СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ КОСТНОЙ ТКАНИ
METHOD OF BONE MINERAL DENSITY ANALYSIS

Изобретение относится к области радиационной диагностики, а именно к рентгеновским остеоденситометрическим измерениям, направленным на определение минеральной плотности костной ткани (МПКТ) пациентов.
Выявление дефицита костной массы на ранних стадиях заболевания весьма актуально, так как это позволяет своевременно проводить профилактические мероприятия, что уменьшает затраты на сохранение здоровья пациентов по сравнению с лечением переломов костей, возникающих на фоне развитого остеопороза. В настоящее время известны способы определения МПКТ, что позволяет производить специализированные аппараты костной денситометрии. Однако эти аппараты достаточно дорогие и их количество в лечебных учреждениях явно недостаточно для проведения массовой диагностики населения. Поэтому рентгенологи еще используют широко известный фотоденситометрический способ, при котором плотность костной ткани пациентов оценивается по ее снимку на рентгенограмме. На достоверность результатов, получаемых с помощью этого способа, влияют многие факторы: величина экспозиции, выбранная энергия рентгеновского излучения (РИ), обработка снимка, наличие мягких тканей в области исследования и т.д. В этой связи актуальным становится задача по разработке способа, позволяющего с более высокой достоверностью и оперативностью определять МПКТ пациентов с помощью современных цифровых рентгенографических аппаратов, которые в последнее время широко внедряются в медицинскую практику.
В диагностике остеопороза наиболее признан двухэнергетический рентгеновский способ определения МПКТ. Он позволяет осуществлять наиболее точную диагностику с возможностью количественного сравнения получаемых результатов. Существует ряд известных способов формирования низко и высокоэнергетических рентгеновских излучений, регистрации и обработки получаемой информации, необходимой для расчета МПКТ. Один из них заключается в подаче импульсного анодного питания на рентгеновскую трубку излучателя с разным уровнем высокого напряжения, непрерывной корректировкой и калибровкой приемного тракта с помощью вращающегося диска, на котором размещают имитаторы костной и мягкой тканей (см. патент US 4811373, МКИ H05G 1/00, 1989). Из анализа патента ясно, что он не может быть реализован в серийно выпускаемых цифровых рентгенографических аппаратах без существенного изменения реализованных в них способов формирования рентгенограмм, их рентгенооптических схем, замены основных комплектующих, например рентгеновского питающего устройства, приемника и т.д.
В патенте US 6909771, МКИ А61 В 6/00, 2005 г. изложен способ, при котором в процессе сканирования пациента регистрируют энергетический спектр РИ, прошедший через него, а затем осуществляют вычисления с использованием данных первоначально созданной базы спектров. Способ также не может быть реализован в серийно выпускаемых цифровых рентгенографических аппаратах без их существенной доработки.
Широко известен способ, при котором непрерывный спектр рентгеновского излучения разделяют на «низкий» и «высокий» энергетические пики с помощью редкоземельных К-фильтров, а регистрацию спектров осуществляют с помощью многоканальных анализаторов (см. Рентгеновские диагностические аппараты / Под ред. Н.Н.Блинова и Б.И.Леонова. Т.2 С.119. М. 2001). Применение известного способа достаточно сложно для его технической реализации.
Наиболее близким по техническому решению (прототипом) является способ определения минеральной плотности костной ткани по патенту US 6064716, МКИ А61В 6/00, 2000 г., заключающийся в облучении области диагностики и имитатора костной ткани рентгеновским излучением, регистрации прошедшей через них интенсивности излучения и определение по полученным оцифрованным данным минеральной плотности костной ткани.
Основной недостаток данного решения заключается в том, что для определения МПКТ требуется регистрировать энергетические спектры интенсивностей РИ, прошедших через объект диагностики и имитатор костной ткани. Эта операция достаточно трудоемкая и осуществить ее с высокой точностью затруднительно. Регистрировать энергетические спектры интенсивностей РИ по данному патенту предлагают с помощью кассеты, снаряженной, как минимум, двумя рентгеновскими пленками с экранами. Погрешности регистрации в данном случае будут определяться неравномерной чувствительностью рентгеновских пленок, неоднородностью используемых экранов и большим вкладом неконтролируемого рассеянного РИ в информационный поток. Свой вклад в погрешность будут вносить обработка пленок и их оцифровка. Данный способ не отличается высокой производительностью.
Основной задачей, решаемой предлагаемым способом, является устранение указанных недостатков, а именно разработка способа, позволяющего с более высокой достоверностью и оперативностью определять МПКТ пациентов с помощью современных цифровых рентгенографических аппаратов.
Указанная задача в способе определения минеральной плотности костной ткани пациента, заключающемся в облучении области диагностики и имитатора костной ткани рентгеновским излучением, регистрации прошедшей через них интенсивностей излучения и определении по полученным оцифрованным данным минеральной плотности костной ткани, достигается тем, что облучают через компенсационную среду сканирующим веерным пучком исследуемую область объекта и имитатор костной ткани, выполненный в виде линейного клина, вычисляют среднее значение сигнала исследуемой области объекта и в пределах ее горизонтального размера определяют массовую плотность имитатора костной ткани, соответствующую вычисленному среднему значению сигнала, и, используя табличные данные, предварительно полученные в аналогичных условиях с помощью имитатора костной ткани и костных образцов с известными минеральными плотностями, определяют минеральную плотность костной ткани исследуемой области объекта.
Для уменьшения погрешности определения МПКТ, обусловленной изменением энергетического спектра при прохождении РИ через ослабляющие среды, в предлагаемом способе объект диагностики и имитатор костной ткани предварительно размещают в компенсирующей тканеэквивалентной среде, суммарную толщину которой вместе с объектами диагностики в направлении просвечивания задают постоянной в пределах всей области сканирования, включая область размещения имитатора кости. При этих условиях и кость, и ее имитатор просвечиваются РИ с равной эффективной энергией, и это позволяет по выходным интенсивностям проводить сравнение их физических параметров, в частности их массовые плотности. Причем использование веерообразного пучка РИ позволяет практически исключить рассеянное излучение и соответственно повысить точность осуществляемых измерений. В качестве компенсирующей среды используют тканеэквивалентную среду, например воду, которую заливают в эластичные камеры, что позволяет исключить контакта тела пациента с жидкостью.
Более высокая оперативность определения МПКТ в предлагаемом способе достигается за счет быстрого получения цифровых данных и их обработки. Необходимые цифровые данные интенсивностей РИ получают практически в реальном масштабе времени с многоканального твердотельного приемника РИ в процессе сканирования объекта диагностики.
Для исключения инструментальных погрешностей, например, разброса чувствительности отдельных каналов приемника РИ, нелинейности их характеристик и т.д. измерение интенсивности РИ на выходе объекта диагностики и за имитатором кости в предлагаемом способе осуществляют одними и теми же каналами приемника, причем с минимальными временными промежутками между измерениями. С этой целью положение исследуемого участка кости и участка имитатора костной ткани по оси абсцисс задаются равными координатами. Это исключает погрешности, обусловленные вышеперечисленными причинами и температурными дрейфами параметров приемника и рентгеновского излучателя.
Клиновидный имитатор кости выполняют с плавным нарастанием его высоты, а вершину клина ориентируют вдоль линейной апертуры приемника РИ. Выполнение всех этих операций позволяет более точно определять массовую плотность имитатора, соответствующую определяемой МПКТ кости.
Таким образом, заявленный способ позволяет существенно снизить погрешность определения минеральной плотности костной ткани, повысить оперативность получения результатов и доступен для реализации его в серийно производимых цифровых рентгеновских аппаратах, что не имеет аналогов в остеоденситометрии, а, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 приведено устройство, реализующее предлагаемый способ, а именно цифровой рентгенографический аппарат сканирующего типа с размещенными на его деке объектом диагностики и имитатором кости.
На фиг.2 показана схема размещения объекта диагностики и имитатора костной ткани на деке стола-штатива.
На фиг.3 показан выбранный участок кости и имитатора.
На фиг.4 показан алгоритм операций при определении МПКТ.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит (см. фиг.1) цифровой сканирующий аппарат 1, в состав которого входит рентгеновский излучатель 2, диафрагма 3, формирующая веерный пучок РИ 4, дека 5 стола-штатива 6, на которой указано месторасположение объекта диагностики 7 и имитатора костной ткани 8, многоканальный приемник РИ с линейной фоточувствительной матрицей 9, сканирующий механизм 10 и ЭВМ с монитором 11, предназначенный для отображения рентгенографической информации и результатов вычислений.
На схеме фиг.2 показаны объект диагностики 7 с костью 12, МПКТ которой необходимо определить, имитатор костной ткани 8, дека 5 стола-штатива 6, приемник 9 и две камеры 13 и 14 с тканеэквивалентной средой, ограниченных по высоте Н рентгенопрозрачной пластиной 15.
На фиг.3 показаны рентгенограммы имитатора кости 8, исследуемого участка кости 12, две вертикальные линии 13, которыми определяются координаты исследуемого участка кости 12 и соответствующий ему участок имитатора кости 16 по оси абсцисс.
2
Порядок применения предлагаемого способа рассмотрим на примере определения МПКТ предплечья пациента на цифровом рентгенографическом аппарате. Перед проведением измерения на деке 5 аппарата 1 между двух камер с водой 13 и 14 размещают предплечье пациента 7 и имитатор костной ткани 8, как это показано на фиг.2. Включают аппарат, устанавливают режим, при котором были получены табличные данные, устанавливающие связь между количественными значениями МПКТ и массовыми плотностями имитатора кости, и производят снимок. На рентгенограмме, воспроизведенной на экране монитора 11, рентгенолог размещает маркеры 17 (см. фиг.3), определяющие координаты исследуемого участка кости 12 по оси абсцисс. Затем он запускает программу вычисления МПКТ выбранного участка кости, алгоритм которого приведен на фиг.4. Полученные результаты вычисления воспроизводятся на экране монитора 11 в г/см.
Табличные данные, устанавливающие связь между количественными значениями МПКТ и массовыми плотностями имитатора кости, предварительно были получены экспериментальным путем с помощью костных образцов с известными минеральными плотностями и их имитатора, в качестве которого использовался алюминиевый клин. Измерения проводились следующим образом. Образец кости с известной минеральной плотностью и алюминиевый клин размещались на столе аппарата между двух камер с водой 13 и 14, как это описывалось ранее. Путем сравнения интенсивностей РИ, прошедших через них, определялась массовая плотность клина, соответствующая данному образцу. По полученным таким образом данным была составлена таблица, необходимая для дальнейшей работы.
Апробация предложенного способа проводилась на цифровом сканирующем рентгенографическом аппарате АРСЦ-02-«Н». В качестве компенсирующей тканеэквивалентной среды использовалась вода, а имитатора - алюминиевый клин. Суммарная толщина воды и объекта исследования в направлении их просвечивания (Н) была принята равной 100 мм. Аналогичные условия создавались и в области размещения алюминиевого клина. Режим работы аппарата: анодное напряжение излучателя 70 кВ, анодный ток 30 мА. Время получения рентгенограмм составляло 6 секунд, а время обработки данных - не более 10 секунд. В качестве объектов исследования использовались трубчатые кости домашних животных.
В процессе проведения измерений было установлено, что предлагаемый способ обеспечивает воспроизводимость результатов измерения МПКТ с погрешностью, не превышающей ±1.0%. Используемый аппарат АРСЦ-02-«Н» позволяет при необходимости проводить и рентгенологические исследования области интереса, так как может формировать и воспроизводить на экране ЭВМ высококачественные рентгенограммы с пространственным разрешением более 3 пар л./мм при контрастной чувствительности - 1% и динамическим диапазоном до 400.
Таким образом, проведенные измерения подтверждают, что предлагаемый способ может быть использован для проведения массовых остеоденситометрических исследований населения на современных цифровых рентгенографических аппаратах. Способ прост при практическом применении его врачами рентгенологами и обеспечивает получение диагностически значимых результатов при массовом обследовании населения. Время измерения, включая укладку пациента, может составлять не более 1 минуты. При определении МПКТ способ исключает влияние мягких тканей на конечный результат, что позволяет применять его не только для диагностики фаланг кистей рук, пятки, но и для определения МПКТ предплечья, бедренной кости и т.д.