, Aarhus, Denmark
• organization: Orthopaedics (Lund)
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Orthopedics
• keywords: Clinical physics, digital., computer-assisted, Picture Archiving and Communication Systems, computed radiography, radiography, effective dose, radiation dosage, measurements, biomechanics, dislocating patella, musculoskeletal, patellofemoral joint, Knee joint, radiology, tomography, medical instrumentation, Klinisk fysiologi, radiologi, tomografi, medicinsk instrumentering
• pages: 87 pages
• defense location: Lecture room F3, University Hospital, Lund
• defense date: 2001-04-27 10:15:00
• ISBN: 91-628-4648-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 1ac7daaf-b3c5-4425-a67d-a8f490f85b26 (old id 41445)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:27:47
• date last changed: 2018-11-21 21:05:01