СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИН МИНЕРАЛЬНОЙ И ОБЪЕМНОЙ ПЛОТНОСТИ КОСТНОЙ ТКАНИ, ОТНОСЯЩИЙСЯ К ОДНОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ДЕНСИТОМЕТРИИ
SINGLE ENERGY X-RAY DENSITOMETRY RELATED METHOD FOR MEASURING BONE MINERAL AND VOLUME DENSITY

Изобретение относится к методам рентгеновской денситометрии, в частности к измерению величин минеральной и объемной плотности костной ткани с помощью оцифрованной информации рентгеновского изображения, и может быть использовано для диагностики остеопороза.
m
2
Остеопороз - распространенное заболевание костной ткани человека, вызванное уменьшением минеральной плотности костной ткани. Под минеральной плотностью костной ткани M понимается масса минеральной составляющей костной ткани (в основном карбонат и фосфат кальция), приведенная к единице площади - размерность г/см.
b
b
2
3
В практической денситометрии используются такие характеристики, как приведенная к единице площади масса костной ткани M (проекционная плотность) - размерность г/см и классическая величина объемной плотности костной ткани ρ - размерность г/см. Проекционная плотность выше минеральной плотности, поскольку кроме минеральной включает в себя и органическую составляющую костной ткани.
Минеральная и проекционная плотности костной ткани измеряются специализированными медицинскими аппаратами - денситометрами. Наиболее точно диагностика остеопороза производится по измеренной величине объемной плотности костной ткани. Объемная плотность костной ткани может быть измерена только на рентгеновских аппаратах последнего поколения - компьютерных томографах. Но поскольку процедура обследования на компьютерных томографах слишком дорогая и доза облучения пациентов на них существенно выше, чем на обычных рентгеновских аппаратах, диагностика остеопороза, в основном, производится по результатам измерения минеральной либо проекционной плотности костной ткани.
Методы рентгеновской костной денситометрии обстоятельно изложены в обзорных статьях "X-ray and Gamma Photon Bone Densitometry in Clinical Diagnosis" - A Review by Michel A. Periard, Canadian Journal of Medical Radiation Technology, Winter 2001, 32(4), pgs.24-32; "Визуализация и количественный анализ при денситометрических исследованиях". Т.О.Чернова, В.Я.Игнатов. Эндокринологический Научный Центр РАМН. Журнал "Клиническая эндокринология". 2002, номер 3; "Photon absorptiometry, bone densitometry and the challenge of osteoporosis" - A Review by Colin E. Webber, Phys. Med. Biol. 51 (2006) pgs.R169-R185.
Настоящее изобретение относится к одноэнергетической рентгеновской денситометрии. Известные способы определения минеральной плотности костной ткани в одноэнергетической рентгеновской денситометрии основаны на сравнении яркости изображения костной ткани с яркостью изображения ступенчатого алюминиевого клина-эталона, который при облучении рентгеновским пучком помещается рядом с обследуемой конечностью рук либо ног пациента. Ступенька клина-эталона, наиболее близкая по яркости к яркости изображения костной ткани, принимается за эквивалент костной ткани и по ней дается оценка величины минеральной плотности костной ткани.
В ранних способах определения минеральной плотности костной ткани использовался компенсатор переменной наружной толщины мягкой ткани (пластиковая ванна с водой), куда помещались конечности рук либо ног пациента и ступенчатый алюминиевый клин-эталон. В последующих способах используется только алюминиевый клин-эталон и вместо использования компенсатора переменной наружной толщины мягкой ткани на стадии обработки оцифрованной информации рентгеновского изображения задействована процедура исключения мягкой ткани как теневого сопровождения к изображению костной ткани.
Необходимо отметить, что получение величины объемной плотности костной ткани в традиционных способах одноэнергетической рентгеновской денситометрии по яркости изображения костной ткани и клина-эталона принципиально невозможно.
Из уровня техники по определению минеральной плотности костной ткани в одноэнергетической рентгеновской денситометрии можно привести следующие известные способы:
1. "Способ определения содержания минерального вещества в костной ткани", патент РФ 2136214 от 25.01.1999 г.
2. "Method for measuring bone mineral density by using X-ray image" (Метод измерения минеральной плотности костной ткани с использованием рентгеновского изображения), патент США 7046834, May 16, 2006.
Оба приведенных способа используют ступенчатый алюминиевый клин-эталон. Различаются они процедурой исключения мягкой ткани как теневого сопровождения к изображению костной ткани при получении гипотетической яркости изображения костной ткани в воздушной среде, в которой помещен алюминиевый клин-эталон.
Среди известных технических решений наиболее близкого аналога предлагаемому способу определения величин минеральной и объемной плотности костной ткани не выявлено.
Технической задачей изобретения является получение адекватных значений величин минеральной и объемной плотности костной ткани с помощью алгоритма операций, реализуемого на серийных цифровых рентгенографических аппаратах ПроГраф и на серийных цифровых сканирующих флюорографах ПроСкан.
Технический результат достигается тем, что в способе определения величин минеральной и объемной плотности костной ткани, относящемся к одноэнергетической рентгеновской денситометрии, в процессе рентгеновского обследования пациента формируют цифровой массив данных в виде дискретного набора значений координат и соответствующих им амплитуд сигналов с чувствительных к рентгеновскому излучению ячеек детектора, выводят эти данные на монитор компьютера в виде рентгеновского изображения, на котором выделяют зону интереса, включающую костную ткань с прилегающей к ней мягкой тканью, в выделенной зоне по амплитудам сигналов вычисляют значения логарифмического ослабления рентгеновского излучения, которое для каждой точки массива определяют как логарифм отношения сигнала с ячейки детектора, не закрытой от источника рентгеновского излучения пациентом, к сигналу с ячейки, регистрирующей в данной точке прошедшее через пациента рентгеновское излучение, полученные значения логарифмического ослабления излучения используют для исключения в зоне обследования по заданному алгоритму мягкой ткани как теневого сопровождения к изображению костной ткани, затем по известным в рентгеновской абсорбциометрии правилам вычисляют приведенную к единице площади массу костной ткани и по ней определяют величины минеральной и объемной плотности костной ткани.
Настоящее изобретение не требует дополнительных устройств в виде компенсатора переменной наружной толщины мягкой ткани и ступенчатого алюминиевого клина-эталона и позволяет по значениям логарифмического ослабления излучения получить величину как минеральной, так и объемной плотности костной ткани.
Особенность предлагаемого способа заключается в том, что величины минеральной и объемной плотности костной ткани определяют с использованием только значений логарифмического ослабления излучения, вычисленных по сигналам с ячеек детектора в зоне интереса, охватывающей участок изображения костной ткани с прилегающей с обеих сторон мягкой тканью.
Под логарифмическим ослаблением излучения понимается логарифм отношения величины сигнала с ячейки детектора, регистрирующей излучение непосредственно от рентгеновского излучателя, к величине сигнала с ячейки детектора, регистрирующей излучение, прошедшее через пациента.
Предлагаемый способ поясняется чертежом, где схематично показано поперечное сечение мягкой и костной ткани.
1
2
1
2
1
2
0
1
2
Пунктирными стрелками указано направление рентгеновского излучения и выделены три направления: при координате r - только через мягкую ткань вблизи костной ткани слева, при координате r - через мягкую и костную ткань одновременно, при координате r - только через мягкую ткань вблизи костной ткани справа. Обозначения, приведенные на чертеже: D, D, D - наружные размеры мягкой ткани, x - толщина костной ткани, r, r, r - координаты на рентгеновском изображении при поперечном перемещении относительно осевого ствола костной ткани, l - исходная падающая интенсивность рентгеновского излучения, которую можно получить с любой ячейки детектора, не закрытой от излучения пациентом, то есть находящейся в зоне прямой видимости источника излучения, l, l, l - интенсивности прошедшего сквозь объект излучения.
1
2
Алгоритм, объясняющий с физической точки зрения суть способа, состоит в следующем. Толщина мягкой ткани в точках с координатами r и r (слева и справа от костной ткани) определяется через логарифмическое ослабление излучения при этих координатах
1
2
Пусть дана произвольная точка с координатой r, в которой излучение пересекает одновременно и мягкую, и костную ткань. Для этой точки наружный размер мягкой ткани D определяется линейной интерполяцией по вычисленным значениям D и D.
,
.
Для получения более точной оценки наружного размера мягкой ткани D можно использовать информацию о толщине мягкой ткани в дополнительных точках слева и справа от костной ткани и применить не линейную интерполяцию (2), а интерполяцию более высокого порядка.
Толщина костной ткани, соответствующая координате прохождения излучения r, определяется через логарифмическое ослабление излучения при этой координате
Приведенная к единице площади масса костной ткани, соответствующая координате r, будет составлять
b
m
Значение минеральной плотности костной ткани вычисляется умножением полученной величины на коэффициент пропорциональности Y, связывающий приведенную к единице площади массу костной ткани M с минеральной плотностью костной ткани M:
s
b
b
Необходимо отметить, что в качестве численных значений коэффициентов ослабления излучения µ, µ и объемной плотности костной ткани p в формуле (4) берутся стандартные величины, установленные для здоровых тканей человека.
Индикатором реального отклонения плотности костной ткани от нормальной величины в формуле (4) является величина логарифмического ослабления излучения
0
ln l/l, поскольку именно эта величина прямо пропорциональна реальной объемной плотности костной ткани сканируемого человека.
В рассмотренном одномерном случае величина приведенной к единице площади массы костной ткани (4) - есть функция поперечной координаты r. В реальной ситуации толщина костной ткани варьируется при перемещении как в поперечном (r), так и в продольном (z) направлениях. Соответственно, приведенная к единице площади масса костной ткани - есть функция двух координат. Поэтому в практической денситометрии используется усредненное на определенном участке (например: площадь, охватывающая один поясничный позвонок, полоса, направленная поперек осевого ствола проксимальной части бедра) значение приведенной к единице площади массы костной ткани
Соответственно, среднее значение минеральной плотности костной ткани на этом участке будет составлять
Определение величины объемной плотности костной ткани основано на предположении о пропорциональности поперечных размеров костной ткани в сечении для всех людей данного пола и данной возрастной группы. Это означает, что отношение средней толщины костной ткани по направлению рентгеновского пучка <Δx> к среднему проекционному поперечному размеру костной ткани <Δr> примерно одинаково для всех людей данного пола и данной возрастной группы и поэтому реальный объем костной ткани пропорционален произведению проекционной площади костной ткани на средний проекционный поперечный размер костной ткани.
Исходя из этого предположения величина объемной плотности костной ткани обследуемого человека выражается через усредненное значение приведенной к единице площади массы костной ткани как
В формуле (8) ξ - безразмерный коэффициент пропорциональности, который берется одинаковым для всех людей данного пола и данной возрастной группы, <Δr> - средний проекционный поперечный размер костной ткани конкретного обследуемого человека.
С помощью Монте-Карло программы GEANT (см. GEANT - Detector Description and Simulation Tool, CERN, Geneva, 1993), использующейся во многих научных физических лабораториях для описания прохождения излучения через вещество, было произведено моделирование прохождения рентгеновского излучения через различные структуры из мягкой и костной ткани с целью оценки погрешности предлагаемого способа вычисления величин минеральной и объемной плотности костной ткани. Варьировались толщины мягкой и костной ткани, плотность костной ткани, позиция костной ткани внутри мягкой ткани и жесткость рентгеновского спектра излучения, причем толщины мягкой и костной ткани варьировались от толщин, соответствующих конечностям рук и ног человека, до толщин, соответствующих поясничной области позвоночника.
Результаты расчетов показали, что погрешность предлагаемого способа оценки величин минеральной и объемной плотности костной ткани в зависимости от конфигурации облучаемой структуры и жесткости рентгеновского излучения лежит в интервале 4-14% для оценки величины минеральной плотности костной ткани и в интервале 3-8% для оценки величины объемной плотности костной ткани. Погрешность известных способов одноэнергетической костной денситометрии, используемых только для денситометрии конечностей рук и ног человека, составляет величину порядка 3-4%. Погрешность предлагаемого способа для толщин мягкой и костной ткани, соответствующих конечностям рук и ног человека, составляет такую же величину.
Предлагаемый способ имеет ряд существенных преимуществ:
1. По известным способам можно определить только минеральную, либо проекционную плотности костной ткани. Предлагаемый способ позволяет определить кроме проекционной и минеральной плотности еще и более приемлемую для корректной диагностики остеопороза объемную плотность костной ткани, которую, помимо изложенного способа, определяют только на аппаратах последнего поколения - компьютерных томографах.
2. Известные способы одноэнергетической костной денситометрии используют только для денситометрии конечностей рук и ног человека. Предлагаемый способ применим для определения проекционной, минеральной и объемной плотности костной ткани во всех традиционно используемых для диагностики остеопороза участках тела человека - конечности рук и ног, проксимальная часть бедренной кости, поясничный отдел позвоночника.
3. В известных способах одноэнергетической денситометрии работают с яркостью изображения, в предлагаемом способе - с логарифмическим ослаблением излучения. Поскольку логарифмическое ослабление излучения является аддитивной, а яркость изображения мультипликативной функцией толщин мягкой и костной ткани при прохождении излучения через них, исключение мягкой ткани как теневого сопровождения к изображению костной ткани на основании аддитивных правил, также используемых в известных способах, более корректно производить, оперируя значениями логарифмического ослабления излучения, а не величинами яркости изображения.
4. В известных способах обязательно используют алюминиевый клин-эталон (а в более ранних еще и воду как компенсатор переменной наружной толщины мягкой ткани). В предлагаемом способе не используют ни клин-эталон, ни воду.