RU2159577C1

RU2159577C1 - Method for evaluating mineral substance contents in bone tissue

Info

Publication number: RU2159577C1
Application number: RU2000108703A
Authority: RU
Inventors: М.К. Михайлов; И.Г. Салихов; А.А. Гайбарян; В.Б. Фофанов; А.Р. Зарипова
Original assignee: Михайлов Марс Константинович; Салихов Ильдар Газимджанович; Гайбарян Андрей Амбарцумович; Фофанов Вячеслав Борисович; Зарипова Айгуль Рашидовна
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2000-04-11
Publication date: 2000-11-27

Abstract

FIELD: medicine. SUBSTANCE: method involves producing digital X-ray picture of an object of interest. The process is carried out with mineral density reference object used. A site for performing analysis is selected and mathematical algorithm is created for building smooth densitometric curve and reference image density calibration is carried out to mineral substance contents in the area under study before producing digital X-ray picture of photographed object and mineral density reference object id placed into aqueous medium. Water medium thickness is to be constant all over the picture surface. EFFECT: accelerated method. 6 dwg, 4 tbl

Description

Изобретение относится к медицине, в частности к лучевой диагностике, и может быть использовано при определении, например, таких заболеваний как остеопороз и остеопатия. The invention relates to medicine, in particular to radiation diagnostics, and can be used to determine, for example, diseases such as osteoporosis and osteopathy.

Костное неорганическое минеральное вещество состоит главным образом из кальция (фосфата и карбоната - около 65% (Ю. Франке., Г. Рунге. "Остеопороз" /перевод с немецкого/ Москва "Медицина" 1995 г. с. 27, 30)). Inorganic bone mineral substance consists mainly of calcium (phosphate and carbonate - about 65% (J. Franke., G. Runge. "Osteoporosis" / translation from German / Moscow "Medicine" 1995, p. 27, 30)).

Для диагностики остеопороза наряду с рентгенографией скелета, которая много лет была основным методом исследования, стали применяться более современные, позволяющие оценить минеральную плотность кости (МПК). Снижение МПК является основным фактором, определяющим ее плотность и увеличение риска переломов. Известные методы отличаются по параметрам, таким как возможность измерения МПК в целом и отдельно в трабекулярной и компактной костных тканях, а также точность, воспроизводимость, доза радиации, время, необходимое для проведения исследования. For the diagnosis of osteoporosis, along with skeleton x-ray, which has been the main research method for many years, more modern methods have begun to be used to assess bone mineral density (BMD). A decrease in BMD is the main factor determining its density and an increased risk of fractures. Known methods differ in parameters, such as the ability to measure BMD as a whole and separately in trabecular and compact bone tissues, as well as accuracy, reproducibility, radiation dose, time required for the study.

Известны неинвазивные методы определения степени минерализации кости: однофотонная и двухфотонная абсорбциометрия, моноэнергетическая и биэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия, нейтронно-активационный анализ, компьютерная томография, анализ рентгенограммы по Krokowski, рентгеноморфометрия и микрорадиоскопия (Ю. Франке., Г. Рунге. "Остеопороз" /перевод с немецкого/ Москва "Медицина" 1995 г. ; С. С. Родионова, Л.Я. Рогожинская /ред. проф. Е.И. Маровой/ "Остеопороз, патогенез, диагностика и лечение" Москва, Merck Sharp & Dohme Idea, inc. 1997 г.). Non-invasive methods for determining the degree of bone mineralization are known: single-photon and two-photon absorptiometry, monoenergetic and bioenergetic X-ray absorptiometry, neutron activation analysis, computed tomography, X-ray diffraction analysis according to Krokowski, X-ray morphometry and microradioscopy (J. Franke, "O. Rögege." Transl. from German / Moscow "Medicine" 1995; S. S. Rodionova, L.Ya. Rogozhinskaya / Edited by Prof. E.I. Marova / "Osteoporosis, Pathogenesis, Diagnosis and Treatment" Moscow, Merck Sharp & Dohme Idea, inc. 1997).

Однако известные методы либо очень дороги и не получили широкого распространения в нашей стране, либо трудоемки, субъективны и малодостоверны. However, the known methods are either very expensive and not widely used in our country, or they are laborious, subjective and unreliable.

Известен способ определения содержания минерального вещества в костной ткани измерением оптической плотности рентгенограммы, выполненной с использованием клиновидного ступенчатого эталона (см. ссылку 1, с. 113). Суть метода заключается в том, что определенные участки скелета рентгенографируются при стандартных условиях вместе с эталоном, после машинного проявления пленки фотометрически обрабатывают, с каждой ступени считывают 6-10 градаций почернения, а с подлежащих исследованию участков костей - 30-50 градаций. После усреднения соответствующих показателей определяют соответствие между костями и ступенями определенной высоты. Однако при проведении исследования на пациентах становятся заметными помехи, создаваемые слоем окружающих кость мягких тканей. К недостаткам известного способа следует отнести также то, что способ требует сложной аппаратуры и больших затрат времени. К ошибкам приводят также рассеянное излучение, неоднородность интенсивности излучения по полю, толщина объекта съемки, неравномерность полива эмульсии на рентгеновской пленке, неравномерность люминофорного слоя в кассете и нестабильность работы аппарата. Компьютеризированный вариант этого метода известен на западе под названием радиографическая абсорбциометрия. Однако, перечисленные выше негативные факторы позволяют получить приемлемую точность лишь при исследовании фаланг пальцев кисти, что снижает диагностическую ценность метода (A. John Yates, M.D., Rahway, New Jersey, Philip D. Ross, Ph.D., Honolulu, Hawaii, Eva Lydick, Ph.D., Robert S. Epstein, M.D., Rahway, New Jersey Radiographic Absorptiometry in the Diagnosis of Osteoporosis The American Journal of Medicine 1995; 98 (suppl 2A): 41S-47S). A known method for determining the content of mineral matter in bone tissue by measuring the optical density of the x-ray, made using a wedge-shaped step standard (see link 1, p. 113). The essence of the method is that certain parts of the skeleton are x-rayed under standard conditions together with the standard, after the machine development of the film, the films are photometrically processed, 6-10 gradations of blackening are read from each step, and 30-50 gradations from the sections of bones to be examined. After averaging the relevant indicators, the correspondence between the bones and steps of a certain height is determined. However, when conducting a study on patients, interference caused by the layer of soft tissue surrounding the bone becomes noticeable. The disadvantages of the known method should also include the fact that the method requires complex equipment and time-consuming. Errors are also caused by scattered radiation, heterogeneity of radiation intensity over the field, thickness of the subject, uneven irrigation of the emulsion on the x-ray film, uneven phosphor layer in the cassette and the instability of the apparatus. A computerized version of this method is known in the West as radiographic absorptiometry. However, the negative factors listed above allow obtaining acceptable accuracy only when examining the phalanges of the fingers, which reduces the diagnostic value of the method (A. John Yates, MD, Rahway, New Jersey, Philip D. Ross, Ph.D., Honolulu, Hawaii, Eva Lydick, Ph.D., Robert S. Epstein, MD, Rahway, New Jersey Radiographic Absorptiometry in the Diagnosis of Osteoporosis The American Journal of Medicine 1995; 98 (suppl 2A): 41S-47S).

Наиболее близким к заявляемому является способ определения содержания минерального вещества в костной ткани, включающий изготовление рентгенограммы объекта съемки, выполненной с использованием алюминиевого клиновидного ступенчатого эталона, на концах которого встроены свинцовые пластинки с отверстиями в середине. По рентгенограмме составляют математический алгоритм построения "гладкой" денситометрической кривой, причем интерполяцию характеристической кривой проводят методом сплайн-интерполяции и осуществляют привязку плотности изображения эталона к содержанию минерального вещества в исследуемом участке объекта (Патент РФ N 2136214, МКЛ A 61 B 6/00, 1999). Closest to the claimed is a method for determining the mineral content in bone tissue, including the production of x-rays of the subject made using an aluminum wedge-shaped step standard, at the ends of which are built lead plates with holes in the middle. According to the radiograph, a mathematical algorithm for constructing a “smooth” densitometric curve is made, and the characteristic curve is interpolated by the spline interpolation method and the image density of the reference is linked to the content of the mineral substance in the studied area of the object (RF Patent N 2136214, MKL A 61 B 6/00, 1999 )

Недостатком известного способа является влияние на результат эффекта мягких тканей. The disadvantage of this method is the effect on the result of the effect of soft tissues.

В основу настоящего изобретения положена задача создания точного и быстрого способа определения минеральных веществ в костной ткани с использованием доступных средств. The present invention is based on the task of creating an accurate and fast method for determining minerals in bone tissue using available means.

Поставленная задача решается так, что в способе определения содержания минеральных веществ в костной ткани, включающем изготовление цифровой рентгенограммы объекта съемки с использованием эталона минеральной плотности, составление математического алгоритма построения "гладкой" денситометрической кривой по изображению эталона, осуществляя привязку плотности изображения эталона к содержанию минерального вещества объектом съемки, выбор исследуемого участка определения содержания минеральных веществ - перед изготовлением цифровой рентгенограммы, объект и эталон минеральной плотности помещают в водную среду, причем толщина водной среды должна быть постоянной в плоскости съемки. The problem is solved in such a way that in the method for determining the content of mineral substances in bone tissue, including the production of a digital radiograph of the subject using the mineral density standard, the mathematical algorithm for constructing a “smooth” densitometric curve from the image of the standard, linking the density of the image of the standard to the content of the mineral substance subject of the survey, the choice of the studied area for determining the content of mineral substances - before digital entgenogrammy object and mineral density of the standard is placed in an aqueous medium, the thickness of the aqueous medium should be constant in the recording plane.

Для осуществления заявленного способа при изготовлении цифровой рентгенограммы может быть использован обычный рентгенографический метод с последующим сканированием, но предпочтительно использование цифрового рентгеновского аппарата, лишенного таких недостатков, как неравномерность распределения излучения по полю, влияние рассеянного излучения, неравномерность полива эмульсии на рентгеновской пленке, неравномерность люминофорного слоя в кассете. For the implementation of the claimed method in the manufacture of a digital x-ray can be used the usual x-ray method with subsequent scanning, but it is preferable to use a digital x-ray apparatus, devoid of such disadvantages as uneven distribution of radiation over the field, the effect of scattered radiation, uneven irrigation of the emulsion on the x-ray film, the unevenness of the phosphor layer in the cassette.

Использование водной среды при изготовлении цифровой рентгенограммы можно осуществить, например, с помощью емкости, заполненной водой, представляющей собой параллелепипед с параллельными верхней и нижней плоскостями, или водяных мешков, однако в последнем случае возможно появление артефакта при неполном удалении воздуха между мешком и кожей. The use of an aqueous medium in the manufacture of a digital x-ray can be carried out, for example, using a container filled with water, which is a parallelepiped with parallel upper and lower planes, or water bags, however, in the latter case, an artifact may occur when the air is not completely removed between the bag and the skin.

В качестве эталона минеральной плотности может быть использован, например, алюминиевый или гидроксиапатитовый клиновидный эталон, алюминиевые пластины разной толщины и т.п. As a mineral density standard, for example, an aluminum or hydroxyapatite wedge-shaped standard, aluminum plates of different thicknesses, etc. can be used.

Поскольку вода обладает рентгенологическими свойствами, близкими к свойствам мягких тканей (фоновый эффект), на получаемой рентгенограмме оптические плотности представлены практически только костями и эталоном. Since water has radiological properties similar to those of soft tissues (background effect), the optical densities on the resulting x-ray are almost exclusively represented by bones and a reference.

Проведение серии экспериментов на фантомах показало, что соответствие рентгеновской плотности алюминия и кости изменяется в зависимости от анодного напряжения в интервале 44-80 кВ. На участке 80-120 кВ это соответствие становится более линейным, и оптическая плотность изображения кости и алюминия изменяется относительно одинаково. Отношение плотностей алюминий - кость не зависит от силы анодного тока и времени экспозиции. Отсюда нами был сделан вывод, что снимки можно делать на любых значениях силы тока (мАс), но при анодном напряжении более 80 кВ. В противном случае к стабильности анодного напряжения предъявляются очень высокие требования, что не всегда выполнимо на неспециализированной аппаратуре. Нестабильность 1-2 кВ в интервале анодного напряжения 33-80 кВ неизбежно приведет к погрешности в измерении, увеличивающейся при более низком напряжении в сторону завышения показателя минеральной плотности (см. диаграмму N 1, фиг. 5). A series of experiments on phantoms showed that the correspondence of the X-ray density of aluminum and bone varies depending on the anode voltage in the range of 44-80 kV. In the region of 80-120 kV, this correspondence becomes more linear, and the optical density of the image of the bone and aluminum varies relatively equally. The density ratio of aluminum - bone is independent of the anode current strength and exposure time. From here we concluded that the pictures can be taken at any current strength (mA), but with an anode voltage of more than 80 kV. Otherwise, very high requirements are imposed on the stability of the anode voltage, which is not always feasible on non-specialized equipment. The instability of 1-2 kV in the range of the anode voltage of 33-80 kV will inevitably lead to measurement errors that increase at lower voltages in the direction of overestimating the mineral density index (see diagram N 1, Fig. 5).

Такая зависимость от жесткости рентгеновского излучения вызвана наличием мягкотканого компонента, рентгенологические свойства которого сильно отличаются от свойств алюминия и солей кальция. This dependence on the hardness of x-rays is caused by the presence of a soft-tissue component, the radiological properties of which are very different from those of aluminum and calcium salts.

Использование при изготовлении цифровой рентгенограммы водной среды, постоянной по толщине в плоскости снимка, позволяет исключить влияние анодного напряжения за счет исключения эффекта мягких тканей. The use of an aqueous medium constant in thickness in the plane of the image in the manufacture of a digital X-ray diffraction pattern eliminates the influence of anode voltage by eliminating the effect of soft tissues.

На полученных рентгенограммах плотность изображения мягких тканей настолько близка к фону, что визуально практически не отличается от него, за исключением слабо различимого ободка просветления по контуру конечности (подкожная жировая клетчатка). При компьютерном анализе серии снимков предплечья, произведенных при разном анодном напряжении в интервале от 44 до 100 кВ, разброс данных минеральной плотности составил всего ±1,12% (см. диаграмму N 2, фиг. 6). On the obtained X-ray diffraction patterns, the soft tissue image density is so close to the background that it does not visually differ from it, except for a slightly distinguishable rim of enlightenment along the limb contour (subcutaneous fatty tissue). When computer analysis of a series of forearm images taken at different anode voltages in the range from 44 to 100 kV, the spread of mineral density data was only ± 1.12% (see diagram N 2, Fig. 6).

Ниже приведены рентгеновские снимки одного и того же пациента. Фиг. 1 - отсканированная обычная рентгенограмма; фиг. 2 - рентгенограмма, полученная на цифровом рентгеновском аппарате с использованием специальной емкости с водой. Во втором случае изображение мягких тканей едва заметно и представлено лишь слабым контуром кожи и подкожной жировой клетчатки. Плотность мягких тканей, например, между лучевой и локтевой костями находится на уровне фонового значения. Below are x-rays of the same patient. FIG. 1 - scanned conventional radiograph; FIG. 2 - x-ray obtained on a digital x-ray apparatus using a special container with water. In the second case, the image of soft tissues is barely noticeable and is represented only by a weak contour of the skin and subcutaneous fat. The density of soft tissues, for example, between the radius and ulna is at the level of the background value.

На фиг. 3 изображена специальная емкость, заполненная водой. Плоскости А и Б строго параллельны для обеспечения постоянства толщины водного слоя и равномерности фона. In FIG. 3 shows a special container filled with water. Planes A and B are strictly parallel to ensure the constancy of the thickness of the water layer and the uniformity of the background.

Схематическое изображение процесса получения рентгенограммы костей кисти и предплечья на цифровом рентгеновском аппарате (фиг. 4): A - рентгеновская трубка; B - коллиматор; C - линейка фотодиодов (объединены в одну механическую систему); D - специальная емкость, заполненная водой; E - клин-эталон; F - стол. На пациента надет защитный просвинцованных фартук. Анализ отобранных в процессе патентного поиска и изучения научно-технической информации решений показал, что в науке и технике нет объектов, аналогичных по заявляемой совокупности существенных признаков и наличию преимуществ, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого нами решения критериям "мировая новизна" и "изобретательский уровень". Schematic representation of the process of obtaining an x-ray of the bones of the hand and forearm on a digital x-ray apparatus (Fig. 4): A - x-ray tube; B - collimator; C - a line of photodiodes (combined into one mechanical system); D is a special container filled with water; E - wedge-standard; F is the table. A protective leaded apron is put on the patient. The analysis of the solutions selected during the patent search and studying the scientific and technical information showed that in science and technology there are no objects similar in terms of the claimed combination of essential features and the presence of advantages, which allows us to conclude that the solution we are proposing meets the criteria of “world novelty” and “inventive” level".

Для доказательства соответствия заявленного способа критерию "промышленная применимость" приводим пример практического осуществления. To prove the conformity of the claimed method to the criterion of "industrial applicability" we give an example of practical implementation.

Берут две группы пациентов - контрольную и больных ревматоидным артритом. Контрольная группа состоит из молодых пациентов с заболеваниями, не связанными с нарушением минерального обмена. Исследуемая группа состоит из больных ревматоидным артритом, в том числе получающих терапию кортикостероидами. Больных располагают как указано на схеме (фиг. 4). Измерение минеральной плотности проводят в области головки лучевой кости. Результаты представлены в таблицах 1-4. Единица измерения - мг/cм².Take two groups of patients - control and patients with rheumatoid arthritis. The control group consists of young patients with diseases that are not associated with impaired mineral metabolism. The study group consists of patients with rheumatoid arthritis, including those receiving corticosteroid therapy. Patients are placed as indicated in the diagram (Fig. 4). Measurement of mineral density is carried out in the region of the radial head. The results are presented in tables 1-4. The unit is mg / cm ² .

Как видно на представленных таблицах, в группе ревматоидного артрита значительно снижена минеральная плотность костной ткани. Особенно это снижение выражено у больных пожилого возраста, получающих лечение кортикостероидными препаратами (глюкокортикостероиды, ГКС). Чувствительность способа такова, что у большинства пациентов из группы контроля определяется преобладание минеральной плотности в головке правой лучевой кости (рабочая рука у правшей). As can be seen in the tables, in the group of rheumatoid arthritis, the mineral density of bone tissue is significantly reduced. This decrease is especially pronounced in elderly patients receiving treatment with corticosteroid drugs (glucocorticosteroids, corticosteroids). The sensitivity of the method is such that in most patients from the control group, the prevalence of mineral density in the head of the right radial bone (the working arm of the right-handed) is determined.

Для сравнения с прототипом проводят исследование согласно заявляемому способу и прототипу. Зона интереса - головка правой лучевой кости. Полученные значения приведены в таблицах 3 и 4. For comparison with the prototype, a study is carried out according to the claimed method and prototype. The zone of interest is the head of the right radial bone. The obtained values are shown in tables 3 and 4.

Результат по заявляемому способу приведен в таблице 3, где разброс данных составляет ± 1,12% от среднего или 2,24% в абсолютном значении. The result of the present method is shown in table 3, where the data spread is ± 1.12% of the average or 2.24% in absolute value.

Результат по прототипу приведен в таблице 4, где разброс данных составляет ±2,63% от среднего (700,33) для 44 кВ, и ±2,43% от среднего (633,47) для 60 кВ. Суммарный разброс для обоих напряжений составляет ±5,01% от среднего или 10,56% в абсолютном значении. Видна большая зависимость точности определения содержания минеральных веществ от анодного напряжения. Точность меньше и при одном значении напряжения из-за непостоянства зоны измерения плотности вычитаемой мягкой ткани, выбор которой субъективен, т.е. определяется оператором. The result of the prototype is shown in table 4, where the data spread is ± 2.63% of the average (700.33) for 44 kV, and ± 2.43% of the average (633.47) for 60 kV. The total spread for both stresses is ± 5.01% of the average or 10.56% in absolute value. A large dependence of the accuracy of determining the content of mineral substances on the anode voltage is visible. The accuracy is less even with a single voltage value due to the inconstancy of the density measurement zone of the subtracted soft tissue, the choice of which is subjective, i.e. determined by the operator.

Предлагаемый способ позволяет значительно повысить точность определения содержания минеральных веществ в костной ткани за счет уменьшения влияния на конечный результат оптической плотности изображения мягких тканей и нестабильности анодного напряжения. The proposed method can significantly improve the accuracy of determining the content of minerals in bone tissue by reducing the effect on the final result of the optical density of the image of the soft tissues and the instability of the anode voltage.

Предлагаемый способ осуществляют в части использования признака "составляют математический алгоритм" с помощью персонального компьютера и используют в рентгенологических отделениях больниц. The proposed method is carried out in terms of using the sign "make up a mathematical algorithm" using a personal computer and is used in the radiological departments of hospitals.

Само изображение и полученные значения содержания минеральных веществ в костной ткани можно вывести как на дисплей, так и на бумажный носитель. The image itself and the obtained values of the content of minerals in the bone tissue can be displayed both on the display and on paper.

Способ является эффективным и доступным для лечебных учреждений. The method is effective and affordable for medical institutions.

Claims

A method for determining the content of mineral substance in bone tissue, including the production of a digital x-ray of the subject using the mineral density standard, drawing up the density standard on the X-ray image of a mathematical algorithm for constructing a "smooth" densitometric curve, linking the image density of the standard to the content of the mineral substance in the studied area, characterized in that before the production of the radiograph, the subject of the survey and the standard of mineral density schayut in aqueous medium filling a container of parallel planes, the thickness of the aqueous medium should be constant over the entire recording surface.