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Titel: Nutzung von Dual-Energy Computertomographie zur Bestimmung von Knochenmineraldichte unter Verwendung einer 3-Material-Zerlegung
Autor: Hofmann, Philipp Christian
Weitere Beteiligte: Mahnken, Andreas H. (Prof. Dr.)
Veröffentlicht: 2018
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2018/0350
DOI: https://doi.org/10.17192/z2018.0350
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2018-03509
DDC: Medizin
Titel(trans.): Phantom-less bone mineral density measurement using dual energy computed tomography-based 3-material decomposition
Publikationsdatum: 2018-09-24
Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:
CT, Computertomografie, Dual-Energy-Computertomografie, DEXA, Dual-Röntgen-Absorptiometrie, Vorsorge, 3-material decomposition, Osteoporose, Dual Energy Computed tomography, Osteoporose, Dual-Energy-X-Ray-Absorptiometry, CT, 3-Materialzerlegung, Dual-Röntgen-Absorptiometrie, qCT, Computertomografie, DXA, Computed Tomography, DXA, quan, q, Osteoporosis, Prevention

Zusammenfassung:
Einführung Osteoporose ist eine Systemerkrankung, die zunehmend vor allem bei älteren Menschen Leben und Lebensqualität durch sinkende Knochenstabilität bedroht. Zum Zweck der Osteoporosevorsorge wird die Knochenmineraldichte (BMD) von Kalzium-Hydroxylapatit gemessen. Die beiden radiographischen Standardverfahren sind Zweispektren-Röntgen-Absorptiometrie (engl. dual energy X-ray absorptiometry, DXA) und quantitative CT (qCT). Beide Verfahren haben jeweils spezifische Vor- und Nachteile. Der Goldstandard DXA ist strahlungsarm und sehr gut erforscht, mit großer Datenbasis und international anerkannten Richtlinien der Weltgesundheitsorganisation. Mit DXA wird eine Flächenmineraldichte (”areal bone mineral density”, aBMD) ermittelt. Die Zweidimensionalität der Radiographien von DXA macht das Verfahren anfällig für Fehler durch beispielsweise Verkalkungen der Aorta oder Osteophyten. Bei der Ermittlung der BMD durch qCT können durch die dreidimensionalen CT-Bilder solche Fehlerquellen vermieden werden. Mit qCT wird eine Volumenmineraldichte des trabekulären Knochen ermittelt (”volumetric bone mineral density”, vBMD). Als Nachteile der qCT sind die höhere Strahlendosis für den Patienten zu nennen, das Fehlen eines Materialzerlegungsalgorithmus und fehlende anerkannte Richtlinien. Für eine qCT-Untersuchung ist ein spezielles Kalibrationsphantom während der Aufnahme notwendig. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Evaluierung eines auf CT-Untersuchungen mit zwei Strahlenergiespektren (”Dual-Energy-CT” bzw. DECT) basierenden radiographischen Untersuchungsverfahrens. Dieses Verfahren soll die oben genannten Probleme der beiden etablierviten Methoden so gut wie möglich lösen und sich dabei in Genauigkeit und Präzision mit dem Goldstandard messen lassen. Untersucht werden soll auch, in welchem Umfang existierende Scanprotokolle für das neue Verfahren verwendbare Aufnahmen liefern. Dies würde die Auswertung bestehender CT-Daten auf Knochenmineraldichte ermöglichen. In diesem Rahmen muss geklärt werden, ob an modernen CT-Geräten auf ein Kalibrationsphantom verzichtet werden kann. Zudem ist der Einfluss des immer häufiger bei CT-Untersuchungen eingesetzten Kontrastmittels auf die Qualität des Testverfahrens zu betrachten. Material und Methoden: Die Verwendung von DECT ermöglicht die Entwicklung einer Materialzerlegung in drei verschiedene Materialien, die im trabekulären Knochen enthalten sind: Rotes und gelbes Knochenmark und die Knochenmatrix. Zu diesem Zweck wurden anhand des europäischen DXA-Kalibrationsphantoms ESP, (”European Spine Phantom”, QRM GmbH, Möhrendorf, Deutschland) Kalibrationsmessungen für die CT-Geräte SOMATOM Force und SOMATOM Definition Flash (Siemens Healthcare GmbH, Forchheim, Deutschland) durchgeführt. Dabei wurden alle DECT-Röhrenspannungskombinationen untersucht und die Effekte verschiedenster Untersuchungsparameter für DECT und herkömmliche CT-Untersuchungen (”Single-Energy CT”, SECT) analysiert. Aus den gewonnenen Daten wurden eine Strahlaufhärtungskorrekturfunktion, und eine Umrechnungsfunktion aus CT-Werten in vBMD-Werte entwickelt sowie ein Algorithmus zur Dreimaterialzerlegung adaptiert. Zur Validierung wurden 29 DECT-Datensätze in Verbindung mit zeitnah aufgenommenen DXA-Untersuchungen untersucht. Von diesen Patienten hatten sechs außerdem eine dedizierte qCT-Untersuchung erhalten. Der Effekt von intravenös (IV) und gastrointestinal verabreichtem Kontrastmittel (KM) auf BMD-Werte wurde mit jeweils 9 Patienten untersucht. Mangels einer ”ground truth”, also einer spektroskopischen Untersuchung von Knochenasche, wurde die DXA als Goldstandard herangezogen. Ergebnisse: Mithilfe der genannten Methoden wurde ein auf DECT basierendes Untersuchungsverfahren für Knochenmineraldichte (”DE-qCT”) entwickelt. Die Genauigkeits- und Präzisionsfehler sind mit < 1% bei optimierten Scanparametern am SOMATOM Force und bei opportunistischer Auswertung bis 2 − 3% mit denen der DXA vergleichbar. Aufgrund des Unterschiedes von aBMD und vBMD wurde die klinische Indikation der beiden Messverfahren in Bezug auf Knochengesundheit, Osteopenie und Osteoporose verglichen. Es konnte ein Auswertungsverfahren entwickelt werden, das eine AUC(” Area under the curve”) einer ROC-Kurve (”Receiver-Operating-Characteristic- Kurve”) mit DXA von über 0.9 aufweist. Bei Beschränkung auf die Richtlinien der WHO für DXA wurde eine statistisch signifikante AUC von 0.73 ermittelt. Die KM-Daten ergaben, dass intravenös verabreichtes Kontrastmittel die Auswertung verhindert, während KM im gastrointestinalen Trakt keinen signifikanten Effekt hat. Im Vergleich zu qCT erzielt DE-qCT mindestens gleichwertige oder näher am Goldstandard liegende Ergebnisse. Die Messungen bestätigen, dass auf das qCT- Kalibrationsphantom verzichtet werden kann und dass eine nachträgliche Untersuchung auf Knochenmineraldichte anhand bestehender nativer DECT-Datensätze möglich ist. Diskussion: Die Einschränkungen von DXA und qCT können weitgehend durch die Kombination der Verfahren überwunden werden. Einschränkend zu nennen sind die geringe Patientenzahl bei der Validierung und das Fehlen einer ”ground truth”. Das Problem der niedrigen Patientenzahl setzt sich bei der Betrachtung von KM und beim Vergleich mit herkömmlicher qCT fort. Die Verwendung existierender DECT-Daten ist möglich. Zusammenfassend lässt sich folgern, dass DE-qCT bereits mit niedrigen Patientenzahlen sehr gut mit dem Goldstandard DXA übereinstimmt, was die Indikation betrifft. Eine statistisch signifikante Studie für die verschiedenen Altersgruppen, Geschlechter, Knochengesundheitszuständen, die eine signifikante Menge an Knochenascheuntersuchungen enthält, ist für weitere Erkenntnisse notwendig.

Summary:
Introduction: Osteoporosis is a systemic bone disease responsible for loss of bone strength, endangering life and life quality of especially the elderly. For osteoporosis screening, the density of calcium-hydroxylapatite within the bone is evaluated. This density is commonly named bone mineral density (BMD) and forms the primary parameter for bone strength evaluation. The two standard procedures based on x-ray imaging for measuring BMD are dual energy x-ray absorptiometry (DXA) and quantitative CT (qCT). Both procedures have their respective benefits and drawbacks. DXA is the gold standard. It is low-dose, and well researched with large international databases and established guidelines by the World Health Organization. The two-dimensional nature of DXA images is susceptible to errors by e.g. aortic calcifications or osteophytes. DXA only detects areal bone mineral density (aBMD). Use of qCT as a three-dimensional imaging method circumvents those problems. qCT yields volumetric bone mineral density (vBMD) and allows for separate examination of trabecular and cortical bone. Drawbacks of qCT include a higher radiation dose and the lack of material decomposition or internationally established evaluation guidelines. Until recently, a qCT-scan required the presence of a special calibration phantom on each scan. Considering the rising numbers of osteoporosis cases worldwide, research for improvements on the established screening procedures is worthwhile. Objectives: The objective of this work is the evaluation of a radiographic test procedure which avoids the problems of DXA and qCT as far as possible by augmenting the qCT procedure with a three-material iiidecomposition based on Dual Energy CT (DECT). Accuracy and precision have to be at least comparable with the gold standard. The possibilities of phantomless qCT and scan protocol and parameter independence need to be explored. These have the potential to enable opportunistic evaluation of CT data for BMD. The effect of the increasing number of contrast-enhanced DECT scans requires investigation. Material and Methods: DECT enables the adaption of a decomposition algorithm into the three primary components of trabecular bone: Red and yellow bone marrow and the bone mineral itself. For this purpose, a DXA calibration phantom (ESP, ”European Spine Phantom”, QRM GmbH, Möhrendorf, Germany) has been used in combination with state- of-the-art CT scanners (SOMATOM Force and SOMATOM Definition Flash, Siemens Healthcare GmbH, Forchheim, Germany). All DECT beam energy combinations have been calibrated and the effects of scan parameters for DECT and standard single energy CT (SECT) were analysed. The acquired data facilitated development of the necessary beam hardening correction, a material decomposition algorithm into three materials, and conversion functions for CT-values into vBMD. For validation, 29 patients who had DECT data and concurrent DXA scans were evaluated using this enhanced dual energy qCT procedure. Six of these patients were scanned with standard phantom-based qCT data available as well. The effect of intravenously (IV) administered contrast agent (CA) and of CA in the gastrointestinal tract were analyzed using 9 patient datasets each. Lacking a ground truth by bone ash spectroscopy, DXA was used as standard of reference. Results: A DECT-based BMD acquisition procedure (DE-qCT) was developed. Accuracy and precision errors are comparable to DXA ranging from < 1% on the latest CT device SOMATOM Force and optimal parameters to 2 − 3% during opportunistic screening on older hardware. aBMD and vBMD are inherently incomparable. This has been addressed by evaluating the medical indication classifications of healthy bone, osteopenia and osteoporosis yielded by DE-qCT and DXA. The highest Area-under-curve correlation of the BMD measurement procedures introduced in this work is just over 0.90 and significant. Another procedure is more strictly oriented on WHO guidelines and has a lower, statistically significant correlation of 0.73. CT data containing CA showed that IV-administered CA prevents meaningful evaluation for BMD, gastrointestinal CA does not show this effect. DE-qCT yielded at least equal, if not better results than qCT, when compared to the gold standard. During development it was confirmed that the qCT calibration phantom is no longer necessary on modern CT devices. Evaluation of CT data obtained fpr a different clinical purpose for BMD is possible. Conclusion: The described limitations to DXA and qCT were overcome using the DE-qCT procedure. Our study is limited by the low number of patients evaluated and the lack of a real ground truth. The low number of patients is also evident for the CA evaluations and the qCT comparison. It can be concluded that DE-qCT has a high, significant agreement with DXA even at low patient numbers concerning medical indication. It is necessary to conduct a study including the required statistically significant number of patients of different ages, sexes, bone health status, fracture history and with a significant number of bone ash spectroscopies included.


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