Andreas Hopfgartner

• Die zahnmedizinische Behandlung von Erkrankungen der Zähne oder im Bereich der Mundhöhle erfolgt bei Weitem nicht immer aus optischen Gründen. Diese Erkrankungen werden auch mit ernsthaften Erkrankungen in Zusammenhang gebracht. Studien haben gezeigt, dass einige Erkrankungen im Mund- und Zahnbereich zu Herz- und Lungenkrankheiten oder Diabetes führen können. Oftmals erstreckt sich die Pathologie oder Symptomatik von Mund- und Zahnerkrankungen über einen weiten Bereich. In der zahnmedizinischen Klinik kommen daher viele verschiedeneDie zahnmedizinische Behandlung von Erkrankungen der Zähne oder im Bereich der Mundhöhle erfolgt bei Weitem nicht immer aus optischen Gründen. Diese Erkrankungen werden auch mit ernsthaften Erkrankungen in Zusammenhang gebracht. Studien haben gezeigt, dass einige Erkrankungen im Mund- und Zahnbereich zu Herz- und Lungenkrankheiten oder Diabetes führen können. Oftmals erstreckt sich die Pathologie oder Symptomatik von Mund- und Zahnerkrankungen über einen weiten Bereich. In der zahnmedizinischen Klinik kommen daher viele verschiedene diagnostische Apparate zum Einsatz. Allerdings zählt die Magnetresonanztomographie, die sich in anderen Bereichen bereits zum wichtigsten bildgebenden Diagnosetool entwickelt hat, dort noch nicht zu den Standardverfahren. Dabei liegen ihre Vorteile auf der Hand: sie ist bekannt für sehr gute Bildkontraste vor allem zwischen verschiedenen Weichgewebsarten und kommt ohne gefährliche ionisierende Strahlung aus. Wahrscheinlich ist ersteres der Grund, warum die MRT in der Zahnmedizin noch nicht sonderlich vertreten ist, kommt es dort oft auf die kontrastreiche Darstellung von Hartgeweben an. Neueste Entwicklungen und Studien belegen jedoch die vielseitigen Vorteile der MRT auch in diesem Bereich. Ziel dieser Arbeit von der applikativen Seite betrachtet, war es, das enorme Potential der MRT in den vielseitigen Bereichen der Zahnmedizin weiterhin aufzuzeigen. Viele dieser Anwendungen stellen jedoch sehr hohe Anforderungen an die Systeme. Meist sind die darzustellenden Strukturen sehr klein und erfordern eine hohe Auflösung. Während man beim Röntgenverfahren beispielsweise die Energie des Strahles (Dosis) steigern kann, bedeutet dies in der MRT (ohne das Gerät zu wechseln) eine Verlängerung der Messzeit. Gerade im Bereich des Kopfes kommt es oft zu ungewollten Bewegungen, die das Ergebnis und die Reproduzierbarkeit der gewonnenen diagnostischen Informationen verschlechtern oder gänzlich unbrauchbar machen. Die grösste Herausforderung dabei ist die dreidimensionale Abformung von Zahnoberflächen in der Prothetik. Dieses Verfahren kann eine aufwändige und unangenehme manuelle Abformung der Zähne und die Herstellung eines Zwischengipsmodells ersetzen und ein direktes dreidimensionales Modell der Zahnoberflächen produzieren. Durch die moderne CAD-/CAM-Technik kann daraus vom Zahntechniker direkt eine Zahnrestauration erstellt werden. Daher war ein wichtiger Bestandteil des Projekts dentale MRT die Entwicklung einer Methode zur Erkennung und gleichzeitiger Korrektur von Bewegungen. Verschiedenste Anforderungen waren an die Methode gestellt. Zum einen muss die Methode bereits Bewegungen im Bereich von ~100 µm erkennen, um die Anforderungen an die finale Bildauflösung zu unterschreiten. Bei der dentalen Abformung wird eine 1-Kanal-Empfängerspule verwendet und je nach Messung kann der Patient dabei auf dem Bauch oder Rücken liegen. Weiterhin muss die Bewegungserkennung ohne zusätzliche externe Geräte wie Kameras, deren Sicht z.B. durch den Patienten verdeckt ist, durchführbar sein. Die vorliegende Arbeit deckt also zwei größere Themenblöcke ab. Zum einen wurden in der Arbeit neue Applikationen entwickelt oder weiterentwickelt, um verschiedenen Bereichen der Zahnmedizin den Zugang zu MRTUntersuchungen zu eröffnen. Kapitel 4 beschreibt die Möglichkeit, die Bewegung des Kiefergelenks dynamisch zu erfassen. Es stellte sich in der Arbeit heraus, dass sowohl die Bewegung von Weichgewebeanteilen darstellbar waren, als auch der intraartikuläre Abstand im Kiefergelenk unter Kaubelastung in Echtzeit vermessen werden konnte. Dabei wurde die Bildgebungssequenz und der zugehörige Rekonstruktionsalgorithmus so entwickelt, dass die Daten flexibel und ohne Vorwissen akquiriert und aufbereitet werden können. Hierbei konnten verschiedenen Pathologien anhand der dynamischen Bilder sichtbar gemacht werden und die dynamische MRT konnte Erkrankungen erkennen, die mit anderen Mitteln nicht sichtbar waren. Die vielen diagnostischen Möglichkeiten, die dadurch entstehen sind bisher noch nicht untersucht und sollten durch großangelegte Studien untersucht und belegt werden. Kapitel 5 beschreibt die Ergebnisse einer großangelegten Studie im Bereich der dentomaxillären Bildgebung . Die diagnostischen Möglichkeiten der MRT für die kieferorthopädische Anwendung liegen klar auf der Hand. Die typischen Patienten in der Kieferorthopädie sind Kinder und Jugendliche. Die Abwesenheit von gewebsschädigender Strahlung ist hier ein besonderer Vorteil der MRT. Eine Messung dauert zudem nach diversen Weiterentwicklungen der Methode nur noch 2 (bzw. 4) Minuten. Die Auflösung in den gerenderten Bildern beträgt 0.25x0.25x0.5 mm. Mit der Methode konnte unter anderem die Geminisierung einer Zahnwurzel und der Abstand des Zahnmarks zur Zahnoberfläche (Zahnschmelz) dargestellt und vermessen werden. Kapitel 6 stellt Neuentwicklungen im Bereich der dentalen Abformung von Zahnoberflächen dar. Hier wurde eine neue Methode entwickelt um den Patientenkomfort bei der Messung zu steigern und so Bewegungen im Vorhinein zu unterbinden. Bei der alten Methode liegt der Patient auf dem Bauch und ein großer Teil der Mundhöhle ist mit Kontrastmittel befüllt. Durch die Verwendung einer präparierten Tiefziehschiene kann das Kontrastmittel nun lokal appliziert werden und eine Messung in Rückenlage das Patienten ist somit problemlos möglich. Die damit verbundene Reproduzierbarkeit der Abformungsergebnisse wäre durch eine großangelegte Studie zu zeigen. Die Hauptaufgabe der vorliegenden Dissertation war es, eine Methode zur Bewegungskorrektur zu entwickeln, die es ohne eine große Anzahl an Zusatzgeräten ermöglicht, die Bewegung eines Subjekts während der Messung zu erfassen und dementsprechend zu korrigieren. Diese neue Methode, gestützt auf einer Messung eines MRT-aktiven Markers der am Subjekt angebracht wird, beruht außer der Verwendung des Markers nur auf MRT-Hardware. Die Methode wird in Kapitel 8 vorgestellt. Da es sich bei der Methode um eine Neuentwicklung handelt, war es in erster Linie wichtig, die Einflüsse der verschiedenen Parameter, die sich auf die Positionierungsgenauigkeit auswirken, abzuschätzen und letzten Endes festzulegen. Dies wurde in mehreren Vorstudien, Experimenten und Computersimulationen abgehandelt. In der Arbeit konnte durch Validierungsexperimente gezeigt werden dass sich mit dem bildbasierten Navigator Bewegungen im Genauigkeitsbereich von ~50 µm (Translation) und ~0.13◦(Rotation) detektieren lassen. Mit den Positionsinformationen lassen sich MRT-Daten retrospektiv korrigieren oder idealerweise das Bildgebungsvolumen in Echtzeit anpassen um Inkonsistenzen in den Daten im Vorhinein vorzubeugen. Durch Bewegung beeinträchtigte in-vivo Daten konnten so mit der Methode korrigiert werden und anhand eines geeigneten Phantoms konnte die Verbesserung der Erkennung von Kanten, wie sie beispielsweise bei der dentalen Abformung angewandt wird, gezeigt werden. Die kontinuierlichen Entwicklungen in den Bereichen Hard-, Software und Algorithmik ermöglichen weitere hochauflösende Anwendungen. In Kapitel 9 sind die Ergebnisse einer Studie gezeigt, die sich mit der Analyse der Handbewegungen während einer Messung beschäftigt. Für eine hochauflösenden Darstellung der Handanatomie bei 7 T ist eine Unterbindung der Handbewegung sehr wichtig. Um ein geeignetes Design für eine Empfängerspule zu entwerfen, die Bewegungen der Hand unterbindet, wurde eine qualitative Bewegungsanalyse der Hand in mehreren verschiedenen Positionen durchgeführt. Durch Vergleich der Ergebnisse konnte so auf geeignete Designs zurückgeschlossen werden.…
• The treatment of the teeth or diseased of the oral cavity is by far not only administered for aesthetic reasons. These diseases are sometimes also associated with other serious diseases. Studies have shown that some diseases of the mouth, the gingiva or the surrounding area can lead to heart and lung disease or diabetes. Oftentimes the pathology or symptomatology of dental or oral diseases extends to a wide area. In the dental clinic many different diagnostic devices are used. However, magnetic resonance imaging, which has developed in otherThe treatment of the teeth or diseased of the oral cavity is by far not only administered for aesthetic reasons. These diseases are sometimes also associated with other serious diseases. Studies have shown that some diseases of the mouth, the gingiva or the surrounding area can lead to heart and lung disease or diabetes. Oftentimes the pathology or symptomatology of dental or oral diseases extends to a wide area. In the dental clinic many different diagnostic devices are used. However, magnetic resonance imaging, which has developed in other areas as the most important diagnostic imaging tool, is not frequently used in dentistry to the present day, although their advantages are obvious: it is known for excellent image contrast, mainly between different soft tissues and comes without hazardous ionizing radiation. The former is probably the reason why the MRI is not yet a standard method in dentistry: here in most cases the contrast of hard tissues is of relevance. However, recent developments and studies demonstrated the versatile advantages of MRI in this area. The aim of this work as seen from the perspective of application, was to continuously show the enormous potential of MRI in the diverse areas of dentistry. However, many of these applications put very high requirements on the systems. Usually structures to display are very small and require very high resolution. To improve the resolution while using the X-ray method, e.g., one can increase the beam energy (dose). In MRI (without changing the MRT scanner) this results in an extension of measurement time. Especially in the area of the head this oftentimes leads to unwanted movements during the measurement time that worsen the outcome and reproducibility of the obtained diagnostic information or making it completely useless. The biggest challenge is the measurement of a three-dimensional impression of the tooth surfaces in prosthetics. This process can replace a complex and unpleasant manual impression of the teeth and avoid the production of an intermediate plaster model. Using MRT techniques, a direct three- dimensional model of the tooth surfaces can be produced. By modern CAD/CAM technology, a dental restoration can be directly manufactured by the dental technician using the digital 3D model. Therefore, an important task of the project was the development of a dental MRT method for the detection and correction of movements. Various requirements were imposed on the method. Firstly, the method must be able to detect movements in the range of ~100 µm to fall below the requirements of the final image resolution. For the acquisition of the contrast agent’s signal, a 1-channel receiver coil is used and depending on the measurement, the patient can lie prone or supine. Furthermore, the motion detection system must work without extensive external devices such as cameras, whose direct vision may be obscured by the patient, e.g. This thesis covers two major subject areas. Firstly, new applications and methods have been developed and further developed in order to provide the various fields of dentistry access to MRT techniques. Chapter 4 describes the possibility to image the motion of the temporomandibular joint dynamically in real-time. In this work it turned out that both, the movement of the soft tissue components were represented, as well as the intra-articular distance in the TMJ could be measured during mastication (under load) in real-time. Here, the imaging sequence and the corresponding reconstruction algorithm were designed such that the data can be acquired without a prioiri knowledge and processed flexibly. MRT showed different pathologies in the images and dynamic MRT could detect some diseases that could not be diagnosed by other means. The emerging diagnostic possibilities should be investigated and the results verified by large-scale studies. Chapter 5 describes the results of dento-maxillary MRT imaging, supported by a large-scale study. The diagnostic capabilities of MRI for orthodontic applications are obvious. The typical patient in orthodontics are children and adolescents. The absence of tissue-damaging radiation is a particular advantage of MRI here. After various developments, the acquisition time of a measurement lasted depending on the method only 2 (4) minutes. The resolution in the rendered images was 0.25x0.25x0.50 mm3. Using the proposed method, among other things a geminisation of a tooth root could be shown and the distance of the dental pulp to the tooth surface (enamel) measured. Chapter 6 presents new developments in the field of digital impressions of tooth surfaces. Here, a new method was developed in order to increase patient comfort during the measurement. This approach helps to prevent movements of the subject in advance. With the old method, the patient lies prone and a large part of the oral cavity is filled with contrast agent. By using a prepared dental cast, the contrast agent can be applied locally and hence the patient may lay supine during the measurement. The associated reproducibility of dental impressions should be shown through a large-scale study. The main task of this thesis was to develop a method for motion correction that allows to detect the movement of a subject during the measurement without a large number of additional devices and correct the acquired data accordingly. This new navigator method, based on the measurement of a MRT-active marker attached to the subject, makes use of MRT hardware only, except for the additional marker. The method is described in chapter 8. Since this is a new development, it was important to primarily estimate the effects of the various parameters and their impact on the positioning accuracy. This has been evaluated in several preliminary studies, experiments and computer simulations. By validation experiments it was shown in the studies that the image-based navigator detects movements with an accuracy of ~50 µm(translation) and ~0.13◦ (rotation). With the position information obtained from the navigator, the MRT data can be corrected retrospectively or the volume of interest can be adjusted in real-time during the imaging process to prevent inconsistencies in the data in advance. In-vivo MRT data impaired by motion of a subject during the measurement could be corrected using the MoCoLoCo method. By using an appropriate phantom and simulation a movement, it could be shown that using the proposed method, the quality of edge detection (as used in dental impressions, e.g.) could be restored. Various new high-resolution applications emerged due to the continuous development in hardware, software and algorithms. In chapter 9, the results of a study are presented, which deals with the analysis of shivering movements of the hand during a measurement. For a high-resolution depiction of hand anatomy at 7 T, a suppression of the hand movement is very important. In order to develop an optimal design for a hand receiver coil, a qualitative analysis of the hand movement in several different positions was performed. By comparison of the results, a suitable coil design could be developed.…