Статьяblog-xray19

Рентгеновская денситометрия, вопросы стандартизации

На сегодняшний день в России диагностике остеопороза (ОП) уделяется значительное внимание. Популяционные исследования свидетельствуют о том, что ОП страдают каждая третья женщина и каждый четвертый мужчина старше 50 лет. Еще более чем у 40 % лиц обоего пола определяются признаки остеопении. Широкое распространение рентгеновских методов диагностики ОП требует стандартизации методик определения минеральной плотности костной ткани (МПКТ), повышению точности и воспроизводимости данных, проведения кросскалибровок, позволяющих сравнить результаты определения МПКТ на разных аппаратах и различными методами. Рентгеновские методы диагностики остеопороза Современная система здравоохранения включает различные программы повышения качества жизни, направленные на выявление и лечение заболеваний на ранних стадиях, что способствует росту продолжительности жизни населения. ОП как причина инвалидности и смертности занимает одно из ведущих мест после таких заболеваний, как сердечнососудистые, онкологические и сахарный диабет. Основными клиническими проявлениями ОП являются низкоэнергетические переломы, возникающие вследствие снижения костной массы и нарушения микроархитектоники костной ткани. Диагностику ОП и остеопении, при которой также наблюдается снижение плотности костной ткани, возможно проводить как с помощью качественных методов исследования, так и на основе количественных характеристик. Среди методов визуальной оценки в диагностике ОП важное место отводится рутинной рентгенографии. В качестве одной из рекомендаций в определенных клинических ситуациях предложено проведение рентгенографии позвоночника от Th4 до L5 позвонков для исключения компрессионных переломов. Факт определения компрессионного перелома тела одного позвонка повышает риск переломов других позвонков в 3 – 5 раз. Однако данных рутинной рентгенографии для проведения корректной оценки риска переломов недостаточно. Для этих целей принято использовать количественный параметр — минеральная плотность костной ткани (далее — МПКТ), характеризующий механическую прочность кости и определяемую как концентрацию гидроксиапатита кальция, основного неорганического вещества кости.

В соответствии с требованиями классификации ВОЗ для оценки значений МПКТ, получаемых при остеоденситометрических исследованиях, используется Т-критерий, представляющий собой стандартное отклонение (SD) выше или ниже среднего показателя от пика костной массы (МПКТ) молодых женщин в возрасте 20–29 лет. Согласно Т-критерию: нормальные показатели соответствуют значениям МПКТ до –1 SD. Если измеренные значения МПКТ находятся в диапазоне от –1 до –2,5 SD, диагностируется остеопения, если менее –2,5 SD — ОП, если при этом отмечен хотя бы один перелом, то диагностируется тяжелый ОП. Z-критерий представляет собой стандартное отклонение выше или ниже среднего показателя МПКТ у здоровых мужчин и женщин аналогичного возраста. Для получения количественных данных о МПКТ применяются следующие рентгеновские методы: двухэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия (DXA), количественная компьютерная томография (QCT), а также новая разновидность компьютерной томографии — двухэнергетическая компьютерная томография (DECT). DXA проксимального отдела бедра и поясничных позвонков на уровне L1-L4 — «золотой стандарт» лучевой диагностики ОП, позволяющий количественно определять МПКТ. Технология DXA основана на регистрации прошедшего рентгеновского излучения на 2 энергиях и дальнейшего вычисления проекционной плотности костной ткани. МПКТ в DXA определяется как значение плотности, измеряемой в граммах на квадратный сантиметр. DXA позволяет различить структурные особенности костной ткани, представить данные в формате Т- и Z-критериев. Основным преимуществом данного метода является малая эффективная доза (5 – 20 мкЗв на исследование). Для данной методики характерны случаи ошибочного определения МПКТ, связанные с типом используемого оборудования, особенностями калибровки с помощью штатных фантомов, а также анатомическими особенностями пациента. Например, исследования поясничного отдела и бедра чувствительны к дегенеративным изменениям (костные разрастания при остеохондрозе и спондилезе, обызвествления сосудистого характера). DXA имеет также ограничение измерения МПКТ у пациентов с индексом массы тела больше 25 кг/м2 МПКТ в методике QCT определяется как значение содержания кальция в миллиграммах на кубический сантиметр объема костной ткани в телах позвонков. Возможно измерение в единицах г/см2 для бедренных костей. В основе метода лежит пересчет полученных в результате КТ-сканирования единиц Хаунсфилда (HU) по калибровочной прямой в значения МПКТ. Существует QCT с синхронным и асинхронным сканированием фантома. В первом случае исследование пациента проводят совместно с фантомом, во втором — фантом сканируют отдельно. В работе  сравниваются результаты стандартной и асинхронной QCT. Средние показатели объемной плотности были ниже для асинхронного метода, чем для стандартного. Авторы связывают это с эффектом усиления жесткости луча, обусловленного наличием фантома, приводящего к сдвигу на 2,3 мг/см3 . Объемная минеральная плотность трабекулярной кости более чувствительна к особенностям метаболизма костной ткани, менее зависима от наличия дегенеративных изменений, индекса массы тела и др. В работе  при сравнении QCT с DXA в результате анализа ROC-кривых было показано, что Z-критерий, рассчитанный по данным QCT, выделяет пациентов с ОП из когорты обследованных лиц без переломов с лучшей чувствительностью, чем все другие измерения. Было показано, что результаты DXA относительно слабо зависят от возраста, в то время как результаты определения МПКТ губчатого вещества тел позвонков по данным QCT сильно зависят от возраста, что и определяло эффективность диагностики ОП. Перекрестные исследования показали, что метод QCT позволяет лучше выявлять пациентов с низкотравматическими переломами позвоночника. В работе было показано, что у женщин в постменопаузе с ОП, длительно принимающих глюкокортикоиды, QCT является лучшим предиктором переломов, чем DXA. Отмечается, что QCT по сравнению с DXA более точно определяет костную плотность в динамике после оперативного бариатрического лечения ожирения. Снижение МПКТ по данным DXA обусловлено переоценкой МПКТ при первоначальных измерениях данным методом. В работе отмечена переоценка МПКТ по данным DXA и как следствие недооценка ОП. Это уменьшает чувствительность DXA для диагностики ОП. Подобные результаты были получены с помощью фантомного моделировании. Вместе с тем отмечается, что QCT также может давать некорректные (завышенные) данные благодаря эффекту усиления жесткости луча, а также артефакты «вне поля сканирования». Но эти эффекты менее выражены, чем при DXA. Одним из важных преимуществ QCT является возможность оценки МПКТ методом оппортунистического скрининга, т. е. на основе результатов КТ-исследований, выполненных с другими целями, например, КТ сердца, грудной клетки, позвоночника, КТколоноскопии и др. Американским колледжем радиологов приведены показания к использованию метода QCT, а также указано, что единственное противопоказание связано с относительно большой лучевой нагрузкой (1,5–2,9 мЗв ) по сравнению с DXA. Вместо Т-критерия, который не может быть использован для диагностики ОП позвоночника , при проведении QCT предлагается классифицировать измеренную объемную МПКТ в соответствии с приведенными пороговыми значениями.

В официальной позиции Международного общества по клинической денситометрии (International Society for Clinical Densitometry ISCD) отмечается, что Т-критерий оценки МПКТ для шейки бедра и целого бедра, рассчитанный по двумерной проекции QCT, эквивалентен соответствующему Т-критерию DXA для постановки диагноза ОП согласно рекомендациям ВОЗ. Существуют дополнительные методики денситометрии: периферическая DXA, периферическая QCT (p-QCT), цифровая радиограмметрия и моноэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия (SXA). Результаты данных исследований слабо коррелируют с количественными показателями денситометрии центральных отделов. Т-критерии диагностики ОП в настоящее время для данных методов неприменимы. Наиболее современным методом определения МПКТ, являющимся трехмерным аналогом DXA, является двухэнергетическая КТ — DECT (DualEnergy Computed Тomography). При данном исследовании проводится регистрация сигнала от детекторов при различных значениях энергии рентгеновского излучения. Это позволяет снизить артефакты, связанные с усилением жесткости луча, и получить сведения о количественном составе тканей благодаря отличиям профилей поглощения различных веществ. Для денситометрии выбирается режим определения содержания кальция и воды в каждом вокселе. Помимо указанных выше техник измерения МПКТ, существуют другие нерентгеновские методики оценки состояния костной ткани. К ним относятся магнитно-резонансная томография (МРТ), МР-спектроскопия и перфузия, ультразвуковая денситометрия. Эти методы оптимизированы для качественного определения костной архитектуры, метаболизма кости, для лучшего предсказания костной прочности и более чувствительного мониторинга терапевтического лечения. В клинической диагностике ОП данные технологии в настоящее время не применяются. Стандартизация исследований при рентгеновской остеоденситометрии Для проведения ежедневного контроля качества и кросс-калибровки между разными аппаратами, установленными в европейских медицинских организациях, был разработан фантом ESP (European Spine Phantom) размером 18 × 26 см, состоящий из 3 секций, каждая из которых имеет форму позвонка с разным содержанием минералов костной ткани. Для приближения к антропометрическим параметрам концентрация гидроксиапатита в трабекулярной кости разных секций составила 50, 100 и 200 мг/см3 (0,5; 1 и 1,5 г/см2 для проекционной плотности, измеряемой на прямой DXA), толщина кортикальной кости 0,5; 1 и 1,5 мм соответственно, а ее плотность равна 800 мг/см3 для всех секций. Данное конструкторское решение позволило использовать стандартный протокол сканирования пациента для обоих методов: DXA и QCT. Для корректной автоматической сегментации в начало и конец ряда позвонков добавлены дополнительные фрагменты для моделирования продолжения позвоночника. Работа посвящена сравнению измерений МПКТ пациентов на DXAсканерах 3 разных производителей до и после применения фантома ESP. Только после проведения соответствующих корректировок были получены сопоставимые результаты измерения МПКТ. Использование фантома ESP позволило не только повысить качество рутинных диагностических процедур, но и проводить многоцентровые клинические исследования с применением кросс-калибровки. В работе представлен анализ большого материала DXA-исследований (обследовано 1035 женщин в возрасте от 20 до 80 лет, представителей европеоидной расы), проведенных на аппаратах 4 фирмпроизводителей. Фантом ESP позволил конвертировать результаты измерений, выполненные на различных сканерах, в единые значения минеральной плотности костной ткани. Необходимость проведения калибровочных испытаний с помощью ESP отмечена в работах. Если фантомы для позвоночника были разработаны и изготовлены в начале 90-х годов и их клиническое использование продолжалось в дальнейшем, то антропоморфные фантомы, имитирующие проксимальный отдел бедренной кости, были разработаны сравнительно недавно. Существующие фантомы, имитирующие диафиз бедра, не удовлетворяют перспективным запросам исследователей и клиницистов. Проксимальный отдел бедра — геометрически сложная фигура, поэтому антропоморфное и в то же время стандартизованное моделирование данного анатомического региона с инженерной точки зрения непростая задача. Предложенный фантом представляет собой модульную конструкцию, включающую в себя «губчатое вещество» с относительно низкой рентгеновской плотностью 1,09 г/см3 и «кортикальную» окружающую оболочку плотностью 1,70 г/см3 . Модули различаются по форме поперечного сечения, а осевая длина каждого сегмента составляет 20 мм. Высокое анатомическое сходство с реальными костными структурами позволяет использовать фантом со структурными геометрическими алгоритмами DXA и QCT, предназначенными для клинического применения. Это новые методы оценки механической прочности кости, отличные от измерения Т-критерия и позволяющие предсказывать риск перелома: анализ конечных элементов (Finite Element Analysis, FEA), анализ структуры бедра (Hip Structure Analysis, HSA). Полученные по данным DXA геометрические измерения, используемые в алгоритме HSA, хорошо коррелированы со значениями непосредственной геометрии фантома. По оценочным данным ОП в России страдает 14 млн человек (10 % населения страны), еще у 20 млн есть остеопения. Это означает, что у 34 млн жителей страны имеется высокий риск патологических переломов. Ожидается, что в связи со старением населения число больных ОП в РФ к 2050 г. вырастет на 1/3.

Распространенность ОП в Москве составляет до 19,8 % у женщин и 13,3 % у мужчин в возрасте старше 50 лет. В настоящее время диагностика ОП в медицинских организациях (МО) ДЗМ г. Москвы осуществляется с использованием 44 рентгеновских остеоденситометров, а также 3 КТ с возможностью оценки МПКТ с помощью программы QCT ProTM, число которых будет увеличиваться с учетом возрастающей потребности в данном виде исследований. Калибровка сканеров проводится в соответствии с рекомендациями фирмпроизводителей. Однако, как показали исследования, измерения для одного и того же пациента, проведенные на разных сканерах с использованием одинаковой процедуры сканирования, не могут быть достоверно сопоставлены. Это требует разработки методики испытаний для унификации и обеспечения воспроизводимости результатов количественных измерений МПКТ. Особенностью КТ является наличие эффектов усиления жесткости луча (beam hardening) и рассеяния (scattering), методик их коррекции, приводящих к изменению рентгеновской плотности вдоль сечения цилиндрического тестового объекта или пациента. В работе  указана необходимость учета данных эффектов при контроле МПКТ методом QCT во всех вариантах (синхронный фантом, асинхронный, технологии, ориентированные на измерение относительно тканей пациента), которые не могут быть оценены с использованием указанных выше фантомов. Фантом ESP не позволяет свободно перемещать объекты, имитирующие позвонки, в плоскостисечения фантома, поскольку они залиты эпоксидной резиной. Кроме этого, композиты, используемые при изготовлении эквивалента воды, могут давать погрешности в определении МПКТ при DECT. Зависимость МПКТ по данным DXA и DECT при использовании фантома ESP носит нелинейный характер, при этом в статье приведены данные только линейной аппроксимации. Экспериментальные данные С целью преодоления данных недостатков, а также для выполнения сравнения различных рентгеновских методов определения МПКТ между собой был разработан фантом РСК-ФК (отдел разработки средств контроля, фантом с гидрофосфатом калия). Фантом РСК-ФК представляет собой 4 полых цилиндрических пластиковых сосуда-«позвонка» (диаметр и высота 3,5 см, толщина стенки 2 мм), изготовленных методом трехмерной печати. Цилиндры были заполнены растворами гидрофосфата калия различной концентрации. Данное вещество хорошо растворимо и позволяет имитировать показатель МПКТ в широком диапазоне. Для позиционирования «позвонков» предусмотрен кронштейн из рентгенонеконтрастного материала. Фантом был погружен в сосуд с физиологическим раствором, имитирующим тело человека диаметром 32 см. Позвонки могли перемещаться в кронштейне, занимая позиции в центре цилиндра с жидкостью и по периферии (12 см от центра). Были выбраны следующие концентрации гидрофосфата калия: 29,45 и 60,33 мг/см3 , имитирующие ОП; 92,62 мг/см3 для имитации остеопении; 161,46 мг/см3 для имитации нормальных значений МПКТ. Пороговые значения выбраны по рекомендации ВОЗ и ACR. КТ-изображения фантома в центре и на периферии емкости с физиологическим раствором были обработаны при помощи программы QCT для получения значения минеральной плотности. КТ-сканирование проводилось на сканере Toshiba Aquillion 64 (120 КВ, 100 мА, FOV 40 cм, кернель FC08), программное обеспечение для определения МПКТ (QCT ProTM c асинхронным фантомом). DXA выполнены на денситометре DEXXUM T, OsteoSys. Цифровая рентгенография выполнена на аппарате GE BRIVODRF, укомплектованном матрицей детекторов. DECT с денситометрией выполнена на аппарате GE Discovery CT750 с модуляцией напряжения на трубке (80 140 КВ). При оценке точности количественных данных методом QCT была установлена линейная зависимость МПКТ от значений рентгеновской плотности в исследуемом диапазоне. Однако при расположении фантома в центре емкости, имитирующей тело человека, наблюдалось систематическое завышение плотности приблизительно на 10 мг/см3 , что соответствует ошибке до 34 % для «позвонка» самой низкой плотности. Погрешность измерений при исследовании фантома на периферии емкости не превышала 6,6 %. С учетом строго линейной зависимости полученных кривых (коэффициент детерминации составил R2 = 1) указанные погрешности могут быть устранены путем введения корректирующих коэффициентов для соответствующих расположений фантома. Результаты исследования фантома РСК-ФК методом рентгенографии представлены на рис. 2, в. Линейная зависимость была установлена при напряжении 80 кВ. При выборе других значений анодного напряжения наблюдались искажения формы кривой и угла наклона. Таким образом, подобрать единую калибровочную кривую не представляется возможным, что не позволяет рассматривать данный метод как перспективный с учетом автоматического режима съемки. При сканировании РСК-ФК методом DXA была установлена линейная зависимость измеренных значений МПКТ от заданных, R2 = 0,98. Корректные результаты были получены при уменьшении слоя жидкости до 15 см. Ошибка метода DXA по абсолютной величине является незначительной, однако в области низких значений МПКТ (моделировались в настоящем эксперименте, так как не учитывался кортикальный слой) может составлять до 65,4 %. Таким образом, параметры тела пациента значительно влияют на результаты DXA и в области низких плотностей ошибка данного метода может возрастать. В отличие от метода QCT, зависимости определяемой методом DECT МПКТ от истинной имеют разные коэффициенты наклона при расположении на периферии и в центре. При исследовании фантома методом DECT была установлена линейная зависимость (R2 = 0,99) определяемой концентрации калия от истинной концентрации как в центре емкости, так и на периферии без использования специального калибровочного фантома. Установлено, что метод DECT в наименьшей степени чувствителен к форме тела человека, и ошибка данного метода не имеет четкой зависимости от истинной МПКТ. Однако в области значений, соответствующих остеопорозу, она достаточно значительная (до 21,9 %). Стоит отметить, что показанные линейные зависимости дают возможность введения поправочных коэффициентов для увеличения точности измерения МПКТ методами QCT, DXA и DECT, а также использования их в целях стандартизации и сопоставления измерений. Таким образом, увеличение количества пациентов, имеющих высокий риск остеопоротических переломов, приводит к необходимости своевременной диагностики с использованием современных методов остеоденситометрии: QCT, позволяющей измерять МПКТ по данным установленных в МО КТ, а также путем проведения оппортунистического скрининга, DECT, DXA и различных форм постобработки (FEA, HSA). Для обеспечения точности и воспроизводимости измерений МПКТ необходима разработка методов контроля, проводимых с помощью соответствующих фантомов. Создание и внедрение методики стандартизации денситометрических исследований позволит оценить достоверность проводимых исследований на различных сканерах, определить факторы, влияющие на точность измерений, внести соответствующие корректировки. В данной работе представлен прототип фантома, с помощью которого оценены погрешности измерения МПКТ для разных методик денситометрии.